CN101865778A - 一种车辆传动系统扭振激振装置及试验台 - Google Patents

Abstract

本发明一种车辆传动系统扭振激振装置及试验台，包括扭振激振装置、车轮加载装置、惯量飞轮、测试系统，扭振激振装置用于为传动系统扭转振动研究提供扭转振动激励力矩，并同时为传动系统提供动力。车轮加载装置用来支撑车轮并且模拟作用于车轮上的整车载荷，并通过机械加载的方式将车轮压向惯量飞轮，并对车轮的位置进行锁定。测试系统用于采集传感器输出的拉、压力信号和转速信号，并完成对拉、压力信号和转速信号的分析。扭振激振装置包括一驱动电机和一驱动齿轮轴，驱动电机通过驱动电机皮带带动驱动齿轮轴转动，还包括一激励齿轮轴和一激励电机，激励电机通过激励电机皮带带动激励齿轮轴转动，激励齿轮轴与驱动齿轮轴同轴。

Description

一种车辆传动系统扭振激振装置及试验台

技术领域

本发明涉及一种车辆传动系统试验装置，特别是关于一种车辆传动系统扭振激振装置及试验台。

背景技术

车辆传动系统是汽车的主要运动构件，用于提供和传递汽车驱动功率，一般包括发动机、离合器、变速器、主减速器、差速器和驱动半轴等部件，对于前置后驱的汽车还包括较长的传动轴。车辆传动系统是一个多自由度的扭转共振系统，由于发动机工作的粗暴和不平稳以及行驶负荷的波动，会产生周期性扭转激励频率，当扭转激励频率与传动系统扭转振动固有频率一致时，便会发生扭转共振(以下称扭振)。此时在动力传动系统中的某些区段往往产生很大的共振载荷，甚至在齿轮副、花键副之间出现敲击现象，影响车辆动力传动系统零部件的工作可靠性，并产生令人不适的噪声；同时还可能产生车身垂向和纵向振动，影响乘坐的舒适性。因此，因此对车辆传动系统扭振及其噪声进行系统的研究，进而寻求降低扭转振动影响的措施，是车辆工程的重要研究课题之一。

传动系统的扭振特性研究一般是以理论计算分析为主，即基于前后系统的动能和势能保持不变的原则，将系统简化为由无弹性的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量系统，建立相应的动力学模型和数学模型，再通过测定系统各部件的结构参数计算扭转振动固有特性。扭转振动分析模型由最初的3个自由度简单模型，发展到现在更接近实际系统的多个自由度模型。考虑的激励也由过去的单个确定性激励，发展到现在的多个确定性激励和随机性激励。

目前，传动系统的扭振特性的试验主要采用路试法和试验台法。其中路试法，是利用负荷拖车或使车辆在坡道上挂上某档，并缓慢加速到该档的最高车速，通过处理所记录的动力传动系统特定轴段的扭矩信号，利用共振原理来识别动力传动系统在该档的扭转固有频率。路试法虽然可在真实使用条件下测定动力传动系统的扭转振动特性，但如果无负荷拖车则会因发动机负荷较小，导致激振力矩较弱，动力传动系统的扭转振动响应微弱，不易分析出明显的共振工况。试验台法，是在试验台上作动力传动系统扭转振动特性试验，由于加减负荷等试验条件容易控制，因此可方便地测定不同档位、各种转速下对应不同强度的稳态响应，较为精确地识别出传动系统的固有频率。

现有技术中的试验台法通常是基于转鼓试验台来进行，如中国发明专利“转鼓试验台及其滚筒”(申请号：200780043091.5，申请日：2007.9.21)。这类转鼓试验台的缺点是，其通常是对整车进行试验，试验时将整车车轮固定在转鼓上，这样便可在台架上模拟整车的行驶过程，但此种实验台不能在台架上模拟整车在运行时的惯量，另外此种试验台也不能提供车轮载荷的调整装置。

除此之外，ELASIS团队提出了一种虚拟引擎模拟器，其中的扭振激振装置对汽车发动机的输出特性进行了模拟。但其缺点是：模拟的输出特性并不是通常用于分析扭转振动特性的正弦激励，不能进行整个传动系统扭振谐响应试验研究；同时，这种试验台还具有结构复杂、成本较高的缺陷。

PH.COUDERRC等人也建立了一种车辆传动系统动态模拟试验台，其扭振激振装置的行星齿轮轴万向节在有夹角旋转时产生正弦波动，可以通过调节夹角来改变激励的大小。但其缺点是：当驱动轴以一定转速转动时，激励频率只能是驱动轴转速的2倍，当驱动轴转速一定时，激励频率也受到限制。

另外，上述的虚拟引擎模拟器和车辆传动系统动态模拟试验台都是把车轮简化成了一个车轮惯量盘，并且整车等效惯量盘直接通过刚性轴与车轮惯量盘相连，因此不能研究轮胎特性对传动系统扭振特性的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种能够产生可调整振幅和频率的正弦扭振激励力矩，且使激励力矩的频率变化与驱动轴转速无关的车辆传动系统扭振的扭振激振装置；以及采用该扭振激振装置，以整个车辆动力传动系统为对象，根据研究需要产生不同频率的扭振激励，并能分析轮胎特性对传动系统扭振特性影响，最终得出用于传动系统扭振及噪声的设计方法和规范研究的试验台。

本发明的技术方案如下：

一种扭振激振装置，包括一驱动电机和一驱动齿轮轴，所述驱动电机通过驱动电机皮带带动所述驱动齿轮轴转动，其特征在于：还包括一激励齿轮轴和一激励电机，所述激励齿轮轴与所述驱动齿轮轴在同一条轴线上，所述激励齿轮轴的一端连接一主动锥齿轮，所述激励电机通过激励电机皮带带动所述激励齿轮轴转动；所述驱动齿轮轴与所述主动锥齿轮相对的一端固定多个与所述主动锥齿轮配合的行星齿轮，每个所述行星齿轮在等偏心距位置上设置一相同的偏心质量块；所述主动锥齿轮带动所述行星齿轮进行自转。

所述行星齿轮通过一行星齿轮排固定在所述驱动齿轮轴上，所述行星齿轮排包括多个以驱动齿轮轴为中心放射形均布设置的行星轴，所述行星齿轮安装在所述行星轴末端。

所述行星齿轮的数目为4个，所述行星轴为十字形设置。

所述行星齿轮排的中心固定在所述驱动齿轮轴与主动锥齿轮相对的一端，所述行星齿轮排所在的平面垂直于所述驱动齿轮轴。

所述主动锥齿轮可由直齿轮代替。

所述主动锥齿轮和行星齿轮均可由相配合的摩擦轮代替。

每个所述偏心质量块在每个行星齿轮上相位均相同。

一种使用所述扭振激振装置的试验台，包括惯量飞轮和测试系统，其特征在于：它还包括所述扭振激振装置、车轮加载装置和车轮，所述扭振激振装置的驱动齿轮轴与传动系统的飞轮连接，所述加载装置将车轮压在用于放置车轮并被车轮压紧的惯性飞轮上，通过所述惯量飞轮对车轮进行加载；所述测试系统用于采集传动系统半轴和飞轮的转速信号，以及车轮加载装置的拉、压力信号，并进行分析。

所述车轮加载装置包括推力螺纹杆、扭矩轴和支架，在推力螺纹杆的中部通过带有锁紧螺母的推力螺纹杆导向座可转动地固定在所述支架上；所述推力螺纹杆包括手柄端和连接头端，所述连接头端的连接头通过连接头轴销与加载力臂连接；扭矩轴一端固定所述加载力臂，另一端固定车轮支架，其中部穿过支架上部的通孔固定，作为杠杆的支点；所述车轮支架上设置用于安装车轮的轴承孔。

所述惯量飞轮的后侧设置负载装置，一摩擦轮安装在所述负载装置的主轴上。

本发明的技术效果如下：

本发明的试验台包括扭振激振装置、车轮加载装置、惯量飞轮、测试系统，其中扭振激振装置通过激励电机为传动系统扭转振动研究提供扭转振动激励力矩，并同时通过驱动电机为传动系统提供驱动力；车轮加载装置通过将车轮的轮毂轴承固定在车轮支架上来支撑车轮，并且模拟作用于车轮上的整车载荷，并通过机械加载的方式将车轮压向惯量飞轮，并对车轮的位置进行锁定；惯量飞轮装置用于模拟整车的惯量，车轮通过摩擦力驱动惯量飞轮，为传动系统提供所需的负载来模拟整车所受的阻力；测试系统用于采集传感器输出的拉、压力信号和转速信号，并完成对拉、压力信号和转速信号的分析。

本发明的扭振激振装置采用机电激励方式，传动系统的驱动和扭振激励的驱动分别由激励电机和驱动电机完成，扭振激励的频率大小由两电机的转速差决定。因而当传动系统以一定转速运行时，扭振激励装置可以通过调节激励电机的转速来控制行星齿轮的转速，方便地改变扭振激振装置的频率，具有调节量大，抗干扰性强，控制精确，可频繁启动等优点，能够对车辆传动系统进行定频激励和扫频激励。

由于扭振激振装置的行星齿轮的偏心位置上设置可更换的偏心质量块，当行星齿轮在绕行星轴旋转时，偏心质量块会产生离心力，此离心力会对行星轴产生径向的拉力，在确定的方向上拉力的大小按正弦变化，行星齿轮排上行星齿轮的合力对驱动齿轮轴切线方向产生谐波扭振激励。该扭振激的振幅和频率均可根据需要在可调范围内任意调节，不受传动系统转速的制约。

本试验台惯量飞轮系统中还包含有负载装置，负载装置通过摩擦轮将负载装置产生的负载施加在惯量飞轮上，相比在惯量飞轮侧面用传动轴连接磁粉制动器的负载装置，此装置不需要精确的同轴度，加工、安装方便，还可以随时将负载撤除。

本发明的试验台可以通过调节车轮加载装置来模拟传动系统车轮的不同载荷状态，以研究轮胎特性对传动系统扭转振动特性的影响；本试验台架还可以通过设置噪声传感器及其他测量设备来完成对传动系统噪声的测量；通过在车轮上加装制动系统来进行车辆制动系统的特性研究；本发明的试验台还可完成传动系统效率、阻尼以及扭振减振器的测试；本发明的试验台不仅适合前置前驱车辆传动系统扭振测试研究，还可以通过改变设备的布置来用于前置后驱车辆传动系统扭振的测试研究；与实车道路试验相比，本发明的试验台可大大提高车辆传动系统扭振的测试的效率与稳定性，更有利于进行车辆传动系统扭振试验研究。

附图说明

图1是本发明的传动系统扭振试验台结构示意图

图2是本发明的扭振激振装置结构示意图

图3是本发明的加载装置结构示意图

其中：1-扭振激振装置；11-激励齿轮轴；111-主动锥齿轮；112-激励皮带轮；12-驱动齿轮轴；121-行星齿轮排；122-驱动皮带轮；123-连接飞轮法兰；124-行星齿轮；125-偏心质量块；13-激励电机；14-激励电机皮带；15-驱动电机；16-驱动电机皮带；2-车轮加载装置；21-推力螺纹杆；211-推力螺纹杆导向座；212-锁紧螺母；213-导向座轴销；214-推力轴承座；215-拉压力传感器；216-连接头；217-连接头轴销；22-扭矩轴；221-加载力臂；222-车轮支架；23-支架；3-惯量飞轮；31-附加惯量；32-磁粉制动器；321-摩擦轮；4-测试系统；41-转速传感器；5-离合器；6-飞轮；7-变速器及差速器；8-半轴；9-车轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明的试验台包括扭振激振装置1、车轮加载装置2、惯量飞轮3、测试系统4。其中扭振激振装置1与传动系统的飞轮6连接，飞轮6依次连接离合器5及变速器差速器7连接；车辆传动系统的变速器及差速器7通过半轴8与车轮9连接；车轮9安装在加载装置2上，并由加载装置2将车轮9压紧在惯量飞轮3上，从而实现由车轮9通过摩擦力驱动惯量飞轮3。扭振激振装置1用于为传动系统提供可调整振幅和频率的扭转振动激励力矩，并同时为传动系统提供动力。车轮加载装置2用来支撑车轮9，并且模拟作用于车轮9上的整车载荷，并通过机械加载的方式将车轮9压向惯量飞轮3，之后对车轮9的位置进行锁定。测试系统4用于采集传感器输出的拉、压力信号和转速信号，之后将转速信号转换成扭振信号，并完成对拉、压力信号和扭振信号的分析。

如图2所示，扭振激振装置1包括激励齿轮轴11、驱动齿轮轴12、激励电机13、激励电机皮带14、驱动电机15、驱动电机皮带16。其中，激励齿轮轴11和驱动齿轮轴12同轴，激励齿轮轴11一端连接主动锥齿轮111，另一端连接激励皮带轮112。激励电机13通过激励电机皮带14与驱动齿轮轴皮带轮112连接，激励电机13带动激励齿轮轴11转动。

驱动齿轮轴12上依次设置行星齿轮排121、驱动皮带轮122和连接飞轮法兰123，行星齿轮排121包括四个行星轴，行星轴成十字形设置，十字形的中心固定在驱动齿轮轴12的一端，行星齿轮排121所在的平面与驱动齿轮轴12垂直。行星齿轮排121的每个行星轴末端装有一个行星齿轮124，行星齿轮124的齿槽与主动锥齿轮111相配合，本实施例中主动锥齿轮111和行星齿轮124还可由摩擦轮代替。在行星齿轮124的等偏心距位置上安装一大小质量均相同的可更换的偏心质量块125，安装行星齿轮124时，以驱动齿轮轴12轴线正或负方向为基准，偏心质量块125在行星齿轮124上的径向方向与基准方向相同，即安装完成后，偏心质量块125在每个行星齿轮124上的相位相同。当偏心质量块125随着行星齿轮124旋转时，其产生的离心力沿着驱动齿轮轴12的切线方向产生谐波激励力矩，且谐波频率与行星齿轮124的转速成正比。驱动皮带轮122设置在驱动齿轮轴12的中部，驱动电机15通过驱动电机皮带16连接驱动皮带轮122，从而带动驱动齿轮轴12转动。驱动齿轮轴12通过连接飞轮法兰123与传动系飞轮6连接，从而实现对传动系统的驱动和激励。

当驱动电机15带动驱动齿轮轴12转动，四个行星齿轮124在随着驱动齿轮轴12进行公转；同时，激励电机13带动主动锥齿轮111转动，每个行星齿轮124随着主动锥齿轮111绕着各自的行星轴进行自转。扭振激励的频率大小由两电机的转速差决定，因此扭振激励装置1可以通过调节激励电机13和驱动电机15的转速来控制行星齿轮124的转速，从而实现对扭振激励频率的调节。因此为了能够得到较宽的扭振激励频率范围，需要激励电机13和驱动电机15具有较大的转速范围，本实施例中的激励电机13和驱动电机15均为变频调速电机。

本实施例中，主动锥齿轮111可由直齿轮代替，并与行星齿轮124组成直齿行星结构，但当四个行星齿轮124旋转时，由主动锥齿轮111与行星齿轮124组成的锥齿行星结构相对于上述直齿行星结构，可减小由于偏心质量块125引起的驱动齿轮轴12的波动及科氏力对驱动齿轮轴12扭振激励的影响。且锥齿轮行星结构相比直齿行星机构可以有较小的转动惯量，锥齿行星结构相比直齿行星机构有较小的径向力。本发明的主动锥齿轮111选择锥度为90°的锥齿轮。

如图3所示，本发明的车轮加载装置2主要包括推力螺纹杆21、扭矩轴22和支架23。其中，在推力螺纹杆21的原理与千斤顶相同，将来自于手柄的旋转作用力转换成向前的推力。推力螺纹杆21的中部靠近手柄部分，设置一带有锁紧螺母212的推力螺纹杆导向座211，推力螺纹杆导向座211通过导向座轴销213固定在支架23的下部，导向座轴销213相当于杠杆的支点。推力螺纹杆21的前端依次设置推力轴承座214、拉压力传感器215和连接头216，其中连接头216设置在推力螺纹杆21的端部，连接头216通过连接头轴销217与扭矩轴22的加载力臂221固定连接。扭矩轴22的中部穿过支架23上部的通孔，一端固定加载力臂221，另一端固定车轮支架222，车轮9的轮毂轴承安装在车轮支架222的轴承孔223上。

当旋转推力作用于螺纹杆21的手柄时，旋转推力会通过推力轴承座214、力传感器215、连接头216和连接头轴销217的作用在加载力臂221上，加载力臂221驱动扭矩轴22旋转，扭矩轴22将扭矩传到车轮支架222，最后车轮支架222带着车轮9摆动。当车轮9被惯量飞轮3阻挡时，继续旋转推力螺纹杆21就会实现对车轮9的加载，当加载到预定载荷时，利用锁紧螺母212将推力螺纹杆21锁定，从而实现将车轮9以预定的载荷压在惯量飞轮3上。

车轮加载装置2的加载方式可选择液压加载、电力加载和机械加载。在本发明中考虑到液压加载方式在加载过程中载荷是脉动性的，液压缸油路系统的泄漏也易造成加载不平稳，而且液体会被压缩导致试验结果不准确；电力加载的方式虽然具有运行平稳、易于控制、加载精度高等优点，但是此种方式的加载需要的电控系统非常复杂，而且成本很高；因此本发明中采取机械加载的方式。

如图1所示，惯量飞轮3用于模拟车辆的直线行驶惯量，根据动能守恒，在相同车速时使惯量飞轮的转动动能与车辆直线行驶时的动能相当。为满足不同车型的惯量要求，本发明惯量飞轮3还包括附加惯量31。其中惯量飞轮3用于作为主要惯量，且飞轮表面可作为车轮9的支撑面；附加惯量31则设计成多个不等惯量大小的惯量环(类似于天平砝码的原理)。在试验时，使用附加惯量31来精确模拟被测车辆所需惯量；在惯量飞轮3和附加惯量31的外侧面外缘均留有法兰止口以及螺纹孔，这样可根据实际需要选择附加惯量轮31，然后将所选的附加惯量31通过止口和螺栓连接到惯量轮3上。惯量飞轮3采用车床车削而成，为减小其自身的质量其结构采用辐板式，材料为铸钢。另外在惯量飞轮3的辐板上钻有均布的螺栓孔，因此当固定完附加惯量轮31之后，可以根据情况随时对惯量飞轮系统实施现场动平衡。在惯量飞轮的后侧还设置有负载装置，本实施例中的负载装置为磁粉制动器32，一摩擦轮321安装在磁粉制动器32的主轴上，其主要作用是通过摩擦轮321为惯量飞轮施加负载用来模拟整车的阻力。

测试系统4由数据采集和数据分析两部分组成。数据采集部分使用FPGA芯片与PCI桥芯片作为数据采集的平台，将采集的拉压力传感器215和转速传感器41输出的拉、压力信号和转速信号输入数据分析部分。其中FPGA芯片能够将数据采集系统的多个模块整合到一个芯片中，大大提高了数据采集系统的性能。数据分析系统由VC++软件编程实现。

本发明的试验台工作过程为：

1)将车辆传动系统安装在试验台架上：通过车轮加载装置2将车轮9按照要求的载荷压紧在惯量飞轮3上，这样当传动系统旋转时，惯量飞轮3在车轮9的摩擦驱动下转动，从而在试验过程中就实现了整车等效惯量。

2)在传动系统的飞轮6和半轴8上布置转速传感器41，在试验台的车轮加载装置2的推力轴承座214上布置拉压力传感器215。

3)启动驱动电机15，通过驱动电机皮带16驱动整个传动系统以一定的转速进行运转。

4)调节激励电机13的转速来调节激励齿轮轴11的转速，通过激励齿轮轴11与驱动齿轮轴12共同驱动行星齿轮124转动，由行星齿轮124上的偏心质量块125产生对驱动齿轮轴12的激振力矩。通过调节激励电机13的转速来调节行星齿轮124的转速，从而控制扭振激振力矩的频率和大小。

5)利用测试系统4采集拉压力传感器215和转速传感器41输出的拉、压力信号和转速信号，转速信号在测试系统4中被转换成扭振信号；之后在测试系统4中完成对拉、压力信号和扭振信号的分析。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种扭振激振装置，包括一驱动电机和一驱动齿轮轴，所述驱动电机通过驱动电机皮带带动所述驱动齿轮轴转动，其特征在于：还包括一激励齿轮轴和一激励电机，所述激励齿轮轴与所述驱动齿轮轴在同一条轴线上，所述激励齿轮轴的一端连接一主动锥齿轮，所述激励电机通过激励电机皮带带动所述激励齿轮轴转动；所述驱动齿轮轴与所述主动锥齿轮相对的一端固定多个与所述主动锥齿轮配合的行星齿轮，每个所述行星齿轮在等偏心距位置上设置一相同的偏心质量块；所述主动锥齿轮带动所述行星齿轮进行自转。

2.如权利要求1所述的一种扭振激振装置，其特征在于：所述行星齿轮通过一行星齿轮排固定在所述驱动齿轮轴上，所述行星齿轮排包括多个以驱动齿轮轴为中心放射形均布设置的行星轴，所述行星齿轮安装在所述行星轴末端。

3.如权利要求2所述的一种扭振激振装置，其特征在于：所述行星齿轮的数目为4个，所述行星轴为十字形设置。

4.如权利要求2所述的一种扭振激振装置，其特征在于：所述行星齿轮排的中心固定在所述驱动齿轮轴与主动锥齿轮相对的一端，所述行星齿轮排所在的平面垂直于所述驱动齿轮轴。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种扭振激振装置，其特征在于：所述主动锥齿轮可由直齿轮代替。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种扭振激振装置，其特征在于：所述主动锥齿轮和行星齿轮均可由相配合的摩擦轮代替。

7.如权利要求1所述的一种扭振激振装置，其特征在于：每个所述偏心质量块在每个行星齿轮上相位均相同。

8.一种使用如权利要求1～7所述的扭振激振装置的试验台，包括惯量飞轮和测试系统，其特征在于：它还包括所述扭振激振装置、车轮加载装置和车轮，所述扭振激振装置的驱动齿轮轴与传动系统的飞轮连接，所述加载装置将车轮压在用于放置车轮并被车轮压紧的惯性飞轮上，通过所述惯量飞轮对车轮进行加载；所述测试系统用于采集传动系统半轴和飞轮的转速信号，以及车轮加载装置的拉、压力信号，并进行分析。

9.如权利要求8所述的一种试验台，其特征在于：所述车轮加载装置包括推力螺纹杆、扭矩轴和支架，在推力螺纹杆的中部通过带有锁紧螺母的推力螺纹杆导向座可转动地固定在所述支架上；所述推力螺纹杆包括手柄端和连接头端，所述连接头端的连接头通过连接头轴销与加载力臂连接；扭矩轴一端固定所述加载力臂，另一端固定车轮支架，其中部穿过支架上部的通孔固定，作为杠杆的支点；所述车轮支架上设置用于安装车轮的轴承孔。

10.如权利要求8所述的一种试验台，其特征在于：所述惯量飞轮的后侧设置负载装置，一摩擦轮安装在所述负载装置的主轴上。

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