（机械电子工程专业论文）摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 离合器是摩托车传动系中直接与发动机相联系的部件，是摩托车至关重要的 安全性装置，它直接影响摩托车行驶的可靠性。因此准确、快速、有效地检测离 合器的工作性能就显得非常重要。 我国摩托车行业在离合器性能模拟检测方面一直缺乏专门的模拟试验设备， 现有的实际性能测试设备在测试技术上也存在些不成熟的地方。 受企业委托，笔者结合国家行业标准q c 1 6 6 - 9 3 对摩托车湿式离合器各项性 能的检测要求，设计开发了“摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型”，这 种新型的机械模拟模型能够适应在实验室里模拟离合器性能检测和科研工作的 需要，满足摩托车行业对湿式离合器测试设备小型化、智能化的需求。该模拟模 型已申报了国家发明专利，专利申请号为2 0 0 6 1 0 1 2 4 8 8 0 9 本论文主要进行了以下研究工作： 深入探讨了摩托车湿式离合器的结构与原理，对其工作特性进行了理论分析 与研究，从小型化、智能化和实用化的角度进行了机械、气动、电气与自动控制 的设计，搭建了传感检测平台，以完成对摩托车湿式离合器所有性能的的模拟检 验与测试。 “摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型”的开发主要围绕着离合器几 个检测项目而开展，在满足检测精度与可靠性的前提下，设计中还考虑了设计投 资的经济性、检测元件的通用性、整体外观的小型性、演示操作的方便性，等等。 本机械模拟模型为达到小型化的目的，依据摩托车湿式离合器的原理设计了 模拟离合器；控制系统采用工业上广泛使用的8 0 5 1 单片机，旨在降低设计投资； 软件系统采用汇编语言编写，以提高响应速度。减少硬件开销。 最后，根据各个测量结果，完成对模拟离合器多个性能的检测。 本试验台机械模拟模型的研发将为摩托车湿式离合器的检测提供丰富而详 尽的科学数据，以指导摩托车制造企业的实际生产、检验、测试，为高校、科研 院所、科教展览提供教学仪器、模拟模型，为摩托车行业湿式摩擦离合器的生产、 测试提供经验积累和技术储备。 关键词：离合器，模拟模型，测试系统，试验台 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t ra c t c l u t c hj sap a r tt h a td i r e c t l yc o n t a c tw i t ht h ee n g i n eo fam o t o r c y c l e i ti sav e r y i m p o r t a n ts a f e t yg u a r a n t e eo ft h em o t o r c y c l e st r a n s m i s s i o ns y s t e m s ot h eq u a l i t yo f c l u t c hw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c em o t o r c y c l e sd r i v er e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，a c c u r a t e , q u i c k ， e f f e c t i v et e s tt h ec l u t c hw o r k i n gp e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t o u rc o u n t r y sm o t o r c y c l ei n d u s t r yh a sn os p e c i a l i z e ds i m u l a t i n ge q u i p m e n t st o t e s t i n gt h ew e ta n df r i c t i o nc l u t c h , a n dt h ee x i s t i n ga c t u a l t e s t e ra l s oh a ss o m e d i s a d v a n t a g e s ih a v ed e s i g n e da m e c h a n i c a ls i m u l a t i n gt e s t e rf o rt h ew e ta n df r i c t i o nc l u t c ho f t h em o t o r c y c l e b a s e do nt h en a t i o n a ls t a n d a r dq c t 6 6 - 9 3 ，u n d e rac o r p o r a t i o n c o m m i s s i o n t h i st e s t e rc a na d a p tt h er e q u i r e m e n t so ft e s t i n gaw e ta n df r i c t i o nc l u t c h o ft h em o t o r c y c l ei nt h el a b o r a t o r y t h es i m u l a t i n gt e s t si nt h el a b o r a t o r yc a ns a t i s f y t h ed e m a n d so ft h et e s t e rf o r t h ew e ta n df l - i c t i o nc l u t c hf r o mt h em o t o r c y c l ei n d u s t r y ih a v ea l r e a d ya p p f i e df o ran a t i o ni n v e n t i o np a t e n tf o rm ys i m u l a t i n gt e s t e r , p a t e n ta p p l i c a t i o nn u m b e r i s2 0 0 6 1 0 1 2 4 8 8 0 9 t h i st h e s i sm a i n l yc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k s ： g od e e pi n t ot h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ew e ta n df r i c t i o nc l u t c h ，c a r r yo n t h et h e o r i e sa n a l y s i sa n ds t u d yo fi t sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c , t h e nt om a k eas m a l l ， i n t e l l i g e n t ，p r a c t i c a l i t ys i m u l a t i n gt e s t e rb a s e do nt h em e c h a n i s m ，g a s ，e l e c t r i ca n d a u t oc o n t r o ls t r u c t u r ed e s i g n , w h i c hc a nd oa l lt h et e s t st h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u e s t s t h ed e s i g no ft h e m e c h a n i c a li m i t a t i n gt e s t e rf o rw e ta n df r i c t i o nc l u t c ho ft h e m o t o r c y c l e i sb a s e d o nt h et e s t st h a tt h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u e s t s i t sr e s u l t sm u s tb e a c c u r a c ya n de r e a h b i l i t y , i t ss t r u c t u r em u s tm e e tt h ef o l l o w i n gn e e d s ：l o wi n v e s t , u n i v e r s a lc o m p o n e n t s ，s m a l lv o l u m e ，f a c i l i t yo p e r a t e ，e t c ih a v ed e s i g n e dac l u t c ha c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fw e ta n df r i c t i o nc l u t c ht o r e d u c et h et e s t e r sv o l u m e ；u s e8 0 5 1a st h ee m b e d d e dm i f r o c o n t r o l l e ru n i t ，w r i t et h e p r o g r a m sw i t ha s s e m b l el a n g u a g et of a s t e rt h er e s p o n d i n gs p e e da n dr e d u c eh a r d w a r e e x p e n s e s t h e nt h et e s t e rc a nc o m p l e t e da l lt h et e s t sb a s e do nt h ea b o v em e a s u r e s t h i sf i n i s h e dm e c h a n i c a ls i m u l a t i n gt e s t e rc a np r o v i d ea b u n d a n tb u td e t a i l e d s c i e n t i f i cd a t af o rt h ea c t u a lt e s to ft h ew e ta n df r i c t i o nc l u t c h ；i tc a ng u i d et h e m o t o r c y c l ei n d u s t r y sa c t u a l l ym a n u f a c t u r ea n dt e s t ，p r o v i d eat e a c h i n gi n s t r u m e n tf o r t h eu n i v e r s i t y , g r a d u a t es c h o o l ，o rt h ee x h i b i t i o n ，a n da l li t sw o r k i n gr e s u l t si sa 武汉理工大学硕士学位论文 v a l u a b l ee x p e r i e n c ef o ro u rm o t o r c y c l ei n d u s t r y k e yw o r d s ：c l u t c h ，s i m u l a t i n gt e s t e r , t e s t i n gs y s t e m ，t e s t e r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 i 摩托车湿式离合器概述 1 1 1 摩托车离合器的功用 一般情况下，摩托车由发动机、车架、传动系、制动系，悬挂装置、车轮、 电器设备等七部分组成“1 ” 离合器安装在发动机曲轴与变速器之间，是摩托车传动系中直接与发动机相 联系的部件。其功用是：把发动机的动力传递给变速器。在必要的时候切断发动 机与变速器之问的动力传递。离合器就像电器线路中的开关一样，当离合器工作 时，离合器处于结合状态，此时发动机的动力经初级减速机构、离合器、变速器 传给摩托车后轮 ， 摩托车起步前，先将离合器分离，使发动机与后轮脱开，再将变速器挂上挡， 使离合器逐渐接合，发动机所受的阻力矩也逐渐增大，此时应同时逐渐增大发动 机的燃油供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上。由于离合器接 合紧密程度逐渐增大，发动机经传动系统传给驱动后轮的转矩逐渐增加。到牵引 力足以克服起步阻力时，摩托车才从静止开始运动并逐渐加速。因此，保证摩托 车的起步是离合器的首要功能。 离合器的另一功能是保证变速器换挡对工作平顺。在换挡前必须使离合器分 离，中断动力传递，以便于使原挡位的齿轮副由啮合转入脱开，使新挡位的齿轮 副啮合部位的线速度逐渐趋于相等，这样进入啮合时的冲击可以大为减轻。 此外，当摩托车进行紧急制动时，可以依靠离合器的主动部分和从动部分之 间可能产生的打滑来消除对传动系统造成超过其承载能力的载荷。因此，离合器 的又一功用是限制传动系统所承载的最大转矩，防止传动系统过载。 1 1 2 对摩托车离合器的要求 随着摩托车发动机转速和功率的提高以及道路上车流密度的增加，形成了离 合器的接合频度高，使用条件日益严酷的工况。因此，提高离合器的可靠性和使 用寿命，周肘适应高转速，增加离合器传递转矩的能力已成为离合器的发展趋势。 离合器应该符合以下要求： 1 ) 在任何行驶情况下都可以可靠地传递发动机的最大转矩，而且要求传递 转矩的能力有适当的储备：2 ) 离合器分离时要彻底、迅速；接合时要平顺、柔 和，以保证摩托车起步平稳没有抖动和冲击；3 ) 离合器从动部分转动惯量要 小，以减轻换挡时齿轮间的冲击并便于换挡：4 ) 应使传动系统避免危险的扭转 武汉理工大学硕士学位论文 共振，且有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力；5 ) 有足够的吸热能力，并 保证有良好的散热条件，以保证离合器工作温度不至于过高；6 ) 作用在摩擦片 上的正压力和摩擦系数在离合器使用过程中变化要小，力求离合器工作能保持稳 定；7 ) 操纵轻便、灵活；工作可靠，使用寿命长；8 ) 离合器结构简单、紧凑， 质轻，制造容易并且维修方便。 1 1 - 3 摩托车湿式离合器结构及特性 摩托车湿式离舍器的结构如图所图2 一l 所示“1 图1 - 1 摩托车湿式离合器 湿式多片离合器具有径向尺寸小、耐热、耐磨性能好的特点，有利于离合器 处于半接合状态下工作。本文以湿式多片离合器为模型，设计了一个模拟的湿式 多片离合器，图i 一2 为模拟离合器三维图。 图1 2 模拟离合器三维图 1 空心轴套2 压板3 从动齿轮4 主动盘凸块5 主动盘6 从动盘 7 摩擦片8 中间片9 外压盖l o 弹簧1 1 螺母1 2 铆钉 图1 3 模拟离合器结构原理分解三维图 武汉理工大学硕士学位论文 所设计的模拟离合器结构直观图如图l 一3 所示该离合器的工作原理是： 空心轴套1 与从动齿轮3 的内径为阅隙配合，当离合器分离时，从动齿轮与离合 器主动盘5 在空心轴套l 上滑动离合器与从动齿轮3 之闯设计有主动盘凸块4 用作缓冲减震，利用铆钉1 2 将压盖2 、从动齿轮3 、主动盘5 、主动盘凸块4 组 合成一个弹性同步旋转体。弹簧1 0 的一端顶在压盖9 的弹簧座内，另一端在螺 母1 1 的紧固下被强行压缩，将摩擦片7 等，中间片8 等向左侧压紧，使摩擦片 7 等，中间片8 等接合，离合器结合。 离合器工作时，其动力传递过程为：从动齿轮3 一主动盘凸出块4 一主动盘 5 一摩擦片7 等一中间片8 等一从动盘6 一空心轴套1 到试验台三级轴。 1 2 摩托车离合器性能试验台国内外发展状况 目前国内生产摩托车离合器性能试验台的单位有很多，知名的有上海交通大 学、西安顺通机电应用技术研究所，天津摩托车技术中心等等。 上海交通大学的试验台可以进行摩托车离合器轴向压力和分离距离的测量、 静( 动) 摩擦扭矩和静( 动) 摩擦系数的测量、打滑测量和耐久性试验等。其优点 在于测试项目全面，缺点是( 1 ) 电机使用变频器调速，产品成本高；( 2 ) 电机 转速只考虑了离合器安装在摩托车主轴上的情况，未考虑离合器安装在曲轴上的 情况。 天津摩托车技术中心研制的试验台测试项目为( 1 ) 摩托车离合器的滑动摩擦 力矩和静摩擦力矩，以及滑动摩擦系数和静摩擦系数；( 2 ) 摩托车离合器压盘的 轴向压紧力。同时设有独立的润滑油加热控制系统，试验油温可任意设定。其测 试项目全面，但是可测离合器最大轴向压力只有1 0 0 0 n ，而且试验台主轴转 速1 5 0 0 r m i n ，这些都限制了试验台的应用范围。 西安顺通机电应用技术研究所研制的试验台的功能为( 1 ) 静摩擦力 矩和静摩擦系数的测试；( 2 ) 动摩擦力矩和动摩擦系数的测试；( 3 ) 轴向 压力的测试；( 4 ) 位移一扭距特性的测试；( 5 ) 耐久性试验。测试项目全面。 但是由于要使用测功机测量离合器各种力学特性，致使产品成本增高。 通过网络搜索，国外大型摩托车生产厂商的摩托车离合器测试试验台也都有 制作成本高，测试产品范围受限的弊端。 1 3 课题研究的目的、意义和主要内容 ( 1 ) 课题研究的目的 3 武汉理工大学硕士学位论文 本文所研究的课题来源于广东大阳摩托车有限公司，其目的是研制一种可以 依据国家标准对摩托车湿式离合器的各项性能进行测试的模拟模型这种新型的 摩托车湿式离合器性能测试模拟模型以小型化，智能化、实用化为目标，制作成本 低廉，测试项目全面，综合了传统的摩托车湿式离合器试验台的优点，克服了现 有试验台的弊端，可以在实验室里模拟离合器性能检测，并对摩托车湿式离合器 实际试验台的优化设计提出改进方案和参数依据，满足摩托车制造企业实际生 产、检验、测试的需求，为高校、科研院所、科教展览提供教学模拟设备，为摩 托车行业湿式摩擦离合器的生产、测试提供经验积累和技术储备 ( 2 ) 课题的研究意义 摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型的研究是为在实验室里提高离 合器性能检测的精度与可靠性，降低摩托车配件制造企业不必要的开发成本，为 实际离合器性能检测设备的设计和实际离合器的生产提供指导而展开的 依照行业标准0 c t 6 6 - 9 3 摩托车离合器技术条件，结合摩托车发 动机对离合器部件的技术质量要求，摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟 模型应该可对摩托车湿式离合器的技术性能进行全面的综合模拟测试， 并能够预置功能参数进行对比试验，为实际摩托车湿式离合器的检测提 供丰富而详尽的科学数据，使以往不能定量分析的性能指标全部具体量化， 对适应离合器性能检测和科研工作的需要，满足摩托车行业对湿式离合器测试设 备的需求有着最直接的指导意义。 通过文献检索和申请专利时查新的结果。目前国内外在此领域还没有进行过 类似的研究，因而本课题的开展对我国摩托车制造企业及科研院所的生产和研究 不仅具有现实的理论意义，而且具有工程应用价值。 ( 3 ) 本文研究的主要内容 摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型的特点就是：小型化、通用化、 智能化。小型化体现在试验台的体积和重量要尽可能小，总重量要控制在一定范 围之内。但体积和重量减小了，性能却不能丢失或者降低：通用化体现在本机械 模拟模型所用的各种控制器件全部采用应用广泛的器件，从而满足测量结果的可 靠性。 中国汽车工业总公司于1 9 9 3 年1 0 月2 0 日批准，并于1 9 9 4 年1 月1 日起实 施的行业标准q c t6 6 - 9 3 ，即摩托车离合器技术条件，成为摩托车离合器 检测的正式国家标准。 根据现行行业标准q c t6 6 9 3 规定，摩托车湿式离合器的质量检测包括以 下几个项目： 1 ) 静摩擦力矩与静摩擦系数的测定：( 2 ) 动摩擦力矩与动摩擦 系数的测定；( 3 ) 离合器轴向压紧力的测量；( 4 ) 离合器摩擦片磨损量的测量； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 高速旋转下摩擦片磨损量的测量。 1 4 摩托车湿式离合器性能测试原理与方法 1 4 1 静动摩擦力矩以及静动摩擦系数的测定 摩托车来湿式离合器的静摩擦系数与静摩擦力矩的测量方法是将离合器安 装在试验台上，使其侵没在规定的润滑油中，油温为3 7 3 5 k ( 油温由温度控制 器控制) ，用单相电容运转微型异步电机d 0 4 5 1 2 进行测量的 单相电容运转异步电机连接上起步飞轮可用于测量静摩擦力矩与静摩擦系 数。按照离合器在摩托车上的安装位置，选定台架减速电动机的主轴转速为 1 5 0 0 r m i n ，对离合器进行磨合。电机连续运转使摩擦盘接触面积达n 8 0 ，再 使其处于接合状态，使从动部分固定( 利用制动气缸制动，产生足够的制动力矩， 使离合器从动部分转速为零) ，然后利用减速电机自主动部分向从动部分缓慢的 施加扭转负荷，主动部分刚刚开始打滑时的力矩即为需测量的静摩擦力矩。测量 次数不小于5 次，其中任意两次的差值不应大于3 ，取其算术平均值。 同样的异步电机连接上配重块可以用来测量湿式离合器的动摩擦系数。异步 电动机在变频调速器的控制下起动、升速，将发动机的最大扭矩时的转速换算到 离合器轴上，当达到一定转速并稳定运转后切断电源，将离合器从动部分固定( 用 制动气缸使从动部分快速制动) ，按规定主轴转速强制摩擦传动( 主动部分在起 动飞盘的驱动下克服摩擦阻力继续旋转，使摩擦片产生滑摩) 。通过转矩传感器 测取离合器从动部分转速为零、主动摩擦片瞬时转速为1 5 0 0 r m i n 及其以下各 转速点的摩擦力矩，即为被试离合器从动部分固定，主动部分以不同转速强制滑 摩时的动摩擦力矩，测量次数不小于1 0 次，取其算术平均值。 按下式计算摩擦系数 “：竖( 1 1 ) n p r 。 式中，口为温度为3 7 3 5 k 时的静动摩擦系数； 厶。为湿度为3 7 3 5 k 时的力矩 值；f 为实验前后轴向压力的平均值；忌为有效半径，单位m r = = 2 =( 卜2 ) 4 式中，d 、d 为摩擦片外，内径，单位m 。 1 4 2 离合器压盘轴向压紧力的测量 轴向压紧力是离合器总成中弹簧对摩擦片的压紧力，即弹簧在总成中的预 压缩力。离合器摩擦片的接合与分离，是通过气动离合机构来完成的。气动离合 机构拉动离合器的从动部分，在离合器从动部分与主动部分分离的过程中，测量 5 武汉理工大学硕士学位论文 推杆位移与力的关系，在变化率突变的时候的力为离合器压盘轴向压紧力 1 4 3 摩擦盘磨损量的测定 确定实验载荷相当于摩托车满载常用起步挡在坡道角度为4 。3 5 的坡道 上起步时的当量馁量和坡道阻力矩，由磁粉制动器转换到离合器轴上，其当量惯 量按下式计算”1 j _ 里擎 ( 1 3 ) f 式中，j 为摩托车处于满载常用起步挡时转换到离合器轴上的当量惯量，单位为 k g 舒；r f l 为摩托车最大允许总质量，单位为k g ，r t 为驱动轮滚动半径，单位为 m ，i 为摩托车处于常用起步挡时，从离合器到驱动轮的总传动比。坡道阻力矩 按下式计算 耻! ：! 翌丛( 1 - 4 ) i 式中，1 1 1 为摩托车最大允许总质量，单位为k g ：r t 为驱动轮滚动半径，单位为 m ；i 为摩托车处于常用起步挡时，从离合器到驱动轮的总传动比；妒为坡道阻 力系数，妒= f c o s a + s i n a ，滚动阻力系数f = o 0 1 5 ，口为坡道角度4 93 5 。 安装离合器于试验台上，侵入润滑油中，对离合器进行磨合，使摩擦盘接触 面积达到8 0 ，再使其处于接合状态，然后将主动部分向从动部分缓慢的施加扭 转负荷，测量静摩擦力矩( 即开始打滑时的力矩) ，测量次数不小于5 次，其中任 意两次的差值不应大于3 * 0 ，取其算术平均值。卸下离合器，测量摩擦盘厚度。 重新把离合器安装在试验台上，并在从动轴上配备所需的当量惯量及施加所 需负荷。按每分钟2 个循环( 每次接合的滑磨时间为2 5 o 5 s ) 进行连续模拟起 步循环实验。 每接合1 0 0 0 0 次测量一次摩擦力矩，并卸下离合器在摩擦盘中径处测量其摩 擦盘厚度，每次在相同位置禊0 量不少于三点，取其平均值。 1 4 4 高速旋转实验 在温度为3 7 3 5 k 条件下进行实验，连续加速逐渐达到规定转速1 5 0 0 r m i n ， 在接近规定转速1 5 0 0 r m i n 时，转速增加量不得超过1 5 0 r a d s ，在此速度下运 转l m i n ，卸下离合器检查破坏情况，即为高速旋转情况下摩托车湿式离合器磨 损量的测定实验。 磨损率按式( 1 5 ) 计算 磨损率v ：a ( h , - h 2 ) ：( d 2 _ d 2 ) ( h t - h 2 ) ( t - 5 ) 册l l 4 t m i t 血 式中，a 为摩擦片的单片摩擦面积( c m 2 ) ：h 、h ：为试验前后的摩擦片平均厚度 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( c m ) ；n 为试样磨损试验的总转数；t 为离合器动摩擦力矩。 磨损量按式( 1 6 ) 计算 磨损量k = 砉鲁 ( a = l ，试验前；a = 2 ，试验后) ( 1 - - 6 ) 式中，t 。为第i 测量点厚度。 1 5 试验台机械模拟模型控制系统设计 1 5 1 试验台机械模拟模型硬件设计的特点以及硬件设计 试验台机械模拟模型测控系统的硬件设计主要根据所要控制和测量的对象， 结合测控系统的实际应用特点，开展研究工作 本课题动静摩擦力矩、动静摩擦系数的测量要分开来测量，只需一台单相电 容运转异步电机便能完成测量，它们使用的转速测量传感器一一光电编码器虽然 型号不同，但每转输出的脉冲数是相同的，而且都需要调频调速，所以实际制作 控制系统时，控制电路可以考虑用一套控制电路实现两个测量系统的测量。由于 一片单片机的功能太弱，考虑用两片单片机控制。一台单片机用于调频调速，同 时测速显示；另一台单片机对负荷传感器的输入进行放大模数处理并打印力矩曲 线。通过分析力矩曲线，就能得出离合器的动静摩擦力矩特性，而摩擦系数可通 过公式计算得出9 “”。 电机升速到最大转速，在最大转速情况下连续旋转一定时间，测量离合器 摩擦片的磨损量就是高速旋转下摩擦片磨损量的测量，这一测量项目完全可以借 用离合器动静摩擦力矩处理系统进行处理 测量离合器轴向压紧力时所采用的拉压力传感器和测量离合器动静摩擦力 矩时使用的负荷传感器原理、性质相同，本试验台机械模拟模型充分考虑了二者 的异同，用相同的硬件电路来完成两个测量项目，达到了简化设计的目的。 观察离合器轴向压紧力与位移的关系时，要对位移传感器的频率信号进行处 理，这里用一个单片机控制系统，通过自身的两个定时器计数器在单位时间内 对位移传感器发出的频率信号计数，而得到离合器的位移大小。 摩托车湿式离合器的所有质量检测项目是在润滑油液处于 9 5 。c ，1 0 5 。c 范围内进行的，因此需要设计一个温度测量与控制系统即单片机对k 型热电偶的 温度信号进行处理，通过控制电加热的开关使温度处于规定的范围”。 离合器摩擦片磨损量的测量要求试验台机械模拟模型在从动轴上配备所需 的当量惯量及施加所需负荷，按每分钟2 个循环( 每次接合的滑磨时间为2 5 0 5 s ) 进行连续模拟起步循环实验，每接合1 0 0 0 0 次测量一次摩擦力矩，并卸下 武汉理工大学硕士学位论文 离合器在摩擦盘中径处测量其摩擦盘厚度，这里需要设计一个气动换向系统，使 其气缸活塞每3 0 秒伸出退回一次，伸出到达顶点位置时，延时2 5 秒后退回 测量离合器静摩擦系数时，制动气缸伸出使制动盘制动，也要用到一个气动 换向系统，简单的按动开关即可使气缸活塞杆伸出退回。 综上所述，整个试验台机械模拟模型测量控制系统需由几个控制系统组成， 即：一个调频调速控制系统，两个力矩测量系统，一个位移测量系统，一个温度 测量控制系统，两个气动换向系统。 1 5 2 试验台机械模拟模型软件设计 软件的功能可分为系统软件和应用软件。计算机的系统软件包括两方面的内 容：( 1 ) 操作系统或者监控系统；( 2 ) 汇编程序、解释程序和编译程序 操作系统一般由厂家提供。模拟试验台使用8 0 5 1 单片机，全部程序均由汇编 语言写成，鉴于此，本课题使用了k e i l c 5 1 标准c 编译器。k e i l c 5 1 为8 0 5 1 微控制 器的软件开发提供了c 语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。c 5 1 已被 完全集成到u v i s i o n 2 的集成开发环境中，该集成开发环境包含编译器、汇编器、 实时操作系统、项目管理器、调试器等等，为试验台控制程序的编译、调试、仿 真提供了高效、方便，可靠的工具。 微型机实时控制系统的应用软件是服务于实时控制的程序的集合，应用软件 宜采用模块化结构，一个程序模块就是子程序，主程序的主要任务是调用子程序 子程序又可以分为通用程序和专用程序两类，通用程序包括数制转换程序、运算 程序、查表程序等等。专用程序这包括数据采集程序、输出程序等等。 模拟试验台在编写应用软件时，就考虑到了模块化结构，设定好各个子程序 的入口和出口条件，在主程序中直接调用，简化了程序设计，也使后期的程序调 试比较容易进行。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章摩托车湿式离合器性能试验台机械模拟模型 机械设计与关键技术 2 1 圆盘式多片湿式摩擦离合器机械设计 2 1 1 摩擦离合器简介 在制动器、离合器，带传动和牵引传动中，摩擦是一种有用且必要的物理特 性，在制动器和离合器中都要通过杠杆机构或其它操纵机构在两摩擦面之间施加 压力以产生所需的摩擦力，从而实现加速、恒速传动、打滑以便防止过载、减速、 停车和固定“。 摩擦离合器根据摩擦元件接触面形状的不同分为圆盘式( 或圆片式) 、圆锥 式和圆柱式3 种。由于圆柱式摩擦离合器使用寿命短、尺寸大、传递能力小，故 目前已较少采用。 摩擦离合器的工作过程一般可分为接合、工作和分离3 个阶段。在接合与分 离过程中，从动轴的转速总是低于主动轴的转速，因而两摩擦工作面间必有相对 滑动产生，从而消耗摩擦功，并引起摩擦盘的磨损和发热。当温度过高时，就会引 起摩擦系数的改变，严重时还可能导致摩擦盘产生胶合与塑性变形。 一般钢制摩擦盘应限制其表面最高温度不超过3 0 0 4 0 0 ，整个离合器的 平均温度应不大于1 0 0 1 2 0 。 为了散热和减轻磨损，可以把摩擦离合器浸入油中工作。根据是否浸入润滑 油中工作，摩擦离合器分为于式和湿式两种。 试验台机械模拟模型测试的对象是一个圆盘式多片湿式摩擦离合器。 2 1 2 圆盘式多片湿式摩擦离合器动力学计算 圆盘式摩擦离合器是在主动摩擦盘转动时由主、从动盘的接触面间所产生的 摩擦力矩来传递转矩的，有多盘式和单盘式两种。 标准化或规格化的离合器对于试验台机械模拟模型来说，体积和重量都不合 适，需要重新设计。 设计时，对于圆盘式摩擦离合器可按使用条件先选定摩擦面材料，再根据结 构要求初步定出摩擦盘结合面的内、外直径d 和d 。，然后利用公式求出轴向压力 f 和所需的摩擦结合面数目n 。 ( 1 ) 离合器所能产生的轴向压力f 和摩擦力矩t 的计算 9 武汉理工大学硕士学位论文 髦冀髦 一二 一 蓼萎荔 p a b c n l l i o ( a )( b ) 图2 - - l圆盘摩擦离合器的摩擦盘 圆盘摩擦离合器的摩擦盘如图 1 ( 8 ) 所示，取面积元da = ( r d 巾) dr 则法向轴向力f 和摩擦力矩t 为 f = r r ，州研声( 2 - - 1 a ) t = nr r ，2 f t n 4 r d b ( 2 - - 1 b ) 当接触面是外径为如，内径为d l 的全环( 2 丌) ，而摩擦系数f 为常数时 f = 2 z 薛p r d r ( 2 - - 2 a ) 。芎 d 2 t = 揪瞄p r 2 d r ( 2 - - 2 b ) 。了 式中n 为主、从动盘的接触面数；p 为接触面上的压强。 对于新的、完全平整且对中的圆盘。压力是均匀的，取p = p o ( 为基本许用压 力) 。根据均布压力原理，将上式积分后可得 f = p o 靠( d 2 2 一d 1 2 ) ( 2 - 3 a ) 仁笔笋 锄一了n x f x f 尝萼】 ( 2 - s b ) 经过磨合后，压力分布将不再均匀。若假定磨损率与其单位面积上的摩擦功 耗fp v 成正比，则新的离合器在速度v 达到最大的外半径处磨损进行得较快。表 面磨损最多处，压力降低得也最多，表面将磨损到图( 2 一l b ) 中的a a 处，以至 f p v 值处处相同。此后，可以认为在任何半径处均匀地发生了磨损，以至相继的表 面为b b 和c c ，于是fp y 保持不变，若f 作为常数，则p 与v 成反比，因而与 半径r 成反比，设p = c r ，其中c 为常数，因为在r = d , 2 处，p = n _ ，所以 c = d 。d , 2 。将p 代入式( 2 2 ) 并积分，然后进一步代换。根据此均匀磨损原 理可得： f - 型竖坚生( d2 一口) ( 2 4 a ) 2 t = n f f _ d 2 + d i ( 2 4 b ) 4 式中，n 。为接触面上最大压强，n 为主、从动盘的接触面数，d ，和d 2 为摩擦盘 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 结合面的内、外直径，f 为摩擦盘的摩擦系数。 当扭矩容量相同时，适用于“磨合”离合器的式( 2 4 a ) 和式( 2 - - 4 b ) 表明。 所需的面积和轴向力稍大于按适用于新离合器的式( 3 ) 算得的数值，可见用式( 4 ) 较为安全，且较简便，故为普遍使用的公式。 2 1 3 圆盘式多片湿式摩擦离合器设计 在圆盘式多片湿式摩擦离合器的实际设计中，还应考虑以下因素： ( 1 ) 摩擦片工作表面的内，外直径之比是摩擦离合器的一个重要的无因次结 构参数。为使不均匀的磨损不致过大，通常取外径与内径之比d ：d 。为1 2 2 ( 2 ) 增加摩擦片的数目可以提高离合器传递转矩的能力，但摩擦片过多不 仅会影响分离动作的灵活性，而且传递转矩也并不能随之成正比增加，故一般对 湿式取n = 5 1 5 ，对干式取n = 1 6 。 ( 3 ) 为了限制摩擦盘的磨损和发热，结合面上压强p 应不超过许用压强 p 。 ( 4 ) 为了避免咬粘，离合器的主动盘和从动盘通常由抗咬粘性强的不同金属 材料制成，有时其表面还附有摩擦层。 图2 2 模拟离合器摩擦片 al 一 图2 3 模拟离合器中间片 1 1 戽a 争i 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 为模拟离合器摩擦片，采用4 片；图2 3 为模拟离合器中间片，采 用5 片；中间片内外直径之比为：n 2 d ，= 6 5 5 3 2 = 1 2 2 ，在合适的范围之内；摩 擦片外内直径之比为：d 2 d 。= 7 2 5 9 ：1 2 2 ，在合适的范围之内 根据现行行业标准q c 1 6 6 - 9 3 的规定，离合器制造成品有以下特点： ( 1 ) 合器在结合状态时的轴向压力不大于8 3 3 n ，单位面积上的压力不大于 0 2 9 4 哪p a ；( 2 ) 用规定的轴向压力反复推压离合器压盘，此时离合器压盘应在从 l 到4 m m 的轴向行程范围内运动灵活，复位准确，不允许有卡滞现象；( 3 ) 离合 器的静摩擦系数应该不小于0 1 8 。 参考以上特点，试验台机械模拟模型测试的模拟离合器，其主动盘摩擦片和 从动盘中间片由抗咬粘性强的不同金属材料制成，摩擦片表面附有摩擦层，摩擦 层材料选用摩擦系数在0 2 5 左右的；离合器外压盖可以在主动盘内部1 5 啪 的距离内滑移模拟摩托车湿式离合器组装图如图2 4 所示 1 空心轴套2 压板3 从动齿轮4 主动盘凸块5 主动盘 6 从动盘 7 摩擦片 8 中间片9 外压盖 l o 弹簧1 1 螺母1 2 铆钉 图2 4 模拟摩托车湿式离合器组装图 外压盖内部有4 个弹簧1 0 ，在4 个m 1 2 螺母1 1 的作用下使外压盖压紧9 个 摩擦片7 和8 ，国家行业标准规定：离合器在结合状态时的轴向压力不大于8 3 3 n ， 单位面积上的压力不大于0 2 9 4 m p a ，这里设计离合器的轴向压力为x n = x 9 8 k g ， 而离合器摩擦片的接触面积为 a = ! 三( d 2 一d2 ) = 苎( 6 5 2 5 72 ) = 7 6 6 c m 2 44 假设摩擦片单位面积上的压力取0 2 5 m p a ，即为2 5 k g c ，则 武汉理工大学硕士学位论文 p = l = 2 5 k g c m 2 7 6 6 x 9 8 则x = 1 8 7 6 7 n = 1 9 1 5 k g 设计所用弹簧如图2 5 所示。外压盖孔深2 1 m ， 弹簧原始长度2 8 1 ，则弹簧弹性系数的计算为 f = k x x 4 = k x ( 0 0 2 8 一o 0 2 1 ) 4 = 1 8 7 n 式中f 为力的大小( n ) ，k 为弹性系数( n m ) ，x 为弹 簧收缩长度( m ) 则 k = 6 7 0 2 ( n m ) 由此，离合器在结合状态时的轴向压力为1 8 7 n ，单 位面积上的压力0 2 5 m p a ，符合国家标准的规定 藩 制 图2 5 弹簧 2 2 试验台机械模拟模型传动系统动力学计算及设计 2 2 1 试验台机械模拟模型减速器动力学计算 在测量离合器的动摩擦力矩和动摩擦系数时，试验台机械模拟模型使用的单 相电容运转异步电机转速为2 8 0 0 r m i n ，而离合器按安装在主轴上测试，国家标 准规定的离合器主轴转速为1 5 0 0 r m i n ，故需采用一个减速器将电机的转速由 2 8 0 0 r m i n 降为1 5 0 0 r m i n “”“”。 减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或者齿轮一蜗杆传 动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置。 本试验台减速器的传动比为： k 垃：三竺：堡( 2 - - 5 ) l i a r 动 1 5 0 01 5 传动比在8 以下，可以采用单极圆柱齿轮减速器，但由于传动比较大，会致 使减速器外型尺寸加大，为避免之。特选用二级展开式圆柱齿轮减速器。 二级圆柱齿轮可以有展开式、分流式和同轴式等几种，其中展开式最简单。 由于齿轮两侧的轴承不是对称布置，因而将使载荷沿齿宽分布不均匀，且使两边 的轴承受力不等。为此，在减速器设计时，考虑将轴的刚度适当取大一些。 圆柱齿轮减速器有渐开线齿形和圆弧齿形两种，除了齿形不同外，减速器的 结构基本相同。这里选用渐开线齿型齿轮。 。 在设计二级和二级以上的减速器时，合理地分配传动比是很重要的，因为它 将影响减速器的轮廓尺寸和重量以及润滑的条件。 传动比分配的基本原则是“”：( 1 ) 使各级传动比的承载能力接近相等；( 2 ) 使各级传动中的大齿轮侵入润滑油中的深度大致相近，从而使润滑最为简单：( 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 使减速器获得最小的外型尺寸或者重量等。 按高速级和低速级的大齿轮侵入油中深度大致相近的条件进行传动比分配， 这时，可利用经验公式2 _ 6 计算： i - = 4 i 一( o 0 1 o 0 5 ) i( 2 6 ) 解得i b = i 一( o 0 1 o 0 5 ) i = 摆- 0 0 5 坠1 5 1 2 7 3 取一、二级齿轮齿数分别为3 2 、2 8 ，得i 。= 0 8 7 5 。 2 8 由于i = i - i - ，则i i - - - - 簧2 2 1 3 ，取二、三级齿轮齿数分别为1 5 、3 2 3 2 2 2 2 异步电机减速齿轮动力学计算 在测量离合器的静摩擦力矩与静摩擦系数时，需要单相异步电机转速由0 逐渐递加，且要求异步电机的转矩尽量大，则设计异步电机输出经过齿轮减速器 减速，其第一级齿轮齿数为1 2 ，第二级齿轮齿数为2 4 。则此一级齿轮减速器的 传动比为1 钉 i 3 = 纽；丝：2 ( 2 7 ) z 主动 1 2 再经过减速器的减速，总传动比为：i 尊= i i 。= 凳x 2 异步电机转速为2 8 0 0 r m i n ，经过减速之后，离合器主轴的转速变为： n ：三璺堕：7 5 0 r m i n i 总 2 2 3 试验台机械模拟模型减速器机械结构设计 基于试验台机械模拟模型体积和重量小型化的要求，在设计减速器结构时， 就不能用传统的铸铁铸钢结构，而要采用焊接箱体“”。 焊接箱体所用钢板厚度为5 咖，既可以防止焊接变形，又具有足够的刚度， 以免受载后变形过大而影响传动质量。箱体上轴承孔的尺寸精度为h 7 ，表面粗 糙度也为3 2 i i m 。 为排出箱内的热空气，并对外部进入的空气进行净化，需要采用空气滤清器， 它由壳体和滤芯组成，滤芯布置在壳体内。 试验台机械模拟模型减速器的结构如图2 5 所示。为了能排出废油和观察 润滑油油位，箱体上安装了六角螺塞和2 0 油标；减速器内润滑油温度需要控制 在3 7 3 5 k ，故箱体上还需开设k 型热电偶和电加热器的安装位置。 根据减速器的负荷条件，工作条件以及转速情况，试验台机械模拟模型减速 武汉理工大学硕士学位论文 器采用滚动轴承 1 电加热器2 减速器箱体3 一级轴4 一级3 2 齿齿轮5 二级1 5 齿齿轮 6 二级2 8 齿齿轮7 2 0 油标8 六角螺塞 9 热电偶 图2 - - 5 减速器结构二维及三维图 2 3 试验台机械模拟模型力矩测量系统力学计算及设计 2 3 1 平衡类转矩测量法 针对试验台机械模拟模型模拟离合器 动静摩擦力矩的测量，本系统拟采取平衡类 转矩测量法“。 平衡类转矩测量装置的原理是根据驱 动机械( 即原动机) 或制动机械( 即制动器) 机体上作用的平衡力矩的大小来测量转矩 的。图2 6 为这种转矩测量装置的原理简 图。 图中1 是原动机或制动器的机体；机体 1 机体2 平衡支撑3 力臂秆4 测力机构 图2