汽车张紧器振动性能检测系统的设计与研究.pdf

船 电技 术l 应用研究 汽车张紧器振动性能检测系统的设计与研究 蔡华锋 胡斌 廖立桥 胡钢 ( 1 湖 北工业 大学 电气 与 电子工程 学 院，武汉 4 3 0 0 6 8 ； 2 广州市黄埔区博思格建筑钢结构有 限公司，广州 5 1 0 5 3 0 ) 摘 要 ：汽 车张 紧器 的动态 性 能检测 是汽车 链式 传动 系统 设计和 加工 过程 中 的关 键技 术之 一， 本文主 要介 绍 了该质量检测系统的设计过程 。文章首先对该系统的结构进行了分析， 在此基础之上相应设计硬件和软件， 最 终通 过上位 机监 控软 件实 现该 系统 的监控 。 关键词：张紧器振动P L C疲劳 中图分类号：U 4 6 7 4 9 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3 4 8 6 2( 2 0 1 2 )1 1 - 0 0 2 2 0 3 De s ig n a nd Re s e a r c h o n Vib r a t io n Pe r f o r m a nc e De t e c t io n S y s t e m o f Aut o Te ns io ne r Ca i Hua f e n g ， Hu Bi n ， Lia o Liqia o ， Hu Ga ng ( 1 Hu b e i Un i v e r s it y o f T e c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ， C h in a ； 2 Bl u e S c o p e B u il d in g s L imit e d ， Gu a n g z h o u 5 1 0 5 3 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e d y n a mi c p e rf o r m a n c e t e s t o f a u t o t e n s i o n e r i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s i n t h e d e s i g n a n d p r o c e s s i n g in a u t o m o t iv e c h a in d r i v e s y s t e m T h is p a p e r ma in l y d e s c r ib e s t h e des ig n p r o c e s s o f t h e q u a l it y de t e c t io n s y s t e mFir s t l y it ,a n a l y z e s t h e s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m ， a n d o n t h i s b a s is ， d e s i g n s t h e a p p r o p r i a t e h a r d w a r e a n d s o f t wa r e F in a l l y , b y me a n s of t h e mo n it o r in g s o f twa r e ， t h e h o s t c o m p u t e r is a b l e t o m o n it o r a l l t h e d e t e c t io n s y s t e m e f f e c t iv e l y Ke y wo r d s ： t e n s io n e r , v ib r a t i o n p e r f o r m a n c e , P L C ； f a t ig u e 0引言 1 系统结构设计 近 年来 ，汽 车发动机 的链式正 时传动越来越 广泛地采用链传 动系统， 其 尺寸紧凑 ，高稳 定性 、 高耐磨性 的显著特 征是齿轮传动和带传动所不具 备 的，显示 了其广阔的应用前景 。为了满足汽车 链 主 动 链 轮 的高 转 速 特 性 ( 常 规 工 作 转 速 为 4 5 0 0 1 0 0 0 0 r mi n ) ，车辆怠速 、加速、减速等交 变速度过程 中的高冲击 ，以及传动 系统 的长 时间 高温 、高压 的环境挑战 ，链传动 系统必须配备高 可靠性 的汽车张紧器 。因而 ，汽 车张紧器 的性能 直接关系到车辆与驾驶者 的安全，其动态性 能指 标的检测也便成为了链传动系统设计和生产加工 过程 中必 须解 决的一项关键性技术 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 1 0 6 作者简介：蔡华锋 ( 1 9 7 8 一 )， 男，硕士。研究方向： 计算机控制 。 2 2 由于汽 车张紧器通 常在 高温 、高压的工作环 境下 ，长 时间进行高速直线往 复运 动，厂家 需要 对抽检样 品进行振动试验，模拟 其在特 定工况 下 长 时间的运行 ， 然后检测疲劳试验后 的剩余弹力 。 本系统通过 向张紧器腔体通入一定温度和压力 的 循环油 ，模拟其高温高压工作环 境 ；同时，通 过 变频器驱动特质 的凸轮结构持续高速旋转，模 拟 张紧器 的往 复式伸缩运动工况 。最后 ，将 2 0 0小 时疲 劳振动试验后 的试验样 品进行弹力检测 ，获 得该试 验品的耐久性 能参数 ，进而判评产 品的质 量等级 。 本振动试验台基 于异步 电机 的速度 闭环控制 方式 ， 采用 P L C控制 变频器驱动三相异步 电动机 恒速运行 。另外 ，本系统所采用 的 4对极 刚性 凸 轮 结构 ，最大直径 R 与最小直径 的径差近 似等于柱塞伸缩行程 的 2倍 ，从而实现 了张紧器 船 电技 术 J 应用研究 往复运动频率 的 4倍频 ，以及运 动区间的限定， 即限幅 。图 1为该试验 台控制系统结构图： 图 1沉 降&振动性 能试 验 台控制 系统 结构 图 2 硬件设计 2 1信号检测 电路 本系统 中检测 电路 由光栅测 微传感器 、拉压 传感器 、热 电偶温度传感器、液压传感器 以及相 应变送器构成 。 1 ) 热 电偶温度传感器 ： 在模拟张紧器特定温 度的工作环境时，需要使用加热 管对 油箱 中的循 环 油加热 。 由于油液 的流动性和导热性都 比较 差， 本系 统采用 分布加热方式 ，并使用油泵实现油液 在箱 体 内的循环流 动，使得热 电偶 能够尽量准确 地获 取循环 油的实 时温度 ，加之热 电偶传感器 的 良好线性特性与高灵敏度 ，进一步减小 了检测误 差 。 2 )液压传感器 ；实 际应用 中，张紧器柱塞长 时工作于高速直线往复运动状态 ，其腔体承受着 剧烈 的膨胀力 。为 了模拟此高压工况 ，需要使用 油泵对通入张紧器 的循环油施加适当的压油。本 系统通过安装于输油管 中的高精度液压传感 器， P L C 的 ADC采样端实时检测液压变送器输 出的 电压信号 ，并快速调整油泵的压力 ，从而实现循 环油 的压力 闭环控制 。 2 2 P L C控 制 器 本系统选用欧姆龙公司的 C P 1 H系列 P L C， 图 2为 P L C控制系统结构 图。 图 2 P L C控制系统结构图 2 - 3变频驱动系统 在振动耐久试验 中，需要模拟张紧器运行于 1 2 ， 0 0 0次 min的高速直线往复运 动工况。为此 ， 本系统 中采用欧姆 龙 3 G 3 J V 变 频器控N -相异 步 电机 以 5 0 Hz的频率旋转，然后运用 4对极 的 高强度凸轮实现振动频率的 4倍频 ，凸轮 的最大 直径与最小直径差为 1 0 mm，即张 紧器顶杆的振 动幅度为 0 5 mm。 本 变频系统 既可 以使用速度调 节 电位 器 ，实现 手动速度调节 ，也可 以通过程控 实现 多段速运行控制 。为了防止堵转烧毁 电机 ， 预制 多功能端 MA MC为过转矩检测模式 ，充分 确保系 统的安全可靠运行 。如下 图 3为变频驱动 系统 结构 图。 图 3 变 频驱 动系 统结构 图 3 软件设计 系统软件设计主要 由 P L C 程序和组态 王上 位机监控程序组成 。 3 1振动性能试验 台 在本系统 中，凸轮 的启停、循环油的加 热与 泵送 以及气动顶杆 的伸缩等工作状态都严格按照 如上所示流程 图完成 。 在振动试验 开启之前 ，试验 员需要在上位机 监控界面 的参数设置栏输入抽 检样 品的型号 、批 号和循环油 的油品、油压 ，以及振动频率 F ( I -t z ) 、 幅值 A ( mm) 和试验 时长 h ) 等信息 ( 其 中，振动 幅值需要根据 凸轮实际尺寸来 设置) ， 以便系统生 成试验报告 。振动试验启动后 ，P L C接收到上位 机发 出的振动频率和时长信 息，打开抱 闸，启动 变频器速度控制模式，使异步 电机按照设定 的频 率工作 小 时。试验过程 中，P L C通过热 电偶和 液压传感器实时监测循环 油的油压和油温 ，并调 节油泵和加热管维持循环油 的稳定 。 3 2 组态王上位机监控 程序 组态 王开发监控系统软件是新型 的工业 自动 控制 系统 ，它 以标准 的工业计算机软、硬件平 台 构成 的集成系统取代传统 的封 闭式系统。它具有 适应性强 、开放性好 、易于扩展、经济 、开发周 2 3 船 电技 术 l 应用研究 V o 1 3 2 N o 1 1 2 0 1 2 1 l 期短等优 点。 本上位机 系统采用亚控公司 的组态王软 件开 发监控界面 。 试验时 等于设 4 小结 振动试 验开始 根据试验要求 设置参数 工件装夹 单击 凸轮 下压 拔销 右油试 酪时 一一一一 、 振动启动 油加热开 油泵启动 I 暂停、终止试验 时间 臀 试验 完成 T 振动停止 幅 l 单击振动停止 复位 誊 r 油 泵 停 止 继 续 试 验 0 终 止 试 验 声 光 提 示 进行 反推试 验 输 入反推 力 根据实际要求 保存数 据 实时打 印 、 单击 凸轮回位 清除 数据 试验结束 图 4振动试验软件流程 图 本张紧器振动试验台的最终目标是检测张紧 器腔体在特定压力 P和温度 t 下，柱塞在一定行 程 内做直线往复伸缩运动一定时间 后 ，检测其 剩余 反推力 ，表 1所示为某 国产汽车张紧器 的振 动疲劳试验 检测报表， 试验油 品 S AE1 0 W- 3 0 。 从表 1中可 以看到 ，该厂家 生产 的 J AC 一 1 C型张 紧器在 7 0 0 p s i压强 、 4 0 环境下，连续两次工作 8 0小时后测试 反推 力相差 6 N，在允许范 围内； J AC 3 2 K 型 张紧器分别在 7 0 0 p s i 压强 、5 0 和 7 0 环境下 ，连续两次工作 1 0 0小时后测试反推 力分别相差 3 N和 2 N，都在厂家 允许 范围内。 另外 ， 通过 后四组试验可 以看 出 J AC 3 2 K型张紧 器在 同压 、 不 同温度环境下试验 1 0 0小时后 ， 7 0 环境 下 的张紧器剩 余弹力 比 7 O 环 境下试验 的 张紧器 剩余弹力高 出约 1 0 N， 可见环境温度的升 24 高会加速 张紧器 的老化 ，抗疲劳能力降低 ，完全 符合理论预测 。 图 5振动试验加热管去抖程序 表 1 张紧器振动疲 劳试验检测报表 型 油 压 油 振 动 振 动 试 验 反 推力 号 ( p s i) 温 频率 幅 值 时 间 ( N ) ( mm) ( h ) 采用组态王设计 的上位机监控 与操 作界面 能 够直观地 显