（车辆工程专业论文）汽车驱动桥总成齿轮疲劳测试系统的研发.pdf

摘要 本文所讨论的汽车驱动桥总成齿轮疲劳测试系统是采用直流母线和矢量变 频技术的电封闭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。 本文是依据由中华人民共和国机械工业部制定的汽车行业部标准： 0 c t 5 3 3 - 1 9 9 9 ( 汽车驱动桥台架试验方法) 、q c t 5 3 4 - 1 9 9 9 ( 汽车驱动桥台架试 验评价指标) ，对车辆驱动桥总成齿轮疲劳测试系统的模型设计、部件选型、驱 动桥润滑油油温控制以及计算机控制部分的软硬件设计进行了大量的研究工作 后撰写的。 在认真分析了产品检测国家标准、系统预期目标功能和国内外研究现状之 后，从总体方案的制定入手，通过设计、计算、定参、选型、装配、编程到最终 的调试和分析，研究开发了以积分分离式数字p i d 控制方式工作的，基于可视化 开发平台开发的驱动桥润滑油油温的计算机实时控制系统。 在测试过程中，通过计算机设定工况来改变主减速器输入扭矩及转速和目 标油温来模拟实车典型工作环境，同时通过对各种传感器信号的检测，由计算机 实时采集油液温度、管路压力、油液流量、台架转速和扭矩等信息来决定冷却水 阀的开关以及油液循环速度的增减，模拟实际工况来进行驱动桥总成齿轮的疲劳 寿命分析。系统测控软件开发了完全汉化的入机对话界面。软件功能主要包括； 建立数据文件及数据库、设置采样参数、设定运行工况、数据实时采集显示、传 感器标定、数据采集模块自测、通信接口设定、故障报警停机等，能够实时采集 各项试验数据并以曲线和数据形式输出以及对数据进行存档功能。 最后对一些试验结果进行了汇总，全面分析了驱动桥疲劳失效过程，对驱动 桥产品开发和检验及润滑油的选用提供了试验指导。 关键词：驱动桥；疲劳试验；电封闭；矢量变频；润滑油；计算机控制 a b s t r a c t t h et e x tt o l da b o u ta f a t i g u et e s t i n gs y s t a mo fg e a r si nd r i v e - a x l ea s s e m b l y o fa u t o m o b i l ew h i c hr e f e r r e dt ov e c t o rc o n t r o ia n dd c - b u s 。a n dw h i c hr e f e r r e d t ot h ed r i v e - a x l el u b r i c a t i n go i it e m p e r a t u r ec o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m t h i s f a t i g u et e s t i n gs y s t e r no fg e a r si nd r i v e - a x l eo fa u t o m o b i l e w h o s et o r s i o ni s i o a d e db ya cf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r o m o t o ra n dt h ep o w e rc i r c u l a t ei n t e s t i n gb e di sac o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi su s e dt oc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r eo fl u b r i c a t i n go i lr e a l - t i m e l yw i t hc o m p u t e ri no r d e rt os i m u l a t et h e t h el e a iv e h i c l ew o r k i n gs i t u a t i o na n de v a l u a t et h el i f e - s p a no ft h ed r i v e - a x l eo f h e a v y - d u t yt r u c k s e s p e c i a l l yt h ec o n i cg e a r si nt h em a i nr e d u c e ro ft h ev e h i c l e a n dt h eq u a l i t yo ft h el u b r i c a t i n go i ie x a c t l y t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do f t h r e ep a r t s ：t h et e s t - b e dw h o s et o r s i o nl o a d e di sc l o s e d ；t h es y s t a mo f i u b r i c a t i n go i lc i m u l a t e do u to ft h es h e l io ft h ed r i v e - a x l e ；t h ec o m p u t e rs y s t e m w h i c hi su s e dt od e r e c tt h eu s e f u ls i g n a ia n dc o n t r o it h eo i it e m p e r a t u r e t h et e x tb a s e do nt h eq c 1 5 3 3 - 19 9 9 ( t h er e c kt e s t i n gm e t h o d sa b o u tf a t i g u e t e s t i n go fg e a r si nd r i v e - a x l ea s s e m b l yo fa u t o m o b i l e ) a n dq c 广r 5 3 4 - 19 9 9 ( t h e e x p e r i m e n t a t i o n sa b o u tf a t i g u et a s t i n go fg e a r si nd r i v e a x l ea s s e m b l yo f a u t o m o b i l e ) i ti n c l u d a sc o n t r o l i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h el u b r i c a t i n go i lb y a p p l y i n gt h et h e o r yo fm o d e mc o n t r o l l i n gm e t h o dw i t hc o mp u t e ra n dt h e p i d ( p r o p o r t i o n 、i n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a l ) c o n t r o l l i n gs t r a t e g yw h i c ht h ei n t e g r a l p a r ti sa p a r tw h e nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n p u tv a l u ea n dt h ef e e d b a c k v a l u eg o e so v e rt h eb o u n d sw h i c hy o ug i v e d i no r d e rt os i m u l a t et h el e a l v e h i c l ew o r k i n gs i t u a t i o n t h e r e f o r e w ec a nt e s ta n de v a l u a t et h ei - s p a no f o u rt r i a l - p r o d u c e dp r o d u c t - - a u t o m o b i l ea n dt h eq u a l i t yo ft h el u b f i c a t i n go i i s y n t h e t i c a l l y , t h e nd i r e c tt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no ft h en e w p r o d u c te x p e r i m e n t a l l y b ya p p l y i n gt h ed a t as a v i n gf u n c t i o n 、c u r v ed r a w i n gf u n c t i o na n dd a t a a n a l y s i sf u n c t i o n w ea c c o m p l i s ht h et e s ta n de v a l u a t i o no nt h el 托- s p a no f a u t o m o b i l ed r i v e - a x l es u c c e s s f u l l y f u r t h e r m o r e ，t h e s er e s u l t so ft h et e s t t h e o r e t i c a l l yd i r e c tt h ed e s i g n 、i m p r o v e m e n t 、e v a l u a t i o nt a s ko nh o m e m a d e a u t o m o b i l ed r i v e - a x l ea n ds e l e c t i o n 、d e v e l o p m e n t 、i m p r o v e m e n tt a s ko nt h e g e a rl u b r i c a t i n go i l t h i st e s ts y s t e mm e e tt h ed e m a n do fd e s i g na n du s ee n t i r e l y , a c h i e v ew e l i e f f e c to ft e s t i n g ，a c q u i r eg o o dp r a i s e s ow ec a ns a y , t h ea c h i e v e m e n to f r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h i sp r o j e c t ，n o to n l ym e e t st h er e q u i r e m e n to f p r o d u c t i o ni np r a c t i c e 。b u ta l s oc o n t r i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n to fe x a m i n i n g t e c h n i q u e so fa u t o m o b i l ef o ro u rc o u n t r y k e yw o r d s ：d r i v e - a x l e ；f a t i g u et e s t i n g ；e l e c t r i c i t yc i r c u l a t i o n ；v e c t o rc o n t r o l ； u b r i c a t i n go i l ；c o m p u t e rc o n t r o l i n g 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 乏十乏 日期：炒7 年7 月j 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名；谚幸么 指导教师签名：叮，厶芗 日期：沙菇压7 月f 日 曰期： 凇押。 7 月厂日 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 课题研究的目的和意义 当今是汽车工业飞速发展的时代，汽车品种之多，汽车设计、生产技术之先 进已是人们有目共睹的事实，汽车工业已成为许多国家的支柱产业。我国随着国 民经济的快速发展，汽车工业在近五年内飞速发展，汽车的年产量和社会保有量 都在迅速增加，汽车质量的优劣，与人们的安全生产和幸福生活息息相关。因此 对汽车及其相关零部件的检验是相当重要的。为了确保整车的质量，做好零部件 的设计加f 以及整车的匹配是其关键之一。为此，对零部件和整车在新设计和重 大改进时的定型试验，以及出厂前的寿命和性能测试就成为确保质量的重要步 骤。 车辆传动系的性能是车辆保证动力性和行驶性以及燃油经济性的关键环节 之一。 j1 ：轴传动装置中驱动桥工作条件尤其恶劣，特别是其中的主减速器锥齿 轮。在完袭，专递动力、改变运动速度和方向的同时，在运转过程中两齿互相接触， 齿面承受r # 擦应力、接触应力等，特别是模数大、负荷重的重型汽车驱动桥双曲 线齿轮的f ：作负荷尤为突出，两齿轴线在空中交错，齿长方向且是弧形，齿面载 荷可高逆1 7 g p a ，冲击载荷可高达2 8 g p a ，滑动速度高，接触应力大，润滑条 件比较恶劣，强烈的磨擦使得齿面局部温度骤升，很容易出现烧结、熔焊( 胶合) 等磨损失设。所以探讨汽车驱动桥双曲线齿轮的疲劳失效及采取合理润滑防止齿 轮磨损具7 f 重要的实际意义。 计算机控制系统在汽车零部件检测技术中的应用具有传统检测技术无法比 拟的优势，它集计算机、传感器、仪表及驱动控制电路于一体，模拟实车典型运 行工况，实现信号采集、特征提取、状态识别及其台架控制的自动化：并能以显 示、打印、绘图等方式自动输出检测分析结果，使检测结果准确、可靠、高效和 人性化，也节省了时间和人力，具有广阔的推广价值和应用前景。计算机控制台 架模拟试验主要的优点是：加速试验很快做出评价，在条件稳定的情况下获取数 据，比道路试验经济。 此汽车驱动桥总成齿轮疲劳测试系统的研发的目的正是基于上述原因，结合 国家客车质量监督检验中心驱动桥试验台的建设和设计要求，应用现代计算机控 制原理和积分分离式数字p i d 控制策略，控制润滑油油温来模拟实车的典型运 行工况，对研发试制产品车辆驱动桥寿命以及相应润滑油的品质进行测试和 综合评价，从而对新产品的开发和应用起到重要的指导作用。 第一章绪论 2 1 2 汽车驱动桥检测系统的国内外研究状况 1 2 1 汽车驱动桥检测技术的发展与现状 国外如美国b u r k e 公司、英国的r o m a x 公司和s m t 制造技术有限公司、 德国r e n k 公司和s c 腿n c k 公司、奥地利的a v l 公司在汽车检测方面都具有 相当的实力和市场。随着传感器技术、电子技术和计算机技术的不断发展，在国 外汽车零部件检测技术近年来得到了迅速的发展。国外汽车驱动桥生产厂家除在 产品开发、产品设计、效果验证阶段使用试验设备以外，在生产制造环节中，即 生产线上、装配线上、无入车间内，也大量使用性能先进的在线检测设备。检测 装备、检测仪器遍及零部件加工整个过程，零部件的加工基本上是自动制造、自 动检测、自动判断，以实现全过程质量控制。这样不仅能准确地判断产品是否合 格，更重要的是可以通过检测数据的分析处理，正确判断质量失控的状态及产生 的原因，产品质量能够得到有效控制。因此，装配、调整差异小。由于该试验要 求能够尽可能的模拟真车实际情况，且测量的参数和要求的功能较多，故必须搭 建专用的试验台架进行性能和寿命测试试验。以下是国外汽车零部件试验台架检 测技术的发展特点： ( 1 ) 向标准化方向发展； ( 2 ) 大量采用高新技术； ( 3 ) 检测方法由传统方法转向仪表化、微机化； ( 4 ) 检测诊断设备具有快速、准确、方便的特点； ( 5 ) 开发具有功能齐全、检测范围广的设备。 我国汽车检测技术起步较晚，目前国内只有少数几家研究所拥有先进的驱动 桥性能和寿命测试设备，而在国内汽车驱动桥生产厂家中，只有少部分能够进行 驱动桥的性能和寿命测试，且具有测试结构简单，自动化程度低、测试手段落后、 测试项目单一等缺点，有些企业甚至还是停留在人们常讲的“望”( 眼看) 、“闻” ( 耳听) 、“切”( 手摸) 的传统方式来判断质量是否合格。与发达国家相比我国 的汽车检测技术还存在着许多急需解决的问题，主要表现为： ( 1 ) 产品可靠性低； ( 2 ) 自动化程度低、性能落后； ( 3 ) 品种不全，更新慢； ( 4 ) 技术含量低； ( 5 ) 检测设备的加工能力有待提高。 但是，随着我国汽车工业的发展，零部件制造业也会得到迅速的发展，同样 第一章绪论 3 汽车车辆部件检测技术也会有较大提高，各种检测设备也会遍布设计生产制造的 各个环节，来保证产品出厂的质量要求，真正和国外的汽车制造商们进行竞争。 可喜的是，国家级的汽车质量监督检测中心和一些国有大型汽车制造企业的研发 单位这些年在汽车检测行业都做了大量的工作，取得了显著的成绩。 1 2 2 国内外汽车驱动桥总成齿轮检测试验台架概述 车辆驱动桥性能和寿命试验是车辆传动系台架试验的重要项目，其中驱动桥 总成齿轮疲劳试验是汽车驱动桥台架试验方法( q c t 5 3 3 - 1 9 9 9 ) 规定的驱动桥型 式试验必须进行的一项试验项目，是汽车底盘试验除发动机、变速器之外的 要 试验设备之一，在汽车的试验设备中具有重要的地位。正因为以上所述车辆驱动 桥总成齿轮疲劳测试系统的研发有着重要的研究价值和实用意义。 驱动桥总成齿轮疲劳试验台一般分为闭式和开式两种。所谓开式和闭式是指 功率流而言。功率流封闭的试验台简称为闭式试验台，功率流不封闭的试验卉简 称为开式试验台。开式试验台便于实现自动控制，测试范围也较宽，一般多厅于 做性能试验，如美国格里森公司n q s l 0 型驱动桥试验台。另外有不少开式：r 、验 台，为了节约能源，可进行部分能源回收，在欧美和日本使用的情况较多。m 式 试验台以节约能源为其显著特点，用于做试验周期较长的疲劳试验。常见的i j j 式 试验台有：机械加载式闭式驱动桥总成齿轮疲劳试验台、电能封闭式驱动桥，0 成 齿轮疲劳试验台。下面简述一下开式和闭式试验系统的特点： ( 1 ) 开放式试验台系统结构简单、工作可靠、载荷稳定、技术含量低，：二二价 也低，原动机可以是电动机或是发动机，由动力装嚣通过升速机构来驱动试件。 而耗能装置有多种多样，目前大部分使用的是测功机。但系统输入的试验功耳没 有再回馈使用，几乎全部被加载装置消耗，耗能大，不宜进行大功率加载和疲劳 耐久性试验。 ( 2 ) 机械封闭功率流方案在整个试验过程当中，扭矩被封闭在由两个传动装 置、两个扭矩转速测量装置、一个扭矩加载装置、被试试件和陪试试件所组成的 封闭机械系统当中，它不再对转速提供装置( 电机) 产生影响，在试验过程中电 机所提供的动力，只是用于平衡系统运动过程中产生的摩擦损失及机械效率损 失，从而降低了电机的功率消耗。与开式试验台相比，机械封闭式试验台最显著 的优点在于节能，可以降低运行成本。但机械封闭式试验台由于增加了传动装置 和伺服加载装置，组成相对较复杂，其价格比开式试验台要贵得多。与电能回送 方案比较，机械封闭功率流式试验台加工量大，机械结构非常复杂，需陪试桥， 而且机械传动效率低，能量损耗大，在运转中改变载荷不易实现，力矩不易控制， 试验性能不够稳定，通用性较差。 第一章绪论 ( 3 ) 电能回送方案在原有开式试验台的基础上加一套动力回收置，将系统消 耗的能量通过电网加以加回收，由于驱动桥、电机以及电控系统的效率都很高， 不但节能，而且减少了试验过程中的发热，使试验台更加紧凑，可靠性和寿命大 大提高。在试验过程中一些电机处于电动状态，而另外一些电机处于发电状态， 而且这种功能还可以互换，即可以模拟车辆正常行驶时发动机驱动车轮的模式， 也可以模拟车辆下坡或减速时车轮带着发动机转的模式( 反拖模式) ，电机的转 速和扭转也可以通过电控系统很方便地进行调节。 驱动桥总成齿轮疲劳试验检测台主要用于新产品开发、试验研究及产品定型 检验，一般采用的测试仪器有转矩转速传感器。此外，近年来试验中普遍配套使 用的二次仪表有转矩转速仪、功率仪和效率仪等，给台架试验提供了方便条件， 便于实现操作、测量的自动化。 1 3 汽车驱动桥相关参数调查和计算 以下是在国家客车质量监督检测中心调研所得的检测车型龙动机的最大扭 矩、后桥载荷、变速器1 档速比和驱动桥速比等与汽车驱动桥孝h ，参数以及确定 驱动桥总成齿轮疲劳试验的试验计算扭矩； 1 、最大扭矩：即发动机的最大扭矩肘。一 ( 1 ) 货车 a 小型货车5 7 n m ( 3 0 0 0 3 5 0 0 r m i n ) 一2 0 6 n m ( 2 0 0 0 r m p ) b 轻型货车2 0 6 n m ( 2 8 0 0 r m i n ) 一一2 8 0 n m ( 1 7 0 0 r m i n ) c 中型货车4 0 5 n r e ( 1 6 0 0 r m i n ) 一8 2 5 n m ( 1 4 8 0 r m i n ) d 重型货车8 8 1 n m ( 1 5 0 0 r m i n ) 一1 3 0 0 n m ( 1 3 0 0 1 6 0 0 r u d n ) ( 2 ) 客车 a 微型客车8 4 mm ( 3 5 0 0 4 5 0 0 r m i n ) b 其他2 0 5 n m ( 2 4 0 0 r m i n ) 一一1 8 5 0 n m ( 9 0 0 1 3 0 0 r m i n ) 2 、后桥载荷p ： ( 1 ) 货车 8 5 0 k g 1 8 0 0 0 k g ( 2 ) 客车 8 0 5 k g 1 1 4 0 0 k g 3 、变速器l 档速比。 ( 1 ) 货车 第一章绪论5 3 4 2 8 ( 5 7 n m ) 1 2 1 l ( 1 3 0 0 n m ) ( 2 ) 客车 3 6 5 2 ( 8 4 n m ) 7 7 2 ( 1 8 5 0 n m ) 4 、轮胎滚动半径，| ( 1 ) 货车 0 2 5 3 ( 8 5 0 k g ) 0 5 1 7 ( 1 8 0 0 0 k g ) ( 2 ) 客车 0 2 7 7 ( 8 0 5 k g ) o 5 2 3 ( 11 4 0 0 k g ) 5 、驱动桥速比乇 ( 1 ) 货车 5 1 4 2 ( 8 5 0 k g ) 5 7 3 0 ( 1 8 0 0 0 k g ) 2 ) 客车 5 1 2 5 ( 8 0 5 k g ) 3 3 6 4 ( i1 4 0 0 k g ) 由以上的调研数据，根据q c t 5 3 3 - 1 9 9 9 汽车骀。侨台架试验方法( 适用于 载货量8 t 以下的载货汽车及其相应的越野车和，、客车的驱动桥) 和q c t 5 3 4 1 9 9 9 汽车驱动桥台架试验评价指标计算出驱动 总成齿轮疲劳试验的试验 计算扭矩如下： 按发动机最大扭矩计算的试验计算扭矩 f f = 肠。i 。- i p i i n l 、货车 f f m = 5 7 x 3 4 2 8 = 1 9 5 3 9 6 n m 膨f 。= 1 3 0 0 x 1 2 1 l = 1 5 7 4 3 n m 2 、客车 j i f f m = 8 4 x 3 6 5 2 = 3 0 6 7 6 8 n m f f 一= 1 8 5 0 x 7 7 2 = 1 4 2 8 2 n i n 按最大附着力计算的试验计算扭矩膨，= p 妒，f o 1 、货车 m p p m = 8 5 0 x 9 8 0 2 5 3 x o 8 5 1 4 2 = 3 2 7 8 8 n m m ，一= 1 8 0 0 0 x 9 8 x o 5 1 7 x 0 8 5 7 3 0 = 1 2 7 3 2 8 2 n m 第一章绪论 6 2 、客车 m ，帕= 8 0 5 x 9 8 x o 2 7 7 x o 8 5 1 2 5 = 3 4 1 1 i n m m ，一= 1 1 4 0 0 x 9 8 x o 5 2 3 x 0 8 1 3 3 6 4 = 1 3 8 9 5 2 6 n m m 。按发动机最大扭矩计算的试验计算扭矩； f 。分动器低档速比； 万使用分动器高档时当量驱动桥数； m ，按最大附着力算至减速器主动齿轮的试验计算扭矩； 妒附着系数，取0 8 ： 驱动桥总成齿轮疲劳试验的试验计算把矩取m ，和m ，中较小的一个，故货 车驱动桥总成齿轮疲劳试验的试验计算扭z i1 9 5 3 9 6 n m 1 2 7 3 2 8 2 n m ，客车驱 动桥总成齿轮疲劳试验的试验计算扭矩3 0 ：7 6 8 n m 1 3 8 9 5 2 6 n m 。 1 4 试验台的主要指标及功能 此课题来源于国家客车质量监督检验心驱动桥检测试验台的实际项目，是 传动系检测试验项目建设的重要一部分。谚题具有理论研究实际意义和实际应用 研究价值。 1 4 1 系统指标及精度要求 要满足驱动桥检测试验的要求，必须综合考虑各试验项目的工况及相应参 数。具体技术指标如下所示： ( 1 ) 电源：a c 3 8 0 v 4 - 5 ；2 2 0 v + 5 5 0 h z 。 ( 2 ) 温度范围： 5 4 0 。 ( 3 ) 相对湿度：2 0 8 0 r i i 。 ( 4 ) 接地线：3 0 。 ( 5 ) 冷却水源：1 0 3 0 。 ( 6 ) 驱动与加载模式：交流变频( 共直流母线交流变频电回馈) 。 ( 7 ) 最大驱动功率：足够完成3 0 0 k w 汽车发动机所匹配的驱动桥的前端驱动。 ( 8 ) 最大加载功率：足够完成3 0 0 k w 汽车发动机所匹配的驱动桥的后端加载 ( a f e 形式的交流四象限传动系统，加载角无限) 。 ( 9 ) 疲劳试验时驱动转速( 车桥输入端) ：3 0 3 0 0 0 r p m ；转速控制精度3 。 第一章绪论 7 ( 1 0 ) 驱动扭矩( 车桥输入端) ：0 1 6 0 0 0 n m 。 ( 1 1 ) 加载转速( 车桥输出端) ：1 5 3 0 0 r m i n 。 ( 1 2 ) 加载扭矩( 驱动桥单侧输出扭矩) ：4 0 0 4 6 0 0 0 n m 。 ( 1 3 ) 输入扭矩：转矩量程o 2 0 0 0 0 n m ；测量精度：i - o 0 5 ；控制精度：1 5 。 ( 1 4 ) 输入、输出转速( 转角) ：测量精度；o 5 4 ；控制精度：5 r p m 。 ( 1 5 ) 试件润滑油温度：测量范围：5 2 0 0 ；测量精度+ 3 ；控制范围： 5 0 1 5 0 ；温度控制精度：5 。 ( 1 6 ) 润滑油循环压力测量范围：0 0 2 m p a ，精度：5 ；润滑油循环流量测 量范围：0 2 5 l m i n ，精度：5 。 ( 1 7 ) 冷却方式：试件淋水冷却，减、升速箱强制循环冷却。 ( 1 8 ) 升速箱：能够满足第1 ：条中加载转速覆盖范围和第1 3 条中加载扭矩覆 盖范围的要求，若采用可更换式，应保证更换调整方便。 ( 1 9 ) 减速箱：能够满足第】0 条中驱动转速覆盖范围和第1 1 条中驱动扭矩覆 盖范围的要求，若采用可更换奠，应保证更换调整方便。 ( 2 0 ) 连续运转能力：3 6 0 ，j 讨，且精度应能控制在要求范围之内。 ( 2 1 ) 试件安装高度：试验r i 脚踏操作平面到试件中心的高度6 5 0 m m 。 ( 2 2 ) 试件安装宽度：可完，t 。轮距1 i m p 2 i m 的试件试验，安装支座可调。 ( 2 3 ) 试验工装、夹具：简一，易制。 1 4 2 系统的功能和技术：二艺要求 该系统应能够进行驱动桥j 成在三维空间内不同安装位置( 仿实车不同路 况) 、不同温度、不同转速、币r 寸扭矩下，对驱动桥总成( 包括齿轮、轴承、密 封件等) 回转疲劳试验；满负t i 差速器性能和疲劳试验。 ( 1 ) 自动启停变频器和电机，同时提供手动启停功能； ( 2 ) 载荷谱的级数可设定，载荷谱编辑生成功能； ( 3 ) 正反转试验功能和转速的无级变速功能； ( 4 ) 具有数据的自动存储、实时绘制和调档查询功能。输入输出转矩大小、 转速、温度、运转时间、作用循环次数的计算机采集、存储与显示( 数据、曲线) ， 同时提供面板手动控制功能： ( 5 ) 在稳态工况下，样品运转时应能实现油温、转速的实时控制，循环次数 完毕自动停机； ( 6 ) 设置安全开关，保护装置。其应该安全可靠、易安装、易拆卸、易调整； ( 7 ) 自诊断及报警，程序自身能进行自检，扭矩上下限报警，转速上下限报 警，断齿报警，温度报警，电压波动报警，报警有屏幕闪烁提示和蜂鸣报警两种 第一章绪论 8 方式。产生以上故障时应自动停机并持续报警，同时生成故障报告，及时记录下 停机时问及异常数据； ( 8 ) 在被试件疲劳损坏、设备异常或其它影响人员安全的现象发生时可以报 警停机； ( 9 ) 停电、过载对的设备自动保护，如出现超速、超扭、过电压、过电流、 欠电压、断向和电机过热等均可报警并迅速自动停机； ( 1 0 ) 当出现故障诊断完毕后，应可以选择试验的继续进行还是开始新的试 验，从而决定数据是否连续保存； ( 1 1 ) 试验结果评价功能和检测结果显示及报告打印等。 1 4 3 系统软件功能及要求 1 、参数设置： ( 1 ) 试验扭矩、试验转速设定； ( 2 ) 循环次数设定； ( 3 ) 连续扭矩波动( 一般是由断齿引起) 次数设定；以进行故障监测； ( 4 ) 定时打印的循环次数设定；如每1 万次试验打印一次试验数据与曲线； ( 5 ) 报警上下限值设定； ( 6 ) 驱动桥参数设置，如试件型号，出厂编号等信息； ( 7 ) 试验项目丰! i 天参数设置，如试验人员等信息； ( 8 ) 载荷谱编辑试验当中可动态改变扭矩、转速； 2 、功能 ( 1 ) 具有软件的分级操作管理功能。一般操作人员只能按照设定的参数进行 性操作；具有管理员权限( 密码认定) 的操作人员则可对设备进行各种灵活的高 级操作活动。 ( 2 ) 各项标定与试验参数、质量合格性标准可设定、记录、调用。可由具有 管理员权限( 密码认定) 的操作人员通过软件界面进行。 ( 3 ) 各项运行参数可以在工控机上设定及显示。可由具有管理员权限( 密码 认定) 的操作人员通过软件界面进行。 ( 4 ) 运行工作状况可在计算机c r t 上显示，以导引的形式指示当前和下步操 作步骤。 ( 5 ) 全部控制操作均可通过2 套方式进行，一套是安装在控制柜操作面板上 的工业按钮，另一套是由计算机键盘或鼠标控制的屏幕软件按钮。系统中同时通 过安装在控制柜操作面板上的急停键和软件按钮提供紧急停止功能。 ( 6 ) 在程控模式( 主要用于正常检测、试验等) 下，整个测试过程可在计算 第一章绪论 9 机及软件的控制下全自动完成；也可通过执行一个子功能菜单完成某一项目试验 的全过程。 ( 7 ) 各种检测数据均采集到计算机进行自动分析与处理，相关检测数据及分 析结果可在计算机屏幕上以文字、表格、曲线的形式显示。 ( 8 ) 可按品种类型、流水号、年月进行实验结果的检索、统计、分析和试验 曲线的调用，并可生成统计报告，可按照0 c t 5 3 4 1 9 9 9 的要求进行试验结果计 算评价。 ( 9 ) 各种标定与设定参数、试验数据、试验结果可自动存盘。 ( i o ) 试验结束后，自动生成试验报告，试验报告内容可包括实验标题、实验 内容、试验设备、试样尺寸参数试验人员、复核人员的签名位置及被测样品的型 号、规格、测试时间、环境数据、检测计算结果及试验曲线、技术要求和判断结 果；并有打印界面；具体报告内容、格式可编辑、修改。 ( 1 1 j 软件提供设备诊断、调试、维护“软工具箱”。 ( 1 2 ) 软件具有h e l p 求助功能。 1 5 本论文的主要研究内容 本x ：丹究的主要内容是： ( 1 ) 系统的总体结构以及总体方案中齿轮润滑油温度控制系统设计。 试验台系统的总体结构，液压循环控制系统设计及油温积分分离式数字p i d 控制方驰：在本系统中的应用。 ( 2 ) 试验台架部件的设计和选用。 试黔台架主要部件的设计和选用：如变频电机、变频器等。 ( 3 ) 控制系统软件的总体设计。 试验系统的自动化控制，数据的记录与处理，辅助管理功能，良好的人机交 互环境，尤其是数据的采集与结果分析，采集润滑油温度、流量、管路压力和试 验台架扭矩、转速并对试验数据进行分析处理、绘图和保存。 通过以上工作的完成，对汽车驱动桥设计阶段和试制阶段的产品分析、改进 以及车辆齿轮润滑油的选用提供试验指导，并为国家客车质量监督检测中心对各 企业生产产品的评价提供依据。 第二章测试系统总体方案及模型的建立 1 0 第二章测试系统总体方案及模型的建立 根据课题研究的目的及技术要求，综合比较国内外相关试验台架设计方案， 依据中华人民共和国汽车行业标准一一汽车驱动桥台架试验方法( q c t 5 3 3 1 9 9 9 ) 及汽车驱动桥台架试验评价指标( q c t5 3 4 一1 9 9 9 ) ，确定了测试系 统总体方案。系统总体方案主要包括机械台架测试总体方案、驱动桥润滑油油温 控制部分方案及计算机控制部分控制策略及软件流程。 2 1 试验台架总体方案的确立 2 1 1 常见试验台结构及特点分析 驱动桥总成齿轮疲劳试验的目的是检验驱动桥总成齿轮的疲劳寿命，目前的 汽车驱动桥试验台主要分为开式试验台和封闭式试验台两种，闭式试验台根据其 能量封闭方式又可分为机械封闭式和电封闭式两种。 i 、开式试验台 开式试验台的工作原理及工作过程相对简单( 如图2 一l 所示) ，所谓的开式是 指由原动机发出的功率流经被试驱动桥后直接被耗能装置以热能的形式消耗掉， 功率的流动方向不是一个封闭回路，而是开放的。动力装置通过升速机构来驱动 试件，而耗能装置有多种多样，但目前大部分使用的是测功机。试验装置的优点 是简单易行，箍套设备的技术含量低，制造成本相对来说比较低，被试件的安装 亦容易。由于以耗能装置加载，且全部损耗也均由耗能装置承担，因此动力消耗 巨大，所以此类试验台一般多用于做性能试验，少用于做长期、连续的疲劳试验。 图2 - i 开式试验台 第二章测试系统总体方案及模型的建立1 1 2 、闭式试验台 所谓闭式试验台是相对上面的开式试验台而言的，在闭式试验台中能量是可 以加以回馈利用的。 ( 1 ) 机械封闭式试验台 机械封闭式试验台如图2 - 2 所示。机械封闭式试验台采用的思路是：组成功 率的“扭矩”和“转速”由两套不同的设备来提供，“转速”由电机来提供，“扭 矩”由液压伺服加载器或电动同步加载器来提供，整个试验过程当中，扭矩被封 闭在由两个传动装置、两个扭矩转速测量装置、一个扭矩加载装置、被试试件和 陪试试件所组成的封闭机械系统当中，它不再对转速提供装置( 电机) 产生影响， 在疲劳试验过程中电机所提供的动力，只是用于平衡系统运动过程中产生的摩擦 损失及机械效率损失，从而降低了电机的功率消耗。 与开式试验台相比，机械封闭式试验台最显著的优点在于节能，可以降低运 行成本。但机械封闭式试验台由于增加了传动装置和伺服加载装置，组成相对较 复杂。 图2 - 2 机械封闭式试验台 ( 2 ) 电封闭试验台 电封闭试验台如图2 3 所示，它是在相应的开式试验台的基础上发展起来的。 其基本设计思想就是在原有开式试验台的基础上加一套动力回收装置，将系统消 耗的能量通过电网加以回收。由于驱动桥、电机以及电控系统的效率都很高，因 此在疲劳试验过程中可以用很小的试验功率完成大功率的驱动桥疲劳试验，不但 节能，而且减少了试验过程中的发热，使试验台更加紧凑，可靠性和寿命大大提 高。在试验过程中一些电机处于电动状态，而另外一些电机处于发电状态，而且 这种功能还可以互换，即可以模拟车辆正常行驶时发动机驱动车轮的模式，也可 以模拟车辆下坡或减速时车轮带着发动机转的模式( 反拖模式) ，电机的转速和 第二章测试系统总体方案及模型的建立 1 2 扭转也可以通过电控系统，很方便地进行调节。 图2 - 3 电封闭试验台 电能回送方案通常有交流电能反馈方案与直流电能反馈方案两种，早期的电 封闭试验台都是采用直流电机、控制器输入与加载采用彼此独立的模块化设计的 直流能量回送方案，直流能量回送方案是由直流电动机拖动传动装骨带动发电机 发电，发出的电回送到作为驱动源的直流电动机，完成能量封闭。皿然直流电机 具有优越的调速性能，转速容易控制和调节，但由于直流电动机本身结构上存在 机械式换向器和电刷这一致命的缺点，特别是2 0 世纪6 0 7 0 年代电子电力技术 的发展，以及大规模集成电路和计算机控制的出现，使得高性能变：调速系统诞 生并开始逐渐取代直流调速系统。交流电能回送方案有两种，一种是山电动机拖 动传动装置带动发电机发电，发出的电能回输电网，完成能量封闭，此方案对电 气设备运行的同步、同相的要求较高，导致电气设备复杂，工作可靠性差，目前 逐渐被另一种更先进的采用交流变频器电封闭方案所取代。交流电能反馈方案采 用交流电机无级调速实现驱动和加载，回馈的能量不送入电网，而是通过变频器 的公共直流母线传到驱动端驱动电机，不够的能量通过外线3 8 0 v 的交流电网由 整流单元补充，电网到直流母线间的能量只是单向传输( 见示意图2 4 ) 。由于电 能不返回电网，所以不存在对电网的污染。 第二章测试系统总体方案及模型的建立1 3 匣2 - 4 直流母线方案示意图 综合以上考虑后，我们拟定以共直流母线交流电力f l 载闭式功率流驱动桥总成 齿轮疲劳试验台作为此课题的台架总体方案，其结构简图如图2 5 所示。 图2 5 试验台系统结构简图 2 1 2 台架动力、负载加载过程 如图2 5 所示，用交流变频电动机作为原动力，动力经多档减速箱减速升扭 后经过转矩转速传感器传递到被试驱动桥总成样品。然后，动力经过两侧的半轴 第二章测试系统总体方案及模型的建立 1 4 输出到两侧的升速齿轮箱，升速齿轮箱输出轴与交流加载变频电动机相连，动力 在这里重新转化为电能，然后经过整流器整流后经直流母线输入试验台系统的驱 动端的逆变器，在这里由变频电机回收的电能经逆变器逆变后重新输入到驱动电 机从而构成一个能量的封闭循环结构。功率流流向如上图2 5 所示。 2 1 3 试验台架模型的建立 试验台架模型如图2 - 6 ，模型是由交流驱动电机模型开始，电机将产生的扭 矩通过多档减速箱模型传递给主减速器模型，主减速器模型由差速器模型提供转 动角加速度，再输出驱动扭矩给差速器模型。差速器模型的另外两个输入为由半 轴模型提供的两半轴角加速度，输出左右半轴的驱动力矩给半轴模型，半轴模型 的另外两个输入为由经两边的齿轮箱传递的来自两边加载电机模型提供的角加 速度1 1 6 】。模型由1 台变频电机驱动，2 台变频电机作为负载，各部件组成见示意 图2 - 7 。在试验过程中驱动电机处于电动状态，而另外两台加负载电机处于发电 状态。 图2 - 6 试验台模型图 第二章测试系统总体方案及模型的建立 1 5 广l i 扭矩传感器l i - - - - - - - - - - - - - - - 一j ，j l l 多档减速箱l i _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 广上 l 驱动电机l i _ j 图2 7 试验台窨b 件组成示意图 l 、三相交流变频电机 在疲劳试验过程中，台架电机只是将试验的转速加载到系统中并克服系统的 传动摩擦力所消耗的能量。根据牛顿三定律，可列出电机电磁转矩和负载扭矩的 平衡关系如下： t h t n = j 西 其中： 巧负载扭矩； ，负载( 拖动系统) 的转动惯量 珊试验台旋转角加速度； 兀转子扭矩：l = l e t 叫2c o s p 2 式中：墨仅与电动机结构有关的常数； 中旋转磁场每极磁通； ，2 转子电流； c o s 仍转子电路的功率因数。 交流变频电机在变频调速工作时为恒扭矩工作方式，故f 。一在本测试系统 中为恒值。 2 、多档减速箱 交流电机的扭矩传递给多档减速箱，同时多档减速箱还要受主减速器传来的 反作用扭矩，同样可以列出经多档减速箱减速增扭后的扭矩瓦和多档减速箱输出 第二章测试系统总体方案及模型的建立 1 6 的用于驱动试验台的扭矩t 0 ，多档减速箱模型如下： 瓦= 巧k 乙= 瓦一，i 式中：瓦经过多档减速箱增扭后的扭矩； 巧由电机输出扭矩； 多档减速箱传动比； z 多档减速箱输出的用来驱动台架的扭矩； ，。多档减速箱的转动惯量； 多档减速箱转动部件角加速度。 3 、主减速器 由于主减速