汽车传动系试验台关键结构的优化设计

1、汽车传动系试验台关键结构的优化设计Optimization Design of The Key Structural Part for Automobile Drivetrain Test Rig独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字:签字日期:年月日汽车传动系试验台关键结构的优化设计摘要结构优化设计是近几十年

2、来发展起来的一个新兴领域,它克服了传统经验设计的诸多局限,在许多领域有着非常广泛的应用。本文将结构优化的方法引入到汽车试验台的结构优化中,用以改善试验台机械结构的薄弱环节,从而实现提高试验台整体性能的目的。本论文的主要研究内容及研究结果如下:首先,实现了对试验台底座的结构优化。基于元结构思想实现了对试验台底座的建模与低阶模态的分析,获得了底座结构尺寸与低阶频率之间的关系规律。然后,引入正交试验设计思想,实现了对底座结构的进一步分析与优化。其次,完成了对试验台高速驱动端主轴结构的优化。基于常用的主轴结构,本文提出了一种新型高速抗振主轴结构,并对其主要结构和原理进行了分析与研究。为了使该主轴系统具

3、有更好的实际应用性,本文建立了主轴系统的有限元模型,对主轴系统的静、动态特性进行了研究,并运用均匀设计的思想,实现了对主轴结构的优化,求得了主轴系统频率的二次回归方程。基于主轴系统的二次回归方程,完成了对主轴系统的结构优化,并提出了主轴系统参数化设计思想。最后,实现了驱动端整体隔振结构的设计与优化。本文将双层隔振系统的思想应用到试验台驱动端隔振结构设计之中,完成了试验台驱动端隔振结构的设计。最后对试验台驱动端进行了整体有限元建模与模态分析,找到了其存在的薄弱环节,通过对结构的进一步改进,最终实现了试验台驱动端整体抗振结构的优化。关键词:汽车传动系试验台;模态分析;正交试验设计;均匀试验设计;双

4、层隔振Optimization Design of The Key Part Structural forAutomobile Drivetrain Test RigABSTRACTStructure optimization is a rising field developed in recent decade. It has overcome many limitations of traditional design technique and has broad applications in many fields. In order to improve the weak lin

5、k of the mechanical structure of the automobile drivetrain test rig, this method is introduced to the structural optimization of the test rig in this paper.The main research works and conclusion are listed as follows:Firstly, the bed structure optimization of test rig is completed. Based on the unit

6、 structure theory, bed sturcture is designed and modle analysis is carried out for it. And the relationship between the frame sizes of bed sturctue and the lower steps natural frequencies is obtained. Then, an orthogonal experiment design thought is used to optimize the structure, and get a very goo

7、d results.Secondly, the structure optimization of high-speed drive spindle system is completed. Based on the commonly used structure of spindle system, the new kind of spindle structue is designed. And the key technologies and principle are studied deeply. In order to make the spindle system have be

8、tter practicability, the FEM modeling for structure analysis of spindle system is founded, and the static and dynamic characteristics are studied. Based on the homogeneous design of experiment and modle analysis, the quadratic regression equation of spindle system is abtained. And the structure opti

9、mization of high-speed drive spindle system is completed. At last, this paper puts forward a parameter design thought of the spindle system.Finally, structure design and optimization of vibration isolation structure for the whole drive part are completed. Double vibration isolation theory is success

10、fully used to design the double vibration isolation structure of the whole drive part. And the FEM modeling for structure analysis of double vibration isolation structure is founded. Based on the modle analysis result, weak link of the structure is founded. After improved the structure of the double

11、 vibration isolation system, this article completed the structure optimization of vibration isolation structure successfully.Key words:Automobile Drivetrain Test Rig;Modle Analysis;Orthogonal Experiment Design;Homogeneous Design of Experiment;Double Vibration Isolation;目录第一章绪论 (11.1 论文研究的背景 (11.2 课题

12、的来源及意义 (21.3 国内外传动系试验台研究的现状与发展 (21.4 国内外关于有限元分析与应用的研究现状 (31.5 课题研究的主要内容及拟解决的问题 (41.6 本章小结 (5第二章汽车传动系试验台的构造与试验规范 (62.1 汽车传动系试验台简介 (62.2 汽车变速箱试验台的构造 (62.3 汽车驱动桥、主减试验台的构造与试验规范 (102.4 本章小结 (15第三章传动系试验台铸铁底座结构的优化设计 (163.1 传动系试验台铸铁底座动态特性分析概述 (163.2 铸铁底座的结构设计与分析 (173.3 各结构因素对底座动态特性的影响 (203.4 基于正交设计的底座优化设计 (

13、243.5 底座与地面结合部的结构优化设计 (323.6 本章小结 (35第四章高速抗振主轴系统结构设计与优化 (364.1 传动系试验台常用主轴系统概述 (364.2 高速抗振主轴系统的关键技术研究 (374.3 主轴系统热分析与散热、润滑结构的优化设计 (414.3 主轴系统静态、动态特性分析 (464.4 基于均匀设计的主轴系统动态特性优化 (514.5 基于二次回归方程的主轴系统结构性因素分析 (584.6 基于二次回归方程的主轴系统的参数化设计 (614.7 本章小结 (62第五章驱动端双层隔振系统的结构设计与优化 (635.1 传动系试验台抗振与隔振设计概述 (635.2 基于双层

14、隔振系统的驱动主轴端隔振设计 (635.3 双层隔振系统的结构分析与优化 (685.4 本章小结 (71第六章总结与展望 (726.1 总结 (726.2 展望 (72参考文献 (74攻读硕士学位期间发表的论文 (76插图清单图1-1 汽车及其总成与机构的试验分类 (1图2-1 变速箱空载试验台结构图 (6图2-2 变速箱在线加载试验台结构图 (7图2-3 同步器试验台结构原理图 (8图2-4 机械式五档变速箱故障诊断试验规范图 (9图2-5 驱动桥空载试验台结构图 (11图2-6 主减综合性能试验台结构图 (11图2-7 驱动桥齿轮疲劳寿命试验台结构图 (12图2-8 桥总成磨合试验规范图

15、(13图2-9 主减总成故障诊断试验规范图 (14图3-1 铸铁底座元结构类型图 (17图3-2 底座结构名称释义图 (18图3-3 六大类铸铁底座结构示意图 (18图3-4 铸铁底座低阶频率振型图 (19图3-5 底座改变约束位置后的频率分析图 (21图3-6 增加约束后的底座频率分析图 (21图3-7 筋板厚度与底座低阶频率关系图 (22图3-8 筋板高度与底座低阶频率的关系图 (22图3-9 底座长度与底座低阶频率的关系图 (23图3-10 底座宽度与低阶频率的关系图 (23图3-11 铸铁层厚度与底座低阶频率的关系图 (24图3-12 正交试验原理图 (25图3-13 正交试验设计流程

16、图 (26图3-14 正交试验设计结果分析流程图 (27图3- 15 优化变量结构图 (28图3-16 筋板高度与上表面铸铁层厚度交互作用二维图 (31图3-17 优化后的铸铁底座模态分析图 (32图3-18 底座位于地面上的结合部结构简图 (33图3-19 掩埋底座结合部结构简图 (33图3-20 底座与地面减震垫铁连接结构图 (34图3-21 新型铸铁底座固定结构图 (34图4-1 常用主轴系统结构图 (36图4-2 常用高速主轴结构图 (36图4-3 新型高速抗振主轴结构图 (37图4-4 主轴系统振动传递图 (38图4-5 主轴系统载荷传递图 (38图4-6 轴承组配形式图 (39图4

17、-7 主轴系统轴承定位预紧图 (40图4-8 主轴系统热分析模型图 (44图4-9 主轴系统温度场分析结果图 (45图4-10 主轴系统瞬态热分析结果图 (45图4-11 主轴系统润滑、散热结构设计图 (46图4-12 主轴有限元模型图 (47图4-13 主轴静扭分析结果图 (47图4-14 主轴系统有限元模型图 (49图4-15 主轴系统低阶模态振型图 (50图4-16 主轴模态分析结果图 (51图4-17 均匀设计符号介绍图 (52图4-18 主轴二次回归方程的三维展示图 (56图4-19 主轴一阶频率对长度求导式的二维表示图 (56图4-20 轴套有限元模型图 (57图4-21 轴套模态

18、分析结果图 (57图4-22 频率对于跨距求导式的三维图像表示图 (58图4-23 主轴长度对主轴一阶频率的关系图 (59图4-24 主轴轴径对主轴一阶频率的关系图 (59图4-25 主轴约束长度与主轴一阶频率的关系图 (60图4-26 轴套壁厚与一阶频率的关系图 (60图4-27 轴承跨距与轴套一阶频率的关系图 (61图4-28 .轴套长度与轴套一阶频率的关系图 (61图4-29 主轴参数化设计流程图 (62图5-1 双层隔振系统模型图 (64图5-2 双层隔振系统振动隔离效果图 (64图5-3 双层隔振系统诺模图 (65图5-4 变速箱试验台驱动端结构图 (65图5-5 驱动端支架结构图

19、(67图5-6 驱动端双层隔振系统结构图 (68图5-7 变速箱试验台驱动端三维及有限元模型图 (69图5-8 驱动端低阶模态分析图 (70图5-9 驱动端结构优化后的三维图 (70图5-10 驱动端结构优化后的模态分析图 (71表格清单表3.1 底座结构尺寸表 (17表3.2 铸铁底座模态分析表 (19表3.3 正交设计各因素水平表 (28表3.4 四因素三水平表头设计表 (28表3.5 底座正交试验规划与结果表 (29表3.6 底座正交试验直观分析结果表 (30表3.7 底座因素水平分析结果表 (30表3.8 底座正交试验方差分析表 (30表3.9 筋板高度与上表面铸铁层厚度的交互作用表

20、(31表3.10 正交试验设计分析结果 (32表4.1 主轴系统热分析边界条件表 (45表4.2主轴模态分析结果表 (50表4.3混匀设计混合水平试验设计表 (54表4.4 主轴均匀试验设计分析表 (55表5.1 质量比和刚度比的组合表 (67表5.2 驱动端零部件材料属性表 (69第一章绪论1.1 论文研究的背景2010年我国的汽车产销双双超过1800万辆,刷新全球汽车产销纪录。伴随着汽车行业的不断发展,人们对于汽车质量的要求也越来越严格。据中消协统计,去年汽车成为投诉量同比上升幅度最大的商品,投诉量达到1.4万余件,同比上升51.1%,创历史新高。为了提高汽车的质量,汽车试验台越来越受到汽

21、车生产厂家的重视,其最近几年发展非常迅速。我国汽车行业在80年代末90年代初便建立了汽车标准委员会,旨在拟定适应我国国情的汽车标准,其中中国汽车技术研究中心标准化研究所已编制汽车标准汇编为汽车的各部分的术语作了说明和规定,并制定了各种零部件及整车的试验标准与方法。汽车试验总成与机构的各种不同类型的试验,按其用途、研究对象以及运行试验的方法与条件来分类如图1-1所示如下1: 图1-1 汽车及其总成与机构的试验分类如上图所示,本文研究的传动系试验台主要包括驱动桥、主减、变速箱、等试验台,其中驱动桥、主减和变速箱加载试验台主要结构优化是本文研究的重点。传动系试验台按载荷进行分类:空载试验台和加载试验

22、台,加载试验台又可以分为:综合性能试验台和疲劳寿命试验台。本文结构优化的重点为驱动桥、主减和变速箱的加载试验台。1.2 课题的来源及意义该论文题目来源于国家高技术发展计划(863计划自动变速箱装配生产线关键技术攻关及推广应用(2007AA042007-2课题。汽车传动系(包括:离合器、变速器、万向节、驱动桥、主减速器、差速器等是汽车的主要组成部分。它将发动机发出的动力传给驱动车轮,具有减速增扭、实现汽车倒驶、中断传递以及实现驱动轮差速等功能,保证汽车能在不同使用条件下正常行驶,并具有良好的动力性和燃油经济性。汽车传动系是汽车的重要的组成部分,伴随着汽车产业的不断发展,汽车传动系的安全性也越来越

23、引起汽车生产厂家和消费者的重视。为检测汽车传动系的性能,各大汽车生产厂家纷纷开始了对汽车传动系试验台的研发。本课题希望能找到一种在试验台设计过程中,可以迅速对设计出的结构进行CAE多方面验证及改进的方法。与此同时,希望通过对现有试验台关键部分进行的静态、动态性能分析,找到关键结构的优化方法,并对其加以优化。最终达到提高传动系试验台设计质量,降低传动系试验台制造成本,提高传动系试验台设计效率的目的。1.3 国内外传动系试验台研究的现状与发展对于汽车传动系试验台的研究,国外开始的比较早,已经有近六十多年的发展历程。二十世纪五十年代,美国格里森公司就设计出了用轮系作为加载系统的桥试验台的方案。与国外

24、相比,国内对于传动系试验台的研究起步相对较晚,研究工作始于上世纪八十年代初期,发展了近三十年。与国外相比,国内试验台在自动化程度、控制精度、测试种类、测试准确度各个方面都有很大的差距2。我国传动系试验台在整个发展过程中,可以分为四大类:其一,机械加载闭式试验台,这种试验台结构工作稳定可靠,但其机械结构非常复杂,性能单一,不能对加载力矩进行精细调节;其二,液压加载闭式试验台,这种试验台相对机械加载闭式试验台在加载力矩精细调节方面有了很大提高,但是其引入了液压控制环节,可靠性减弱了,自动化控制也较弱;其三,为电封闭式试验台,其控制方便,机械部分相对简化了,灵活性、通用性不好;其四,现在大量使用的开

25、式试验台。其结构简单,自动化程度高,无需陪试件,但对电器控制要求较高,成本相对较高,能量回收利用难度大。对于传动系试验台,国内很多专家、学者都进行了相关的研究。合肥工业大学戴军康等通过对主减速器总成常用的试验规范进行初步探究,并结合被试主减速器总成的结构性能特点及其工作状况,制定了被试主减速器总成的试验规范。并对主减速器总成试验的开放式和电封闭式两大基本方案的进行了详细的对比研究,对比后提出了电回馈加载方案2。合肥工业大学蔡高坡等以惯量模拟为试验设计的出发点,制定了试验台的基本布置方案,阐述了该试验台架的基本工作原理,分析了同步换挡试验惯量模拟的过程。最后,对试验台架的总体结构、关键组成部件的

26、工作原理和设计原则进行了详细介绍3。天津大学王苏卿实现了对变速箱试验台测控系统的设计,其测控系统实现了数据的实时采集和控制、实时显示、数据保存、数据打印、曲线图绘制等功能,并通过PLC控制器来实现自动控制4。吉林大学宫耀旺等完成了对驱动桥总成综合性能试验台研究,详细阐述了汽车驱动桥总成综合性能试验台的理论基础、结构设计、试验内容及应用。并通过实际使用数据证明了其可靠性和有效性5。吉林大学王军年等对重型车辆驱动桥总成齿轮疲劳测试系统进行了相关研究,其试验台是用机械加载的闭式功率流试验台架和计算机实时控制润滑油油温的台架试验来模拟实车典型运行工况,通过试验的方式进行相关数据采集和处理,对驱动桥尤其

27、是其中的主减速器锥齿轮的疲劳寿命作出准确评价的计算机控制系统6。1.4 国内外关于有限元分析与应用的研究现状随着机械工业的发展,有限元在机械行业中的应用也越来越广。本课题将引入有限元分析方法,来实现对汽车传动系试验台关键结构的分析与优化,用以提高汽车传动系试验台的整体性能。在结构分析和优化方面,国内、外许多大学、厂家的诸多专家、学者都进行了相关的研究。德国University of applied science大学的Stefan Reh和Jean-Daniel Beley曾论述过基于有限元的ANSYS软件在机械行业的可行性分析。并对应用的方面和实际应用实例都进行了论述7。Pusan Nati

28、onal University 的Bong Ju Kim和Ieom Kee Paik曾将有限元方法应用到船身结构的优化,通过改变船身的结构和尺寸,实现了对船身的优化研究8。中南大学王宇奇等利用有限元法实现了对磨齿机床身和立柱的建模,进行了结合部(螺栓结合部、导轨滑块结合部分析,整机模型静态和动态性能分析,并对整体模态分析中出现的薄弱环节进行了优化,最后用实验的方法验证了有限元分析的正确性10。哈尔滨工业大学解文志等已完成高速电主轴静态、动态性能特性的有限元分析。其研究主要包括:电主轴的全面力学分析、有限元模型的正确建立、电主轴的静态、动态性能研究11。东南大学李恒熙等通过对数控车床进行有限元建

29、模,静态、动态性能分析和结构优化等多方面的分析,完成了基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计课题的研究12。华中科技大学李修平等通过对高速加工中心进行有限元建模,静态、动态性能分析等,完成了基于ANSYS 的高速加工中心有限元分析课题的研究13。1.5 课题研究的主要内容及拟解决的问题本课题将有限元分析和优化设计试验思想应用到结构的优化中,对传动系试验台铸铁底座和变速箱试验台驱动端高度抗振主轴系统进行动态性能分析和优化,此外还对主轴系统进行了热分析,并对其散热和润滑结构进行了优化,最后对主轴系统支撑结构、直线导轨和底座的的隔振与抗振结构都进行了分析与优化。其主要包括以下几个

30、方面:(1在已有传动系试验台的基础上,对机械结构、试验规范进行深一步的分析,确定各机械部分的约束和运动状况,明确被分析对象的边界条件。(2基于元结构的铸铁底座建模、动态分析与优化。文中分别对六种元结构构成的底座进行了模态分析,并将其进行比较,并选取之中性价比最高的底座结构进行了基于正交试验设计的结构优化。并明确了各底座结构之间的交互作用。(3对变速箱试验台驱动端主轴系统的结构性能进行了介绍与分析,并运用ANSYS进行了主轴的静态受力分析与主轴系统的动态特性分析,最后对其进行了基于均匀设计的主轴系统结构优化,并求出其二次回归方程,实现了对其结构的优化。(4在求得主轴系统稳定温度场载荷和边界条件的

31、基础上,对主轴系统进行三维建模和稳态热分析,得到其温度最高点的位置并获得其温度时间曲线图,最后对主轴系统润滑和散热结构进行了优化。(5对主轴系统支撑结构进行基于二层隔振理论的结构设计,用以防止主轴系统在高频状态下发生共振时引起的过大振动。最后进行了直线导轨的抗振结构优化设计。(1如何使用SolidWorks和ANSYS实现对底座和主轴系统快速而又准确的建模;并运用COMOS和ANSYS实现对底座和主轴系统的静态、动态特性分析。(2掌握正交试验设计的原理,并灵活运用正交试验设计方法实现对铸铁底座结构的优化设计,其次掌握均匀试验设计思想,并用其实现对主轴系统的优化设计,最后对这两种试验设计方法进行

32、比较。(3掌握ANSYS轴承结合部的模拟方法,并将其应用于主轴系统动态特性的分析当中,求得主轴系统的低阶频率,为主轴系统的优化做好铺垫。(4掌握主轴系统热分析的方法,并准确求得主轴系统稳态热分析的边界条件,实现主轴系统的稳态热分析,并实现对主轴系统润滑结构和散热结构的设计。(5掌握双层隔振的原理,将其应用到驱动端结合部的双层隔振设计中,并实现变速箱试验台驱动端结合部双层隔振系统的设计与结构优化。1.6 本章小结本章首先提出了课题研究的来源及意义,然后对传动系试验台的发展、有限元分析与应用研究现状等国内外相关研究领域进行了一定的介绍,概括了论文研究的主要内容和想要解决的问题。第二章汽车传动系试验

33、台的构造与试验规范2.1 汽车传动系试验台简介对于汽车传动系试验台,本论文主要是指变速器、驱动桥总成、主减总成三大类试验台。试验台按照加载载荷的有无可分为:空载试验台和加载试验台;按照测试种类的不同,又可以分为磨合试验台、综合性能试验台和疲劳寿命试验台三大类。机械工业部部标准机械式变速器台架试验方法规定了载货车、越野车、客车所使用的机械式齿轮变速器的台架试验方法。对于机械式变速器,需要进行的试验项目有:(1变速器传动效率试验;(2变速器噪声测量;(3变速器动态刚性试验;(4变速器静扭强度试验;(5变速器疲劳寿命试验;(6换档齿轮齿端冲击磨损试验;(7变速器同步器性能和寿命试验。以上项目根据被试

34、变速器的实际情况进行选择14。参照机械工业部部标准QC/T 533-1999汽车驱动桥台架试验方法对于驱动桥总成和主减总成试验台试验方法的规定,本文试验台其主要的测试项为: (1驱动桥(主减总成噪声试验;(2验证驱动桥(主减的差速功能和驱动桥转向功能试验;(3实现桥总成或主减定时与定距离运行和磨合(模拟整车运行(4桥总成和主减的在线装配故障诊断;(5测量桥总成齿轮不同载荷下的的试验寿命和疲劳损坏形式15。2.2 汽车变速箱试验台的构造变速箱空载试验台主要用来做变速器的磨合试验、空载扭矩、空载噪声和检测换挡过程中有无障碍。其结构图比较简单,如图2-1所示: 图2-1 变速箱空载试验台结构图1-底

35、座;2-支架;3-电机;4-弹性联轴器;5-扭矩传感器;6-变速箱支架;7-主轴定位系统8-变速箱变速箱空载试验台所承受的载荷比较小,但是其要求的速度比较高,一般都为3000r/min以上,对底座、夹具和支撑件的抗振性能要求较高,并且对输入轴系的同心度要求也非常高,如图2-1所示,为了测量变速器空载的扭矩,减小冲击,一般采用弹性联轴器,如XL型无间隙弹性联轴器和LX型弹性柱销联轴器,其底座最优选择为铸铁件。电机底座为钢板焊接件,其焊接结构必须合理,否则将很容易产生共振,影响试验台的使用性能。变速箱综合性能试验台一般采用机械开式结构与电能回收装置构成能量封闭的加载系统;试验台机械结构采用整体床身

36、式结构。被试变速箱总成的驱动和加载均由交流变频调速电机和变频调速系统共同组成的电加载系统来实现。其主要结构原理如图2-2所示:图2-2 变速箱在线加载试验台结构图1-变速箱驱动系统;2-左半轴加载系统;3-右半轴加载系统试验台定位夹具利用变速箱总成离合器壳原有定位销孔在夹具定位盘上进行“一面两销”定位。试验台设计工艺半轴法兰与变速箱总成的输出轴花键直接相联接;试验台加载单元设置液压滑台驱动的柔性加载头来实现与工艺半轴法兰的自动对接;加载头内设置弹性传动件确保高速工况传动的平稳性。试验台的驱动电机和加载电机均通过平皮带与传动轴柔性相连,通过平皮带轮副实现隔离电机振动和过载保护功能,其中如图2-1

37、所示:本实验台的主驱动系统的电机位于底座的地部,而左右半轴加载系统的电机位于底座装配平面上,这样可以很好的隔离主驱动电机对底座及底座上装配件的振动冲击,也很好的缩小了底座的宽度,其结构适用于变速箱在线加载试验台,对于普通的综合性能试验台,其底座高度较低,驱动系统的电机也放在底座平面上。同步器试验台采用双惯性飞轮旋转惯量模拟车辆直线行驶惯量实现换挡过程中所需的输出轴处的惯量模拟。变速器由发动机直接驱动,并有专门的换挡机构来实现试验中的换挡要求。应用等效惯量的算法尽可能地确保变速器左、右半轴处旋转惯量在AMT同步器结合过程中对其造成的冲击与整车行驶过程中的同步器同步过程所承受的冲量相当,如下图所示

38、,下图为同步器试验台的结构原理图。 图2-3 同步器试验台结构原理图如图2-3所示,同步器试验台的结构设计特点为:(1两惯性飞轮通过弹性联轴器联接,确保左、右飞轮旋转同步;另外,惯性飞轮组采用单元化的结构形式,并设计标准的轴头尺寸,使惯性飞轮组在其它试验过程中经过适当的调整组合即可完成其它类似试验内容;(2惯性飞轮通过变频电机直联驱动,变频电机通过变频器的控制实现飞轮组件起步、停车以及恒速运行等工况;确保飞轮运行平稳,转速控制精确、调速便捷;(3飞轮主轴同AMT 左、右半轴之间的动力传递通过高速平皮带来实现,该类型传动带具有线速度高、噪声低的特点以及隔离振动、过载保护等功能;飞轮到AMT 左、

39、右半轴之间的传动速比大于1;经带轮传动机构“减速”可适当降低惯性飞轮完成整车模拟所需的等效转动惯量;(4试验台所有的轴联接部分均采用摩擦传动(端面摩擦/涨紧套,消除由于键联接回转间隙造成的冲击,提高设备运行的稳定性和可靠性;(5试验台利用AMT 总成离合器壳原有定位销孔在夹具定位盘上进行“一面两销”定位,通过螺栓拧紧固定,螺栓拧紧结构设计确保快速、便捷,满足变速器在试验过程中,快速、可靠夹紧的需求;变速器定位盘设计为可换结构,实现不同型号变速器在试验台上的准确定位以及快捷的品种更换。(1磨合试验规范16在做变速器效率和寿命试验前,应对试验样品进行磨合。磨合能使工作表明微观不平度减少,增大实际接

40、触面积,从而减少单位面积上的载荷。其试验规范如下: 变速器第一轴输入扭矩1max 12e M M (max e M 为所匹配的发动机最大扭矩,N m ;变速器第一轴输入转速1M n n =(M n 为所匹配的发动机最大扭矩时的转速,当M n 接近或小于1450rpm 时,可用1450rpm ;齿轮磨合时间为2t h =;润滑油及油量按设计要求确定;磨合时油温为8010;磨合时应进行清洗或更换润滑油。(2基于振动信号分析的变速箱故障诊断试验规范基于振动信号分析的变速箱故障诊断是变速箱在线试验台的主要检测项目,也是最近几年刚刚应用于变速箱试验台的新科技,实际应用也证明了其具有非常大的实用价值,但其

41、也存在许多技术上的难点,需要做进一步的改进。 图2-4 机械式五档变速箱故障诊断试验规范图如图2-4所示基于振动信号的变速箱故障诊断试验要对变速箱进行正拖与反拖试验,正拖即驱动电机带动变速箱运转,左右半轴加载电机为负载电机进行加载;反拖即左右半轴加载电机带动变速箱运转,驱动电机变为负载电机对变速箱进行加载。图2-4左图为变速箱的速度和驱动端扭矩控制图,右图为变速箱的档位图。在试验过程中每个档位都要进行一次正拖与反拖试验,并进行振动信号的采集,最后做出分析,得出变速箱是否合格,如果不合格,找出其故障原因。(3变速器疲劳寿命试验规范16汽车变速器在产品设计定型前通常要进行几百小时的疲劳试验,以检验

42、其疲劳寿命。根据国家标准、行业标准,并对业界企业的标准进行调研,结合被试变速器的结构以及使用特点,制定变速器疲劳寿命试验规范。表 2.1为某类型变速器各档位的试验参数表。表2.1 变速器各档位的试验参数表 试验程序:首先将磨合后的变速器重新加注润滑油,并准确地安装在试验台架上,然后按照表 2.1中的15顺序进行疲劳寿命试验,在完成上述规定的试验后,检查变速器损坏情况,做好记录。对变速箱试验台机械结构性能的要求主要与该试验台所承载的测试项有关,如上一节中的试验规范所示,对变速箱试验台机械结构的主要要求如表2.2所示:(以某一款乘用车变速箱试验规范为标准表2.2 变速箱试验台机械结构性能要求表 目

43、前,在变速箱试验台的研发中,其面临的难题主要是试验台输入端机械结构和隔振结构的设计,因为其必须满足两个条件,其一,必须能满足高转速要求,其二,其必须具有很好的动态特性,在其高转速工作条件下必须防止零部件共振的产生,并减弱其振动对测试件的反作用。所以变速箱试验台输入端结构的设计与优化成为了本文研究的主要内容。2.3 汽车驱动桥、主减试验台的构造与试验规范驱动桥空载试验台主要由电机及带轮传动部分、支撑及传动轴部分、过渡花键套部分、夹具及调整机构部分和电器控制部分等组成。主要用来测量:驱动桥在变频电机带动下由低速升速到2500r/min(或是更高的速度过程中出现的最大空载扭矩、噪声值,并用来试验差速

44、功能和转向功能。 图2-5 驱动桥空载试验台结构图1-电机及皮带轮;2-主轴系统;3-万向传动轴;4-防护罩;5-液压夹紧机构;6-定位机构如2-5所示,底座为铸铁底座,其具有很好的抗振性能,电机安装处有螺栓调整机构,可以通过调整电机的位置达到使V带张紧的目的。采用V带传动用以减振,又可以起到安全防护的作用。轴承座与驱动桥之间采用十字形万向联轴器来连接。驱动桥有专门的压紧机构和调整机构。驱动桥支承座,通过调节螺栓机构可以对驱动桥高度的调整,又有丝杆机构可以调整驱动桥支撑底座的纵向位置,从而实现空载试验台的柔性化。本试验台由机座部分、驱动系统、加载系统、翻转夹具系统、润滑系统、噪音检测系统和故障

45、诊断装置,其整体布局图如图2-6所示。图2-6 主减综合性能试验台结构图1-1-驱动电机;1-2-加载端传感器;1-3-加载端主轴系统;1-4加载端驱动头;2-1左端加载电机;2-2左端扭矩传感器;2-3左端主轴系统;2-4左端花键半轴;3-1右端加载电机3-2右端扭矩传感器;3-3右端主轴系统;3-4右端花键半轴试验台的机座部分为铸造结构,呈T字型,用来安放驱动系统,左、右半轴加载系统和翻转夹具体系统。机座部分是采用整体加工,这样可以保证左、右半轴加载系统在同一中心位置,还可以加强整个试验台的刚性并降低了试验台系统的振动噪音,提高了试验台的测试稳定性。试验台的驱动系统和左、右半轴加载系统均采

46、用交流无级调速电机拖动,电封闭加载,加载系统发出的电能通过直流母线回馈到驱动系统。试验台直接利用装配线的起吊装置,将装配好的主减速器总成吊入翻转夹具系统中模拟驱动桥壳的中段结构的壳体内,利用主减速器上的一面两销定位,采用液压夹紧并通过液动调整到试验位置,电机翻转,从而完成被测对象的夹紧定位工作。噪音检测系统用来检测主减速器在试验过程中的噪音状况,监测被测对象的运行状态,从而判断是否有异响及故障。驱动桥齿轮疲劳寿命试验台结构与主减总成试验台结构相近,都为T字形布置,竖向布置的为驱动系统,横向布置的为左、右加载系统。与主减总成试验台相比,桥总成齿轮疲劳试验台驱动端和加载端都多了一台变速箱,主要用于

47、降速增扭的作用。如图2-7所示: 图2-7 驱动桥齿轮疲劳寿命试验台结构图1-1-驱动电机;1-2-驱动端变速箱;1-3-驱动端扭矩传感器;1-4万向传动轴;2-1左端加载电机;2-2左端变速箱;2-3左端扭矩传感器;2-4左端万向传动轴;3-1右端加载电机; 3-2右端变速箱;3-3右端扭矩传感器;3-4右端万向传动轴主传动系统由主传动电机、转速扭矩传感器、减速箱、可伸缩十字万向联轴器及各联轴器组成。通过可伸缩的十字万向联轴器的传动,既保证有足够强度传递扭矩,又便于与不同驱动桥主减速器输入轴连接的调整。两端加载系统由加载电机,转速扭矩传感器,减速箱、各联轴器、滑移花键轴及十字万向联轴器组成。

48、滑移花键轴可适应不同轴向尺寸桥的加载。转速扭矩传感器按图示安装在减速箱后端,其量程大、检测精度不受减速箱传动效率影响,测量准确。主传动及两端加载系统安装在专用底座上,底座下方设置装置便于底座的移动,并可根据不同类型沿底板上导轨用电机带减速器进行位置调整。(1桥总成加载磨合试验15对桥总成进行其他试验之前,都要对桥总成进行加载磨合试验,去除零部件毛刺,增大配合面的接触面积,改善载荷分布状况。桥总成加载磨合试验输入轴为转矩控制模式(转矩可设定,上限为不同品种桥的额定扭矩的10%,两输出轴为转速控制模式(转速可设定,上限150rpm,控制系统可设定显示输入轴的扭矩、转速、噪声、温度等。其试验规范图,

49、如图2-8所示:190图2-8 桥总成磨合试验规范图(2基于振动信号的主减总成故障诊断的试验规范对于主减总成的故障诊断试验与变速箱故障诊断试验规范具有相似之处,都要进行正拖与反拖试验,但是其控制模式不同,本试验输入轴为扭矩控制模式(加载模式为恒扭矩加载,扭矩值可设定,两输出轴为转速控制模式(转速可设定,不超过500rpm,初定为400rpm,故障分析软件与硬件主要采用使用eol分析仪。其试验规范图如图2-9所示: 图2-9 主减总成故障诊断试验规范图(3驱动桥总成齿轮疲劳寿命试验规范15参照机械工业部部标准QC/T 533-1999 汽车驱动桥台架试验方法对于驱动桥总成齿轮疲劳试验的规定其主要

50、试验规范如下:试验之前要对桥总成进行注油,正式试验时,普通油控制在70-90,双曲线齿轮油控制在85-120范围内。试验的负荷M 按照驱动桥所装配车辆的发动机的最大载荷传至驱动桥时的载荷为标准。驱动桥总成走合试验的施加方法为:按1/4M 、1/2M 、3/4M 进行加载,加载时间按驱动轴运转42310-循环次数为标准。驱动桥走合完成以后,进行正式试验,对驱动桥进行全载荷加载,直至齿轮失效为止,齿轮的失效方式有:齿轮断裂、齿面压碎、齿面严重剥落和齿面严重点蚀等。对于桥总成(主减性能试验台而言,其输入转速范围为0-3000r/min ,其相对于变速箱加载试验台而言其转速较低。但其加载扭矩较大,某些

51、桥总成疲劳寿命试验台的最大加载扭矩可达10000Nm 。对于驱动桥(主减试验台而言,其结构较变速箱试验台结构较为简单,但其结构更为粗大、结实。目前,在驱动桥(主减试验台的研发中,其面临的难题主要是驱动桥疲劳寿命试验台底座的设计,其主要原因在于:其一,驱动桥自身的长度较长,重量较重(有些驱动桥的重量可达2000kg ,所以驱动桥疲劳寿命试验台的底座的长度非常长,而且重量较重,故其底座自身的支撑结构非常难设计。其二,驱动桥疲劳寿命试验台底座所承受的冲击载荷较大,载荷作用时间较长,其必须具有非常好的动态刚度。综上所述,驱动桥疲劳寿命试验台底座结构的设计是驱动桥疲劳寿命试验台设计中的一大难题。所以它也

52、成了本文研究的主要内容。2.4 本章小结本章主要介绍了变速箱空载试验台、变速箱加载试验台、同步器试验台、桥总成空载试验台、主减综合性能试验台、驱动桥总成疲劳寿命试验台的布置形式和结构,并对变速箱、桥总成和主减总成的主要试验测试项的试验规范以及对机械结构的要求都进行了详细分析。第三章传动系试验台铸铁底座结构的优化设计3.1 传动系试验台铸铁底座动态特性分析概述在汽车试验台的各个组成部分中,底座是其中重要的大件,它是驱动电机、加载电机、减速器、轴承座和试验零部件等的重要支承件,承受各类零部件自身的重力,以及高速运转状态下因为振动而产生的冲击力等各种载荷的作用。底座性能的好坏对试验台的测量的准确性和

53、耐用性具有非常大的影响。因此,在试验台设计时,运用有限元法对底座进行分析,提前预测到底座在工况下的变形,以及其频率和相应振型的特点,得到其薄弱环节,采用合理的优化改进的方法,提高底座的整体性能,最终设计出高质量的底座,为试验台的设计打下良好的基础10。对于本文中的铸铁底座,其静态受力主要承受电机、变速箱、主轴系统及其它一些零部件的压力,其静态受力完全符合强度要求,本文就不再赘述。而是把重点放在铸铁底座动态特性的分析与优化上,其中底座的动态特性分析主要为模态分析。模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得,这样一个计算或试验分析

54、过程称为模态分析。模态分析一般适用于确定设计中的结构或机械部件的振动特性,特别是确定结构或机械部件的频率,从而在设计阶段,通过合理的设计机械的结构避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的激励,消除过度振动或噪声。本文对铸铁底座的分析主要采用SolidWorks软件和其中的COMOS软件,即在SolidWorks中进行三维建模,并将模型导入COMOS软件中进行模态分析。COMOS软件主要采用了有限元方法(FEM理论。FEM 是一种用于分析工程设计的数字方法,其将模型划分为许多称作单元的简单小块形状,并生成控制每个单元行为的方程式,方程式中一并考虑了每个单元与其它单元之间的联系,并由计算机来实现

55、对方程式未知量的求解,并得出分析结果,该方法已公认为标准的分析方法1718。与ANSYS软件相比,COMOS软件对于普通的机械类问题求解具备其非常大的优势:(1其求解速度更为迅速,其操作更为简单;(2COMOS软件可以直接引入SolidWorks中建造的模型无需任何模型的改造便可以进行有限元分析,尤其适用于结构较为复杂的零部件的普通特性的有限元分析;(3COMOS 软件具备常用材料的材料属性库,其可以直接调用各种材料的属性。(4其网格划分更为简单,精度也较高。对于本文中的铸铁底座,其结构非常复杂,有限元建模非常困难,故本文选用COMOS软件进行底座的模态分析工具优化设计。3.2 铸铁底座的结构

56、设计与分析大型铸铁底座主要用于加载试验台,特别是疲劳寿命试验台。对于疲劳试验台而言,其连续工作时间长,正常工况下转速较高,加载力矩大,其产生的冲击载荷大,所以疲劳试验台底座必须具有高转速下很好的动态性能。疲劳试验台绝大部分都采用铸铁底座,铸铁底座在静态受力状态下其完全能满足要求,本文不再进行分析,只针对其最主要的问题如何提高其动态性能进行分析。在铸铁底座结构的设计中,铸铁底座的内部支撑结构尤为重要。对于大型的铸铁底座其支撑结构最终可以分解为一些基本的单元结构,被称为元结构。常用的构成铸铁底座的元结构主要有以下几种1019: 元结构1 元结构2 元结构3 元结构4 元结构5 元结构6图3-1 铸

57、铁底座元结构类型图元结构1为最常用的元结构,其结构简单,制作容易;对于元结构2,是在元结构1的基础上增加了中间部位的圆环连接支撑;元结构3为对角线布置的加强筋形式,也较为常用,制造也非常简单;将元结构3中间连接部位增设圆环支撑,便可得到元结构4;元结构5为元结构1和元结构3的组合体;元结构6又在元结构5的基础上对连接部位增加了圆环支撑。依据以上六种元结构,按照实际的底座要求,可以得到六种底座结构,其结构尺寸如表3.1所示:表3.1 底座结构尺寸表 以元结构1构成的底座为例,其具体结构图如下所示: 图3-2 底座结构图其建模完成后的三维结构图如下图3-3所示: 铸铁底座结构1 铸铁底座结构2 铸铁底座结构3 铸铁底座结构4 铸铁底座结构5 铸铁底座结构6图3-3 六大类铸铁底座结构示意图驱动桥疲劳寿命试验台铸铁底座的材料采用HT200,其材料属性为:弹性模量EX=0.67