（机械设计及理论专业论文）汽车传动带疲劳寿命试验装置结构设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声哆 本人郑重声明：所旱交的硕士学位论文汽车传动带疲劳寿命试验装置结构设训 是本人在指导敦师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注州引刚的 内容外本沦文不包含任何其他个人或集体已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l 抽本人承担。 作者箍名：盔盘兰竺u i 二三】j 翌l 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位沦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”同意长春理丁大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕l 学位论史全 丈数据库和c n k 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f 版，允许论文被齿阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将奉学位论文的全部或部分内 容编入柯关数榭库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制下段保存和扩编学住沦 史。 作青箍名：么盎兰 竺! ! 年三1 兰i i 指导导师签名：! l ；盈剑翅。! ! 年王月丑f 摘要 本文在系统分析国内外汽车传动带疲劳寿命试验装置发展现状的基础上，针对目前 国内传动带企业对汽车传动带传动性能测试的需求，系统分析了机械封闭式疲劳试验装 黄、直流电封闭式疲劳试验装置和交流电封闭式疲劳试验装置的试验原理及优缺点，通 过对比分析采用了交流电封闭试验原理。采用了组合创新设计方法，首次实现了在一台 试验装置上可进行汽车v 带、多楔带和同步带传动的动态性能测量的功能，完成了总体 结构和零件的设计及加工装配，经运转试验表明达到了汽车传动带国家标准的要求。带 张紧力施加装置采用直线轴承的框架结构和重砣及锁紧机构，利用r e c u r d y n 软件进行 了张紧框架的动力学仿真分析和结构的优化设计，保证了张紧架的整体刚度和试验装置 的运行稳定性。利用a n s y s 软件对高速轴和试验平台进行了模卷分析，分析结果表明高 速轴和试验平台的结构设计可以满足试验过程中试验装置工作的稳定性要求。为保证试 验装置进行带疲劳试验的连续工作时白j 大于3 0 0 h ，在主动试验带轮轴系和从动试验带轮 轴系及张紧轮轴系中采用了循环油润滑系统，并配有油温监测系统，保证了轴系中轴承 的使用寿命。为满足不同带长的试验要求，设计了主动端平台和从动端平台，通过丝杠 驱动调整中心距。电动机配有变频嚣可实现试验转速的调整，为满足回馈系统和测试系 统作为基础件的设计要求，测试系统选择了非接触盘式扭矩传感器和光电转速传感器， 能量回馈系统选择了交流变频电机和四象限变频器实现了所加负载的平稳性。保证了 试验装嚣的长期稳定工作。 关键词：汽车传动带疲劳寿命封闭试验装置动力学分析结构设计 a b s t r a c t o nt h eb a s i co fs y s t e m a t i ca n a l y s i st h ef a t i g u et e s t e ro f a u t o m o b i l ed r i v i n gb e l ta th o m e a n da b r o a dl nt h ep a p e r , a i m ea tt h em e a s u r i n gr e q u i r e m e n to ft h ea u t o m o b i l ed r i v i n gb e l t m a n n f a c t u r e r sa th o m ea n ds y s t e m a t i ca n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ff a t i g u e t e s t e ro fm a c h i n e r yc l o s e d ce l e e t r i ec l o s ea n da ce l e c t f i cc l o s e a d a p tt h ep r i n c i p l eo fa e e l e c t r i cc l o s eb ya n a l y s i so fc o m p a r r i t o na tt h ef i r s tt i m ed ot h ef a t i g u et e s to fvb e l t ， v - r i b b e db e l ta n ds y n c h r o n o b sb e l to f a u t o m o b i l eb yt h ep o r t f o l i oi n n o v a f i o ni no u rc o u n t r y t h ed e s i g no fg e n e r a 】s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so ft h et e s t e rh a v eb e e nf i n i s h e da n dt h e a s s e m b l i n gh a sa l s of i n i s h e d t h eo p e r a t i o no fd e s i g n e dt e s t e rf i tt h er e q u i r e mo fn a f i o n a l s t a n d a r dt h eu n i to f t e n s i o nf o r c ew a sc o m p o s e db yi i n e a r b e a r i n gs t r u c t u r ea n dh e a v yb l o c k s t r u c t u r e a n du s et h er e c u r d y nt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ed e s i g no f t h eu n i to f t e n s i o nf o r c e g u a r a n t e et l l es t i f i n e s so fu n i to ft e n s i o nf o r c ea n dt h es t a b i l i t yo ft h ef a t i g u et e s t e r t h e a n y s i sw a su s e dt oa n a l y s i st h em o d e lo ft h eh i g hs p e e ds h a f ta n dt h et e s t e r t h er e s u l to f a n a l y s i ss h o w nt h a tt h es t r r e t u r eo ft h eh i g hs p e e ds h a f ta n dt h et e s t e rc a ns a t i s f vt h e r e q u i r e m e n to fs t a b i l l t yo ft h et e s t e r i n o r d e rt og u a r a n t e et h ew o r k i n gt i m eo ft h et e s t e r e x c e e d3 0 0 ht h ec o o l i n gs y s t e mo ff a t i g u et e s t e rt h ec i r c u l a t i o no i lw a su s e di nt h es h a f t i n g s y s t e mo f t e n s i o ns t r u c t u r et h ea c t i v ea n dd r i v e n o p e r a t i o nb o a r dw e r ed e s i g e n e dt os u i t et h e d i 疗b r e n tb e l tl o n 出a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e na c t i v ea n dd r i v e n o p e r a t i o nb o a r dc a l lb e r e g u l a t e db yl c a ds c r e w mt e s ts y s t e mc h o s e nt h en o n - c o n t a c tt o r q d es e n s o ra n d p h o t o e l e c t r i cr o t a t i n g s p e e ds e n s o ra n dt h ee n e r 2 vf e e d b a c ks y s t e mc h o s e nt h ea cv a r i a b l e f r e q u e n c ym o t o ra n dt h e4 - q u a d r a n tf r e q u e n c yc o n v e n e rt os a t i s t h ed e m a n dt h a tt h et e s t s v s t e ma n dc u e r g yf e e d b a c ks y s t e ma st h eb a s i cp a l lt h e s em j a r a n t e et h et e s t e rw o r k i n g s t a b i l i t ya n dt i l es t a t i o n a r i t yo f t e s t e rl o a d k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ed r i v i n gb e l t c l o s et e s t e r d y n a m i ca n a l y s i s s t r u c t u r ed i s i g n 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论一 1i 汽车传动带 12 汽车传动带性能 13 传动带疲劳寿命试验装置的发展现状 14 论文研究的目的及意义 1 5 论文主要研究内容 第二章汽车传动带疲劳寿命试验装置原理分析 21 汽车传动带疲劳试验装置的国标要求 22 开式疲劳试验装置的工作原理和特点 23 封闭疲劳试验装置的工作原理和特点 24 电封闭疲劳试验装置的工作原理和特点 2 5 交流封闭疲劳寿命试验装置总体方案 小结 第三章疲劳试验装置关键部件的结构设计 3 1 试验装置底座设计 3 2 试验装置滑板及其驱动装置的设计 33 疲劳试验装置同步带、多楔带和v 带张紧架的设计 34 试验装置的试验轴轴系承润与密封 3 5 试验装置转速扭矩传感器选择与试验辅助传动设计 小结 第四章试验装置高速轴动力学分析 4 1 高速轴材料选择与结构设计 4 2 高速轴的动平衡 4 3 高速轴的有限元分析及其与试验装置的共振分析 小结 总结 致谢 参考文献 0 0峙埔伸n孙芝号l号盯凹；盯蚰帅蛎蛆科跖弱耵 第一章绪论 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动，是机 械传动的重要组成部分，由于其传动装置结构简单、传动平稳、转速高、不需润滑、 易于设计而且成本低等诸多优点使其应用领域越来越广泛。传动带根据工作原理分为 摩擦型传动带和啮合型传动带两大类摩擦型传动带根据其不同的截面形状分为v 带、 多楔带和平带”。v 带根据截面的形状可分为普通v 带、切边v 带、窄v 带、宽v 带等， 根据用途又可分为一般工业用v 带，农业机械v 带、汽车v 带和办公机械及家电用v 带。多楔带按用选不同分为一般工业用多楔带、汽车多楔带、家电用多楔带，根据带 楔结构可分为普通多楔带和齿形多楔带。啮合型传动带是指同步带，同步带根据其齿形 可分为梯形齿同步带、单圆弧齿同步带、双圆弧齿同步带、平顶圆弧齿同步带、抛物 线圆弧齿同步带和三角齿同步带，同步带接用途不同分为一般工业用同步带、纺织工 业用高速同步带、汽车同步带、办公机械及家电用同步带等”。带传动最早应用在汽车 发动机上的传动方式为v 带传动，历经百余年的发展汽车传动带由v 带传动发展到目 前的汽车多楔带传动和汽车同步带传动，而且由于发动机性能的提高对汽车传动带的 传动性能提出了更高的技术要求。 i 1 汽车传动带 汽车传动带是发动机中用于驱动冷却风扇、发电机、空调压缩机、转向机构等附 件以及发动机配气正时机构的传动带根据结构不同分为v 带、多楔带和同步带。 i1 汽车v 带 汽车包布v 带是1 9 1 7 年美国人盖茨发明的，撮初只是作为驱动汽车发动机冷却风 扇的传动带。由于其传动结构简单、传动噪音小、无需润滑、传动成本低等优点使其 在汽车发动机传动上得到迅速推广应用”经过多年的发展汽车v 带出现多种类型，按 结构可分为包布v 带和切边v 带两大类“1 ，如图l1 所示。目前汽车v 带根据带的顶宽 分为a v l 0 、a v l 3 、a v l 5 、h v l 7 、a v 2 2 五种型号，汽车v 带的楔角为4 06 ，允许的最大 工作转速为3 0 m s ，允许工作温度范围是9 0 c 一3 0 c ，有效长度范围1 0 0 0 m m 2 0 0 0 唧。 e 酃罗 a ) 切边v 带 酗l1 汽车v 带 b ) 包布v 带 12 汽车多楔带 汽车多楔带是综合了v 带和平带的传动特点而形成的传动功率大，同样传递功 率下多楔带与v 带相比带体较薄和单位带长的质量较小，因此传动过程中离心应力较 小和带的抗曲挠性好“1 ，如图12 所示。汽车用多楔带根据 带楔的结构分为普通多楔带和齿型多楔带。按楔的形状分为 p h ，p j 、p k 、p l 、p m 血种型号。带的楔数范围为3 8 楔， 楔角为4 0 。”l ，允许最大工作速度为4 0 m s ，允许工作温 度范围是1 0 0 一3 0 c ，有教长度范围2 0 0 m m 1 6 0 0 0 r a m 。 3 汽车同步带 图l2 托车多懊带 汽车同步带是综合了链传动、齿轮传动和带传动的优点而设计的一种新型传动带， 它克服了摩擦型带传动中的弹性滑动现象，实现主动轮和从动轮按固定的传动比同步 传动，同步带是靠带齿与带轮阳j 的啮台传递动力”1 ，因此同步带比摩擦型传动带传动能 力更强。汽车同步带根据不同齿型分成梯形齿同步带、单圆弧齿同步带、双圆弧齿同 步带、抛物线圆弧齿同步带”j 梯形齿 汽车同步带分为z 、z b 两种型号。单 圆弧齿汽车同步带分为z h 、y h 两种型 号，双圆弧齿汽车同步带分为z s 、y s 两种型号，抛物线齿汽车同步带分为 z r 、y r 两种型号。齿数范围4 0 2 6 7 ， 允许晟大工作速度为4 0 m s1 ，允许工 作温度范围是1 1 0 c 一3 5 ，有效长 度范围是3 8 1 u 2 5 4 3 m m 。 1 2 汽车传动带性能 圈l3 汽车同步带 汽车传动带的性能包括静态性能和动态性能，传动带静态性能包括拉伸性能，耐 高温性能耐低温性能，包布剥离试验，同步带带齿剪切强度试验和线绳抽出强度试 验：动态性能包括传动带的疲劳寿命、传动效率、传递功率、传动平稳性、噪音，摩 擦型传动带还包括滑差率。 121 静态性能测试 汽车传动带是一个复台材料体其主要有强力层、拉伸层、压缩层、包布等构成。 因此为评价传动带的静态性能一般要进行拉伸性能、耐高温性能、耐低温性能、包布 剥离、同步带带齿剪切强度和线绳抽出强度的试验。拉伸性能试验是测试传动带的拉 断强度，底负荷伸长率或拉断伸长率：耐高温性能是按国标要求进行高温试验后传动 带不允许出现裂纹，耐低温性能是按国标要求进行低温试验后传动带不允许出现裂纹： 长度测量试验是按国标要求测量传动带的节线长度，确定其是否在规定的偏差范围之 内。“”；包布剥离强度试验在符合国家标准规定的试验机上按照国标试验步骤进行试 验；同步带带齿剪切强度试验在国标规定的拉力试验机上进行，测出带齿剪断时所受 的晟大拉力，从而评价带齿的抗剪切强度；线绳抽出强度试验在专用拉力试验机上进 行l 。 22 动态性能测试 汽车传动带的动态性能主要包括传动带的疲劳寿命、传动效率、传递功率、传动 平稳性、噪音，摩擦型传动带还包括滑差率，其动态性能的测试需要专用的仪器设备 来完成，传动带动态性能试验装置一般应具有如下功能：i 、测定带传动的传动功率： 2 、测定摩擦型传动带的滑差率：3 、测定传动带的疲劳寿命：4 、测定传动带的传动平 稳性尤其是汽车同步带传动中带的纵向与横向振动：5 测定带传动效率；6 、测定带 传动的噪音。目前我国针对汽车传动带疲劳寿命试验制定了汽车v 带疲劳试验方法 g b t1 1 5 4 5 2 0 0 8 、汽车多楔带g b1 3 5 5 2 1 9 9 8 ( 含汽车多楔带疲劳试验方法) 和汽车同步带疲劳试验方法g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 ，标准中规定了汽车v 带两轮与三轮 的轮系布置方式及主要试验要求，汽车同步带的三轮轮系布置方式及主要试验要求， 汽车多楔带的三轮与四轮轮系布置方式及主要试验要求“”。 13 传动带疲劳寿命试验装置的发展现状 传动带疲劳试验的发展经历了两个个阶段：开式疲劳试验装置阶段和封闭式疲劳试 验装置阶段。 31 开式疲劳试验装置 开式疲劳试验装置主要由电动机、主动带轮轴系、从动带轮轴系、扭矩和转速铡 量装置、负载施加装置和张紧力施加装置及控制系统等构成，开式疲劳寿命试验装置 原理框图如图14 所示。负载施加装置安置在从动带轮轴系一端，并给从动带轮施加 负载。开式疲劳试验装置的施加负载的方式一般采用风扇、水轮机、电力测功机等耗 能装置来模拟传动带的试验负载“1 。开式疲劳寿命试验装置的优点是负载装置可以很 好的模拟传动带的实际工况，负载装置加载平稳，所得的试验结果真实性强，具有很 好的通用性，它的缺点是：由于试验装置是开环状态，试验过程中输入的功率都进行 负载装置进行了消耗，因此作为疲劳寿命试验消耗的电功率大，试验成本高，目前国 内外企业基本不采用该种疲劳寿命试验装置。 32 、封闭式疲劳试验装置 圈l4 开式疲劳试验装苴原理幽 封闭式疲劳试验装置比开式疲劳寿命试验装置多了一个能量回馈环节正是这个 能量回馈环节使得疲劳试验装置可以将负载装置消耗的能量部分“回收”，试验过程中 所消耗的能量只是用于克服试验装置系统中的摩擦作用，因此与丌式疲劳试验装置相 比具有明显的节能效果，封闭疲劳试验装置主要由电动机、主动带轮轴系、从动带轮 轴系、扭矩和转速测量装置、负载施加装置、张紧力施加装置、能量回馈系统和控制 系统等构成，其组成原理框图如图1 ，5 所示。封闭式疲劳试验装置一般节能大于5 0 9 6 ， 目前国内外设计带传动疲劳试验装置基本都采用封闭式试验原理，根据回馈能量形式 和加载装置不同可分为机械封闭式疲劳试验装置和电封闭式疲劳试验装置。 图l5 封刚式疲劳试验装置原理 13 21 机械封闭式疲劳试验装置 带传动机械封闭疲劳试验装置仅用于摩擦型传动带的疲劳试验。该种疲劳试验装 置的组成主要由动力源、试验带、加载装置、辅助传动装置和控制系统组成其中动 力源为试验提供持续的动力输入，保证试验的连续运行，动力源通常选用电动机能 量回馈装置的功能是将被试带所传递的功率部分回馈给输入端与动力源共同向试验带 输入功率动力源输入的功率只用于补偿试验系统的能量损失，即实现的对被试带进 行加载叉达到节能的效果。机械封闭疲劳试验装置是通过改变辅助传动装置的传动比 来实现能量的反馈，辅助传动装最通常采用变直径带轮传动系统、行星轮系传动系统、 滑差离台器传动系统等实现传动比的调整。 国外的机械封闭式疲劳寿命试验装置研制开始于上个世纪，2 0 世纪6 0 年代前苏联 的m b t y 公司设计的k p b a m b t y 型机械封闭式试验装置该试验装置为三轮结构，即 能实现对传动带做负载试验，也能对传动带做空载曲挠试验。m b t y 公司l 9 7 2 年又推出 了性能更先进的k p b _ 7 2 型疲劳寿命试验装置，日本的三星公司根据本国情况研制了传 动带机械封闭式疲劳寿命试验装置，美国、德国也研制了适合本国国情的疲劳寿命试 验装置。 我国汽车传动带疲劳寿命试验装置以及相关技术的开发是从引进国外同类型的相 关设备和技术开始的，上世纪7 0 年代江苏无锡胶带厂从国外引进了汽车多楔带疲劳寿 命试验装置，该设备采用机械封闭式工作原理，国内的洛阳、上海、开封等地的厂家 从德国引进了机械封闭式v 带疲劳寿命试验装置，贵阳从德国引进了一台汽车同步带 疲劳寿命试验装置。我国的科研院所与地方院校联合对传动带疲劳寿命试验装置进行 研制，如哈尔滨工程大学、吉林工业大学、长春光机学院、中国农科院等单位联合公 关研制了联组窄v 带、农机变速v 带机械封闭式疲劳寿命试验装置，哈尔滨工业大学 研制了两轮机械封闭式带传动疲劳寿命试验台和以直流发电机作为负载的电封闭传动 带疲劳寿命试验台长春理工大学按照美国克莱斯勒汽车公司标准的要求，为辽阳机 带厂研制了一台多楔带寿命强化试验装置”。 目前国内从事机械封闭式疲劳寿命试验装置研制的单位主要有贵州创新橡塑机电 设备有限公司，青岛直利达工业公司江苏新真威公司等青岛直利达工业公司于2 0 0 3 年成功研制了y d t 一3 0 0 0 型机械封闭式汽车同步带疲劳寿命试验机。贵州创新橡塑机 电设备有限公司研制开发了机械封闭式汽车v 带，多楔带和同步带三轮疲劳寿命试验 机，该公司生产的试验机均采用滑差离合器作为试验机负载装置，如图1 6 ，1 7 所示。 矗 幽16 机械封闭式三轮疲劳寿命试验机 幽l7 同步带三轮疲劳寿命试验机轮系布置 322 电封闭疲劳试验装置 电封闭疲劳试验装置与机械封闭疲劳试验装置主要区别是被试带的加载装置和能 量回馈环节。电封闭疲劳试验装置是采用发电机作为被试带的加载装置，试验系统的 回馈能量是电流，根据加载发电机的不同电封闭疲劳试验装置分为交流电封闭式疲劳 试验装置和交流电封闭式疲劳试验装置两种。 直流封闭式疲劳试验装置 直流电封闭式疲劳试验装置采用直流发电机作为试验装置的负载装置为试验带施 加载荷，封闭环的回馈能量是直流电，试验过程中通过两转速扭距传感器的测量数据 可以计算出试验带的滑差率和传动效率，但直流发电机工作过程中会在电刷和换向器 之间产生火花，换向火花的存在严重影响了系统回馈电流的稳定性，对电源产生干扰， 而且直流发电机的电刷是易磨损件，由于电刷容易磨损会出现因更换电刷而使疲劳寿 命试验间断，不利于对试验带的疲劳寿命做出准确评价，直到目前这一问题仍然没有 得到很好的解决使电封闭疲劳寿命试验装置的优越性没有得到展现换向火花和电刷 磨损的问题严重制约了直流电封闭式疲劳寿命试验机的推广应用因此国内外基本不 采用直流电封闭带传动疲劳试验装置。 2 交流封闭式疲劳寿命试验装置 交流电封闭式疲劳寿命试验装置由于德国a b b 公司研制开发出四象限变频器，使 电封闭疲劳寿命试验装置可以采用交流发电机作为试验装置的加载装置。由于交流发 电机与直流发电机相比没有电刷，所以交流发电机作为负载施加装置可以满足带转动 疲劳试验装置的基础件设计要求。目前交流电封闭式疲劳寿命试验技术己应用于汽车 变速箱、汽车转向器等传动系统的疲劳寿命试验中，而且也将成为带传动性能试验装 置的设计时所要采用的技术一般交流电封闭试验装置节能大于7 0 。 机械封闭式疲劳试验装置能量回馈系统通过滑差离合器或变直径带轮或行星轮系 来改变辅助传动装置的传动比实现对被试带的加载，这种施加载荷的方式会使被试带 的主动带轮转速产生波动因此机械封闭式疲劳试验装置只能用于摩擦型传动带的疲 劳寿命试验。由于同步带传动为啮合传动，因此只能采用电封闭式疲劳试验装置，而 且只有交流电封闭疲劳试验装置的加载方式能够满足试验装置的基础件设计要求。 14 论文研究的目的及意义 我国在上世纪引进国外生产技术丌始生产传动带，经过几十年的技术创新与发展， 传动带生产技术有了长足的进步但我国的传动带产品与国外相比还存在不小的差距， 集中表现在传动带的使用寿命不过关，例如国外的汽车用切边v 带的使用寿命已达1 8 万公里。汽车同步带的使用寿命为2 0 3 0 万公里，与发动机的大修同周期，国外的汽 车传动带的研究方向是实现与拄动机同寿命，使传动带由易损件转变为功能件，而我 国只用少数几个实力雄厚的厂家生产的传动带使用寿命能达到】0 万公里，大多数产品 的使用寿命在3 4 万公里“。 造成我国传动带质量差的主要原因有生产设各落后，自动化程度低，产品检测手 段落后等。国内只有几家大型传动带企业从国外引进先进的生产设备并积极推进技术 改革采保证产品质量，大多数中小企业仍使用传统的方法生产，产品结构单一，产品 质量难以保证，国内带生产厂家只有几家使用传动带疲劳寿命检测设备，而且利用率 也不高，经常处于闲簧状态，国外一家大型带生产企业，拥有上百台套包括疲劳寿命 检测设备在内的各种检测装置，这些设备有三分之一用于产品在线检测，三分之一用 于新产品的研发，三分之一用于产品的疲劳寿命试验。由此可见对传动带进行疲劳寿 命试验是至关重要的，它是评价带综合传动性能、改进传动带生产工艺、保证产品质 量、进行新产品开发的重要环节。 电封闭疲劳寿命试验机是通过电机进行恒转矩加载负载控制精度高，因回馈量 是电流，所以转换效率高，实际节能可达7 0 以上。由于美国、同本、德国等胶带企业 对先进的电封闭式汽车传动带疲劳寿命试验装置技术严格保密与之相关的技术不向 我国转让，国内关于交流电封闭式疲劳寿命试验机的资料十分有限，我国曾经研制过 直流电封闭式疲劳寿命试验机，因电刷易损问题难以解决，使电封闭寿命试验机的优 越性无法得到体现，最终没能推广应用。目前国内应用的疲劳寿命试验装置大多是机 械封闭式的，机械封闭式疲劳寿命试验装置强制性使传动侧和试验侧产生转速差试 验带的滑差率难以准确控制，所蛆试验负载的稳定性和可控性较差，试验条件与带的 实蕲工况差距较大，因此得出的疲劳寿命与带的实际产品质量有较大的偏差，再者机 械封闭试验装置负载波动性较大不适合对汽车同步带进行试验。此外目前的疲劳试验 装置只能对一种传动带进行动态性能试验，如果一个厂家生产多种类型的传动带就 要同时购买多台与之配套的疲劳寿命试验装置，而这些试验装置基本功能基本类似 在注重能量节约、降低成本和提高竞争力的今天设计一种能对不同类型传动带进行 动态性能测试和疲劳寿命试验的多功能试验装置无疑会给厂家和整个社会带来巨大 的经济效益。因此研发具有自主知识产权的多功能交流电封闭式疲劳寿命试验机不仅 改变我国在传动带寿命试验设备上落后的局面提高自主创新能力，响应我国建设创 新型国家、集约型经济的政策，可以打破发达国家对我国的技术封锁。同时型疲劳寿 命试验机的推广必将提高传动带厂家的产品质量，增强新产品的研发能力与市场竞争 力对改变我国在基础件研发落后的现状起到积极作用。 本论文的研究正是针对这一需求和趋势，设计一种新型电封闭试验系统，在酸试 验系统上可完成对汽车v 带、多楔带和同步带进行疲劳寿命试验、进行动态性能测试 以及高温热疲劳寿命试验。该试验系统采用数字化控制，采用电力测功机完成对试验 带施加所要求的负载，使用a b b 公司生产的能实现电流双向流动的四象限变频器作为 能量回馈环节，通过扭矩传感器和转速传感器对试验过程中的主、从动带轮转速和传 动扭矩进行检测、控制和记录。主、从动试验轴系采用高速轴承支撑并配有循环润 滑油进行冷却和润滑。整个试验系统可靠性和运行稳定性高，能很好的模拟汽车传动 带的不同工况下的疲劳寿命。 15 论文主要研究内容 ( 1 ) 汽车传动带性能及疲劳试验装置的研究现状分析 ( 2 ) 汽车传动带电封闭疲劳试验装置的总体方案设计 ( 3 ) 电封闭疲劳试验装置的结构设计； ( 4 ) 张紧力施加装置结构设计： ( 5 ) 高速轴的结构设计及动力学分析： 第二章汽车传动带疲劳寿命试验装置原理分析 汽车传动带的质量优劣对发动的工作性能产生直接影响，尤其是同步带，如果质 量不合格会出现爬齿、断齿等失效形式，从而导致气门损坏等严重故障，因此为确保 汽车发动机传动带在一定时问内可靠工作，必须对其进行疲劳寿命试验。我国制定的 ( g b tl l ；4 5 2 0 0 8 ( 汽车v 带疲劳试验方法) 、 g b1 3 5 5 2 1 9 9 8 ( 汽车多楔 带) 和( g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 ( 汽车同步带疲劳试验方法) 中规定了汽车传动带疲劳 试验装置、试验方法和试验条件等。汽车传动带疲劳寿命试验装置一般分为丌式试验 装置和封闭式试验装置两大类，由于开式疲劳寿命试验装置不具有节能功能，因疲劳 试验时消耗的电能成本较大而不被采用，但是可用于传动带的性能测试装置上。封 闭式试验装置一般节能大于5 0 。目前带传动疲劳寿命试验装置基本采用封闭试验原 理，根据实现封闭能量的不同形式分为机械封闭式疲劳试验装置和电封闭疲劳试验装 置。 21 汽车传动带疲劳试验装置的国标要求 21 1 汽车v 带疲劳试验装置及技术要求 根据国标汽车v 带疲劳试验方法g b t1 1 5 4 5 2 0 0 8 对汽车v 带疲劳试验装置提 出如下的主要技术要求“”： 一个主动轮和驱动它的适当装置： 一个从动轮和与之相连的功率消耗装置； 一个可以对v 带施加张紧力的张紧轮和张紧装置： 一个测量v 带滑动量的装置，测量精度为1 。 试验装置的结构应牢固、稳定所有的部件在所承受的应力下不应投生显著变 形。 为能方便地对v 带施加张紧力，并允许v 带伸长，三轮试验装置的张紧轮及其 轴承装置应能在支架上沿拉力作用线方向自由滑动。 为了适用各种不同的带长，主动轮和( 或) 从动轮、张紧轮及支架装置应可调 节位胃并可加以紧固。 v 带安装在带轮上后应加以调整，使v 带的对称面与各轮槽的对称面的夹角小 于1 5 。 张紧力作用线应穿过张紧轮中心线而平分v 带在张紧轮上弯曲处所构成的夹 角，井位于张紧轮槽的对称面内。 功率消耗装黄的消耗功率可以调节并显示。 试验装置应具有测定时间，转速、传动功率的功能。 试验带长在9 0 0 m m 以上的a v l 5 、a v l 7 和a v 2 2 以及带长在8 0 0 m m 以上的a v i o 和a v l 3 型v 带采用三轮疲劳试验装置，试验带轮柿置方式如图21 所示，试验带长小于9 0 0 r a m 的a v l 5 、a v i7 和a v 2 2 以及带长小于8 0 0 m m 的a v l 0 和a v l 3 型v 带采用两轮疲劳装置， 试验带轮布霹方式如图2 2 所示。 ，一 一 毽 、 ，一沙2 l 、 豳21 三轮试验装置的平面布局 卜从动轮( 与功耗装置相连) ：2 - 张紧轮( 置于滑道中) ：3 - 主动轮 a ：从动轮调节方向：b ：带的运动方向：c ：开始试验时为4 矿可以冈带的再次张紧而改变；d ： 作用于张紧轮的带的张紧力：e ：张紧轮及其支架的调节方向：f ：主动轮调节方向 b 1 2 印 、厂厂厂、 、 图2 2 两轮试验装置的平面布局 1 一从动轮( 与功率清耗装置相连) ；2 - 主动轮 a ：作用于可移动带轮的张紧力；b ：可移动带轮的调节方向( 可闻定) 。 三轮疲劳寿命试验装置的中心距计算见式2 1 中心距的极限偏差为2 姗，两轮 疲劳寿命试验装置的中心距计算见式22 。 24 1 4 a = l 。一o7 8 5 ( 3 d , 1 + 以2j 一一吐2 )( 2 1 ) 。：生一生二出+ ，f 生一生! 出蚵一丝二生上 ( 22 ) 48 v i4 8 j 8 式中：口一主动轮和从动轮之间的中心距，m m ： t v 带的有效长度t i l u f l i 以一主动轮和从动轮的有效直径，f i l m ； t ：一张紧轮的有效直径，唧a 三轮疲劳寿命试验装置的主要技术参数如表2 i 所示 表2 符型号 项目单位极限偏差 号a v l 5 2a v l 7 “a v 2 2 2 1 主动轮和从动轮的有敬直径o2 张紧轮的有效直径 d ：9 0 ( 8 0 ) ”02 槽的有效宽度9 ，71 471 6l2 l502 5 主动轮和从动轮的槽角 ( 。)3 63 0 05 张紧轮的槽角( 。)3 4 明 05 壤小槽深 1 37 51 31 5 槽顶捌角最小曲率半释 0 808 10 主动轮转速r m i n4 9 0 03 9 0 02 从动轮的传动功率 7990 1 0o 张紧力“5 4 06 9 06 9 00 3 09 3 0 注：i ) 括号内数值黼齿切边v 带的试验用尺寸 两轮疲劳寿命试验装置的主动轮和从动轮有效直径相等，a v i o 型v 带轮有效直径 为6 3 _ + 0 2 r m ：a v l 3 型v 带轮有效直径为7 6 _ + 02 m 试验时施加在移动带轮上的张紧 力按式( 23 ) 进行计算，其余要求及传动参数与三轮试验机带轮相同。 f = k p( 2 3 ) 式中：f _ 一施加在v 带上的张紧力，n ； p 一从动轮的传动功率，k w ，传动功率约为使用三轮疲劳寿命试验装置的 7 0 ： k _ 系数，k - 11 0 n k w 。 汽车v 带疲劳寿命要求如表22 所示 表22v 带疲劳寿命( 单位：h 212 、汽车多楔带疲劳试验装置及技术要求 根据汽车多楔带g 81 3 j 5 2 1 9 9 8 对汽车多楔带疲劳试验装置的要求为”： 疲劳寿命试验装置采用三轮或四轮试验装置，试验装置试验带轮布置如图23 ， 图24 所示： 试验从动带轮与能量消耗装置相连： 张紧轮安装在张紧装置的滑道中，可在张紧力作用线方向上移动； 试验装置上安装有一个用来罩住试验传动装置，保持试验温度的恒温箱，箱内 试验温度等试验参数如表23 所示。 试验用多楔带如表2 4 所示，试验带轮截面尺寸及相关参数如表25 和图2 5 所 表23 试验参数 主动轮转速传动功率张紧力试验温度 n 6 8 0 3 08 5 5 表24 多楔带试样 翻23 二轮试验装置布置圈24 四轮试验装置布置 w 目 # # 圈25 疲劳试验刑多楔带带轮尺寸 力 轮# 镕 际轮埔日位f 所示培太边界 城小边# 的 表25 疲劳试验用多楔带带轮尺寸 项目 符号数值极限偏差 槽间距e35 6o0 5 ” 槽角m4 0 。 0r 槽底弧半径“ 槽顶弧半径” 主动轮和儿动轮有效直径”d 100 2 张紧轮有效直径“d h02 主动轮和从动轮有效直径”d 6 3 o2 反向弯曲张紧轮外径 d _ 02 主动轮和从动轮节经” d n d 。= d ，2 e 有效线差e公称值 测量唧球或圆柱外切平行面间距kk - d ，+ 2 e 测量蹦球或l 碰柱外切平行面与带轮外缘的间距的二倍 o9 9 测量圆球或脚柱直径d u 2 5 00 l 轮槽中心线到带轮端面的间距 f2 5 最小值 1 ) 系指两相邻轮槽对称轴之间的距离的偏差。 2 ) 一个带轮所有e 值的积累偏差应不大于_ 4 - 03 唧。 3 ) 轮槽的对称轴与带轮轴线的夹角应为9 0 4 056。 4 ) 在本标准中规定了rn 和r 的极限偏差值因它们在本标准中是试验带轮的一个重要参数。 5 ) 仅适用丁三轮或四轮试验装置。 6 ) 仅适用于两轮试验装置。 7 ) 仅适用于四轮试验装里。 8 ) 多楔带与带轮配合时的宴际节经比带轮有效直径稍大，其准确值只有将所用多楔带安装在带轮 上运行才能测得有效线差的公称值( e2 m r s ) 可用来近似计算传动比。 9 ) 在一个带轮个轮梢上测得的有效直径的差值不庵大干01 5 田。 213 汽车同步带疲劳试验装置及技术要求 根据汽车同步带疲劳试验方法国家标准g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 规定汽车同步带疲劳 寿命试验装置中所有部件具有足够的强度和刚度，并能满足长期连续运转的需要，主 要包括以下组成部分o ”： 主动轮及其驱动装置： 从动轮及与其相联的加载装置。加载装置能提供准确、稳定的试验扭矩并能 用适当的方法( 如用重锤) 进行扭矩校准： 张紧轮( 平轮) 及其滑道，该装置能使张紧轮沿张紧力( f ) 的作用方向自由运 动( 如图2 3 所示) ，以使试验所需的张紧力准确地作用到被试同步带上。 三轮试验装置各带轮的位置关系如图26 所示，为使试验装置能使用于不同长度 的同步带主动轮和( 或) 从动轮，张紧轮和( 或) 支座的位置应可调。 y 2 25 迥壁焦些墨丝重 x t y t 图26 试验带轮的布置 1 主动轮：2 张紧轮：3 一从动轮：被试同步带 以从动轮中心作为坐标原点，分别以水平方向和竖直方向作为x 轴和y 轴如上图所 示，则主动轮和张紧轮中心的位置坐标可由表2 6 中的公式求出。 表26 带轮的位置坐标计算公式及坐标值( 单位：衄) 带轮及坐1i 号计算公式根据公式计算出的z ，z b 型坐标值 k 从动轮 y 、 x 【o5 d一2 50 张紧轮 y l9 18 0 5 x k - 02 5 m 主动轮 y k 一( l 2 1 2 7 0 9 d v + o 0 1 0 6 5 d ) 一( l 2 1 4 58 9 ) 注 1 “d 、一的计掉公式为；d 。：兰! 盟 式中：d 一张紧带轮直径：z 一从动轮齿数：r 一齿节距。 2 对于z 、z b 酗以外的其他型号，在确定了d 、n 、z 的数值后，可按本表给出的公式计算带轮的 位置坐标。 3l ：被试同步带节线长 试验过程中主动带轮的转速为6 0 0 0 r m i n + _ 1 2 0 r m i n ，试验扭矩出供需双方决定， 试验过程中实际扭矩的极限偏差为规定扭矩的2 ，试验带的张力和张紧轮施加的张紧 力应符合表2 7 中的要求。 表27 带的张力和张紧轮施加的张紧力 两轮试验装置带轮位置关系如图27 所示，主动轮和( 或) 从动轮应可移动，张 紧力f 通过可移动带轮作用到被试同步带上试验装置应装有紧固装置。能在同步带 承受张紧力条件下锁定可移动带轮的位置，其余要求均匀三轮疲劳试验装覆相同。在 两轮试验装置上进行试验的试样型号为z a 型，试验带宽为1 9 m m ，带长由供需上方决定 试验条件如表2 8 圈27 两轮试验装置带轮布置 主动轮；2 一被试同步带：3 一从动轮 表28 试验条件 22 开式疲劳试验装置的工作原理和特点 开式疲劳寿命试验装置是不具有能量回馈环节试验原理装置的组成如图2 7 所 示使用试验带直接拖动负载从动力源( 主要使用电动机) 传到负载装的能量都被 消耗掉，其试验原理如图2 8 所示。 开式试验装置的动力输入通常采用电动机，负载装黄一般采用水力测功机、电力测 功机、风扇等耗能装置，开式试验装置的主要优点是试验条件与试验带的实际使用情 况完全相同能切实反应试验带在 实际工作中出现破坏形式和使用寿 命，试验中所测得的数据真实可靠， 可测量传动带的滑差率、传递功率 传动效率和疲劳寿命等参数。开式 试验装黄的缺点是试验过程中能量 被1 0 0 消耗掉，因此从节能方面看 疲劳寿命试验装置不直采用开式工 作原理。 圈2e 开芷试骢装置原理圈 卜负锟装置：2 糍扭矩停f 蓦嚣：3 主动电帆： 4 试验主动带轮；5 试验带：6 试验从动轮 23 封闭疲劳试验装置的工作原理和特点 封闭式疲劳试验装髯根据采用的加载方式和回馈的能量形式不同分为机械封闭式 疲劳试验装置和电封闭式疲劳试验装置。 2 31 机械封闭式疲劳试验装置工作原理和特点 封闭试验台的工作原理如图29 所示。 凹29 机械封闭疲劳寿命试验机原理简酗 卜儿动带轮；2 一被试验带：3 一主动带轮t4 一转速转矩传感器；5 一武验电机：6 一辅助传动装置 它主要由动力源、试验带和封闭传动装置组成。其中动力源为试验提供持续的动力 输入，保证试验的连续运行，动力源通常选用电动机，封闭传动装置的功能是将被试 带所传递的功率回馈给输入端与动力源共同向试验带输入功率，动力源输入的功率只 用于补偿试验系统的能量损失即实现的对试验带进行加载又达到节能的效果。 摩擦型传动带工作时困紧边拉力和松边拉力差形成特有的弹性滑动现象，用滑差率 e 来表示带弹性滑动量的大小，带传动的负载越太滑差率e 就越大，如式( 24 ) ： ：帆一心髟：塑型旦( ) ( 2 4 ) ld “ 式中：v 一主动带轮线速度；v ：一从动带轮线速度：d 一主动轮直径：d ! 一从动轮直 径；n 一主动轮转速；n _ 一从动轮转速 从( 24 ) 中可以看出，vr - v ：则滑差率= 0 此时试验带不传递负载，要使试验 带加上负载则必须vb v ：，根据不同实现v v ：的方法，加载原理如图2 1 0 机械封 ，一峨 闭疲劳寿命试验台常用的加载方式分为变直径带轮加载、电磁离合器加载和行星轮系 加载。 变直径带轮加载原理如图2 1 0 所示，被试带安装在带轮3 和带轮5 上，带轮3 与带轮5 的直径相同，加载原理是通过传动边主动带轮8 直径的调整实现被试带的加 载。 图21 0 加载原理图 主动电机：2 一转速扭矩传