驅動橋總成疲勞壽命試驗臺架的研制_圖文

1、文章編號:1001-2265(200911-0106-03收稿日期:2009-05-18作者簡介:朱財龍(1985,男,安徽人,合肥工業(yè)大學碩士研究生,研究方向為機械制造及其自動化,(E -mail cail ongzhu1985 。驅動橋總成疲勞壽命試驗臺架的研制朱財龍,李旗號,楊麗英,謝峰(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,合肥230009摘要:采用交流變頻電封閉試驗臺架作為驅動橋總成疲勞壽命試驗檢測設備,可在有載荷的情況下檢測驅動橋疲勞性能,試驗環(huán)境更接近于驅動橋的實際使用工況,從而能夠發(fā)現(xiàn)一些空載試驗所檢查不出來的問題,并且得出的驅動橋疲勞壽命更加接近其真實值。文中首先對試驗臺的設計參數(shù)

2、進行了說明,然后又介紹了試驗系統(tǒng)構成及其試驗臺的工作原理,最后通過具體性能試驗說明了該試驗臺的可靠性,并對試驗結果進行了初步的評估。關鍵詞:試驗臺;驅動橋總成;疲勞壽命;電封閉中圖分類號:TH16;TG65文獻標識碼:AThe D evelop m en t of Rea l Axle Fa ti gue L i ft Testi n g Z HU Cai 2l ong,L IQ i 2hao,Y ANG L i 2ying,X I E Feng(School of Mechanical and Aut omobile Engineering Hefei University of Techo

3、nl ogy,Hefei 230009,China Abstract:Cl osed the use of AC variable frequency electric drive as test bench axle fatigue life test equi pment,which detecting driver fatigue perfor mance of bridge in the case of l oads .It will drive cl oser t o the actual use of the bridge conditi on in order t o find

4、that s ome p r oble m can not be check in the no 2l oad test .Thr ough this test,the drive axle can be dra wn cl oser t o the fatigue life of its true value .Firstly,this paper describes design pa 2ra meters of test 2bed .Then the author describes the p il ot test 2bed syste m and its working p rinc

5、i p le .I n the end,the author notes the adop ti on of s pecific perfor mance test of the reliability of the test 2bed,and p reli m inary eval 2uates the test results .Key words:testing rig;rear axle;fatigue life;electric cl osure0引言在汽車行駛過程中,驅動橋承受著繁重而復雜的載荷,它的傳動件(齒輪及半軸等要傳遞傳動系中的最大轉矩;它的承載件(橋殼支承著汽車滿載荷重,

6、承受著作用于路面與車架或車廂之間的垂向、縱向和橫向靜、動(沖擊載荷,以及反作用力矩和制動力矩等。在這些載荷的作用下,驅動橋必須保持有足夠的強度、剛度、足夠的壽命,以及滿意的其他性能(例如無噪聲等。為此,驅動橋總成及其主要零、部件必須經(jīng)受嚴格的試驗1。其中如何檢測驅動橋總成疲勞壽命也就成為目前迫切需要解決的重要問題。因此,研制一種模擬性能好、試驗精度高的驅動橋總成疲勞試驗臺是十分必要的。依據(jù)QC /T53321999和QC /T53421999的相關行業(yè)標準研制出了本試驗臺架,其可以實現(xiàn)對某系列后橋總成進行檢測試驗。1試驗臺架的系統(tǒng)構成及其工作原理該驅動橋總成疲勞壽命試驗臺主要由機身與夾具系統(tǒng)、

7、液壓控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、兩端加載系統(tǒng)、計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電氣控制及能量回饋系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)及安裝基礎系統(tǒng)等部分組成,其結構示意圖如圖1所示。111驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)主要由變頻調速電機、轉速扭矩傳感器、變速箱、可伸縮十字萬向聯(lián)軸器及各聯(lián)軸器組成。為了模擬發(fā)動機的運行工況4,滿足試驗時對輸入轉速601工藝與裝備組合機床與自動化加工技術 1.驅動電機2.輸入基礎平板3.離合器4.變速器5.聯(lián)軸器6.高速支承7.傳動軸8.十字萬向聯(lián)軸器9.貫通式支座10.扭矩傳感器11.加載電機12.傳動齒輪箱13.防護罩14.花鍵軸15.夾具系統(tǒng)16.輸出基礎平板圖1試驗臺結構示意圖和轉矩的要求,還應該能按

8、照一定規(guī)律調節(jié)轉矩和轉速,目前選用電動機作為動力源,其噪聲小,占地面積小,啟停方便,無污染,易將其轉速調節(jié)到合適的轉速。本試驗臺選用三相異步交流電動機作為驅動設備,為了達到試驗要求,依據(jù)模擬轉速原則,選擇合適的變頻器與電機匹配使用,充分發(fā)揮變頻調速電機寬范圍的恒轉矩調速特性和低頻時的力矩平穩(wěn)特性,能長時間地進行低速或高速運行,從而最大限度的模擬了發(fā)動機的轉速和轉矩特性。經(jīng)分析,本試驗臺選擇的電機為200K W 交流變頻調速電機,基本參數(shù)如表1所示。表1驅動電機的基本參數(shù)名稱型號功率額定轉速額定轉矩3000Rpm的扭矩變速調速電動機YS L 231524200k W1500r pm 127313

9、Nm636167Nm112兩端加載系統(tǒng)兩端加載系統(tǒng)主要由加載電機、轉速扭矩傳感器、三檔減速箱、各彈性膜片聯(lián)軸器、滑移花鍵軸及十字萬向聯(lián)軸器等組成。根據(jù)電機技術規(guī)格,單端負載電機應選用132k W 可滿足要求。參考見表2所示。加載電機的非軸伸端安裝編碼器,以實現(xiàn)對電機的轉速測量。電機運轉時,應先進行空載30分鐘,運轉正常后,方可進行負載運轉。表2負載電機的基本參數(shù)名稱型號功率額定轉速額定轉矩3000r pm的扭矩變速調速電動機YS L 231526132k W1000r pm1260Nm630Nm113能量回饋系統(tǒng)在試驗臺進行正向轉矩加載試驗過程中,驅動側電機處于發(fā)電機狀態(tài), 其供電裝置工作在整

10、流狀態(tài),將電網(wǎng)電能轉化為機械能,以驅動被試變速器;而加載側電機處于發(fā)電機狀態(tài),供電裝置工作在逆變狀態(tài),將機械能轉化為電能,通過變頻調速器的直流母線回饋給驅動電機,形成電封閉加載,能量使用效率很高。在試驗臺進行反拖試驗時,驅動側電機處于發(fā)電狀態(tài),加載側電機處于電動機狀態(tài),整個試驗系統(tǒng)構成了能量封閉系統(tǒng),如圖2所示。圖2試驗臺能量回饋系統(tǒng)114工作原理本試驗臺工作時,驅動電機通過變頻調速達到一定的扭矩和轉速,然后經(jīng)過變速箱時根據(jù)車型選檔,輸出試驗所要求的扭矩與轉速(計算公式參考QC /T53321999,汽車驅動橋臺架試驗方法2。加載電機根據(jù)試件輸出的轉速和扭矩,結合所選變速箱檔位,變頻調速產(chǎn)生相

11、應的轉速和扭矩,對試件進行加載。加載時,加載電機作為發(fā)電機,所產(chǎn)生的電能通過能量回饋系統(tǒng)傳回到驅動電機,節(jié)省約80%左右電能。臺架使用轉速扭矩傳感器,溫度傳感器實時檢測,主要包括:電機電樞、軸承溫度;變速箱溫度;試件的主減速器油溫及試件相關部位的溫度。顯示各試驗參數(shù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。計算機實時處理各種數(shù)據(jù),并根據(jù)預先設定的參數(shù)發(fā)出各種控制命令。如果出現(xiàn)超速、過載、過壓、過熱等狀況時,顯示器將顯示故7012009年第11期工藝與裝備障的原因,同時以軟著陸方式停機。該試驗臺整體實物如圖3所示 。圖3驅動橋總成疲勞壽命試驗臺整體實物照片2試驗臺的試驗條件2驅動橋總成疲勞壽命試驗必須

12、在規(guī)定的試驗條件下進行,因此,選擇合適的試驗條件變得尤為重要。根據(jù)QC /T53321999汽車驅動橋臺架試驗方法,對于某一驅動橋,其試驗中試驗計算扭矩M p 為:按發(fā)動機最大扭矩按式(1計算:M pe =M e max i k 1i p 21n 2N m (1按最大附著力按式(2計算:M p =P r k 1i 0N m (2式中,M e max 為發(fā)動機最大扭矩,N m ;i k 1為變速器1檔速比;i p 2為分動器高檔速比;n 2為使用分動器高檔時當量驅動橋數(shù),對于4×4汽車,n 2=1;P 為滿載軸荷,N;取018;r k 為輪胎滾動半徑,m;i 0為驅動橋速比。經(jīng)計算,M

13、 pe 、M p 分別為4940129N m 和521011N m ,又因驅動橋總成疲勞壽命試驗的試驗計算扭矩M p 選用M pe 與M p 之中較小的一個,則由上述公式計算可得,按發(fā)動機最大扭矩計算出的扭矩M pe 為試驗的計算扭矩M p 。3試驗實例選用某橋總成進行疲勞壽命試驗,其橋總成已知參數(shù):輸出扭矩為8824N m ,發(fā)動機最大扭矩時輸出轉速為1800r pm ,變速箱一檔速比為41535,主減速比為51375。由此計算試驗所需要的參數(shù)如下:左右軸轉速為731844r pm ,主軸加載扭矩M p 為1641167N m 。在正式試驗之前,需要按14M p 、12M p 、34M p

14、,三種載荷由小到大進行走合,時間每段按主動輪運動2-3×104循環(huán)次數(shù)。最后在進行正式試驗,按M p 進行加載,得出的實驗結果為:當試驗運行了227500轉,其主減速器的被動齒輪發(fā)生輪齒斷裂。其圖4為齒輪破壞照片。由QC /T 53421999可知, 齒輪中值疲勞壽命不低圖4齒輪破壞照片于50萬次,試驗樣品中最低壽命不低于30萬次7。該主減速器齒輪未達到標準的要求。根據(jù)齒輪斷口宏觀形貌分析,齒輪失效形式為齒根疲勞折斷和齒面疲勞剝落失效8。根本原因在于:(1輪齒承受多次重復彎矩作用,在齒根部產(chǎn)生變化的彎曲應力,當彎曲應力超過材料的彎曲疲勞極限應力時,在輪齒受拉一側的齒根圓角處產(chǎn)生疲勞裂

15、紋,隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋逐漸擴展,使輪齒剩余截面上的應力超過其極限應力,造成瞬時折斷。(2輪齒齒面還出現(xiàn)了部分的點蝕。主要由于齒輪齒面硬度不夠、齒面粗糙以及潤滑不良等原因,造成了輪齒齒面的接觸應力過高,隨著應力循環(huán)次數(shù)的增多,從而形成了破壞性點蝕。4結束語本設計結合我國汽車制造業(yè)的實際情況。為了實現(xiàn)如何衡量橋總成裝配后的疲勞性能的好壞,研究設計出通過驅動和加載端來實現(xiàn)四象限運行,即轉速可以正/反向運行,也可以正反向扭矩加載,從而來模擬驅動橋的實際工作情況,最終得到比較可靠的試驗數(shù)據(jù),并且采用交流變頻加載,使整個試驗過程節(jié)約能源約75%的綜合性能試驗臺,可廣泛應用于汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)。參考文獻1劉惟信.汽車車橋設計M .北京:清華大學出版社,2004.2QC /T53321999,汽車驅動橋臺架試驗方法S.1999.3王中應,傅頂和.汽車驅動橋總成齒輪疲勞試驗臺的研究與設計J .汽車科技,20