CN108414221B - 一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,先获取测试装置,再进行扭转疲劳强度测试的步骤,所述测试装置包括底座,安装在底座上的液压伺服扭转作动器和减速器;液压伺服扭转作动器的输出端与减速器的输入轴相连;减速器的输出轴安装有端盖连接法兰盘,端盖连接法兰盘上沿周向均布有与液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的螺栓孔,液力变矩器端盖通过螺栓固定在端盖连接法兰盘上,底座上还安装有固定夹具,液力变矩器端盖上的固定轴与固定夹具固定连接;测试前,先确定进行扭转疲劳强度测试所采用的加载工况。本发明具有能够模拟实车工况下的动态和稳态扭矩,能够快速准确地进行扭转疲劳强度进行测试,测试精度高,稳定性好等优点。

Description

一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法
技术领域
本发明涉及液力变矩器试验技术领域,特别的涉及一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法。
背景技术
液力变矩器是机动车辆实现无级调速的核心传动件,始终在高转速、高扭矩的高负荷工况下连续工作,对可靠性有极高的要求。液力变矩器是由泵轮、涡轮以及导轮组成的液力元件,以液压油为工作介质,起传递转矩、变矩、变速及离合的作用,其中,泵轮与液力变矩器的壳体连成一体,并通过螺栓将壳体的端盖固定在发动机曲轴后端的凸缘或飞轮上,壳体做成两半,装配后焊成一体。
在液力变矩器进行液力变矩过程中,液力变矩器的壳体端盖会承受发动机产生的扭振以及内部液压冲击载荷,并产生较大的变形与应力,使得扭转疲劳破坏成为其失效的主要形式,液力变矩器端盖的扭转疲劳强度会直接影响到液力变矩器的寿命以及传动系统的可靠性。
目前,对液力变矩器的研究主要集中于液力变矩器整体性能的测试,鲜有针对液力变矩器的零部件单独进行的测试研究,特别是对液力变矩器端盖的扭转疲劳强度进行的测试。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是:如何提供一种能够模拟实车工况下的动态和稳态扭矩,能够快速准确地对液力变矩器端盖的扭转疲劳强度进行测试,测试精度高,稳定性好的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用了如下的技术方案:
一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,所述液力变矩器端盖整体呈圆盘形,其一侧具有用于与发动机的凸缘或飞轮螺栓连接的螺栓座,所述螺栓座位于所述液力变矩器端盖的边缘处,且沿周向均布设置;所述液力变矩器端盖的另一侧中部焊接固定有同轴设置的固定轴;其特征在于,包括先获取如下结构的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,包括底座,安装在所述底座上的液压伺服扭转作动器和减速器;所述液压伺服扭转作动器的输出端集成有角度传感器和扭矩传感器,所述液压伺服扭转作动器的输出端通过联轴器与所述减速器的输入轴相连;所述减速器的输出轴安装有同轴设置的端盖连接法兰盘,所述端盖连接法兰盘上沿周向均布有与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的螺栓孔,所述液力变矩器端盖通过螺栓固定在所述端盖连接法兰盘上,所述底座上还安装有固定夹具,所述液力变矩器端盖上的固定轴与所述固定夹具固定连接;所述测试装置还包括能够用于控制加载和采集数据的测控单元,所述测控单元包括计算机、连接在所述计算机上的控制器和数据采集模块;所述液压伺服扭转作动器、角度传感器和扭矩传感器均电连接至所述控制器;所述液力变矩器端盖上粘贴有多个应变片,所述应变片电连接至所述数据采集模块;再利用计算机通过控制器控制所述液压伺服扭转作动器对所述液力变矩器端盖进行加载,并利用角度传感器和扭矩传感器反馈的信号对液压伺服扭转作动器形成闭环控制,对所述液力变矩器端盖进行扭转疲劳强度测试;测试前,先确定进行扭转疲劳强度测试所采用的加载工况,包括如下步骤:
根据液力变矩器在实车行驶工况下主要受单方向载荷和交变载荷的特点,制定出采用斜坡信号控制所述液压伺服扭转作动器进行加载的变幅值斜坡测试工况和变斜率斜坡测试工况,以及采用正弦信号控制所述液压伺服扭转作动器进行加载的变频率正弦波测试工况和变波峰正弦波测试工况;
变幅值斜坡测试工况下,将加载扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值,并在时间t2内保持稳定,然后在时间t1内由该扭矩设定值逐渐减小至零;保持时间t1和t2不变,改变扭矩设定值对所述液力变矩器端盖进行加载;
变斜率斜坡测试工况下,将加载扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值,并在时间t2内保持稳定,然后在时间t1内由该扭矩设定值逐渐减小至零;保持扭矩设定值不变,改变时间t1,对所述液力变矩器端盖进行加载;
变频率正弦波测试工况下,在同一幅值的扭矩设定值下,分别按照不同的频率对所述液力变矩器端盖进行加载;
变波峰正弦波测试工况下,在同一频率下,分别设定不同的幅值的扭矩设定值对所述液力变矩器端盖进行加载;
分别采集应变片在上述工况下的应变数据,转换得到所述液力变矩器端盖上各测点在上述工况下的主应力;比较上述各工况下的相同测点的主应力大小,将主应力最大的工况作为扭转疲劳强度测试所采用的加载工况。
进一步的,所述液压伺服扭转作动器的输出端与所述减速器的输入轴的连接处、以及所述端盖连接法兰盘与所述液力变矩器端盖的连接处均罩设有防护罩。
进一步的,所述应变片沿所述液力变矩器端盖的周向均布设置有2圈,分别为位于外圈的外圈应变片和位于内圈的内圈应变片,所述外圈应变片靠近所述液力变矩器端盖的边缘设置,所述内圈应变片位于所述外圈应变片到所述液力变矩器端盖的轴心之间的中部位置。
进一步的,所述外圈应变片和内圈应变片的数量相等,且均设置有4~5个。
进一步的,所述应变片还包括至少2个与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的应变片。
进一步的,所述液力变矩器端盖的固定轴上焊接有矩形块,所述固定夹具朝向所述液力变矩器端盖的一侧具有竖向设置的矩形槽,所述矩形槽的宽度与所述矩形块的宽度一致,所述矩形块卡接在所述固定夹具的矩形槽内。
综上所述,本发明具有能够模拟实车工况下的动态和稳态扭矩,能够快速准确地对液力变矩器端盖的扭转疲劳强度进行测试,测试精度高,稳定性好等优点。
附图说明
图1为本实施例中液力变矩器端盖及应变片粘贴位置的结构示意图。
图2为液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试装置的结构示意图。
图3为变幅值斜坡测试工况下的加载曲线图。
图4为变斜率斜坡测试工况下的加载曲线图。
图5为变频率正弦波测试工况下的加载曲线图。
图6为变波峰正弦波测试工况的加载曲线图。
图7为测点在斜坡加载至1000Nm测试工况下的应变图。
图8为测点在斜坡加载至1000Nm测试工况下的主应力图。
图9为测点在5Hz正弦波加载至1000NM测试工况下的应变图。
图10为测点在5Hz正弦波加载至1000Nm测试工况下的主应力图。
图11为稳态加载工况下各测点扭矩加载幅值与主应力关系图。
图12为动态加载工况下各测点扭矩加载幅值与主应力关系图。
图13为测点在稳态加载和动态加载工况下的主应力值对比图。
图14为稳态加载工况下各测点主应力与加载时间关系图。
图15为动态加载工况下各测点主应力与加载频率关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时:如图1所示,本实施例的液力变矩器端盖整体呈圆盘形,其中部具有环形的突起部,其一侧具有用于与发动机的凸缘或飞轮螺栓连接的螺栓座,所述螺栓座位于所述液力变矩器端盖的边缘处,且沿周向均布设置;所述液力变矩器端盖的另一侧中部焊接固定有同轴设置的固定轴(图中未示出)。
如图2所示,一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试装置,其特征在于,所述测试装置包括底座1,安装在所述底座1上的液压伺服扭转作动器2和减速器3;所述液压伺服扭转作动器2的输出端集成有角度传感器21和扭矩传感器22,所述液压伺服扭转作动器2的输出端通过联轴器与所述减速器3的输入轴相连;所述减速器3的输出轴安装有同轴设置的端盖连接法兰盘4,所述端盖连接法兰盘4上沿周向均布有与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的螺栓孔,所述液力变矩器端盖通过螺栓固定在所述端盖连接法兰盘4上,所述底座1上还安装有固定夹具5,所述液力变矩器端盖上的固定轴与所述固定夹具5固定连接。
所述测试装置还包括能够用于控制加载和采集数据的测控单元6,所述测控单元6包括计算机61、连接在所述计算机61上的控制器62和数据采集模块63;所述液压伺服扭转作动器2、角度传感器21和扭矩传感器22均电连接至所述控制器62;所述液力变矩器端盖上粘贴有多个应变片64,所述应变片64电连接至所述数据采集模块63。
采用上述结构,通过测控单元可以控制液压伺服扭转作动器,对减速器的输出轴施加扭矩,再经过减速器的输出轴,以及安装在输出轴上的端盖连接法兰盘施加在液力变矩器端盖上,由于液力变矩器端盖的另一端与固定夹具固定连接,使得液力变矩器端盖在施加的扭矩作用下发生扭转变形。再通过数据采集模块将粘贴在液力变矩器端盖上的应变片的形变数据采集并输入计算机。利用上述装置,通过控制液压伺服扭转作动器的扭矩加载速度,加载时间以及加载方向的控制,就可以模拟液力变矩器在实车工况下所受到的单方向载荷和交变载荷。采用液压伺服扭转作动器可以使得本装置的扭矩加载更加稳定、加载精度高,响应速度快、重复性较好。
所述液压伺服扭转作动器2的输出端与所述减速器3的输入轴的连接处、以及所述端盖连接法兰盘4与所述液力变矩器端盖的连接处均罩设有防护罩(图中未示出)。这样,可以在测试过程中保证测试人员的安全。
如图1所示,所述应变片64沿所述液力变矩器端盖的周向均布设置有2圈,分别为位于外圈的外圈应变片和位于内圈的内圈应变片,所述外圈应变片靠近所述液力变矩器端盖的边缘设置,所述内圈应变片位于所述外圈应变片到所述液力变矩器端盖的轴心之间的中部位置。
采用上述结构,可以检测到液力变矩器端盖外侧以及中部位置的形变,有利于提高检测的精度。
所述外圈应变片和内圈应变片的数量相等,且均设置有4~5个。
所述应变片64还包括至少2个与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的应变片。
由于液力变矩器端盖上的螺栓座用于与发动机的凸缘或飞轮螺栓连接,其扭转疲劳强度会直接影响到液力变矩器的寿命以及传动系统的可靠性,采用上述设置,可以螺栓座的扭转疲劳强度进行测试。
所述液力变矩器端盖的固定轴上焊接有矩形块,所述固定夹具朝向所述液力变矩器端盖的一侧具有竖向设置的矩形槽,所述矩形槽的宽度与所述矩形块的宽度一致,所述矩形块卡接在所述固定夹具的矩形槽内。
具体实施时,还可以在减速器3和端盖连接法兰盘4之间连接有一组角度传感器21和扭矩传感器22,这样,可以更加准确检测出作用在端盖连接法兰盘上的扭矩,也就是作用在液力变矩器端盖上的扭矩。
具体测试时
先制定测试工况:车辆在行驶过程中需要根据路况变换车速,使得液力变矩器在实车行驶工况下,主要受单方向载荷和交变载荷,为准确模拟液力变矩器的实车工况,在测试中分别采用斜坡信号和正弦信号控制液压伺服扭转作动器给液力变矩器端盖进行加载,分别模拟液力变矩器端盖在实车上所承受的单方向载荷和交变载荷。待测试液力变矩器的额定扭矩为1000Nm,因此,制定如下测试工况:
变幅值斜坡测试工况:如图3所示,在20s内,将扭矩按照固定斜率分别缓慢加载至300Nm、600Nm、900Nm和1000Nm,并保持稳定20s,然后在20s内,将扭矩从300Nm、600Nm、900Nm和1000Nm分别按固定斜率缓慢下降为0Nm。
变斜率斜坡测试工况:如图4所示,分别在20s、30s、40s和50s内缓慢加载扭矩至1000Nm,并保持稳定20s,再撤去扭矩,使扭矩分别在对应的20s、30s、40s和50s内降为0Nm,控制液压伺服扭转作动器对液力变矩器端盖进行加载。
变频率正弦波测试工况:如图5所示,分别采用频率为1Hz、3Hz、5Hz、7Hz和9Hz的正弦信号控制液压伺服扭转作动器加载扭矩至峰值扭矩为1000Nm,对液力变矩器端盖进行加载。
变波峰正弦波测试工况:如图6所示,采用频率为5Hz的正弦信号,控制液压伺服扭转作动器分别加载扭矩至峰值扭矩为300Nm、600Nm、900Nm和1000Nm,对液力变矩器端盖进行加载。
加载时,将扭矩逐渐增大或减小,可以对液力变矩器端盖的动态变形过程进行试验。而将幅值稳定一段时间,可以对液力变矩器端盖的静态变形过程进行试验。在扭矩增大或减小的过程中,由于在相等的20s内,扭矩变化的幅值大小不同,使得幅值变化的斜率不一样。这样,可以对不同的动态加载过程中动态的端盖变形进行测量。而将扭矩稳定在不同幅值上可以对不同静态幅值加载情况下端盖变形过程进行测量。扭矩加载如图3~图6所示,从加载曲线可以看出,扭矩加载稳定并且可以良好归零,说明本试验系统加载精度高、重复性好。
测试及数据处理
安装与调试完毕之后,首先进行预测试并采集相应数据,观察每组数据的大致变化情况,粗看数据是否正常以及重复性是否良好,以此检查应变传感器是否工作正常以及本测试系统的重复性。之后,进行正式测试,分别进行变幅值、变斜率、变频率、变波峰工况测试,并采集10个测点各2个样本。将每一个测点的应变数据通过应力-应变计算公式计算得到主应力值。45°-3直角形应变花的应变-应力计算公式如下:
εx=ε0,εY=ε90
γXY=(ε4590)-(ε045)
其中,εx和εy分别为x轴和y轴方向的正应变,ε0、ε45和ε90分别沿0°、45°和90°方向的正应变,ε1,ε2为测点主应变,Φ0为测点主应力夹角,σ12为测点主应力,τmax为测点最大剪力,γxy为切应变,E为弹性模量,ν为泊松比。
仅以测点1(测点1为外圈应变片中的一个)的45°-3直角形应变花在斜坡测试工况与正弦波测试工况下的应变-应力变化情况为例,采集的数据及处理结果,如图7至图10所示。
数据结果分析
稳态加载幅值对主应力的影响
根据数据处理结果进行统计分析,由图11可知,稳态加载工况下各测点主应力值与加载扭矩呈递增关系,且基本满足正比例关系;并且其主应力变化大小与测点位置有关,端盖中间突起部的主应力变化小,端盖外侧边缘位置主应力变化大,符合实际扭矩与主应力关系。
动态加载幅值对主应力的影响
由图12可知,动态加载工况下各测点主应力值与加载扭矩呈递增关系,且基本满足正比例关系,与稳态加载工况下主应力变化规律基本一致。
图13为测点1在稳态加载工况及动态加载工况下主应力与加载扭矩关系,可以明显得到测点1在动态加载工况下的主应力大于稳态加载工况下的主应力。这是由于动态加载工况下存在载荷冲击,会造成端盖主应力偏大。
加载时间对主应力的影响
由图14可知,改变扭矩加载时间,各测点稳态时的主应力没有发生显著变化,说明采用斜坡信号作为加载信号时,扭矩加载快慢对液力变矩器端盖稳态时的主应力基本无影响。
加载频率对主应力的影响
由图15可知,加载频率对各测点主应力大小影响较大,基本上随着频率的增加各测点主应力大小正比例增大。这是由于在动态加载工况下存在载荷冲击,加载频率越高,载荷冲击越大。
由以上分析结果可得,在设计液力变矩器端盖扭转疲劳强度加载工况时,综合考虑液力变矩器在实际工作中主要受到动态载荷,因此采用正弦信号作为加载信号;由于主应力与加载扭矩呈正比例关系,可以通过增大加载扭矩来缩短试验时间,液力变矩器额定扭矩为1000Nm,因此采用1000Nm作为加载扭矩幅值;由于加载频率对主应力影响比较大,可以通过增大加载频率缩短试验时间,但频率过高,试验安全性会降低,台架动态响应特性也无法满足,因此采用9Hz作为加载频率比较合适。
通过上述对液力变矩器端盖扭转疲劳强度的测试,各测点主应力均与加载幅值成正比,但由于正弦加载比斜坡加载快的多,因此相同扭矩的正弦和斜坡加载时,正弦加载引起的各点主应力均偏大。采用斜坡加载时,加载速度对各测点主应力大小影响不大,但采用正弦加载时,加载频率对各测点主应力大小影响较大,基本上随着频率的增加各测点主应力大小正比例增大,测试结构符合液力变矩器端盖实际加载工况的情况,说明该系统能够真实地模拟液力变矩器端盖的实车工况,满足在试验室研究液力变矩器端盖的扭转疲劳强度的要求。利用该测试装置(系统)在试验室对液力变矩器端盖的扭转疲劳强度进行测试研究,能够准确的实验数据,为今后的液力变矩器端盖的设计和改进提供数据支撑,有利于缩短后期的研发周期,以及降低后期研发成本。采用MTS液压伺服系统设计液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试系统,使得测试加载方法简单,加载精度高,重复性好,具有非常高的系统动态响应特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不以本发明为限制,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,所述液力变矩器端盖整体呈圆盘形,其一侧具有用于与发动机的凸缘或飞轮螺栓连接的螺栓座,所述螺栓座位于所述液力变矩器端盖的边缘处,且沿周向均布设置;所述液力变矩器端盖的另一侧中部焊接固定有同轴设置的固定轴;其特征在于,包括先获取如下结构的测试装置,所述测试装置包括底座(1),安装在所述底座(1)上的液压伺服扭转作动器(2)和减速器(3);所述液压伺服扭转作动器(2)的输出端集成有角度传感器(21)和扭矩传感器(22),所述液压伺服扭转作动器(2)的输出端通过联轴器与所述减速器(3)的输入轴相连;所述减速器(3)的输出轴安装有同轴设置的端盖连接法兰盘(4),所述端盖连接法兰盘(4)上沿周向均布有与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的螺栓孔,所述液力变矩器端盖通过螺栓固定在所述端盖连接法兰盘(4)上,所述底座(1)上还安装有固定夹具(5),所述液力变矩器端盖上的固定轴与所述固定夹具(5)固定连接;所述测试装置还包括能够用于控制加载和采集数据的测控单元(6),所述测控单元(6)包括计算机(61)、连接在所述计算机(61)上的控制器(62)和数据采集模块(63);所述液压伺服扭转作动器(2)、角度传感器(21)和扭矩传感器(22)均电连接至所述控制器(62);所述液力变矩器端盖上粘贴有多个应变片(64),所述应变片(64)电连接至所述数据采集模块(63);再利用计算机通过控制器(62)控制所述液压伺服扭转作动器对所述液力变矩器端盖进行加载,并利用角度传感器(21)和扭矩传感器(22)反馈的信号对液压伺服扭转作动器形成闭环控制,对所述液力变矩器端盖进行扭转疲劳强度测试;测试前,先确定进行扭转疲劳强度测试所采用的加载工况,包括如下步骤:
根据液力变矩器在实车行驶工况下主要受单方向载荷和交变载荷的特点,制定出采用斜坡信号控制所述液压伺服扭转作动器进行加载的变幅值斜坡测试工况和变斜率斜坡测试工况,以及采用正弦信号控制所述液压伺服扭转作动器进行加载的变频率正弦波测试工况和变波峰正弦波测试工况;
变幅值斜坡测试工况下,将加载扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值,并在时间t2内保持稳定,然后在时间t1内由该扭矩设定值逐渐减小至零;保持时间t1和t2不变,改变扭矩设定值对所述液力变矩器端盖进行加载;
变斜率斜坡测试工况下,将加载扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值,并在时间t2内保持稳定,然后在时间t1内由该扭矩设定值逐渐减小至零;保持扭矩设定值不变,改变时间t1,对所述液力变矩器端盖进行加载;
变频率正弦波测试工况下,在同一幅值的扭矩设定值下,分别按照不同的频率对所述液力变矩器端盖进行加载;
变波峰正弦波测试工况下,在同一频率下,分别设定不同的幅值的扭矩设定值对所述液力变矩器端盖进行加载;
分别采集应变片在上述工况下的应变数据,转换得到所述液力变矩器端盖上各测点在上述工况下的主应力;比较上述各工况下的相同测点的主应力大小,将主应力最大的工况作为扭转疲劳强度测试所采用的加载工况。
2.如权利要求1所述的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,其特征在于,所述液压伺服扭转作动器(2)的输出端与所述减速器(3)的输入轴的连接处、以及所述端盖连接法兰盘(4)与所述液力变矩器端盖的连接处均罩设有防护罩。
3.如权利要求1所述的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,其特征在于,所述应变片(64)沿所述液力变矩器端盖的周向均布设置有2圈,分别为位于外圈的外圈应变片和位于内圈的内圈应变片,所述外圈应变片靠近所述液力变矩器端盖的边缘设置,所述内圈应变片位于所述外圈应变片到所述液力变矩器端盖的轴心之间的中部位置。
4.如权利要求3所述的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,其特征在于,所述外圈应变片和内圈应变片的数量相等,且均设置有4~5个。
5.如权利要求3所述的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,其特征在于,所述应变片(64)还包括至少2个与所述液力变矩器端盖上的螺栓座对应设置的应变片。
6.如权利要求1所述的液力变矩器端盖扭转疲劳强度测试方法,其特征在于,所述液力变矩器端盖的固定轴上焊接有矩形块,所述固定夹具(5)朝向所述液力变矩器端盖的一侧具有竖向设置的矩形槽,所述矩形槽的宽度与所述矩形块的宽度一致,所述矩形块卡接在所述固定夹具(5)的矩形槽内。
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