传动性能试验（通用7篇）
传动性能试验 篇1
摘要：文章在系统地研究国内外带传动疲劳寿命试验台的基础上,针对汽车传动带试验标准要求,进行了电封闭汽车传动带综合性能试验台结构设计,并针对高速轴系设计了循环油润滑装置和组合密封装置,采用VB设计虚拟面板VC编写动态链接库的方法设计了试验台控制系统及操作界面,实现了主动轮转速和从动轮负载的闭环控制,并在试验过程中实时记录传动比、滑差、传动功率和扭矩等试验参数。通过在该试验台上进行80小时汽车同步带传动性能试验,表明该试验机达到了汽车带传动性能试验的要求并具有良好的节能效果,为汽车带传动的性能和疲劳损伤分析提供了依据。
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
[1]Masanori Kagotani,Hiroyuki Ueda,Factors Affecting Transmission Error in Helical Synchronous Belt With Error on Belt Side Face Under Bidirectional Operation[J].Transactions of the ASME,2010(08):071005.
[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.
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齿轮模数对传动性能的影响及选择 篇2
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
综采运输设备传动部综合试验台 篇3
由中国矿业大学机电与信息工程学院和兖州矿业 (集团) 公司机械制修厂研制的综采运输设备传动部大功率综合试验台, 是适合矿区机修厂的集减速器和电机检测为一体的微机检测系统, 其整体技术水平达到了国内领先水平。
在煤矿井下的综采运输设备中, 由减速器和电机为主组成的传动部是关键的部件, 其大修质量的好坏直接影响着煤矿生产的正常进行。由于200kW以上功率的设备大修以后没有测试手段, 使得一些设备的故障及质量隐患无法及早地发现。因此, 开发大功率的加载试验台对于确保综采运输设备的大修质量、运行可靠性和保证实现高产高效具有重要意义。新研制的试验系统由拖动电机、陪试减速器、增速器、直流电机、转矩转速传感器、温度传感器、电气控制柜、控制台、测量仪表柜、减速器冷却系统、工控计算机系统、试验台架等组成, 采用可控硅逆变加载方式, 实现了CAT技术功能, 可以对综采运输设备的传动部进行综合试验。试验内容包括减速器的空载试验、温升试验、噪声试验、效率试验和电机空载试验、负载试验、绝缘试验。使用实践证明, 此系统能够实现综采运输设备主要使用的13种型式、功率在200~600kW减速器及其匹配电机的综合试验, 实现了微机控制、技术数据自动采集处理和控制系统的故障检测及显示报警, 并且系统还留有今后扩大功率的基础措施。此类大功率、多机型的试验系统目前在同行业中尚欠缺, 对国内各矿区综采设备的质量管理提供了借鉴和促进作用。
驱动桥传动效率台架试验方案研究 篇4
随着社会的不断发展、环保意识的持续提升、法规要求的更为严格, 整车油耗的改善将决定一个汽车产品成败。传动系统效率是衡量传动系统性能的重要指标之一, 对整车性能及燃油经济性有非常重要的影响[1], 驱动桥作为整车传动系统的一部分, 测试其传动效率指标, 并不断改善其表现, 也是更好的进行动力匹配使整车油耗下降的一部分。参考张有禄对机械式变速箱传动效率影响因素的研究[2], 与王熙等人对汽车变速器传动效率理论建模与实验测试[3], 王旺平等人对微型车传动系统效率建模与试验验证[4]的相关经验, 希望在试验方案设计过程中更合理的识别出各影响因素的贡献度。
1、试验方案
机械结构的传动效率一般指输出功率与输入功率的比值, 即, 由于旋转机械的功率为转速与扭矩的乘积, 即。对驱动桥来说输入功率即变速箱经传动轴输出至驱动桥输入法兰的功率, 输出功率为两个轮边输出功率之和, 。驱动桥输入输出转速由主传动速比i决定, 当不发生差速时可将驱动桥传动效率计算公式简化为。
如要准确测量得到驱动桥的传动效率就需要得到驱动桥输入扭矩Min、左右轮边输出扭矩M1、Mr。考虑齿轮啮合的冲击及扭矩测量精度、分辨力、采样率等的影响, 效率计算过程采用一段时间的均值进行计算。
已知驱动桥传动效率的影响因素主要包括, 齿轮啮合、轴承摩擦、油封摩擦、搅油损失等。在不同的转速、载荷、温度下都会影响摩擦磨损的大小而改变机械效率。那么在试验过程中将润滑油温控制在一个相对合理的范围内, 并设计不同扭矩转速工况进行测试才能得到一个驱动桥传动效率的完整表现。
2、工况计算方法
在驱动桥测试中扭矩工况一般使用以发动机输出与地面附着力两种方法计算, 取其较小值进行测试。一款驱动桥设计定型完成后可能在不同配置的车型上应用, 有时也会以驱动桥额定输出扭矩进行性能及可靠性测试。因此我们设计了两种测试工况计算方法。
等扭矩法:即在不同车速下按驱动桥额定输出扭矩比例换算的输入扭矩工况进行测试的方法。一款重载商用车驱动桥额定输出扭矩为40000Nm, 速比4.111, 则可将其测试工况策划为表1 所示。
需要注意的是, 表1 中标红的部分输入功率以超过330kw, 在实际车辆行驶过程中无法出现, 并且在大功率下的机械损失大部分都转化为热, 驱动桥润滑油温度将难以保证其控制精度。
等功率法:即在不同车速下按发动机额定输出功率比例换算的输入扭矩工况进行测试的方法。考虑发动机输出的情况, 以某型336 匹马力柴油机外特性曲线与某型12 档变速箱速比计算的变速箱输出扭矩-转速关系如图1 所示。变速箱输出扭矩即驱动桥输入扭矩均接近于以发动机额定输出功率计算的测试扭矩, 测试时在每个转速下以功率计算扭矩的不同比例进行测试即为等功率工况。
一款重载商用车驱动桥额定输出扭矩为40000Nm, 速比4.111, 则可将其测试工况策划为表2 所示。
考虑地面附着力时该桥的最大输入扭矩Mg为:
在进行低速效率测试时驱动桥输入扭矩不应超过按地面附着力计算的最大输入扭矩。
3、结论
在进行驱动桥传动效率试验时需要合理规划样品的输入转速-扭矩工况。使用等扭矩法进行测试因为扭矩即载荷一致, 更容易分析齿轮啮合、轴承摩擦、油封摩擦、搅油损失等环节的变化规律。使用等功率法进行测试更贴近实际车辆行驶中的负荷, 并能将工况与车辆油门踏板的力度进行关联, 便于整车进行系统分析。
参考文献
[1]Harald Naunheimer, Bernd Berstsche, Joachim Ryborz, etal.Auto-motive Transmissions Fundamentals, Selection, Design and Application[M].New York:Springer Science, 2011.
[2]张有禄.关于机械式变速箱传动效率影响因素的讨论[J].机械工程与自动化, 2008 (05) :185-186.
[3]王熙, 秦大同, 胡明辉等.汽车变速器传动效率理论建模与实验测试[J].机械传动, 2010 (08) :21-24.
传动性能试验 篇5
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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传动性能试验 篇6
人字齿轮因具有承载能力高、工作平稳性好等优点[1],在舰船后传动中被大量采用。减小动降低噪声是其重要的研究方向[2]。传动误差映齿轮实际啮合与理想啮合的偏差情况,是产振动噪声的一个重要原因。
齿轮修形具有良好的减振降噪效果[3]。实践证明,在高速重载传动时,采用齿顶、齿根修缘后,能有效地改善啮合性能,减小啮合冲击,降低噪声。此外,为了提高工效常以小轮修根代替大轮修缘,即修形都放在小齿轮上。为了降低齿轮副对安装误差的敏感性,人字齿轮的几何传动误差可设计为抛物线形。同时考虑到齿轮副的修形是通过对刀具修形实现的,而刀具的抛物线齿廓易于加工,因此,小轮加工刀具采用三段抛物线齿廓以实现小轮齿廓三段修形。
轮齿承载接触分析(loaded tooth contact analysis,LTCA)技术已与齿轮修形设计结合在一起,以承载传动误差最小为优化目标,可以寻求最佳的齿面修形设计[4]。基于此,根据有限元柔度矩阵的非线性规划法[5],建立人字齿轮承载接触分析的数学模型,从而获得人字齿轮的承载传动误差。以一对试验人字齿轮为例,通过修形前后传动误差的比较,验证了传动误差计算的正确性和修形的有效性。
1 小轮齿廓三段修形
齿廓修形通用的方法是改变刀具切削刃的形状。常用的齿条形刀具(滚刀)加工齿轮的方法是以抛物线代替齿条的直线齿廓,从而获得中凸的齿形。齿条的法向齿廓形状和齿面坐标系分别如图1和图2所示。图1中的y1、y2、y3分别为齿廓坐标系obxbyb下的三段抛物线方程,其表达式为
通过坐标变换,可将齿条刀齿廓方程转化为刀具齿面方程:
式中,u为在齿条刀具法截面上,齿廓上的点距抛物线极点的距离;l为齿廓上的点所在的法截面距坐标原点oc的距离;dp为抛物线极点的位置参数;α、β分别为压力角和螺旋角;am为齿条节线上的法向半齿厚。
图1中,u1和u2分别为3条抛物线在齿条刀齿廓的位置。当u2≤u≤u1时,刀具齿面方程为y1;当u>u1时,刀具齿面方程为y2;当u<u2时,刀具齿面方程为y3。
对于左右端小轮齿面的加工,可以采用不同的修形刀具。
2 人字齿轮齿面接触的数学规划模型
图3所示为人字齿轮加载接触分析模型。假设在某啮合位置左右两端各有两对齿(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)同时接触。
齿轮承载接触分析方法详见文献[6-7],其中人字齿轮特有约束条件为
式中,Pj为离散载荷;γj为法向载荷与轴向的夹角(取锐角)。
式(3)表示同一接触位置左右端齿面所有离散点处的离散载荷之和等于作用载荷;式(4)表示同一接触位置左右端离散载荷轴向分力相等。
采用数学规划法求解人字齿轮加载接触问题的表达式为
式中,Xj为人工变量;k为一个周期内啮合位置数;F为小齿轮、大齿轮接触椭圆长轴离散点处的柔度矩阵;P为总法向载荷;P为离散载荷向量;P1、P2分别为左右端离散点载荷,P1、P2包含于P中;γ、λ分别为左右端离散点载荷与轴向的夹角;d为啮合点处变形后的法向齿面间隙;w为啮合点处初始法向齿面间隙;Z为轮齿变形后的法向位移。
式(5)是由已知参数和未知参数组成的一个非线性规划模型,规划的目标是系统变形最小。用一种改进的正规形方法[8]求解式(5),可以求解出式(5)啮合位置瞬时接触椭圆长轴离散点处的离散载荷P和轮齿变形后的法向位移Z。将Z变换为角度值后,可得到齿轮副在载荷作用下的传动误差。通过求解一个周期内所有啮合位置,就可以得到该周期内的齿面载荷分布和承载传动误差。
由于存在制造误差和安装误差,人字齿轮啮合时左右两端齿面会产生轴向不平衡力,从而导致轴向窜动。轴向力是否平衡,可用平衡条件式(4)进行检验。当轴向力不平衡时,沿轴向给定一个微小的窜动量,重新计算TCA与LTCA,直到两端产生的轴向力达到平衡为止。
3 试验与计算结果对比
将一对齿轮安装在高速齿轮试验台上进行带载试验(大轮上施加的扭矩为2000N·m),试验齿轮参数如表1所示,小轮修形量如图4所示(左右两端小轮齿面修形相同)。
传动误差测量系统主要包括圆光栅、细分卡、采集卡、计算机、分析软件等。传动误差测量系统组成框图如图5所示,其中圆光栅为系统的关键设备。本系统采用英国RESM圆光栅,标称外径为229mm,圆光栅采用双读数头,能够减小安装偏心对系统的影响,系统分辨率不大于1″,试验装置如图6。通过滤波技术将轴频和齿频传动误差进行分离。
图7、图8所示分别为修形前后齿频传动误差的检测曲线与理论曲线。表2为修形前后齿频传动误差的检测幅值与理论幅值(幅值指承载传动误差曲线的波动值)。
从图7、图8以及表2中可以看出:(1)修形后的理论值和检测值与修形前相比,承载传动误差明显减小;(2)修形前后的理论值与检测值均显示了齿频传动误差幅值很小,不大于1″,这是由于齿轮副的重合度很大,因而啮合刚度很大,且啮合刚度的波动幅度很小;(3)检测值大于理论值,这是由于齿频传动误差由轮齿变形和齿面误差两部分构成,理论值仅考虑了轮齿变形部分,而检测值则包括了轮齿变形和齿面的微小误差。
4 结论
(1)从减振降噪和提高工效出发,小轮齿廓采用三段修形。通过改变刀具切削刃的形状,用三段抛物线代替齿条的直线齿廓,导出了刀具齿面方程。
(2)在进行人字齿轮的承载接触分析时,将有限元、柔度矩阵和非线性规划结合在一起,同时考虑了人字齿轮的轴向窜动,通过一种改进的正规形求解方法,获得人字齿轮的承载传动误差。
(3)采用传动误差测量系统对一对试验齿轮副的传动误差进行了测量,并通过滤波技术将轴频和齿频传动误差进行分离。
(4)检测结果表明,修形后的承载传动误差明显减小,理论值与相应的检测值比较一致,检测值略大于理论值。
摘要：通过改变刀具切削刃的形状,以三段抛物线代替齿条的直线齿廓,推导出了刀具齿面方程;基于有限元柔度矩阵的非线性规划法,引入人字齿轮特有的约束条件,建立人字齿轮接触问题的数学规划模型,通过一种改进的正规形求解,从而获得人字齿轮的承载传动误差;利用光栅测量系统对修形前后试验齿轮副的传动误差进行了测量并与理论计算结果进行了对比验证。
关键词：修形,人字齿轮,承载接触,传动误差
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传动性能试验 篇7
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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