汽車傳動帶電封閉性能試驗臺設(shè)計

史堯臣，李躍光，李占國，李 杰，李慶華

SHI Yao-chen1,2, LI Yue-guang2, LI Zhan-guo1,2, LI Jie2, LI Qing-hua2

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

汽車傳動帶具有結(jié)構(gòu)簡單安裝方便、無需潤滑、噪聲小、價格低等優(yōu)點(diǎn)，汽車同步帶應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)的正時傳動，保證凸輪軸和曲軸的相位關(guān)系，控制氣門的開啟，如圖1所示。汽車V帶或汽車多楔帶應(yīng)用于發(fā)動機(jī)輔助傳動系統(tǒng)，主要為水泵、空壓機(jī)、轉(zhuǎn)向泵和發(fā)電機(jī)等傳遞運(yùn)動和動力，如圖2所示。汽車同步帶傳動要求保證穩(wěn)定的傳動比、使用壽命和低噪聲，同樣汽車V帶和汽車多楔帶傳動也要求滿足使用壽命和低噪聲。因此德國、美國等發(fā)達(dá)國家的汽車傳動帶制造企業(yè)通過最大限度地延長凸輪軸傳動同步帶的使用壽命來保證汽車發(fā)動機(jī)的工作性能，通過采用HNBR材料來提高汽車傳動帶的產(chǎn)品質(zhì)量，目前在一般行駛條件下HNBR同步帶的工作壽命可達(dá)10萬～15萬km。現(xiàn)代汽車對同步帶的要求是：使用壽命達(dá)25萬～30萬km；使用溫度-35℃～150℃，瞬時高溫可達(dá)175℃；耐油性≥CR；150℃下臺架壽命可達(dá)3000h。

為評價汽車傳動帶的使用壽命ISO1995年制定了“ISO10917同步帶傳動-汽車同步帶與帶輪疲勞試驗方法”，1995年ISO制定了“ISO11749帶傳動 汽車工業(yè)用多楔帶 疲勞試驗 ”2003年ISO制定了“ISO5287帶傳動 汽車工業(yè)用窄V帶 疲勞試驗”，2000年我國制定了“GB/T 18183汽車同步帶疲勞試驗方法”，規(guī)定了汽車同步帶兩輪和三輪疲勞壽命試驗方法和試驗參數(shù)，2008年我國制定了“GB/T11545帶傳動 汽車工業(yè)用V帶 疲勞試驗方法”和 “GB13552汽車工業(yè)用多楔帶 疲勞試驗”。目前ISO標(biāo)準(zhǔn)和GB標(biāo)準(zhǔn)的汽車同步帶疲勞試驗方法中給出的輪系布置如圖3（a）所示，汽車V帶和汽車多楔帶疲勞試驗方法中給出的輪系布置如圖1（b）所示[1～3]。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)正時傳動系統(tǒng)

圖2 汽車發(fā)動機(jī)輔助傳動系統(tǒng)

圖3 試驗帶輪布置方式

國內(nèi)外汽車傳動帶疲勞壽命試驗臺的工作方式分為開式和封閉式，開式試驗方式一般采用風(fēng)扇、水輪機(jī)、電力測功機(jī)等耗能裝置來模擬傳動帶的負(fù)載，由于疲勞壽命試驗時間都大于80h，試驗臺耗電量大，試驗成本高，目前基本不采用開式試驗方式進(jìn)行試驗。封閉式試驗方式因有能量回饋環(huán)節(jié)使耗電量小，分為機(jī)械封閉式和電封閉式兩種封閉方式，機(jī)械封閉式通常采用滑差離合器或V帶傳動給被試驗帶施加負(fù)載，由于施加負(fù)載過程中的傳動比不穩(wěn)定導(dǎo)致被試帶的負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化，試驗結(jié)果與汽車帶的實際工況下使用壽命存在較大差異[4,5]。

1 試驗臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)分別研制了機(jī)械封閉式汽車同步帶疲勞壽命試驗臺和汽車V帶疲勞壽命試驗臺，按標(biāo)準(zhǔn)要求可以輸入負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)速、張緊力進(jìn)行試驗，由于不實時記錄傳動比、滑差、傳動功率和扭矩等試驗參數(shù)，對試驗后的被試帶達(dá)不到規(guī)定運(yùn)行時間的分析缺乏依據(jù)。本文基于降低汽車傳動帶疲勞壽命試驗機(jī)的制造成本，并兼顧被試帶進(jìn)行疲勞試驗過程中帶傳動性能的分析功能，提出了如圖4所示的可實現(xiàn)汽車同步帶和汽車V帶、多楔帶疲勞試驗和傳動性能測量要求的組合式電封閉綜合性能試驗臺結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了在進(jìn)行被試帶疲勞試驗的過程中通過實時記錄傳動比、滑差、傳動功率和扭矩參數(shù)，為被試帶的疲勞損傷和傳動性能分析提供了依據(jù)。

試驗臺主、從動軸系分別安裝在主動滑板和從動滑板上，主、從動滑板通過絲杠調(diào)節(jié)相對位置適應(yīng)不同的被試帶的中心距，在試驗臺上通過調(diào)節(jié)各張緊軸系的位置可以進(jìn)行不同類型帶的試驗。進(jìn)行汽車同步帶三輪試驗時，將汽車同步帶三輪張緊輪系沿導(dǎo)軌移動到試驗臺前端，V帶三輪張緊輪系沿滑移導(dǎo)軌移動到試驗臺后端，并鎖緊固定張緊輪系位置。由于張緊力大小影響帶的傳動性能和使用壽命，為保證張緊力施加準(zhǔn)確，該試驗臺采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動張緊輪系沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動對被試帶施加張緊力，張緊力大小由力傳感器進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)達(dá)到要求的張緊力后通過鎖緊裝置固定張緊輪系位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳動帶性能試驗要求最高轉(zhuǎn)速為6000rpm，需要連續(xù)運(yùn)行80h，為保證高速軸系軸承的使用壽命，設(shè)計了的循環(huán)油潤滑裝置對各高速軸系進(jìn)行潤滑和冷卻，并設(shè)計了徑向迷宮密封與環(huán)形溝槽密封組合的密封結(jié)構(gòu)，防止高速軸系潤滑油液泄露。

2 控制系統(tǒng)

試驗臺的轉(zhuǎn)速、負(fù)載的準(zhǔn)確性直接影響帶傳動性能的評價，需要對主動軸系的回轉(zhuǎn)速度和從動軸系的負(fù)載進(jìn)行閉環(huán)控制，本文采用三肯變頻器控制主動軸轉(zhuǎn)速，并與工業(yè)計算機(jī)和自制數(shù)據(jù)采集卡（四路16位A/D，四路16位D/A，8路I/O）、轉(zhuǎn)速傳感器共同組成主動軸系轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制精度為±0.1%FS；從動軸負(fù)載控制系統(tǒng)采用ABB四象限變頻控制器控制負(fù)載軸輸出扭矩，并與工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡、扭矩傳感器共同組成扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，負(fù)載扭矩控制精度為±0.5%FS，轉(zhuǎn)速和扭矩通過數(shù)據(jù)采集卡實時傳送給工控機(jī)，控制原理圖如圖5所示。采用VB設(shè)計虛擬面板VC編寫動態(tài)鏈接庫的方法設(shè)計了傳動性能試驗臺控制界面，試驗過程中能實時采集主從動軸的轉(zhuǎn)速、扭矩和環(huán)境箱溫度等試驗數(shù)據(jù)，并通過RS485串聯(lián)通訊口將電氣控制回路的輸入電流、電壓、功率和負(fù)載回路消耗的電流、電壓、功率進(jìn)行實時監(jiān)控，試驗臺控制系統(tǒng)操作界面如圖6所示。

圖4 汽車帶傳動性能試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 試驗臺電封閉控制原理圖

圖6 試驗臺操作界面圖

3 汽車同步帶傳動性能試驗

在研制的多功能傳動性能試驗臺上進(jìn)行了ZA型汽車同步帶傳動性能試驗，如圖7所示，設(shè)置主動軸轉(zhuǎn)速為6000r/min；從動軸負(fù)載扭矩為16Nm；高溫箱試驗溫度為150℃，經(jīng)過80小時的疲勞壽命試驗，試驗臺節(jié)電量大于70%，被試驗的汽車同步帶仍能正常使用，滿足設(shè)計使用壽命，試驗過程中主從動輪轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示，實驗負(fù)載扭矩變化曲線如圖9所示，主動輪最高轉(zhuǎn)速為6017rpm，最低轉(zhuǎn)速為5995rpm，從動輪最高轉(zhuǎn)速為6014rpm，最低轉(zhuǎn)速為5992rpm。主動輪最高試驗扭矩為16.5Nm，最低試驗扭矩為16.2Nm，從動輪最高試驗扭矩為16Nm，最低試驗扭矩為16.2Nm。轉(zhuǎn)速變化范圍在0.5%以內(nèi)，負(fù)載扭矩變化在5%以內(nèi)，滿足了汽車帶傳動性能要求。由于在高溫試驗時高溫箱內(nèi)的溫度通過軸傳導(dǎo)到軸承座內(nèi)，使軸系的溫度升高，降低軸承潤滑油的黏度，增加軸承的磨損，影響軸系的正常工作。本文采用非接觸式紅外測溫儀實時測量了軸系軸端溫度變化曲線如圖10所示，其中同步帶張緊軸系溫度為73.4℃～79.5℃，主動軸系溫度為40℃～50.8℃，負(fù)載軸系最高溫度為41.4℃～51.9℃，表明設(shè)計的軸系循環(huán)油潤滑裝置可以保障高速軸穩(wěn)定工作。

圖7 汽車同步帶疲勞壽命試驗機(jī)

圖8 主從動輪轉(zhuǎn)速變化曲線圖

圖9 主從動扭矩速變化曲線圖

圖10 各軸系溫度曲線圖

4 結(jié)論

1）本文按照G B 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車傳動帶疲勞試驗方法要求，研制了多功能電封閉帶傳動綜合性能試驗臺，其主要性能參數(shù)：主動輪轉(zhuǎn)速為：300rpm～6200rpm±2%，負(fù)載功率18.5KW；高溫箱溫度：0～150℃±5℃，電封閉節(jié)電量率大于70%，被試帶傳動中心距：400m～1300m。

2）在研制帶傳動性能試驗臺上進(jìn)行了80小時的ZA汽車同步帶傳動性能試驗，通過試驗臺主、從動軸系上轉(zhuǎn)速和扭矩的實時監(jiān)測了汽車同步帶的主從動輪轉(zhuǎn)速、傳動負(fù)載和張緊軸系溫度，轉(zhuǎn)速變化范圍在0.5%以內(nèi)，負(fù)載變化范圍在5%以內(nèi)，滿足了汽車帶傳動性能檢測的試驗要求。

[1] Masanori Kagotani,Hiroyuki Ueda,Factors Affecting Transmission Error in Helical Synchronous Belt With Error on Belt Side Face Under Bidirectional Operation[J].Transactions of the ASME,2010(08)：071005.

[2] Masanori Kagotani, Hiroyuki Ueda,Transmission Error in Synchronous Belt With Resonance Under Installation Tension[J].Journal of Mechanical Design,2012.09(134)061003：1-12.

[3] 閆傳新,淺談V 帶疲勞壽命試驗機(jī)[J].特種橡膠制品,2001(22)：28-31.

[4] 李國棟.汽車同步帶三輪疲勞壽命試驗機(jī)的研制[J].橡膠工業(yè),2003(50)109-112.

[5] 李俊燁,王坤,周宏偉,等.汽車多楔帶疲勞試驗機(jī)的設(shè)計[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2012.03(35)：87-89.