（机械设计及理论专业论文）变速器多功能测试台的动态模拟加载技术研究.pdf

摘要 f 论文题目。变速器多功能测试台的动态模拟加载技术研究 学科名称：机械设计友理论 研究生：张鑫 导师姓名：周春国副教授 摘要 签名： 签名：i 醋f 虱 变速器是用来改变机床、车辆等机器运转速度、牵引力、扭矩的机械装置，是应用 最为普遍的机械传动装置，是机器中的最为重要部件之一，变速器性能测试台是研究各 种变速器的传动性能，评价产品质量的重要设备。变速器性能测试台需适应变速器产品 系列多、结构多，性能评价指标多等特点。 本文首先对普通变速器性能测试台的结构功能，及其测控系统进行研究，并采取组 合式原理设计出变速器多功能性能测试台，可根据不同的测试对象和测试内容组装出不 同形式的测试台，可对同一种变速器进行多种形式的测试，即开放功率流式和封闭功率 流式。可测试的变速器品种多样，有各种普通齿轮变速器、单双自由度行星齿轮变速 器、无级变速器；研究并分析了变速器各项性能参数的测试原理，提出在本测试台上的 测试方法；选择直流电机作为变速器多功能性能测试台在封闭功率流式的模拟加载装 置，磁粉制动器作为开放功率流式时的模拟加载装置，研究直流电机的控制系统，对电 机的控制系统进行并进行基于m a t l a b 的仿真研究，并对磁粉制动器进行数学建模。 最后，在本测试台上对j z qv - 1 z 型两级圆柱齿轮变速器进行空载运转测试、传动 比测试、传动效率测试等各项性能测试，并对测试数据进行了分析。实现了变速器多功 能性能测试台的动态模拟加载功能，模拟加载装置可以按照预定转速、扭矩加载，也可 以让转速，扭矩大小按照预定的曲线变化，如正弦波、方波、杂波等任意波形。可以更 加准确的模拟出变速器在真实工作环境中的负载。提高了试验的准确度。改进后测试台 运行稳定，测试数据准确可靠。 关键字t 变速器；测试；动态模拟加载；多功能 本课题得到国家自然科学基金( 项目编号：5 1 1 7 5 4 1 9 ) 和陕话省普通高校重点学科建设专项资金( 项 目编号：1 0 2 0 0 x 9 0 4 ) 的资助。 一 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t i e ：r e s e a r c ho fd y n a m i ca n a l o gl o a d i n gt e c h n o l o g y f o rt r a n s m i s s i o nm u l t l - f u n c t i o nt e s t in gp l a t f o r m m a j o r ：m e c h a n i c a id e s j g na n dt h e o 呵 n a m e ：x i nz h a n g s u p e r 、，i s o r ：c h u n g u oz h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： r s i g n a t u 阳： t r 狮s m i s s i o ni sam e c h a i l i s mw h i c hi su s e dt 0c h 觚g et 1 1 es p e e d ，t r a c t i o no rt o r q u eo ft h c m a c h i n et o o l s ，v e h i c l e s 锄ds oo n i ti sm em e c h 撕c a l 仃锄s m i s s i o nd e v i c et l l a ti s 印p l i e dt h e m o s tp o p u l a r l y ，粕di ti so n eo ft i l em o s ti m p o r t 锄tp a r t so ft l l em a c m n e p e r f o 肌a n c ct e s t i n g p l a t f 0 肌o f t l l et 咖s m i s s i o ni sd e s i 印e dt 0s t u d yt h et 啪s m i s s i o np e 怕n n 觚c eo fv 撕o u s 缸锄s m i s s i o 璐锄de v a l u a t et l l eq u a l 时o fp r o d u c t s a n di tn e e d st 0a d a p tt 0t l l ev 撕o u s d l a r a c t e r i s t i c so ft h e 仃 m s m i s s i o ns u c h 鹊v 撕o u sp r o d u c tf 锄i l y ， v 撕o u ss 缸u c t u i e ，v a r i o u s p e r f 0 肌锄c ee v a l u a t i o ni n d e x 锄ds oo n i nt h ef i r s tp l a c e ，s 臼1 l c t u r e “o 髂弛dt h ec u r r e n ts t u d ys i t 嗽i o no ft l l em e a s u m e n t 锄dc o n 旬r o ls y s t e mo ft l l ep e 晌m l a n c et e s t i n gp l a t f o n no ft l l eg e n e r a lt r a 呱；m i s s i o nw e 他 d e s c r i b e di nt l l i sm e s i s t h e nt h em u l t i m c t i o n a l 咖s m i s s i o np e 雨n 】m c et e s t i n gp l a t f o r r n w 弱d e s i g n e db yt h et h e o d ro f c o m b i n e dt y p e t h ep l a t f o 咖c 肌b eu s e dt 0 弱s e m b l ed i 仃e r e n t t e s tb e n c h e sa c c o r d i n gt od i 艉r e n tt e s to b j e c to rc o n t e n t a n di tc 锄a l s 0b e 哪e dt 0p e r f o m 觚 帅e so ft e s t i n go n 0 n ek i n do ft m s m i s s i o n ，舱m e l yo p e n i n gp o w e rf l o wt ) r p e 锄dc l o s e dp o w e r f l o w 帅e n l e 他a 佗v 撕o u st y p e so f 仃乏m s m i s s i o 璐t h a tc 觚b et e s t e d ，s u c h 船c o m m o ng e 盯 眦s m i s s i o 眦， s i n g l eo rd o u b l e舭e d o mp l a n e t a | 了g e 甜t 珊s m i s s i o n s ， 锄dc 0 n t i n u o u s l y v a r i a b l e 缸锄s m i s s i o n ss oo n i i lt h i st i l e s i s ， t e s t i n gp r i n c i p l e o fv a r i o u sp e r f 0 瑚 1 锄c e p a 阳m e t e 瑙o ft l l e 仃 m s m i s s i o 船w 嬲陀s e a r c h e d 锄d 龃a l y z e d ， 锄ds o m et e s t i n gm e t h o d so f t m st e s tb e n c hw e r ep r o p o s e d i i lt h i st l l e s i s ，d cm o t o rw 觞c h o s e 鹪m e 锄a l o gl o a d i n gd e v i c e o ft l _ i i st e s tb e n c ha tt l l em o d eo fo p e l l i n gp o w e rn o wt y p e ，t i l em a g n e t i cp o 、 ，d e rb r a k e 嬲t i l e 锄a l o gl o a d i n gd “i c ea t 也em o d eo fc l o dp c i w 盯f l o wt y p e m o r e 0 v c r 也es i m u l a t i o nb a s e d o nm a t l a bo ft l l ec 0 n t r o ls y s t e mo fm em o t o rw 嬲s t u d i e d 觚dt h em a m e m a t i c a lm o d e l i n go f 龇m a g n e t i cp o w d e rb r a k ew 懿c 锄t i e do u t f i n a l l y j z qv 1zt y p et w o - s t a g ec y l i n d r i c a lg e a r 仃2 m s m i s s i o nw 弱u s e d t op e r f 0 咖t y p e s o fp e r f o 珊锄c et e s t i n go n “sb e n c h 鲫c h 够n 0 - i o a dm 肌i n gt e s t ，位m s m i s s i o nm t i ot e s t ， t 舢s m i s s i o ne f f i c i e n c yt e s ta n ds oo n a n dm e t e s td a t aw 私a n a l y z e d ， a c h i e v i n gt h ef 砷c t i o n o fd y n 锄i ca n a l o gl o a d i n g0 nt h i st e s tb e n c h n es i m u l a t el o a d i n gd e v i c e sc 锄b el o a d e db y r a t e ds p e e do rt o r q u e ，a n dm ev a l u eo fm es p e e da n dt o r q u ec 锄b ec h a n g e da c c o r d i n gt ot l l e s c h e d u l e dc u f v es u c h 弱s i mw a v e ，s q u 甜ew a v e ，n o i w a v ea n d o n t h e r e f o r e ，也el o a do f t h et m s m i s s i o n 岫d e rr e a jw i d r 虹n gc o n d i t i o nc 锄b cs i m u l a t e da c c 哪a t e l y ， 锄dt l l ea c c 叫帕y o ft h et e s t 晰l lb ei m p r o v e d t h et e s tb e n c h 砷p r o v e dr u ns t a b l y 锄dt h et e s td a t ai sa c c 唧l t e a n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：t m s m i s s i o l l t e s t i n g ，d y i l a m i cl o a ds i m u l a t i o n ，m u l t i - 亿n c t i o n n 1 绪论 1 1 研究背景和意义 变速器是用来改变机床、车辆等机器的运转速度、牵引力、扭矩的机械装置，是应 用最为普遍的机械传动装置，是机器中的最为重要部件之一，随着科学技术的进步，机 械工程技术也有了很大的进步，新材料的发现，新技术、新工艺的发展，从而带动变速 器的传动方式形式多样、承受负载的能力也都有了较大的提高。 通过测试变速器的各项性能评价参数，可以用来检验变速器设计的合理性，加工工 艺、制造工艺、装配工艺等的正确性和合理性；对变速器的性能参数进行测试，并对测 试结果进行分析，也可以为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，将有助于了解和 评定变速器的综合机械性能，同时也为机械工程师提供真实、可靠的设计数据参数，将 会缩短新产品升级换代的设计时间周期，提高变速器产品的性能和质量，满足产品多品 种化发展，同时单品小批量开发生产的发展趋势的需求晗1 。变速器性能测试台是研究各 种普通齿轮变速器、无级变速器、单双自由度行星齿轮变速器的性能，评价产品质量的 重要测试设备。变速器性能测试台需适应变速器产品系列多、结构多，性能评价指标多 等特点。 在变速器性能测试系统中将计算机作为测试系统的控制装置，就可以充分发挥计算 机作为控制装置的强大功能，让计算机代替实验人员来完成调节动力源电机，改变变速 器的输入转速大小、扭矩大小，负载的扭矩大小等参数，并采集保存、处理数据、针对 测试系统的异常情况进行及时的处理，以减少实验人员的工作量，提高测试效率和测试 数据的准确性。这项技术的研究开发将进一步促进了变速器测试系统技术的发展，同时 对于提高目前现有的变速器性能测试台的技术水平具有重要的理论和现实意义口1 。正是 在此基础上提出模拟加载技术，模拟加载就是控制加载装置按照给定的载荷大小运行， 这样才能够在变速器性能试验台上利用模拟加载装置，模拟出变速器在真实或者近似于 真实工作环境下的负载的大小和变化情况，在这种载荷下测试变速器，才能得到趋近于 真实的变速器性能参数数据，测试数据才有价值。 随着机械工业的发展，变速器的设计制造技术的不断提高，与此同时对变速器产品 的测试方法以及测试设备的测试精度也都提出了更高的要求。所以，对变速器性能测试 系统的研究将具有十分重要的现实意义。 1 2 变速器性能测试台简介 变速器性能测试台一般都由动力源、测试装鹭( 传感器、数据采集卡) 、被测试变速 器、模拟加载装置、工控机等五部分组成，如图l l 所示。 西安理工大学硕士学位论文 图l l 变速器性能测试台基本机构 f i g 1 - ls c h e m a t i co ft m s m i s s i o nt e s t i n gp l a t f 0 咖 图1 1 中，动力源为测试台提供动力，使被测变速器正常运转。一般用作动力源的 有：燃油发动机( e n g i n e ) 、电动机( e l e c t r o m o t o r ) 等；测量装置是指用来测试变速器在正常 工作状态下的机械参数的传感器和数据采集卡，主要测试参数有扭矩( t o r s i o n ) 、转速 ( r 0 t a t i o n a ls p e e d ) 、功率( p o 、v e r ) 、效率( e m c i e n c y ) 等参数的；用作测量装置的有：转速 扭矩传感器( s e i l s o r ) 、编码器( e n c o d e r ) 、效率仪( e 伍c i e n c yi n s t n l m e n t ) 、专用测控系统 ( t e s ts y s t e mf o rs p e c i a lp u 印o s e ) 等；模拟加载装置就是在变速器正常运转时模拟负载的 装置，提供变速器工作状态下的阻力，模拟加载装置有：齿轮箱( g e m o x ) 、电机 ( g e n e m t o r ) 、液压缸( h y d r a u l i cc y l i n d e r ) 、磁粉制动器( m a 朗e t i cp o w d e rb r a k e ) 、电涡流测 功机( d d d yc 硼r e n td y n a m o m e t e r ) 等；测控系统一般选用工控机( i p c ) 、数字信号处理器 ( d s p ) 等控制硬件家控制软件组成h 1 。 1 3 变速器性能测试台的国内外研究进展 1 3 1 变速器性能测试台的国外研究进展 国外较早地就开始了这方面的研究，比较著名的有美国国家航空航天局吖a s a ) 下属 的刘易斯( l e 、i s ) 研究中心、美国格里森( g l e a s o n ) 公司、美国通用汽车公司( g m ) 、德国伦 克( r e n k ) 公司、德国帝目公司( 砌m t e c h i l i k ) 、法国斯柯达汽车公司( s k o d a ) 、日本丰 田汽车公司( t o y o t a ) 、日本明电舍株式会社、美国克莱斯勒公司( d a i m l e r c h r y s l e r ) 等， 从变速器性能测试台的方案设计，到最终测试台的组装搭建，这些公司和研究机构都进 行了大量的有针对性和创新性的研究工作，形成了比较完善的系列化的、标准化的设计 理论和理念口】。 美国克莱斯勒公司( d a j m l e 卜c h d ，s l e r ) 针对汽车变速器的机械结构特点，研究开发出 电功率流封闭变速器性能测试台隅1 。这种变速器性能测试台的特点是：被测试变速器输 出的机械能首先通过负载电机转换成电能，因为给模拟加载装置即电机，输入机械能 是，电机就相当于一个发电机，就会输出电能，这部分电能输入整流器，按照动力源电 机的需求输出一定大小的电压和电流，驱动动力源电机，这样就可以将一部分电能循环 2 l 绪论 再利用，节约了能源，降低测试成本，提高测试台的经济性阳1 。 在测试过程中作为动力源的电机处于电能转化为机械能工作状态，作为模拟加载装 簧的电机处于机械能转化为电能的工作状态，电机既可以输入机械能输出电能，也可以 输入电能输出机械能，这也是选用电机作为动力源和加载装置的原因之一，因为要达到 能量的回收利用，电机输入机械能输出电能，输入电能输出机械能的这种特性成为封闭 功率流时模拟加载装置的唯一的选择。模拟加载装置即负载电机，即可以模拟汽车正常 行驶的状态时，发动机驱动车轮运转的模式，也可以模拟汽车在下坡或减速时，车轮驱 动发动机运转时的模式，此测试台上的所有电机都可以通过计算机自动控制系统设计的 电机控制柜控制转速、扭转，按照指定的大小和变化方式等运行 。这种变速器性能测 试台的电控系统框图嗍，如图卜2 所示。 人机界面 中心控制柜 电机控制柜h 电机h 转速转矩 电机控制柜h 电机h 转速转矩 电机控制柜h 电机h 转速转矩 直流脉冲电机驱动器 图l - 2 控制系统框图 f i g 卜2s c h e m a t i cc o n t m ls y s t e md i a g 例m 德国蒂姆公司( t e 锄t e c l m i k ) 研发的变速器性能测试台，在结构上、功能上都有了较 大的创新和发展，属于目前比较先进的变速器性能测试台阻1 。如图卜3 所示。帝目新型 模块式变速器性能测试台，在趋于真实负载的情况下对变速器的声音、振动噪音以及变 速器的其他反应变速器性能的参数进行测试，其模块式的设计理念使测试台达到了高度 柔性化，即可以用来测试多种不同型号的变速器，也可以对同一变速器的多种性能参数 进行同时测试。 将动力源模块、模拟加载模块和控制显示模块分布于中心模块周围，按星状排列。 中心模块包括了所有变速器的机械结构特征，其结构是按照变速器的特征性和产品的标 准性进行分类后，进行的工程设计。为了减少测试台的制造成本，对测试台中的动力源 模块、模拟加载模块等模块都进行统一的标准化工程设计。这些模块在试验台改变测试 目标后，仍然可继续循环再次使用。使用包含变速器所有特性的中心模块，能迅速完成 试验台布局的转换，不需要反复的对变速器性能测试台进行结构上的工程设计 ，测一匾囤 西安理工大学硕士学位论文 图1 3 德国蒂姆公司汽车变速器测试台 f 唔l - 3t r 柚s m i s s i o nt e s t i n gp l a 响册o ft e 锄t e c l l n i kc o m p a n y 德国蒂姆公司的这款变速器性能测试台的主要优势如下： ( 1 ) 模块化，可适应不同变速器和变速器构造，保证现有的测试设备，如动力源 电机，传感器可以用于未来的变速器性能测试，经济性强，也就是说任何一个变速 器都可以在此测试台上完成所有参数的测试，不需要增加部件。 ( 2 ) 直接连接测试轴电机降低了噪音对于测试系统的影响，同时也减少了振动对 于测试系统的影响，提供了良好动力性能和试验台控制性能。 ( 3 ) 高质量、高精度的测试技术( 高精度的传感器和数据采集卡) 使得测试数据 精度高且真实可靠。 ( 4 ) 可以很容易的进行功能扩展，如果测试某一型号的变速器时的性能参较以前 数有所增加，只需要增加传感器和数据采集卡就可以顺利的进行功能扩展。 ( 5 ) 可同时生产不同模块，缩短了变速器试验台的生产周期，便于变速器性能测 试台的商品化。 ( 6 ) 维护简单，简化了对于测试系统错误的监测。 1 3 2 变速器性能测试台的国内研究进展 与国外相比，国内对于变速器性能测试台也进行了一系列的研究。这些研究都基本 上始于1 9 8 0 年左右n 们n 。国内从事变速器性能测试台研究的主要是我国在机械工程领域 比较领先的大学和研究所，例如：重庆大学口1 2 1 3 川、西安理工大学1 5 6 7 l 、合肥工业 大学n 踟n 们删、武汉理工大学心、西安重型机械研究所等单位。这些大学和研究所都先后 设计并搭建了有自己的特点和创新点的各种形式的变速器性能测试台，如崔亚辉、唐卓 尧在其研制的变速器性能测试台中，采用了p c 计算机作为控制器，p c 计算机主要用来 对动力源电机和模拟加载装置进行控制，同时配合传感器和数据采集卡对变速器的性能 参数数据进行采集和处理：陶维青、宋舒研制的试验台，测试系统软件采用的是基于 d o s 操作系统的。d o s 系统采用命令方式、没有友好的操作界面，还有就是因为d o s 4 1 绪论 系统不能执行多任务操作，测试时无法同时对变速器的多个参数的数据的进行采集、处 理，和对动力源和模拟加载装置的多个控制目标同时进行控制；王亚芹的基于l a b v i e w 的变速器机械性能测试系统，此变速器性能测试台采用美国国家仪器( n i ) 公司研制开发 的l a b v i e w 软件所开发的测试系统软件，按照测试的需求组织数据采集系统和数字信号 处理系统，简单方便。这些变速器性能测试台的设计和搭建从测试理论上、设计理念 上、实践上都具有代表性，对于我国变速器性能测试台技术以至于在机械工程测试领 域，都积累了宝贵而且有价值的经验，代表了我国成套机械工程测试设备的研发设计水 平。 1 4 变速器性能测试台加载技术的研究现状及发展趋势 计算机测试技术的不断发展，不断出现更高速度、更高精度，d 转换器，将变速器 性能测试技术推向了一个新的发展时期。以计算机为核心的变速器性能测试系统，使得 数据采集、处理和保存还有动力源和模拟加载装置的控制集于一体。具有测试速度快、 效率高；测试精度高；设计制造容易，操作简单，维修方便，可靠性高等优点。现代科 学技术的发展不断推动测试技术的进步，现代测试技术将朝着如下几个方向发展：先进 的总线技术，总线是所有测试系统的基础和关键技术，实现系统标准化、模块化、组合 化。目前采用的是g p i b 、v x i 和p x i ，随着计算机信息技术的不断发展，以后应该会采 用混合总线；开放式、标准化的体系结构是现代测试系统的主要趋势，在硬件上加强模 块化、标准化设计，采取开放式的硬件结构，使得测试系统的组件方便灵活，更好的实 现可互换性和互操作性陇1 。 p c 总线技术在计算机测试系统和控制系统中得到了广泛的应用，现代测试技术的发 展为变速器性能测试台的发展带来了新方向，基于这些技术的发展，提出了模拟加载技 术。 1 5 研究的内容和目标 分析目前变速器性能测试台的组成结构，并对变速器性能测试台所要进行的测试项 目的测试原理进行深入研究，并对测试项目的实现方法进行较为详细的功能设计； 对变速器多功能性能测试台进行功能设计，要求可以对齿轮变速器和单、双自由度 行星齿轮变速器和无级变速器进行开放功率流式和封闭功率流式测试，并具有良好的可 扩展性，并在此基础上根据数字控制技术提出了测试台的数字加载技术方案； 对上述方案进行可行性分析后。应用v i s u a lb 粥i c 和s u a lc + + 开发w i n d o w s 系统 下具有友好界面的应用程序来控制硬件和采集、处理数据，实现了数字加载功能； 系统通过实际应用验证，能够完成对变速器机械性能参数进行测试，测试准确，精 度符合要求。在本试验台上对变速器进行测试，并对试验结果进行分析。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章介绍了研究多功能变速器性能测试台的背景和意义，以及模拟加载技术的背景 和意义，以及变速器性能测试台的国内外发展现状和模拟加载技术的发展趋势，提出本 文的研究目的和主要内容。 6 2 变速器多功能性能测试台方案设计 2 变速器多功能性能测试台方案设计 2 1 变速器多功能性能测试台的多功能特点 图2 1 变速器多功能测试台封闭功率流式 f i g 2 一le i e c t r i c a ip o w e rc l o s e do ft 随眦m i s s i o nm u i t i - 如n c t i o nt e s t i n gp i a t f o n i l 封闭功率流式，就是指从动力源电机输出的机械能从被测试变速器的输出轴输出后 再通过模拟加载装置，也就是直流电机转化为电能，再次作为能源提供给动力源电机， 这部分能量通过动力源电机再次转化成机械能，再从输入轴输入被测试变速器，因为有 一部分能量循环使用，形成一个能量闭环，所以叫封闭功率流式。图2 1 变速器多功能 性能测试台封闭功率流式实物图和结构图。根据能量转化的方式不同，封闭功率流式变 速器性能测试台采用电机作为模拟加载装置，因为电机控制精度高，因此这种测试台的 加载精度高；由于有一部分能量循环使用，所以节能效果好。封闭功率流式变速器性能 测试台的动力源采用直流电机，电能通过动力源直流电机转化为机械能，机械能功率经 7 西安理工大学硕士学位论文 被测变速器和陪试变速器，由负载直流发电机将机械功率流转换为电能，经整流装置又 输回给动力源直流电机h h 墙1 。 图2 2 变速器多功能测试台开放功率流式 f i g 2 2e l e c t r i c a lp o w e ro p e n e do ft 瑚s m i s s i o nm u i t i 一向n c t i o nt e s t i n gp l a t f o n n 开放功率流式就是变速器所传递的功率由动力源电机传来，经过被测试变速器，最 后传递至模拟加载装置中，模拟加载装置将这些能量全部转化为热能等流失即消耗，如 图2 2 变速器多功能性能测试台开放功率流式实物图和结构图。这种测试方式所选用的 的加载装置为纯耗能装置，目前采用的耗能加载装置有电磁涡流消功器、磁粉制动器和 电机等，多功能变速器性能测试台在做开放功率流式测试时，模拟加载装置采用磁粉制 动器。这种测试形式的主要优点是：结构比较简单，因为省去了陪侍变速器和整流装 黄，省去整流装置使得测试台的电路比较简单；可在测试中对被测变速器进行模拟加载 测试，采用磁粉制动器可以实现定扭矩加载，即扭矩可以恒定，也可以按照一定的曲线 变化；此测试台不仅安装方便，而且模拟加载稳定可靠，但由于功率流开放，无法实现 能量的回收利用，所以其能量消耗大。 变速器多功能测试台还可以测试双自由度行星齿轮，测试双自由度行星齿轮时，只 需要增加一个动力源电机，所以测试台的结构不需要进行交大的改动，就可以进行测 试。结构如图2 3 所示。在变速器性能测试台的方案设计上，已经在硬件上和软件上预 固 2 变速器多功能性能测试台方案设计 留了二号电机的端口，这充分体现了变速器多功能测试台的多功能性和可扩展性。如图 2 4 所示。 图2 3 变速器多功能性能测试台测试双自由度行星齿轮 f i g 2 - 3t e s t i n gp l a n e tg e a rs p e e dr e d u c e ri nt r a n s m i s s i o nm u l t i f u n c t i o nt e s t i n gp l a t f o 兀n 图2 4 变速器多功能性能测试台操作台 f i g 2 4c o n t r 0 lp l a t l 0 n no f t r ；m s m i s s i o nm u i t i - 允n c t i o nt e s t i n gp i a t f 0 n n 2 2 变速器多功能性能测试台主要测试项目 2 2 - 1 空载运转测试 空载运转测试是用来检验变速器的一些基本性能。 测试目的：通过对变速器进行空运转测试，可以测试部分参数及功能是否符合最初 的设计要求，检查加工、制造、装配时的工艺是否合理、产品质量是否合格，进而找出 9 西安理工大学硕士学位论文 设计、制造、装配中存在的问题，以便采取相应的措施，进行二次改进设计。 测试原理：按照图2 5 组合变速器性能测试台，去掉模拟加载装置。 2 2 2 传动比测试 图2 5 空载运转测试结构图 f i g 2 5c o m p o s i t es t r u c t u r ed i a 舯mo fu n i o a d i n g t e s t 传动比的精度是衡量变速器性能的重要指标之一。传动比在设计和制造上会有误 差，就必须对出场变速器进行测试，在产品铭牌上对其传动比进行标定。 测试目的：利用测试台正式实际传动比是否与设计范围一致。 测试原理：变速器实际运转中，分别将测得输入转速n 、输出转速n ，等，计算被测 试变速器的传动比为： f = 兰 ( 2 1 ) 啊 测试方法：在变速器性能测试台上，将被测试变速器输出加载装置脱开，使其处于 空载状态。将动力源电机转速提高到变速器的额定输入转速，运转一定时间，待运转充 分稳定后再进行测试。测试时，先输入转速先从低到高依次减速，调速过程要保持平 稳，测出被测变速器输出速度。然后再把输入转速从低到高依次增速，测出输出速度， 计算实际传动比。 2 2 3 空载功率损失测试 变速器在不在负载时所测得的输入功率，称为空载功率。他表示变速器本身在空载 时的能源消耗情况是衡量变速器性能的重要指标之一，它主要包括各传动件的空载摩擦 损耗、传动件克服空气阻力的损耗等因素。而这些因素的大小往往是很难计算出来的， 只有通过测试才能较为准确的反应出变速器的真实功率损耗情况。 测试目的：在空载运转过程中，测试功率损失，从而找出加工、装配、润滑等工艺 1 0 2 变速器多功能性能测试台方案设计 过程的薄弱环节。 测试原理：在变速器实际运转中，分别将测得的输入扭矩互、输入转速n ，、输出扭 矩瓦、输出转速n ：等，计算被测试变速器的空载功率损失为： p = 五n l 一互n 2( 2 2 ) 测试方法：在变速器性能测试台上，将被测试变速器输出加载装置脱开，使其处于 空载状态。将动力源电机转速提高到变速器的额定输入转速，运转一定时间，待运转充 分稳定后再进行测试。测试时，先输入转速先从低到高依次减速，调速过程要保持平 稳，然后再把输入转速从低到高依次增速，测出输入扭矩五、输入转速n ，、输出扭矩 疋、输出转速n ，。 2 2 。4 承载性能测试 在实际工程呢中，变速器都是在一定的负载下进行工作的。最终评定变速器性能还 是要依靠承载性能试验。通过承载性能可以检测变速器是否符合设计指标，是否符合工 程需要。 测试目的：测试变速器的承载性能，测试出额定负载大小。 测试方法：启动动力源电机，空载下逐渐升高到变速器额定输入转速，检查变速器 的运转情况，无异常震动及噪声时，连续缓慢的调节动力源电机的转速，测试变速器在 额定转速1 0 0 、9 0 、8 0 、7 0 、6 0 、5 0 时加载5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、 1 0 0 的载荷下的输入、输出扭矩值，绘制恒定输入转速下的输出扭矩疋与输出转速n ， 。 孓 t _ n 曲线。 2 2 5 传动效率测试 机械效率使指机械传动装置的输出功率与输入功率之比称。变速器的机械效率可以 说是变速器性能参数中最为重要的一项，很多研究都是把变速器的传动效率作为研究目 标的，因此变速器传动效率测试是变速器性能测试台最核心的测试项目之一。 测试目的：测试变速器在不同工况下的机械传动效率。找出变速器的最佳工作区 间，提高变速器的传动效率。 测试原理：测试变速器在不同输入转速和不同负载下、不同工况下的的输入扭矩 五、输入转速n 。、输出扭矩瓦、输出转速n ：，计算被测试装置的机械效率为： ，7 ：鲁：罂1 0 0 ( 2 3 ) 毋正n l 、7 试验方法：测试在变速器在输入转速为1 5 0 0 r m 、1 2 0 0 r m 、9 0 0 r ，m 、6 0 0 r m 时加载 l o 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 的载荷下的输入、输出 西安理工大学硕士学位论文 扭矩值，并绘出7 7 一e 曲线、7 7 一n ：曲线等。 2 2 6 无级变速器的滑动率测试 机械摩擦无级变速器的滑动率，是指变速器输出轴在某一转速下承载前后转速的变 化率。变速器的滑动率从很大程度上决定其承载能力，输出轴转速不稳定，主要与变速 器内滚动体见的弹性滑动、几何滑动以及所设计的结构和轴系的刚度等因素影有关。由 于摩擦滚动体均匀为某种程度的弹性体，因此，再起相互接触并在一定的工作压力下进 行传动时，便会分别在其表面接触处产生不同程度的弹性变形。另外，由于滚动体在进 入。退出接触时的表面应力状态不同，致使主、从动滚动体将分别沿其运动方向变形， 且变形性质、程度均不同，即发生弹性滑动，造成转速不稳。又由于滚动体间的速度分 布情况是随滑动体的几何形状及运转轴线的相互位置不同而改变，从而产生所谓的几何 滑动。 测试目的：分析变速器设计是否合理，安装是否符合要求，以及结构设计中存在的 问题与不足，以便进一步改进设计。 测试原理：测试变速器的输出轴名义转速n 加、输出轴实际转速n ：。 ：业l o o ( 2 4 ) n 2 0 测试方法：测试方法和效率测试方法基本一样，只是记录不同的数据。做出g p 曲 线。 2 2 7 疲劳寿命测试 疲劳寿命也是变速器可靠性的重要指标之一。 测试目的：考核变速器各摩擦副的接触疲劳强度以及整机的使用寿命。 测试方法：实验时，将变速器在中速满载的情况下，连续运转一个或几个疲劳循环 基数。设定速度为1 0 0 0r m 时，运转一个疲劳循环基数。试验结束后，观察各传动件有 无早期破坏( 过量磨损，烧蚀等) 现象。 2 2 8 过载性能测试 良好的过载性能使变速器在短暂的超载后，迅速卸载后，变速器仍能在正常工况下 正常工作，这也是变速器可靠性的重要指标之一。 测试目的：验证变速器的过载能力是否符合技术要求，在短期过载情况下是否仍能 正常工作。 测试方法：一般超载为其额定载荷的2 0 左右，开始若干次或者在运转中突然超 载，观变速器是否有破坏或者有较为明显的滑动率增加现象。 1 2 2 变速器多功能性能测试台方案设计 2 2 9 静摩擦力矩测试 摩擦力矩( 也叫启动力矩) 是评价变速器性能的重要参数之一。摩擦力矩包含静摩擦 力矩和动摩擦力矩，静摩擦力矩指变速器的输入轴在启动时的摩擦力矩( 启动力矩) ；动 摩擦力矩指的是变速器的输入轴回转时的摩擦力矩乜引。变速器的摩擦力矩值是比较分散 的，相同型号的传动装置，甚至有时候相同厂家、相同批次的产品，摩擦力矩值都不一 定会大小相等。通过理论公式计算得到的变速器静摩擦力矩值只是理论值，近似于真实 值，要想知道某一变速器比较准确、接近于真实的静摩擦力矩值，就只能对该变速器进 行实际测试位钔。 试验目的：测试变速器输出轴的静摩擦力矩值。 试验内容：将被测试变速器的输入轴固定，调节模拟加载装置的输出扭矩大小，使 其输出轴端扭矩从o n 恤开始缓慢增加，直至变速器的输入轴有转动，即输入端的转速 扭矩传感器有读数时，记录此时输出轴端转速扭矩传感器的扭矩值大小，该值即为被测 试变速器的输出轴静摩擦力矩。 2 3 本章小结 本章阐述了多功变速器性能测试台的结构特点，即可以对普通齿轮变速器和双自由度 行星齿轮变速器进行开放功率流式和封闭功率流式测试，制定了空载运转测试、传动比 测试、空载功率损失测试，承载性能测试、传动效率测试、疲劳寿命测试，过载性能测 试，静摩擦力矩测试等实验项目的方案，并对测试原理、测试方法进行了详细的分析、 阐述。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 3 模拟加载装置的研究 3 模拟加载装置的研究 3 1 直流电机 电机是一种将机械能与电能相互转换的电磁装置乜钔。直流电机输入机械能输出电 能，输入电能输出机械能。所以被选作变速器性能测试台的动力源和封闭功率流式的模 拟加载装置。直流电动机的主要优点是调速范围广、易于平滑调节；电机开始扭矩、制 动扭矩和过载扭矩大，易于控制且运行可靠等。 3 1 1 电动机的机械特性 他励直流电机的机械特性是指电机励磁电流，和电枢电压一定时，电机轴上的转速 与电磁产生的扭矩的关系，用函数n = f 阢) 表示。图3 1 是一台他励直流电机示意图。 i a r s t i a 图3 - l 他励直流电机 f i g 3 一lt h e0 t h e r - e x c i t e dd c m o t o r 机械特性方程式为： n - 茜一篆乙= 一卢乙 ( 3 1 ) n = 一! 亡= f 一= 一d l i j il e e c 7 z ” ”“ 、7 3 1 式中：c = p ( 6 0 a ) 是电动势常数；c r = p ( 2 嬲) 为扭矩常数；p 为电动机极 对数；a 是并联支路数；u 是电源电压，单位为v ；心是电枢外接串联电阻，单位 q ；n 。= u ( c c m ) 是理想空载转速，单位r m i n ，理想空载转速的大小与电动机端电压 u 、每极气隙励磁磁通以及绕组的导体数等有关；卢= ( 足。+ 凡) ( c 。c r ) 3 1 2 电机调速方案 由电力拖动原理可知，直流电动机( d m ) 的转速和其他物理量之间的稳态关系表示 为： n = 等 ( 3 2 ) n = 一 i j ：z ， k 。 、7 3 2 式中：n 是转速( r m i n ) ：u 是电枢电压) ；i 是电枢电流( a ) ；是励磁磁通 西安理工大学硕士学位论文 ( w b ) ；r 是电枢回路的电阻( q ) ；k 。是电动势常数。 由上式可以看出，直流电动机有3 种调速方案瞵矧田1 ： 调压调速是通过调节和控制电枢电压u 的调速。利用可调压电源供电，可实现减压 调速，但受电动机绝缘施压的限制，只能低于额定电压减压调速。减压调速特性如图3 2 所示。调压调速的机械特性硬度不变，但随电压降低静差率增大，励磁电流额定时， 可实现恒扭矩调速。转速只能低于额定转速，但在允许静差的范围内可获得更宽的调速 范围，一般可达1 0 一2 0 。当调压电源可连续平滑减压时，拖动系统可实现无极平滑调 速。调压调速过程中能量损耗较小，因此调速经济性较好。 n o 图3 - 2 调压调速特性 f i g 3 - 2c h a r t e r i s t i co fv o l t a g e - v e l o c 时陀g u i a t i o n 调磁调速是通过改变和控制励磁磁通来调速。由于电动机额定运行时，励磁电流以 使磁路接近饱和。因此调节励磁调速只能小于额定励磁往下调，也称弱磁调速。小容量 直流电动机可在励磁回路串接调节电阻实现调速，而大容量直流电动机必须用专用可调 电源供励磁绕组调节电流。在端电压和电枢电流额定的条件下减小励磁调速，电动机转 速将高于额定转速，电磁扭矩低于额定扭矩，但电磁功率恒定，因此属于恒功率调速， 调速特性如图3 3 所示。 1 6 n n 0 o 图3 3 调磁调速特征 f i g 3 - 3c h m c t e r i s t i co fa d j u s k l b l em a 印甜cs p e e d 串接电阻调速是通过改变电枢回路中的串联电阻，从而实现电机调速。此方案的缺 3 模拟加载装置的研究 点： a ) 调速时机械特性变软，静差率大，稳定性相对较弱。 b ) 转速只能低于额定转速，调速范围小，一般在1 5 到2 0 范围内。 c ) 由于要消耗电功率，因此经济性也较差。 d ) 串接电阻是分级的，只能实现有级调速，平滑性差。要提高平滑系数，串接 的级数要增多，接触器数量增多，控制也要更复杂。 基于以上原因，本测试台上的直流电机采用调压调速方案。 n n 0 0 图3 4 串接电阻调速特征 f i g 3 - 4c h 撇c t e r i s t i co fr e s i s t 锄c ec o m b i n a t i o no fs p e e d 3 2 模拟加载装置的数字控制技术 直流电机作为测试台的动力源和模拟加载装置，为了提高测试系统的自动化程度， 对直流电机采用数字控制器进行控制。封闭功率流式的模拟加载装置直流电机采用电流 速度双闭环系统，开放功率流式的模拟加载装置磁粉制动器采用电流单闭环系统，因为 磁粉制动器作为加载装置，其输出扭矩与转速关系不大，扭矩与激磁电流在一定阶段成 线性关系。直流电机控制中，因为其输出扭矩与电枢电流成正比，所以必须对其电枢电 流也进行控制，所以在直流电机控制中，电流反馈通过安装在电枢主回路的电流互感器 取得交流