汽车驱动桥论文-驱动桥齿轮机械闭式试验台新型加载系统的研制

【关键词】驱动桥闭式试验台,加载器方案,测控系统,研制实施

【摘要】本文阐述了驱动桥齿轮机械闭式试验台对加载器功能的特殊要求，对现有加载器的诸多方案进行了对比、选择，最终研制出完全满足美国、日本驱动桥齿轮试验规范要求的新型加载器及其测控系统。

一.引言： 随着国内外汽车工业的飞速发展，我厂齿轮研究所产品试验室现有的驱动桥齿轮机械闭式试验台，已经不能满足主机厂驱动桥齿轮试验的规范要求。其别是北京吉普汽车有限公司生产引进美国、日本技术的吉普轿车驱动桥齿轮的试验规范对转速和扭矩的要求。为此我厂决定对现有驱动桥齿轮机械闭式试验台进行改造，改造后的试验台运行转速要达到20__ r/min.；加载扭矩要达到20__ nm。试验台为了达到这一技术指标，现有的液压加载器已不能满足试验规范的要求，于是研制一种新型加载器和测控系统便提到议事日程。二.加载器概述：在机械闭式试验台中，加载器是很重要的部件。这是因为封闭回路中的负荷要靠它造成，另外其性能还直接影响试验台的主要技术经济指标。因此多年来，人们对它所下的功夫很多。甚至很大程度上可以认为，数十年来机械闭式试验台的发展其实质就是加载器的发展。据统计，现今国内外经使用证实行之有效的加载器多达数十种。适用的加载器种类虽然多，但是按动力学原理可将加载器分为三大类：1.简式加载器；2.支反力式加载器；3.力矩式加载器。在每一大类里又有诸多结构形式的加载器，下面有代表性地列举一些，详见下表1：表1 加载器分类一览表种类分 类型别结 构 特 点备 注简式加载器非差动简式(联轴节式)ⅰa普通刚性联轴节见图－1ⅰb蜗杆传动付，壳和轮封闭，蜗杆施载见图－2ⅰc弹簧联轴节，螺钉施载ⅰd大导程方牙螺旋齿花键联轴节，液压轴向施载ⅰe扇型齿花键（或称叶片式摆动油缸）液压联轴节见图－3ⅰf带偏心重块的齿轮联轴节ⅰg滑轮绕绳式联轴节，砝码施载差动简式(离合器式)ⅱa普通盘状摩擦离合器ⅱb液力偶合器支反力式加载器支反力式ⅲa斜齿圆柱齿轮传动箱，一齿轮轴向施载ⅲb两套螺旋相反参数相同斜齿齿轮传动箱ⅲc带惰轮直齿圆柱齿轮箱，惰轮平移动施载ⅲd为单级链传动ⅲe为两套相同链传动ⅲf蜗轮传动箱，轮和杆封闭，蜗杆轴向施载ⅲg带有悬挂重砣杠杆的平衡减速器，重砣加载见图－4皮带传动ⅳ平皮带（三角皮带）传动力矩式加载器非差动ⅴa同轴式啮合传动x[h],w[b] 为封闭端,y[a]施载见图－13（a）ⅴb同轴式啮合传动 为va方案封闭端对调,y[a]施载见图－13（a）ⅴc同轴式啮合传动 x[a],y[b]为封闭端,w[h]施载见图－13（c）ⅴd同轴式啮合传动 x[a],y[b]为封闭端,w[h]施载见图－13（e）差动ⅵa同轴式啮合传动 y[a],x[h]为封闭端,w[b]施载见图－13（a）同步传动ⅶa同轴式啮合传动a[h1 a1 ],b[b2]为封闭端, c[a1]施载见图－5ⅶb同轴式啮合传动a[a1b2],b[v2]为封闭端, c[h1]施载 见图－6ⅶc同轴式啮合传动 a[a2],b[b1b2]为封闭端,c[h1]施载见图－7ⅶd同轴式啮合传动a[b1b2],b[h2]为封闭端,c[a1]施载见图－8衡量一种加载器的好坏，可按如下各项性能要求满足情况来评定：1.结构简单；2.结构紧凑；3.冷加工工艺性良好；4.装配工艺性好；5.对零件材质及热处理无过高要求；6.维护保养简便；7.能在试验台运转中改变封闭端力矩的大小；8.能在试验台运转中改变封闭端力矩的方向；9.改变封闭端力矩大小操作简便；10.改变封闭端力矩方向操作简便；11.在试验台长期运转中封闭端力矩值能稳定维持；12.施载运动行程角允许值无限；13.具有力素放大能力；14.运转中能耗极小；15.运转中震动与噪音很小；16.通用性良好，可以方便地串入任何封闭回路中；17.施载装置及其控制系统简单。其中1～6为结构性能，而7～16为使用性能。用这17项性能要求来衡量上表中所列26种加载器方案的优缺点，列表2如下：表2： 加载器方案性能对比一览表型号1234567891011121314151617ⅰa√√√√√√×××××√×√√√√ⅰb√√√√√√×××××√√√√√√ⅰc√√√√√√×××/××√√√√√ⅰd√√√√√√√√√√√×√√√√√ⅰe×√×√×√√√√√√××0√√0ⅰf√√√√√√0/0/√×√√√√√ⅰg√×√√√√√/√/√0×√×√√ⅱa√√√√××√√√√×√××××√ⅱb×√×√×√√√√√√√××√×√ⅲa√×00×0√√√√√×√0××√ⅲb××00×0√√√√√×√0√√√ⅲc×××××0√√√√√××0××√ⅲd√×00×0√×√×√×××××√ⅲe√×00×0√×√×√×××√√√ⅲf×××0××√√√√√×××××√ⅲg√×00×0√×√×√×××××√ⅳ√×00√0√0√00√××√×√ⅴa×000×0√√√√√√√√××√ⅴb×000×0√√√√√√√√××√ⅴc0000×0√√√√√√×0××√ⅴd000××0√√√√√√√0××√ⅵa×000×0√√√√0√×0××0ⅶa×√××√√√√√√√√√√√√×ⅶb×√×0√√√√√√√√√√√√×ⅶc×√××√√√√√√√√√√√√×ⅶd×√×0√√√0√0√√√√√√0种类如此繁多的加载器之所以能够共存，是由于它们各自有其特点与适用范围。现重点介绍几种常用的典型加载器，例如：1.扭杆式加载器是简式加载器的一种，其结构见图－1。在突缘处是一对普通刚性联轴节，通过扭杆使两个半联轴节相对扭转一个角度位移，然后将其锁紧，这样在系统内就施加了载荷。它的缺点是不能在运转过程在加载。由于结构简单，50年代～60年代初期，国内汽车变速器试验中应用较多。在德国慕尼黑工业大学尼曼教授所创建的齿轮试验室已把这种加载器所构成的试验台标准化，并用这种试验手段进行了30多年有价值的试验。 图－1 图－22.扭角调节器是也是简式加载器的结构之一，见图－2所示，其内部结构实际上是一套蜗轮传动付，其扭转角度不受限制，且可以自锁。缺点是只能靠人力在静止状态加载。

图－33.液压加载器是我厂研制，使用已有30多年的另一种简式加载器。其结构由液压箱、摆动油缸及控制器构成。见图－3所示，摆动油缸的扭矩由液压推动叶片产生，叶片数一般为2～4片，当叶片数为3时，转角为100°。扭矩范围为500～6000nm，其扭矩随液压变化的规律比较稳定，适用于程序控制，载荷可以精细调节，也可以反向加载，缺点是扭转角受限。它在简式加载器中应该是一种操作轻便、性能较好的加载装置。4.摇摆箱式加载器是属支反力式的一种加载器，在国内早期应用较广。其结构见图－4，带有悬挂重砣杠杆的平衡减速器，在重砣q作用下，驱使齿轮1和齿轮2按箭头所示方向转动，但是齿轮3、4阻止其转动，遂使齿轮互相咬紧。这样，封闭系统内就被施加上了载荷。这种加载方式结构简单，可以在运转过程中调整和测量施加的载荷。但是增大扭转角度，改变载荷方向困难；且在运转中发生明显的抖动，影响试验的准确性。

图45.如图－5所示是一种美国格里申公司在50年代研制的世界上最早出现的同轴力矩式加载器，它是由两套同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13(d)、(f)]]，施载装置为双向作用控制式微电机，传递扭矩方向可以任意改变。6.如图－6所示是前苏联60年代研制的另一种同轴力矩式加载器，它是由两套相同的同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (g)]，施载装置为双向作用控制式微电机。后由全苏建筑与道路研究所对 这种加载器作了系列化设计，极限封闭端力矩为250～10000nm;封闭端转速达1400～2500r/min;施载电机功率为0.093～0.6kw;两级传动比达13300：1。7.如图－7所示是某大学研制的目前国内通用性较好的一种同轴力矩式加载器。它也是由两套同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (g)、(f)]，施载装置为双向作用控制式微电机，封闭端极限扭矩为±25000nm;封闭端极限转速达6500r/min。8.如图－8所示的同轴力矩式加载器是国内为解决国产船用齿轮箱（内有液压式多盘摩擦离合器）的耐久试验而提出的，它也是由两套相同的同轴式啮合传动系统串联而成[见图－13 (a)]。所使用的施载装置为小型（或微型）水力测功机。

三.新加载器方案的选定：我厂驱动桥齿轮机械闭式试验台改造前的结构原理，见图－9所示，采用叶片式液压加载器方案，其缺点是即使叶片数选最少为2时，这时的扭转角也只能增加到127°。由于系统内有4根半轴，系统的刚性比较低，当时的解决方案就是增加一个扭角调节器。在每次试验开始前，先将扭角调节器调整出一个初始角度，然后再用液压加载器加载进行试验。该试验台使用的扭矩一般不大于1000nm,转速一般不高于750r/min。但是随着汽车工业的发展，主机厂试验规范要求的试验转速越来越高，加载扭矩也越来越大，于是我们将新加载器设计转速定为3500r/min;设计扭矩定为2500nm。由于扭角调节器不容易动平衡，上高速时会抖 转接箱 加载齿轮箱 扭角调节器 减速器 皮带传动 试验样品 转矩转速传感器 液压加载器 转接箱 电机 图－9动，我们首先想到的是取消扭角调节器，这样要使液压加载器增大扭角，就要将叶片式液压加载器方案改变为螺旋式液压加载器的方案。其结构见图－10所示，由液压推动活塞往复移动，活塞不转动，在活塞心部的大导程螺母就迫使螺杆转动，活塞移动一个导程，螺杆就转动360°，这样在系统内就施加了载荷。但是螺旋式液压加载器设计、制做，不是我厂的技术优势。于是我们委托某大学液压教研室设计、研制这种加载器。这种加载器的工艺难点：一是配磨螺旋副；二是主轴心部的深孔加工（配压阀对活塞a面供油时，液压油从主轴心部走，供油孔深度较大）。最终因此深孔无法加工，不得不改变配压阀原设计方案：将原配压阀仅在b方向供油，改为两个配压阀在a、b两个方向供油，这样在a方向的配压阀密封圈内径就由原来φ60mm增大到φ170mm。由于液压加载器供油用的配压阀，不能随主轴旋转，这样配压阀高压密封圈由于工作线速度的限制，试验台主轴转速要达到1500r/min以上就比较困难，于是试制工作中止。但是我们认为如上图所示的原设计方案仍然不失为一个好方案。在广泛调研中，我们又发现某大学与某厂共同研制的滚珠螺旋加载器，其结构原理见图－11，实际上是表1中ⅰd型方案的改进。图中螺旋轮3、4旋向相反，外装滚珠套筒5，当电机经蜗杆减速器驱动加载螺旋8，由横键7和拉杆6使套筒5产生轴向移动，驱使螺旋轮3、4向相反方向转动，于是在系统内产生载荷。这种加载器转速能达到3000r/min，只要螺杆足够长，就能使扭转角满足使用，能动态加载，载荷精度高，但因价格高未谈成。

图－11最后，我们决定自己研制一种比其价位偏低，但是性能更好的加载器。通过多种方案对比选择，我们将新加载器的设计方案锁定在同轴力矩式加载器的方案上。为了通用性好，加载器方案的工作型式定为水平支架式，两端由法兰盘输出扭矩，其结构原理见图－12所示，加载器本身实际上是一个能高速运转的旋转体，其内部结构主要由三部分组成：电动机、制动器和减速器。这样就要求电动机和制动器体积尽量小，其中电动机要求三相交流380供电。

图－12以便容易实现计算机自动控制，按载荷谱加载；制动器要求工作在失电制动状态，以便能在不耗能状态下保持载荷精度，于是我们选择了yej系列带盘式制动器的微电机。不难看出减速器设计是加载器的核心技术，在我们研究了诸多同轴力矩式加载器的方案后，认为应该吸取它们的优点，克服它们的缺点。其设计原则是：1.减速器结构要紧凑，回转半径要小，轴向要短，重量要轻；2.结构要尽量简化、优化，要轴对称，以便容易动平衡、上高速；3.力素放大能力要尽量大，以便实现使用微电机输出大扭矩。根据设计原则，减速器经过设计计算，减速比要大于10000才能满足加载速度和扭矩放大的要求。这样大的减速比，其内部啮合传动系统宜选为两级串联。据有关资料介绍，常用的同轴啮合传动结构基本型式有如下十种，见图－13所示，其中（a）～（f）及（i）、（j）为2k-h型行星和谐波传动；（g）为k-h-v型行星或摆线传动；(h)为3k型行星传动（注：k为齿轮，h为行星架，v为转轴）。一般的同轴力矩式加载器采用的内部啮合传动结构无非是这些基本型式的一种或者两种的串联组合，或改进而成。我厂新加载器方案的减速器内部结构采用的啮合传动型式也不例外，只不过是进行了精心的优化设计，满足了设计原则的要求。

图－13四.新加载器的测控系统：在新加载器机械图纸设计完成后，又进行了测控系统的方案设计，其功能要求是:1.通过工控机按试验规程自动控制过程，能实施自动等幅加载，随机加载或按载荷谱加载，使试验条件能逐步逼近和模拟产品使用的实际工况进行试验，提高试验水平。2.在试验调试和试验过程中能观察到载荷曲线、峰值、加载时间和扭矩角度位移，便于监控。 自动测控系统实现原理为：　 （1）微电机―――控制卡等―――软件(控制部分)：通过工控软件实施模拟或数字量控制，起动加载器实现同步加载和自动加载，自动补偿功能、等幅及载荷谱加载等。　 （2）测速传感器―――数据采集卡等―――软件(测量部分)：1.扭角显示―测速传感器测量出微电机转速，软件记录加载时间，再根据减速器的减速比，转换成扭角值。2.载荷显示－转矩转速传感器获得信号由计算机显示转矩值。五.新加载器的研制实施：目前新加载器已经研制成功，命名为bc*j-25/35型电动式机械加载器。经过试验验证额定扭矩为±2500牛米，额定转速为3500转/每分钟，在短时间内扭矩、转速允许超过额定值的一倍半；工作时正常耗电量不会超过一千瓦，达到了原设计要求。已经安装在驱动桥齿轮机械闭式试验台进行使用。其与国内同类产品相比，技术更先进，结构更合理，性能更优良，运行更可靠，具有更高的性能价格比。本研制成果属一项技术创新工程，其具有独特的经过优化设计的内部啮合传动系统——比同类产品结构简单而紧凑、轴对称性好、体积小、质量轻，实现转速更高。已经申请获取了一项“实用新型专利”。该加载器产品外观,见图片一所示；其测控系统计算机界面，见图片二所示：

图片一

图片二这种加载器与以前广泛使用的叶片式液压加载器相比，有明显的优点。其主要特点是：1.承载扭矩大，可增至上万牛米；2.运转转速高，可高达7500转/每分钟；3.无加载行程角的限制；4.可双向、无级、平稳地运行和实现计算机控制；5.驱动功率极小且保持载荷时无需供电，能耗极低；6. 不会松载，加载扭矩稳定可靠；7. 省去了庞大且可靠性差的液压驱动系统，节省了资金和占地空间； 8.不存在泄漏问题，有利于环保。六.结束语：加载器是机械封闭式试验台架上输出扭矩载荷的重要部件之一，在工矿企业、研究所和工科院校的实验室内使用十分广泛。电动式机械加载器的推广使用，其意义和优点，不仅仅是作为“加载器”这一部件去替代原有的各种加载器，而是能使原来已经广泛采用的“机械封闭式”试验方法；产生了质的变化；特别能使经过整套系统设计后的试验台，具有更广阔的功能和优良的性能，以及良好地与测试仪表和计算机界面的配套性，可具有系统性、组合性和模块化。这种加载系统可与各种零部件的试验台架配套，诸如各种各样 的减速器、增速器、联轴器、传动轴和离合器，及汽车、船用、装载、拖曳机械中的驱动桥、分动器、变速器、轮边制动器和传动链很长的汽车整体底盘综合试验台、以及各种组合模块化试验台等等。目前本厂具备的设计、制造工艺能力，可以生产该加载器系列产品，其规格：输出扭矩从100至10000 牛米；运转转速从100至7500 转/每分钟。具备多种型号和装配方式，其联接方式有悬挂式、凸缘式和支架式；转矩输出方式有一端和两端，可根据加载器在封闭功率流中位置和具体使用场合，供各种各样布置方式的试验台架配套选择。本加载器产品供货时一般为手动控制加、减载荷；但是，根据顾客的要求，可以增加计算机自动控制、等幅加载或载荷谱加载以及扭转角度显示等功能，以供顾客选择订购。 参考文献：1．汽车设计丛书 变速器 郑维山、张思浦 人民交通出版社～1990.8.2．机械传动封闭试验台 易立成 四川省机械工程学会传动专业委员会 ～1983.63．汽车拖拉机试验学 邬惠乐、邱毓强 机械工业出版社～19834．汽车变速器耐久性试验台 阙定胜 全国汽车齿轮行业情报网～汽车齿轮～1997.35．变速器及驱动桥万能试验台 蒋正平 北齿～齿轮技术情报～1987.16．机械设计基础 南京工学院、同济大学等 人民教育出版社～1979.5.7．虚拟仪器手册 美国ni公司 ～20__8．机械工程测试技术　大连交通大学～1999