汽車變速器試驗臺加載技術的研究

1、汽車變速器試驗臺加載技術的研究 *谷 曼(合肥學院 機械工程系 , 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械式變速器進行綜合性能試驗, 準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進行了分析研究 。 實現(xiàn)了被試件工況的可靠模 擬 。 為變速器質量的檢測提供更加科學準確的試驗數(shù)據 。關鍵詞: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文獻標識碼:A*來稿日期:2009-01-22*基金項目:安徽省教育廳自然科學

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 、 經濟性和操縱性能 。 國家有關標準規(guī)定了機械式變速 器的總成技術條件和要求 。為了考核變速器的性能指標, 進行臺架試驗是一個重要而且 經濟的手段, 這樣不僅可以在較短時間內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行道路試驗所帶來 的時間和經費方面的投入 。 因此, 進行變速器臺架試驗對提高汽 車的質量和縮短產品開發(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, 使試驗結果更加真實 、 可靠 。 為了有效檢測變速器質量, 研究變速器加

5、載技術就非常有 必要 。2變速器試驗臺結構原理根據被試件的相關信息, 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回饋兩種形式 。 母線回饋是將 加載電機發(fā)出的電能通過直流母線回饋到驅動電機輸入端, 而不 回饋回電網, 不但節(jié)能效果好, 而且對電網無影響, 這種母線回饋 式變頻回饋特別適合齒輪箱 、 變頻電機等需要變頻電機驅動的試 驗臺; 電網回饋是直接將加載能量回饋到電網, 它適合于類似發(fā) 動機試驗臺那樣的非電機驅動的應用場合, 由于它采取了許多改 善回饋質量的措施, 所以對電網的影響是很少的 。 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構 還可以對掛檔力和位移進行測量分析; 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變速器試驗臺結構原理圖1. 驅動電機 2-1.2-2.2-3. 加載電機 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. 輸出轉矩轉速傳感器 6. 被試變速器 7. 潤滑油溫測量及控制裝置 8. 選 /換檔執(zhí)行機構及參數(shù)測量裝置9. 離合器 10. 輸入轉矩轉速傳感器 11. 驅動加載單元12. 計算機測試控制系統(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載設備應當滿足試驗時所需的加載和轉速范圍, 并能平穩(wěn)地 、 精細地調節(jié)負荷, 模擬汽車的行駛阻力 。 通常, 動力 傳動設備試驗采用水力測功機 、 電渦流測功機 、 磁粉制動器 、 液壓 加載器 、 機械加載器 、 直流電機或交流電機作為吸功裝置, 也就是 人們通常所說的負載 1。 現(xiàn)將這幾種常用的負載進行分析比較以 確定該變速器試驗臺的負載 。水力測功機的工作原理是用水作為制動介質, 將原動機輸出 的機械能轉換為熱能, 通過水冷卻后帶走熱量 。 是傳統(tǒng)成熟的技 術, 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, 動力機械輸出的功率不能回收, 且需要龐大 的水循環(huán)設施; 反應速度慢, 不利于扭矩瞬態(tài)控制; 低速小扭矩,13內部 DC 回饋母線11M 11096875-14-15-34-32-13-12-33-23-3M M Machinery Design &Manufacture機械設計與制造第 11期 2009年 11月162只能制動, 不能倒拖; 電渦流測功機是機電一體化產品, 通過磁場 進行制動 。 制動器調節(jié)原動機的載荷, 并同時把所吸收的原動機 功率轉換為熱能, 經水冷卻后帶走熱量, 所以電渦流測功機也需 要冷卻水循環(huán)系統(tǒng); 磁粉制動器以磁粉為工作介質, 以激磁

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

10、些負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 。 雖然直流測功電機調速性能好, 控制簡 單, 但直流電機由于換向器的影響, 不能適用于高速運行, 因此在 轉速很高的情況下, 往往采用機械減速裝置, 因此占地面積大, 系 統(tǒng)復雜且維修費用高 。 交流電力測功機不僅具有直流電力測功機 的所有優(yōu)點, 而且由于不存在換向器問題, 因而結構簡單, 可靠性 高, 無需經常保養(yǎng), 成本降低且測量精度高 。 隨著對動力裝置 (例 如內燃機 、 變速器等 性能要求的提高, 對測功機性能的要求也在 逐漸提高, 水力測功機和電渦流測功機已很難滿足開發(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 。 經等效轉換后, 則可得到作用 在變速器輸出軸上的負載力矩 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 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 。 汽車的驅動力越大, 加速性能就越好, 爬坡能力也越 強 5。汽車加速行駛時,需要克服其質量加速運動時的慣性力, 就 是加速阻力 。 汽車的質量分為平移質量和旋轉質量兩部分 。 加速 時, 不僅平移質量產生慣性力, 旋轉質量也要產生慣性力偶矩 。 為 了便于計算, 一般把旋轉質量的慣性力偶矩轉化為平移質量的慣 性力, 以系數(shù) 作為計入旋轉質量慣性力偶矩后的汽車旋轉質量 換算系數(shù), 則汽車加速時的阻力為 6:F j =G du (3式中:

13、 汽車旋轉質量換算系數(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)在試驗臺進行正向轉矩加載試驗過程中, 驅動側電機處于電 動機狀態(tài), 其供電裝置工作在整流狀態(tài), 將電網電能轉化為機械 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) 。4.2.1正拖正拖傳動路徑,

14、 如圖 2所示 。圖 2正拖路徑圖驅動端電機相當于行駛中的汽車發(fā)動機, 而加載電機是變速 器所受的負載, 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 。 當離合器脫開時, 加載電機帶動變 速器以及離合器摩擦片空轉, 驅動電機不停機, 此時, 相當于汽車 駕駛員腳踏離合器, 使離合器分離, 進行掛檔以避免齒輪產生沖 擊 。 當離合器閉合時, 相當于發(fā)動機制動狀態(tài), 如汽車在下坡時, 因質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 機油門松到最小, 汽車慣性經驅動輪 、 變速器反拖發(fā)動機, 驅動

15、力 消耗到發(fā)動機升速上,就是利用發(fā)動機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) 動機制動, 進行反拖試驗 。圖 3反拖路徑圖5結論在對各種典型加載方式進行分析的基礎上, 采用交流變頻回 驅動電機離合器閉合 轉矩轉速傳感器被試變速器十字萬向聯(lián)軸器轉矩轉速傳感器 減速箱加載 電機 3轉矩轉速傳感器轉矩轉速傳感器 減速箱加載 電機 1減速箱 加載 電機 2被試變速器十字萬向聯(lián)軸器轉矩轉速傳感器減速箱加載電機 3轉矩轉速傳感器轉矩轉速傳感器減速箱加載電機 1減速箱加載電機 2離合器第 11期

16、 谷 曼:汽車變速器試驗臺加載技術的研究 163蝦形六輪移動機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 機械電子工程學院 , 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 】 越障能力對移動機器人的應用至關重要 。 提出的一種蝦形六輪移動機器人為研究對象, 研 究如何提高其尾部的垂直越障能力 。 分析了機器人的尾部垂直越障過程, 通過建立尾部垂直越障力學分 析模型, 得到了機器人尾部垂直越障各影響因素 (特別是結構尺寸 的關系, 并討論了各影響因素的參數(shù) 應如何選取, 為設計機器人結構提供了理論依據; 最后用物理樣機進行了驗證, 實驗結果表明分析得到的 結論是

18、正確的 。關鍵詞:移動機器人; 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文獻標識碼: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)研究的關鍵之一,從上世紀 60年代開始, 美 國 、日本 、 前蘇聯(lián)等國家對其進行了大量的研究 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的最高水平 。 目前, 按移動機構的特點行 星探測車可分為腿式 、 履帶式 、 輪式以及輪腿式 。 其中輪式移動機構 以其高速 、 高效 、 易于控制且結構簡單而得到大多數(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構 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)完成預期的探測任務至關重要, 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),上海交通大學研制的 6輪蜘蛛形 機器人及中國科學技術大學研制的高機動越障機器人的移動系統(tǒng)也采用平行架