（机械工程专业论文）闭式功率流变速器试验台结构及控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 汽车试验是伴随其工业的建立和发展而逐渐成长起来的，汽车工业发展 到今天与其试验研究工作是分不开的。试验是帮助我们了解汽车实际使用中 的规律，并推动其技术进步的一种极为重要的方法。它是保证产品性能，提 高产品质量和市场竞争力的重要手段。 本文研究了汽车变速器性能试验装置闭式功率流变速器试验台的结 构和控制系统。主要分为机械结构部分和控制部分两大部分来进行。机械结 构部分酋先介绍了闭式功率流变速器试验台的主要结构、特点及其工作原理， 并分为变速系统、加载系统和传动系统等进行了结构设计，选择了电机和传 感器。控制部分介绍了a v r 单片机的特点以及选用原则，确定了整个控制系 统的方案。整个控制系统分为硬件和软件两部分设计。硬件部分分别进行了 驱动电路、复位电路、a d 转换电路和键盘显示电路等的设计。软件部分根 据变速器性能试验的模式进行了主程序及各项试验子程序、a d 转换子程序、 键盘显示子程序、中断子程序等各予程序的设计。最终进行了电路板的制作 和系统的调试，模拟了整个试验的过程。该变速器性能试验台操纵方便、输 入记时准确、试验结果表达清楚、可靠性高。从理论上来看，汽车变速器性 能试验台控制系统在变速器机械效率实验中运行是稳定可靠的，操作是比较 简便的，具有一定的抗干扰能力，基本达到了变速器实验台的控制要求。 关键词：变速器：a v r 单片机；控制系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a rt e s ti s g r o w i n gu pa c c o m p a n y 谢也i t si n d u s t r yd e v e l o p g r a d u a l l y c a ri n d u s t r y 出批l o p su pt ou x l a yi si n s e p a r a b l ew i t hi t se x p o n e n t s t u d y i ti sak i n do fe x t r e m e l yi m p o r t a n tm e t h o dt oh e l pu su n d e r s t a n dt h ea c t u a l r e g u l a t i o ni nt h eu s a g ea n dp u s hi t st e c h n i q u ep r o g r e s s e si ti sa ni m p o r t a n tm 锄s t o g u a r a n t e et h ep r o d u c tf u n c t i o n , m c r e a s ep r o d u c tq u a n t i t yw i t hm a r k e t c o m p e t i t i o na b i l i t y t h i st e x ts t u d i e dt h et e s td e v i c e0 1 1c a rg 瑚r b o x 廿1 ec o n s t r u c t i o na n d c o n t r o ls y s t e m o f g e a r b o x t e s t p l a t f o r m o f s h u t t y p e p o w e r f l o w s i t i s d i v i d e d i n t o t w op a r t st ot e s t - - t h em a c h i n ee o u s t r u e t i o np a r ta n dc o n t r o lp a r t s t h em a c h i n e p a r ti n t r o d u c e dt h em a i nc o n s t r u c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sw o r kp r i n c i p l e so f t h es e tf i r s t 。a n di ti sd i v i d e di n t ov a i e t ys p e e ds y s t e m , a d dc a n s y s t e ma n d t r a n tm o t o rs y s t e n l c h o o s i n gt h eg e n e r a t o r t h ec o n t r o lp a r ti n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r i s t c so fa v ra n dc h o o s e sp r i n c i p l e e n s u r et h ep r o j e c tf o rc o n t r o l i n g s y s t e m t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h eh a r d w a r ep a r td e s i g ni n c l u d ed r i v e i n gc k c u i t ，dc o n v c t t sc k c u l t a n dk e y - s h o wc i r c u i te t e t h es o t h a r ep a r tm o d et h a te x p e r i m e n tt h eg e a r b o x f u n c t i o n p r o c e e d e d t h em a i np r o c e d u r ea n dv a r i o u s e x p e r i m e n t t h es u b p r o c e d u r e , a dc o n v e r s i o ns u b - p r o c e d u r e ，k e y b o a r di n d i c a t et h a ts u b - p r o c e d u r e , b r e a ko f ft h ed e s i g no ft h ee a c hs u b - p r o c e d u r ei ne t c i nt h ee n d p r o c e e d e dt h e e l e c t r i cc i r c u i tk n o t h o l ec r e a t e st oa d j u s tt ot r yw i t l lt h es y s t e m , i m i t a t i n gw h o l ea p r o c e s s f o re x p e r i m e n t i n g t h e g e a r b o x s f u n c t i o ne x p e r i m e n tt h ep l a t e f o r m m a n i p u l a t e se o n v e n i e n o e ，i n p u tr e c o r da c c u r a t e ，e x p e r i m e n tt h er e s u l te x p r e s s e s c l a r i t y t h ed e p e n d a b l ei sh i g h c o m eu pt os f r o mt h et h e o r i e s , t h ec 缸g e a r b o x f u n c t i o nt e s t t h ep e d e s t a lc o n t r o ls y s t e mi ng e a r b o xm a c h i n ee f f i c i e n c yt e s tt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m o v e m e n ti sas t a b i l i t yd e p e n d a b l e ，t h eo p e r a t i o ni sm o r es i m p l e ，h a v i n gt h e c e r t a i na n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , b a s i cc o m et oat h ec o n t r o lr e q u e s tt h a tg e a r b o x t e s ts e t k e yw o r d s ：g e a rb o x ；a v rm c u ) c o n t r o ls y s t e m ) t e s tp l a t f o r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：! 乙亟途： 日期：加年f 月e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的来源和意义 第1 章绪论 本课题来源于黑龙江工程学院基金项目，目的是解决汽车零部件试验条 件缺少的问题。 目前，我国的汽车工业取得了很大的进步，技术水平也取得了飞速的发 展，作为汽车技术一部分的汽车试验也取得了显著成果。从理论上达到了较 高的水平，但是受到许多因素的限制，尚未普遍应用于科研、教学和生产等 部门。 汽车零部件试验在汽车设计和制造领域占据重要的地位，因此试验台的 静类也很多，有的结构简单，适用范围广，但试验耗费较高，有的现代化程 度高、适合规模大、效益高的大型试验部门使用，但造价昂贵。而一些小型 科研单位以及高等院校受资金、场地、人员、环境等的影响，应采用操作方 便，占地较小，试验费用较低的试验台。 作为汽车上重要部件的汽车变速器具有结构复杂、使用条件复杂、可靠 性要求高等特点，因此从产品开发到生产使用都要对其进行大量的试验，以 确定其各种性能参数是否满足设计的要求，为汽车的生产、销售、维修单位 以及汽车的使用者提供可靠的保障。 变速器在其研发阶段需要完成变速器机械效率试验、润滑试验、疲劳磨 损试验等【l 】。提高变速器的传动效率不仅可提高动力性，降低车辆油耗，而 且对抑制由于近年来车辆速度提高而引起的传动系统的发热具有重要的意 义。为了防止变速器烧坏，同时抑制油温上升，要对变速器内的各部件供给 必要而充分的润滑油进行润滑，并进行确认试验，试验目的是评价变速器在 哈尔滨工程大学硕七学位论文 各种工作条件下不传递转矩时的润滑效能。变速器耐久性试验分为齿轮试验、 轴承试验和磨损试验，即分别考核齿轮的弯曲疲劳强度、轴承的承载能力和 寿命以及齿轮轴承的点蚀、色变和压痕等。 1 2 汽车试验装置的发展概况 十九世纪末，德国的戴姆勒奔驰公司、法国的标致公司、美国的福特公 司、意大利的菲亚特公司等先后生产出了第一辆汽车。随着科学技术的发展， 汽车结构的完善，汽车性能也不断提高。由于汽车工业与其他工业、农业、 国防和人民的日常生活密切相关，汽车质量引起人们的广泛重视。二十世纪 初期，由美国入亨利福特创立了流水线作业的生产形式，使生产效率大幅提 高，生产成本下降，使用范围急剧扩大，汽车的可靠性、寿命和性能方面的问 题突出出来，要求对汽车产品开展试验研究工作1 2 1 。 汽车试验的发展历史经历了大致如下三个阶段： 第一个阶段是从十九世纪末到第二次世界大战结束，这段期间是汽车实 验的逐步建立，主要包括基本试验台的建立，基本试验规范和标准的形成等； 第二个阶段是从第二次世界大战结束到上世纪七十年代，由于相邻工业 的发展，相邻学科的发展和渗透，使汽车试验理论、试验设备、试验标准和 规范有了长足的发展和进步： 第三个阶段的主要标志是电子计算机在汽车试验中的应用和标准法规 的完善。 i 3 汽车变速器性钱试验台的国内外发展状况 汽车变速器试验台主要用于生产车间的变速器出厂校验试验以及实验室 的变速器性能试验，是变速器生产或开发过程中的主要试验设备。通常校验 试验加载的力矩较小，不到变速器额定转矩的l 3 ，寿命试验的转矩较大， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接近甚至可能超过变速器的额定转矩脚。 目前，国内外汽车变速器性能试验台的发展主要有以下几种类型和特点。 1 3 1 国内变速器性能试验装置的类型及特点 国内的汽车变速器试验台的形式主要有以下几种： ( 1 ) 开式功率流变速器试验台 图1 1 为四川诚邦科技公司生产的开式功率流汽车传动系零部件试验台， 它由驱动装置、加载装置、测量装置，被试装置等西部分组成【4 j 。这种类型 试验台动力传递路线如图1 2 所示【5 1 。 图1 1 开式功率流变速器实验台 图1 2 开式功率流试验台动力传递路线图 1 电机2 - 传动系统3 测功机 目前它应用于科研、教学和小型生产厂，例如吉林大学汽车试验室、哈 尔滨齿轮厂研发部等。 3 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 ( 2 ) 闭式功率流变速器试验台 闭式功率流齿轮传动试验台，在齿轮传动产品试验和实验室试验中被广 泛的应用。哈尔滨工程大学机电学院开发的闭式功率流试验台由驱动电机、 齿轮箱、传感器、传动轴、加载器等部分组成，如图1 3 所示1 5 1 。其动力传 递路线如图1 4 所示【6 1 。 图1 3 闭式功率流变速器试验台 图1 4 闭式功率流变速器试验台动力传递路线图 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 闭式试验台的种类很多，都可以用图1 5 所示的简图来概括【7 1 。闭式试验 台由驱动设备q 、驱动构件j a b 、加载器a b 、施载装置m 、以及a - j 传动 和b - j 传动六部分组成。驱动构件j a b 直接拖动且部分置于回路中的构件。 与驱动设备相连接的传动端称为驱动端，用j 表示，其余两端因串入回路中， 称封闭端，并用j a 、j b 表示。加载器是串入回路中且造成回路中内力素的 部件，它由串入回路中的两端a 、b 和施载端c 组成。加载器封闭端所传递 的力素称封闭端力素，所传递的功率称封闭端功率。a j 和b j 传动分别是 联系驱动构件封闭端j a 和j b 与加载器封闭端a 、b 的传动。 加载器a b _ j 传动 驱动构件j 柚 图1 5 闭式试验台简图 在上述原理基础上，吉林大学汽车实验室开发了闭式功率流变速器试验 台阍。 1 3 2 国外发展状况 1 电功率流封闭变速器试验台 美国克莱斯勒公司利用汽车变速器的特点开发了电功率流封闭变速器 试验台f 9 】。即不管被试变速器的档位如何变化，交速器输出的机械功率首先 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过加载电动机转换成电功率，再通过电参数的调节，将这部分电功率以合 适的电压、电流方式( 交流模式时还包括频率和相移) 传到变速器的驱动电 机，再由该电机将电能转换成机械能，驱动变速器的输入轴实现能量的回 馈与利用。由于变速器、电机以及电控系统的效率都很高，因此可以用很小 的试验功率完成大功率的变速器传动试验，不但节能，而且减少了试验过程 中的发热，使试验台更加紧凑，可靠性和寿命大大提高。在试验过程中一些 电机处于电动状态，而另外一些电机处于发电状态，而且这种功能还可以互 换，即可以模拟车辆正常行驶时发动机驱动车轮的模式，也可以模拟车辆下 坡或减速时车轮带着发动机转的模式( 反拖模式) ，电机的转速和扭转也可以 通过电控系统，很方便地进行调节【l o l 。这种类型试验台的电控系统框图f l l 】 如图1 6 所示，交流模式能量传递的示意图【1 2 】如图1 7 所示。 图1 6 电控系统框图 早期的电封闭试验台都是采用直流电机、控制器输入与加载采用彼此独 立的模块化设计。这种方式结构简单，但由于加载电机( 将机械功率转换成 电功率) 发出的电通过控制系统转化为三相3 8 0 v 、5 0 h z ，最后又并入电网， 对电网造成一定的干扰，目前逐步被交流模式所取代，但由于直流电机模式 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 8 0 v a c 图1 7 交流模式能量传递示意图 相对成本低廉，在功率不大的场合还在继续使用。 交流模式的特点除采用交流电机无级调速实现驱动和加载外，电控系统 内部还必需有直流母线，回馈的能量通过直流母线传到驱动端，不够的能量 通过外面3 8 0 3 的交流电网由整流单元补充。电网到直流母线间的能量只是 单向传输，避免了电机发电对电网的干扰1 1 3 1 。 电封闭试验台除了可以完成传动性能试验以外，通过添加自动换挡机构 还可以对挂档力和位移进行测量分析；通过添加振动测量与频谱分析系统可 以实现故障诊断功能；控制系统通过软件可以完成不同的试验与数据采集记 录功能，使用方便。这类试验台由于技术含量较高，目前除美国可以生产外， 只有日本、德国等国可以生产。 2 模块式交速器传动装置试验台 德国帝目公司对汽车变速器等传动装置试验台有了更先进的研发。有报 道称：汽车变速器及传动部件的功能测试在批量生产和新车的研发阶段非常 重要，为此一种新型的模块式变速器和传动部件测试理念应运而生，充分的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 迎合了技术发展的未来趋势，这就是德国帝目公司开发的汽车变速器等传动 装置试验台1 1 4 j 。 在研发新试验台的早期阶段，将当前的汽车传动技术及其未来的发展趋 势同时予以考虑是非常必要的。比如：传动系的最小噪声、最小能耗、连续 提高的转矩，将电子功能模块整合于传动系统等。为了保证有限投资的长期 可用性，需要开发新的试验设备理念。 研发的目的是用电动机代替发动机和车轮负载对传动装置或变速器进行 测试。变速器被固定于试验台，驱动电机连接于输入端，两负载电机分别连 接于两负载端，分开使用的两负载电机可模拟弯道行驶和其它非对称负载及 拉力，推力情况，研发的最终目标就是完成一个系统化的模块设计。 ( 1 ) 着眼于未来的中心模块技术 设计概念是将加载( 输入) 、负载( 输出) 和控制显示模块以星状分布放 置于中心模块的周围。中心模块包含有所有的产品特性。其结构将产品特性 和产品标准性在物理上进行了区分，使各种模块标准化并可以进行小批量生 产，从而节约了成本。更重要的是，这些模块即使在试验台被修改后，仍可 继续使用，实现最佳的经济性，缩短了交货期。 运用包含了变速器特性的中心模块，就能在短时间内完成所有不同的试 验台布局，不需要重复进行工程设计。比如，一个前置横置变速器有一个输 入端和两个平行横置输出端，这样试验台就需要一个9 0 度变角的t 型布局， 与此相对，一个直列变速器有一个同轴的输入端和输出端。则需要一个直线 型的试验台布局等等i 阍。负载下变速器功能测试和噪音分析中的功能模块已 研发成功。试验台的高度灵活性来源于不同程度功能模块的组合。这种组合 在市场上是史无前例的。运用这种功能模块可以组成任何一种测试系统，以 满足用户不同的测试需求。如图1 8 所示，这些基本功能模块包括： 中心模块：负载和如载模块外壳( 以中心模块发散为星状布局) ； 夹紧模块 8 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 加载模块 负载模块 噪音分析模块 图1 8 模块组合 这些基本模块允许不对称负载的情况或电子同步转动装置模拟直线行驶 的情况。负载模块总是有一个单向移动装置来实现试验台测试轴和变速器输 出间的连接。如果变速器输入轴和输出轴之间的距离不同，可在系统中插入 双向移动进行电子调节。由模块化结构带来的高度灵活性显而易见。 ( 2 ) 模块理念带来的功能扩展 变速器的测试系统可以有选择的添加以下模块，扩展其功能： 负载模块自动调节装置。用于适配不同结构的变速器； 电子变速模块( t i p t r o n i c ) ： 用于变速的换档机器手，可测量换档力、换档过程和换档噪声； 效率测试模块： 9 哈尔滨下穰大学硕+ 学位论文 自动上、下料模块： 测试时自动加油、油量测量和油温控制以及试验油过滤的模块( 包 括自动按钮和松开螺塞的模块) 。 ( 3 ) 在实际中的应用重点 加载和负载模块的设计 负载模块，可被独立安装，再放置于中心模块之上，对负载模块产生噪 音做必要的隔离。加载模块也是按相似概念设计的。 控制系统模块设计 如图1 9 所示，整个试验台的控制系统也是独立设计的模块，竖直向上 箭头表示负载模块，竖直向下箭头表示加载模块。对负载和加载模块所产生 噪音的隔离由图中可以看出。这个模块可被独立安装，再放置于中心模块之 上即可。水平箭头表示整个试验台的控制系统，此控制系统也是独立设计的 模块。所有操作和显示功能以及打印和音响( 包括噪音分析电脑) 等。都可 根据需要整合于此模块之中。此模块包括一台n t 双处理机电脑，进行噪音 分析并有其用户界面【1 6 1 。 另外，操作模块还可包括手动换档模块。为了创造相对真实的条件，也 可以使用变速器档位和变速档电缆原件。模块式的结构允许现在或将来在变 速档位置上安装带换档机器手，可以狈4 量换档力、换档时间、同步时简等。 试验台底座上整合了一个三向移动装置，其任务是调整电机的位置，使 其灵活自如的适配变速器输出的几何位置。此模块设计为一个子模块，可根 据需要进行整合、删除或替代。 硬件和软件 试验台的设计理念提供了模块式的控制系统。每个模块都有一个相应的 控制( 硬件) 模块置于控制箱内，包括模块控制、测试数据传输、频率转换 器和电源部件以及用户要求的电源提供和电力回收模块。每一个控制模块 都放在一个底版上，其与设备模块的连接是通过现场总线实现的。这样每个 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 9 新理念试验台前置横置变速器试验台 功能模块都包含有一个设备模块、一个控制模块和一个软件模块，它们之间 是相互独立的，可灵活的安装。这样使机械的模块性逐渐向软件延伸，如图 1 1 0 所示，在控制和监测的软件中，将显示测试程序并且允许用户自己定义 单独的测试模块f 1 7 1 。 双处理机的结构解决了由于在同一处理机上同时进行显示、控制和分析 中所出现的问题，并且能显示不同设备的情况。在系统模块设计的支持下， 操作员可以相对快速地编辑自己定义的测试步骤。 ( 4 ) 优势 这是一个着眼于未来的试验台理念，它可以被扩展用于测试其它类型的 变速器和传动装置，并保留已经建立的模块环境，它可以让客户避免设计和 制造专用设备，并让一部分模块实现小的批量生产。其优势为： 保证现有投资可以用于未来的生产； 经济性强； 直接连接测试轴的电机降低了噪音，减少了振动，提供了良好的动 】 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图1 1 0 操作显示 力性能和试验台控制性能( 速度、转矩) ； 高质量测试技术测试的数据更加稳定可靠，特别是变速器噪声测试； 可扩展、模块化，可适用不同类型变速器和传动装置； 高度的标准化实现了第一时间内研发的不间断进展( 运用更多复杂 的计算方法) ； 可同时生产不同模块的能力和调试时间的减少使交货期大大缩短； 用户友好的硬件和软件； 简单的维护； 模块可以升级，如将手动换档变为机器手换档。 在试验台的实际应用中，包括生产、装配、电子安装和设备的调试，不 仅证明了系统的基本功能，同时也证明了模块式构造的可行性。此新系统的 优点还在于非常平稳的运行和低噪音，以及良好的动力性和控制性能。所有 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的基本模块都可以重复使用，并能整合于其它系统中。 1 4 本课题的研究内容及主要工作 本课题是研究一套适合于汽车变速器性能试验的装置，并使其满足操纵 方便、节约能源、试验精度高的要求。 研究的主要工作： 1 。确定变速器试验台的研究方案； 2 机械系统的结构设计； 3 控制系统的硬件和软件设计； 4 系统的调试。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章变速器试验台的总体方案 本章确定了试验台的总体方案。本课题研究的主要特点在于利用机械闭 式功率流的原理，采用电子控制方式，实现汽车变速器性能试验。所谓电子 控制方式即通过控制面板使系统在规定模式下工作，实时检测试验台的参数， 并对这些参数进行处理，最终将测试结果显示出来。 2 2 变速器性能试验台方案的确定 通过对几种国内、外汽车变速器性能试验台的分析，初步选取了下述三 种研究方案。 1 开式功率流汽车变速器性能试验台 开式功率流汽车变速器性能试验台的工作原理如图2 1 所示。系统由电 机充当驱动装置，使变速器相当于在实际工况下工作，并通过安装在变速器 输入和输出轴上的转矩转速传感器读取输入和输出参量，系统的能量最终由 测功机消耗。 所测机械效率为： 图2 1 开式功率流变速器试验台工作原理 1 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 可2 莠 ( 1 ) 其中：乃输入端转矩 乃一输出端转矩 f - 传动比 开式功率流汽车变速器性能试验台的功率流动如图2 2 所示。从图中可 见，电机输出的功率除了一小部分被变速器损失外，其余全被测功器吸收。 2 2 2 了变速器损失功率 图2 2 开式功率流流动图 开式功率流变速器试验台的特点是：结构简单，试验方法简单，通用性 好，但是由于需采用原动机作为驱动电机来驱动，造价高。耗电量大，尤其 是做耗时较长的疲劳寿命试验时，更是如此。 2 闭式功率流变速器试验台 闭式功率流变速器试验台的工作原理如图2 3 所示。工作时，系统首先通 过加载器添加一个封闭的力矩，力矩的大小由试验规程规定并通过转矩传感 器采集。然后由电机按规定转速带动系统运转，从系统工作原理图可以看到， 动力在齿轮箱1 、被试变速器、陪试变速器、齿轮箱2 、传动轴再到齿轮箱 图2 。3 闭式功率流变速器实验台动力传递路线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 间循环，也即电机只需提供系统损失的功率。 闭式功率流汽车变速器性能试验台的功率流动如图2 4 所示。从图中可 见，系统的功率除了一小部分被变速器和齿轮箱损失外，其余继续在系统内 被循环利用。 了i 固 图2 4 闭式功率流流动图 闭式功率流变速器试验台的特点是：与开式功率流试验台相比可以大大 节省动力消耗，这对数量大、周期长，特别是大功率的齿轮传动试验具有巨 大的经济效益。同时，由于不需要将机械能或电能转变成热能的耗能装置， 所以闭式试验台可以节省和简化冷却设备。但是它仍具有结构复杂，操作复 杂，控制繁琐，通用性差等缺点。 3 电封闭功率流汽车变速器性能试验台 电封闭功率流汽车变速器性能试验台的工作原理如图2 5 所示。系统采 集电力网的能量，并将工作循环的能量返还电力网。 豳2 5 电封闭式功率流变速器实验台工作原理 它的特点是：机械系统结构简单、通用性好，能源利用较好，总体造价 高，操纵复杂。目前已在此基础上开发有档次较高鲍试验装置，但是受到价 格的约束尚未在一般科研部门、院校及企业应用。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据上述各方案的特点分析，确定最终研究方案为：利用机械闭式功率 流原理，采用计算机控制系统，研究一套节能、操纵方便、控制精度高的变 速器机械效率、齿轮耐久性和变速器磨损检验等的测试装置，即计算机控制 闭式功率流汽车变速器性能试验台。 2 3 计算机控制闭式功率流变速器试验台的研究内容 计算机控制闭式功率流变速器试验台的研究分为机械系统和控制系统两 部分进行研究。 2 3 1 机械系统研究部分 本课题研究的变速器性能试验台机械部分主要由下面几部分组成： ( 1 ) 动力装置：电机的选择； ( 2 ) 转矩测量装置：转矩转速传感器的选择； ( 3 ) 加载装置：加载系统方案的确定及结构设计； ( 4 ) 中间传动装置：齿轮箱、传动轴等机构的设计。 因此，在这部分里主要完成电机的选择，总体结构的设计( 包括传动机 构设计、加载装置设计和齿轮箱的设计等) 。 2 3 2 控制系统研究部分 具体研究的内容：根据系统试验项目确定输入模式，即通过操纵计算机 键盘将所选择的模式输入，由计算机输送给电机控制器信号，驱使电机在规 定转速下运转。传感器采集转矩、转速信号并通过电路输入给计算机，在计 算机中对这些数据按规定程序进行处理，并由显示屏直接显示测试结果。具 体为： ( 1 ) 电路设计； ( 2 ) 软件设计； 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统调试。 2 4 汽车变速器性能指标和试验台的总体构成 2 4 1 汽车变速器性能指标 汽车变速器的主要功用是将发动机输出的有效性能指标( 有效功率、有 效转矩) 传给传动轴，在此其间主要起到“降速增扭”的作用( 超速档除外) 。 在动力传递的过程中，主要靠位于几根轴上的多对齿轮副的传动来实现，因 此在齿轮的润滑和机械摩擦中要有能量损失，称为功率损失，功率利用的多 少称为机械效率。机械效率直接关系到发动机输出动力的利用程度，减少功 率损失、提高机械效率是变速器研发过程中一直追求的目标，因此要对变速 器的机械效率进行测量。润滑条件的好坏也关系到齿轮的使用寿命和功率损 失，因此润滑条件及齿轮油的品质进行研究和选取。换档过程中齿轮的频繁 交换啮合和长时间的满负荷运转要造成齿轮的耐久性损坏，因此要对齿轮、 轴承及同步器等进行疲劳寿命试验，以确定其能否满足大修条件的要求。各 对齿轮副中的齿轮是分别安装在不同轴上的，因此，工作过程中轴问的相对 位置直接关系到齿轮的啮合状态，也就关系到动力传递的流畅性、机械功率 损失的大小以及齿轮的寿命。 可见汽车变速器的系统性能指标主要有机械效率、润滑情况、耐久性损 坏和齿轮磨损等。 2 4 2 试验台的总体构成和工作原理 试验台总体结构如图2 6 所示【l s l 。 试验台总体分为机械部分和控制部分两部分。 1 机械部分 试验台机械系统是由两个齿轮箱、传动轴和两个变速器( 一个被测变速 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 恒一爿 齿 厂j 壁苎墨塑亘u 齿 i 硎 轮轮 箱箱 醉 图2 6 试验台总体结构 器，一个陪测变速器) 和加载器等组成。此外，还辅以一套冷却装置为变速 器机油降温，防止变速器烧损。 工作过程： ( 1 ) 加载装置：为使小功率驱动电机能正常驱动系统，保持系统运转， 并且保证所测试变速器满足在实际状态工作的条件，应事先给系统加载，以 使内部保持有相当的内力转矩，因此设有转矩加载装置，转矩加载装置形 式多样，传统的加载方式为平衡力矩加载法和行星齿轮加载法，在应用中不 便于对变速器进行加载，为使加载方式可靠、操纵方便，本课题采用齿轮齿 条液压加载方式。利用齿条的行程，控制加载力矩的大小，另外，由于轮齿 间的相互制约，系统被锁死，保持系统不运转而储备内力。 ( 2 ) 动力传递部分：工作时由电动机驱动系统。动力经辅助齿轮箱、传 动轴带动变速器输入轴、辅助齿轮箱从动齿轮转动。由于变速器输入轴和输 出轴转速不同，为保证系统对称，增加一台陪试变速器，而且保持两台变速 器相对布置，即被试变速器的输出轴和陪试变速器的输出轴相连，动力传递 的方式如图2 7 所示。 则所测机械效率为： 驴、亏 其中； 疋被试变速器输入转矩 五陪试变速器输出转矩 ( 2 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1l 第一辅助齿轮ii 被试变速li 被试变速 皇兰! ! 卜叫箱主动齿轮轴卜_ 叫器输入轴卜_ + | 器输出轴 第二辅助齿轮ll 被试变速il 陪试变速 箱主动齿轮轴f 1 器输入轴广1 器输出轴 图2 7 动力传递路线 ( 3 ) 疲劳寿命、刚度、强度和润滑试验：这些试验周期长，一方面要测 定变速器工作到疲劳失效的时间及早期失效发生的部位，另一方面要根据观 察并测定在各档位工作参数的变化情况。由于变速器从开始正常工作到发生 疲劳失效需很长的时间，因此在实验台上需要模拟与实际相近的工况。在试 验期间要加强对系统尤其是对箱体的冷却。 2 控制部分 ( 1 ) 控制部分组成及工作原理如图2 8 所示。控制系统采用p c 机和单 片机二级控制方式，p c 机负责人机交互、产生控制信号，单片机接收p c 机 的命令，控制电机、定时采集传感器检测的转矩、转速信号。 图2 8 控制部分 ( 2 ) 控制过程：通过计算机上的键盘设定工作模式，由单片机驱动电路 驱动电机在设定转速下运转，并由传感器测量电机输出轴转速和转矩。将电 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机输出的转矩和转速反馈给单片机，单片机对各种模式下测取的数据进行处 理，并由显示器显示结果。 ( 3 ) 工作模式：根据变速器的实际工作状况，设定相应的输入模式1 3 1 ， 包括： 变速器机械效率试验，考查转速、转矩和档位改变时对变速器机械 效率的影响 润滑试验 耐久性损坏试验 齿轮磨损检验 2 5 本章小结 本章通过对三种常用的变速器性能试验台方案的分析比较，确定了基于 闭式功率流原理，采用计算机控制的实验台的总体方案。试验台机械系统由 两个齿轮箱、传动轴和两个变速器( 一个被测变速器，一个陪测变速器) 和 加载器等组成。控制系统采用p c 机和单片机二级控制方式，p c 机负责人机 交互、产生控制信号，单片机接收p c 机的命令，控制电机、定时采集传感 器检测的转矩、转速信号。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章变速器试验台的结构设计 本章将根据试验台工作参数，进行系统的结构设计，整个系统的结构部 分将划分为电机选择及变速机构、传动机构、加载机构等进行设计。 3 2 驱动电机的选择 1 条件 本实验台选择丰田花冠汽车变速器为设计目标，该车选用发动机最大功 率1 0 0 k w 5 8 0 0 r m i n ，最大转矩1 6 9 n m 4 2 0 0 r m i n t 嘲。 2 选择电机的类型 实验台总传动效率 5 1 ：，7 = 0 9 8 x 0 9 8 x 0 9 8 x 0 9 8 x 0 9 9 x 0 9 9 = 0 9 0 则所需电机的容量为：昂= p x ( 1 - r ) = 1 0 0 x 0 1 0 = 1 0 k w 选用的电机型号为：t y b z 1 1 0 0 1 6 0 l - 4 ，具体性能指标见表2 1 2 0 1 。 表3 1电机参数 额定功率额定电压额定转速额定电流最高转速飞轮矩转矩 ( 千瓦) ( 伏)( 转，分) ( 安培)( 转份) ( 公斤米2 ) ( n m ) 1 0 0 2 2 0 1 5 0 05 3 5 02 4 0 0 0 5 6 0l 3 3 变速机构设计 由驱动电机的参数可见，电机额定转速为1 5 0 0 转分，输出转矩为7 0 n m 。 为满足系统所需高转速、小转矩的需要，应增加一套变速机构，即升速器。 2 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 升速器由单级斜齿圆柱齿轮副构成。主要功能是在电动机带动变速器旋转过 程中提高输出轴的转速，降低转矩。升速器的设计包括齿轮、轴、箱体的设 计，轴承的选择与校核，油封的选择等，该套升速机构的传动比为4 。 1 齿轮副的结构 升速器的齿轮传动机构为斜齿圆柱齿轮传动形式2 1 1 ，精度等级为6 级。 小齿轮，4 5 号钢，调质，h b s l = 2 3 0 ，大齿轮，4 5 号钢，正火，h b s 2 = 2 0 0 ， 小齿轮，z 2 = 2 0 ，大齿轮，z i = 8 0 。 模数为确= 4 m m ，中心距a ；2 0 7 m m ，螺旋角声= 1 4 9 。，齿宽b l f f i 8 5 m m , b 2 = 9 0 m m ( 为了补偿安装误差，通常使小齿轮齿宽略大些) 。 由于齿轮的结构较小，因此做成实心的，结构如图3 1 所示。大齿轮结 构如图3 2 所示。 图3 1 小齿轮 2 箱体结构 箱盖壁厚6 1 ：o 0 2 a + 1 = 0 0 2 x 2 0 7 + 1 = 5 1 4 m m 。 箱盖凸缘厚b ：b 2 = 1 5 8 l = 7 7 1 1 1 1 1 1 1 箱座凸缘厚度b ：b = 1 5 6 = 1 5 m m 。 箱座底凸缘厚度6 2 ：b 2 = 2 5 6 = 2 5 m m 。 2 3 图3 2 大齿轮 哈尔滨工程大学硕士学位论文 地脚螺钉直径嘛d ，= o 0 3 6 a + 1 2 = 1 9 4 5 2 m m , 取d ，= 2 0 m m 。 地脚螺钉数目r ：n - - - 6 。 轴承旁联接螺栓直径d l ：d l = 0 7 5 d f = 1 4 5 8 9 m m ，取d l = 1 6 m m 。 盖与座联接螺栓直径远：吨卸5 d f | = 9 7 2 6 m m ，取d 2 = 1 0 m m 。 联接螺栓杰的间距，；l = 1 0 0 m m 。 轴承端盖螺钉直径西：西= o 4 d t = 5 8 4 m m ，取d 3 = s m m 。 定位销直径出：d 4 = ( 0 7 0 8 ) , 2 = 6 8 - 7 。8 m m ，取d 4 = s m m 。 d ，, t l ，西至箱壁距离： c 1 = 2 4 m m ，c 2 - - 2 2 m m ，d o = 3 6 m m ，rq # 5 m m 。 轴承凸台半径r l ：足l = c 2 = 2 2 m m 。 大齿轮顶圆内箱壁距离a ，：a l = 1 2 8 = 1 2 m m ，取l = 1 4 m m 。 齿轮端面与内箱壁距离2 ；a 2 = 1 4 m m 。 箱盖，箱座肋厚辨i ，m 2 ：ml = 拼产t o m m 。 地脚螺栓为：螺栓g b 5 7 8 2 8 6m 2 0 1 0 0 ，两箱共1 2 个。 盖与座连接螺栓：螺栓g b 5 7 8 3 8 6m 1 0 x 6 0 ，两箱共1 2 个。 轴承端盖螺栓：螺栓g b 5 7 8 3 8 6m g x 3 0 ，两箱共8 个。 螺栓g b 5 7 8 3 8 6m 8 x 5 0 ，两箱共8 个。 视孔盖螺栓：螺栓g b 5 7 8 3 8 6m 6 x 3 0 ，两箱共8 个。 3 4 传动机构设计 1 传动轴的结构设计 确定小轴直径为4 0 m m ，大轴直径为6 0 m m ，选用轴的材料为4 5 号钢， 热处理方式为调质。由于轴的尺寸较大，故性能数据按毛坯直径d 。_ 2 0 0 r a m ， 得0 - b = 6 5 0 m p a 。 2 轴承的选择 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 选择型号为： 滚动轴承3 0 2 0 9 g b ，r 2 9 7 9 4 滚动轴承3 0 2 1 5 g b ，r 2 9 7 9 4 的轴承各两对。受力情况如图3 ，3 所示。 图3 3 轴承的受力 预计寿命i n = 2 4 0 0 0 h 3 联轴器的选择 大齿轮轴联轴器为：y 1 1 2 小齿轮轴联轴器为：y l d 8 y l d 8 j 3 5 x 6 0 j 1 4 0 x 8 4 两变速器联轴器为： y l d 8 j 4 5 x 8 4 j i4 5 x 8 4 电动机联轴器为： y l l 2 j 6 0 x 1 4 0 j 16 0 x 1 0 7 4 轴承盖的选择 j 7 5 x 1 0 7 j 1 7 5 x 1 0 7 g b 5 8 4 3 - 8 6 j 4 0 x 8 4 j i 3 5 x 6 0 g b 5 8 4 3 - 8 6 g b 5 8 4 3 - 8 6 g b 5 8 4 3 8 6 g b 5 8 4 3 - 8 6 轴承盖为凸缘式，轴承盖材料为h t l 5 0 ， ： 每种4 个，结构尺寸见图3 4 和表3 2 所示。 试验台升速及传动机构如图3 5 所示。 3 5 加载器的设计 1 结构形式 图3 4 轴承盏 堕玺鎏三堡态兰堡圭兰垡笙苎 表3 2 轴承盖结构尺寸 尺寸类型 ( 咖) 刀。见 e d 、 e l 坟 零件 大轴轴承盖 1 5 51 7 51 2 1 1 51 41 2 6 小轴轴承盖 1 0 51 2 59 67 0 1 08 1 123 4s 图3 5 升速及传动机构结构图 i 螺栓2 油封3 垫片4 - ，j 、轴5 轴承6 小轴承盖 7 大轴承盖8 连轴器9 电机1 0 齿轮l l - 轴承1 2 - 大轴 2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加载器的结构形式为液压控制齿轮齿条传动的加载方式，结构如图3 6 所示。 图3 6 加载器结构示意图 1 杠杆2 主缸3 主缸活塞4 - 大缸军盖5 大缸6 - 大缸活塞杆7 一齿条 s 油箱9 单向阀1 0 橡胶管1 1 二位二通阀1 2 管接头1 3 一金属管 2 液压系统的设计 ( 1 ) 油箱的技术要求圆 哈尔滨工程大学硕士学位论文 油箱中应设置吸油滤油器，其精度为1 0 0 - 2 0 0 目。要有足够的容量， 以免入口阻力太大。设计的通过面积应大于吸油管断面的两倍以上，即具有 泵吸入量两倍以上的过滤能力。因经常清洗，在油箱结构上要考虑到安装拆 卸方便。 油箱底适当倾斜，并安设放油塞。 在油箱侧壁安设与壁等高的油位指示计，以指示最高最低油位。注油 器应带有滤网。油箱上并装设温度计。 为了防锈、防凝水，油箱内壁应用好的耐油材料。 ( 2 ) 活塞、主缸的材料为：h t l 5 0 ；大缸的材料为：h t l 5 0 ( 3 ) 选用活塞密封圈大：y x 形密封圈d 9 0 ；小：y x 形密封圈d 4 0 ( 4 ) 选用钢丝编织胶管胶管接头1 9 1 1 1 1 0 0 0 y b l 8 8 5 7 7 ( 5 ) 缸的单向阀直通单向阀d i f - l 2 0 hm 2 7 2 ( 6 图3 7 加载状态 1 主缸2 = 位二通阀3 单向阀4 油箱5 - 加载缸 ( 7 ) 油路工作原理