汽車變速器試驗臺加載技術(shù)的研究

1、汽車變速器試驗臺加載技術(shù)的研究 *谷 曼(合肥學(xué)院 機(jī)械工程系 , 合肥 230022The research of loading technology in automotive transmission gearbox test-bedGU Man(Department of Mechanical Engineering , Hefei University , Hefei 230022, China 文章編號 :1001-3997(2009 11-0162-02【 摘要 】 為了有效地對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行綜合性能試驗, 準(zhǔn)確地模擬汽車行駛中的典型工況,研究開發(fā)了變速器綜合性能試驗臺,

2、 并對試驗臺加載技術(shù)進(jìn)行了分析研究 。 實現(xiàn)了被試件工況的可靠模 擬 。 為變速器質(zhì)量的檢測提供更加科學(xué)準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù) 。關(guān)鍵詞:變速器; 試驗臺; 加載【 Abstract 】 In order to effective comprehensive performance test vehicle mechanical transmission gearbox and accurately simulation typical operating mode in traveling ,the author designed test bed for testing general perfo

3、rmance of transmission gearbox and analysis its loading technology. Trusted simulation for tasted sample was achieved and more accurate test data for tasting transmission quality was offered.Key words :Transmission gearbox ; Test bed ; Loading中圖分類號:TH16, U467.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A*來稿日期:2009-01-22*基金項目:安徽省教育廳自然科學(xué)

4、基金項目 (KJ2008B2791前言變速器是汽車傳動系中重要的總成, 其性能直接影響到汽車 的動力性 、 經(jīng)濟(jì)性和操縱性能 。 國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)械式變速 器的總成技術(shù)條件和要求 。為了考核變速器的性能指標(biāo), 進(jìn)行臺架試驗是一個重要而且 經(jīng)濟(jì)的手段, 這樣不僅可以在較短時間內(nèi)全面地了解變速器的性 能, 同時能減少將變速器直接安裝在汽車上進(jìn)行道路試驗所帶來 的時間和經(jīng)費方面的投入 。 因此, 進(jìn)行變速器臺架試驗對提高汽 車的質(zhì)量和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期都有十分重要的作用 。而加載試驗 臺通過加載, 能夠模擬被試件的實際工況, 使試驗結(jié)果更加真實 、 可靠 。 為了有效檢測變速器質(zhì)量, 研究變速器加

5、載技術(shù)就非常有 必要 。2變速器試驗臺結(jié)構(gòu)原理根據(jù)被試件的相關(guān)信息, 采用了交流變頻加載電封閉方式試 驗臺 。 變頻加載有母線回饋和電網(wǎng)回饋兩種形式 。 母線回饋是將 加載電機(jī)發(fā)出的電能通過直流母線回饋到驅(qū)動電機(jī)輸入端, 而不 回饋回電網(wǎng), 不但節(jié)能效果好, 而且對電網(wǎng)無影響, 這種母線回饋 式變頻回饋特別適合齒輪箱 、 變頻電機(jī)等需要變頻電機(jī)驅(qū)動的試 驗臺; 電網(wǎng)回饋是直接將加載能量回饋到電網(wǎng), 它適合于類似發(fā) 動機(jī)試驗臺那樣的非電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用場合, 由于它采取了許多改 善回饋質(zhì)量的措施, 所以對電網(wǎng)的影響是很少的 。 因此, 試驗臺采 用母線回饋方式, 形成電封閉加載, 能量使用率很高 。

6、 電封閉加載 試驗臺除了可以完成傳動性能試驗以外, 通過添加自動換擋機(jī)構(gòu) 還可以對掛檔力和位移進(jìn)行測量分析; 控制系統(tǒng)通過軟件可以完 成不同的試驗與數(shù)據(jù)采集記錄功能, 使用方便 。 試驗臺加載原理 圖, 如圖 1所示 。圖 1變速器試驗臺結(jié)構(gòu)原理圖1. 驅(qū)動電機(jī) 2-1.2-2.2-3. 加載電機(jī) 3-1.3-2.3-3. 變頻加載單元 4-1.4-2.4-3. 減速箱 5-1.5-2.5-3. 輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 6. 被試變速器 7. 潤滑油溫測量及控制裝置 8. 選 /換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)及參數(shù)測量裝置9. 離合器 10. 輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 11. 驅(qū)動加載單元12. 計算機(jī)測試控制系統(tǒng) 13

7、. 整流 /回饋單元3變速器試驗臺常用的加載方式分析試驗臺的負(fù)載設(shè)備應(yīng)當(dāng)滿足試驗時所需的加載和轉(zhuǎn)速范圍, 并能平穩(wěn)地 、 精細(xì)地調(diào)節(jié)負(fù)荷, 模擬汽車的行駛阻力 。 通常, 動力 傳動設(shè)備試驗采用水力測功機(jī) 、 電渦流測功機(jī) 、 磁粉制動器 、 液壓 加載器 、 機(jī)械加載器 、 直流電機(jī)或交流電機(jī)作為吸功裝置, 也就是 人們通常所說的負(fù)載 1。 現(xiàn)將這幾種常用的負(fù)載進(jìn)行分析比較以 確定該變速器試驗臺的負(fù)載 。水力測功機(jī)的工作原理是用水作為制動介質(zhì), 將原動機(jī)輸出 的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能, 通過水冷卻后帶走熱量 。 是傳統(tǒng)成熟的技 術(shù), 具有價格便宜, 首期投資少, 可靠性高的特點 。 但用水來冷卻,

8、 需要消耗大量的水, 動力機(jī)械輸出的功率不能回收, 且需要龐大 的水循環(huán)設(shè)施; 反應(yīng)速度慢, 不利于扭矩瞬態(tài)控制; 低速小扭矩,13內(nèi)部 DC 回饋母線11M 11096875-14-15-34-32-13-12-33-23-3M M Machinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計與制造第 11期 2009年 11月162只能制動, 不能倒拖; 電渦流測功機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品, 通過磁場 進(jìn)行制動 。 制動器調(diào)節(jié)原動機(jī)的載荷, 并同時把所吸收的原動機(jī) 功率轉(zhuǎn)換為熱能, 經(jīng)水冷卻后帶走熱量, 所以電渦流測功機(jī)也需 要冷卻水循環(huán)系統(tǒng); 磁粉制動器以磁粉為工作介質(zhì), 以激磁

9、電流 為控制手段, 達(dá)到控制制動或傳遞轉(zhuǎn)矩的目的 。 其輸出轉(zhuǎn)矩與激 磁電流呈良好的線性關(guān)系而與轉(zhuǎn)速或滑差無關(guān) 2; 直流電力測功 機(jī)工作原理是將直流電機(jī)發(fā)出的直流電經(jīng) DCS 直流調(diào)速系統(tǒng)逆 變?yōu)榻涣麟?并通過 DCS 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的上網(wǎng)電流來 控制原動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩; 交流電力測功機(jī)交流變頻加載技術(shù)是 在上世紀(jì)末逐步發(fā)展起來的一門新技術(shù) 。 其工作原理是將交流電 機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)變頻器逆變?yōu)橹绷麟? 然后再逆變?yōu)榻涣麟娚?網(wǎng) 。 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的上網(wǎng)電流來控制原動機(jī)的轉(zhuǎn)速 和扭矩 3。綜上所述, 水力測功機(jī) 、 電渦流測功機(jī) 、 磁粉制動器價格相對 要便宜些, 但是使用這

10、些負(fù)載裝置所吸收的能量大部分不可重新 利用, 會耗費大量的能源 。 雖然直流測功電機(jī)調(diào)速性能好, 控制簡 單, 但直流電機(jī)由于換向器的影響, 不能適用于高速運行, 因此在 轉(zhuǎn)速很高的情況下, 往往采用機(jī)械減速裝置, 因此占地面積大, 系 統(tǒng)復(fù)雜且維修費用高 。 交流電力測功機(jī)不僅具有直流電力測功機(jī) 的所有優(yōu)點, 而且由于不存在換向器問題, 因而結(jié)構(gòu)簡單, 可靠性 高, 無需經(jīng)常保養(yǎng), 成本降低且測量精度高 。 隨著對動力裝置 (例 如內(nèi)燃機(jī) 、 變速器等 性能要求的提高, 對測功機(jī)性能的要求也在 逐漸提高, 水力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)已很難滿足開發(fā)研究試驗 的要求, 因此本汽車變速器試驗臺采用交

11、流電力測功機(jī)作為加載 裝置 。4變速器試驗臺加載部分參數(shù)的確定 4.1加載阻力的確定加載阻力主要是模擬在汽車運行過程中, 變速器輸出軸上所 受的載荷, 所以需要根據(jù)前面所確定的模型將作用在車輪上的行 駛阻力, 簡化到變速器的輸出軸上 。 經(jīng)等效轉(zhuǎn)換后, 則可得到作用 在變速器輸出軸上的負(fù)載力矩 M :M =Frt 0(1 式中:r 車輪半徑, m ; F 作用在車輪上的行駛阻力, N 。 汽車的行駛阻力主要由滾動阻力 、 空氣阻力 、 坡度阻力和加 速阻力所組成, 表示為驅(qū)動力平衡方程式 4:F t =Ff +Fw +Fi +Fj (2 式中:F f 滾動阻力, N ; F w 空氣阻力, N

12、 ;F i 坡度阻力, N ; F j 加速阻力, N 。當(dāng) F j -(F f +Fw +Fi 叟 0時, 汽車能夠在坡道上正常起步 、 勻速 或加速行駛 。 汽車的驅(qū)動力越大, 加速性能就越好, 爬坡能力也越 強(qiáng) 5。汽車加速行駛時,需要克服其質(zhì)量加速運動時的慣性力, 就 是加速阻力 。 汽車的質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分 。 加速 時, 不僅平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力, 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也要產(chǎn)生慣性力偶矩 。 為 了便于計算, 一般把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量的慣 性力, 以系數(shù) 作為計入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 換算系數(shù), 則汽車加速時的阻力為 6:F j =G du (3式中:

13、 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù), >1; g 重力加速度, kg/m2; du 行駛加速度, m/s2。其余各項阻力計算出 。4.2正拖與反拖的實現(xiàn)在試驗臺進(jìn)行正向轉(zhuǎn)矩加載試驗過程中, 驅(qū)動側(cè)電機(jī)處于電 動機(jī)狀態(tài), 其供電裝置工作在整流狀態(tài), 將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械 能, 以驅(qū)動被試變速器; 而加載側(cè)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài), 供電裝置 工作在逆變狀態(tài), 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能, 通過變頻調(diào)速器的直流 母線回饋給驅(qū)動電機(jī), 形成電封閉加載, 能量使用效率很高 。 在試 驗臺進(jìn)行反拖試驗時, 驅(qū)動側(cè)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài), 加載側(cè)電機(jī)處 于電動機(jī)狀態(tài), 整個試驗系統(tǒng)構(gòu)成了能量封閉系統(tǒng) 。4.2.1正拖正拖傳動路徑,

14、 如圖 2所示 。圖 2正拖路徑圖驅(qū)動端電機(jī)相當(dāng)于行駛中的汽車發(fā)動機(jī), 而加載電機(jī)是變速 器所受的負(fù)載, 模擬行駛中汽車的載荷 。4.2.2反拖反拖路徑圖, 如圖 3所示 。 當(dāng)離合器脫開時, 加載電機(jī)帶動變 速器以及離合器摩擦片空轉(zhuǎn), 驅(qū)動電機(jī)不停機(jī), 此時, 相當(dāng)于汽車 駕駛員腳踏離合器, 使離合器分離, 進(jìn)行掛檔以避免齒輪產(chǎn)生沖 擊 。 當(dāng)離合器閉合時, 相當(dāng)于發(fā)動機(jī)制動狀態(tài), 如汽車在下坡時, 因質(zhì)量的分力作用而加速, 此時若頻繁地使用車輪制動器, 將會 使其過熱, 也很危險 。 此時如果將選檔手柄置于低檔, 并且將發(fā)動 機(jī)油門松到最小, 汽車慣性經(jīng)驅(qū)動輪 、 變速器反拖發(fā)動機(jī), 驅(qū)動

15、力 消耗到發(fā)動機(jī)升速上,就是利用發(fā)動機(jī)的摩擦阻力來制動汽車, 使汽車下坡減速, 起到輔助制動的作用 。 因此, 在反拖時, 依次完 成變速器一檔至五檔以及倒檔的動態(tài)換檔性能的測試, 并模擬發(fā) 動機(jī)制動, 進(jìn)行反拖試驗 。圖 3反拖路徑圖5結(jié)論在對各種典型加載方式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上, 采用交流變頻回 驅(qū)動電機(jī)離合器閉合 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器被試變速器十字萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 減速箱加載 電機(jī) 3轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 減速箱加載 電機(jī) 1減速箱 加載 電機(jī) 2被試變速器十字萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器減速箱加載電機(jī) 3轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器減速箱加載電機(jī) 1減速箱加載電機(jī) 2離合器第 11期

16、 谷 曼:汽車變速器試驗臺加載技術(shù)的研究 163蝦形六輪移動機(jī)器人尾部越障性能分析 *曹沖振 王鳳芹 張吉亮 李玉善 趙春雨 (山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院 , 青島 266510Obstacle performance analysis of the tail part of six-wheel shrimp mobile robotCAO Chong-zhen , WANG Feng-qin , ZHANG Ji-liang , LI Yu-shan , ZHAO Chun-yu(College of Mechanical and Electronic Engineering , Sha

17、ndong University of Science and Technology ,Qingdao 266510, China 文章編號 :1001-3997(2009 11-0164-03【 摘 要 】 越障能力對移動機(jī)器人的應(yīng)用至關(guān)重要 。 提出的一種蝦形六輪移動機(jī)器人為研究對象, 研 究如何提高其尾部的垂直越障能力 。 分析了機(jī)器人的尾部垂直越障過程, 通過建立尾部垂直越障力學(xué)分 析模型, 得到了機(jī)器人尾部垂直越障各影響因素 (特別是結(jié)構(gòu)尺寸 的關(guān)系, 并討論了各影響因素的參數(shù) 應(yīng)如何選取, 為設(shè)計機(jī)器人結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù); 最后用物理樣機(jī)進(jìn)行了驗證, 實驗結(jié)果表明分析得到的 結(jié)論是

18、正確的 。關(guān)鍵詞:移動機(jī)器人; 蝦形; 尾部; 垂直障礙; 越障性能【 Abstract 】 It is important of obstacle performance for application of a mobile robot. A six-wheel shrimp mobile robot is put forward , and how to improve perpendicular obstacle performance of its tail part was studied. The climbing perpendicular obstacle process o

19、f the tail part was analyzed , and by building the mechanical analysis model of perpendicular obstacle of the tail part , the relation of influence factors , espe -cially the structure dimensions , was obtained , moreover , how to design the parameters of influence factors was analyzed , which can p

20、rovide theoretical instruction when designing the robot. Experiments of actual model machine were finished ,and the results show that conclusions are correct. Key words :Mobile robot ; Shrimp ; Tail part ; Perpendicular obstacle ; Obstacle performance中圖分類號:TH16, TP24文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A*來稿日期:2009-01-22*基金項目:山東省重

21、大項目 (21050103目前, 月球 、 行星探測成為各國研究的熱點, 而月球 、 行星探測車的研究是探測系統(tǒng)研究的關(guān)鍵之一,從上世紀(jì) 60年代開始, 美 國 、日本 、 前蘇聯(lián)等國家對其進(jìn)行了大量的研究 1-3。 其中, 美國 JPL 實驗室研制的 Rocky 系列火星漫游車以及 Sojourner 火星探測車 等代表著行星探測車技術(shù)的最高水平 。 目前, 按移動機(jī)構(gòu)的特點行 星探測車可分為腿式 、 履帶式 、 輪式以及輪腿式 。 其中輪式移動機(jī)構(gòu) 以其高速 、 高效 、 易于控制且結(jié)構(gòu)簡單而得到大多數(shù)研究者的青睞 。Rocky 系列和 Sojourner 火星探測車均采用輪式移動結(jié)構(gòu) 1, 4, 5。具有良好的越障能力對行星探測車自主移動系統(tǒng)完成預(yù)期的探測任務(wù)至關(guān)重要, 而垂直越障是越障難度最大的一種 。 瑞士 蘇黎世理工學(xué)院 ETH 自動化系統(tǒng)研究所 ASL 研制的火星探測車地面試驗樣車 Shrimp ,歐航天局 ESA 研制的 Solero , 均采用平 行架 -彈簧特征叉式移動系統(tǒng),上海交通大學(xué)研制的 6輪蜘蛛形 機(jī)器人及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的高機(jī)動越障機(jī)器人的移動系統(tǒng)也采用平行架