（机械电子工程专业论文）汽车离合器从动盘总成新型扭转耐久试验机的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车离合器从动盘总成扭转耐久试验机是汽车零部件寿命试验的重要试验设 备。研究开发自动化程度较高的此类试验设各，对于提高产品质量，促进国内汽车 零部件工业的发展有着重要意义，并有着较广泛的实用性。 论文详细介绍了基于机电一体化的新型扭转耐久试验机的研制过程、性能特点、 组成及测控原理。为了满足本系统所包含的丰富的测控功能，设计了以工控机为核 心的微机控制系统，详细介绍了该系统硬件和软件的结构和工作原理。 针对从动盘弹簧疲劳断裂的自动识别技术，论文提出了一种刚度时域法的识别 原理，并通过了实验验证；对引起试验机冲击振动的曲柄摆杆机构进行了较全面的 动态分析，提出了改进方案；还对变频调速系统的干扰机理及对策进行了较深入的 研究，并介绍了本系统较有效的抗干扰措施。 论文研制的新型扭转耐久试验机已正式通过鉴定验收，并一直正常运行，表明 研制获得成功。 关键词：从动盘总成，耐久试验机，曲柄机构，弹簧断裂识别，抗干扰对策 重丛奎兰堡主堂垡丝苎 茎塞塑銎 a b s t r a c t an e wt o r s i o nd u r a b i l i t y - t e s t i n gm a c h i n ef o rd r i v e np l a t e so fa u t o m o b i l ec l u t c h , w h i c hi si m p o r t a n tt e s t i n ge q u i p m e n ti na u t o m o b i l ec o m p o n e n ti n d u s t r y , h a sb e e n p r e s e n t e di n t h i sp a p e r d e v e l o p m e n to fs u c hm a c h i n ew i l lp r o m o t et h ed r i v e np l a t e s q u a l i t ya n dg i v ei m p e t u st on a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，p e r f o r m a n c e ，m a k e u pa n dp r i n c i p l eo ft h et e s t i n gm a c h i n e ， w h i c hi sb a s e do nm e c h a t r o h i c s ，a r ed e s c r i b e di nd e t a i l si nt h i sp a p e r i no r d e rt om e e tt h e n e e d so ft h ef i m c t i o n si n c l u d e di nt h i ss y s t e m ，ac o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) i sa d o p t e d ，w h o s es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l s ， t h ed y n a m i cl o a do ft h ec r a n km e c h a n i s mi nt h et e s t i n gm a c h i n ei st h ek e yf a c t o r t h a ta f f e c t st h ew o r ka b i l i t ya n dt h et e s t i n ge f f i c i e n c yo f t h e t e s t i n gm a c h i n e o nt h eb a s i s o f t h ed y n a m i ca n a l y s i so f t h ec r a n km e c h a n i s m ，t h ep r o v i n gm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r di n t h i sp a p e r i ti ss i g n i f i c a n tt od e t e c ta u t o m a t i c a l l yt h es p r i n g sf a t i g u eb r e a ki nt h ep m c e s so f t h e d r i v e np l a t e sd u r a b i l i t yt e s tf o rr e l i a b l yg a i n i n gt h ef a t i g u el i f eo ft h et e s t e dp i e c ea n d r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z eo ft h et e s t i n gm a c h i n e am e t h o db yt h e c h a n g eo ft h et o r s i o nr i g i d i t yo ft h et e s t e dp i e c et h r o u g hs a m p l i n gt o r q u ew a v eo ft i m e d o m a i ni nt e s tp r o c e s st od e t e c ta u t o m a t i c a l l yt h es p r i n g sb r e a ki sp u tf o r w a r di nt h e p a p e r t h em e t h o d i sp r o v e dv a l i db ye x a m i n a t i o n t h em e c h a n i s mo f t h ep r o d u c ea n ds p r e a do f t h ef i e q u e n c yi n v e r t e r sd i s t u r b a n c ei s a n a l y z e di np a p e r , t h e nas e r i e so fa n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e su s e di nt h i ss y s t e mw h i c h e f f i c i e n t l yr e s t r a i nt h ed i s t u r b a n c ei si n t r o d u c e d t h en e wt e s t i n gm a c h i n eh a sb e e np a s s e dt h er e c e p t i o nt e s ga n dh a sap e r f e c t p e r f o r m a n c ei np r a c t i c e t h ew o r ko f d e v e l o p i n gi sp r o v e dt ob es u c c e s s k e y w o r d ：d r i v e np l a t e s ，d u r a b i l i t yt e s t i n gm a c h i n e ，c r a n km e c h a n i s m ， d e t e c t i n go f s p r i n gb r e a k , a n t i - d i s t u r b a n c ec o u n t e r m e a s u r e s i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究背景 “汽车离合器从动盘总成新型耐久试验机的研制”课题是应中目合资企业 重庆三铃- 大金离合器制造公司的要求而提出的。汽车离合器耐久试验是离合器性 能试验的重要内容，试验中对试验设备的测试精度、自动化程度、运行可靠性等均 有较高要求。本项目于1 9 9 9 年3 月立项，2 0 0 0 年8 月通过鉴定验收。作者作为该 项目主研人员，参加了从设计、制造到调试验收的全部过程。本设备与原耐久试验 机( 参照日方设计图纸制造) 相比，无论在机械性能、控制性能、测量精度、使用 寿命及安全性等方面都有较大提高。 1 2 汽车离合器从动盘总成简介。卜口1 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连系的部件，它实际上是一种依靠主、 从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构，如图1 i 所示。 卜飞轮2 一从动盘3 一踏板4 一压景弹黄5 一从动轴6 一从动盘皲 图i i 摩擦离合器工作原理图 f i 9 1 iw o r k i n gp r i n c i p l eo ff r i c t i o nc l u tc h 在实际工作中，铆装在从动盘本体上的摩擦片被离合器压紧机构压紧在发动机 飞轮端面上，而从动盘毂通过花键与变速器主动轴相连，发动机转矩即通过飞轮与 从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘本体上，再经过扭转减振器传到从动盘 毂，然后经由变速器等传动系中的一系列部件传给驱动车轮。在汽车行驶中，离合 器起着保证汽车平稳起步、保证传动系换档时工作平顺和防止传动系过载等作用。 由于发动机传到汽车传动系的转矩是周期地不断变化的，使得传动系中存在扭转振 动。如果这一振动的频率与传动系的自振频率相重合，就将发生共振，对传动系零 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 件寿命有很大影响。此外，在不分离离合器的情况下进行紧急制动或猛烈结合离合 器时，瞬时将造成对传动系的极大的冲击载荷，而缩短零件的使用寿命。为了避免 汽车传动系的共振，减缓冲击，减少噪音，提高传动系零件的寿命，改善汽车行驶 的舒适性，并使汽车起步平稳，通常在离合器从动盘上都带有扭转减振器，尤其在 轿车上无一例外都采用带扭转减振器的从动盘。扭转减振器实质上是一个弹性 阻尼装置，它主要由减振弹簧、减振摩擦片( 阻尼片) 以及减振盘等组成。无论是 否带有扭转减振器，从动盘都由从动盘本体、摩擦片和从动盘毂三个基本部分组成， 图1 2 所示为一种带有扭转减振器的从动盘。 | | 。 矿 烈 ，旆 1 j 鼍寓璧挲耀z 谵羹裂瓣学薏毒岸瓣挈管；霄豢 | ；：图，3 从动盘扭转刚度曲线 9 从动盘铆钉隔套= l 笛减振器擘忘 鉴毽产毂。1 2 减振器盘 f i g 1 3t o r s i o n a lr i g i d i t yc urvesl2 图从动盘总成图 * 。，1、 f i g 1 2d r a w i n go fd r i y e np l a t ea s s e m b i a g e o i r lv e i lp l a 【8 从动盘总成的主要工作性能参数有正反向极限转角和转矩、预紧转矩、角刚度 和摩擦转矩( 阻尼转矩) 等，这些参数通常由图1 3 所示的扭转减振器的扭转特性 曲线来表示。由于汽车存在反向运动或制动工况，扭转减振器的扭转特性具有双向 性，而且由于对正向运动和反向运动的要求不一样，正反向扭转特性不一定是对称 的。另外，在设计和使用中，扭转减振器还有单级弹簧、多级弹簧减振器以及非线 性减振器之分，园而，扭转减振器扭转特性有单段线性、多段线性以及非线性等几 种形式，图1 3 是三级式扭转减振器的扭转特性示意图。 1 3 机械零部件疲劳寿命试验系统的组成及发展趋势 1 3 1 机械零部件疲劳寿命试验系统的一般组成嘲 8 3 机械零部件疲劳寿命试验是机械工程试验中的一种，用于对机械零部件的疲劳 寿命进行检测。为了能从零部件试验中获得可以预示工作能力的有用数据，试样的 2 里丛堂堡主堂堡笙塞 ! 些笙 制备和试验环境都应当尽可能接近于实际使用情况，以使试验室破坏同使用破坏相 类似。尽管机械零部件的种类繁多，各有特点，无法提出试验系统设计和带8 造的统 一方法，但所有疲劳试验系统，不管复杂程度如何，总是由一些相同的基本作用单 元组成。图1 4 所示为适用于机械零部件寿命试验的系统的一般组成。 l t 信号采集、数据处理和分别 唾广率 旧挚吲馘橼博 o 7lt j 试验环境 f试验过程控制 | ! 凰1 4试验系统组成框图 f i 9 1 4b 1 0 c kd i a g r a mo ft e s t i n gs y s t e m s l 、试验环境常见的环境条件有温度、湿度、电场、磁场等，有些情况下也对 振动、冲击等环境条件提出专门的试验要求。温度、湿度、电场、磁场等试验环境 可用带自动控制系统的专门试验设备来实现，如湿度自动调节系统等，而振动、冲 击等环境试验则要在专门试验台上进行。 2 、驱动系统零部件的寿命试验往往是在运行的情况下进行的，如轴承寿命试 验，刹车蹄片寿命试验，汽车离合器从动盘总成工况试验等，这时需要可调节的驱 动系统。也有某些零部件采用静止状态下循环加载的方式进行寿命试验，如离合器 从动盘总成膜片弹簧寿命试验，钢板弹簧寿命试验等，这时不需驱动系统。目前较 常使用的驱动装置有直流或交流调速电动机驱动装置等。 3 、加载系统被试件的加载方式有多种，如定幅加载、周期变幅加载、程序控 制载荷谱随机加载等。方式不同，加载系统复杂程度也不同。为适应不同的试验载 荷，加载系统要求对受控参量可调。匆日载手段有机械、液压、电磁等多种，丽动力 的提供大多以电力为基础。在机械加载方法中，为适应不同的加载频率，目前也多 采用交流变频调速电动机驱动。 4 、参数测量系统在试验过程中，要使用各种传感器和数据记录、采集设备， 以获褥机器运行中的各种参数，经过处理螽得到反映其瞧能的各项指标。对于不同 的试验和参数，所要求的测量精确度各不相同，因此对试验用的传感器必须进行精 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 确度等级的标定，以确保试验结果的精确性。测试仪器还应定期检定。为确保试验 中采集到的数据的精确度和减少噪声干扰，通常要根据试验要求进行各种处理和变 换，以得到可靠的最终的试验结果。 5 、试验控制系统在产品寿命试验中通常要对被试对象的驱动、加载、运行过 程以及信号适调、处理、显示等进行各种控制，以确保试验过程的正确进行和数据 的准确采集。 机械零部件寿命试验的主要特点是试验周期较长，因此，对试验系统的效率、 可靠性以及自动化程度要求比较高，相应对系统组成各部分提出更高的要求。 1 - 3 2 机械零部件疲劳寿命试验系统的发展“”叫“。 在早期的寿命试验中，限于技术的落后，只能采用很粗糙的方法进行加载和各 种数据的采集，而且试验数据的处理大多采用人工进行。由于控制手段的匮乏，早 期的试验设备自动化程度普遍不高，多数需要专人采用巡视的方法对试验过程进行 监控，而大多数耐久试验持续时间都很长，这样就增加了试验人员的劳动强度，影 响了效率。 随着技术的进步，各种先进的仪器仪表逐渐应用于寿命试验领域，不仅提高了 数据采集和处理的精度，而且使试验朝着自动化方向发展。但疲劳寿命试验技术真 正飞速发展是在2 0 世纪6 0 7 0 年代以后，随着计算机在工业领域的应用的日益广 泛，计算机的应用也逐渐渗透到寿命试验的测控领域。在现代疲劳寿命试验技术领 域中，计算机控制技术充当了极为重要的角色，计算机的应用主要集中在数据采集 与处理、实际载荷模拟以及试验过程控制等方面。 计算机的应用是逐渐完善的一个过程。计算机最初应用于数据的采集与处理， 这种系统称为巡回检测和数据处理系统，其结构如图1 5 所示。在该控制方案中， 计算机不断对系统内的各种参数进行巡回检测，以及各种后续处理，并将处理结果 显示或打印输出，操作者以此作为试验状况的依据，完成对试验过程的控制。在该 结构中，由于计算机不直接参与设备的控制，其能力没有得到从分发挥，试验过程 的控制实际由人工完成，自动化程度较低，目前这种结构的使用已逐渐减少。 图1 5 巡回检测和数据处理系统 f i 9 1 5 t o u rd e t e o t i n g d a t a p r o c es s i n gs y s t e m一 图1 6 监督控制系统 f i 9 1 6s u p e r v is o r y c o i l t r 0 1 s y s y t e n l 随着计算机应用技术的发展，出现了计算机监督控制系统，其结构如图1 6 所 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 示。这种结构实际上是在原模拟数字仪器控制系统的基础上加入了计算机的应用， 将人对模拟仪器的操作改为计算机的指令控制，因此可以完成一定程度的闭环控制。 这种结构由于模拟数字控制器本身的限制，使整体系统可靠性较差，控制不够灵活， 因此不易推广。 目前应用最为广泛的一种计算机应用结构是直接数字控制系统，如图1 7 所示。 在这种方式中，计算机根据输入信息，按照一定的控制算法，直接控制执行机构， 其可靠性高，性能稳定，不仅能实现传统模拟调节器的p i d 控制，而且通过更改算 法和软件，可以实现多种复杂的控制，并且因其强大的计算功能，试验系统的实际 载荷模拟可以达到很高的精度。因此在现代疲劳寿命试验领域越来越多地出现这种 结构的身影。 图1 7 直接数字控制系统 f i 9 1 7 d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 随着网络通讯技术的发展，近年来一种新的结构逐渐引起大家的注意，即多级 分布式控制系统，它使用多台计算机，按主从方式有机地组合成一个分级的控制系 统。这种结构可以实现更高级别的管理自动化，功能更齐全，性能更完善。但这种 系统较复杂，成本也较高，目前主要用于较大的过程控制系统，在机械零部件疲劳 寿命试验领域较少用到。不过随着疲劳寿命试验更多地融合到生产过程，以及多台 试验设备的集中管理的需要，这种结构也会逐渐应用到寿命试验领域的。 当然其它应用技术领域的发展对寿命试验系统的影响也不容忽视，比如现代传 感器技术、微电子技术、现代自动控制技术、现代材料技术以及机构优化设计技术 等等，这些技术的应用，使零部件耐久性试验设备朝着精密化、智能化、高速化、 自动化等方向飞速发展。 1 4 本课题研究的意义及主要研究内容 1 4 1 本课题研究的意义“刨 耐久性和可靠性是汽车零部件各项性能中最基本也是最重要的性能之一，离合 器从动盘总成是诸多汽车零部件中的一种，当然也不例外。而鉴于路况和离合器的 工作原理，在汽车行驶中，从动盘本体以及扭转减振器因传递波动的扭矩而反复受 载，工作繁重，产生故障的几率比较高，会造成离合器不平稳和异响等后果，影响 汽车的正常行驶。因此对其耐久性要求更高，有关标准规定：从动盘总成经过3 5 5 重庆大学硕士学位论文 1 0 6 次扭转耐久性试验后，极限转矩不低于初始值的7 5 ，扭转减振器阻尼摩擦 转矩不低于初始值的6 0 ，各零件不得失效。因此，对从动盘总成进行耐久性试验 有助于准确了解产品的疲劳寿命，对从动盘总成的设计、制造工艺、材料选择以及 质量控制等具有指导意义，进而对离合器制造厂家提高产品质量，增强产品市场竞 争力产生积极意义。【2 国外先进工业国家的汽车产业大都相当发达和成熟，一个非常重要的原因是拥 有相当丰富和成熟的产品检测和试验手段。我国的汽车工业从无到有，发展相当迅 速，促进了汽车零部件性能试验技术及设备的发展。许多大中型生产厂家都具备了 对重要零部件进行各项性能试验的能力。但总体而言，在这方面我们与国外先进水 平相比，还是有一定的差距的。单就从动盘总成而言，目前，国内许多离合器生产 厂家对从动盘总成扭转耐久性试验尚处初期阶段，很多厂家还不开展此项试验，即 使进行也只能完成简单的扭转运动和粗略地记录运行时间，设备简单，许多试验参 数无法调整和控制，自动化程度低。因此，通过本课题的研究可以增强国内研制类 似的汽车零部件耐久性试验设备的能力，推动国内试验研究技术及设备的发展。 当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的 时期，其中技术进步因素起着极为重要的作用，它在经济增长中占7 0 8 0 。“以 高新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工业产品附加值”已经成为现代工业 企业自动化重要的发展目标。从我国经济发展史来看，其工业经济增长主要是依靠 投入大量资金和劳动力来实现的，尚未充分发挥技术进步在工业经济增长中的“二 次效益倍增器”的作用。“如何加快发展电子信息技术，调整产业结构，适应世界经 济发展需求”是当前我国工业企业自动化界研究的重要课题之一。因此，通过本课 题的研究可以提高国内机电一体化设备普及程度，促进国内机械制造水平的提高。 另外，本试验机的研制成功对于企业提高产品质量，增强高等院校机电一体化 设备开发研制能力，增强市场竞争力将起到极大的促进作用。 1 4 2 本课题的研究内容 根据从动盘总成耐久试验的要求以及用户对试验机的操作使用和规格性能等方 面的要求，归纳出本课题应完成的主要研究内容如下。 ( 1 ) 研制一台机电一体化的从动盘总成扭转耐久试验机，采用工业计算机控制。 ( 2 ) 试验前，能方便地根据从动盘总成扭转耐久试验设定的扭矩和摆角进行零 件的安装调整，并自动测量当前的安装参数。 ( 3 ) 试验过程自动进行，计算机能实时监测和显示当前扭转载荷、扭矩衰减趋 势、循环次数等参数。具有过载识别及故障报警功能。 ( 4 ) 试验结束可自动停机，按规定要求打印测试结果并自动切断主机电源。 ( 5 ) 研究零件异常破损( 弹簧断裂) 的自动识别技术。 6 重庆大学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 本耐久试验机属机电一体化设备，包括机械系统、控制系统、检测系统以及加 载驱动系统等。其中控制系统和检测系统所需的理论技术较为复杂，包括计算机接 口技术、传感器技术、信号采集与处理技术、故障诊断技术等。 2 1 从动盘总成扭转耐久试验机的主要性能参数及试验方法。4 1 2 1 1 主要性能参数 试验机主要性能参数为 1 、从动盘总成直径范围：中1 5 0 中2 7 0 r a m ： 2 、极限扭矩载荷：7 0 0 n m ( 精度ln m ) ； 3 、扭摆角度：2 5 。( 可连续调节) ； 4 、扭摆频率：1 0 0 6 0 0 次分( 变频调速) ； 5 、试验扭摆次数设定：5 0 5 5 0 万次； 6 、扭摆次数检测误差： 1 0 0 0 次。 2 1 2 试验程序 1 、测从动盘总成减振器扭转特性曲线，确定试验前的扭转刚度c 。、摩擦阻力矩 m b ，极限转角0 。，极限力矩驵。 2 、将样品装于试验机的花键轴上，将摩擦衬片部分固定。然后调整试验机，测 量安装状态下的加载扭矩及转角，直至复合规定的要求。 3 、启动试验机，以规定的载荷、频率运行规定的试验次数。其间，应完成指定 参数的测试，并检查试件的损坏情况。 图2 1 所示为试验装置参考简图。 1 一从动盘2 一花键轴3 一垫板4 一夹紧盘5 一摇杆6 一连杆7 一偏心轴 图2 1 从动盘耐久试验装置参考图 f i 9 2 1 r e f e r e n c ed r a w i n go fd u r a b i l i t yt e s t i n gr i g f o rd r i v e np 1 a t e s 7 重庆大学硕士学位论文2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 2 2 耐久试验机的系统功能 根据试验机的要求，整个系统有三大功能： 1 、自动测试功能 自动测试时，除从动盘总成的安装夹紧和卸下外，其余过程均能按要求自动完 成，并记录和显示当前扭矩值和累计循环次数，还可以给出运转期间的扭矩趋势状 况及弹簧断裂识别。对所测的各项目可打印成测试报告。具有多种过载保护功能及 试验结束后自动关断设备电源的功能。 2 、手动调整功能 手动调整功能用于根据从动盘总成耐久试验设定的扭矩进行试件的安装调整。 为此，操作面板上特别设计了手动按钮。试件安装夹紧后，按动按钮，电机将运行 若干转，其间自动测试并显示当前正向和反向的安装扭矩值。操作者可根据当前扭 矩值调整试件的摆角及扭摆零位。 3 、参数调整功能 调参功能包括输入产品参数( 如产品型号，理论正反向最大扭矩等) 、运行参数 ( 如扭转频率及寿命次数等) 以及对扭矩传感器进行标定。另外，应用户需要，在 调参功能中设置了源程序查阅功能，便于将来系统维护与功能扩展。 自动测试功能和手动调整功能主要由操作面板上各种按钮操作控制，而参数调 整功能需要输入数据，所以采用键盘予以实现。 试验机夹具包括花键芯轴和压紧盘， # 赫差一：! 篡3 。- 一囊i ? ：竺蝥著 为配合试件不同规格的花键孑l ，花键芯轴制 f i 蛆孥2 亍；。i 爨馨燃罨篓。f 成可拆卸式，且有多种尺寸供选择。夹具结t e s t i n gm a c h i n e 构见图2 1 。 2 3 2 试件安装参数调整 由于试件正反向极限转角不一定相同，因此试件在安装时要调整正反两个方向 8 重庆大学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 的扭转角度，可分为总摆角和扭摆零位两个步骤来调整。试验机设有摆角指示装置， 操作者可根据摆角指示装置的读数进行试件的安装调整。 1 、总摆角的调整 从动盘总成的总摆角的调整是通过调节曲柄的长度进行的，由图2 3 可知，摆 杆摆角大小由下式给出： 忡c o s 掣卜o s 掣 旺t ， 式中：m 一总摆角：l l 一曲柄长； 根据已知各杆长：，2 = 3 3 5 m m ， = 3 8 7 m m ，= 5 1 1 8 6 m m ，代入 上式可得摆角与曲柄长度的对应关系 如表2 1 所示。 ，：一连杆长；一摆杆长；4 一机架杆长。 c 图2 3 曲柄摆杆机构摆角计算简图 f i g 2 3d r a w i n go fc r a n km e c h a n i s m f o rc a l c u l a t i n gs w i n ga n g l e 表2 i 曲柄长度与总摆角关系 ，l ( m m ) 3 3 75 0 56 7 28 3 7 1 0 0 1 1 1 6 21 3 2 0 1 4 7 31 6 2 1 中。1 01 52 02 5 3 03 54 04 55 0 2 、试件扭摆零位调整 曲柄摆杆机构只是提供一定大小的总摆角 牵总= 十正+ 十反，而试件正反向摆角十正和眩就需 要零位调整机构来完成。零位调整时，先转动摆 杆( 主轴) ，使摆角指针恰好指到图2 4 所示正反 摆角分配位置，然后锁紧摆动机构( 试验机设有 飞轮的手摇和锁紧机构) 。在该状态下，装上并压 紧受试零件，之后再放松锁紧机构，这样，就完 成了零位调整的操作。 2 3 3 试验机的结构特点 肆。 图2 4 摆角指示装置 f i g 2 4s w i n g a n 9 1 ei n d i c a t o r 与该厂原有的耐久试验机相比，本试验机无论在结构布局、使用性能及运行精 度等方面都有较大改进。主要特点如下。 1 、采用封闭式整体结构，提高了设备的强度、刚度和运行精度 原有的耐久试验机，包括日本原型机，均采用敞开式机构，如图2 5 ，飞轮、 曲柄摆杆、主轴等外露，特别是主轴支承及曲柄机构的支承都采用u c p 轴承座分散 9 重庆大学硕士学位论文2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 安装，无法保证相互位置精度，安全性也差。 本试验机采用整体式封闭结构，如图2 6 ，并适当增加隔板和加强筋，不仅强度 和刚度提高，而且各轴承孔等主要加工部位的精度易于保证。此外，封闭式结构使 设备运行的安全性、噪声及外型都得到了改善。 。主鬻睡点黧轮辫黧尊蓼龋。溢i ：j 爝 图z s 原有试验机结构 。煮j i 妻i 藉羞：嚣麓! 盖嚣嚣兰篆荨：号瓣? 磊骂羹： f i g 2 5s t r u c t u r eo f 图2 6 改进后试验机结构 o l dt e s t i n gm a c h i n e f i g 2 6s t r u c t u r eo fp r o v e dt e s t i n gm a c h i n e 2 、主轴采用卸荷结构，提高了测试精度 试验机的主轴一端连接试件，另一端连 接摆杆，不仅传递运动和载荷，而且也是本 设备的扭矩传感器。因此，必须减小作用在 主轴上的径向力和弯矩，使其只受纯扭转载 荷，以提高测试精度。为此，试验扎主轴与 摆杆之间的联接采用了图2 7 所示径向力卸 荷结构。这时，摆杆的径向力是由图中的摆 杆1 经过轴套3 和轴承4 传至机体，而摆杆 的转矩则由涨紧套2 传给主轴6 ，因此该主 轴几乎只受纯扭转载荷，从而提高了测试精 度及使用寿命。 1 一摆杆2 一涨紧套3 一轴套4 一轴承3 5 1 4 5 一轴承2 146 一主轴 图27 卸荷主轴结构 f ig 2 7s p i e d les t r u c t u r ef o r e n l o a d in gr a d i a lt h r us t 3 、改进主要轴承结构，提高支承的承载能力和寿命 耐久试验机运行时，从实际情况看，连杆两端的轴承和曲柄轴前轴承因承受的 冲击载荷很大，易造成疲劳破坏，是设备的薄弱环节，如原耐久试验机的上述轴承 约每半年更换一次。本设备采用以下措施，提高了轴承的承载能力和寿命。 ( 1 ) 连杆两端的轴承由原一般的深沟球轴承( 型号1 0 0 0 9 0 8 ) 改为双列球面滚 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及鲴成 孑轴承( 型号3 5 0 8 ) 。改进后，轴承除具有自动调心能力外，且额定动负荷可达原 来的2 4 倍，见下表。 表2 2 轴承额定动负荷比较 轴承型号轴承名称额定动负荷c ( n ) 3 5 0 8 ( m8 0 04 0 2 3 ) 双列球面滚子轴承 4 4 8 8 4 1 0 0 0 9 0 8 ( $ 6 2 m 4 0 1 2 )单列向心球轴承1 8 7 1 8 ( 用两个轴承时) 由轴承寿命l 计算公式l = k i 三l 知，额定动负荷c 提高2 4 倍，则轴承寿命 p 将延长至原来的1 3 8 倍，效果十分显著。 ( 2 ) 曲柄轴前端轴承由u c p 2 1 4 改为3 5 1 5 ，即轴承内径由中7 0 改为中7 5 ，由此 也可提高轴承寿命约3 0 。 4 、改进连杆和摆杆的结构，减小冲击载荷 耐久试验机的冲击振动主要来自曲柄摆杆机构，因此本文将对曲柄摆杆机构的 动态特性进行专门的分析研究，在此基础上，对连杆和摆杆的结构( 如材料、尺寸、 重心位置等) 作相应改进，以明显降低机构的冲击力。 2 4 耐久试验机的检测原理1 5 卜 耐久试验机主要的测量参数包括扭转次数、加载扭矩、从动盘总成正反向摆角 大小等。 l 、扭转次数的检测 扭转次数的检测通过对飞轮转 数的计数就可以方便的进行。飞轮 转过一圈，摆杆就对从动盘总成正 反向加载一次。对飞轮转数计数的 方法有多种，本系统采用的是非接 触式霍尔开关传感器。图2 8 是霍 尔开关集成传感器内部结构框图。 2 、摆角测量 输出 地 图2 8 霍尔开关集成传感器内部结构框图 f i g 2 8s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f i n t e g r a t e ds w i t c h s e l l s o t 摆角测量用于试件安装时调整 其正、反摆角大小。由于从动盘的扭转刚度较大，因此对摆角测量的糖度要求很高， 以保证加载扭矩的要求。为此，曾采用过图2 9 所示的光电编码器摆角测量装置， 图中编码器的测量分辨率为3 6 0 0 脉冲转( 即0 r 脉冲) 。但实际上，该测量装 置的测量精度仍不能满足加载扭矩的精度要求，如对于刚度为5 0 n m 度的试件，安 重庆大学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 装时，加载扭矩的测量分辨率仅为5 0 0 1 = 5n m 。而且编码器的抗干扰性也较差。 后经过分析，注意到从动盘总成的扭转特性，试件的扭矩和转角是有确定关系的， 一定的转角对应定的扭矩，如图2 1 0 所示。所以可以通过扭矩值的精确测量来得 到摆角大小。采用此方法，不仅扭矩的测量较为方便可靠，而且精度也较高。因此 本试验机最后采用了先用机械指针法对摆角进行粗测量，以指导试件的安装，然后 再通过对实测安装扭矩来判断摆角的大小是否合适，进而进行摆角精确调整的方 案。试验机上的扭矩手动调整功能就是专门为此设计的。 图2 9 光电编码器检测摆角示意图 f i g 2 9o p t o e l e c t r o n i cc o d e rf o r m e a s u r i n gs w i n g a n g l e j 睡d n 一 一 纩 d 知妇 图2 1 0 扭矩与摆角关系 f i g 2 1 0r e l a t i o no ft o r q u ea n d s w i n g a n g l e 这种以角度参数为粗调整，再以扭矩参数为精调整的方法，较好解决了摆角调 整精度的问题，也得到了厂方的肯定。 4 、扭矩测量 在从动盘总成扭转耐久试验过程中，试件所受扭矩是由主轴直接传递过来的， 如果忽略主轴的转动惯量，则试验过程中主轴所受扭矩应与试件加载扭矩相等。因 此，本试验机的扭矩传感器是设置在主轴上的，即将主轴作为扭转轴弹性元件与粘 贴在其表面的电阻应变片一起组成电阻应变式扭矩传感器，对试件所受扭矩进行测 量。测量原理简介如下。 电阻应变式扭矩传感器主要由扭转轴弹性元件、电阻应变片和测量电路等组成。 扭转轴弹性元件的作用是感受扭矩，并将扭矩的变化转换成应变的变化。电阻应变 片是传感器中的敏感元件，能将弹性元件的应变变化转换成电阻变化。由于电阻变化 不易直接测量，因此需要采用测量电路将应变片的电阻变化转换为电压或电流的变 化，常用的传感器测量电路是电桥电路。 ( 1 ) 扭转轴弹性元件 根据材料力学，在扭矩t 作用下，扭转轴表面产生的剪应力t 和单位长度扭转 角m 为： 1 2 重庆人学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 t ：罂( 2 2 一) t = 一 l z j i p m ：三( 2 3 ) g 。i p 式中：t 扭矩； r 扭转轴外圆半径； g 扭转轴材料的剪切模量； i ，横截面对圆心的极惯性矩( 对于实心轴：i 。= 兀d 4 3 2 ：对于空 心圆轴：i 。= 兀( d 4 一d 4 ) 3 2 ) ； 当扭转轴受纯扭转时，如图2 1 l 所示，由二 向应力状态分析可知，扭转轴表面上沿与轴线成 t 4 5 。及1 3 5 。倾角方向上产生主应力d 一和 o 。，在数值上与轴表面剪应力相等，即 t g m a x2 。 图2 1 l扭转轴表面应力示意图 a m i n = 一t f i g 2 1 1s t r e s so nt o r s i o n 按应力与应变的关系，在主应力方向上的应 s p i n d l es u r f a c e 变为： = 等一p 詈= 掣 钆，。三等一斗等= 一掣 式中：应变； h 材料的泊松系数； e 材料的弹性模量； 将式( 2 2 ) 代入上两式，可得应变与转矩的关系为： = 一s = ! ：垦 ( 2 4 ) 8 4 5 。8 1 3 5 。2 两 “刨 舯0 2 南 因为应变仪的最佳效果是轴受扭时微应变为4 0 0 8 0 0 ，以此为设计准则，由上 式按扭矩测量范围即可得到扭转轴的截面参数。 ( 2 ) 试验机主轴的应变验算及扭转剪切强度校核 1 ) 扭转剪切强度校核 图2 1 2 所示为主轴示意图，贴应变片处轴径最小，根据其横截面尺寸算得极陨 1 3 垩丛查鲨堂垡竺塞 ! 丛垫垄塑整匣叁蔓竺塑塑苎查堕墨墨塑堕 性矩为 i ，= 丌( d 4 一d 4 3 2 = 7 c ( 3 5 4 1 6 4 ) 3 2 = 1 4 0 8 8 9 5 3 m r n 4 根据试验要求，取t m a x = 8 0 0 n m ，代入式2 2 得 k ，t r a x - r 型型骘：9 9 4 m p a 一 i 1 4 0 8 8 9 5 3 1 0 1 2 “ 对所选钢种4 0 c r ，经调制处理后，a 。= 5 4 0 m p a ， 吼= 7 3 5 m p a ，而嘲= ，取h = o 5 o 】，由 t = m = 0 5 旦，得安全系数n 。为 i l s ：坚一0 5 x 5 4 0 27n27。= o = = 图2 1 2 主轴示意图 f i g 2 1 2d r a w i n go f t o r s l o ns 口1 n d le 因此满足要求。 2 ) 主轴传感器的微应变校核 对4 0 c r 钢，e = 1 9 6 2 0 6 g p a ，斗= o 2 4 0 2 8 ，取e = 2 0 0 g p a ，肛= o 2 6 ，则 ：型业型：意800 x175xlo-3x ( 1 + 0 2 6 ) ：6 2 6 0 2 “s e i p 2 0 0 x 1 0 x 1 4 0 8 8 9 5 3 x 1 0 1 。 因此满足要求。 ( 3 ) 电阻应变片及其测量电路 电阻应变片主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类，金属电阻应变片的 工作原理是电阻应变效应。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都要发生变化， 从而改变了金属丝的电阻值。因此，只要能测出电阻的变化，便可得知金属丝的应 交情况。这种转换关系为 a g n = k o 式中：a r 金属丝电阻变化量； k 。金属材料的应变灵敏 系数； 金属材料轴向应变值， 1 4 蔓鏖查堂堕主堂堡堡苎 ! 丛垫堡塑垫塑叁茎堕垫塾苎查堕堡墨塑堕 而电桥为等臂全桥接法，即采用四个工作应变片，其阻值均相等， r ，= r2 = r ，= r 。= r ，由于扭转轴受扭后其表面沿主应力方向上的主应变大小相 等，符号相反，因此可将四个工作应变片按扭转轴表面主应力方向贴片，两个受拉， 两个受压，变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内，因此 有z k r l = 一a r 2 = a r3 = 一a r 4 = a r ，则式( 2 5 ) 可简化为： u 。：等u ( 2 6 ) 引入应变片应变灵敏系数，则有 u 。i = k o u 代入扭转轴主应变公式，输出电压可表示为 u o m - k o - u 恭 ( 2 7 ) ( 4 ) 本系统主轴转动惯量对扭矩测量的影响及误差补偿 试验机主轴的旋转运动是由曲柄摆杆机构带动的，因此主轴的转动总是变速转 动。这样，贴应变片处除了受试件扭矩外还有惯性转矩，这会给扭矩测量带来误差， 需要进行补偿。若忽略数值较小的试件阻尼力矩，试件扭矩t s 就由弹簧受压产生， 设试件压缩角为m ，t s 可表达为 t = k ，m ( 2 8 ) 式中k 为试件扭转刚度，对于单段刚度试件， 压缩角分区间为不同的常数。 设测试主轴贴片处所受扭矩为t ，贴片处 至主轴前端以及试件转动部分转动惯量为j m ， 扭转轴与摆杆角加速度相等，设为西。当试件 压缩角m 增大至接近换向位置时，币与m 方向 是相反的，故有 t = l j 。母 ( 2 9 ) 由于在摆杆两个极限位置，压缩角m 分别 达到正反向最大值，这时，t s 也分别达到最大 k 为常数；对于多段刚度试件，k 以 t 图2 1 4 输出扭矩计算示意图 f i g 2 14o u t p u tt o r q u e 值和最小值( 双极性) 。而由式( 2 9 ) 知，受惯性力矩的影响使贴片处的输出扭矩 下降。 表2 3 给出在不同转速，不同总摆角时，正反摆角极值处惯性转矩的部分计算 值。其中主轴角加速度由机构运动分析得到，详见后面部分，j m 经计算为 0 0 0 3 5 k g 1 t 1 2 。由表可以看出，机构总摆角越大，转速越高，摆杆角加速度波动范 围越大，惯性转矩的影响就越大。 1 5 重庆大学硕士学位论文 2 从动盘扭转耐久试验机的基本原理及组成 表2 3 主轴惯性转矩( n m ) 盛摆角( 。) 转速( 汰 1 52 53 54 5 正向0 9 2 91 6 9 32 5 7 23 5 5 5 4 0 0 反向一0 6 8 8一1 0 31 3 0 21 5 4 4 正向 2 0 9 13 8 15 7 8 88 0 6 0 0 反向一1 5 4 72 3 1 72 9 2 93 4 7 5 正向 3 7 1 86 7 7 31 0 2 8 91 4 2 2 2 8 0 0 反向一2 7 5 14 1 25 2 0 76 1 7 8 需要指出，由于摆杆角加速度极值与摆角极值并不同步，因此惯性转矩的极值 与试件扭矩极值也不同步，故采用空转采集惯性转矩的方法对检测结果进行补偿不 可行。分析曲柄机构各种参数，在连杆、摆杆和机架杆长度一定情况下，机构极位 夹角和摆杆摆角都与曲柄长度一一对应，这样就有可能在测得极位夹角的条件下， 得到曲柄长度，从而可以计算在该摆角及转速时的惯性转矩，并对检测结果进行补 偿。以下是关于极位夹角的检测方法。 由于扭矩极值发生在摆角极值处，因此，在一个扭转周期中两个极值出现的时 间差t 。就是摆杆由一个极限位置转到另一个极限位置时曲柄转动的时间。由于曲柄 作匀速转动，由这个时间以及曲柄整转转动时间( 即扭转周期) t t 就可以计算得到 极