硕士学位论文-汽车驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命研究.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 汽车驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命研究 姓名：朱财龙 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：李旗号 20100401 汽车驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命研究 摘要 对汽车驱动桥主减速器齿轮断裂情况进行分析，发现了这些断裂大部分与 齿轮结构的疲劳破坏有关。因此，开展对驱动桥主减速器锥齿轮结构进行疲劳 强度分析及其寿命预估，不但可以对现行驱动桥主减速器进行剩余寿命评估， 而且能够有效地指导更好的主减速器的开发，具有重要的理论意义和实用价值。 论文首先对现有的驱动桥主减速器齿轮疲劳试验台的研究现状进行了分析 比较，采用交流变频回馈加载方式，研制出了一种新型的疲劳寿命试验台，并 且制订该试验台的试验规范，接着对某型号的主减速器进行疲劳试验得出试验 结果。本文简要地介绍了疲劳的理论知识和分析方法，并结合主减速器锥齿轮 啮合的自身特点进行归纳，提出了对主减速器锥齿轮进行疲劳寿命计算的具体 方法，并且通过名义应力法理论来计算锥齿轮疲劳寿命值。以某型号主减速器 锥齿轮为例，先采用p r o e n g i n e e r 软件建立主减速器锥齿轮的三维实体模型， 并进行啮合装配。应用m s c p a t r a n 软件建立与试验工况相对应的锥齿轮啮合有 限元分析模型。采用m s c m a r c 求解器对其进行分析计算，在此基础上，采用 m s c f a tig u e 软件对其疲劳寿命进行了预估。将仿真的结果、数值估算出来寿 命结果及实验结果进行比较，得出三者的结果基本吻合，验证了理论分析及有 限元仿真分析的正确性，为进一步开展实际工况下主减速器齿轮疲劳寿命预估 提供了理论依据。最后，对本实验中所涉及到得锥齿轮的失效情况进行分析， 得出锥齿轮失效的原因，并针对该失效的原因采取了措施来预防齿轮过早的失 效。 关键词：主减速器；锥齿轮；试验台；疲劳；有限元；寿命预估 r e s e a r c ho nt h ef a t i g u el i f eo fa u t o m o t i v e d r i v ea x e lf i n a ld r i v eg e a r a b s t r a c t t h r o u g ha n a l y z i n gf r a c t u r e so ft h ea u t o m o t i v ed r i v ea x l ef i n a ld r i v eg e a r c a r r i a g e ，m o s to ft h o s ef r a c t u r e sa r er e l a t e dt of a t i g u ef a i l u r eo ft h eg e a rc a r r i a g e s y s t e m t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i so ff a t i g u er e s i s t a n c eo ft h ed r i v ea x l ef i n a ld r i v e g e a rc a r r i a g ea n dt h el i f ee v a l u a t et h er e s tl i f eo ft h ed r i v ea x l ef i n a ld r i v ec a r r i a g e w h i c ha r ei m p o r t a n tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n tr e s e a r c ho nt e s tr i gf o rt h ea u t o m o t i v ed r i v ea x l e f i n a ld r i v eg e a rc a r r i a g es y s t e m ，an e wf a t i g u et e s tr i gi sp r o p o s e di nt h ef o r mo fa a l t e r n a t i n gc u r r e n tf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc l o s e dl o a d i n gp r o je c t a n dt h et e s t s p e c i f i c a t i o nc o u l db ee s t a b l i s h e d a n dt h e nt h ef a t i g u el i v e so fac o n c r e t ef i n a l d r i v eh a v eb e e no b t a i n e db yu s i n gt h i sf a t i g u et e s tr i g t h ep a p e rb r i e f l yd e s c r i b e s t h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n dt h ef a t i g u ea n a l y s i sm e t h o d s ，c o m b i n e dw i t ht h e i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm e s h i n gb e v e lg e a r s ，p r e s e n t e dt h es p e c i f i cm e t h o do f c a l c u l a t i o no ff a t i g u el i f e a n dt h et h e o r e t i c a lv a l u eo fb e v e lg e a rf a t i g u el i f e i s c a l c u l a t e db yt h en o m i n a ls t r e s sm e t h o d s p e c i f i c a l l y ，3 一ds o l i dm o d e l i n go fa c o n c r e t eb e v e lg e a ri se s t a b l i s h e da n dt h e ni t sv i r t u a la s s e m b l yi sf u l n l l e d u s i n g p r o e n g i n e e rs o f t w a r e m o r e o v e r , i t sf em o d e l i n gf o ra n a l y s i si sb u i l ti n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sb ym s c p a t r a ns o f t w a r e e v e n t u a l l y ，f a t i g u e r e s i s t a n c eo ft h eb e v e lg e a ri sc a l c u l a t e db yt h er e s o l v e ro fm s c m a r c ，b a s e do n w h i c hi t s f a t i g u e l i f ei sf o r e c a s t e db ym s c f a t i g u es o f t w a r e c o m p a r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t i to b t a i n st h a tt h et w or e s u l t sa r e b a s i c a l l yt h es a m e ，i no r d e rt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i tp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ea n a l y s i so f f a t i g u el i f ea n di t s l i f ee v a l u a t i o ni np r a c t i c a lw o r kc o n d i t i o n s b ya n a l y z i n gt h e f a i l u r eo fb e v e lg e a r si n v o l v e de x p e r i m e n t ，i tc o n c l u d e sb e v e lg e a rf a i l u r e t h e r e a s o nf o rt h a tf a i l u r eh a st a k e nm e a s u r e st op r e v e n tp r e m a t u r ef a i l u r eo fg e a r s k e y w o r d s ：f i n a ld r i v e ；b e v e lg e a r ；t e s t i n gr i g ；f a t i g u e ：f i n i t ee l e m e n t ；l i f e e v a l u a t io n 插图清单 图2 一l 螺旋锥齿轮传动示意图6 图2 - 2 双曲面齿轮传动示意图6 图2 - 3 驱动桥受力分析简图一7 图2 - 4 试验台结构示意图。8 图2 - 5 试验台驱动系统结构示意图1 0 图2 - 6 试验台加载系统结构示意图一l l 图2 - 7 所示为试验台夹具结构示意图1 2 图2 8 转矩传感器测量原理图1 3 图2 - 9转矩传感器转矩值与输出频率对应曲线图13 图2 1 0 为数据采集与控制系统硬件框图1 4 图3 1 两阶段疲劳寿命模型1 8 图3 2 二阶段疲劳破坏模型1 9 图3 3 多阶段疲劳寿命模型19 图3 4 局部应力应变寿命估算法的基本思路2 0 图3 5 理想化材料s 一曲线示意图2 4 图3 图3 图3 图4 图4 2 主动齿轮几何模型3 1 图4 3 从动齿轮几何模型3l 图4 4 螺旋锥齿轮啮合模型一3 1 图4 5 网格划分设置参数3 2 图4 - 6 大齿轮的雅克比比率分布图3 3 图4 7 小齿轮的雅克比比率分布图一3 3 图4 8 大齿轮的三齿有限元模型3 3 图4 - 9 螺旋锥齿轮三齿接触有限元模型3 4 图4 1 0 接触相关的参数设置3 5 图4 1 1 加载后的三齿轮接触模型3 6 图4 12 大轮齿齿根最大弯曲应力分布云图3 7 图4 13 小轮齿齿根最大弯曲应力分布云图3 7 图4 1 4m s c f a t i g u e 疲劳分析的基本流程图3 8 图4 15 模型导入设置3 9 图4 1 62 0 c r 2 n i 4 a 材料s 曲线图4 0 4 6 6 9 2 2 2 2 图 意 图 1 不 简图线 析意曲 分示 力线孓 受曲件图的零序齿孓的程轮的后元轮件正限齿零修有 图4 1 7 对称循环载荷谱图一4 0 图4 1 8 求解参数设置4 l 图5 1 失效齿轮实物照片- 4 5 表格清单 表2 1驱动电机的基本参数1 0 表2 2负载电机的基本参数l l 表2 3 疲劳寿命试验结果1 7 表3 1 2 d c ，2 m 鲋钢静强度特性一2 2 表3 2p 一孓曲线的接触疲劳参数2 3 表4 1 各种方法计算的寿命值与实验数据的对比表4 1 表5 1 锥齿轮化学成分分析( 质量分数，) 4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金e 巴工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：咎耐蔻签字日期：加口年争月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月曼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金理至些叁 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 轻专 签字日坦q 加年年月吵日- 一 电话： 邮编： 勉 妇时舭，辱叫 年 签 撕 糙 踟 文 期 八k 了 、p r e 位 字 学 签 致谢 在论文完成之际，我谨向所有关心、帮助、鼓励和支持过我的老师、同学、 亲戚和朋友表示衷心的感谢。 首先我要衷心感谢我的导师李旗号教授，在两年多的研究生学习期间，给 予了我悉心指导和关心。李老师严谨的处世态度、果断的工作风格、敏锐的洞 察能力在两年多的学习生活中使我受益匪浅，从中获取的感悟并将会一直伴随 着我以后的工作和生活。关于论文方面，从开始收集与本论文相关资料，一直 到论文的完成，我每一次取得的进步都蕴藏着李老师的许多汗水，以及给予了 我无私的指导和帮助。在此，我向我的导师李旗号教授表示最由衷的敬意和深 深地谢意。 特别向谢峰教授致以最诚挚的谢意。感谢谢老师无私地给予我在学习上的 指导和在生活上的许多帮助和鼓励，以及在对我论文的选题方向和论文的编写 等方面也提出了很多中肯的建议，使我理清了思路、开阔了视野，使我避免少 走了弯路。再次向谢老师表示深深的谢意。 衷心感谢同学及好友胡修稳、叶鹏、苏晓峰、瞿文平、张婷、刘国林、李 洪山、宋旭，感谢师兄弟姐妹杨丽英、纪王芳、庆振华、赵锦、王文辉，感谢 我的室友缪玉桂、张斌、汪雪岭，在这两年多的学习生活中，给予我的支持和 鼓励。 还要感谢我的父母、姐姐及亲戚朋友，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤 付出给予了我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业，在此，对他们的 奉献表示真诚的谢意。 最后，再次由衷感谢所有认识和知道我的人，是你们造就了今天的我，是 你们给予了我宝贵的人生财富。感谢你们! 作者：朱财龙 2 0 l0 年0 4 月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 当前，汽车作为必不可少的交通运输工具，在国民经济和人们日常生活中 发挥着极其重要的作用。汽车工业是深加工综合产业，产业关联度大，技术密 集度高，是发展国民经济的强大推动力。汽车工业代表了一个国家工业发展的 最高发展水平，是集中了科技领域里新材料，新工艺、新技术、新设备，具有 规模经济效益和高附加值的技术密集型产业。随着我国汽车工业的迅猛发展， 汽车零部件的自行开发研究工作也随之广泛的展开。 汽车在公路上高速运行，汽车的零部件承受着静载荷和动载荷作用，这些 作用直接影响着汽车的使用寿命和汽车运行的可靠性。虽然各大汽车公司对其 生产的汽车的各个零部件在实际路面行驶中受到的载荷进行了深入的研究，取 得了很好的效果，但事故仍然层出不穷。因此汽车各零部件的强度和刚度以及 疲劳可靠性仍然是各大汽车生产厂商必须要考虑的非常重要的问题1 。 其中主减速器是汽车的主要零部件之一，它是将变速器输出的动力进一步 降低转速，增大转矩，并且改变旋转方向，然后传递给驱动轮，以获得足够的 汽车牵引力和适当的车速。在汽车行驶过程中，作用在车轮上的力主要包括牵 引力、制动力及横向力，而这些力是通过半轴传递到主减速器齿轮上，同时主 减速器锥齿轮还受到发动机传出来的动力，从而汽车主减速器齿轮承受着交变 载荷的作用，在这种交变载荷下，就会导致齿轮发生裂纹萌生和扩展，进而导 致齿轮发生断裂失效。因此，本文以某型号的驱动桥主减速器为研究对象，在 技术改进和研究开发中，了解主减速器齿轮疲劳寿命，有着极其重要的实际意 义。 1 2 主减速器总成疲劳试验台发展现状 主减速器总成对于汽车而言是至关重要的，其中对行驶功能有着极其重要 的影响。通过国家行业标准规定可知：新设计或有重大改进的主减速器定型生 产，或进行产品质量考核时，应对主减速器总成进行性能试验眩1 。主减速器总 成试验台是一种台架模拟试验，主要通过加载不同方式来模拟主减速器在实际 路况上行驶的具体工状态，进而对主减速器总成的特性进行全面测试，为主减 速器总成的研究和开发提供了强有力的手段。 主减速器总成疲劳强度试验在不同的加载情况下，对于检测的主减速器总 成性能有着不同程度的影响。一般的加载方式包括机械加载、液压加载、电力 加载。最初的试验台主要通过机械加载方式来检测主减速器性能的，但是机械 加载存在着许多缺点：试验台整体结构比较复杂；零件在加载过程中受力而发 生磨损，最终导致整个试验台产生振动和噪音。随着科研技术的发展，采用液 压加载方式来驱动试验台，由于在试验过程中载荷呈脉动性的，并且容易出现 液压缸油路系统泄漏的现象，造成试验得出的结果不准确。现在国内外主减速 器总成疲劳强度试验台主要采用了电力加载方式，其主要优点：加载精度高； 运行平稳：试验台本身具有电能回馈的作用，以节约了成本；并且克服了以上 两种加载方式的不足之处。 目前，从结构形式上来看，主减速器总成疲劳强度试验台可以分为开放式 和封闭式两种1 3 1 0 但对于本文所要研究的驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命试验台 是通过电动机作为动力源进而产生转矩，再通过传动装置将其传递到加载装置， 以达到模拟主减速器正常的工作状态。这种试验台具有以下优点：结构简单， 转换环节少；可以将部分的电能进行回馈进行再度利用，以达到节能的作用； 通过增加支承等一些机械方面的措施，以消除振动而引起的测量及控制误差。 对于汽车检测和模拟试验台研究，经历了相对较长的历史发展过程。早期 的驱动桥主减速器试验台是开放式的，整个试验台的制造成本及要求技术含量 都比较低，但是它需要大量的电能以供试验设备的正常运行，这样违背了节能 的原则，以至于被封闭式逐渐取代。封闭式试验台开发的早期是采用的是机械 式封闭的，这种封闭式的装置结构非常复杂，给设备维修和操作带来了很多不 便，以至于得出来的试验结果的精度不高，不能精确的模拟实际工况；随着科 技的发展，目前大部分试验台采用的是电封闭式，其能量消耗要比开放式的节 约6 0 7 5 。 国内在消化、吸收国外经验的基础上，自行开发适应我国国情的低成本高 性能的主减速器试验台一一交流变频电封闭式试验台。它主要是采用了电机作 为驱动源，从而带动负载装置，并且同时也带动了负载两边的电机使其系统中 的能量反馈到驱动电机中，被再度利用，从而实现了节能的目的1 4 1 0 现已在国 内很多主减速器生产企业以及整车试验研究中心得以推广，从而产生了良好的 经济效益和社会效益。 1 3 国内外研究主减速器齿轮疲劳寿命现状 1 3 1 疲劳寿命估算方法“ 1 对于机械结构来说，疲劳失效的过程可以分为裂纹形成与裂纹扩展两个阶 段。现行的分析方法大致有两种试验法和试验分析法i t 6 1 具体如下： 第- - j f 中就是完全依赖于试验，是传统的方法。它直接通过与实际情况相同 或相似的试验来获取所需的疲劳数据。这种方法虽然可靠，但是在设计阶段， 或者构件太复杂、昂贵，以及在实际情况的类别( 如几何形状、结构尺度、加 载方式、环境条件、工艺状况等) 数量太庞大的情况下，无论从人力、物力， 还是从工作周期上来说，都是不大可行的。 第二种就是试验分析法，它是依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载 2 荷历程，按分析模型来确定结构的疲劳寿命。其中结构疲劳寿命分析方法主要 有名义应力法、局部应力应变法、损伤容限设计法( 断裂力学的裂纹扩展法) 等。名义应力法通常是以名义应力为基本设计参数，以扣曲线为主要设计 依据的抗疲劳设计方法。它通过考虑实际零件与试样的差别，如应力集中，平 均应力，表面光洁度，表面处理以及尺寸效应等，修正通过试件测出的材料s 曲线得出零件的孓曲线，最后结合疲劳线性累积损伤理论，估算疲劳寿命。 局部应力应变法是在低周疲劳的基础上发展的一种疲劳寿命估算方法，其基本 的设计参数为应力集中处的局部应力和应变。在疲劳裂纹形成寿命估算时，需 从应变控制的标准光滑小试样疲劳试验中得到材料的循环应力一应变曲线，从 弹性应力应变估计弹塑性局部应力应变，需要用诸如雨流法统计应变循环次数， 也需要用m i n e r 等损伤累积法则处理变幅载荷谱。平均应力，表面光洁度以及 表面处理的影响在模型中也可以加以考虑。损伤容限设计法是在断裂力学基础 上发展起来的一种抗疲劳设计方法，其主要是以承认材料内有初始缺陷为依据， 并把这种初始缺陷看作为裂纹，依据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算 其剩余寿命值。 1 3 2 主减速器齿轮疲劳寿命现状 主减速器的性能好坏将直接影响汽车的整体性能。由于汽车实际行驶的工 况比较复杂，导致了汽车主减速器的受力也变得复杂，进而就成为了汽车中比 较容易发生破坏的零部件之一。目前，国内外通过以下几个方面对主减速器性 能好坏进行了大量的研究： ( 1 ) 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 属于力学分析中的数值法，主要 是将连续体理想化介质( 或构件) 看成为有限个单元集合而成，这些单元通过 用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体将其有限个节点上 相连接起来，从而实现应力的传递。在此基础上，通过虚位移原理来求得每个 单元的平衡方程，最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可以建立整个 物体的平衡方程组。求解此方程组即可求得节点位移，并计算出各单元应力。 近三十年来，由于计算机的应用以及测试手段的不断改进和完善，机械设 计已由静态、线性分析向动态非线性过渡了；由经验类比设计向最优化设计过 渡；由人工计算向自动化计算、由近似计算向精度计算过渡，以适应产品向高 效、高速、低成本等现代化要求发展的需要。目前，国内有许多的专家学者和 公司人员对主减速器产品进行大量的研究，来提高了产品性能和保证产品质量 目的，同时也使计算机模拟效果越来越真实可靠，并且使得有限元技术越来越 成熟。 ( 2 ) 疲劳寿命仿真 目前，有限元疲劳寿命仿真技术成为了主减速器设计开发中一种重要的分 析工具，它是根据对主减速器齿轮进行有限元分析得到应力结果，然后根据这 个分析结果对其进行疲劳寿命估算。这种方法与传统设计方法相比，具有以下 优点：对其主减速器齿轮进行有限元分析可以判断其疲劳寿命薄弱部位，进而 可以通过修改齿轮的结构或几何形状，以达到合理的疲劳寿命分布；其降低了 主减速器研究的成本，以提高市场的竞争力。 对主减速器进行有限元疲劳分析主要过程如下：首先通过有限元分析软件 对模型进行网格划分，建立其有限元模型；接着通过前处理各种条件的设置， 从而获得主减速器齿轮的有限元分析结果；最后通过对其主减速器齿轮工作的 载荷谱、齿轮的几何形状和齿轮材料的疲劳属性进行定义7 1 ，再选择适当的疲 劳机理，接着进行提交求解得出结果，也可以根据需要对其结果进行整理评估 和优化。 1 4 课题的提出及其主要研究内容 1 4 ，1 课题的提出 本课题来源于合肥工业大学汽车装备技术研究所与合肥车桥有限公司合作 研发的项目。主要针对公司某型号的主减速器齿轮疲劳试验，提出了疲劳试验 仿真分析的方法。即针对该试验进行虚拟疲劳仿真分析计算，在对该主减速器 齿轮疲劳试验寿命进行预测，为该主减速器是否合格提供判断依据。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题以某型号主减速器锥齿轮为研究对象，针对驱动桥主减速器齿轮疲 劳寿命台架试验，并以一种与试验机工况相对应的疲劳寿命分析方法，为实现 在试验室内对主减速器齿轮进行模拟试验提供理论依据。论文的主要工作如下： 1 、对汽车主减速器锥齿轮进行了概述，然后对其锥齿轮传动的性能要求进 行初步阐述的基础上，提出了一种驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命试验台总体设 计方案；初步拟定了试验台的试验规范。 2 、了解疲劳及疲劳寿命的定义，简要地阐述了现有的疲劳寿命估算方法。 通过对疲劳相关基础理论和主减速器锥齿轮啮合的自身特点进行归纳分析，选 用了一种合适的分析方法作为锥齿轮的疲劳寿命计算的具体方法，最后通过该 方法估算出锥齿轮接触疲劳寿命值。 3 、以某一型号主减速器总成锥齿轮为例，应用m s c p a t r a n 软件建立了锥 齿轮接触的有限元分析模型，然后采用了m s c m a r c 求解器对该锥齿轮接触对 进行静力分析。在此基础上，采用了m s c f a t i g u e 对其进行疲劳寿命估算。 4 、介绍了锥齿轮常见的宏观几种形式，并简单介绍了解决失效的一般处理 过程，然后通过该失效处理过程对本实验中所涉及到得锥齿轮的失效情况进行 4 分析，分析锥齿轮失效的原因，最后针对该失效的原因采取了措施来预防齿轮 过早的失效。 第二章驱动桥总成疲劳试验台的设计及实现 本章对汽车主减速器锥齿轮进行概述，然后对其锥齿轮传动的性能要求进 行初步阐述的基础上，提出了一种驱动桥主减速器齿轮疲劳寿命试验台总体设 计方案，并初步拟定试验台的试验规范。 2 1 汽车主减速器锥齿轮的概述 齿轮是主减速器中关键部件。在现代汽车的驱动桥上，应用最广泛的主减 速齿轮型式是“格里森”( g l e a s o n ) 制或“奥利康”( o e r l i k o n ) 制螺旋锥齿轮 和双曲面齿轮1 。螺旋锥齿轮传动如图2 1 所示，其主减速器大、小齿轮轴线 相交于一点，且交角呈9 0 。布置。由于轮齿端面重叠的影响，至少需要两对或 两对以上的轮齿同时啮合，因此螺旋锥齿轮可以承受较大的载荷。在齿轮啮合 时，由于齿的全长不是同时啮合，其轮齿的接触是由一端到另一端逐渐开始而 且连续平稳的进行，且轮齿作用的附加重合度，使螺旋锥齿轮比其他齿轮更加 平稳地传递运动。在高速运转时可以特别明显地减少噪声和振动。 沁一 矿_ 图2 1 螺旋锥齿轮传动示意图 双曲面齿轮传动如图2 2 所示，它的特点是主、从动齿轮的轴线在空间上 交叉但不相交，且主、从动齿轮轴线夹角呈9 0 。其中主动齿轮轴线可高于或 低于从动齿轮轴线偏置，如果有足够的轴线偏置距，则两轴就可以相互贯通。 因此，主、从动齿轮的安装都可以采用坚固的跨式安装，这样可以保证两个齿 轮相互啮合正确，对于提高齿轮寿命有很大的作用。 图2 - 2 双曲面齿轮传动示意图 6 2 2 汽车主减速器锥齿轮传动的性能要求 2 2 1 锥齿轮传动原理 l 、锥齿轮传动原理1 当汽车正常行驶在水平路面的时候，发动机产生的转矩由传动轴传递给驱 动桥，如图2 3 所示，作用在驱动桥主减速器主、从动齿轮上的圆周力，经过 主、从动齿轮的轴承传给壳体，产生反作用力矩。n 通过主动齿轮轴承将力传 递给驱动桥壳，实际上也就是作用于，点处；尸口通过从动齿轮轴承将力传递 给驱动桥壳，实际上是作用于2 点处。j 和2 两点力偶形成了反作用力矩 m f 作用于驱动桥，可以使驱动桥绕着横向轴线x x 翻转。 埤2 乞 ( 2 1 ) 显然，m r 与从动齿轮轴或驱动桥输出轴上的转矩( 左右两半轴转矩之总和) 的大小相等而方向相反，即驱动桥所受到的使其绕横向轴线x 。x 翻转的反作用 力矩m e 为 m ，= 一l 之i o ( 2 2 ) 式中：疋一一发动机转矩； f g 一一变速器传动比； i o 一一主减速比。 图2 3 驱动桥受力分析简图 巳主动齿轮a 所受到的圆周反力尸扩主动齿轮么作用于从动齿轮召上的圆周力 2 2 2 锥齿轮传动性能要求 对于锥齿轮而言，其传动的性能要求主要包括：轮齿之间的啮合位置要求； 轮齿传动的平稳性要求。 ( 1 )啮合位置的要求 主减速器锥齿轮的啮合位置准确与否的判定是借助于红丹粉颜料，首先将 红丹粉涂抹在主动锥齿轮上，然后将主、从动锥齿轮进行啮合，这样从动齿轮 7 的工作曲而r 就会h 现红色印迹，接着对其进行观察。如果主、从动齿轮是证 确啮合的，那么从动齿轮的工作齿面上的印迹均位于齿高的中问偏于小端，h l 撕面宽度的6 0 以r 。如果它们的啮合不正确，可以通过调节土减速器壳与 轴承座之问的侧整挚片以达到_ i _ f 常啮台状态“ ，。 ( 2 ) 轮齿传动的平稳性要求1 主减速器锥齿轮传动的平稳性要求指的是锥齿轮旋转一圈范围内，每瞬 时传动工作的平稳程度，即是锥齿轮瞬时传动比的变化幅度。具体体现在振动 和噪音方l 酊。而产牛这砦现象的原因是由于齿轮在旋转过程中m 现了齿形误差、 装配误差以及齿面缺陷。为了改善这些误差缺陷| 三c 提高齿轮的工作平稳性，主 要采取埘齿轮的齿顶及掩根进行修缘的措施，以改善卤面接触，避免齿轮啮台 时齿顶与齿根相吐r 涉，而出现不必要的振动和噪音。特别是在主减速器锥齿 轮咕合过程巾齿面之州既确冲击也有摩擦，从而形成了齿轮的啮合频率，产生 的振动属于齿轮正常工作的振动。与前面的误差引起的主减速器本身的同有频 率可能发生共振现象，导致很严重的后果。 2 3 驱动桥总成疲劳寿命试验台的研制 23l 驱动桥总成疲劳寿命试验台的总体结构设计 奉文所研制的驱动桥疲劳寿命试验台布置形式采用的t 型布置，是汽牛驱 动桥总成试验中最常见的布置方式。如图2 - 4 所示，该试验台用于检测主减速 器总成装配下线的综合运转性能。其主要完成以下试验项目：土减速器磨合试 验；丰减速器空载阻力矩试验；主减速器加载试验：主减速器差速器性能试验： 主减速器运行噪音试验。本试验台还有一个最大特点：采用的变流变频电封闭 试验方案，即加载r b 机可逆使用，当作为发电机使用时，回馈的电能不送入电 网，直接通过盘频器的公共直流母线返还给驱动电机使用，以达到节能的目 的。 睦塑黟芦雩帮盟塑j 圈2 - 4 试验台结构示意图 l 驱动电机2 输入基础平板3 - 离合器4 - 变速器5 - 联轴器6 - 商建立承 7 - 传动轴8 十字万向联轴器9 - 贯通式支座1 0 扭矩传感器t l 一加载电机1 2 - 传动齿轮箱 i3 - 防护罩1 4 - 花键轴1 5 - 夹具系统1 6 - 输出基础平板 热m 需 1 、试验台的总体布局 该驱动桥总成试验台架是由机座与夹具系统、液压控制系统、主传动系统、 两端加载系统、噪声测量系统、油温控制系统、定量注油系统、计算机控制及 数据处理系统、电气控制及能量回馈系统、安全防护系统及安装基础系统等部 分组成。 试验台的机座部分为铸造结构，呈t 字型，用来安放驱动系统，左、右半 轴加载系统和央具系统。机座部分采用了整体加工，这样可以保证左、右半轴 加载系统在同一中心位置，还可以加强整个试验台的刚性并降低了试验台系统 在进行试验时的振动噪音，从而提高了试验台的测试稳定性。 试验台的驱动系统和左、右半轴加载系统均采用交流无级调速电机拖动， 电封闭加载，加载系统发出的电能通过直流母线回馈到驱动系统。试验台利用 央具系统将已经装入主减速器总成的驱动桥固定在试验台架上，并通过央具系 统将其夹紧定位。试验台的润滑冷却系统是为了防止在实验过程中试验设备和 驱动桥过热，而引起试验台发生故障或得出的试验结果不准确。噪音检测系统 用来检测主减速器在试验过程中的噪音状况，监测被测对象的运行状态，从而 判断是否有异u 向及故障。 试验台配置了独立的计算机控制、检测和数据处理系统；试验台试验控制 程序具有基本技术参数和工艺参数设定、修改功能，以及参数修改权限确认功 能：试验台操作具有单步调试和程序控制自动检测功能；试验台具有较好的柔 性，主要动力部件调整位置后，能在一定范围内检测试验不同规格型号的主减 速器总成。 2 、试验台驱动系统的设计 主减速器试验台的驱动系统应能模拟发动机的运行工况，满足试验时对输 入转速和转矩的要求，还应该能按照一定规律调节转矩和转速。目f j 常用的驱 动设备有发动机、电动机等。 在汽车上使用发动机作为提供动力的驱动装置，如果直接将发动机运用在 试验台上提供动力，它更能模拟出主减速器在汽车上的实际工况。但是利用发 动机作为动力源，噪声较大，对工作环境会产生排放及噪声污染；而且发动机 不易调节到要求的稳定转速与扭矩川1 。同时，也会使成本大量增加，试验台将 更加昂贵。而用电机代替发动机为该台架提供驱动力完全可以满足实验要求的 性能，并且电动机工作噪音小，占地面积小，启停方便，无污染，易于将电动 机转速调节到合适的转速，所以选用电机作为试验台的动力装置，被证明确实 可用的。 因此，目前无论是国内还是国外的主减速器试验台上大多都采用电动机作 为动力驱动设备。本试验台选用三相异步交流电动机作为驱动系统动力设备， 为了达到试验要求，依据模拟转速原则，选择合适的变频器与电机匹配使用， 9 充分发挥变频谰速电机宽范围的t _ 转矩调速特性和低频时的转矩平稳特性，能 k 时问低速或高速运行，从而最大限度地模拟了发动机的转速和转矩特征。 驱动系统土耍山变频稠速电机、转速转矩传感器、高速支承、变速箱、滑 台及直线导轨和电机支鹰等组成结构示意罔如图2 - 5 所示。 蚓2 - 5 试验台驱动系统结构示意幽 l 一变捌诵速电机2 离台器3 - 变速箱4 一联轴器 5 - 转矩转速传堪器6 一高速支承 整个驱动系统，是通过电机支座安装在机座上的。由驱动电机通过联轴器 将动力给离台器，在通过变速箱将动力传递给传动轴，进而直接驱动驱动桥运 作。由于主减速器总成型号的不同，它需要的动力就不同，则需要通过变速箱 柬调节驱动电机所传出来的动力，从而达到该主减速器总成试验时所需要的动 力。 其中驱动电机的选择尤为重要，对本课题所研究的试验系统的性能优劣有 着重要意义。在本试验台中，电机选择的旨要原则是：驱动电机要能模拟发动 机的工况，其关键特性须覆盖发动机的关键特性：要根据功率与转速特性进行 选型，以扣矩转速特性柬校验。所以电动机的选择主要可参考文献1 2 】【1 3 】 可得，本试验台架应选择上海南洋电机2 0 0 k w 的型号y s l jj 5 - 4 交流变频调速 电机基本参数如表2 1 所示： 表2l 驱动电机的基本参数 功率额定转速额定扭矩 3 0 0 0 r p m 的扭矩 2 。k w 3 、加载系统的设计 由图2 - 4 可知，本试验台的加载系统是由左、右加载系统组成，分别接在 主减速器的左右输出端，负载电机按预定的要求工作，分别对主减速器的左右 输出端加载。左、右加载系统足出加载电机，转速扭矩传感器，三档减速箱、 各弹性膜片联轴器、滑移花键轴及贯通式支承等组成。其中滑移花键可适应不 同轴向尺寸驱动桥的加载。如图所示2 - 6 。 、。“r j 趾n ，懿 、痧 j“0i 、运 图2 - 6 试验台加载系统结构示意圈 1 - 二档减速箱2 加载电机3 滑移花键 4 + 转速抖【矩传培器5 贯通式支承6 输出基础甲板 其t 作原理存十：车辆在道路上运行过程中存在善运动惯性和行驶阻力， 要在试骑台上模拟车辆道路运行工况首先要解决运动惯量平行驶阻力问题， 这样才能用台架模拟测试车辆动态性能。为此，在该试验台利用加载电机和三 档减速箱来模拟实际道路的表面。其中最主要的是加载电机技术规格的选用。 根据试验目的要求，由晟大驱动桥的参数来选择满足要求的电机额定扭矩。 最大桥的输入扭矩n r 按公式( 2 - 3 ) 可得， “输入扭矩r n a x ) - t ( 发动机扣矩m a x ) = 6 8 0 * 63 7 = 4 3 3 l6 ( n m ) ( 2 - 3 ) 最大桥单端输出扭矩可由公式( 2 - 4 ) 得， h 单端输出扭矩埘甜) = z i 输入扭矩m a x ) + i 2 2 - 4 3 3 16 * 61 4 2 2 = 1 3 3 0 23 4 ( n m ) ( 2 4 ) 域后可山以下公式( 2 - 5 ) 可得加载电机额定扭矩至少为： t ( 额定扭矩) 州单端输出扭矩r n a x ) i j = l3 3 0 23 4 1 2 = 1 】0 85 3 ( n m )( 2 - 5 ) 戈于电机额定转速的选择可由下面可得： 最大桥的输出转速按( 2 - 6 ) i j ，得， h ( 输出转速m a x ) = n ( 发动机最高转速) f i 2 - 3 0 0 0 6 3 7 6 1 4 2 = 7 66 8 ( r p m )( 2 - 6 ) 由上可得加载电机额定转速( 2 7 1 得 月( 额定转速) “ ( 输出转速m a x ) + i z = 7 66 8 + 1 2 = 9 2 02 ( r p m )( 2 - 7 ) 其中i 为主轴变速箱建比；i 2 为主减速比：i j 为左右减速箱速比。 根据以上的计算可知，选用了其功率为1 3 2 k w 的y s l 一3 1 5 6 型号变频调速 电机可以满足试验要求，表22 所示为加载电机的基本参数。 表2 2负载电机的基本参数 功率额定转速额定扭矩3 0 0 0 r p m 的柳矩l 1 3 2 k w 1 0 0 0 r p m 6 3 0 n m 4 、试验台夹只系统设计 本试验台在刑夹具进行设计时，主要按照其满足的实际用途柬考虑设计的， 它最主要起到固定、夹紧及定位驱动桥的作用。如图2 7 所示为试验台央具的 结构示意图。系统装入驱动桥之后，通过上夹板5 和下夹板6 将其固定，然后 通过上压板并用四角的长螺柱2 将其央紧。由于驱动桥在传动轴相连接时，为 了使传动轴处于机座平 亍，则需要调整驱动桥摆放的角度所以此夹具可以通 过调整两边调整螺栓3 ，使其处于适当的角度以达到试验的要求。为了满足不 同型号的驱动桥的安装，夹具底部即机架4 底部通过安装齿轮，使其与机座上 的齿条啮合左右运动，从而达到调整两个夹具的距离，以实现不同型号的驱动 桥安装。 黔 囤2 7 所示为试验台央具结构示意图 l 一上压板2 一长螺柱3 一调整螺挂禾支架5 上夹板6 ，下夹板 5 、测控装置系统的实现 对于本试验要求测控的参数主要是转矩和转速，所以该试验台的测控装置 由转矩转速传感器来实现，其中主要选用北京三晶创业集团公司的产品：j n 3 3 8 智能数字式转矩转速传感器。该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能 源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠 地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速 的测量，从m 町方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、 转速及轴功率的多参数输出川1 。 ( 1 ) 转矩测量原理及计算公式 该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。首先将测扭应变片用应变胶 粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥，当被测量弹性轴受扭发生变化，应变电 桥某一被测电阻上的电压信号也随之改变，而该电信号可咀通过向应变电桥提 供电源即可被测得，并使用放大器将其信号放大，在经过v f 转换，即可得出 与扭应变成j 下比的频率信号。实际上就是将一定的输入电压信号按线性的比例 关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也相应变化。转矩传感器 测量原理如图2 - 8 所示。 l 稳定 。广= = l 电源公春h 别 附 茎一 1 i 信县由路 图2 - 8 转矩传感器测量原理图 通过对转矩传感器测量原理进行分析，了解到最后经信号电路输出的信号 为频率信号，在实际应用中，需要将频率信号转换为转矩值。在有效的量程范 围内，传感器频率信号输出与对应的转矩值基本上呈线性关系，如图2 - 9 所示 为转矩值与输出频率值的对应曲线。其转矩测量的计算公式为： 正向转矩输出值为：m p2 ( 一五) ( 厶一f o ) ( 2 - 8 ) 反面转矩输出值为：m = n ( l f ) l ( f o z ) 上两式中，一一正向转矩； 炉一反向转矩； 二一转矩满量程； 厶一一正向满量程输出频率值( k h z ) ； 万一一反向满量程输出频率值( k h z ) ； 厂- 一实测转矩输出频率值； 而一一传感器在不受外部扭矩时的输出信号频率。 j 正同 n ； 卜 一 0 f r