CN105372064B - 工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验台，包括基座、待测变速箱、待测液力变矩器和驱动电机，还包括第一、二、三转矩转速传感器、陪侍齿轮箱、加载电机、振动传感器、噪声传感器、数据采集卡、控制器和上位机，驱动电机、第一转矩转速传感器、待测变速箱、第二转矩转速传感器、待测液力变矩器、第三转矩转速传感器、陪侍齿轮箱与加载电机依次连接，加载电机与驱动电机供电连接；各传感器均与上位机数据传送连接，上位机与驱动电机和加载电机控制连接。本发明的优点是：可实现变速箱与液力变矩器在同一工况下进行性能试验，还能对变速箱进行NVH检测，使变速箱的品质得以提高。本发明还公开此工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法。

Description

工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测变速箱出厂前的检测分析试验台及试验方法，特别涉及一种工程机械变速箱总成的各性能检测分析的试验台及其试验方法。

背景技术

变速箱是现工程机械的重要传动部件，其为了能在整机装配前准确地评价出该变速箱的传动质量和性能，变速箱在出厂前均会放置在试验台上进行检测。现变速箱试验台过多采用的是涡流测功机、液力测功机，即在试验台中由驱动电机产生能量经过待测变速箱到终端的加载设备，这样驱动电机的能量通过待测变速箱消耗于终端的加载设备，造成能量消耗大，不宜用于长期试验中。

另，工程机械的变速箱的输出均是与液力变矩器连接，目前的变速箱试验台设计主要只针对变速箱的出厂检测和性能检测(即传动效率的检测)，对于液力变矩器的出厂检测只能在不同试验台进行测试，即变速箱与液力变矩器分别在不同试验台上进行，而变速箱与液力变矩器是一同使用的，这就造成两者不能准确模拟在同一工况下的性能试验，试验可靠性较低；同时，现有的试验台无法对变速箱进行NVH检测，使变速箱的品质性能无法得到进一步提高。

有鉴于此，本申请人对上述问题进行深入研究，遂由本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验台，其可实现变速箱与液力变矩器在同一工况下进行性能试验，还能对变速箱进行NVH检测，使变速箱的品质得以提高，并具有节能，省电的优点。

本发明的另一目的在于提供一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法，其在同一工况下对变速箱与液力变矩器进行性能试验，可实现变速箱与液力变矩器在同一工况下进行性能试验，还能对变速箱进行NVH检测，使变速箱的品质得以提高。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验台，包括基座，设置在基座上的待测变速箱，待测液力变矩器和驱动电机，驱动电机的输出端与待测变速箱的输入端传动连接，待测变速箱的输出端与待测液力变矩器的输入端传动连接；还包括第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、陪侍齿轮箱、加载电机、振动传感器和噪声传感器，上述驱动电机的输出端通过上述第一转矩转速传感器与上述待测变速箱的输入端传动连接，上述待测变速箱的输出端通过上述第二转矩转速传感器与上述待测变速箱的输出端传动连接，上述待测液力变矩器的输出端通过上述第三转矩转速传感器与上述陪侍齿轮箱的输入端传动连接，上述陪侍齿轮箱的输出端与上述加载电机的输入端连接，上述加载电机经共直流母线与上述驱动电机供电连接；上述振动传感器安装在上述待测变速箱上，上述噪声传感器固定安装于上述待液变速箱的上方。

上述噪声传感器设置有三个，上述噪声传感器的检测端朝下设置，并与上述待测变速箱之间的间距为0.3m，三噪声传感器分别处于上述待测变速箱的左上方、正上方和右上方，三噪声传感器的输出端均与上述上位机的输入端连接。

上述待测变速箱具有输入轴、中间轴和输出轴，上述待测变速箱输入轴的轴承座，上述待测变速箱中间轴两端的轴承座及上述待测变速箱输出轴的轴承座上均安装有上述振动传感器。

一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法，包括如下步骤：

一、上位机初始化，并在上位机上输入待测变速箱型号及试验类型的相关参数，准备试验开启条件；

二、启动驱动电机，加载电机，对驱动电机和加载电机分别进行转速、转矩控制，之后第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、振动传感器和噪声传感器开始测量，第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、各振动传感器和噪声传感器的采集数据经数据采集卡通过以太网发送给上位机；

三、上位机的接收模块接收第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、振动传感器和噪声传感器的采集数据，且上位机接收的第一、二、三转矩转速传感器的采集数据通过上位机的转速分析模块进行传动效率分析处理，分析得到待测变速器和待测液力变矩器的传动效率；上位机接收的振动传感器的采集数据通过上位机的振动分析模块进行振动分析，分析得到待测变速箱的振动特性，且振动分析模块具有用于变速箱匀速转动分析的频谱分析模块，用于变速箱匀速转动分析的功率谱密度分析模块，及用于变速箱非匀速转动分析的阶次分析模块；上位机接收的噪声传感器的采集数据通过噪声分析模块进行噪声分析，分析得到变速箱的噪声特性，且噪声分析模块具有频谱分析模块和能量谱分析模块；该转速分析模块、振动分析模块及噪声分析模块分析得到的数据均发送至上位机的显示模块中显示出来，并在上位机的保存模块中保存。

上述步骤三中阶次分析模块的阶次分析步骤是先对待测变速箱不同档位下的振动传感器的信号根据式①和式②进行等角度重采样计算，计算得出的等角度重采样数据作为振动信号阶次分析的参考基频；

L＝M×Δθ_j ②

其中，Δθ_j为间隔采样角度,E₁为第一转矩转速传感器的等角度重采样点数，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值，为已知参数)，M为信号的总采样样本点数，L为采样的总长度；

再对待测变速箱输入轴转速信号的实时采集数据采用离散傅立叶变换计算方式进行计算即可得到阶比幅值，此阶比幅值结合等角度重采样数据可得到阶次分析谱，此阶次分析谱由上位机显示出来，利用此阶次分析谱即得到待测变速箱发生故障的故障源；该离散傅立叶变换计算方式如下：

其中：f_j为参考轴基准频率(j＝1、2、3,j＝1代表输入轴基准频率,j＝2代表中间轴基准频率，j＝3为输出轴基准频率)，N₁为输入轴的转速，即第一扭矩转速感应器的测量值，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值)；O_j为相对参考轴的阶次，F_N为被分析对象的频率值，N_j为参考轴转速(j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴)，即输入轴的转速为第一扭矩转速感应器的测量值，中间轴和输出轴的转速相应通过中间轴与输入轴的传动比和输出轴与输入轴的传动比即可计算得出，式⑤的M为信号的总采样样本点数，X(O_j)为阶比幅值。

本发明的有益效果如下：通过第一、二、三转矩转速传感器的采集数据可得到待测变速箱的输入、输出转速，待测液力变矩器的输入、输出转速，从而可计算得到待测变速箱和待测液力变矩器的传动效率，实现对待测变速箱出厂试验检测的同时，也可检测液力变矩器的传动效率试验，且待测变速箱和待测液力变矩器连接在一起进行测试，使变速箱和液力变矩器的测试能够保证在同一工况条件下，并能够更加符合测试对象的实际工作情况，试验可靠性高；同时，通过振动传感器和噪声传感器可对变速箱工作情况下的振动情况和噪声情况进行采集，得以进行NVH检测，从而计算得到变速箱的振动和噪声特征，从而了解变速箱的振动源和噪声源，为降低变速箱的振动和噪声提供可靠的理论依据，以提高变速箱的品质和运行寿命；另，待测液力变矩器输出的能量可经陪侍齿轮箱传递给加载电机发电，加载发光电机发出的电再回馈给驱动电机再利用，实现能量的重新利用，节能，省电。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为振动传感器和噪声传感器的安装示意图；

图4为上位机的振动和噪声分析流程图；

图5为振动信号分析流程图；

图6为噪声信号分析流程图。

具体实施方式

本发明的一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验台，如图1、2所示，包括基座1、待测变速箱2、待测液力变矩器3、驱动电机4、第一转矩转速传感器5、第二转矩转速传感器6、第三转矩转速传感器7、陪侍齿轮箱8、加载电机9、振动传感器10、噪声传感器11、上位机100、数据采集卡200和控制器300；其中：

该待测变速箱2、待测液力变矩器3、驱动电机4和加载电机9均安装在基座1的上表面上，且待测变速箱2的输出轴线、待测液力变矩器3的输出轴线、驱动电机4的输出轴线和加载电机9的输出轴线在同一直线上，该驱动电机4的输出端通过第一联轴器12与待测变速箱2的输入端传动连接，且联轴器12与待测变速箱2的输入端之间安装有该第一转矩转速传感器5，用于测量待测变速箱2输入端的转速，该待测变速箱2的输出端通过第二联轴器13与待测液力变矩器3的输入端传动连接，且待测变速箱2的输出端与第二联轴器13之间安装有该第二转矩转速传感器6，用于测量待测变速箱2输出端的转速，该待测液力变矩器3的输出端通过第三转矩转速传感器7与陪侍齿轮箱8的输入端传动连接，陪侍齿轮箱8的输出端通过第三联轴器14与加载电机9的输入轴传动连接，该加载电机9经共直流母线与驱动电机4供电连接，即在加载电机9的输出端上连接传动系统的变频器15，变频器15将加载电机9产生的电能存储在共直流母线中，共直流母线中的电能再经变频器16供给处于电动状态的驱动电机4使用。

如图3所示，所述的振动传感器10设置有四个，四个振动传感器10分别安装在待测变速箱2上，该待测变速箱2具有输入轴2a、中间轴2b和输出轴2c，且该待测变速箱2对应于输入轴2a、中间轴2b和输出轴2c处相应设置有轴承座，四个振动传感器10对应安装在待测变速箱2的输入轴2a的轴承座，待测变速箱2的中间轴2b两端的轴承座及待测变速箱2的输出轴2c的轴承座上，各振动传感器10为磁座式振动传感，其设置在轴承座上可使振动信号的监测较为理想和精准。

所述的噪声传感器11设置有三个，噪声传感器11的检测端朝下设置，并与待测变速箱2之间的间距为0.3m，三噪声传感器11分别处于待测变速箱11的左上方、正上方和右上方。

四振动传感器10的输出端，三噪声传感器11的输出端，第一转矩转速传感器5的输出端，第二转矩转速传感器6的输出端，及第三转矩转速传感器7的输出端均通过该数据采集卡200与上位机100数据传送连接，且上位机100通过控制器300与驱动电机4和加载电机9转矩、转速控制连接，即由上位机100发出控制指令，此控制指令经控制器300来控制驱动电机4和加载电机9的转速及转矩。

本发明的工程机械变速箱总成性能检测分析试验台的有益效果如下：通过第一、二、三转矩转速传感器的采集数据可得到待测变速箱的输入、输出转速，待测液力变矩器的输入、输出转速，从而可计算得到待测变速箱和待测液力变矩器的传动效率，实现对待测变速箱出厂试验检测的同时，也可检测液力变矩器的传动效率试验，且待测变速箱和待测液力变矩器连接在一起进行测试，使变速箱和液力变矩器的测试能够保证在同一工况条件下，并能够更加符合测试对象的实际工作情况，试验可靠性高；同时，通过振动传感器和噪声传感器可对变速箱工作情况下的振动情况和噪声情况进行采集，得以进行NVH检测，从而计算得到变速箱的振动和噪声特征，从而了解变速箱的振动源和噪声源，为降低变速箱的振动和噪声提供可靠的理论依据，以提高变速箱的品质和运行寿命；另，待测液力变矩器输出的能量可经陪侍齿轮箱传递给加载电机发电，加载发光电机发出的电再回馈给驱动电机再利用，实现能量的重新利用，节能，省电。

采用上述工程机械变速箱总成性能检测分析试台的具体试验方法，包括如下步骤：

一、上位机100初始化，并在上位机100上输入待测变速箱2的型号及试验类型的相关参数，准备试验开启条件；其中试验类型参数包括空载试验参数、传动效率试验参数、加载试验参数、超载试验参数和噪声试验参数；

二、启动驱动电机4，加载电机9，上位机100经控制器300对驱动电机4和加载电机9分别进行转速、转矩控制，之后第一转矩转速传感器5、第二转矩转速传感器6、第三转矩转速传感器7、各振动传感器10和各噪声传感器11开始测量，第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、各振动传感器和噪声传感器的采集数据经数据采集卡200通过以太网发送给上位机100；

三、上位机100通过接收模块接收第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、振动传感器和噪声传感器的采集数据，并通过分析系统对采集数据具有数据分析，具体的是：上位机接收的第一、二、三转矩转速传感器的采集数据通过上位机的转速分析模块进行传动效率分析处理，分析得到待测变速器和待测液力变矩器的传动效率；如图4所示，上位机接收的振动传感器的采集数据通过上位机的振动分析模块进行振动分析，分析得到待测变速箱的振动特性，上位机接收的噪声传感器的采集数据通过噪声分析模块进行噪声分析，分析得到变速箱的噪声特性；

该振动分析模块具有时域分析模块，用于变速箱匀速转动分析的频谱分析模块，用于变速箱匀速转动分析的功率谱密度分析模块，及用于变速箱非匀速转动分析的阶次分析模块，如图5所示，此振动分析模块的具体流程是：上位机对驱动电机进行转速控制，之后根据各振动传感器的振动信号判断是否为匀速运行，当选择“是”时采用功率谱密度分析模块进行分析，得到信号能量，当选择“否”时结合转速信号和等角度采样数据采用阶次分析模块进行分析，分析所得的数据进行实时显示并保存；该转速分析模块、振动分析模块及噪声分析模块分析得到的数据均发送至上位机的显示模块中显示出来，并在上位机的保存模块中保存。

其中，阶次分析模块的阶次分析步骤是先对待测变速箱不同档位下的振动传感器的信号根据式①和式②进行等角度重采样计算，计算得出的等角度重采样数据作为振动信号阶次分析的参考基频；

L＝M×Δθ_j ②

其中，Δθ_j为间隔采样角度,E₁为第一转矩转速传感器的等角度重采样点数，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值)，M为信号的总采样样本点数，L为采样的总长度；

再对待测变速箱输入轴转速信号的实时采集数据采用离散傅立叶变换计算方式进行计算即可得到阶比幅值，此阶比幅值结合等角度重采样数据可得到阶次分析谱，此阶次分析谱由上位机显示出来，利用此阶次分析谱即得到待测变速箱发生故障的故障源；该离散傅立叶变换计算方式如下：

其中：f_j为参考轴基准频率(j＝1、2、3,j＝1代表输入轴基准频率,j＝2代表中间轴基准频率，j＝3为输出轴基准频率)，N₁为输入轴的转速，即第一扭矩转速感应器的测量值，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值)；O_j为相对参考轴的阶次，F_N为被分析对象的频率值，此频率值由被分析对象所在基准轴的转速频率与该被分析对象的传动齿轮齿数的乘积即可计算得到，N_j为参考轴转速(j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴)，即输入轴的转速为第一扭矩转速感应器的测量值，中间轴和输出轴的转速相应通过中间轴与输入轴的传动比和输出轴与输入轴的传动比即可计算得出，式⑤的M为信号的总采样样本点数，X(O_j)为阶比幅值；

所述的噪声分析模块具有时域分析模块、频谱分析模块和能量谱分析模块，如图6所示，该噪声分析模块的具体方式是：各噪声传感器的噪声信号采用A计权声压计算方式计算得出是否大于正常运行声压值，该转速分析模块、振动分析模块及噪声分析模块分析得到的数据均发送至上位机的显示模块中显示出来，并在上位机的保存模块中保存；当选择“是”时上位机发出故障报警信号，当选择“否”时通过采用能量谱分析模块和频谱分析模块进行分析，可得到各种幅值以频率为变量的频谱能量函数，从而得到各频率下的噪声能量分布，此噪声能量通过上位机实时显示并保存。

本发明的工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法，具有如下有益效果：

一、通过第一、二、三转矩转速传感器的采集数据可得到待测变速箱的输入、输出转速，待测液力变矩器的输入、输出转速，从而可计算得到待测变速箱和待测液力变矩器的传动效率，实现对待测变速箱出厂试验检测的同时，也可检测液力变矩器的传动效率试验，且待测变速箱和待测液力变矩器连接在一起进行测试，使变速箱和液力变矩器的测试能够保证在同一工况条件下，并能够更加符合测试对象的实际工作情况，试验可靠性高；

二、通过各振动传感器的振动信号并结合本发明的阶次分析方法可得到待测变速箱的振动特征，同时结合变速箱的运行特征频率能够更准确地定位待测变速箱的故障部件，为后续提高和改变变速箱性能提供可靠的理论依据；并通过本发明的阶次分析模块能够实现对非平稳信号的诊断分析；

三、通过各噪声传感器的噪声信号可得到待测变速箱的噪声特征，并根据噪声特征可得到待测变速箱出现故障的信息；

四、结合振动信号和噪声信号得以进行NVH检测，从而计算得到变速箱的振动和噪声特征，从而了解变速箱的振动源和噪声源，为降低变速箱的振动和噪声提供可靠的理论依据，以提高变速箱的品质和运行寿命；

五、上位机可输出待测变速箱在各档位下的传动效率关系曲线、空载下损失关系曲线、液力变矩仪的传动效率关系曲线、试验中温升曲线等，使测试数据一目了然，并测试数据能够得以保存，方便技术员后续数据的查询和分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本发明权利要求的范围。

Claims (1)

1.一种工程机械变速箱总成性能检测分析试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

一、上位机初始化，并在上位机上输入待测变速箱型号及试验类型的相关参数，准备试验开启条件；

二、启动驱动电机，加载电机，对驱动电机和加载电机分别进行转速、转矩控制，之后第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、振动传感器和噪声传感器开始测量，第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、各振动传感器和噪声传感器的采集数据经数据采集卡通过以太网发送给上位机；

三、上位机的接收模块接收第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第三转矩转速传感器、振动传感器和噪声传感器的采集数据，且上位机接收的第一、二、三转矩转速传感器的采集数据通过上位机的转速分析模块进行传动效率分析处理，分析得到待测变速器和待测液力变矩器的传动效率；上位机接收的振动传感器的采集数据通过上位机的振动分析模块进行振动分析，分析得到待测变速箱的振动特性，且振动分析模块具有用于变速箱匀速转动分析的频谱分析模块，用于变速箱匀速转动分析的功率谱密度分析模块，及用于变速箱非匀速转动分析的阶次分析模块；上位机接收的噪声传感器的采集数据通过噪声分析模块进行噪声分析，分析得到变速箱的噪声特性，且噪声分析模块具有频谱分析模块和能量谱分析模块；该转速分析模块、振动分析模块及噪声分析模块分析得到的数据均发送至上位机的显示模块中显示出来，并在上位机的保存模块中保存；

上述步骤三中阶次分析模块的阶次分析步骤是先对待测变速箱不同档位下的振动传感器的信号根据式①和式②进行等角度重采样计算，计算得出的等角度重采样数据作为振动信号阶次分析的参考基频；

L＝M×Δθ_j ②

其中，Δθ_j为间隔采样角度,E₁为第一转矩转速传感器的等角度重采样点数，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值)，M为信号的总采样样本点数，L为采样的总长度；

再对待测变速箱输入轴转速信号的实时采集数据采用离散傅立叶变换计算方式进行计算即可得到阶比幅值，此阶比幅值结合等角度重采样数据可得到阶次分析谱，此阶次分析谱由上位机显示出来，利用此阶次分析谱即得到待测变速箱发生故障的故障源；该离散傅立叶变换计算方式如下：

其中：f_j为参考轴基准频率(j＝1、2、3,j＝1代表输入轴基准频率,j＝2代表中间轴基准频率，j＝3为输出轴基准频率)，N₁为输入轴的转速，即第一扭矩转速感应器的测量值，I_ij为各档位下相对输入轴的传动比(其中i＝1、2…5分别表示5种档位，j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴，如I₁₂表示档位1下中间轴相对输入轴的传动比值)；O_j为相对参考轴的阶次，F_N为被分析对象的频率值，N_j为参考轴转速(j＝1、2、3分别表示输入轴、中间轴和输出轴)，即输入轴的转速为第一扭矩转速感应器的测量值，中间轴和输出轴的转速相应通过中间轴与输入轴的传动比和输出轴与输入轴的传动比即可计算得出，式⑤的M为信号的总采样样本点数，X(O_j)为阶比幅值。