驅(qū)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(xué)碩士研究生,研究方向為機(jī)械制造及其自動化,(E -mail cail ongzhu1985 。驅(qū)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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥230009摘要:采用交流變頻電封閉試驗臺架作為驅(qū)動橋總成疲勞壽命試驗檢測設(shè)備,可在有載荷的情況下檢測驅(qū)動橋疲勞性能,試驗環(huán)境更接近于驅(qū)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(qū)動橋疲勞壽命更加接近其真實值。文中首先對試驗臺的設(shè)計參數(shù)

2、進(jìn)行了說明,然后又介紹了試驗系統(tǒng)構(gòu)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(jié)果進(jìn)行了初步的評估。關(guān)鍵詞:試驗臺;驅(qū)動橋總成;疲勞壽命;電封閉中圖分類號:TH16;TG65文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)動橋承受著繁重而復(fù)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(zhuǎn)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(qū)動橋必須保持有足夠的強(qiáng)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(qū)動橋總成及其主要零、部件必須經(jīng)受嚴(yán)格的試驗1。其中如何檢測驅(qū)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(qū)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(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研制出了本試驗臺架,其可以實現(xiàn)對某系列后橋總成進(jìn)行檢測試驗。1試驗臺架的系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理該驅(qū)動橋總成疲勞壽命試驗臺主要由機(jī)身與夾具系統(tǒng)、

7、液壓控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、兩端加載系統(tǒng)、計算機(jī)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(hù)系統(tǒng)及安裝基礎(chǔ)系統(tǒng)等部分組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。111驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速電機(jī)、轉(zhuǎn)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(jī)的運(yùn)行工況4,滿足試驗時對輸入轉(zhuǎn)速601工藝與裝備組合機(jī)床與自動化加工技術(shù) 1.驅(qū)動電機(jī)2.輸入基礎(chǔ)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(jī)12.傳動齒輪箱13.防護(hù)罩14.花鍵軸15.夾具系統(tǒng)16.輸出基礎(chǔ)平板圖1試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖和轉(zhuǎn)矩的要求,還應(yīng)該能按

8、照一定規(guī)律調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,目前選用電動機(jī)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到合適的轉(zhuǎn)速。本試驗臺選用三相異步交流電動機(jī)作為驅(qū)動設(shè)備,為了達(dá)到試驗要求,依據(jù)模擬轉(zhuǎn)速原則,選擇合適的變頻器與電機(jī)匹配使用,充分發(fā)揮變頻調(diào)速電機(jī)寬范圍的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性和低頻時的力矩平穩(wěn)特性,能長時間地進(jìn)行低速或高速運(yùn)行,從而最大限度的模擬了發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性。經(jīng)分析,本試驗臺選擇的電機(jī)為200K W 交流變頻調(diào)速電機(jī),基本參數(shù)如表1所示。表1驅(qū)動電機(jī)的基本參數(shù)名稱型號功率額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩3000Rpm的扭矩變速調(diào)速電動機(jī)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(jī)、轉(zhuǎn)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(jī)技術(shù)規(guī)格,單端負(fù)載電機(jī)應(yīng)選用132k W 可滿足要求。參考見表2所示。加載電機(jī)的非軸伸端安裝編碼器,以實現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,應(yīng)先進(jìn)行空載30分鐘,運(yùn)轉(zhuǎn)正常后,方可進(jìn)行負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。表2負(fù)載電機(jī)的基本參數(shù)名稱型號功率額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩3000r pm的扭矩變速調(diào)速電動機(jī)YS L 231526132k W1000r pm1260Nm630Nm113能量回饋系統(tǒng)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)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài), 其供電裝置工作在整

10、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),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(qū)動電機(jī)通過變頻調(diào)速達(dá)到一定的扭矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速(計算公式參考QC /T53321999,汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法2。加載電機(jī)根據(jù)試件輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩,結(jié)合所選變速箱檔位,變頻調(diào)速產(chǎn)生相

11、應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩,對試件進(jìn)行加載。加載時,加載電機(jī)作為發(fā)電機(jī),所產(chǎn)生的電能通過能量回饋系統(tǒng)傳回到驅(qū)動電機(jī),節(jié)省約80%左右電能。臺架使用轉(zhuǎn)速扭矩傳感器,溫度傳感器實時檢測,主要包括:電機(jī)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(guān)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(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。計算機(jī)實時處理各種數(shù)據(jù),并根據(jù)預(yù)先設(shè)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(jī)。該試驗臺整體實物如圖3所示 。圖3驅(qū)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(qū)動橋總成疲勞壽命試驗必須

12、在規(guī)定的試驗條件下進(jìn)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(qū)動橋臺架試驗方法,對于某一驅(qū)動橋,其試驗中試驗計算扭矩M p 為:按發(fā)動機(jī)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(jī)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(dāng)量驅(qū)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(qū)動橋速比。經(jīng)計算,M

13、 pe 、M p 分別為4940129N m 和521011N m ,又因驅(qū)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(jī)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(jìn)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(jī)最大扭矩時輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行走合,時間每段按主動輪運(yùn)動2-3×104循環(huán)次數(shù)。最后在進(jìn)行正式試驗,按M p 進(jìn)行加載,得出的實驗結(jié)果為:當(dāng)試驗運(yùn)行了227500轉(zhuǎn),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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(fù)彎矩作用,在齒根部產(chǎn)生變化的彎曲應(yīng)力,當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料的彎曲疲勞極限應(yīng)力時,在輪齒受拉一側(cè)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(kuò)展,使輪齒剩余截面上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)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(yīng)力過高,隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多,從而形成了破壞性點蝕。4結(jié)束語本設(shè)計結(jié)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(shè)計出通過驅(qū)動和加載端來實現(xiàn)四象限運(yùn)行,即轉(zhuǎn)速可以正/反向運(yùn)行,也可以正反向扭矩加載,從而來模擬驅(qū)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(yīng)用于汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)。參考文獻(xiàn)1劉惟信.汽車車橋設(shè)計M .北京:清華大學(xué)出版社,2004.2QC /T53321999,汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法S.1999.3王中應(yīng),傅頂和.汽車驅(qū)動橋總成齒輪疲勞試驗臺的研究與設(shè)計J .汽車科技,20