CN107449609A

CN107449609A - 一种动力总成主动悬置实验台架

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Publication number: CN107449609A
Application number: CN201710548073.8A
Authority: CN
Inventors: 郭荣; 位小康; 孙自艺; 杨东旭; 陆剑桥; 戴卓
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2017-12-08

Abstract

本发明提供一种由电机、联轴器、齿轮箱、偏心轮组成的模拟发动机质量力的自行设计实验台装置。电机选择标准的可变频的单相交流电机，联轴器主要用于电机与齿轮箱、齿轮箱与齿轮箱间的传动，齿轮箱选择标准的T型齿轮箱，采用联轴器将两个T型齿轮箱相连，用于安装两个对称的偏心轮，偏心轮与齿轮箱轴用键连接，从而保证足够的强度。该装置用标准的可变频的单相交流电机作为动力输入装置，偏心轮作为模拟发动机质量力的输出装置。该装置结构小巧紧凑，全部采用标准件，易于制造，且能较真实地模拟发动机质量力的实际效果。

Description

一种动力总成主动悬置实验台架

技术领域

本发明涉及汽车发动机领域，尤其涉及一种动力总成主动悬置实验台架。

背景技术

内燃机的结构形式，主要是以曲柄连杆机构组成的以往复运动为特点的热动力机。虽然根据相似的工作原理，在结构上还发展有回转式、凸轮盘式等，但当前主要应用的仍然是曲柄连杆机构，其工作特点是间歇性的周期性循环，这使得内燃机中的零部件承受着周期性变动力的作用。内燃机发生各类振动现象的激励，主要来自气缸内的气体压力，以及由于主运动机构的运动而产生的惯性力。

剧烈的振动使内燃机本身零部件间发生剧烈的冲击，导致内燃机本身机件的损坏，尤其地脚螺钉等处将会很快由于疲劳而破损，另外，有可能破坏各部分正常的工作关系，最终使内燃机全面损坏。

目前,基于整车振动与噪声控制的试验装置的设计要求和设计方法研究尚属起步阶段,没有统一且完善的设计流程和要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力总成主动悬置实验台架，包括电机，齿轮箱和偏心轮，所述电机为交流变频电机，通守改变电机输入频率，改变电机转速，电机用联轴器与两个T型齿轮箱连接，两个T型齿轮箱分别带动两个偏心轮转动，构成产生发动机模拟质量力的主动悬置实验台架。

所述发动机模拟质量力，是通过改变变频电机的输入电源泉频率，或者改变齿箱的变速比，或者改变偏心轮的偏心距、偏心轮的厚度，达到模拟不同阶次发次动机的质量力。

所述偏心轮的尺寸根据被模拟的发动机性能决定，其中:

偏心轮大圆心O1和小圆心O2之间距离为=r-x

其中: r 为大圆心O1与偏心轮质心之间距离；

x为偏心距；

偏心轮大圆半径R1和小圆半径R2以及偏心轮厚度按下式计算:

偏心轮质量（ρ为偏心轮材料密度），V为偏心轮体积。

本发明的优点是，本发明在较大的变频范围内实现发动机质量力的模拟，可以实现零部件个数少，实施简单，成本较低，全部采用标准件，易于制造，且能较真实地模拟发动机质量力的实际效果。

附图说明

图1为本发明装置示意图

图2偏心轮示意图

图3为模拟四冲程四缸发动机质量的偏心轮尺寸示意图

图4为图3的侧视图

图中标号说明:

1-电机；2-联轴器；3-齿轮箱；4-偏心轮；O1-大圆圆心;O2小圆圆心;C-偏心轮质心;r-偏心距；x-为O1至C之间距离。

具体实施方式

现以模拟四冲程四缸发动机质量力为例，进行电机、齿轮箱、偏心轮的设计与选型；设计电机的转速参数，齿轮箱的传动比参数，偏心轮的偏心距，设计半径，厚度；如果想要模拟其它发动机的质量力，只需要根据不同发动机质量力的表达式进行设计计算即可。

以下是被模拟发动机及需要设计的偏心轮定义参数的表

本发明用标准的可变频的单相交流电机作为信号输入装置，通过改变电机的频率，实现转速的控制；通过联轴器传到两个T型齿轮箱，再通过建传动带动两个对称的偏心轮转动，产生发动机模拟质量力，解决上述实验平台模拟发动机激励源的质量力输出系统的问题。

本发明是通过如下技术方案实现：用标准的可变频的单相交流电机作为信号输入装置，通过改变电机的频率，实现转速的控制；通过联轴器传到两个T型齿轮箱，再通过建传动带动两个对称的偏心轮转动，产生发动机模拟质量力。

作为优选的技术方案，电机选型前，先通过理论计算，选择一个功率合适的标准的可变频的单相交流电机，在实现效果的同时，从而节约成本与能源。

作为优选的技术方案，齿轮箱选型前，先通过理论计算，选择一个模数、齿数相近，且能承受1.5kw输入功率的标准的T型齿轮箱，在实现效果的同时，从而节约成本与能源。

作为优选的技术方案，偏心轮通过理论计算设计尺寸，选择材料，极大地保证了试验的可行性。

本发明在较大的变频范围内实现发动机质量力的模拟，可以实现零部件个数少，实施简单，成本较低，全部采用标准件，易于制造，且能较真实地模拟发动机质量力的实际效果。

计算偏心轮的尺寸:

（1）计算公式、参数

要使幅值相同则

当偏心轮的转速是被模拟发动机转速的两倍时，才能使力的振动周期相同，故

由（1.4）（1.5）整理得

设偏心轮产生离心力使偏心轮产生的加速度的幅值为k·g（g为重力加速度）

由②式得：

（1.6）（1.7）联立得到

请参阅附图3、4所示；

（3）确定偏心轮参数

为大圆圆心，半径为

为小圆（孔）圆心，半径为

C为偏心轮质心，|OC|=r（偏心距）

设偏心轮厚度为，

对C点取矩：

偏心轮体积

偏心轮质量

取发动机参数

取

偏心轮材料为45钢，

由（1.8）（1.11）（1.12）联立解得k≈339.3，m=0.17802kg

由（1.7）得r=0.016844m

由（1.10）式与实际情况取

将参数整理后得偏心轮主要尺寸为：

偏心轮厚度。

关于电机功率计算:

（1）由下式进行估算，设加速过程为匀加速过程：

由前面取

加速时间t=0.1s（该时间相对于实际时间偏保守）

（2）总功率

设两个齿轮箱的效率分别为、，两个联轴器效率为、，则由设计图可得总效率

根据相关参考文献，、范围在0.9～0.99，、范围在0.97～0.99

取

则P=

选取功率为1.5kW的发动机可满足要求。

电机选型说明：

电机型号： 90L-4

额定功率：1.5kw

转速范围：0-1400 r/min

电源方式：220V交流电

价格：（变频电机+变频器）

电机相数：单相电机

安装结构型式: 卧式B3

关于变频器:

输入电压：单相176~264V

输入频率：50Hz

输出电压：单相0~280V

输出频率：0~650Hz

输出功率：单相0.4~11KW

控制方式：v/f控制、v/f分离控制

调速比：1：100

稳速精度：±0.5％

转矩响应：<=50ms

起动转矩：0.5Hz,150％

过载能力：200％额定负载连续工作1s，

180％额定负载连续工作10s，

250％额定负载连续工作60s

频率设定方式：数字量设定，模拟量设定等

保护功能：过流，过压，欠压，过温，过载，短路等保护

多功能数字量输入：5路

多功能数字量输出：1路

模拟量输入：1路

模拟量输出：1路

继电器输出：1路

安装方式：壁挂

运行环境温度：-10~40℃

防护等级：Ip20

选择理由：根据计算所得需要的电压1.5kw选择相应的额定功率，为了便于试验台在教学楼的使用以及操作时的安全性，我们选择了单相220V电机，由于齿轮箱能达到两倍增速，因此最大转速达到1400转即可满足偏心轮3000转左右的要求，并配有A3变频器以达到调速及能够输出模拟量的要求，A3变频器主要适用于单相电机的变频，且满足所选电机的额定功率。

关于齿轮尺寸计算:

（1）选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取20°。

（2）选用7级精度。

（3））材料选择。齿轮材料均选择为20CrMnTiH渗碳淬火。小齿轮齿面硬度61HRC，小齿轮齿面硬度59HRC。

（4）选大齿轮齿数，大齿轮齿数。

关于按齿面接触疲劳强度设计:

（1）由《机械设计》式（10-11）试算小齿轮的分度直径，即

1）确定公式中的各参数值

① 试选。

②计算小齿轮传递的转矩。

③由《机械设计》表10-7选取齿宽系数。

④由《机械设计》表10-20查得区域系数为。

⑤由《机械设计》表10-5查得材料的弹性影响系数。

⑥ 由《机械设计》式（10-9）计算接触疲劳强度用重合度。

⑦计算接触疲劳许用应力。

由《机械设计》图10-25（e）查得大齿轮和小齿轮的接触疲劳极限

。

由《机械设计》式（10-15）计算应力循环次数：

由《机械设计》图10-23查取接触疲劳寿命系数。

取失效概率为1%、安全系数S=1，由《机械设计》式（10-14）得

取中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

2)试算小齿轮分度圆直径

(2)调整小齿轮分度圆直径

1）计算实际载荷系数前的数据准备

①圆周速度V。

②齿宽b。

2）计算实际载荷系数。

①《机械设计》表10-2查得使用系数。

②根据，由《机械设计》图10-8查得动载系数。

③齿轮的圆周力

查《机械设计》表10-3得齿间载荷分配系数。

④查《机械设计》表10-4取最小直径、7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷分布系数。

由此，得到实际载荷系数

。

3）由《机械设计》式（10-12），可得按实际载荷系数算得的分度圆直径

及相应的齿轮模数

。

关于按齿根弯曲疲劳强度设计：

由《机械设计》式（10-7）试算模数，即

1）确定公式中的各参数值

① 试选。

② 由《机械设计》式（10-5）计算弯曲疲劳强度用重合度系数。

③ 计算。

由《机械设计》图10-17查得齿形系数。

由《机械设计》图10-18查得应力修正系数。

由《机械设计》图10-24d得大小齿轮齿根弯曲疲劳极限。

由《机械设计》图10-22查得弯曲疲劳寿命系数。

取弯曲疲劳安全系数，由《机械设计》式（10-14）得

取。

2）试算模数

。

（2）调整齿轮模数

1）计算实际载荷系数前的数据准备。

① 圆周速度。

② 齿宽b。

③宽高比b/h。

。

2）计算实际载荷系数。

① 根据v=2.21m/s,7 级精度，由《机械设计》图10-8 查得动载系数。

②由，查《机械设计》表10-3得齿间分配系数

③《机械设计》表10-4，取b=40mm 得，结合b/h=21.31，查《机械设计》图10-13，得。

则载荷系数为。

3）由《机械设计》式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数0.327mm并就近圆整为标准值m=0.4mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径，算得小齿轮齿数。

取，则小齿轮齿数，取，互为质数。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

几何尺寸计算:

（1）计算分度圆直径

（2）计算中心距

(3)计算齿轮宽度

考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽,取40mm。

Claims

1.一种动力总成主动悬置实验台架，包括电机，齿轮箱和偏心轮，其特征在于，所述电机为交流变频电机，通守改变电机输入频率，改变电机转速，电机用联轴器与两个T型齿轮箱连接，两个T型齿轮箱分别带动两个偏心轮转动，构成产生发动机模拟质量力的主动悬置实验台架。

2.按权利要求1所述的动力总成主动悬置实验台架，其特征在于，所述发动机模拟质量力，是通过改变变频电机的输入电源泉频率，或者改变齿箱的变速比，或者改变偏心轮的偏心距、偏心轮的厚度，达到模拟不同阶次发次动机的质量力。

3.按权利要求1所述的动力总成主动悬置实验台架，其特征在于，所述偏心轮的尺寸根据被模拟的发动机性能决定，其中:

偏心轮大圆心O1和小圆心O2之间距离为=r-x

其中: r 为大圆心O1与偏心轮质心之间距离；

x为偏心距；

偏心轮大圆半径R1和小圆半径R2以及偏心轮厚度按下式计算:

，

ρ为偏心轮材料密度，

V为偏心轮体积。