传动性能（共7篇）
传动性能 篇1
模数作为齿轮的关键参数, 对齿轮的承载能力和传动性能具有重要的作用。通过理论分析并结合工作经验, 围绕模数对齿轮的影响展开研究, 给出了不同应用场合齿轮设计的模数选择方法及注意事项, 指导设计生产。
1 模数对承载能力的影响
模数是齿轮的一个最基本参数, 对于齿数一定的齿轮, 模数越大其径向尺寸也越大。 为便于制造、 检验和互换, 齿轮模数值已实现标准化 ( 详见GB/T1357-1987) 。对于模数的选择, 可根据齿轮副齿数及中心距计算, 也可根据经验确定, 如软齿面取 (0.007~0.02) *a, 硬齿面取 (0.016~0.0315) *a, 最后圆整至标准值。然而不同应用场合, 模数的选择规则是不一样的, 上述方法无法保证传动系统获得较好的传动性能。
为研究齿轮模数对承载能力的影响, 对固定中心距下, 不同模数的齿轮副的承载能力展开分析。表1 为中心距为220mm, 公称速比为4 的6 组渐开线直齿轮副的基本参数, 采用GB/T3480 对其弯曲疲劳强度安全系数SF、接触疲劳强度安全系数CF及重合度CR进行计算。结果如图1 所示, 在固定中心距下, 随着模数的增大, 齿轮副的弯曲疲劳强度增加较为明显, 而齿轮副的接触疲劳强度由于与齿轮副的齿廓曲率密切相关, 变化较为平缓, 并有下滑趋势。故大模数齿轮具有较强的抗弯曲抗冲击能力, 适用于冲击载荷较大的场合。
注:功率45k W, 转速1000rpm, 齿宽80mm, 使用寿命20000 小时
2 模数对传动特性的影响
齿轮传动系统中, 影响传动特性的因素很多, 主要包括内部激励和外部激励, 内部激励主要包括时变啮合刚度激励、传递误差激励和啮合冲击激励等, 其中齿轮的刚度激励是影响齿轮动态载荷的关键因素之一, 故模数作为影响齿轮啮合刚度的关键参数, 其选择的合理性对齿轮副的传动特性具有重要的影响。
图2 为表1 中三组齿轮副在相同载荷作用下的扭转刚度曲线, 由图可知, 随着模数的增大, 齿轮副的时变扭转刚度在一个啮合周期内的波动区域逐渐变大, 进而导致齿轮副在运行过程中会产生较大的刚度激励;相对于大模数齿轮副, 小模数齿轮的时变刚度波动区域较小, 且啮合刚度相对较大。根据系统动力学理论可建立齿轮副的动力学模型, 通过分析可知, 合理选择齿轮模数, 优化调整齿轮副啮合刚度, 可显著减小齿轮副运行时的动态载荷, 改善传动特性, 提高运行的可靠性。
3 模数的选择及应用
在齿轮设计过程中, 选择大模数少齿数还是小模数多齿数, 需考虑以下几个方面:
1) 工况
对于矿山、冶金、建材等领域, 如破碎机、辊压机、轧机、回转窑等齿轮传动装置, 工况较为恶劣, 齿轮副承受较大的冲击载荷, 由于齿距偏差、齿形偏差等因素的影响, 小模数齿轮的实际工作重合度无法保证, 在较大冲击载荷的作用下易导致断齿、点蚀等失效, 而大模数齿轮的单齿抗弯强度较高, 故能够满足承载要求。对于轻工机械用齿轮传动装置, 如纺织、化工等领域, 齿轮副工况较为平稳且体积相对较小, 精度容易保证, 宜选用小模数多齿数齿轮。
2) 平稳性
衡量齿轮运行平稳性的主要指标是振动和噪声, 对于矿山等低速重载领域, 由于现场主机振动噪声较大, 齿轮传动装置自身的振动噪声对环境的影响可以忽略不计, 同时为提高齿轮传动装置的可靠性, 一般选用大模数齿轮。对于船舶、透平机、车辆等齿轮传动装置, 对其振动和噪声提出较高的要求, 且齿轮体积相对较小, 轮齿精度容易保证, 常选用小模数多齿数齿轮。
3) 加工能力
齿轮的精加工方式很多, 主要有磨齿、滚齿、剃齿、梳齿、珩齿等, 不同的加工形式, 生产的轮齿精度也各不相同。小模数齿轮要求有较高的齿形精度和较小的齿距偏差, 大模数齿轮为保证运行的连续性, 对齿距偏差要求比较高, 故在选择齿轮模数时, 也应适当考虑生产厂家的加工能力和水平。
4 结语
经过作者长期的实践验证, 模数的选择是否合理对齿轮传动性能, 如承载能力、振动噪声及可靠性等, 具有较大的影响, 因此在设计过程中要全面分析, 避免以偏概全、生搬硬套, 保证齿轮模数与齿数的合理匹配。
参考文献
[1]齿轮手册[M]上册/齿轮手册委员会 (第2版) 北京:机械工业出版社, 2000.8
[2]李润方, 王建军, 齿轮系统动力学-振动.冲击.噪声[M], 北京:科学出版社, 1996
汽车传动带电封闭性能试验台设计 篇2
关键词：汽车同步带,传动性能试验,结构设计
0 引言
汽车传动带具有结构简单安装方便、无需润滑、噪声小、价格低等优点,汽车同步带应用于汽车发动机的正时传动,保证凸轮轴和曲轴的相位关系,控制气门的开启,如图1所示。汽车V带或汽车多楔带应用于发动机辅助传动系统,主要为水泵、空压机、转向泵和发电机等传递运动和动力,如图2所示。汽车同步带传动要求保证稳定的传动比、使用寿命和低噪声,同样汽车V带和汽车多楔带传动也要求满足使用寿命和低噪声。因此德国、美国等发达国家的汽车传动带制造企业通过最大限度地延长凸轮轴传动同步带的使用寿命来保证汽车发动机的工作性能,通过采用HNBR材料来提高汽车传动带的产品质量,目前在一般行驶条件下HNBR同步带的工作寿命可达10万~15万km。现代汽车对同步带的要求是:使用寿命达25万~30万km;使用温度-35℃~150℃,瞬时高温可达175℃;耐油性≥CR;150℃下台架寿命可达3000h。
为评价汽车传动带的使用寿命ISO1995年制定了“ISO10917同步带传动-汽车同步带与带轮疲劳试验方法”,1995年ISO制定了“ISO11749带传动汽车工业用多楔带疲劳试验”2003年ISO制定了“ISO5287带传动汽车工业用窄V带疲劳试验”,2000年我国制定了“GB/T 18183汽车同步带疲劳试验方法”,规定了汽车同步带两轮和三轮疲劳寿命试验方法和试验参数,2008年我国制定了“GB/T11545带传动汽车工业用V带疲劳试验方法”和“GB13552汽车工业用多楔带疲劳试验”。目前ISO标准和GB标准的汽车同步带疲劳试验方法中给出的轮系布置如图3(a)所示,汽车V带和汽车多楔带疲劳试验方法中给出的轮系布置如图1(b)所示[1~3]。
国内外汽车传动带疲劳寿命试验台的工作方式分为开式和封闭式,开式试验方式一般采用风扇、水轮机、电力测功机等耗能装置来模拟传动带的负载,由于疲劳寿命试验时间都大于80h,试验台耗电量大,试验成本高,目前基本不采用开式试验方式进行试验。封闭式试验方式因有能量回馈环节使耗电量小,分为机械封闭式和电封闭式两种封闭方式,机械封闭式通常采用滑差离合器或V带传动给被试验带施加负载,由于施加负载过程中的传动比不稳定导致被试带的负载在一定范围内变化,试验结果与汽车带的实际工况下使用寿命存在较大差异[4,5]。
1 试验台整体结构设计
根据国家标准,国内相关企业分别研制了机械封闭式汽车同步带疲劳寿命试验台和汽车V带疲劳寿命试验台,按标准要求可以输入负载扭矩、转速、张紧力进行试验,由于不实时记录传动比、滑差、传动功率和扭矩等试验参数,对试验后的被试带达不到规定运行时间的分析缺乏依据。本文基于降低汽车传动带疲劳寿命试验机的制造成本,并兼顾被试带进行疲劳试验过程中带传动性能的分析功能,提出了如图4所示的可实现汽车同步带和汽车V带、多楔带疲劳试验和传动性能测量要求的组合式电封闭综合性能试验台结构。实现了在进行被试带疲劳试验的过程中通过实时记录传动比、滑差、传动功率和扭矩参数,为被试带的疲劳损伤和传动性能分析提供了依据。
试验台主、从动轴系分别安装在主动滑板和从动滑板上,主、从动滑板通过丝杠调节相对位置适应不同的被试带的中心距,在试验台上通过调节各张紧轴系的位置可以进行不同类型带的试验。进行汽车同步带三轮试验时,将汽车同步带三轮张紧轮系沿导轨移动到试验台前端,V带三轮张紧轮系沿滑移导轨移动到试验台后端,并锁紧固定张紧轮系位置。由于张紧力大小影响带的传动性能和使用寿命,为保证张紧力施加准确,该试验台采用步进电机驱动丝杠带动张紧轮系沿导轨方向运动对被试带施加张紧力,张紧力大小由力传感器进行监控,当达到要求的张紧力后通过锁紧装置固定张紧轮系位置。根据标准传动带性能试验要求最高转速为6000rpm,需要连续运行80h,为保证高速轴系轴承的使用寿命,设计了的循环油润滑装置对各高速轴系进行润滑和冷却,并设计了径向迷宫密封与环形沟槽密封组合的密封结构,防止高速轴系润滑油液泄露。
2 控制系统
试验台的转速、负载的准确性直接影响带传动性能的评价,需要对主动轴系的回转速度和从动轴系的负载进行闭环控制,本文采用三肯变频器控制主动轴转速,并与工业计算机和自制数据采集卡(四路16位A/D,四路16位D/A,8路I/O)、转速传感器共同组成主动轴系转速闭环控制系统,转速控制精度为±0.1%FS;从动轴负载控制系统采用ABB四象限变频控制器控制负载轴输出扭矩,并与工控机和数据采集卡、扭矩传感器共同组成扭矩闭环控制系统,负载扭矩控制精度为±0.5%FS,转速和扭矩通过数据采集卡实时传送给工控机,控制原理图如图5所示。采用VB设计虚拟面板VC编写动态链接库的方法设计了传动性能试验台控制界面,试验过程中能实时采集主从动轴的转速、扭矩和环境箱温度等试验数据,并通过RS485串联通讯口将电气控制回路的输入电流、电压、功率和负载回路消耗的电流、电压、功率进行实时监控,试验台控制系统操作界面如图6所示。
1.从动滑板丝杠;2.从动滑板;3.负载电机;4.从动轴系;5.扭矩传感器;6.转速传感器; 7.V带张紧轴系;8.张紧力传感器;9.步进电机;10.配油座;11.滑移导轨;12.主动轴系;13.扭矩传感器;14.转速传感器;15.主动滑板;16.主动电机;17.主动滑板丝杠;18.步进电机;19.滑移导轨;20.锁紧机构;21.张紧力传感器;22.同步带张紧轴系;23.底座
3 汽车同步带传动性能试验
在研制的多功能传动性能试验台上进行了ZA型汽车同步带传动性能试验,如图7所示,设置主动轴转速为6000r/min;从动轴负载扭矩为16Nm;高温箱试验温度为150℃,经过80小时的疲劳寿命试验,试验台节电量大于70%,被试验的汽车同步带仍能正常使用,满足设计使用寿命,试验过程中主从动轮转速曲线如图8所示,实验负载扭矩变化曲线如图9所示,主动轮最高转速为6017rpm,最低转速为5995rpm,从动轮最高转速为6014rpm,最低转速为5992rpm。主动轮最高试验扭矩为16.5Nm,最低试验扭矩为16.2Nm,从动轮最高试验扭矩为16Nm,最低试验扭矩为16.2Nm。转速变化范围在0.5%以内,负载扭矩变化在5%以内,满足了汽车带传动性能要求。由于在高温试验时高温箱内的温度通过轴传导到轴承座内,使轴系的温度升高,降低轴承润滑油的黏度,增加轴承的磨损,影响轴系的正常工作。本文采用非接触式红外测温仪实时测量了轴系轴端温度变化曲线如图10所示,其中同步带张紧轴系温度为73.4℃~79.5℃,主动轴系温度为40℃~50.8℃,负载轴系最高温度为41.4℃~51.9℃,表明设计的轴系循环油润滑装置可以保障高速轴稳定工作。
4 结论
1 ) 本文按照G B标准规定 的汽车传 动带疲劳试 验方法要 求 , 研制了多 功能电封 闭带传动 综合性能试 验台 , 其主要性 能参数 : 主动轮转 速为 :300rpm~6200rpm±2%,负载功率18.5KW;高温箱温度:0~150℃±5℃,电封闭节电量率大于70%,被试带传动中心距:400m~1300m。
2)在研制带传动性能试验台上进行了80小时的ZA汽车同步带传动性能试验,通过试验台主、从动轴系上转速和扭矩的实时监测了汽车同步带的主从动轮转速、传动负载和张紧轴系温度,转速变化范围在0.5%以内,负载变化范围在5%以内,满足了汽车带传动性能检测的试验要求。
参考文献
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[2]Masanori Kagotani,Hiroyuki Ueda,Transmission Error in Synchronous Belt With Resonance Under Installation Tension[J].Journal of Mechanical Design,2012.09(134)061003:1-12.
[3]闫传新,浅谈V带疲劳寿命试验机[J].特种橡胶制品,2001(22):28-31.
[4]李国栋.汽车同步带三轮疲劳寿命试验机的研制[J].橡胶工业,2003(50)109-112.
传动性能 篇3
机械齿轮装置的动力学仿真与动力学综合(设计)的研究,是为了使所设计的齿轮系统具有最佳的动态性能。利用建立齿轮副振动数学模型,开发啮合齿轮副啮合动态仿真软件,可以改进设计手段、提高设计能力、缩短开发周期的目标,促进产品开发计算机化[2,3,4,5]。
课题组选取FS180-3拖拉机变速箱的工作挡位Ⅱ挡的啮合齿轮副,采用试验与理论分析计算相结合的方法研究了FS180-3拖拉机变速箱运转中变速箱振动产生原因及其平稳程度。通过对该挡更换不同精度等级齿轮进行试验测试,找到齿轮精度与变速箱振动的关系。通过建立数学模型和计算机动态仿真,实现齿轮副动态性能的优化设计。
1 仿真模型的建立
1.1 建立系统数学模型
模拟仿真是基于模型的活动,用模型模拟来代替真实系统进行实验和研究。因此,首先要对待仿真的问题进行定量描述,建立系统的数学模型。本文采用演绎法建模,即利用先验的技术信息建模。其过程是:从某些前提、假设、原理和规则出发,通过数学逻辑推导来建立模型;然后通过对真实系统的测试获得数据,再通过数据处理的方法,得出真实系统规律性作者简介:黄大星(1979-),男,江西永丰人,讲师,博士,(E-mail)huangdaxing2002@21cn.com。的描述与所建数学模型结论相类,使模型具有一定的可信度。文献[7]建立的啮合齿轮副振动数学模型为二阶微分方程,可采用Matlab软件编制程序建立计算机仿真模型。
1.2 仿真计算及流程
仿真计算是对所建立的仿真模型进行数值实验和求解的过程,不同的模型有不同的求解方法。针对所建的数学模型,由于要得到这些方程的解析解几乎是不可能的,所以总是采用数值解法。根据仿真模型为二阶微分方程,本文计算方法选择四阶“龙格—库塔”法。具体计算通过运用Matlab中ODE函数实现,对得到的数值解进行傅里叶变换,从时域和频域得到仿真的试验结果。仿真流程如图1所示。
2 仿真软件及部分源程序
选择仿真工具软件必须易于编程与建模、能有效进行仿真试验,且仿真程序能够在目前主流微机的操作平台上使用。项目选用的现行主流计算机软件是Matlab7。
Matlab 是由Matworks公司开发的面向理论分析研究和工程处理的软件系统。Matlab使用方便、编程简单、语言简练、运算高效且内容丰富。函数库可以任意扩充,绘图简便,采用全新数据类型和面向对象编程技术,已广泛地运用于教学、科研和工程设计的各个领域,覆盖了通信、自动控制、信号处理、图像处理、化工、生命科学等科学技术领域。随着Matlab的信号处理工具箱的推出,不需具备很强的编程能力,就可以很方便地进行信号分析、处理和设计。目前,Matlab已经成为工程技术应用中分析和仿真设计的主要工具。
项目部分源程序如下:
设置齿轮副静态参数及相关系数
Dim w As Double, fc As Double, n As Double, εg As Double
Dim q As Double, mo As Double, v As Double
Dim m1 As Double, m2 As Double
Dim z1 As Double, z2 As Double
Dim b1 As Double, b2 As Double
Dim d1 As Double, d2 As Double
Dim x1 As Double, x2 As Double
Dim ei1 As Double, ti As Double
Const pi = 3.1415926
建立仿真模型函数并转换成Matlab可求解方式:
function dy = myv2d(t,y)
dy = zeros(2,1);
dy(1) = y(2);
dy(2) =-CmMo*y(2)-KmMo*y(1)+WMo
+KmMoEi*sin(PiFc*t);%仿真模型
仿真结果输出:
subplot(2,3,1);plot(T,q); %位移时域仿真结果输出
title('Displacement ');
xlabel('time/s');ylabel('displacement/m');
subplot(2,3,2);plot(T,w);%速度时域仿真结果输出
title('Velocity');xlabel('time/s');ylabel('velocity/ms-1');
subplot(2,3,3);plot(T,e);%加速度时域仿真结果输出
title('Acceleration');xlabel('time/s');
ylabel('acceleration/ms-2');
subplot(2,3,4);plot(f,abs(fftshift(M)));%位移频域仿真结果输出
title('Displacement');xlabel('frequency/s-1');
ylabel('displacement/m');
subplot(2,3,5);plot(f,abs(fftshift(U)));%速度频域仿真结果输出
title('Velocity');xlabel('frequency/s-1');
ylabel('velocity/m-1');
subplot(2,3,6);plot(f,abs(fftshift(C)));%加速度频域仿真结果输出
title('Acceleration');xlabel('frequency/s-1');
ylabel('acceleration/ms-2')
3 仿真结果及其分析
项目自行设计了变速箱整体性能检测系统并已用于拖拉机变速箱测试,包括测试试验台总体和信号采集分析系统两部分。
参照国家标准GB8543-87《验收试验中齿轮装置机械振动的测定》和NJ33l-85《拖拉机传动箱台架试验方法》,同时结合拖拉机变速箱的实际生产状况和性能检测要求,对所研究的拖拉机变速箱Ⅱ挡齿轮性能进行试验测试并与仿真结果进行对比。利用所编制齿轮动态性能仿真软件进行仿真所得的结果,如图2所示。
仿真试验结果分析与处理结果,如图3所示。
1) 振动与转速的关系:由图3(a)可以看出,当输出转矩保持一定,随着输入转速的升高,振动加速度量值增大。证明了当转矩不变,随着转速升高,齿轮的激励力增大,与试验结果分析相同。仿真得到的数据比试验数据偏小,主要是因为数学模型为理想齿轮动态性能振动模型。
2) 振动与负载的关系:由图3(b)、(c)可以看出,当输入轴转速保持不变,随着输出负载的增大,但各峰值的加速度量值有所增加,仿真结果近似线性变化。
3) 振动与齿轮精度的关系,由图3(a)、(c)可以看出,当转速<300r/min时3种精度下加速度值的差异及变化较小,受载荷变化的影响也很小;当转速在300r/min以上时,对加速度的影响随转速增加明显增加,随载荷增加也有增加但很小。
3结论
利用所建立的动态仿真模型,用MATLAB仿真软件编制了动态仿真应用程序,对啮合齿轮副的动力学性能进行了仿真试验。仿真结果反映了齿轮振动与齿轮精度的变化趋势和大小,与试验分析基本一致。该仿真程序可以通过修改齿轮副设计参数进行齿轮啮合动态性能计算机预估,指导齿轮副优化设计和试验工作。
参考文献
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[2]宋小欣.变速箱齿轮啮合动力学的数字仿真[J].同济大学学报(自然科学版),2001,29(12):1503-1506.
[3]屈维德.机械振动手册[K].北京:机械工业出版社,1992.
[4]刘景军,陈作炳.齿轮传动振动分析与动态性能优化设计研究[J].武钢职工大学学报,2000(9):35-38.
[5]李润方,韩西.齿轮系统耦合振动的理论分析与试验研究[J].机械工程学报,2000,36(6):79-81.
[6]葛祥,李娜.Matlab仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.
传动性能 篇4
无级变速器(CVT)能实现速比在一定范围内连续变化,它具有提高整车动力性和燃油经济性、改善驾驶员的操作方便性、传动效率高、寿命长及成本低等的优点,被认为是未来理想的传动装置[1]。CVT有金属带式、摆销链式、锥环式等的种类,但汽车领域主要采用金属带式CVT,它由起步离合器、行星齿轮结构、无级变速结构、控制系统和中间减速结构构成[2],这些结构均采用无级变速器传动液(CVTF)进行润滑和传动能量,因此CVTF的质量优劣直接影响CVT的传动效率和寿命[3]。
早期的CVT直接采用机械式自动变速器传动液(ATF)进行润滑,但在使用过程中发现部分变速器出现振动,而且振动大小差别较大,即使通过严格的质量控制和检验,也不能避免这种现象的发生。研究表明,这是早期的传动液摩擦性能较差所致。随着CVTF研究和应用的逐步深入,人们逐渐认识到CVTF的重要性,相应地对摩擦系数,抗磨损性等指标提出了更高的要求。ATF已不能满足CVT的要求,新型的CVTF已成为提高CVT传动效率和寿命的重要手段。本文对CVTF的性能要求和评价方法进行了简要的介绍。
2 CVTF的性能要求
2.1 粘度
CVTF作为传力介质,要求粘度低,而作为润滑油又希望粘度高。为了保证CVT各种温度条件下都能可靠使用,要求CVTF具有良好的低温性能。低温性能包括泵送性能、低温启动性和低温粘度[4]。
2.2 氧化安定性
CVTF的极端工作温度可高达140~175℃,而且CVTF不断和铝、铜等金属接触,很容易氧化变质,使传动液的摩擦性能变差,引起离合器滑动,产生局部高温。氧化产生的酸和过氧化物会腐蚀系统部件,还会堵塞油路和导致控制阀粘结,使液压系统控制失灵,润滑性能恶化。同时,CVTF的水分离性、消泡性降低,使系统容易产生振动、噪音和气蚀。因此,要求CVTF在氧气存在或受热的情况下要保持性质不变,具有良好的氧化安定性。
2.3 剪切安定性
CVTF经过泵、阀件、阀板节流孔等元件时,要经受剧烈的剪切,这种机械作用能引起两种形式的粘度变化,即在高剪切速度下的暂时性粘度损失和聚合型增粘剂分子破坏后造成的永久性粘度下降。由于粘度降低,泵的内泄漏增加,严重时会使系统停止工作。因此,对于CVTF,特别是加有聚合型增粘剂的CVTF要求抗剪切安定性好。
2.4 摩擦特性
CVT中湿式多片离合器,要求CVTF具有与摩擦材料相匹配的静摩擦系数和动摩擦系数。一般来说动摩擦系数对起动转矩的大小有影响,如动摩擦系数过小,离合器在搭合阶段的滑动机会就多,油温升高;静摩擦系数和最大转矩大小密切相关,如静摩擦系数过大,搭合的最后阶段就会引起转矩的激烈增大,产生“嘎嘎”噪声,使换档感觉不够平顺,因此要求CVTF具有较大的动摩擦系数和较小的静摩擦系数。
试验表明:不同的CVTF转矩传递能力的变化幅度达50%以上,说明CVTF对CVT转矩传递能力有很大的影响。发动机的动力性是否能全部发挥很大程度上取决于变速器转矩传递能力,若带与带轮间摩擦系数小,会产生滑移,导致带轮磨损,带轮夹紧力增大,系统压力增大;若摩擦系数过大,会导致带的疲劳损坏和带与带轮的磨损,因此需要合适的钢对钢摩擦系数。如果CVTF能提供带轮和钢带间整个寿命周期内稳定的、较高的钢对钢摩擦系数,则可以相应减少CVT 带轮夹紧力和油缸压力,从而提高传动效率,延长钢带的疲劳寿命[5]。
2.5 抗磨及润滑性
CVTF要求润滑CVT中的行星齿轮、轴承、油泵、离合器组件等运动部件,防止摩擦面的擦伤和磨损,因此,要求CVTF有良好的润滑性和抗磨性。CVT中摩擦部件多处于边界润滑状态,当系统压力增加,摩擦副表面正压力加大时,由于高速运动,所引起的油温和摩擦表面温度上升,元件起停或低速运动所造成的油膜变薄,使CVT处于边界润滑或因不能形成连续油膜导致的干摩擦状态,加剧了传动系统的磨损,缩短了CVT的正常使用寿命。CVT采用带与带轮间的摩擦作用传递动力,为了传递更大的功率的同时减小系统的压力,须采用具有较大摩擦系数的CVTF,一般来说,摩擦系数越大,抗磨损能力越低,因此,希望CVTF在保持较大摩擦系数的同时,具有良好的润滑性和抗磨能力,以保证边界油膜不被破坏,保证CVT的正常使用寿命。
2.6 抗泡性和空气释放性
在无级变速器液压系统中,空气可能以各种形式混进CVTF。CVTF和空气的剧烈搅拌,使空气机械地混入传动液中,使CVTF起泡。起泡使系统的压力降低,结果不仅会导致离合器打滑和烧结等事故的发生,而且会使传动液的冷却效果下降,产生气蚀,增加轴承及齿轮的磨损,致使传动效率降低。CVTF中的空气还会造成流体润滑膜暂时破裂,甚至永久破坏,引起摩擦力增加,润滑条件恶化,油温上升,带与带轮的磨损增加,变速器的使用寿命缩短。此外,气泡的存在还增加了空气与传动液的接触面积,加速了传动液的氧化。因此,要求CVTF具有较好的抗起泡性和空气释放性。
2.7 密封适应性
CVT中常用的密封材料是丁腈橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、硅橡胶,其中以丁腈橡胶最多,如果CVTF与密封材料的适应性不好,则会引起泄漏,外泄漏会造成传动液的过多消耗,污染环境;内泄漏则会导致无级变速器传动装置工作不稳定以及工况恶化,造成系统压力下降,控制失灵,不能正常工作。因此要求CVTF与密封材料具有良好的适应性。
2.8 清净分散性
CVTF氧化产生的油泥、漆膜以及磨粒和混入的灰分等杂质,会影响CVT的正常工作,某些CVTF中的添加剂可与系统中的杂质特别是水发生作用,生成不易过滤的沉淀物,堵塞滤油器,导致系统工作被迫停止,严重时会发生事故,所以要求CVTF具有较好的清净分散性。
2.9 防锈性
在空气和水的共同作用下,CVT液压元件精度和光洁度高的部位有可能发生锈蚀,严重的会影响系统的正常工作,若锈粒随油循环,还会产生磨粒磨损,加速油品老化。此外,如果油品防锈性不好,会使金属元件发生腐蚀磨损,严重时会完全损坏无级变速器液压控制元件,所以要求CVTF的防锈性要好。
3 评价方法
目前,国内外仍没有正式的CVTF标准或规格。现有产品基本为OEM规格,SAE、ASLE和USCAR非常重视CVT技术的研究,特别是SAE和ASLE有专题讨论CVT和CVTF的问题,并抓紧制定CVTF规格,但由于很难兼顾各种性能,CVTF至今未能形成统一的规格,一些用于评价ATF的评定台架和模拟方法都能用来评价CVTF[6]。
3.1 评定台架
3.1.1 摩擦特性台架
摩擦特性严重影响CVT的传动效率和寿命,采用SAE NO.2试验机评价ATF的摩擦特性,因而也可评价CVTF的摩擦特性[7]。
3.1.2 氧化台架试验
为了使油品不易氧化产生油泥、漆膜等酸性物质,粘度变化不会对离合器产生影响,必须采用专用仪器和台架评定CVTF的抗氧化性能。不同的汽车公司有各自的评价方法。
3.1.3 循环台架试验
循环台架试验是模拟汽车在城市停停开开的行驶状态,因此,要进行THCT循环台架试验,主要是用来评价CVTF的抗氧化性能、摩擦稳定性、润滑性、粘度稳定性和对冷却器青铜的腐蚀情况[8]。
3.1.4 磨损试验
抗磨性是CVTF必须具备的性能之一,只有CVTF具有较好的抗磨性,才能使CVT中的元件不发生异常磨损,一般采用叶片泵试验,评定泵的总磨损量,以试验后叶片泵和定子总失重的毫克数来表示。
3.2 模拟试验
模拟试验是较为重要的研制和研究CVTF的手段和方法,对于CVTF的摩擦特性而言,常用的模拟方法有以下两种。
3.2.1 四球机磨损试验
用四球法测定润滑油的极压性能时,以规定条件下钢球不发生卡咬的最高负荷为最大无卡咬负荷PB,它代表油膜强度的高低。以规定条件下使钢球发生烧结的最低负荷为烧结负荷PD,它表示润滑油的极限工作能力。
3.2.2 环块摩擦试验
CVT传动实质是一种摩擦传动。钢带与带轮的接触,可以近似等效为3种接触:环-块接触、销-盘的面接触、销-V块的线接触。日本学者Takao Ishikawa对3种接触状态进行了对比分析和实验,结果证明环-块接触与CVT钢带-带轮的实际接触状态最为接近。环块摩擦试验机一般有Falex(法莱克斯)环块试验机和Timken(梯姆肯)试验机[9]。
4 总结与建议
(1) CVTF理化性质和摩擦特性等性能直接影响CVT的传动效率和寿命。
(2) 目前为止,国内外没有CVTF统一的技术指标,主要采用模拟评价方法开展CVTF的研制和开发。
(3) 建议国内相关机构引进的台架试验和模拟试验机,根据国内实际情况,自行建立模拟试验方法和标准。
摘要：无级变速器传动液(CVTF)对于无级变速器(CVT)的传动效率和寿命有很大的影响。本研究对无级变速器传动液的主要性能要求和评价方法进行了介绍,并得出了一些结论和建议。
关键词：无级变速器(CVT),无级变速器传动液(CVTF),性能要求,评价方法
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传动性能 篇5
舵机传动机构是导弹飞行控制系统中的重要单元, 它接收飞控组件的控制信号、控制舵面的偏转、实现飞行姿态和轨迹的控制等功能。 舵机传动机构性能直接影响着导弹飞行控制系统的性能和导弹的命中精度[1]。因此, 在舵机研发和维修时, 都需对舵机传动机构的相关参数进行测试, 以便了解其性能是否符合要求。虚拟仪器技术[2]利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面, 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成, 标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。NI的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一个很理想的虚拟仪器开发平台, Lab-VIEW用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[3], 它提供很多外观与传统仪器 (如示波器、万用表、信号发生器) 类似的控件, 可用来方便地创建用户界面。相对于传统的文本语言, 在本项目中应用Lab-VIEW极大地提高了开发效率, 可以灵活方便地创建用户所需的界面。
以前的测试系统中, 测试任务的下达、测试数据的上传汇总大多采用人工方式, 测试效率不高且测试数据信息的实时性和准确性得不到很好的保障。本系统集成了一个任务管理系统, 用户可以直接从MES系统的远程数据库接受测试任务, 并能将任务状态、设备运行状态和测试数据通过局域网上传至远程数据库。与以前的测试系统相比, 提高了效率、减少了人力资源的浪费。
1 测试系统总体设计
本测试系统主要用于常温下舵机传动机构的跑合试验和性能测试。系统硬件部分主要是一套数据采集系统, 软件部分基于LabVIEW开发了一套上位机软件, 测试系统总体框图如图1所示。
2 测试系统硬件设计
系统硬件部分由测控单元、控制电路模拟单元、电源单元、负载及反馈单元、测试台等功能模块组成, 详细组成框图如图2所示。
测控单元协调和控制整个系统的测试过程, 控制整体测试程序, 协调各部分的动作, 包括与舵机控制板的通讯, 完成检测工作。控制电路模拟单元模拟产品控制电路, 用于驱动传动机构。电源单元提供±45V电源、+27V直流信号电源、+27V直流解锁电源, 并可提供设备自身工作所需的直流电源。负载及反馈单元负载用于模拟导弹在飞行中的气动负载, 实现单通道或4通道同时加载, 并反馈角度位置及扭矩信息。负载校准单元用于进行弹簧负载的校准, 校准采用单通道校准的方式进行。其中测控单元是整个测控系统的核心部分, 测控单元包括传感器、信号调理转接板、数据采集卡、计算机[5]。信号调理电路和数据采集卡密不可分, 根据数据采集卡以及传感器端的信号来设计信号调理电路。
2.1 数据采集卡选型
数据采集卡是计算机与外部的接口, 其主要作用是将外部模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号[6]。数据采集卡的选型至关重要, 选型的合适与否直接影响到测试精度。由于本系统的测试对象包括4路舵机, 需要对舵机传动机构的舵偏角以及对应的扭矩进行测量, 其中舵偏角通过旋转变压器和对应的解码器进行测量, 因此不再使用数据采集卡进行采集。对应的扭矩需要通过扭矩传感器转化为模拟信号, 再通过数据采集卡进行采集。在测试过程中还需要利用数据采集卡的模拟输出功能来生成测试时所需要的波形, 相对于传统方法使用信号发生器节省了成本, 提高了效率, 并使设备的结构得到了简化。测试时还需要对测试系统中信号切换电路的继电器进行控制, 比如舵机的手动上电, 这就需要至少1路模拟输出、4路模拟输入、3 路数字输出, 与此同时还要考虑测量精度。鉴于以上情况, 数据采集卡选用NI公司的PCI-6251数据采集卡。PCI-6251 是一款高速M系列多功能DAQ板卡, 在高采样率下也能保持高精度, 能够提供16路模拟输入、2路模拟输出、24路数字I/O、分辨率16位[7], 同时提供丰富的函数库, 配合LabVIEW进行开发能够极大提高开发速度。
2.2 信号调理转接板设计
信号调理是数据采集系统中不可或缺的一个环节, 从传感器端输出的信号大多不能直接输入到数据采集卡, 必须尽可能地将信号安全、干净地传输到数据采集卡[8]。该系统的硬件部分大多通过电缆直连, 通过相应的电缆直接控制和监视。为了隔离各地电压电流值, 同时获取实时电压、电流值, 需设计一块信号调理转接板卡, 它是内部信号的输出与外部信号接入的中间处理与转化单元, 信号调理转接板包括信号调理模块和线路转接模块, 主要调理被测信号, 使之与被测试信号线性跟随, 以及提供数据采集卡的信号传输接口。
调理模块采用集成运放芯片搭建, 利用运放输入阻抗极大的特点, 可有效减小采集对原始信号的影响和干扰。其输出阻抗极小, 当采集板卡出现输入阻抗动态调整时, 由于运放输出阻抗极小, 可使采集信号无损到达采集端[9]。调理电路的比例环节可将信号按照一定比例进行线性放大或缩小, 以符合采集电路或电路输出的需要, 具体设计如图3所示。
倍放器:用短路子将图3中J2的1和2管脚短接、J3和J4均断接、并将J1的1和2管脚短接、J5的2和3管脚短接就可以得到倍放器的电路。此时放大倍数如公式 (1) 所示。
可通过调整R1和R2的阻值获得不同的放大倍数。
倍减器:用短路子分别将图3中J3和J4的1和2管脚短接、J2断接, 并将J1的2和3管脚短接、J5的1和2管脚短接就可以得到倍减器电路。此时放大倍数如公式 (2) 所示。
通过调整R1和R2以及R5和R8的阻值获得不同的缩小倍数。
3 测试系统软件设计
测试系统软件将系统的各个功能模块有机结合在一起, 并使其相互协调以实现预期的测试任务[9]。针对以前测试系统信息化程度低、自动化程度不高的缺点设计了测试系统软件。使测试设备与MES (现场制造执行管理) 系统集成。通过局域网与MES系统的数据库通信, 以实现测试任务、设备运行状态、测试结果等信息的交互。具体流程如图4所示。
系统软件采取模块化设计, 用户仅需简单的按钮操作即可实现复杂的功能, 界面友好、功能齐全, 并充分考虑了用户在使用时误操作的问题, 有效提高了测试过程的安全性和准确性。 软件的主界面利用Lab-VIEW选项卡控件进行设计, 用户只需在界面上点选相应的测试项目即可实现界面的切换。 选项卡控件具有很好的可扩展性, 有利于以后软件的维护和更新。 软件主界面如图5所示。
软件系统分为以下模块:用户登录、设备自检、上电时序、舵机自检、加载通道选择、功率电报警、跑合实验、性能测试、报告生成、测试数据显示、测试数据传输。为了防止非专业人员对设备参数的修改, 设计了一个用户登录模块, 仅在管理员模式下才可对测试所需的参数进行配置。为了确保测试的顺利进行及日常维护, 设计了一个设备自检模块, 用来检测当前设备的运行状态, 自检不通过将无法进行下一步操作, 直至故障排除。在开始测试之前, 需要对被测舵机进行上电, 舵机的上电有一个严格的时序, 时序不正确将造成舵机损毁。为了保证安全性, 特设计了一个上电时序模块, 采取手动上电模式, 若时序不正确操作就不予响应并给予用户提醒, 从而有效保护了设备。加载通道选择模块用以实现4个通道之间的切换, 可以根据测试的需要实现单通道和多通道同时加载。功率电报警模块通过设置功率电门限电流, 实现功率电报警, 超限之后系统自动关闭功率电源, 以确保设备安全。跑合实验和性能测试模块在配置好测试参数后选取所要测试的通道, 利用LabVIEW的数据采集函数库编写数据采集程序, 将被测信号采集出来并由上位机软件进行分析和处理。由于大量测试数据的产生, 采用人工填写的方式极易造成不必要的错误, 故测试报告生成模块的设计采用LabVIEW的报表生成库函数结合测试记录卡模板自动生成测试报表, 有效降低了人工填写造成错误的概率。考虑到测试数据传输和任务调度关系紧密, 测试数据传输模块和任务管理模块进行了合并, 其主界面如图6所示。本模块的设计体现了系统的信息化和自动化。利用LabVIEW的数据库连接工具包, 通过局域网访问设备运行状态表、测试任务信息表、测试记录卡主表、测试记录卡测试明细表。通过对测试任务信息表的访问获取测试任务, 并将任务的状态和设备的运行状态实时上传到设备运行状态表中, 减少了以前测试系统中任务下达、任务状态上传环节人力资源的消耗, 在测试数据获取之后可直接将数据上传至测试记录卡的主表和测试明细表, 相对于以前人工填写汇总后再上报程序, 数据的实时性和准确性得到了保障。测试数据显示模块主要采用波形图和电子表格的形式。波形图方便对测试数据进行分析, 电子表格方便对测试结果直观地显示。
4 系统抗干扰措施
测试系统在调试过程中难免存在着信号干扰问题, 系统抗干扰能力也是一项衡量系统性能的重要指标。干扰主要来自外界和测试系统本身。来自外界的干扰主要是外界仪器、外界设备产生的电磁波干扰了系统的正常运行, 从而影响测试精度, 通常通过隔离和屏蔽的方法加以解决。系统本身干扰主要是系统内的元件以及不合理布线等产生的电磁波影响其它元件正常运行, 针对不同的干扰源, 可以采取不同的方法[10]。在本测试系统的调试过程中存在的问题是:设备运行过程中数据采集卡采集的电压存在一定的噪声, 采取的措施主要包括:对接地系统进行完善。由于系统地、屏蔽地和保护地接地点间存在着地电位差, 混乱的接地易造成系统干扰, 因此将电源线接地端和机柜连线接地为安全接地。同时, 重要信号线采用屏蔽线, 并在各直流电源的输入端加入滤波组件并运用数字滤波技术, 利用LabVIEW提供的滤波器对采样后的信号进行平滑处理。
5 结语
本系统利用虚拟仪器的技术方法, 减少了测试中的硬件设备, 节省了开发成本, 简化了硬件结构, 设备易于操作。利用虚拟仪器人机交互性强的特点, 在软件前面板上进行操作, 有效避免了不当操作造成的设备损坏。使用LabVIEW的数据采集处理通信库, 实现了数据的采集、分析、处理、存储等功能。与传统的文本语言开发环境相比, LabVIEW的图形化语言更直观、开发速度更快。系统集成了MES系统管理功能, 提高了测试和生产效率, 该测试系统已顺利通过验收, 性能指标符合要求。
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传动性能 篇6
在常用的内燃机附件传动系统中,普遍采用一条多楔皮带传动来驱动所有附件(包括风扇、水泵、交流发电机、空调压缩机等)的驱动形式。以内燃机曲轴输出的扭矩为动力源,通过各个带轮和与多楔带之间的摩擦力将扭矩传递到各个附件,带动附件运行来保证整机的正常工作。常用的内燃机前端附件传动系统方案如图1所示。
由于多楔带弯曲性能较好,并且可以正、反楔面驱动带轮,因此与传统的V带相比,可减小带轮直径,并增加所驱动附件的数量,在不降低传动功率的前提下节省轮系的布置空间,具有使用成本低、传动比大、使用寿命长、传动平稳等特点[1,2]。
而另一方面,为保证在各个工况下传动系统工作状态良好,减少带与带轮之间的打滑现象,并保证皮带的张紧力始终处于一个合理的范围,需在传动系统中加装能够自动调节张紧力的张紧器。张紧器可以随着皮带在使用过程中逐渐伸长而自动调节张紧力,充分保证驱动轮系的正常运行[3]。
本文中将从附件传动系统中的重要部件——多楔带和机械式自动张紧器入手,对发动机前端附件传动系统部件性能标准的制定进行研究。
1 轮系中各主要零部件的使用性能
1.1 多楔带寿命确定
在发动机附件传动轮系的使用过程中,多楔带的寿命是一个非常重要的指标[4]。本文针对传动系统的设计过程,对其中影响多楔带寿命的各主要参数进行分析。
1.1.1. 轮系布置
由同一条皮带驱动的带轮应尽可能布置在同一平面内,以避免轮系工作时发生偏磨,影响带的寿命。附件的支架必须有足够的刚度和高精度。轮系的平面度应在0.33°以内。
1.1.2. 速度滑移差
多楔带与带轮之间的速度差应不大于1%,否则带与带轮之间的打滑现象会造成皮带过热,易发生早期磨损,降低皮带寿命。
1.1.3. 带轮直径
带轮直径过小,将使皮带的弯曲变形过大,承受过大的压缩和拉伸应力,将会造成皮带过早地产生表面裂纹。而带轮直径过大会使其圆周速度较大,造成皮带所受到的离心力过大,相当于减小了带的张紧力,严重时将造成皮带打滑或引起横滚,使皮带脱离带轮沟槽。
1.1.4 带的张紧力
为使皮带获得合适的预张紧力,一般情况下采用自动张紧器使皮带张紧。自动张紧器通常位于传递功率较大附件的松边上,以降低带的弯曲应力,延长带的使用寿命。
1.2 机械式自动张紧器
张紧器的主要性能参数包括张紧器弹簧刚度和张紧器阻尼。当张紧臂受到力的作用远离平衡位置时,张紧器弹簧为其提供回复扭矩;而张紧器阻尼用来吸收张紧臂振动能量,保持张紧器和轮系的稳定工作。
1.2.1 张紧器弹簧的静态扭矩特性
自动张紧器需在发动机各工况条件下始终为皮带提供一个稳定的张紧力,并要求张紧力在保证皮带不打滑的前提下尽可能的小。这是因为过大的张紧力会对皮带及其他附件的寿命产生影响。在确定设计参数时,选用的张紧器弹簧部件的参数是关键,弹簧扭矩必须随转臂位置的改变而变化。要实现这一目标,弹簧的力学特性必须依照驱动负荷和张紧角度变化来确定。
张紧臂在作准静态往复运动(如张紧臂转速较低)时,张紧器刚度是线性的[5],如图2所示。其中,直线1为张紧器加载过程,即上行程,此时张紧臂被拉伸而远离其静平衡位置;直线3为张紧器卸载过程,即下行程,此时张紧臂从拉伸位置向其静平衡位置移动;直线4和2为张紧臂的最小和最大摆角。直线 1、3 的斜率即为张紧器加载、卸载时的静刚度[6]。
1.2.2 张紧器弹簧的动态扭矩特性
当张紧臂转速较高、摆幅较大时,张紧器加载、卸载时刚度为非线性,此时阻尼对张紧器特性影响明显,同时图2中的直线1、3变为曲线。
工程中常用传递函数计算得到张紧器动刚度和阻尼。张紧器动刚度反映了在一定的激励频率下,张紧器的响应力矩的幅值与张紧臂旋转位移的幅值比[7]。
1.2.3 张紧器的阻尼特性
在进行张紧器设计时,要使得弹簧扭矩随转臂位置的变化而保持理想的阻尼特性,通过弹簧的反作用力来驱动阻尼元件。理想的阻尼特性所起的作用是在皮带紧边的张紧力波动稍有增加的前提下,可大幅度减少松边皮带的波动,从而增加轮系运行的平稳性。
为了确定阻尼设计的参数,本文中在大量试验结果统计的基础上,提出了一个标准指标参数,即平均阻尼率。具体计算过程如下:
上行程阻尼率
下行程阻尼率
平均阻尼率
式中,T上行程为张紧器上行程扭矩;T下行程为张紧器下行程扭矩;T弹簧为张紧器弹簧所产生的扭矩(不考虑摩擦块产生的扭矩)。
2 主要零部件性能试验及结果分析
2.1 多楔带寿命分析及试验研究
2.1.1 多楔带寿命特性的影响因素
多楔带的寿命是轮系设计的重要指标。影响多楔带寿命的因素很多,如图3所示。本文中结合实际中多楔带的疲劳损坏情况后发现:在同等条件下,环境温度、带轮直径和安装张力对多楔带寿命有明显的影响。
2.1.2 疲劳寿命试验方案
选取试验样带,将样带安装在控制箱内的高温疲劳试验机(图4),使样带保持规定的张紧力(表1),按规定的主动轮转速和从动轮吸收功率进行试验。测量试验开始时主动轮和从动轮之间的滑动率。连续运转试验机,直至样带损坏。
滑动率按式(4)计算:
g=(i0-if) /i0×100% (4)
注:张紧力559 N用于三元乙丙橡胶四轮试验
式中,i0为从动轴速比,undefined,其中n0为从动轴初始转速,N0为主动轴初始转速;if 为主动轴速比,undefined,其中nf为从动轴最终转速,Nf为主动轴最终转速。
2.1.3 试验结果分析
2.1.3.1 环境温度
环境温度对带寿命的影响不容忽视。如果带的材料及制造方法均满足要求,那么环境温度的影响相对较大。图5为环境温度与多楔带寿命的关系曲线。由图5可见,随环境温度的增加,多楔带的相对寿命迅速衰减。
2.1.3.2 带轮直径
带轮直径对带的弯曲应力产生的影响如图6所示。其中,D为标准直径。多楔带由于厚度薄,抗弯曲能力特别强,但仍应避免采用过小直径的带轮,特别是背部轮。由图6可见,带轮直径越大,则对称循环的弯曲应力越小,带轮的相对寿命越长。但带轮直径过大,将不利于发动机前端轮系的紧凑布置。
2.1.3.3 安装张力
要保证轮系正常工作,多楔带必须有足够的静态安装张力。适当的静态张力可减小附件轴承的负荷,提高使用寿命。静态张力的确定需考虑到皮带轮转动时产生的离心力的影响。离心力使多楔带沿径向脱离带轮,减小力的传递能力。因此,最合适的静态张力有一个范围,既不能过大,也不能过小,如图7所示。
2.2 张紧器特性及试验研究
2.2.1 张紧器的基本工作性能
张紧器的刚度和阻尼不能通过张紧器的设计参数直接确定,需建立试验平台,通过测试和计算获得。
2.2.1.1 静态扭矩试验测量
在弹簧扭矩测量仪上单独测量弹簧扭转到工作位置时的扭矩,计算出张紧臂在各设定位置处张紧器扭矩平均值;然后利用最小二乘法求得张紧器分别在加载、卸载时的扭矩-转角关系直线,直线的斜率即为所测张紧器在加载/卸载时的静刚度值。
本文中在统计上述大量试验结果的基础上,对张紧器静态时弹簧扭矩输出作出了规定,其公差为弹簧标定扭矩的±10%,如图8和图9所示。其中,α为张紧器未装带时自由状态摆角,β为张紧器安装公称带长后摆角,γ为张紧器摇臂档块装带时所需摆角,Δ为张紧器摆角总行程,ε为张紧器运行范围,s为带最小位置;L为带最大位置,D为发动机带轮直径,EHR为发动机水平基准。
2.2.1.2 动态扭矩试验测量
对常规对称阻尼型张紧器,可通过张紧器扭矩特性曲线的测量,计算其弹簧扭矩值,即可由图10中B点和C点处张紧器的扭矩值求出D点的弹簧扭矩值。由于张紧器在动态时是一个强非线性系统,张紧器的动刚度和阻尼值的大小受激励频率、激励幅值和张紧器预载荷的影响,需要对上述因素进行控制。根据测量结果,利用式(3)计算出平均阻尼率。
机械式自动张紧器动态时由摩擦块输出的阻尼应符合技术文件要求。经过试验结果统计,常规对称阻尼型张紧器(D加载/D卸载=1)的平均阻尼率为20%～60%。
2.2.2 耐久性能
由于张紧器处于开式工作环境中,容易受到粉尘、盐雾等腐蚀,所以耐久性能是一个非常重要的指标。与国外相比,我国自主创新研制了一套高温耐污试验规范,同一个张紧器需要同时进行高温粉尘试验和常温盐雾试验,试验规程简单,可操作性强,但试验强度较高。
2.2.2.1 高温粉尘试验
图11为用于单个张紧器带轮在转动和摆动状况下进行耐久试验的示例。其中,一个轮子应偏心以获得期望的张紧器摇臂运行峰-峰值。
为了模拟高温粉尘环境,在上述多楔带驱动试验箱内充满氧化铝粉尘,控制温度为(100±5)℃。每隔24 h观察一次并检查零件噪声。试验共进行150 h,分别从第0 h、75 h和第150 h测量张紧器轴衬、摩擦块、弹簧和任何可塑性零件的基本性能。
试验时,张紧器摇臂的摆幅为5°,摆动频率为27.7 Hz,或由供需双方按使用要求共同商定。
2.2.2.2 常温盐雾试验
为了模拟常温盐雾环境,在多楔带驱动试验箱内(图11)每24 h连续8 h喷射含5%盐的盐雾水,每8 h喷射20 ml。根据ASTM B117-95的规定,将已经完成高温耐久试验的张紧器放置在常温盐雾箱内。每隔24 h观察一次并检查零件噪声。在第0 h、第75 h和第150 h时测量张紧器轴衬、摩擦块、弹簧和任何易磨损和/或腐蚀零件的基本性能。
2.2.3 试验结果统计及耐久性试验标准
统计大量试验结果,制定出适合常规机械式自动张紧器的耐久性指标标准[8]:(1)耐久试验前后噪声应在同一个水平,(2)耐久试验前后轴承座高度的偏移量不得超过0.80 mm,(3)耐久试验前后轴承座倾角的变化量不得超过0.5°,(4)耐久试验前后弹簧扭矩的变化不得超过±15%,(5)耐久试验前后摩擦块阻尼应保持在设计规定的最小和最大限值范围内。
3 性能标准在实际检验规则中的应用
3.1 检验规则
发动机附件传动系统主要零部件的检验规则分为型式检验、出厂检验和抽样检验3种。3种检验的具体应用情况见表2。
3.2 检验项目
上述试验中多楔带和张紧器的性能标准在实际检验的应用见表3。其中,抽样标准按照GB/T 2828.1进行抽样检测,各检测项目应该符合各自的技术条件。
4 结论
(1)分析了环境温度、带轮直径和安装张力三因素对于多楔带寿命的影响趋势,并设计了相应的试验方案进行验证。制定了多楔带疲劳寿命指标的标准,以及多楔带寿命测试试验的试验标准。
注:√为必检项目,×为免检项目,▽为选检项目。
(2)对机械式自动张紧器的静态和动态扭矩特性进行分析,提出用于评价其动态扭矩特性的指标——平均阻尼率,并根据试验规定了适宜的平均阻尼率的限值为20%～60%。自主研发了一套高温耐污试验规范,并制定出适合常规机械式自动张紧器的耐久性试验标准。
(3)制定了多楔带和自动张紧器的检验标准和技术条件,该规则适用于零部件的型式检验、出厂检验和抽样检验,并具有代表性和切实可行性。
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传动性能 篇7
一、传统游梁式抽油机动力传动系统性能的影响因素
游梁式抽油机动力传动系统性能主要表现在系统效率和使用性能两个方面,下面分别对其进行分析:
(一)系统效率的影响因素
传统游梁式抽油机主要包括电动机、胶带轮传动装置、减速器四连杆机构和游梁等装置。其效率η可表示为:
式中:η1——电动机效率;
η2——胶带轮效率;
η3——减速器效率;
η4——四连杆机构效率。
其中,电动机效率在其出厂时已由厂家的生产质量决定,而四连杆机构的效率受其本身结构的限制,其效率也约为常数。因此,影响抽油机系统效率的主要因素是胶带轮的效率和减速器的效率。
传统的抽油机采用的传动型式绝大多数是将胶带传动做为第一级传动。之所以采用这种形式主要是因为胶带传动具有一定的过载保护能力,可在抽油机起动或井下出现异常情况时,通过胶带打滑保护电动机和减速器。但是,胶带传动的这种特性有时也会产生负作用,例如在天气潮湿或是阴雨天,一但胶带受潮,其传动效率就会显著降低,导致整个抽油机系统效率随之降低。
传统的抽油机采用的减速器多为两级双圆弧齿轮传动。由于这种齿形的特殊性,现有的加工工艺只能是用双圆弧滚刀精滚。即使如此,受其结构和加工工艺等方面的限制,齿轮加工精度不高,多为8级精度。查有关的机械设计手册,8级精度的齿轮传动效率为97%,这样在实际应用中抽油机系统效率最大目标值达不到计算的62%。
(二)使用性能的影响因素
调冲是靠更换传动比不同的带轮来实现,由于带轮与轴的连接为过盈配合,无论拆卸还是安装均不方便,造成操作人员的劳动强度比较大,并且在更换时必须使抽油机停止运行,影响油田产能建设。
由于减速器采用的是双圆弧齿轮传动,受其齿形限制,加工工艺单一,为保证其加工精度,只能牺牲部分热处理工艺,其结果造成齿面硬度不高,承载能力下降。在设计中为保证减速器的承载能力,不得不加大齿轮模数,最终造成的结果是减速器体积大、重量重。
抽油机为露天野外连续工作,工作环境恶劣,传动带在风吹日晒雨淋中极易老化,在实际生产中需经常巡视并及时更换传动带。
二、改进抽油机动力传动系统性能的探讨
有资料提出采用全平衡方式,用同步直线电动机驱动抽油机的新理论、新技术来提高抽油机系统效率是一个研究方向,可应用于新生产的抽油机。针对我国目前在用的9万多台传统游梁式抽油机,我们提出采用多速电动机与硬齿面减速器直接连接的传动形式的改造方案,即用一对齿轮传动代替传统抽油机的胶带传动。其可达到的效果如下:
(一)系统效率
采用齿轮传动做为第一级传动后,这一级的传动效率就可由原来的90%提高到98%以上。而采用硬齿面齿轮传动,由于其齿面硬度的提高,其承载能力和耐磨性均有大幅度的提高,就可以采用齿形简单、加工方便的渐开线齿形,就能够实现磨齿工艺,从而提高齿轮精度(可达7级精度甚至6级精度),进一步提高传动效率,使齿轮传动效率真正达到98%甚至99%以上。
减速器现为三级齿轮传动,齿轮的传动效率η齿=98%(4副),轴承的传动效率η轴=99%(4副),则减速器的效率η3可表示为:
η3=η齿4η轴4=(98%)4×(99%)4=88.6%
这样系统效率η可表示为:
计算结果表明,采用这种新结构后,动力传动系统的效率比传统形式有所提高,单就某一台抽油机(以12型抽油机为例,电动机装机功率为37k W,按每天工作24小时、每年工作360天计算)来说,理论上每年即可多传递电能37×(67.3%-62%)×24×360=16943kW。
(二)使用性能
1. 采用多速电动机驱动后,调冲时只需按一下按钮即可实现,不影响抽油机的正常运转,并且操作人员的劳动强度极大减少。
2. 齿轮承载能力和耐磨性的大幅度提高,可减小减速器体积和重量,减少原材料的消耗,而且减速器的使用寿命也会有所延长。
3. 可使抽油机动力传动系统对天气的敏感度降低,不存在受潮后易打滑的现象。
三、结论