（机械设计及理论专业论文）双质量飞轮扭转疲劳试验台的研究.pdf

flllllii ri ii ir lr lrli ri 17 4 0 9 6 9 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，双质量飞轮扭转疲劳试验台的研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 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。 作者签名：强岖以月垂日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲三藩 导师签名： 诹年月出日 摘要 汽车工业面对现在空前的发展机遇己确立为我国发展的支柱产业，它为国民经济 的发展起到了带动的作用。因此，提升汽车质量势在必行。汽车总成和汽车零部件需 要更严格的要求。传动系统是负责传递动力让汽车发挥行驶功能的必需装置，双质量 飞轮是汽车传动系统的主要机构之一。所以需要对双质量飞轮的结构和零部件的扭转 疲劳和扭转刚度等性能需要采取必要的测试和分析，这也可以为产品质量和设计的发 展和改进提供可靠的依据。并缩短产品的开发周期和提高产品质量。 本文针对国外一些比较先进的飞轮试验台系统，结合长春泰斯特科技有限公司的 汽车双质量飞轮试验台项目，研究双质量飞轮扭转疲劳的测试平台。该试验台既可用 于扭转刚度测试、阻尼系数测试，又可用于扭转疲劳试验，一机多用。以高端工业控 制计算机为核心，对试验过程实现自动控制及数据采集、处理与存储的自动化。同时， 以此为依据，还可以为双质量飞轮的进一步研究和开发提供可靠数据。 关键词：传动系统双质量飞轮扭转疲劳 a b s t r a c t a u t o m o t i v ei n d u s t r yi sn o wf a c e dw i t hu n p r e c e d e n t e d o p p o r t t m i t i e sf o r d e v e l o p m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e da sap i l l a ri n d u s t r yf o rc h i n a sd e v e l o p m e n t ，i t s d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m yh a sp l a y e dal e a dr o l e t h e r e f o r e ，t oe n h a n c et h e q u a l i t yo fc a r si si m p e r a t i v e a u t oa s s e m b l ya n da u t op a r t sn e e dt ob em o r es t r i c t r e q u i r e m e n t s t r a n s m i s s i o ni sr e s p o n s i b l ef o rt h et r a n s m i s s i o np o w e rs ot h a tv e h i c l e s t r a v e l i n gt op l a ya ne s s e n t i a lf u n c t i o no fd e v i c e s ，d u a l m a s sf l y w h e e li so n eo ft h e m a j o ra u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h en e e df o rd u a l m a s sf l y w h e e lt or e v e r s e t h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t sp e r f o r m a n c es u c ha sf a t i g u ea n dt o r s i o n a ls t i f f n e s sn e e d t ot a k et h en e c e s s a r yt e s t i n ga n d a n a l y s i s ，w h i c hc a na l s op r o d u c tq u a l i t ya n dd e s i g no f t h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n tt op r o v i d ear e l i a b l eb a s i s a n ds h o r t e nt h e p r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l ea n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，s o m eo ft h em o r ea d v a n c e df o r e i g nf l y w h e e lt e s tb e ds y s t e m ， c o m b i n e d 州戗lt e c h n o l o g yc o ，l t d c h a n g c h u nt e s t ，d u a l m a s sf l y w h e e lt h ec a r t e s t b e dp r o j e c tt os t u d yt h ed u a l - m a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lf a t i g u et e s tp l a t f o r m t h e t e s ts t a n du s e df o rb o t ht o r s i o n a ls t i f f n e s s t e s t i n g ，d a m p i n gt e s t s ，b u ta l s of o rt h e t o r s i o nf a t i g u et e s t ，am u l t i - p u r p o s em a c h i n e t oh i g h - e n di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r a st h ec o r eo ft h et e s t i n gp r o c e s st oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n ga n ds t o r a g ea u t o m a t i o n a tt h es a m et i m e ，a sab a s i s ，b u ta l s o t h a tt h e d u a l - m a s sf l y w h e e lf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt op r o v i d er e l i a b l ed a t a k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n ，d u a l - m a s sf l y w h e e l ，t o r s i o n a lf a t i g u e n 目录 摘要i a b s t r a c t _ i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 双质量飞轮扭转疲劳试验的国内外现状3 1 3 论文研究的内容4 第二章双质量飞轮疲劳试验研究5 2 1 双质量飞轮力学模型5 2 2 试验的影响因素8 2 2 1 扭精亏彰劈矽，学成拦彪学绲，j 剪1 0 2 z 2 阻尼对总成性能的影响1 1 2 3 试验方案13 第三章双质量飞轮扭转疲劳试验台的结构设计j 1 5 3 1 驱动系统1 5 3 2 数据采集及分析18 3 3 传动系统设计2 2 3 4 控制系统设计2 6 第四章试验分析2 9 4 1 试验方法及步骤2 9 4 2 试验结果3 5 4 3 试验结果分析41 致谢4 2 参考文献4 3 l 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论弟一早三百化 工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验才 能确定他们的力学性能。在了解了这些性能以后才能使设计合理、使用可靠。试验机 是一种用于研究与检测材料、零部件、各类产品的力学性能与可靠性的测试仪器，在 各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中进行力学 性能测试，是科研、生产部门必备的基本设备。因此，试验机在国民经济中占有相当 重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业水平。 疲劳是固体力学的一个分支，是指在某点或某些点承受交变应力，且在足够多的 循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发 展过程。材料或构件疲劳具有以下特点： 1 ) 只有在承受交变载荷作用的前提下，疲劳才会发生。所谓交变载荷，是指随时 间变化的力、应力、应变、位移等，载荷随时间变化可以是规则的，也可以是随机的。 2 ) 疲劳裂纹起源于高应力或高应变的局部。疲劳破坏则由应力或应变较高的局部 开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。零件应力集中处，常常是疲劳破坏的起 源。 3 ) 疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。 4 ) 疲劳是一个发展过程。 由于交变载荷的作用，构件一开始使用，就进入疲劳的发展过程。裂纹萌生和发 展，是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的 终结。这一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数，称为“寿命 。它不仅取决 于载荷水平，还依赖于其作用次数或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。 为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类。断裂周次在1 0 5 一1 0 7 或更高的疲劳现象称为高周疲劳，断裂周次低于1 0 5 的疲劳称为低周疲劳或低循环疲 劳。高周疲劳常常又叫做“弹性疲劳”或“应力疲劳”，而低周疲劳则被称为“塑性疲 劳或“应变疲劳 。一般认为，高周疲劳研究涉及在循环载荷作用下变形与应力为比 例关系的疲劳破坏问题，低周疲劳领域则关心变形与应力之间不成比例关系的疲劳破 坏问题，即在循环载荷作用下，材料危险点的循环应力一应变关系因塑性应变较大而 产生明显的迟滞回环，在这种情况下应变幅值作为控制参数将按一定规律制约疲劳损 伤的进程。疲劳设计法在零件尚未制造出来以前，可以利用计算方法预估零件的疲劳 强度和寿命，在初步设计阶段有着重要作用。但它无法考虑各种影响因素之间的相互 干涉作用，为了精确确定其疲劳强度或寿命，往往还要进行验证性疲劳试验，因此模 拟零件服役载荷条件的全尺寸模型模拟疲劳试验发展很快。电子计算机控制的电液伺 服疲劳试验装置的出现和发展，给这种试验创造了条件。 金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断 裂的现象称为疲劳破坏。疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。在 工作应力超过疲劳极限时，由于循环应力的反复交变，工件上应力最大或材料最薄弱 的地方首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，当裂纹面 上的应力达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。断裂时，宏观上没有明显的塑料 变形，因此表现为脆断。 对于一般的碳钢，在应力下降到一定程度时，如果经受1 0 7 次循环仍不破坏，试验 证明循环继续下去工件也不会发生破环。如今，现代工业正在向着高速、高温、高压 的方向发展。严重威胁着现代工业设备安全的疲劳破坏问题日益突出。疲劳破坏是机 械结构最常见的失效形式。据统计，在机械零件和工程构件的三种主要失效形式( 磨损、 腐蚀和断裂) 中，疲劳破坏约占机械破坏事故中的5 0 一9 0 。疲劳试验是指用一组试样、 模型或全尺寸零部件在循环载荷下进行试验，以提供材料或零部件的某种疲劳性能数 据的过程。疲劳试验机就是用来测试材料疲劳极限或疲劳寿命的试验机。大范围推广 疲劳性能测试很有必要性。首先，疲劳性能测试可保证结构件的安全性，防止疲劳破 坏和安全事故的发生；其次，高精度的疲劳试验可以在结构件设计时减小其安全系数， 从而达到节约材料，减轻重量的目的。近几十年来，随着机械向高温、高速和大型化 方向的发展，机械的应力越来越高，使用条件越来越恶劣，疲劳破坏事故更是层出不 穷。因此，许多国家越来越重视疲劳极限的研究工作。所以，开展疲劳极限的研究工 作在机械制造业中是十分重要的。 疲劳是固体力学的一个分支，主要研究材料或结构在交变载荷作用下的强度问题， 研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。疲劳设计法在零件尚未制造出来以前，可 以利用计算方法预估零件的疲劳强度和寿命，在初步设计阶段有着重要作用。但它无 法考虑各种影响因素之间的相互干涉作用，为了精确确定其疲劳强度或寿命，往往还 要进行验证性疲劳试验，因此模拟零件服役载荷条件的全尺寸模型模拟疲劳试验发展 很快。电子计算机控制的电液伺服疲劳试验装置的出现和发展，给这种试验创造了条 件。 同时汽车是高速运动并承载的机械，它的结构设计一定要考虑动态性能，不能按 照静态设计的方法。但是汽车作为一种交通工具，要求有高度的可靠性和安全性，这 与结构轻量化常常是矛盾的。汽车所承受的外部载荷是随时间而变化的动态载荷，其 中大部分是循环动态随机载荷。在这种载荷作用下，汽车的许多构件上都产生动态应 力，引起疲劳损伤，其破坏形式是疲劳断裂。所以，汽车结构上的疲劳设计是至关重 2 要的。 本课题是以在实际工程项目中用到的扭转疲劳试验机电气控制系统的设计任务为 背景展开的，着重对双质量飞轮扭转疲劳进行研究。双质量飞轮是汽车传动系统的重 要组成部分，其质量的好坏直接影响到传动系统的性能，从而影响到整车的质量。因 此对其进行扭转疲劳和扭转刚度试验来测试其使用寿命和传动效率就很必要了，并为 产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的研发周期和提高产品的质量。 研制自动控制的汽车双质量飞轮扭转疲劳试验台，实现对各种汽车飞轮扭转刚度和扭 转疲劳试验，测试飞轮的性能，质量，参数等等，来检验双质量飞轮能否满足相关技 术指标的要求。记录实验数据并进行分析处理，然后对特性曲线等试验结果进行数字 化输出。从而实现了检修的自动化、数字化、智能化，建立汽车飞轮的参数数据库， 便于检索，便于管理。能直观的显示出现的问题，便于维护，大幅的提高工作效率， 从而提高汽车飞轮检修的效率和质量，降低检修的成本，为汽车飞轮检修由定期维护 向状态维护提供了保障，提高汽车飞轮检修管理水平，从而实现对汽车双质量飞轮状 态的实时控制。， 1 2 双质量飞轮扭转疲劳试验的国内外现状 微电子技术和计算机技术的发展推动了计算机的广泛应用。二十世纪八十年代初， 国外就己经出现了计算机测控的材料试验机，并形成系列产品，如英国i n s t r o n 公司 的h i s t r a n 8 0 0 系列，美国m t s 公司的a l p h a 系列，日本岛津公司的a g a 系列等， 从而实现了材料试验机的自动化、智能化，大大减轻了试验人员的劳动强度，提高了 试验效率，扩充了试验范围，并使试验精度大幅度提高。 目前，试验机产品已经普遍采用计算机控制，其技术结构方面是模拟式逐渐被数 字化和全数字化所取代，由提供数据向提供方法和结果的方向发展：产品结构方面，从 技术密集型逐步转向高技术密集型，达到产品结构的最佳化。总之，现代试验机产品 己实现了计算机化、智能化、数字化、自动化、节能化、微型化和超大型化。试验机 今后的主要发展趋势是对现有的高技木密集型产品的开发和发展，充分利用新材料， 广泛应用机械手和机器人技术以及现代化的通讯技术。 在我国，疲劳试验研究的深度和广度都在不断加大，但是只在航天等尖端部门应 用到抗疲劳设计，一般的机械设计并没有得到广泛的普及，只在曲轴等少数零部件上 使用抗疲劳设计。现在，我国已经有很多科研单位、高等院校进行了有关疲劳设计的 工作。在疲劳试验数据处理方面取得了一定成绩，有的工作已经达到了世界水平。在 疲劳机制，疲劳失效分析，典型零部件的疲劳强度、腐蚀疲劳、基础疲劳、低周疲劳 和表面强化等方面都开始了一些工作。特别是最近几十年来，科研单位开展的一系列 的试验研究工作，大大加快了疲劳的研究速度，例如中国汽车工业总公司重庆汽车研 究所对z c a a 型汽车转向传动轴扭转疲劳试验台的开发，试验台可以控制整个试验 3 使之自动进行，并可以设置多种参数，可以存取试验数据，但是该试验台对扭矩的显 示部分有待完善，扭矩信息的显示并不是很准确，并且没有对试验数据的打印功能， 试验台采用的液压伺服系统，工作噪声比较大，这些问题都需要改善。总的来说，与 发达国家相比，我国还有一定的差距。 1 3 论文研究的内容 针对当前国内汽车双质量飞轮扭转疲劳试验台自动化程度较低，精度虽然已经有 了较大程度的提高，但是，还需要不断完善。本文研究的是适合大多数汽车飞轮性能 测试的平台。同时，借助此试验台，还可以为双质量飞轮产品的进一步研究和开发提 供可靠数据。本论文研究的目标就是要研制一种智能化的、人机交互的、稳定性和精 度高、实现汽车双质量飞轮性能试验过程可以按照事先设置的模式以及参数进行控制， 试验数据的自动采集和分析处理，试验曲线实时显示的检测系统。同时，保存检测的 数据到p c 中，以便于对试验数据进行分析、计算和输出，应当具有数据保存和与p c 进行通信传输数据的功能。 市场上可以见到许多成熟的双质量飞轮扭转疲劳试验机，有些还形成了产品的系 列化。这些产品的技术功能相对来说比较成熟，基本上可以满足一般工业企业的生产 需求。而对于重工业或技术性、研发性较高的企业或部门来说，在市面上所能见到的 扭转疲劳试验机种，无论是从产品功能，还是从功率特性上都很少有达到需求与供给 的理想平衡点，这在一定程度上制约了这些企业的产品改造与研发，限制了企业的创 新能力和发展。此外，随着我国经济形势的蓬勃发展，工业( 尤其是重工业) 部门对该 产品的需求日益增大，而国外产品的价格一直居高不下，对我国的技术封锁也比较严 重，因此尽快开展这方面的研究并快速形成产品显得十分迫切。本论文就是在这种背 景下完成的，希望能够对我国扭转疲劳试验机的发展起到一点积极作用。 本试验系统主要用于汽车双质量飞轮扭转疲劳寿命试验，为综合性机电一体化汽车 零部件成套实验设备，该设备采用了计算机自动控制技术，根据不同的产品类型进行 多种参数设定( 例如扭转力矩，扭转角度等) ，以保证试验准确运行，当系统出现拉力 过大等异常情况时，可自动保护系统及试件，并立即提示出具体的报警情况。完成试 验后，各试验数据可以存盘，操作人员可以在任何时候处理完成的数据。可以根据试 件编号、日期查询、打印、分析试验数据，使整个试验过程为自动进行。为产品开发 提供了方便和依据。疲劳试验系统属于技术密集型的测试装置，涉及到机械、液压、 电子、材料、测量、自动控制等许多技术领域，且还综合了近代闭环伺服、数字显示、 机电一体化以及电子计算机等高新技术。 4 第二章双质量飞轮疲劳试验研究 2 1双质量飞轮力学模型 本章针对某一国产车的动力传动系，以实际应用的某种减振器一两级弹性特性双 质量飞轮的质量、刚度及阻尼建立模型，仿真分析对总成的影响。 双质量飞轮式扭振减振器是通过改变传动系的质量，刚度和阻尼来实现对汽车动 力传动系扭振综合控制的一种新型扭振减振器，对于消减汽车动力传动系的扭振以及 降低变速器、主减速器的齿轮噪声等都优于传统离合器式扭振减振器，随着汽车技术的 发展，汽车某些性能上得到改进，但传动系的扭转振动增大了，扭振控制的难度也加大。 柴油机在轿车上的应用，使得双质量飞轮成为必选配置。国内外一些研究机构和企业已 使用减振性能更佳的非线性扭振减振器。 双质量飞轮是由第一质量、第二质量和弹性元件三部分组成。其结构如图1 所示。 第一质量与发动机曲轴输出法兰盘相连接，第二质量通过一个轴承安装在第一质量上， 第二质量上又安装有离合器壳等，第一质量和第二质量之间设置了弹性机构和阻尼机 构，并通过弹性机构传动实现二者的相对转动以吸收扭矩的能量。 2 + 十 e 瀵参 荔 秒 磁 扩 3 1 第一质量2 第二质量3 弹性元件 图l 双质量飞轮原理与结构图 该装置应在怠速时具有较小的刚度以衰减发动机扭转振动，而在正常行驶时，则需 鋈鬻霉 要较大的刚度来传递发动机的扭矩，因此传统的单级线性特性减振器就不能满足要求， 于是提出多级非线性型式，并且很多新结构被开发出来。多级非线性形式的减振器具有 很多优良的性能，第一、在传动系中引入柔性环节，降低发动机一变速器振动系统的固 有频率，避免怠速时发生共振；第二、改变传动系扭转阻尼，抑制共振及衰减瞬时扭矩 冲击；第三、在汽车的各个工况下，对传动系都有很好的减振隔振效果；第四、显著 提高了换档的平顺性。 秘j 勤j一 姒 q 一 = 馘 磊 焉 了 一酗 图2 两级分段线性工作特性 双质量飞轮只能用非线性弹性特性和阻尼特性来完成上述的多种扭振控制任务， 需要根据车辆不同的工况来匹配对应的弹性特性和阻尼特性，即非线性工作特性。工程 上应用较多的工作特性为渐硬的分段线性弹性特性以及非线性干摩擦阻尼或者粘性阻 尼特性，一般第一级为怠速级，主要来衰减怠速工况或其他小负荷、小扭矩工况时的传 动系扭振：其他级为行驶级。目前国外主要采用的多级双质量飞轮一般具有两级或三级 分段线性特性。图2 为双质量飞轮典型的两级分段线性工作特性。两级分段线性工作 特性双质量飞轮，影响其性能的主要因素有非线性刚度、阻尼、干扰力振幅、两级弹簧 间隙、以及转动惯量等。图3 为两级飞轮力学模型。 6 图3 两级乜轮振动力学模型 五：第一质量的质量；厶：惯性块质量； k7 ：第一根弹簧刚度； k 仑：第二根弹 簧刚度；c7 ：第一根弹簧的阻尼系数；c ：第二根弹簧的阻尼系数；r ：驱动半径；c o o ： 惯性块角速度；e ：分段弹簧间的间隙；x ：第一质量的绝对位移。弹性力的非线性 部分f ( x ) 为 姒窘一盯卜t 0 4 ) = 呜詈 ( 2 - 1 ) 阻尼函数f l ( x ) 为 胁，= 寞x ：e 翟 2 ， 由弹性力、阻尼力、干扰力，得到其非线性振动方程为 i x + f ( x ) + f ( x ) - p s i n c o o t = 0 ( 2 3 ) 七。= k + 七。；c ”= c t + c 。； 其邙1 = 1 + 1 1 ；p = i | 以a ，0 作为振幅和相位来表示x ，x ，x x = a s i n ( c o o t + o ) ，x 。= a c o o c o s ( c o o t + o ) ，x “= a c 0 0 2s i n ( c o o t + t ? ) 7 ( 2 - 4 ) 得到关于振幅、刚度、阻尼、激振力和振动频率的关系式 彳2 ( 七一2 ，) 2 + c ，2 彳2 西= p 2 一e a e a k 瓜石丽：七瓜丽砜+ 础。 彳e a k ”瓜万丽：k e 拓i 丽丽+ p k 。 彳一p ( 2 5 ) 确定关系式( 2 - 5 ) 中的弹簧间隙、刚度、阻尼和激振力，就可以得到振幅与频率的 关系曲线，即共振曲线，同时亦可通过改变弹簧间隙、刚度、阻尼和激振力中的一个或 者多个，来考察这些参数对共振曲线的影响。图4 给出了两级弹簧刚度、阻尼系数、 干扰力振幅和两级弹簧间隙在理论上对飞轮共振曲线形状的影响。 图4 弹簧间隙对共振曲线的影响 2 2 试验的影响因素 对于一个双质量飞轮第二质量和第一质量的转动惯量比有一个最优值，在a d a m s 中 设一个变量来表示这一比值( 本文用第二质量比第一质量) ，这样就可以对该变量来进 行优化，并在此过程中考察该变量参数对总成系统的影响。仿真如图5 图7 。由仿真 曲线可知，只有在怠速和空档的时候取得了最优解，约为0 6 6 7 3 ，而从行驶工况上看，为 保证输出转速振幅最小，选取的原则是比值尽量小。 8 萼 乏 _ ， 、 鎏 蓬 楚 糕 t - i 豪 ： _ 一 溪 遵 勺 基 v 、 聪 圣争 攀 越 截 舞 萋 藩 图5 怠速时转速振幅对质量比仿真曲线 图6 空档提高转速时转速振幅对质量比仿真曲线 9 质量1 2 1 1 图7 行驶最大功率时转速振幅对质量比仿真曲线 2 2 1 扭转刚度对总成性能的影响 双质量飞轮的扭转刚度也是影响总成性能的一个重要参数，以总成的扭转刚度为 变量。由仿真曲线可知刚度没有最优解，选取的原则是刚度值在准许的范围内尽量小。 仿真结果如图8 和图9 。 图8 怠速时转速振幅对刚度仿真曲线 1 0 芝鼍量警避巡黉霞莲溪 甓毫堇、馨避塾蓑爱善簿 j 陬 斌 篱 k 、_ ， 馨 避 涮 潲 爰 _ 萋 图9 行驶最大功率时转速振幅对刚度仿真曲线 2 2 2 阻尼对总成性能的影响 从以往仿真试验过程中得出经验，阻尼存在，系统的振动收敛，振幅衰减得较快，可 以达到较好的减振效果，但是究竟阻尼参数对总成的输出有什么样的影响? 是否存在 一个最优值? 在设计过程中应如何选择阻尼这个参数? 这些问题都还没有一个理论上 的解决方法，实际中阻尼的匹配都是依靠经验与试验。通过仿真试验探讨阻尼的优化， 以及阻尼对飞轮性能的影响问题。仿真结果如图l o 和图1 1 。 ， 甓 、 翟 、- ， 、 警 鬻 馘 谰 畏 。 _ _ 塞 阻怒参数删m s r o d 图1 0 怠速时转速振幅对阻尼仿真曲线 董 、_ ， 、 馨 篷 馘 爱 蓬 - _ 一 纂 隘慰参数溺瀚婢翻 图1 1 行驶最大功率时转速振幅对阻尼仿真曲线 由仿真图可知，在怠速和行驶工况下，输出转速的振幅随着阻尼的增大而增大，并 分别大约在1 7 5 n m s r a d 和6 7 n m s r a d 处达到最大，此后振幅不再随阻尼增大而增 大，因此阻尼的选取原则应该在0 - 1 7 5 n m s r a d 范围内尽量小。综上，以双质量飞轮 式扭转减振器总成的输出转速振幅为目标，仿真得到了d m f 在怠速与行驶工况下的质 量、刚度和阻尼曲线。优化计算结果确定该车传动系统匹配的双质量飞轮的总成质量 比为0 6 6 7 3 ，阻尼为0 0 3 n m s r a d ，怠速时刚度为2 1 4 2 8 5 7 n m s t a d ，行驶时刚度为 1 0 2 7 2 1 n m r a d ，根据发动机怠速扭矩及扭矩波动幅值确定弹簧间隙为1 3 6 8 m m 。具 体参数值还需要具体试验来进行调整。同样，以输出转矩振幅为目标进行仿真分析，也 得到了相似的结论。现假设发动机输出扭矩最大振幅为某常数，来仿真验证。按照上述 方法确定参数的飞轮仿真得到其减振性能如图1 1 ，很明显，设计的飞轮能较好地衰减发 动机的转速波动。 1 2 嚣蓉萋塞薹墓量羹羹萋羹蠢嚣嚣蓬嚣曩曩蠢萋薹嚣萋塞嚣 发动蓼暾澎( 蚋髓i n 图1 2d m f 对转速波动的衰减性能曲线 通过对双质量飞轮的性能参数变化对飞轮影响的理论分析和具体仿真分析，得到 动力传动系的一组参数，双质量飞轮的优良减振性能。采用a d a m s 建立模型，进行虚拟 样机的仿真分析，从而减少产品开发周期和费用。 2 3 试验方案 当前国内应用的双质量飞轮疲劳试验台存在的主要问题是自动化和智能化程度较 低，载荷控制手段相对落后等，同时试验的精度还有待进一步的提高。为了解决这些 问题，后来的研究者对类似的飞轮扭转疲劳试验系统又做了一些改进，但是实际效果 并不明显。这表明，仅仅靠优化某一部分或若干个部分的性能对于提升整个系统性能 的意义已经不是很大，必须从总体构成上进行一次革新。这也是为真正实现飞轮扭转 疲劳试验的自动化和智能化所同时要求的。 综合考虑试验精度的要求、试验台架成本以及试验方案的可优化性能，双质量飞轮 扭转疲劳试验系统应具备以下特点： 1 该试验台既可用于扭转刚度测试、阻尼系数测试，又可用于扭转疲劳试验，一 机多用。 2 控制部分以高端工业控制计算机为核心，对试验过程实现自动控制及数据采集、 处理与存储的自动化。实时显示试验曲线。以表格形式输出各项性能参数。实现零点 调节、增益调节、参数设定、传感器标定软件化。 3 系统设置安全防护措施和自动报警功能。 4 软件系统建立数据库，用于存储历史试验数据。便于检索及后处理。 试验台各部分框图如下： 激振器伺服电机 静扭加载伺服电机 系统运行指示灯 故障报警器 微机测量接口电路 微机控制接口电路 电控柜 褪一胤瑚一础趣 一 硬 一m叼一器一器一o， 一编一码一码一臻 一机一编一编一拇一珏乜一如仉一密仅一喀瑚器一服一电一角一嗽感一伺一服一轮一攒 懈一一一一一一一 矩一振一扭一级一一一圳一棚一瓤 第三章双质量飞轮扭转疲劳试验台的结构设计 疲劳试验台的硬件系统是整个电气控制系统的重要组成部分，由它进行电机控制、 电机驱动、数据采集等，完成技术指标中所规定的工作。重点在于选定器件之后，要 使整个系统协调起来，不易受外界干扰，能够正常工作。由系统技术要求可知，根据 设计要求，本实验台由驱动系统、数据采集系统、传动系统、控制系统组成。 3 1 驱动系统 在控制部分方面，主要体现在控制器和控制方案的选择上。在控制器选择上，现 有两种方案：( 1 ) 采用单片机系统模式。( 2 ) 采用工控机系统模式。由于疲劳试验机的工 作周期长，需要处理记录数据量大，精度要求高，而受单片机字长和工作频率的限制， 8 位、1 6 位单片机的数据处理能力有限，无法承受在进行大量数据的输入输出的同时， 还要进行数据计算与显示，并且单片机的各类接口有限，需要外部扩展，这给单片机 系统设计带来难度，增加了成本。所以，采用单片机系统模式的扭转疲劳试验机功能 不强，使用不方便。所以决定采用工控机系统模式。在控制方案上，根据要求，扭转 疲劳试验需要实现扭转电机的变频调速和正反转功能且不能超过允许的误差范围，所 以扭转疲劳试验使用交流永磁同步电机，由于a c l 一8 4 5 4 是一款通用定时器计数器 及数字量f 0 卡，它内部的8 2 c 5 4 定时器计数器芯片可以用来进行频率测量与脉冲输 出，适合实现扭转电机的变频调速。亦可发出高低电平，配合相应的接口电路，可用 于控制扭转电机的转向和普通电机的启动和停止。此外，它提供了8 路数字量输出与 最多1 6 路数字量输入，完全符合本系统设计的要求。 电动机的选用，首先要了解电动机的机械负载特性，根据机械负载的类型和特性 考虑电机的主要性能、额定功率大小、额定转速及结构形式等方面要满足要求；优先 选用结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理的电机。也就是说，所选的电动机应 适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。功率选用时不能太大，也不能太小。 选小了，保证不了电动机和生产机械的正常工作；选大了，虽然能保证正常运行，但 是不经济，电动机容量不能被充分利用，而且电动机经常不能满载运行，使得效率和 功率因数不高。其次，根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与频率同 供电电源电压与频率相符合。电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择，否 则可能改变生产机械的性能。此外，电动机的结构、防护、冷却和安装形式，应适应 使用环境条件的要求，并且要力求安装、调试、检修方便，以保证电机能安全可靠运 行。 1 静扭加载机构 设计要求加载力矩最大4 5 0 n m ，力臂1 2 0 r i o n ，丝杠推力为 1 5 f = 4 5 0 0 1 2 = 3 7 5 0 n 设力臂摆幅6 0 。时加载频率可达到1h z ，按正弦规律加载，则螺母最高瞬时 线速度为7 9 0 m m s ，取螺距为2 0 m m ，要求丝杠瞬时最高转速为2 3 6 9 r m i n 丝杠推力3 7 5 0n ，螺距2 0 m m ，效率8 5 ，要求电机转矩为1 4n m 设电机额定转速2 0 0 0 r m i n ，要求额定功率为2 9 5k w 。留有一定余地，选取3 5 k w 的电机。 2 高频激振器 设计要求激振器加载扭矩l o o n m ，单个偏心轮产生扭矩2 5 n m ，偏心轮回转中心 到机构中心的距离为7 5 n n ，要求偏心轮离心力3 3 3 n 。偏心轮质心到其回转中心的距离 为3 0 r a m ，转速3 0 0 0 r m i n ，要求偏心质量为0 1 1 3k g 。 当偏心轮处于图1 3 右上图所示位置时每个偏心轮重力对小齿轮的力矩为 0 0 3 4 n m ，每个小齿轮偏心轮组的支承轴承计入0 2 5 n m 的摩擦力矩，则小齿轮偏心 轮组的运行阻力距为0 2 8 4 n m 。大小齿轮的传动比为2 ，4 组小齿轮偏心轮对中央齿轮 的阻力矩为0 2 8 4 4 2 - - - - 2 2 7 n m ，大齿轮两个轴承计入0 5 n m 摩擦力矩，则驱动电 机的负载为3 2 7n m 。 小齿轮最高转速3 0 0 0 r m i n ，则大齿轮最高转速为1 5 0 0r m i n ，设电机额定转 速为2 0 0 0 r m i n ，则电机额定功率为6 8 5w 。为可靠起见，选用1 0k w 的电机为好。 1 偏心块2 中央轮3 小齿轮 图1 3 激振器工作原理图 1 6 主要元器件选型 1 静扭交流伺服电机( 1 件) 型号：m d m a 3 5 2 a 额定功率：3 5k w 额定转速：2 0 0 0r m i n 最高转速：3 0 0 0r m i n 额定转矩：1 6 6 n m 最大转矩：5 0 o n m 带编码器：2 5 0 0p r 增量式 外形尺寸：1 5 0 1 5 0 2 1 9 姗 2 伺服电机控制器( 1 件) 型号：m d d a 5 0 3 a 输出功率：5 ok w 工作电压：三相交流2 0 0 v 3 交流伺服电机( 1 件) 型号：m d m a l 0 2 p i g 额定功率：1 0k w 额定转速：2 0 0 0r r a i n 最高转速：3 0 0 0r m i n 额定转矩：4 8n m 最大转矩：1 4 4 n m 带编码器：2 5 0 0p r 增量式 外形尺寸：1 3 0 1 3 0 1 4 7 衄 4 伺服电机控制器( 1 件) 型号：m d d d t 3 5 3 0 输出功率：1 0k w ( 日本松下) ( 日本松下) ( 日本松下) ( 日本松下) 工作电压：三相交流2 0 0 v 根据实验要求，驱动系统采用发动机最大功率应达到1 6 0k w 3 0 0 n m 5 0 0 0 r m i n ， 最大加载扭矩( 按发动机额定转矩的1 5 倍考虑) 应达到4 5 0n m ，0 5 ，最小加 载扭矩( 按发动机额定转矩的0 2 倍考虑) ：6 0n m ，0 5 ，扭转角度范围：一 6 0o + 6 0 。，0 1 。加载频率范围：0 3 0h z 。 本系统主要用于对各种规格的双质量飞轮总成进行扭转刚度试验和扭转疲劳试 验。可根据不同的工件类型进行多种参数设定( 例如扭转速度，扭转角度和扭转次数 等) ，以保证试验准确运行，当系统出现拉力过大等异常情况时，可自动保护系统及工 件，并立即提示出具体的报警情况。实验作人员可以在任何时候打印当前显示的扭矩 1 7 波形，并在打印的同时将当前显示的扭矩数据存入数据库：完成试验后，可以根据工件 编号查询、处理存储的数据，使整个试验过程自动进行。 3 2 数据采集及分析 传感器是控制系统的关键环节之一，它处于连接被控对象和控制系统的接口位置， 也就是在主控电机和传动轴之间，本设计中用来采集试验台上转轴的转动力矩，它的 性能直接影响控制系统的精度和稳定性。因此，传感器应具有良好的稳定性、高分辨 率和灵敏度，并且应具有较强的抗干扰能力。传统的转矩传感器通常采用电阻应变电 桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来藕合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环 属于摩擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及 导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起测量信号的波动及 误差的增加，因此，如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠的藕合己成为转矩传感器 最棘手的问题，而j n 3 3 8 智能数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。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 感器还可以同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率。因此，该 传感器可以实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。 j n 3 3 8 的主要特性如下： 1 ) 检测手段为应变电测技术： 2 ) 测量精度高，信号检出、处理均用数字技术： 3 ) 抗干扰能力强，无需调零即可工作： 4 ) 可靠性强、信噪比高，工作寿命长： 5 ) 既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩： 6 ) 能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态扭矩： 7 ) 无需反复调零即可连续测量正反转矩： 8 ) 无集流环、电刷等磨损件，可高速超常运行： 9 ) 转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关： 1 0 ) 测量弹性体强度大，可承受15 0 过载： 1 1 ) 体积小、重量轻、安装方便，有套装式、卡装式、连轴式等多种安装方式： 1 2 ) 输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。 由于板卡本身就具有测频功能，因此传感器的转速信号输出端不必接在w v 转换 器上，可以直接与测频信号线相连，经过光电隔离接口电路后，输入到板卡。 转矩传感器在旋转轴上安装着6 0 条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由 发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的 光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时， 1 8 光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到6 0 个脉冲，因此，每秒钟检测到 的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。轴输出功率可由转矩传感器输出的转速及转速值 经运算后得到，计算公式为： p = m n 9 5 5 0 p 为轴输出功率( k w ) ；m 为转矩( n m ) ；n 为转速( r m i n ) 。 j n 3 3 8 转矩传感器信号输出形式如下： 零转矩：l o k h z 5 0 h z ： 正向旋转满量程：1 5 k h z 5 0 h z ； 反向旋转满量程：5 k h z 5 0 h z ； 信号幅值：0 8 v ；负载电流：4 0 m a 。 在有效的量程范围内，传感器的转矩频率输出与对应的转矩值基本上成线性关系，实 际应用中，如果测量准确度要求不超过标称值，一般不需要通过逐段参数标定来完成 计算。 因为在疲劳试验台的设计要求中提到要对传动轴的转矩进行实时的采集，由此来 判断转矩是否超限，因此要跟据测频来计算转矩的大小。下面给出了转矩测量计算公 式： 正向转矩输出值为：m 口= n ( f - f o ) ( f p 一石) 反向转矩输出值为：m ，= ( 五一厂) ( 兀一，) 上两式中：m p ：正向转矩；m ，：反向转矩；n ：转矩满量程；无：正向满量程输 出频率( k h z ) f ：反向满量程输出频率值( k h z ) ；f ：实测转矩输出频率值。 以上公式可以将测得的频率转换为扭矩，这个算法将在程序中得到体现。 安装使用传感器j n 3 3 8 传感器时要注意以下几点问题： ( 1 ) 应使用两组联轴器将传感器安装在动力源和负载之间，即安装的试件与电机旋 转轴之间； ( 2 ) 要使用挠性、弹性或方向连轴器，以保证同心度小于0 1 ； ( 3 ) 动力及负载必须固定牢靠以避免振动； ( 4 ) 要将传感器的基座与设备的基座固定牢靠，中心高度需调节合适，并应避免产 生附加转矩。 数据采集卡输入输出板卡是控制器与外部执行机构、伺服单元和传感器相互通信 的主要通道，是系统实现实时控制的关键组成部件，其重要性不言而喻。在设计中数 据采集输入输出板卡用来实现采集传感器传来的频率、发出指令脉冲给驱动单元来控 制电机转速、发出