汽車等速萬向節(jié)及其總成靜扭試驗(yàn)的測控系統(tǒng)

瞿慶春，何峰濤，李百華

（1. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.萬向集團(tuán)技術(shù)中心，浙江 杭州 311215）

汽車等速萬向節(jié)及其總成靜扭試驗(yàn)的測控系統(tǒng)

瞿慶春1，何峰濤1，李百華2

（1. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.萬向集團(tuán)技術(shù)中心，浙江 杭州 311215）

介紹了汽車等速萬向節(jié)總成性能試驗(yàn)中的靜扭破壞扭矩試驗(yàn)測控系統(tǒng),分析了試驗(yàn)的工作原理，系統(tǒng)的軟硬件組成，測試中的技術(shù)難點(diǎn)以及解決方法,保證了萬向節(jié)的質(zhì)量安全。

汽車；等速萬向節(jié)；靜扭破壞扭矩；測控系統(tǒng)

1 前言

汽車等速萬向節(jié)總成是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪之間的動(dòng)力傳輸裝置，提供汽車所需的動(dòng)力和車速要求，其質(zhì)量直接影響整車的安全性和可靠性。在國家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《滾動(dòng)軸承 汽車用等速萬向節(jié)及其總成》中制訂了7種試驗(yàn)方法對總成進(jìn)行各種壽命和性能試驗(yàn)。本文對性能試驗(yàn)中的靜扭破壞扭矩試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)及測試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理

本試驗(yàn)設(shè)備主體主要由扭力輸出機(jī)構(gòu)（電機(jī)、帶輪組和減速器）、試驗(yàn)件夾具、可移動(dòng)固定支承座、底座、扭角測試組件和扭矩測試組件構(gòu)成。機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

扭力輸出機(jī)構(gòu)由電機(jī)配合變速箱進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠產(chǎn)生較大的扭力。扭角測試組件用于測量扭轉(zhuǎn)角度，可有效控制試驗(yàn)扭角。扭矩測試組件通過拉壓力傳感器與固定的力臂長度可計(jì)算出扭矩?cái)?shù)值。設(shè)備可移動(dòng)固定支承座可以通過水平左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對相關(guān)尺寸范圍內(nèi)的試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)。

本設(shè)備可模擬與裝車一致的驅(qū)動(dòng)扭矩方向和通過萬向節(jié)的扭矩大小，從而對萬向節(jié)及其總成進(jìn)行靜扭破壞扭矩試驗(yàn)。試驗(yàn)是將萬向節(jié)及其總成按裝車要求通過夾具安裝到位，左端扭力輸出機(jī)構(gòu)將扭力傳遞給試驗(yàn)件，右端固定支承座將試驗(yàn)件固定，按照試驗(yàn)要求施加相應(yīng)的扭力，從而實(shí)現(xiàn)試樣在扭矩作用下出現(xiàn)裂紋，并繼續(xù)扭轉(zhuǎn)至破壞的系列狀態(tài)，自動(dòng)記錄各狀態(tài)下的扭矩和扭矩角及驅(qū)動(dòng)軸、萬向節(jié)或中間軸的扭角隨扭矩變化的特性。

3 測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1 測控系統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成

測控系統(tǒng)硬件使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和ADLINK生產(chǎn)的ACL-8112PG卡，對扭矩信號進(jìn)行采集，控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及通訊板卡、濾波裝置、外圍電氣系統(tǒng)和傳感器等構(gòu)成測試系統(tǒng)的硬件。

3.2 測控系統(tǒng)傳感器以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

（1）角位移傳感器：GJF-1旋轉(zhuǎn)編碼器又稱光柵角位移傳感器，電壓規(guī)格為12V，3600線方波信號輸出。

（2）力傳感器：是扭矩測試的重要參數(shù)，量程2T，輸出電壓為±5V，精度為0.2% 。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪減速箱組成低速驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)對總成進(jìn)行靜扭試驗(yàn)。

圖1 汽車等速萬向節(jié)及其總成靜扭試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)圖

4 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

靜扭試驗(yàn)測控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，扭轉(zhuǎn)角度和扭矩的精確測量。核心的部分則在于扭矩信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過測控軟件進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于試驗(yàn)的要求，記錄各狀態(tài)下的扭矩和扭轉(zhuǎn)角，并繪制出圖形，標(biāo)注出約翰遜彈性極限扭矩、最小靜扭破壞扭矩和最大破壞扭矩。這一過程均由測控程序自動(dòng)完成，試驗(yàn)結(jié)果以圖形方式保存，完全替代以往通過試驗(yàn)手動(dòng)記錄、描點(diǎn)、測繪出各個(gè)扭矩值的方法，大大提高試驗(yàn)效率和精度。測控程序的具體介紹如下。

4.1 測控軟件關(guān)鍵技術(shù)

（1）扭矩信號的抗干擾措施。扭矩信號是試驗(yàn)中最重要的信號之一，是得出3個(gè)所需扭矩值的依據(jù)。具體處理方法是信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，首先使用格拉布斯準(zhǔn)則的比較法剔除數(shù)據(jù)中的粗大誤差，再使用加權(quán)平均值法進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，使采樣信號能夠完全表達(dá)試驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)。

（2）試驗(yàn)要求的約翰遜彈性極限扭矩和最小靜扭破壞扭矩和最大破壞扭矩的計(jì)算方法。

（3）繪制出如圖 2 所示的扭矩和扭角的關(guān)系曲線，在這個(gè)圖上能作出驅(qū)動(dòng)軸、萬向節(jié)或中間軸的約翰遜彈性極限，標(biāo)注出約翰遜彈性極限扭矩J、最小靜扭破壞扭矩E以及最大破壞扭矩T，記錄其各自的數(shù)值，并將關(guān)系圖保存。設(shè)計(jì)方案如下。

① 程序人工設(shè)定停機(jī)條件。由于試驗(yàn)的總成不同，對于其達(dá)到靜扭破壞所需扭轉(zhuǎn)角度也不相同，所以需要人工輸入停機(jī)條件，分別為扭矩達(dá)到一定數(shù)值停機(jī)（作為破壞扭矩），扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到一定數(shù)值停機(jī)以及扭矩下降百分比作為停機(jī)條件。其中扭矩下降百分比為最常用的停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榘l(fā)生靜扭破壞后，扭矩迅速下降，以此作為破壞點(diǎn)最符合試驗(yàn)要求。

② 記錄電機(jī)啟動(dòng)后直到停機(jī)的扭角和扭矩?cái)?shù)值，其中最大扭矩值為破壞扭矩T，對應(yīng)的扭角為破壞角度。驅(qū)動(dòng)軸規(guī)格是按所能承載的扭矩值進(jìn)行分類的，如驅(qū)動(dòng)軸規(guī)格為1 500，表明其承載能力為1 500Nm。圖 2 中：點(diǎn)N應(yīng)在驅(qū)動(dòng)軸規(guī)格的35%到破壞扭矩的50%之間，點(diǎn)O應(yīng)在50Nm到10%驅(qū)動(dòng)軸規(guī)格之間，所以確定點(diǎn)N占破壞扭矩T的百分比后，點(diǎn)M即可確定。

③ 在約翰遜彈性極限扭矩下所產(chǎn)生的變形應(yīng)比初始變形量大50%（圖 2 中初始變形量等于MN/OM）。OQ的斜率比初始變形ON的斜率大50%，即距離NQ=0.5MN，從而確定點(diǎn)Q位置，做出OQ虛線。

圖2 約翰遜彈性極限的位置確定

④ 做直線O1Q1平行于直線OQ，并相切于扭矩扭角線，切點(diǎn)為約翰遜彈性極限扭矩J。

⑤ 約翰遜彈性極限扭矩J和扭矩M的中點(diǎn)為最小靜扭破壞扭矩E。

4.2 測控軟件介紹

（1）測控軟件界面如圖 3，為做完一套正式試驗(yàn)的情況。

界面上端顯示破壞角度、破壞扭矩或者屈服角度、屈服扭矩或者約翰遜彈性極限角度、約翰遜彈性極限扭矩?cái)?shù)值。可選擇單獨(dú)顯示或者同時(shí)全部顯示在曲線以及顯示框上。在顯示框右側(cè)，可以選擇在曲線上為哪個(gè)參數(shù)自動(dòng)取點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)選取合適角度扭矩值進(jìn)行記錄分析，達(dá)到更好的試驗(yàn)效果。界面右上側(cè)動(dòng)態(tài)顯示測試所得扭矩值和角度值。

（2） 點(diǎn)擊“開始試驗(yàn)”，程序控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以一定速度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，在以扭轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，扭矩值為縱坐標(biāo)的圖面上，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)，程序自動(dòng)繪制出扭角-扭矩曲線。根據(jù)4.1中行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算方法，分別計(jì)算出各種情況下的扭轉(zhuǎn)角度和扭矩值，顯示在曲線上作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行保存。試驗(yàn)中途如果出現(xiàn)異常，可以點(diǎn)擊“試驗(yàn)停止”來停止試驗(yàn)。

（3） 如圖 3 界面所示，試驗(yàn)正常停止有3種情況，最常用的是通過扭矩下降幅度來確定試驗(yàn)的停止，說明總成已經(jīng)達(dá)到試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)破壞，完成預(yù)定試驗(yàn)要求。

（4） 如果力傳感器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的情況，可以點(diǎn)擊“扭矩零點(diǎn)”進(jìn)入校準(zhǔn)界面進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度要求。

Measurement and control system of static reverse damaging torque test for automobile’s constant velocity universal joint and assembly

Qu Qingchun1, He Fengtao1, Li Baihua2
(Luoyang Bearing Science & Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China;Wanxiang Group Technology Center, Hangzhou 311215, China )

It introduced the measurement and control system of static reverse damaging torque test belonging to automobile’s constant velocity universal joint assembly. It also analyzed the working principle, software and hardware of system and technical diff i cult points and its solution, so that the quality of universal joint could be guaranteed.

automobile; constant velocity universal joint; static reverse damaging torque; measurement and control system

U463.216

B

1672-4852（2014）01-0053-02

2013-08-25.

瞿慶春（1967-），男，工程師.