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附錄1：
變速器扭矩試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)
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安魯塔·洛馬特 薩斯·莫特 拉胡爾·希德
摘 要
變速器是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸驅(qū)動(dòng)器中不可或缺的元素。因此，很有必要在齒輪投入使用之前確保它的傳動(dòng)性能，以確保系統(tǒng)的無故障運(yùn)行。 在變速器的性能測(cè)試中，檢查額定速度下的轉(zhuǎn)矩承載能力是非常重要的。本篇論文闡述了一個(gè)扭矩試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，它可以對(duì)具有多盤制動(dòng)系統(tǒng)的變速器進(jìn)行 0.5-10 kN/m 的承載能力測(cè)試。而將扭矩試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后與理論計(jì)算進(jìn)行比較，可以觀察到實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算之間具有良好的一致性。
關(guān)鍵詞：變速器、設(shè)計(jì)、扭矩、校準(zhǔn)
一、簡(jiǎn)介
變速箱是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)不可或缺的動(dòng)力傳輸裝置，如汽車，機(jī)械和起重機(jī)等。工業(yè)齒輪傳動(dòng)的主要功能是在可接受的噪音、振動(dòng)和溫度水平下，可靠地傳遞原動(dòng)機(jī)和從動(dòng)件設(shè)備之間的轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)的前述操作特性超過允許的限制，就可能導(dǎo)致變速器出現(xiàn)故障。制造公司或客戶必須承擔(dān)齒輪系統(tǒng)在操作期間出現(xiàn)故障的大成本和時(shí)間的損失。因此，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)投入使用之前確保它們的質(zhì)量對(duì)保證系統(tǒng)的無故障運(yùn)行是十分必要的。
在測(cè)試變速箱性能的時(shí)候，測(cè)試不同速度下轉(zhuǎn)矩的承載能力是很重要的。目前，環(huán)傳動(dòng)有限公司并沒有任何測(cè)試扭矩的裝置。因此，在扭矩的測(cè)量中，公司需要根據(jù)ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和AGMA（美國齒輪制造商協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理論計(jì)算指定轉(zhuǎn)矩額定值。因此，有一個(gè)變速器試驗(yàn)臺(tái)來確保變速器的質(zhì)量對(duì)他們來說是非常重要的。扭矩試驗(yàn)臺(tái)是每一個(gè)齒輪制造企業(yè)必須具備的基本設(shè)施。
為了滿足扭矩試驗(yàn)臺(tái)的上述需要，進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)查，以確定其功能和規(guī)格。從上面的文獻(xiàn)中研究發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上不同類型的扭矩試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案都有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 對(duì)于背對(duì)背排列需要兩個(gè)類似的變速器，它可能無法在一些情況下使用。
在數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)扭矩方法中，飛輪被用于施加轉(zhuǎn)矩，這不適合予高扭矩測(cè)量。這兩種方法都不適用這種情況。
多盤制動(dòng)扭矩測(cè)試系統(tǒng)（扭矩施加）是合適的，因?yàn)樗梢砸圆煌乃俣忍峁V泛的扭矩（從500 N-M至10 KN-m）。制動(dòng)盤部分潤濕，能夠避免磨損和控制制動(dòng)盤的溫度。用于驅(qū)動(dòng)多盤式制動(dòng)器系統(tǒng)，執(zhí)行器是必要的。在研究不同的制動(dòng)元件時(shí)，發(fā)現(xiàn)液壓作動(dòng)器適用于向多盤制動(dòng)系統(tǒng)施加壓力4。因?yàn)樗ㄟ^控制壓力與壓力控制閥組合的速率使平滑接合得到快速響應(yīng)。通過查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)在扭矩測(cè)量的過程中，罐式稱重傳感器可提供高扭矩測(cè)量，因?yàn)檫@種負(fù)載電池適用于高扭矩或負(fù)荷范圍，也消除了需要事先檢查的程序[ 5 ]。最后，決定了要開發(fā)一個(gè)適合不同的變速器的液壓驅(qū)動(dòng)多片式制動(dòng)器制動(dòng)力矩試驗(yàn)臺(tái)，在額定轉(zhuǎn)速下的最大扭矩為10kNm。
二、方法論
所提出的系統(tǒng)具有多片制動(dòng)器總成作為主要和核心組成部分。該組件被安裝在支架和固定在軸之間的支架上。
多片制動(dòng)系統(tǒng)被用于在變速器上施加轉(zhuǎn)矩。對(duì)于制動(dòng)器的制動(dòng)，我們使用液壓制動(dòng)器。制動(dòng)系統(tǒng)通過直接連接或齒輪的幫助與變速器連接。由于軸與變速箱連接，制動(dòng)力被傳送到變速箱，同時(shí)傳到扭力臂（扭力臂與制動(dòng)總成固定）。扭矩臂反過來施加相同的力到負(fù)載單元上。
為了保持制動(dòng)盤的正常溫度，設(shè)計(jì)了適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)，即：
A.制動(dòng)器總成
B. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
C.冷卻系統(tǒng)
D. 扭矩測(cè)量和顯示裝置
三、 設(shè)計(jì)與制造
要設(shè)計(jì)一個(gè)變速箱的扭矩試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)創(chuàng)新的想法。在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將主系統(tǒng)劃分為具有如下特定功能的多個(gè)子系統(tǒng)。
A. 制動(dòng)器總成
B. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
C. 冷卻系統(tǒng)動(dòng)系統(tǒng)
D. 扭矩測(cè)量和顯示裝置
描繪不同子系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)的概述如圖2所示。
圖2 所設(shè)計(jì)的扭矩試驗(yàn)臺(tái)概要
A.制動(dòng)器總成
制動(dòng)器總成是試驗(yàn)臺(tái)的主要部分。在制動(dòng)器總成的設(shè)計(jì)過程中，遵循下列步驟。材料的選擇“參考文獻(xiàn)[ 6 ,7]”，各組成部分的設(shè)計(jì)與分析如制動(dòng)盤、活塞、氣缸、扭力臂、軸承、油封、活塞環(huán)等的選擇。一些重要的計(jì)算如下。為了找到剎車盤的數(shù)量，我們使用了統(tǒng)一的磨損標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)剎車盤?！皡⒖嘉墨I(xiàn)[8,9]”
公式一：
其中，Mt為最大轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)是工作力，Z是匹配的表面數(shù)目，μ為摩擦系數(shù)，D10為外制動(dòng)盤的內(nèi)徑以及d2I是內(nèi)制動(dòng)盤的外徑。制動(dòng)盤的總數(shù)為27。軸基本上是為壓碎，剪切，扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷類型而設(shè)計(jì)的。最理論大剪應(yīng)力被用于確定軸的直徑，因?yàn)樵撦S的材料是球墨鑄鐵。公式二：
其中，τ是最大剪應(yīng)力，d為軸的直徑，K B和k t分別為沖擊和疲勞因子，M b為彎曲力矩。軸的最小直徑為120mm。
B.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
手動(dòng)液壓致動(dòng)器具有用于20條能力。
C.熱計(jì)算和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在多盤制動(dòng)的情況下，散熱是主要問題。當(dāng)油的溫度高于900℃的時(shí)候，油不再遵守它的特性。因此，制動(dòng)盤會(huì)發(fā)生磨損，為了避免這樣的問題發(fā)生，我們?cè)O(shè)置了冷卻水套。
扭矩測(cè)量和顯示裝置
從制動(dòng)總成到測(cè)力傳感器的扭矩傳遞中，使用1000毫米的轉(zhuǎn)矩臂。對(duì)于2000千克容量的扭矩測(cè)量罐型稱重傳感器使用數(shù)字顯示,使用 100千克每米的分辨率。設(shè)計(jì)制造和裝配后按圖紙進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際情況如圖3所示。
圖3 扭矩試驗(yàn)臺(tái)
四、實(shí)驗(yàn)工作
在實(shí)驗(yàn)工作裝置試驗(yàn)臺(tái)如“圖”，并利用試驗(yàn)臺(tái)的一些變速箱標(biāo)定進(jìn)行了以下方式。分析確定的扭矩值與不同型號(hào)的變速器測(cè)量的扭矩值進(jìn)行比較。將分析數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)的讀數(shù)進(jìn)行比較。
圖4 校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的示意圖
這些結(jié)果給出了不同的壓力值范圍從2兆帕到20兆帕。使用校準(zhǔn)的測(cè)量單位（負(fù)載傳感器，數(shù)字顯示和壓力計(jì)）。從下面參考公式中計(jì)算理論價(jià)值。公式（三） 其中，Ph是液壓，D是活塞外徑，d活塞的內(nèi)徑。驗(yàn)臺(tái)還可以進(jìn)行一些變速器的占空比測(cè)試。
五、結(jié)果與討論
通過測(cè)試了不同類型的變速器，做了不同類型的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果討論如下。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值的比較進(jìn)行的試驗(yàn)臺(tái)的校準(zhǔn)。對(duì)一些模型做出了測(cè)試結(jié)果，其中一個(gè)如下面討論。
1.變速器型號(hào)4010-4，[ 11 ],
規(guī)格：輸入功率P 10h,
輸出轉(zhuǎn)速5.75r.p.m,
輸出扭矩10.5 Nm。
試驗(yàn)在不同的恒定壓力值下進(jìn)行了10分鐘，并每2分鐘后觀察讀數(shù)，以獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
圖5 理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩值的比較
表1 比較分析和實(shí)驗(yàn)扭矩值
據(jù)觀察，在整個(gè)扭矩幅度范圍內(nèi)，扭矩實(shí)驗(yàn)讀數(shù)高于理論值絕對(duì)值的40-50 Nm。對(duì)百分比而言，這占了約5至0.5％。此外，較高的錯(cuò)誤（5%）被觀察到出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩較低的時(shí)候（和較低的壓力），而較低的錯(cuò)誤（0.5%）被觀察到出現(xiàn)在較高轉(zhuǎn)矩值時(shí)。此錯(cuò)誤的原因可能是由于未在理論計(jì)算中考慮各種原因?？赡艿脑蛉缦滤觥?
（1） 在分析計(jì)算中，不考慮軸承、油封及其它動(dòng)件的摩擦。
（2） 測(cè)試變速器有較低的工作速度（5-10轉(zhuǎn)），以這樣的速度運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)板之間的粘滑現(xiàn)象更嚴(yán)重，這可能是錯(cuò)誤的來源之一。
（3） 系統(tǒng)的慣性。
（4） 當(dāng)液壓壓力增大時(shí)，各部件的摩擦增大。
（5） 顯示器讀數(shù)的錯(cuò)誤。
（6） 壓力表中的誤差也從壓力指示器中模擬顯示，所以可能產(chǎn)生人為誤差。
將所獲得的結(jié)果和理論計(jì)算進(jìn)行比較，能夠看到實(shí)驗(yàn)獲得的和理論計(jì)算的結(jié)果之間有良好的一致性。實(shí)驗(yàn)數(shù)值和理論值密切配合。
A.實(shí)驗(yàn)值與轉(zhuǎn)矩誤差的比較
經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中有三種類型的誤差：載荷單元的誤差、制動(dòng)總成的誤差和數(shù)字顯示的誤差。經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)的校準(zhǔn)后，測(cè)定每個(gè)轉(zhuǎn)矩值的總誤差，列表如“圖6”所示。
圖6 中誤差分析的扭矩測(cè)試裝置
圖6在變速器的實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)對(duì)扭矩試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行誤差分析時(shí)，應(yīng)將對(duì)應(yīng)的誤差系數(shù)加入到實(shí)際測(cè)試?yán)?。變速器測(cè)試10分鐘。每2分鐘觀察和記錄平均扭矩讀數(shù)，數(shù)據(jù)記錄如下表“表2”所示。
表2 對(duì)不同的車型進(jìn)行測(cè)試（輸出扭矩）
從上表中，可以觀察到所有的變速器都能在給定的速度下成功運(yùn)行輸出轉(zhuǎn)矩。
B.占空比測(cè)試
對(duì)于變速箱來說，有必要進(jìn)行占空比測(cè)試。一項(xiàng)變速器占空比測(cè)試的的結(jié)果如“圖7”所示。變速器型號(hào)為4005-2，輸出速度為52.4rpm，輸出轉(zhuǎn)矩940Nm。
圖7 理論值和實(shí)驗(yàn)扭矩讀數(shù)在不同時(shí)刻的比較
從上面的曲線圖中，可以觀察到扭矩值隨時(shí)間波動(dòng)在936至941Nm范圍內(nèi)。這一變化是可以忽略不計(jì)的（約0.5%）。
C、功率與出口溫度的關(guān)系
在試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定中，溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)槿绻麢C(jī)油溫度超過90 °C，潤滑油將失去其特性，導(dǎo)致鉆機(jī)不能有效地工作。這也是用冷卻夾套來散熱的目的。水被用作冷卻劑，水的流量被視為9.5升/分鐘。
圖8 不同車型的溫度和輸入功率的比較
在“圖8”中可以觀察到，隨著輸入功率的增加，溫度值也在穩(wěn)定增長(zhǎng)。
六、結(jié)論
為了測(cè)量變速器的扭矩，我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)了液壓驅(qū)動(dòng)多片制動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是專門為了測(cè)量在額定轉(zhuǎn)速下扭矩從0.5 kNm 變化到10 kNm的數(shù)值。試驗(yàn)臺(tái)使用理論數(shù)值來標(biāo)定。在試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定中，我們發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)扭矩測(cè)量的最大值誤差是50 Nm（部分變速器使用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的結(jié)果與理論值一致）。
該試驗(yàn)臺(tái)還可用于某些變速器的峰值負(fù)載測(cè)試和占空比測(cè)試。對(duì)冷卻水的溫度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。該試驗(yàn)臺(tái)的總體性能毫無故障。
七、致謝
作者要感謝環(huán)傳輸公司，薩達(dá)拉不僅給這個(gè)項(xiàng)目提供了一個(gè)工作機(jī)會(huì)，還提供了所有在工廠和設(shè)計(jì)公司的技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。