复合材料传动轴（精选10篇）
复合材料传动轴 篇1
当前, 随着人们生活水平的不断提高, 汽车已经越来越普及, 同时, 人们对汽车的性能、质量、稳定性和耐用性等也提出了更高的要求。因此, 只有质优价廉的汽车才能受到更多消费者的喜爱。传动轴对汽车的性能和价格等具有很大的影响。基于科技的发展, 采用碳纤维复合材料制造汽车的混合传动轴, 对汽车的各项性能、轻量化等都有着十分重要的作用。可见, 本文对汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计的研究具有一定的现实意义。
1 传动轴的制造
汽车新型复合材料传动轴主要是以复合材料为内层, 以金属材料为外层。其中, 外层材料主要选用铝镁合金、铝合金等轻质金属材料, 内层的复合材料则主要为碳纤维。通过逐层粘贴的方式, 将复合材料固定于金属轴的内表面, 从而保护复合材料免受油水杂质、外部冲击等损坏。在当前的后驱和四驱车辆设计中, 主传动轴的长度在不断增加。传动轴的长度会对其固有频率产生影响——长度越长, 弯曲固有频率越小。随着碳纤维层铺设角度的减小, 碳纤维复合材料混合轴的固有频率逐渐增加。因此, 利用碳纤维复合材料以0°的角铺设, 能够将汽车传动轴的固有频率提升45%左右。
汽车复合材料传动轴应当具有良好的扭转刚度、扭转强度和承载能力, 其弯曲固有频率至少要达到229 Hz以上。同时, 自身质量应尽量减轻。因此, 可以选用碳纤维材料、玻璃纤维材料、铝合金材料分别作为混合传动轴的内层、中层和外层。在实际制造当中, 首先按照一定的角度和顺序, 在金属芯模上缠绕玻璃纤维和碳纤维, 然后放入铝合金轴中。此时, 在芯轴旋转压力的作用下, 复合材料层会贴在铝合金轴内壁。接着将真空袋插入混合轴, 再用带有“O”形密封环和真空管路的端盖密封;将轴向预紧力施加于混合轴上, 并消除复合材料层和铝轴之间的残余热应力;将混合轴抽成真空送入高压釜, 经过3 h 125 ℃加热即可。
2 传动轴的力学性能
在传动轴的设计过程中, 必须要考虑到其刚度和强度等参数, 从而确保零件的安全和可靠。汽车的传动轴主要是传递扭矩, 只承受由自身质量产生的弯矩, 而这种弯矩是可以忽略的。因此, 在设计传动轴强度的过程中, 必须在许用剪应力[t]下对圆轴横截面最大剪应力tmax进行限制。在校核传动轴刚度时, 要考察相对扭转角。
汽车碳纤维复合材料混合传动轴的静态扭矩传递能力至少要达到2 700 N·m。利用相关公式可以计算出传动轴的尺寸。一般情况下, 后驱车辆传动轴的外径为60~120 mm, 长度为1 200~1 500 mm。多层碳纤维的铺设并没有明显提升传动轴的固有频率, 因此, 可以采用单层碳纤维混合轴。
3 传动轴与万向节的连接
混合传动轴和金属万向节可采用机械、胶接等方式连接。其中, 机械连接主要包括法兰连接、螺栓连接、网纹连接、齿纹连接、销钉连接等;胶接主要是利用结构胶连接两者。在实际应用中, 往往难以有效控制胶接质量;而在机械连接中, 螺栓连接和销钉连接都需要在传动轴上打孔, 对传动轴的强度较为不利。因此, 通常采用齿纹连接方式。齿纹连接与矩形花键连接相似, 齿根较浅、应力集中、承载能力高。在装配过程中, 应确保传动轴与万向节间的过盈配合。
在传递扭矩的过程中, 每个齿的受力表达式为:
式 (1) 中:N为齿数;r为连接处等效半径。
在设计中, 根据连接的半径、径向长度等参数能够确定优化设计矢量X= (N, ws, h) 。同时, 要合理选择齿纹的深度、宽度等。以2 700 N•m的扭矩为例, 根据计算能够得出需要的齿数为5, 齿长为60 mm、宽为25 mm、深为1 mm。最后根据实际情况修改齿纹参数, 最终确定齿数为20, 齿宽为6.4 mm, 其他参数保持不变, 传动轴性能满足实际应用要求。
4 结论
传动轴是汽车中十分重要的零部件, 对汽车的质量、强度、性能都有着很大的影响。因此, 为了提升汽车整体性能, 可以采用碳纤维复合材料制造汽车混合传动轴。与以往的钢铁材料传动轴相比, 碳纤维复合材料能在更大程度上提升汽车传动轴的性能。
摘要：碳纤维复合材料是一种应用十分广泛的材料, 具有各向异性、质量轻、强度高等特点。尤其是在汽车制造中, 利用碳纤维复合材料可以制作车身表面覆盖件、空气动力组件等, 能够有效提升汽车的整体性能。在以往的汽车制造中, 采用的是钢铁传动轴, 其弯曲固有频率较小。为了满足汽车高速行驶的要求, 采用了两段式传动轴, 但两段式传动轴存在着很多弊端。而应用碳纤维复合材料制造汽车的混合传动轴, 能够很好地解决这一问题, 从而提升汽车的整体性能。
关键词：汽车,碳纤维复合材料,混合传动轴,力学性能
参考文献
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汽车转向传动轴相位角的设计 篇2
摘 要：转向力是评价汽车操纵稳定性的重要指标，转向时转向力会出现时轻时重的波动现象。文章阐明了传动轴相位角与转向力的关系， 对某转向力波动过大的重型卡车进行了相位角改进设计。
关键词：转向系统；相位角；硬点
中图分类号：TH113. 2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0006-02
汽车转向操纵机构一般由转向盘、转向轴、转向管柱、转向传动轴及万向节组成。由于转向传动轴两端有两个不等速万向节，则必然就会产生转向力的波动问题。在本转向系统的设计中，汽车空间布置较为紧凑，转向系统硬点已经固定，所以不能通过系统硬点的改变来解决转向力波动问题，只能通过改变传动轴相位角来解决此问题。
1 转向传动机构等效夹角理论
定义转向轴与传动轴间的夹角为β1，β1∈[0 °，90 °）；转向传动轴与转向输入轴间的夹角为β2，β2∈[0 °，90 °）；转向轴与转向传动轴所在的平面（定义为平面Ⅰ）和转向传动轴与转向器输入轴所在平面（定义为平面Ⅱ） 间的夹角为α，α∈（-90 °，90 °），当平面Ⅰ由平面Ⅱ逆时针旋转而得，α为正；当平面Ⅰ由平面Ⅱ顺时针旋转而得，α为负；上端十字叉面与下端十字叉面的夹角为转向传动轴相位角ψ，ψ∈（-90 °， 90 °），转向传动轴上端的十字叉由下端的十字叉逆时针旋转而得，为正；当顺时针旋转而得，为负。转向传动机构所对应的夹角，分别如图1和图2所示。
转向传动机构等效夹角的计算公式：
对函数进行分析，如图3和图4所示。
当x=0时，A（x）取得最小值。即当ψ=-α，βe最小，则对于增函数F（βe）取最小，转向力波动最小。
3 某车型转向轴相位角的确定
①某车型转向系统硬点布置，见表1。
②根据表1对转向系统进行三维建模，如图5所示。
③对本车转向传动轴相位角改变前后转向力波动进行比较见表2，如图6所示。
4 结 语
当？追=-a，？茁emin=最小，则对于增函数F（？茁e）取最小转向力波动最小，所以在本转向轴传动设计时，相位角尽量接近角。如果相位角调整后波动力还不能满足设计要求，则需要调整？茁1和？茁2，使得最小以使波动力最小。
参考文献：
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[2] 裴锦华，李明.汽车转向系统力矩波动的匹配研究[J].汽车科技，2010，（3）.
液压与机械复合传动特性研究 篇3
关键词：液压传动,机械传动,复合传动,调速特性
1 概述
液压传动以及机械传动都具有其各自的传动特性和优点, 但是如果就其某种传动方式独立存在, 实现动力传动也存在一定的局限性, 如混凝土搅拌运输车搅拌罐的驱动, 如果只采用液压传动, 其传动比是不能满足搅拌车工作的要求, 因此就需要在液压传动的基础上再与减速机配合, 实现大传动比稳定传动。再如采用机械变速箱的运输车底盘, 作为工程施工车的底盘就不能满足工程施工低速的行驶要求, 从而需要与液压传动匹配以实现低速行驶完成作业的需要。因此本文在分析液压、机械传动特性的基础上, 介绍液压与机械融合的传动系统, 实现复合式传动, 不但可以获得高的传动效率, 而且还可以满足各种施工工况。
2 机械传动的特点
机械传动是传统的传动形式, 即使液力和液压传动被广泛应用于工程机械, 但是机械传动以它的传动效率高、工作可靠等优势仍然作为主要的传动方式被广泛采用。机械变速器就是传统的传动方式用于汽车和各种机械的变速传动装置, 一般来说, 汽车使用的机械式变速器分为五-六档变速, 一共拥有五种不同的齿轮传动比, 是典型的有级变速器。
机械变速器的变速原理就是利用不同型号的齿轮啮合来产生不同的传动比, 达到相对应的变速目的, 再利用相应的传动轴将转速和转矩传递到需要的工作部位。随着机械变速器的发展和车辆不同功能的要求, 也出现了能实现无级变速的机械式变速器, 同时, 也有将机械式变速器与电控技术相结合的自动控制式变速器。总的来说, 机械式变速器所具有的调速特性优势主要表现在具有较高的传动效率和高的工作可靠性, 尤其在高速行驶的车辆上运用十分广泛。
3 液压传动的特点分析
液压传动是帕斯卡原理在传动方式上的经典运用, 并且由于它自身的传动特点和优势, 已经被广泛采用, 而且在很多场所有着机械传动无法实现的功能。下面主要以液压无级调速系统为例进行分析。
液压传动无级调速的类型主要有: (1) 变量泵-变量马达; (2) 变量泵-定量泵; (3) 定量泵-变量马达; (4) 定量泵-调速阀等。
液压无级调速的基本工作原理就是:通过改变液压泵与液压马达的排量比, 达到在一定范围传动比内的无级调速。
工程作业类机械采用机械传动的主要不足之处就在于: (1) 机械传动无法实现反馈调控; (2) 由于工程机械在工作时工况经常发生改变, 静态特性下确定的匹配参数就不能使发动机处于最佳工作状态; (3) 由机械传动所传递的载荷, 是通过传动系直接作用于发动机飞轮输出端, 它与发动机的匹配的经济性很难达到最佳匹配状态; (4) 由于这些循环作业工程机械的工作阻力在各工序中相差很大, 所以当其平均最大工作阻力配置在发动机牵引档最大生产率附近时, 其他工况阻力则偏差很远, 使操作员不得不频繁的换挡以达到最佳工作状况。
此时, 如果在这类作业机械上采用一种利用DA先导控制变量泵的闭式变量泵-定量马达液压传动系统, 其相比于机械传动的优势体现在: (1) 液压回路可以将工程机械工作过程中遇到的急剧变化的负载, 特别是对一些冲击负载实现缓冲屏蔽, 而不是直接将这些负载传递到发动机飞轮输出端, 这样就可以避免由于冲击载荷导致的发动机熄火; (2) 由于对波动负荷的屏蔽和缓冲作用, 所以该系统对于发动机的要求降低, 在载荷相同的情况下, 发动机的扭矩适应性可以降低, 使其匹配点可以配置在非调速段上, 而且在载荷增加时系统压力升高, 同时借助DA控制可以在实现发动机转速降低的同时增加扭矩输出, 泵排量降低, 使发动机在转速不高的情况下可以利用液压系统的最大压力, 从而降低燃油消耗。
但是, 液压传动的效率相对于机械传动要低, 即使在效率最高的时候也只能达到80%到85%, 特别是在要求机械低速稳定作业时, 液压系统传动效率更低而且容易出现机械“爬行”等不利状况。
4 液压机械复合调速特性分析
通过以上的论述, 我们可以发现, 传统的机械传动以及现代兴起的液压传动等都各有自己的优缺点, 所以, 很多地方我们都是将它们结合起来以弥补它们单独使用时不能满足要求或者性能不佳的缺陷。
如图1所示, 混凝土运输车的液压传动系统, 在液压马达后串联了一个行星减速器构成液压-机械复合式传动系统。目前, 这种形式的液压-机械复合式传动系统为大部分的混凝土搅拌运输车的拌筒驱动装置所采用。
我们首先来分析混凝土搅拌运输车在搅拌过程中搅拌筒在不同搅拌工况下所承受的外载荷, 其工作过程中所受扭矩变化大致情形如图2所示:
对于混凝土搅拌车搅拌筒而言, 其驱动负载主要为扭矩, 在图中我们可以看出:当搅拌筒内被加入搅拌料时, 搅拌筒的驱动力矩在随着料的不断增多而增大, 只是在料即将加满的时候才有所下降;而在运输搅拌料的过程中, 搅拌筒的驱动力矩是保持平稳的状态的;在运输车到达目的地后, 搅拌车需要停车卸料, 此时, 搅拌筒反转, 进入卸料工况, 它的驱动力矩在瞬间会出现上升, 然后快速回落, 在混凝土料被卸下的过程中, 由于料质量逐渐减少, 所以搅拌筒的驱动力矩也随之逐渐下降;在将料卸下之后, 运输车空筒返回, 其搅拌力矩稳定的保持在较低状态。
由上述分析可知, 搅拌筒在工作过程中既会出现逐渐上升的载荷, 也会出现突然增大的冲击载荷, 并且还需要实现正反转功能。那么对应的搅拌筒的驱动系统主要需要实现的功能就是降低转速增加输出扭矩, 同时要能够减缓冲击载荷对发动机的损害。因此, 以液压系统作为其传动系统是很理想的, 但是, 通过计算得到的搅拌车在满载的时候所需要搅拌力矩大, 而且要稳定的低速, 因此仅仅使用液压系统进行传动获得稳定的低速、大扭矩, 会导致传动效率很低。所以, 此时在液压马达后接上一个能够具有减速增扭的机械减速器就能够使整个传动系统满足搅拌筒稳定的低速、大扭矩传动, 并且获得高的效率。
这类液压系统与机械减速器相串联构成的复合式传动系统既具备了液压系统的优点, 也弥补了单一液压系统部分功能不足的缺点。同时, 与这类系统不同的还有通过液压传动系统与机械传动系统并联分流式传动的液压机械无级传动系统。
而在目前实际运用中的液压机械无级变速器, 一般都会设置多段档位来满足机械不同工况下的需求特性, 如图3所示, 就是一种多段式液压机械无级变速器传动图。
该调速系统通过L1到L8这8组离合器的啮合与断开从而具有前进方向六段和倒车方向两段的连续无级变速传动, 以满足作业机械运行时的不同工况。
如图4所示, 这是该系统在额定输入时不同转速比的条件下变速器前进方向各工作段的效率值 (粗实线) , 以及e值在正负范围内变化时的变速器效率值 (细实线) 和液压系统的效率值 (虚线) 。
从图4中我们可以看出, 多段液压机械无级变速器的平均效率比纯液压系统的传动效率是要高的, 只是稍低于纯机械传动效率。因此, 这种液压机械式无级传动系统在作业机械运行时, 首先采用的是纯液压传动使机械达到稳定的微动起步状态 (这种工况同时也适用于需要长时间低速稳定作业的大量工程机械, 这是纯机械传动系统所不能满足的) 。在作业机械进入稳步工作状态之后, 我们可以通过档位切换来使系统工作在液压机械分流传动状。如果作业环境良好, 机械在工作中不会遇到较大的冲击载荷, 还可以采用纯机械传动输出以达到功率最大化。如果作业环境复杂, 作业机械部分功率可以通过液压系统输出, 在保证了传动效率不会大幅降低的同时也保障了机械的运行安全。
5 结束语
虽然机械传动与液压传动目前运用的范围十分广泛, 但是液压机械复合式调速系统通过将液压传动与机械传动相结合, 在既能实现大范围内的正反转无级调速的同时也可以大大的提高系统传动效率。这无疑是以后大型作业机械和复杂作业工况作业机械传动方式一个重要发展方向, 尽管我国在这方面的研究还不够完善和全面, 可是其巨大的发展空间已经为我国在这方面的研究提供了动力。
参考文献
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复合材料传动轴 篇4
关键词：K18k；连杆；断裂；措施
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）32-0084-02
1 问题的提出
K18K型漏斗车是专供运送煤炭的无盖漏斗车，适用于固定编组、循环使用、定点装卸、大量运转或消耗煤炭的港口、厂矿企业运用，卸货方式分为风动卸货和手动卸货，集团公司现采用手动方式。目前，我处K18自备车传动轴连杆有三段式连杆和二段式连杆两大类。2006年我处购进的10辆K18k型车，连杆为三段式连杆，在投入运用后，多次发生直径35 mm的连杆对丝断裂现象，造成无法开启或关闭底开门故障，影响车辆运用，延误整列车在卸车货位上的停时。
2 传动机构原理分析
2.1 手动开启关闭底开门动作过程
手动开启关闭底开门动作过程，如图1所示。
K18K风动、手动卸货机构都位于车底架之上2位端，手动卸煤时，扳动手轮带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮，再通过离合器带动上部传动轴，通过上曲拐、连杆、下曲拐以带动下部传动轴转动，带动杠杆、拉杆，推开底门。
2.2 连杆锁闭（二级锁闭）原理
为了确保底门锁闭可靠，防止锁体在运行时震动自开，在两极传动的上、下轴之间，设计了一个过死点才可开启的连杆，将下部传动轴锁在指定的转动位置。使锁体锁在指定位置，形成了二级锁闭状态。所谓“死点”，是指连杆的两端转轴中心与上部传动轴的中心处在一条直线那个时刻的状态。如图2所示，图示状態是锁闭位，已过死点。连杆两端转轴连线与上部传动轴中心存在一个偏心距（15 mm），若在下部传动轴上施加逆时针扭矩想把底门打开，则上部传动轴反而需顺时针转动，连杆这时又紧靠在上部传动轴的左侧，限制住上部传动轴不能顺时针转动，所以下部传动轴主动施力是不可能打开底门的。要把底门打开，必须在上部传动轴上施加逆时针扭矩，才能带动上曲拐、连杆、下曲拐、下部传动轴、杠杆、底门拉杆，从而把底门打开。
2.3 底开门锁体锁闭原理
散粒货物压力由底门上的底门销3传给锁体5上的圆弧面。圆弧面是以锁体转动中心为圆心的圆弧，因此作用在锁体上的底门压力通过锁体的转动中心。底门销3压在圆弧面的任意点上，锁体与底门销均呈平衡状态。即两者呈随遇平衡状态。锁体不会因底门销3作用在锁体上的力增大或减小转动。锁体转动时，要克服底门销压在锁体上所形成的摩擦力。如图3所示。
3 故障分析
近几年来，随着我国铁路运能和速度的不断提高，对货车的平稳性要求越来越高，在轴重不变的情况下，随着速度的提高，车辆的垂向高频振动（即在纵垂面内的浮沉及点头） 与车体（簧上质量） 成正比，即簧上质量越大车辆的振动频率越高，货车运行的平稳性越低，“国铁”对簧上质量的设计要求是尽可能降低其质量，三段式连杆是“国铁”采用的新技术，优点是可有效降低簧上质量，提高车辆高速运行的平稳性，缺点是会造成抗扭力和剪切力能力降低，但因“国铁”列车运行跨距较大（即装卸频率不高），断丝故障发生率不高。
通过以上结构原理研究以及对故障车的现场勘察分析，由于矿区铁路装载、卸货条件环境较差，在打开或关闭底开门过程中，由于采用带“空行程”的两齿离合器，留有146度的自由转动角，连杆对丝承受较大的扭力，特别是在重车泄空瞬间，在水平方向承受较大剪切力，在关门时，又受到反向的剪切力，导致对丝疲劳断裂。使上部传动轴与下部传动轴失去联系，此时底开门锁闭仅靠底门上的锁体作用，二级锁闭失去作用，同时也无法开启和关闭底开门。
4 采取的措施
根据K18底开门传动机构作用原理以及造成对丝断裂的原因，为此我单位初步确立两套整改方案：
①不改变生产厂设计方式，更换对丝材质，选用有较高强度的45#钢加工对丝；
②改变生产厂设计方式，选用技术成熟、目前从未出现断裂现象的二段式连杆，如图4所示。
在初期选用有较高强度的45#钢加工对丝，在装配试运用后，仍出现断裂故障，所以放弃此方案。二段式连杆是成型技术，已运用近三十年，它虽比三段式连杆重，但因矿区铁路车辆运行速度较低（一般在50 km/h以下），其重量不足以影响车辆的运行平稳性；
其次测绘二、三段式连杆连接栓孔位置、尺寸完全匹配；第三现车测量二、三段式连杆端部销孔连线与上部传动轴的偏心距，二者相同；
第四因其能承受较强地扭力和剪切力，能够满足矿区高频装卸的要求，确保行车安全，提高车辆运用率。具体实施如下：
①通过底开门传动机构将底门锁闭；
②去除三段连杆与上曲拐和下曲拐的开口销和圆销，此时底开门通过锁体锁闭不会自动打开；
③二段连杆上端与上曲拐通过圆销连接；
④调整二段连杆下端丝杆并与下曲拐通过圆销连接。
5 改造效果
改造后的车辆在其车体上涂打“连杆试验车”标记，经过7个月的实际运用，二段式连杆一切正常，未发生弯曲变形、裂纹状况。提高了连杆的强度，抗扭力和水平方向剪切力能力大幅提升，确保底开门闭锁系统的完整性，避免了因对丝断裂造成无法开启或关闭底开门故障，有效防止底开门自动开启煤炭漏泄事故的发生。避免了资源损失以及由此可能引发车辆颠覆脱轨事故的发生。
参考文献：
复合材料传动轴 篇5
液力传动的应用与发展已有百年的历史,诸多的优良传动品质与特点,如能容大、功率质量比大、高可靠性、自动适应性,隔离衰减扭振、良好地过载保护与大惯性负载的启动性能等,已为广大用户所熟知与认可。
目前用于负载调速的液力传动装置主要有调速型液力偶合器和可调式液力变矩器。调速型液力偶合器采用外部手段调节工作腔中的充液量,改变偶合器的输出特性,达到调节工作机械转速的目的。在电站锅炉给水泵、钢厂煤粉输运风机、石化工业泵与压缩机的传动与调速方面有着非常广泛的应用。
液力元件传递的功率与泵轮输入转速的三次方、循环圆直径的五次方成正比,因此提高泵轮输入转速可大幅增加传动功率并减小体积,图1是齿轮增速式调速型液力偶合器,目前单机传递功率可以达到60 MW、转速20 000 r/min以上[1,2,3,4]。
液力偶合器调速技术成熟简单,使用维护方便、工作寿命长,初始投资低、运行维护费用低。但调速型液力偶合器装置传动效率等于转速比,在额定工况转速附近效率很高,而在较低负荷工况传动效率明显降低,因此不大适合调速范围要求较大的大功率调速的应用。
导叶可调节式液力变矩器可通过调节可调导轮的叶片角来改变输出特性,图2为结构简图,特性曲线如图3所示。
1-输入轴;2-泵轮;3-涡轮;4-输出轴;5-可调导叶;6-导叶调节机构;7-齿轮泵;8-安全阀;9-油箱
从液力变矩器的特性曲线可以看出,涡轮输出转矩在制动工况时最大,随着转速比的增大,涡轮输出力矩单调下降,近似一条等功率曲线。可调式液力变矩器可应用于恒转矩的场合[5],如容积式的往复泵(化肥厂的甲胺泵等)、螺杆泵、压缩机,还有混合搅拌机(如化工行业中的反应釜)、挤压机、石油钻机(绞车、钻井泵的驱动)等。对于恒转矩类的负载,虽然随着转速的降低,负载转矩近似不变,导叶开度减小泵轮转矩下降,泵轮输入功率减小,因此在低转速下效率要高于偶合器。
德国福伊特公司的导叶可调式液力变矩器的一个重要应用场合是联合电厂燃气轮机启动[6,7,8,9,10],通过设置不同的导叶开度,获得不同的输出特性,满足启动过程变化的速度与力矩特性的要求。导叶可调离心涡轮液力变矩器正反转工况特性还适合某些特殊负载工况的应用,如石油钻机驱动中替代电磁涡流刹车实现下钻制动功能[11]。
导叶可调式液力变矩器的最高效率一般不会超过90%,随着负荷的减小效率还会下降,虽然在低转速下效率高于偶合器,但还是比较低,用于大功率调速不占优势。
随着工业技术的发展与人们节能减排意识的逐渐深入,在大功率的应用场合,对于动力传输设备的传动效率提出了更高的要求。调速控制是目前应用非常广泛的节能运行方式,而传统的调速型液力偶合器、可调式液力变矩器都存在效率方面的局限,由此促使液力行业更加重视高效液力变速与传动装置的应用与开发。
1 液力变速行星齿轮复合传动装置
液力机械传动的效率很高,采用可调式液力元件即可实现调速。液力变矩器的效率曲线是抛物线形状,高效范围有限,要在增速、减速、恒速传动中获得高效,需要液力变矩器和行星齿轮结构参数之间的合理匹配。
1.1 增速调速传动
图4所示为福伊特公司的RWE型液力行星齿轮传动装置,其基本组成为导叶可调式液力变矩器和行星变速箱,在60%～100%的调速范围内,可以保持较高的传动效率。
液力变速行星齿轮的运行基于功率分流原理,即大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械传动方式传递,只有一小部分功率通过液力变矩器叠加在旋转的行星齿轮上。由于大部分功率都是以机械形式传递,整个装置的最高效率可以超过95%。
A-导叶可调式液力变矩器;B-固定的行星齿轮;C-旋转的行星齿轮;D-工作油循环
图5给出分流各功率随相对输出转速的变化曲线。差动轮系太阳轮的输出功率(P3)相当于传输给工作机械的功率,这个功率包含齿圈传递的功率(P1)和行星架传递的功率(P2)。旋转行星齿轮的齿圈通过主输入轴直接与驱动电机相连,以恒定转速运转;接近75%的主电机功率通过差动齿轮系高效地传递给工作机械;旋转行星齿轮行星架的功率(P2)则通过液力变矩器传递。在高转速工作区域,只有大约25%的传递功率从液力变矩器分流到行星架,也只有这部分功率受液力变矩器工作效率的影响,计算工况变矩器的效率可以达到89%,也就是说,在液力变矩器中的损失功率占变矩器分流功率的11%左右,相对于整个传递功率,比例则更小一些。图5中P2负功率表明的是在较低的装置输出转速情况下,液力变矩器工作于反转制动工况,液力变矩器的涡轮吸收外部功率。
图6给出的是液力变速行星齿轮与齿轮式调速型偶合器传动效率的对比,齿轮式调速型偶合器只有在额定工况附近才具有较高的传动效率,而液力行星齿轮在较宽的负荷变化范围内可以保持较高的传动效率。
图7给出的是福伊特公司液力变速行星齿轮的另一种型号,与RWE型相比,除了液力变矩器以外,包含调速型液力偶合器,以及内置的摩擦离合器和充液量可调的液力制动器,集成了液力传动中的三大主要元件,这种设计使装置的转速控制范围扩大到了10%至100%。
A-调速型液力偶合器;B-摩擦离合器;C-可调式液力变矩器;D-变充液量液力制动器;E-固定的行星齿轮;F-旋转的行星齿轮
液力变速行星齿轮弥补了调速型液力偶合器低速比或者低负荷工况效率偏低的不足之处,在机组60%～100%的负载率变化范围内具有与变频传动可比拟的总体传动效率,这一点,齿轮式调速型液力偶合器是做不到的。在负荷变化并不是十分大的场合,液力行星齿轮的总体优势还是非常明显的,是能够与高压变频器抗衡的大功率调速装置。国内此类产品目前处于空白,认知程度也不是很高,具有一定的应用及发展空间。这类传动装置重点应用在海上钻井平台、天然气管道、原油和流体输送管道、石油精炼厂、石化厂和其他工业设备中,应用环境对设备运行的经济性及可靠性具有很高的要求。 具体应用领域有:
(1)能源工业:电站锅炉给水泵,鼓风机等;
(2)石油和天然气、化工行业:管线压缩机,工艺压缩机,制冷压缩机,氢再循环压缩机,液化天然气(LNG)原料气体压缩机,液化天然气(LNG)闪蒸气体压缩机等;
(3)其他工业:压缩机、泵和风机的驱动。
1.2 减速调速传动
RWE..AB是福伊特液力行星齿轮中用于低速传动的一种型号,转速调节范围60%～100%,配备的液力制动器可使大惯性的工作机械在停止运转时能够快速停机,图8是其原理简图。
大功率液力变速行星齿轮减速传动,可用工业普通的4极或6极定速电动机,而不必考虑选用昂贵的、大功率多极低速电机配置高压变频器。
减速液力行星齿轮传动在火电厂的磨煤机上已有成熟应用。其他行业,如化工领域PVC生产线上的聚合釜、化肥厂柱塞式甲胺泵,石油矿场钻机设备,液化天然气往复式压缩机等低速工作机械,也可探讨采用液力行星齿轮替代可调式液力变矩器、调速型液力偶合器作为调速驱动装置。
1.3 恒速控制
福伊特公司于2003年提出“风电液力驱动”的概念,2006年研制成功液力恒速控制装置应用于DeWind公司的D8.2风力机,装置命名为“WinDrive”, 实现了与常规燃油、燃气或燃煤电厂相似的直接并网发电方式。WinDrive装置的基本组成为一台行星变速箱和一台导叶可调式液力变矩器,仍然是一类典型的液力变速行星齿轮复合传动装置[14]。
图10给出采用WindRive装置的风力发电系统原理,此种风力发电系统,可调式液力变矩器的主要功能是配合行星齿轮系,适应不断变化的风轮转速,利用分流的小部分功率实现变化的风轮转速到同步发电机转速的恒定输入,从而保证发电机输出电压与频率的稳定而不必附加其他大功率逆变装置。
对于采用液力变速行星齿轮的风力发电系统具有如图11所示的组成部件的运动关系,图11中的液力变矩器“B”代表泵轮;“T”代表涡轮;“D”表示导轮。
根据图11的原理图,通过运动方程关系的建立与推导,可以得出变化的风轮转速到恒定的发电机输入转速、涡轮输出转速与风轮转速的匹配关系。
undefined (1)
式中 nG(nB)——太阳轮的转速,也是液力变矩器的泵轮和发电机的输入转速/r·min-1;
nT——液力变矩器涡轮输出转速/r·min-1;
nR——风轮转速/r·min-1;
α1——差动轮系传动比;
α2——行星轮系传动比;
α3——增速箱传动比。
风轮通过增速装置驱动行星架旋转,太阳轮驱动液力变矩器的泵轮和发电机,通过液力变矩器涡轮输出转速的调节,使齿圈转速按某一规律响应风轮转速的变化,即可达到使发电机转速恒定输入的目的。
对于图11中的差动轮系传动机构,三个构件与它们相联的三个轴上的转矩存在如下关系。
undefined
式中 MB——液力变矩器泵轮输入转矩;
MG——发电机输入轴转矩;
-MT——液力变矩器涡轮输出转矩;
MR——风轮转矩。
根据式(2)中的转矩比例关系,可以得到液力变矩器涡轮的输出转矩。
undefined (3)
由式(1)可得涡轮输出转速。
undefined (4)
变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩是标准的比例关系,而涡轮转速与风轮转速的关系则是一条负斜率直线的关系,即随着风轮转速的增大,风轮转矩增大,而液力变矩器涡轮输出转速则是降低的,涡轮输出转矩也是增大的。液力变矩器适应风轮工作的这种特征正是液力变矩器本身自动适应性的体现。
作为流体机械,液力变矩器的输出特性与风轮转子转矩—转速特性相吻合,因此,将两者配合起来使用是非常理想的。同时也不难理解,在图12所示的WinDrive工作特性曲线中,在常见的装置输入转速(对应变化的风轮输入转速)变化范围(n2～nmean)内,可调式液力变矩器工作在某一固定导叶开度附近即可满足系统工作要求,并保持较高的传动效率。
WinDrive装置已经进入商业化运行阶段,兰州电机公司(LEC)也于2011年引进采用WinDrive技术的风力发电机组[14]。WinDrive装置在新能源开发中的应用,为传统的液力传动技术拓宽应用领域开辟了新的方向。
2 结论
(1)调速型液力偶合器和单独的液力变矩器都难以满足用户在更宽的负荷变化范围内保持节能高效的运行要求。
(2)液力变速行星齿轮可以满足工业生产大多数应用场合高效传动的要求,同时也适应多种负载(包括恒转矩)类型的调速与驱动。模块化的各个组成部分都采用了实践证明的成熟可靠技术,对于经济性和控制方面有更高要求的场合是一个很好的选择。
(3)液力行星齿轮应用于大型风力发电系统,仍然是基于功率分流的原理,从而获得较高的传动效率。兆瓦级的风机,几百千瓦以上的分流功率,对于液力传动尚属于低功率的等级,液力传动的明显优势依旧得以发挥。
摘要：由调速型液力偶合器或可调式液力变矩器和行星齿轮传动构成的液力机械调速装置具有效率高、寿命长、工作可靠等优点,特别适合应用于各种大功率工作机的速度控制。本文分析了液力行星齿轮复合传动装置的基本结构和系统的功率分流原理,介绍了风力发电恒速控制等几种典型应用实例及工作特性。新型液力机械调速装置有优良的传动品质及经济性,具有良好的应用与开发前景。
车铣复合加工中心主传动的设计 篇6
关键词：设计与校核
1 引言
HTM63150iy车铣中心是一种具有高转速、高精度、高刚性的复合加工机床, 由于具有Y轴和B轴功能, 因此机床加工工艺范围广, 采用的刀具种类和规格较多, 可以加工盘类、轴类零件的外圆、内孔、端面、切槽、螺纹以及锥面、圆弧曲面等, 该机床显著特点是可铣削加工叶片螺旋面、偏心零件、斜面等, 特别适用于军工、航天、航空等复杂零件的加工, 零件经一次装夹加工可完成全部或大部分工序, 大大提高了工作效率, 保证零件的加工精度。下面是HTM63150iy车铣复合加工中心的主传动的设计和校验的过程。
2 HTM63150IY车铣复合加工中心相关技术规格与参数
最大车削直径准630mm;最大车削长度1500mm;最大承重盘类件500kg;最大承重轴类件1200kg;主轴最高转速3000r/min;主轴额定扭矩994N·m;主电机1PH7163-2NF03-0CA0, 30kW, 191N·m, 1500r/min。
3 HTM63150iy车铣复合加工中心主传动的设计
3.1 主电机功率的确定
确定主电机功率, 应以机床进行重切时 (以主电机短时过载为重切) , 机床可以承受的最大扭矩来计算, 重切时最大切削参数如下:材质为45钢, 工件直径D=200mm, 工件长度L=300mm, 工件转动惯量主偏角Kr=45°, 切深a=6mm, 进给量f=0.6mm/r, 切削速度V=150m/min (n=239r/min) 。
根据经验公式, 材料系数, CF=200, K=0.9
根据设定条件确定主切削力Fz=CF·a·f·K=200×6×0.6×0.9=648kgf
切削功率
主传动功率估计:
选电机型号为:1PH7 163-2NF03-0CA0 (SIEMENS)
功率30kW, 额定转矩191N·m, 转动惯量Jd=0.19kg·m2, 额定转速1500r/min, 最高转速可达6500r/min。
空载功率Nmo=K·C·dz·nz=1×0.0000085×160×1154=1.57kW
K为润滑脂粘度影响的修正系数, K=1;C为两支承滚动轴承系数, C=0.0000085;dz为主轴前后轴承的平均直径, 为主轴转速, 1154r/min。
(采用主电机带减速机 (i=1) +同步带 (i=1.3) 结构)
主传动系统总的机械效率η=0.95
附加功率Nmc= (1-η) ×Nc= (1-0.95) ×15.88=0.79kW
主传动功率N=Nc+Nmo+Nmc=15.88+1.57+0.79=18.24kW
结论:功率30>18.24kW
扭矩191×5.2=994>648×9.8×0.1=635N·m
故选择电机合适
3.2 主轴最高转速的空载功率的计算
主轴的最高转速nz=3000r/min (轴承影响因素, 转速范围为:8～3000r/min)
主轴最高转速的空载功率
3.3 功率扭矩图
恒扭矩输出时的扭矩值:
最高转速时的扭矩值:
4 主轴扭矩功率图 (减速机i=1, 皮带轮降速比1.3)
主轴的校核验算
4.1 主轴受力分析
额定扭矩:994N·m
切削力 (依据重切实验数据) :径向力Fx=326.5kgf;轴向力Fz=195.9kgf;圆周力Ft=652.9kgf;Ft分解为Fy=652.9kgf和M力偶=652.9kgf·m。
4.2 A、B两点处的支承反力的计算, 如图2 (a)
对B点ΣMB=0时
对A点ΣMA=0时
4.3 作弯矩和扭矩图
XOZ平面内弯矩图, 如图2 (b) :
YOZ平面内弯矩图, 如图2 (c) :
由作用力在A截面的合成弯矩
作扭矩图, 如图2 (d) 。
4.4 校核
(1) 确定危险截面
根据轴的结构尺寸和弯扭图, 截面A处弯矩和扭矩最大, 故为危险截面。
(2) 安全系数校核计算
由于该轴为转动轴, 弯矩引起对称循环的弯应力, 转矩引起的为脉动循环的剪应力。
弯曲应力幅为
式中, W为抗弯断面系数,
由于是对称循环的弯应力, 故平均应力δm=0
剪应力幅为
式中, WP为抗扭断面系数,
式中, δ-1、τ-1-对称循环应力下的材料弯曲和扭转疲劳极限;Kδ、kτ-弯曲和扭转有效应力集中系数;β-表面质量系数;εδ、ετ-弯曲和扭转时的尺寸影响系数;ψδ、ψτ-材料拉伸和扭转的平均应力折算系数。
截面A处的安全系数为
许用安全系数[S]=1.3～2.5
因为S>[S], 所以该轴是安全的。
(3) 扭转变形计算
扭转角式中, G为剪切模量;Ip为轴的极惯矩;D为轴的直径。
对于一般轴, [准]=0.5～1, 所以该轴的扭转刚度满足要求。
5 结论
拖拉机传动系统中衬套材料的选择 篇7
在拖拉机底盘传动系统中, 衬套受到各种线速度的制约, 因此对拖拉机衬套在材料确定前必须要进行线速度计算, 以避免拖拉机在使用过程中出现将衬套与轴咬死或衬套与齿轮抱死。同时在使用中还需要考虑到同种材料的胶合现象。
现以江苏-800型拖拉机中变速箱总成中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡齿轮衬套及副变速低挡齿轮衬套为例进行说明 (见图1) 。
计算前已知的数据为:发动机转速为2 300 r/min, 通过计算各挡处衬套及齿轮转速, 假设齿轮的转速为n1, 衬套的转速为n2, 衬套的外径为r (mm) , 线速度差为。通过上式计算可知, 挂低Ⅳ挡时线速度差v最大, 各挡具体数值如下:
(1) Ⅰ挡位置时的线速度:v=5.93 m/s
(2) Ⅱ挡位置时的线速度:v=4.86 m/s
(3) Ⅲ挡位置时的线速度:v=3.12 m/s
(4) 副变速位置时的线速度:v=6.48 m/s
而根据手册查得相关金属材料的性能如表1。
在江苏-80变速箱衬套设计之初, 序号1、2、3最先选择的是QT450-10 (见表2) , 但是经过厂里的变速箱、底盘和整机磨合时, 却发现在高4挡磨合时间约15 min时会出现Ⅰ挡从动齿轮衬套与齿轮抱死的情况。考虑灰铁件的耐磨性虽不如球铁件, 但抗胶合性能却比球铁件强, 因此采用HT250。但事实证明, 如果按每挡磨30 min, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ挡齿轮都出现衬套与齿轮抱死的情况, 只是从时间上往后延长了而已。对于副变速低挡齿轮衬套, 第1次选择的材料是45号中碳钢, 而与之相配套的输出轴选择的材料是40Cr的中碳钢, 结果在磨合不久就出现衬套与轴同种材料胶合现象;从成本等多方面考虑, 第2次改为铁基粉末冶金材料。运行一段时间后, 驾驶员明显感觉变速箱后半部分的噪声有所增大, 对拆卸下的衬套进行尺寸检查, 发现衬套的外径径向尺寸减少了0.10～0.15 mm, 造成齿轮与衬套之间的配合间隙加大, 成为一种噪声源。
1.Ⅰ挡齿轮衬套2.Ⅱ挡齿轮衬套3.Ⅲ挡齿轮衬套4.副变速低挡齿轮衬套
经过多方面的研究与查阅资料, 在满足线速度及耐磨要求的条件下, 最终选定了衬套的合理材料为ZQSn10-1。虽然与其他材料相比, 成本价格较高, 但减少了“三包”维修率及废品率。如果衬套与齿轮抱死, 或衬套与轴胶合, 对于“三包”而言, 除了要换衬套, 还要换齿轮与轴。成本反而是巨大的。
在此提醒各位搞传动设计的新手, 设计传动系统方面的衬套时, 别忘记对衬套在材料确定前进行线速度的计算, 以及设计时考虑同种材料胶合的现象, 以避免走不该走的弯路。
摘要：拖拉机衬套在材料确定前必须要进行线速度的计算, 以避免拖拉机在使用过程中出现将衬套与轴咬死或衬套与齿轮抱死。同时在使用中还需要考虑到同种材料的胶合现象。
复合材料传动轴 篇8
带式输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的连续输送机械, 也是现代最重要的散装物料运输设备[1]。传动滚筒是将轴的输出扭矩传送到输送带的一个重要中转站。目前带式输送机的传动滚筒大多采用铸焊结构, 工作过程中, 传动滚筒主要损坏形式是筒壳在旋转时承受交替拉伸压缩变形[2]。滚筒的损坏会导致皮带倾斜, 严重时会导致皮带撕裂, 造成巨大的经济损失, 由于皮带输送机多处在恶劣的环境中作业, 昼夜温差较大, 温度变化对滚筒材料的损伤检测影响较为明显, 因此采用一种新的结构健康检测方法能够准确检测材料的真实损伤情况, 对提高皮带输送机使用率和指导维护设备的安全性具有重要意义[3]。
1 滚筒材料结构损伤检测系统设计
筒体是由不同结构材料进行铸焊和装配完成的, 本文主要对滚筒壳材料进行监测实验, 实验所需要的器材和检测设备如图1~图3所示。
由于滚筒尺寸较大, 在实验过程中选择了两块40cm见方的水平材料板进行实验, 一块材料用于升温过程的循环测试和升温过程对材料进行破坏测试, 另一块材料用于降温循环测试和降温过程对材料进行破坏测试, 采用8根传感器对材料的不同位置进行信号检测。
由于滚筒所处的环境温度变化较大, 采用温度环境控制箱对材料进行-20~20℃环境条件模拟, 采用LMS软件进行信号的接收, 电子动态振动器进行激励的施加, 接收器通过传感器的检测将材料的信号传输到软件中, 通过计算机显示材料受到激励后的振动频率曲线。
2 实验结果与理论分析
2.1 实验设备的调试
实验之前, 开通设备对室温20℃情况下进行滚筒材料的结构健康检测, 通过LMS窗口, 由图4可知, 选取谱线趋势一致的6个位置的传感器, 剔除有误差的两个传感器, 减少设备的误差对实验数据的影响, 通过这6个传感器接收的数据进行实验。
2.2 主成分分析法
主成分分析 (PCA) 是一种统计学算法, 执行一个正交变换将一组可能的相关变量观察值转变为一组线性无关的值。具体地说, 主成分分析是将数据投射到一组新的正交轴上, 将原始数据通过一个新的坐标轴表现出来, 即将所有成分的频率响应信号保证在不丢失任何重要信息的情况下, 将多指标化为少数的几个综合指标[4,5], 即能够降低数据集的维数。因此, 在信息损失最低的情况下, 余下的主成分可以被跳过。考虑到主成分分析的技术细节, 通过式 (1) 做如下转换, 假设X的每一列都有一个零均值, 协方差矩阵:
式中, X矩阵是一个b乘n阶矩阵, n列是观察值, 而b是行变量, 矩阵V列数是d, 协方差矩阵C的特征向量生成主元素的一个集合, 然后由如下公式分解计算:
式中, D是一个对角线元素为λi的对角矩阵, T表示矩阵的转置。通常情况下, 矩阵V的特征向量具有单位长度并且按特征值从大到小排序。假设q是表示主要数据变化的第一特征向量的数量, 然后P (d×q) 是一个第一特征向量按列排列形成的矩阵。最后, 一个数据矩阵X被P的特征向量旋转后在子空间的投影如下所示:
式中, Y是转换矩阵, 方程表示了X维度的减少, 考虑到工程的长久性, 主成分分析法是为了减少频率响应信号的维度收集来自未破坏和已破坏结构在不同温度变化之下的数据, 从而更可靠的推测其相关性。
实验通过对温度的控制分别对滚筒材料进行升温与降温两个循环, 在-20~20℃的温度区间内, 每隔5℃作为一个温度测试点, 为防止温度滞后现象的出现[6], 每一次升温或者降温过程都需要待温度稳定才可以采集传感器数据, 循环之后分别对材料用锯条进行损坏, 破坏的长度分别为3cm, 6cm, 9cm和12cm, 并且在材料损坏之后选择温度变化过程的几个温度点进行检测, 并通过传感器测试其频率变化曲线, 实验过程中传感器检测频率信号变化趋势一致, 所以选择传感器2作为最终检测数据信号传感器, 检测的曲线图如图5~图8所示。
由图5~图8中曲线的变化趋势可以看出, 温度循环频率变化曲线和随机选取几个温度点对材料进行损伤的变化曲线趋势一致, 并且有很多部分几乎处于重合状态, 因此通过主成分分析方法只能做到将曲线投放到二维空间, 很难区分出材料自身是否真正损伤。
2.3 异常值分析法
异常值是指一批数据中严重偏离整体数据的其余值[7], 通过主成分分析系统检测到频率响应信号的总趋势, 损伤和温度变化的敏感程度几乎一致, 因此异常值的影响是必须消除的[8,9], 需要异常值检测进行进一步的分析, 如果温度循环的数据集和损坏数据集可以被单独提取出来, 就可以排除温度变化的影响。异常值检测是一种可以通过提取结构的特征来表明在结构中是否存在损害的方法, 具有适用范围广和准确的特点[10], 也就是说, 这项技术可以通过其频率响应信号判断反馈信号是否属于损害或未损害的区域。
这个算法是只从数据中提取特征来定义材料正常的条件, 然后作为参考。实验中检测到的数据与参考值进行比较, 若出现偏离参考值较大的数据, 则被认为是异常值的信号或确定滚筒材料受损。本文通过实验选择80个组分 (频率段) 为实验区间, 用异常值分析来判断偏差信号, 确定滚筒材料是否被破坏。平均值和标准偏差用来表示材料反馈信号的评估结果是否准确。在离散变量的数据群中, 识别单变量数据是基于偏差统计给出的:
式中, Xζ是实验测得材料的频率值, 平均值和标准偏差S是根据实验测量值计算所得, 代表了相同数据群的标准差值不同。Zζ代表单个数据的离群衡量标准, 来评估临界值是否在所需的未损坏的范围内。在单变量数据的基础上, 利用多元数据的异常值检测马氏平方距离 (MSD) 衡量:
其中, {Xζ}是样本值向量, 是样品的平均向量, [S]-1表示样本值的协方差的逆矩阵。为了判断一个样本值是否为异常值, 需要给出一个临界值进行比较。马氏平方距离是用来确定温度变化过程中是否存在异常值。
研究发现, 通过对比第n个主要部分和第n+1个主要部分的评价曲线, 随着温度的改变而导致较大数值的马氏平方距离, 主要集中在前22个组分, 要通过异常值分析消除了这22个组分, 这22个组分所占比例为99.533%, 如表1所示。而剩下的58个组分被保留下来, 在后续的微量组分分析中使用, 在异常值测试过程中, 损坏材料12mm的情况下数据失真程度较大, 在之后的数据检测中, 忽略掉了此组数据。图9为第23个组分的马氏平方距离图, 通过对温度循环与逐步对滚筒材料损坏的过程, 明显看出温度循环1和循环2下的数据集在图表中心处发生重合, 而不同损坏程度下的数据集仅在相对不同的区域发生小面积的重合, 这表明, 不受损坏的数据集和损坏的数据集中温度变量的影响都被消除了。
2.4 微量组分分析法与异常值分析
根据计算与实验结合, 可以推出预期的图10, 无损坏温度循环和有损坏温度循环的马氏平方距离数据集。最理想的状态就是所有的无损坏温度循环的马氏平方距离数据都是低于临界值, 并且数据模型比较平缓没有较大的波动, 所有的损坏数据远远超过临界值, 因而被判定为异常值, 随着损坏程度的增加, 其马氏平方距离也随之增加, 这说明有损坏数据集的特征对温度变化不敏感。也就是说, 在有损坏的数据集中, 温度的影响被完全消除了。
对剩余的58个主成分进行异常值分析, 计算测试数据集的马氏平方距离, 如图11所示。实验之后测得几乎所有的无损坏条件下温度循环集都低于临界值, 滚筒材料马氏平方距离值为0.06×104, 并且数据模型相对平缓, 这与图10中我们所希望得到结果趋势相同。因此, 在无损坏条件下, 温度变量的绝大部分影响已经被消除, 即温度变化的影响并不占主导地位。滚筒材料受损的数据中, 数据集超过了临界值, 被定义为异常值, 并且数据模型是光滑平缓的。尽管损害1与损害3的一些数据集的马氏平方距离比其他的数据要大得多, 但是并不影响损坏和无损坏条件下的数据对损坏程度的敏感性和对温度变量的不敏感性。因此, 通过使用异常值分析技术和微量组分分析, 温度变量的影响可以被消除。
3 结论
本文结合主成分分析法、异常值分析方法、异常值分析和微量组分分析方法的特点, 彻底消除了温度变量对滚筒材料频率响应信号的影响, 通过马氏平方距离的计算, 得出滚筒材料马氏平方距离值为0.06×104, 滚筒损坏后其值高于临界值, 能够准确测量并实时检测滚筒的损伤情况, 为滚筒或其他材料健康程度的检测受温度影响的情况下提供了借鉴意义。
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刘延生:创新传动世界 篇9
2010年，远东传动成功上市，首轮融资3.8亿元，从此，远东传动驶入发展的快车道。
“过去的一年是远东公司快速发展的一年，各项效益指标都有突飞猛进的发展。”刘延生在第二届豫商年度峰会上如此总结，“努力拼搏，争做世界顶级供应商。”
15年前的远东传动并没有如今的辉煌，当时企业濒临倒闭。当时，我国汽车工业基本上停滞不前，很多汽车工厂也倒闭了，北京三大汽车厂——北轻汽、北汽摩、北京重型全部破产，而远东传动轴公司竟然在如此艰难的形势下存活下来，可以算是一个奇迹。
但这个奇迹并非偶然，其中的必然因素是刘延生的创新思想和管理思路。
他认为：思路也是生产力。观念的转变关系着企业的命运和兴衰，旧观念不转，思路不清，拥有的也会失去。
他认真研究国内外企业兴衰案例，大胆开辟独特的管理模式，创立自己的兴业特色。他坚持不断创新，大胆改革，提出：“把不可能变成现实是创新，把理想变成现实是科学”等创新理念。
2D00年1月3日，在公司全体会议上，他提出“创新每一天”，要把创新融入到远东公司的企业文化中，并将其上升为企业理念：他要求企业的每个员工都要在自己的工作岗位上创新，并且每星期要开一次会，讲创新的思路和做法。
“创新也是十几年来的个关键词，创新每一天是我们企业的主旋律。“站在2010年豫商年度人物的领奖台上，他感触颇深。
刘延生用稳健的步伐完成了远东传动的一次次的蜕变，而化茧成蝶的过程是艰辛的，需要迎难而上的勇气、彻底变革的决心和勇于创新的思想。他说：“只要钻进去，一心一意，专心致志，你就能做好。”
面对2008年、2009年全球经济危机给企业带来的重重压力，刘延生处变不惊，积极采取应对措施，趁机苦练内功，化危为机。
为贯彻“零时间、零距离、零库存”的营销理念，快速响应客户要求，提供全方位优质服务，巩固公司一级供应商的地位，推行”精益生产零距离，汽车基地办分厂”的策略，远东传动在全国主要主机生产基地设立了柳州宇航和潍坊远东等传动轴生产和装配业务子公司。
与此同时，为进一步稳定优质的客户资源，远东积极与大型主机制造商合资合作，结成利益共同体，先后与北汽集团、重庆重汽集团合资设立了北汽远东和重汽远东，并与东风传动轴公司达成合资意向。与主机制造商的合资合作进步稳固和拓展了远东的优质客户群体，提升了公司的市场占有率。
在刘延生的带领下，远东传动已经成为国内规模最大、品种最多、规格最全的非等速传动轴研发、生产和销售的知名企业，远东传动产品在重卡系列产品市场占有率超过25Z，工程机械系列产品市场占有率高达60％，在行业竞争中占据绝对优势。
成功了的刘延生并没有被名誉所困，相反，他更感到肩上的责任重大，他义不容辞地扛起振兴中国民族汽车工业的大旗，他表示：“为了振兴中国民族汽车工业，为了远东的明天，我愿意奉献我的一切，在所不惜，无怨无悔!”
颁奖词
他的企业曾濒临倒闭，是他身先士卒，奋斗在生产第线，以极强的人格魅力，征服了员工，鼓舞了土气。2010年，他的企业成功上市。
他以厂为家，他说每天晚上听不到锻造的响声，就睡不着觉。
他善于思考，悟企业管理之道，悟传动轴的创新之道，被称为远东第一”悟”}
他坚持不断创新，大胆改革，提出“把不可能变成现实是创新，把理想变成现实是科学”等理念。他在管理、技术、生产、营销等方面不断创新，让远东传动轴公司“传动”世界。目前，许昌远东在全球排名第三，在全国位居第一!
在振兴民族汽车工业，实现产业报国的路上，他孜孜不倦，从年富力强到年近花甲，他的产品在传动，他的事业在传动，他的产业报国精神也在不停传动
解读2010年度关鍵词
复合材料传动轴 篇10
目前比较流行及实用的机电复合传动系统主要有丰田THS系统[4] (toyota hybrid system) , 通用AHS系统[5] (GM-allision advanced hybrid system) , 雷诺IVT系统[6] (infinitely variable transmission) 及福特FHS系统[7] (ford hybrid system) 等, 这些系统充分利用了行星齿轮机构的优点, 在不同车速时具有多种工作状态, 能够保证发动机独立运行于最佳燃油经济点, 然而上述系统无一不采用多电机结构, 这使得混合动力系统结构无论在制造上还是控制上都较为复杂, 此外, 采用多电机结构还会大幅度增加混合动力电动汽车的质量, 使得行驶阻力增大, 为了克服上述问题, 基于永磁同步对转双转子电机和双排行星齿轮机构, 充分利用两者的优势, 开发了一套应用于某混合动力电动汽车的新型机电复合传动系统, 并在MATLAB/Simulink/Stateflow平台上建立了混合动力汽车前向仿真模型, 根据设计初衷制定了基于转矩分配的转矩管理策略。
1 机电复合传动系统
1.1 系统结构
行星齿轮机构具有多个输入输出端口且行星齿轮中的太阳轮和行星架齿圈之间可以相对独立运动。当应用到混合动力电动汽车上时, 发动机和电动机可以作为不同的输入分别与行星齿轮相连, 另外的输出端可以直接与汽车轮毂相连, 驱动汽车行驶, 具有结构紧凑、传动比大、可靠性高等很多优势[8]。电动机及其驱动系统是电动车驱动系统的核心, 多年以来人们不断探寻新型电动机结构以开发出高功率密度高能量密度高效率的电动机驱动系统。而对转双转子电机利用作用力和反作用力原理, 将传统电机的定子也作为转子, 与原来的电机转子作反向运动, 在提高电动机转矩密度和功率密度、节省汽车内部有限空间上具有普通电机无法比拟的优点[9]。如图1所示, 本系统充分利用两者的优势, 采用对转双转子电机和双排行星齿轮减速机构为主要构件, 机电复合传动系统前端输入轴与发动机相连, 通过定轴齿轮副把动力传至前排行星机构的太阳轮S1, 前排行星机构的齿圈R1与双转子电机外转子Ro相连, 通过前排行星齿轮机构把两个不同动力源的动力耦合至行星架P1, 实现转速转矩的初次耦合;后排行星齿轮机构的太阳轮S2与行星架C1固联, 行星架C2固定, 齿圈R2与双转子电机内转子相连, 初次耦合的转速转矩通过后排行星齿轮机构传至齿圈R2, 最后与内转子实现二次转矩耦合、通过输出轴把汇集的动力传至驱动车轮, 驱动汽车行驶。当汽车运行在不同工况时, 车辆控制系统通过对B1、B2两个制动器、双转子电机及发动机进行控制, 便可实现不同的工作模式, 实现能量的分割与汇合, 从而提高混合动力电动汽车的燃油经济性和动力性。
1为发动机;2为输入轴;3为定轴齿轮主动轮Z0;4为制动器B2;5为后排齿圈R2;6为后排行星轮P2;7为后排行星架C2;8为后排太阳轮S2;9为双转子电机内转子Ri;10为联接花键;11为双转子电机外转子Ro;12为车轮13为主减速器i0;14为输出轴;15为动力电池;16为前排齿圈R1;17为前排行星架C2;18为前排行星轮P1;19为前排太阳轮S1;20为制动器B1;21为定轴齿轮从动轮Z1
1.2 系统传动特性及工作模式分析
由上节可知, 该机电复合传输系统采用了双排行星齿轮机构, 具有多个旋转部件, 应运用一种快速的数学建模方法, 以便于复杂混合动力系统构型的研究与分析[10], 模拟杠杠法可将这个旋转运动系统模拟人们熟悉的直线运动系统, 从而直观地在模拟杠杠上对该变速器进行分析, 故采用杠杆模拟法[11]建立双排行星齿轮的转矩、转速耦合模型。
如图3所示, 根据行星齿轮机构模拟杠杆法, 得系统主要工作模式及传动特性[顺时针方向为‘-’, 逆时针方向为‘+’。停车模式为式 (1) ]。
1.2.1 驻车发电模式
在汽车驻车且电池电量过低时, 驻车发电不仅可维持电池电量水平, 而且可以减少发动机频繁起停, 从而提高整车燃油经济性, 保护蓄电池处于电量合理状态。此时, 机电复合传动系统输出转速转矩为零, 发动机驱动双转子电机外转子转动、内转子发电, 系统的传动特性为
其能量传递路径示意图为图4。
1.2.2 纯电动模式
汽车起步行驶或中低负荷等工况且电池电量充足时, 为减少发动机低负荷、低效率工作频次, 制动器B1结合、发动机关闭, 双转子电机单独驱动车辆行驶, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径为图5。
1.2.3 发动机单独驱动模式
汽车正常行驶时, 发动机在高效区单独工作时可满足驾驶员转矩需求, 且电池SOC值在正常工作范围内时, 制动器B2结合, 双转子电机关闭, 发动机单独驱动汽车行驶, 系统传动特性如下。
输出转矩为:T=k0k2 (1+k1) Te (5)
其能量传递路径示意图为图6。
1.2.4 发动机驱动充电模式
汽车行驶在中低负荷且蓄电池荷电状态低时, 为维持发动机运行于高效率工作曲线上且维持蓄电池电量水平, 制动器B2结合, 发动机沿最佳工作曲线工作, 多余的力矩用于双转子电机内转子发电, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为
1.2.5 混合驱动模式A
所设计的机电复合传动系统具有最大的优点之一就是利用双转子电机可以使发动机独立的运行于最高效率点, 此时制动器B1、B2均分离, 发动机和双转子电机内外转子共同驱动车辆行驶, 发动机工作在最佳燃油经济点, 实现转速转矩耦合无级变速混合驱动, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图7。
1.2.6 混合驱动模式B
在此工作模式下, 制动器B2结合, 发动机沿最佳工作曲线工作, 双转子电机内转子输出驱动力矩, 实现力矩耦合固定速比混合驱动, 系统传动特性如下。
输出转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图9。
1.2.7 制动能量回馈模式
在车辆减速或制动过程中, 制动器B1结合, 发动机断油停机, 双转子电机运行于发电状态, 把制动能量转化为电能储存到蓄电池中, 可得系统传动特性如下。
双转子电机转矩为
输出转速为
其能量传递路径示意图为图10。
1.2.8 停机模式
车辆没有驱动了或者车辆有制动转矩请求, 但由于蓄电池电量高于其使用寿命允许的最大值时, 双转子电机不参与发电, 内、外转子空转, 车辆机械制动减速。
双转子电机转矩为
双转子电机转速为
在此模式下无能量传递。
式 (16) 中, k0为定轴齿轮副传动比, k1为前排行星机构特性参数, k2为后排行星机构特性参数, ne为发动机转速, r/min;Te发动机转矩, N·m;nm为电机内外转速之差, r/min;Tm为双转子电机转矩, N·m;TS1为前排太阳轮所受转矩, N·m;TR1为前排齿圈所受转矩, N·m;TC1为前排行星架所受转矩, N·m;TS2为后排太阳轮所受转矩, N·m;TR2后排齿圈所受转矩, N·m;β为制动能量回馈比例。
2 系统转矩控制策略
混合动力电动汽车作为一种新型多动力源耦合系统, 其性能与采用的能量管理策略密切相关。在满足汽车动力性能的前提下, 能量管理策略应当能够根据汽车驱动系统的特性及实时运行工况, 实现双转子电机和发动机之间合理的转速转矩分配, 获得最大的燃油经济性同时保证汽车驾驶的平顺性及乘坐舒适性。鉴于逻辑门限方法快速简单、具有很好的可靠性实用性及汽车工作模式切换的平顺性需要, 建立同时调节发动机工作点和电池SOC值的基于转矩分配的逻辑门限值控制策略[12]。转矩控制策略主要包括三部分:根据驾驶员模型和电池模型及转矩计算模块确定总需求转矩;根据控制策略确定工作模式的切换条件;根据控制策略确定各工作模式下的目标转矩。
2.1 总需求转矩的确定
总转矩需求直接用于对发动机和电动机进行转矩分配, 指的是机电复合传动系统输出端的转矩需求, 主要由驾驶员对机电复合传动系统输出端的驱动或制动转矩需求和电池对机电复合传动系统输出端的充电转矩需求两部分构成
式 (17) 中, Td_req为驾驶员驱动需求转矩, N·m;Tb_req驾驶员制动转矩需求, N·m;Tch_req电池请求转矩, N·m。
2.2 模式切换条件及目标转矩/转速
系统的工作模式是由总需求转矩和电池SOC状态及车速共同决定的, 如图11为经过优化后的某款多点电喷汽油机的稳态发动机万有特性图。限制发动机工作点即发动机始终工作于最优工作曲线上, 只有当系统总需求转矩大于发动机最优转矩和双转子电机最大转矩之和时, 发动机才偏离最优工作点, 同时调节电池SOC在最优值附近 (本文为0.6) , 综上、根据所建立的转矩控制策略, 可得系统工作模式切换的条件及目标转矩/转速如表1。
注:Va为汽车速度, km/h;nmi为内转子转速, r/min;nmo为外转子转速, r/min;Tchmax为电池最大充电转矩, N·m;Tmi、Tmo分别为内外转子转矩, N·m。
图中:b为发动机燃油消耗率, g/ (k W.h) ;Temax为发动机最大输出转矩, N·m;Temin为发动机最小输出转矩, N·m;Topt为发动机最佳工作转矩, N·m
3 仿真分析
为验证机电复合传动系统的有效性及设计初衷, 基于MATLAB/Simulink/Stateflow, 依次建立机电复合传动系统的整车前向仿真模型, 选择美国环保署EPA制订的城市道路循环UDDS (urban dynamometer driving schedule) 作为循环工况, 仿真时间为1 367 s, 最高车速为91.25 km/h, 最大加速度为1.48 m/s2, 停车次数为17次。系统主要仿真参数如表2。
图12中, 车辆车速能够很好的跟随目标车速, 车速之差控制在1 km/h, 说明所建立的机电复合传动系统具有较好的动力性能和制动性能;图13中, 由于是重度混合, 双转子电机具有大范围的调节转矩能力, 能够保证发动机能够沿最优工作曲线工作, 同时表明机电复合传动系统具有很宽的无级变速功能, 使得发动机总是运行在最优工作曲线上。此外, 通过双转子电机的作用, 发动机启停频率明显减小。
图14中, 双转子电机总是产生方向相反大小相等的电磁转矩, 并且可以根据工况的需要在发电机模式和电动机模式之间切换。
图15和图16中, 蓄电池的SOC在循环工况中略微增加, 其作用主要用来平衡发动机的转矩和制动能量回馈, 但无论是单个循环工况还是多个循环工况, 电池的SOC均能稳定在0.6左右, , 仿真结果表明系统行驶11.99 km, 消耗了541.2 g汽油, 相应百公里油耗为6.227 L;3个循环, 消耗1 504 g汽油, 相应百公里油耗为5.935 L, 具有在同级车中较好的燃油经济性。
4 结论
(1) 本文充分利用双转子电机和行星齿轮机构的特点, 所提出的新型机电复合传输系统结构紧凑, 工作模式多样, 是一种较好的混合动力耦合选择方案。
(2) 建立了机电复合传输系统的传动特性并详细分析了其工作机理及不同工作模式下的能量传递路径。
(3) 结合该特有机电复合传动混合动力驱动系统, 开发了基于转矩分配的同时调节发动机工作点和电池SOC值的逻辑门控制策略, 仿真结果表明该混合动力电动汽车具有很好的燃油经济性, 并能很好的控制电池组SOC的变化, 在UDDS循环工况下, 百公里油耗为6.227 L。同时, 该系统具有很好的无级变速功能, 双转子电机既能调节发动机转速又能调节发动机转矩, 使发动机总是运行于最佳燃油经济曲线上。
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