CN109115487A - 带传动系统动态性能测试工作电路和工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带传动系统动态性能测试工作电路和工作方法，包括测试平台、伺服电机、输入轴、主动轮、皮带、从动轮、输出轴、张紧器、惰轮；激光位移传感器用于测量皮带运转时带段的横向振动；激光转速传感器结合主动轮、从动轮上贴的反光纸产生的反光脉冲用于测量转速；压力传感器用于测量惰轮受到的皮带压紧力，反算求得皮带张紧力；电位计用于测量张紧器的摆振；磁粉制动器用于为带传动系统提供负载扭矩，扭矩传感器用于测量带传动系统的负载扭矩值。结构简单、容易实现、成本较低，通过更换皮带轮种类可以改造为多种带传动系统动态特性测试平台，作为带传动系统动力学模型的实验验证平台，为发动机附件传动系统的设计提供指导。

Description

带传动系统动态性能测试工作电路和工作方法

技术领域

本发明涉及带传动系统动态性能测试平台，属于机电一体化领域，尤其涉及一种带传动系统动态性能测试工作电路和工作方法。

背景技术

带传动系统，特别是多楔带传动系统被广泛应用于发动机附件轮系中，其主要由多楔带、曲轴带轮、张紧器、交流发电机带轮、水泵带轮、油泵带轮、空调压缩机带轮等附件轮组成。多楔带相比普通V带弯曲刚度更小，同时具有多根楔(接触面积大)，因此多楔带传动系统结构布置更加紧凑、承载能力更强，且驱动的附件更多。张紧器由于包含有弹簧阻尼机构，主要用于自动调节皮带张力，避免多楔带打滑以及张力波动过大，抑制多楔带传动系统运行时的振动和噪声。

多楔带传动系统的动态特性将直接影响发动机附件的工作性能，进而影响整个发动机乃至整车的工作可靠性和舒适性，因此全面、准确掌握多楔带传动系统的整体动态特性就显得格外重要。多楔带传动系统的主要动态特性包括带-轮滑移率、多楔带的横向振动和系统的扭转振动、多楔带的张力波动、各附件带轮的角度波动，张紧臂的摆振等。多楔带传动系统本身是一个复杂的结构系统，在其工作过程中皮带以及各附件带轮之间的运动相互耦合、相互影响。目前主要通过理论分析的方法对发动机附件轮系进行设计和布置，但理论分析对多楔带和各附件轮都进行了大量简化，并不能够准确反映多楔带传动系统的动态性能，造成很多时候设计的多楔带传动系统实际工作时多楔带张力波动过大、多楔带和张紧轮过早磨损、使用寿命短、整个传动系统振动噪声过大等现象。所以仅由理论分析提出发动机附件轮系的设计方案已不能满足现阶段对发动机附件轮系更高工作性能的要求，需辅以实验对理论模型进行验证和改进。但是实际工作时，由于发动机附件轮系的结构布置过于紧凑等因素，很多动态特性如带的张力波动等无法测量，严重影响对所设计的发动机附件轮系的工作性能评价。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种带传动系统动态性能测试工作电路，通过对带传动系统的动态特性进行较为全面的测试，并结合带传动系统理论设计和分析进行对比、验证，从而对发动机附件轮系的工作性能评价做出准确的判断，特别适合于多楔带传动系统的动态性能测试。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种带传动系统动态性能测试工作电路，包括：第一激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元上皮带位移信号接收端，第二激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元下皮带位移信号接收端，第一激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元主动轮转速信号接收端，第二激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元从动轮转速信号接收端，压力传感器信号发送端连接数据采集单元压力信号接收端，扭矩传感器信号发送端连接数据采集单元扭矩信号接收端，控制单元驱动信号输出端连接驱动控制器驱动信号接收端，驱动控制器驱动信号发送端连接伺服电机工作端，数据采集单元信号发送端连接USB数据传输芯片采集信号接收端，USB数据传输芯片控制信号端连接控制单元信号接收端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：包括：市电电源输出端连接24V直流稳压器电源输入端，24V直流稳压器电源输出端连接变送器电源输入端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：电位计工作信号端连接数据采集单元电位调节信号端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：磁粉制动器工作信号端连接控制单元制动信号端，控制单元中的电流控制器控制磁粉制动器的工作，电流控制器信号接收端连接数模转换器信号输出端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：USB数据传输芯片信号收发端连接工控机信号收发端，工控机传输信号端无线连接远程服务器信号接收端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：所述数据采集单元为PCI-6251。

本发明还公开一种传动系统动态性能测试工作方法，包括如下步骤：

S1，通过工控机发出初始化工作信号，对激光位移传感器、第一激光转速传感器、第二激光转速传感器、压力传感器、扭矩传感器、驱动控制器、伺服电机和USB数据传输芯片进行初始化信息校验，遍历每个产品是否工作正常，如果工作正常，执行S2，如果任何一个部件发生异常，该部件对应的指示灯发出报警指示信号；

S2，数据采集单元同时获取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采集的上、下皮带横向振动幅度，将采集的振动幅度数据通脱数据采集单元传输到工控机，通过工控机对数据进行收集汇总，并调整主动轮的转速，此时，通过第一激光转速传感器和第二激光转速传感器对主动轮和从动轮的转速进行测量，将测量的转速数据传输到数据采集单元，由数据采集单元上传至工控机，通过第一激光转速传感器获取的主动轮转速，将转速数据通过工控机进行分析之后，调整主动轮转速，将调整后的转速数据与初始转速数据进行比较，然后上传工控机，主动轮转速调整之后，通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器实时获取上、下皮带的横向振动幅度，第一激光转速传感器和第二激光转速传感器通过反光纸产生反光脉冲测量主动轮和从动轮的转速，如果任何一个激光转速传感器检测的转速数据不发生变化，则调整主动轮的转速，如果调整主动轮转速之后，其中任何一个激光转速传感器仍然没有数据变化，则进行报警指示；通过压力传感器获取惰轮受到的皮带压紧力，将压力数据通过数据采集单元进行收集后，传输到工控机；

S3，在压力传感器获取数据的同时，电位计测量张紧器的振摆幅度，通过扭矩传感器测量传动系统的负载扭矩值，通过伺服电机对主动轮的转速进行实时调节，为了精确调节转速，通过磁粉制动器设置负载扭矩值，从而获取负载扭矩。

本发明的有益效果：

1)能够较全面地测量带传动系统的动态特性，尤其是采用简易装置就实现了皮带动态张力的测量，产生了预料不到的技术效果；

2)通过测量得到的带传动系统动态特性参数可以对相关设计和理论分析进行合理的评价和验证，这对带传动系统设计和后续改进工作都具有重要的指导意义；

3)电机转速、负载扭矩大小均可调，可以全面反应带传动系统不同工况下的动态性能；

4)通用于多楔带带轮、平带带轮、V带带轮、同步带带轮等带轮，并通过轴肩处的均布螺纹通孔相连，适用于各种类型带传动系统的动态性能测试，通用性较高；

综上所述，本发明结构简单、容易实现、成本较低，通过更换皮带轮种类可以改造为多种带传动系统动态特性测试平台，在此基础上，通过增加更多的带轮和负载，能实现模拟更为复杂的带传动系统的动态特性测试，作为带传动系统动力学模型的实验验证平台，进而为发动机附件传动系统的设计提供指导，避免单独依靠理论分析不能准确反映带传动系统的动态性能，造成设计的带传动系统实际工作时波动过大，皮带和张紧轮过早磨损，使用寿命短，整个传动系统振动噪声过大等现象。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是图1的A向视图。

图3是主动轮、输入轴及支座的爆炸图。

图4是本发明的测试与控制原理图。

图5是本发明电路原理图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图2所示，一种带传动系统动态性能测试工作电路，主要由测试平台1、伺服电机2、输入轴3、主动轮4、皮带5、从动轮6、输出轴7、张紧器8、惰轮9、激光位移传感器10、激光转速传感器11、压力传感器12、电位计13、扭矩传感器14、磁粉制动器15、压力传感器安装座16、惰轮安装座17、联轴器18等组成。

伺服电机2、输入轴3、主动轮4、皮带5、从动轮6和输出轴7依次相连后安装在测试平台1上。皮带5的上方设置有张紧器8，皮带5的下方设置有惰轮9，从而构成一个带传动系统。主动轮4、从动轮6、惰轮9及张紧器8的张紧轮安装在同一平面上，并与皮带5相连。伺服电机2与输入轴3之间设置有联轴器18，通过输入轴3驱动带传动系统。伺服电机2转速最好是通过由labview编写的控制程序和控制电路控制。张紧器8的张紧轮可以让带轮中心轴自由转动，也可绕张紧器先后中心来回摆动。张紧器8通过螺栓固定在配备的安装板上，可通过调节张紧器在安装板上的安装位置和角度，可以调节皮带的初始张力。

为进行带传动系统的动态性能测试，还需要激光位移传感器10、激光转速传感器11、压力传感器12、电位计13、扭矩传感器14、磁粉制动器15五个核心部件。

激光位移传感器10共两个，其中一个通过安装支架固定在皮带5的上侧，另外一个通过安装支架固定在皮带5的下侧。每个激光位移传感器10的激光头垂直皮带5的运转方向，用于测量皮带运转时带段的横向振动。

激光转速传感器11共两个，其中一个通过安装支架对应主动轮4安装固定，另外一个通过安装支架对应从动轮6安装固定。在主动轮4和从动轮6的端部均贴有反光纸，激光转速传感器11的激光头发射激光束到对应的主动轮4、从动轮6上，并结合反光纸产生的反光脉冲用于测量对应主动轮4、从动轮6的转速。在主动轮4、从动轮6上的反光标志每转将产生一个反光脉冲,再由激光转速传感器11的激光头转换为0-5V的TTL电信号。

压力传感器12通过压力传感器安装座16安装在惰轮安装座17的下方，惰轮9安装在惰轮安装座17上，压力传感器12用于测量惰轮9受到的皮带压紧力，并通过公式反算求得皮带张紧力。其中，F为皮带张紧力，F₁为皮带一侧张紧力，F₂为皮带另一侧张紧力，F_压为皮带压紧力，为惰轮与皮带的包角。

皮带对惰轮9的压紧力通过轴承和惰轮安装座17传递到压力传感器12，如图2所示，惰轮与皮带的包角为因为惰轮没有负载，而且惰轮正好处于皮带带段正中位置(惰轮两侧带段对称布置)，所以可以认为惰轮其中一侧皮带张力F₁与另一侧张力F₂一样大，这样通过公式就可以计算得到皮带的张力F。

电位计13安装在张紧器8的芯轴端部，用于测量张紧器8的摆振。

扭矩传感器14的前端通过联轴器18与输出轴7的末端相连，扭矩传感器14的后端通过另一联轴器18与磁粉制动器15相连，磁粉制动器15用于为带传动系统提供负载扭矩，扭矩传感器14用于测量带传动系统的负载扭矩值，伺服电机2的转速、磁粉制动器15的负载扭矩大小均可调。带传动系统的负载由磁粉制动器15提供，通过控制器控制输入磁粉制动器的电流大小进而控制负载扭矩大小。扭矩传感器14最好提供24V供电电源，输出为0-5V电压信号。

最好是，测试平台1上开设有若干相互平行的T形槽1a，伺服电机2、输入轴3、输出轴7、张紧器8、扭矩传感器14和磁粉制动器15分别通过各自配备的支座安装到测试平台1的T形槽1a上，所有配备的支座上均设置有可调节安装孔，实现可调节安装。

另外，惰轮9与惰轮轴最好一体设计，并通过轴承安装在“U”形的惰轮安装座17上。螺栓竖直穿过惰轮安装座17底部中央与压力传感器12中部连接在一起，压力传感器12周边通过螺栓固定在压力传感器安装座16顶部中央。压力传感器安装座16是采用钢板弯折成的门型架，门型架的左右两侧设置有翻边，并通过翻边上的可调节安装孔安装到测试平台1的T形槽1a上。压力传感器12周边设置的安装孔最好是6个均布的沉头孔。

结合图1、图3所示，皮带5可以为多楔带、平带、V带或同步带，主动轮4通过周向均布的螺栓固定在输入轴3的轴肩3a上，输入轴3的两端分别通过轴承19安装在共用的支座上，再结合轴承19外的支座端盖20进行轴向限位。同样，从动轮6通过周向均布的螺栓固定在输出轴7的轴肩上，输出轴7的两端分别通过轴承安装在共用的支座上，再结合轴承外的支座端盖进行轴向限位。

结合图1、图4所示，该动态性能测试装置还需要配备测试与控制部分，测试与控制部分包括数据采集单元、控制单元及工控机。激光位移传感器10、激光转速传感器11、压力传感器12、电位计13、扭矩传感器14测量的电压信号通过信号调理后，由数据采集单元采集后输入到工控机并显示。数据采集单元包括数据采集卡、基于labview软件编写的测试程序和测试界面，实时显示带轮转速、皮带横向振动位移等测试数据，并将测试数据保存到指定路径。通过工控机和控制单元的电机控制器控制伺服电机转速，同时通过控制单元的电流控制器控制输入磁粉制动器的电流大小进而控制磁粉制动器的制动力矩大小。数据采集单元为PCI—6251。

如图5所示，本发明公开的一种带传动系统动态性能测试工作电路，包括：第一激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元上皮带位移信号接收端，第二激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元下皮带位移信号接收端，第一激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元主动轮转速信号接收端，第二激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元从动轮转速信号接收端，压力传感器信号发送端连接数据采集单元压力信号接收端，扭矩传感器信号发送端连接数据采集单元扭矩信号接收端，控制单元驱动信号输出端连接驱动控制器驱动信号接收端，驱动控制器驱动信号发送端连接伺服电机工作端，数据采集单元信号发送端连接USB数据传输芯片采集信号接收端，USB数据传输芯片控制信号端连接控制单元信号接收端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：包括：市电电源输出端连接24V直流稳压器电源输入端，24V直流稳压器电源输出端连接变送器电源输入端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：电位计工作信号端连接数据采集单元电位调节信号端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：磁粉制动器工作信号端连接控制单元制动信号端，控制单元中的电流控制器控制磁粉制动器的工作，电流控制器信号接收端连接数模转换器信号输出端。

所述的带传动系统动态性能测试工作电路，优选的：还包括：USB数据传输芯片信号收发端连接工控机信号收发端，工控机传输信号端无线连接远程服务器信号接收端。

本发明还公开一种传动系统动态性能测试工作方法，包括如下步骤：

S1，通过工控机发出初始化工作信号，对激光位移传感器、第一激光转速传感器、第二激光转速传感器、压力传感器、扭矩传感器、驱动控制器、伺服电机和USB数据传输芯片进行初始化信息校验，遍历每个产品是否工作正常，如果工作正常，执行S2，如果任何一个部件发生异常，该部件对应的指示灯发出报警指示信号；

S2，数据采集单元同时获取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采集的上、下皮带横向振动幅度，将采集的振动幅度数据通脱数据采集单元传输到工控机，通过工控机对数据进行收集汇总，并调整主动轮的转速，此时，通过第一激光转速传感器和第二激光转速传感器对主动轮和从动轮的转速进行测量，将测量的转速数据传输到数据采集单元，由数据采集单元上传至工控机，通过第一激光转速传感器获取的主动轮转速，将转速数据通过工控机进行分析之后，调整主动轮转速，将调整后的转速数据与初始转速数据进行比较，然后上传工控机，主动轮转速调整之后，通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器实时获取上、下皮带的横向振动幅度，第一激光转速传感器和第二激光转速传感器通过反光纸产生反光脉冲测量主动轮和从动轮的转速，如果任何一个激光转速传感器检测的转速数据不发生变化，则调整主动轮的转速，如果调整主动轮转速之后，其中任何一个激光转速传感器仍然没有数据变化，则进行报警指示；通过压力传感器获取惰轮受到的皮带压紧力，将压力数据通过数据采集单元进行收集后，传输到工控机；

S3，在压力传感器获取数据的同时，电位计测量张紧器的振摆幅度，通过扭矩传感器测量传动系统的负载扭矩值，通过伺服电机对主动轮的转速进行实时调节，为了精确调节转速，通过磁粉制动器设置负载扭矩值，从而获取负载扭矩。将测量的激光位移传感器、第一激光转速传感器、第二激光转速传感器、压力传感器、扭矩传感器以及比较的数据和调节的转速数据全部上传到远程服务器。

Claims (7)

1.一种带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于，包括：第一激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元上皮带位移信号接收端，第二激光位移传感器信号发送端连接数据采集单元下皮带位移信号接收端，第一激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元主动轮转速信号接收端，第二激光转速传感器信号发送端连接数据采集单元从动轮转速信号接收端，压力传感器信号发送端连接数据采集单元压力信号接收端，扭矩传感器信号发送端连接数据采集单元扭矩信号接收端，控制单元驱动信号输出端连接驱动控制器驱动信号接收端，驱动控制器驱动信号发送端连接伺服电机工作端，数据采集单元信号发送端连接USB数据传输芯片采集信号接收端，USB数据传输芯片控制信号端连接控制单元信号接收端。

2.根据权利要求1所述的带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于：包括：市电电源输出端连接24V直流稳压器电源输入端，24V直流稳压器电源输出端连接变送器电源输入端。

3.根据权利要求1所述的带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于：还包括：电位计工作信号端连接数据采集单元电位调节信号端。

4.根据权利要求1所述的带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于：还包括：磁粉制动器工作信号端连接控制单元制动信号端，控制单元中的电流控制器控制磁粉制动器的工作，电流控制器信号接收端连接数模转换器信号输出端。

5.根据权利要求1所述的带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于：还包括：USB数据传输芯片信号收发端连接工控机信号收发端，工控机传输信号端无线连接远程服务器信号接收端。

6.根据权利要求1所述的带传动系统动态性能测试工作电路，其特征在于：还包括：所述数据采集单元为PCI-6251。

7.一种传动系统动态性能测试工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，通过工控机发出初始化工作信号，对激光位移传感器、第一激光转速传感器、第二激光转速传感器、压力传感器、扭矩传感器、驱动控制器、伺服电机和USB数据传输芯片进行初始化信息校验，遍历每个产品是否工作正常，如果工作正常，执行S2，如果任何一个部件发生异常，该部件对应的指示灯发出报警指示信号；

S2，数据采集单元同时获取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采集的上、下皮带横向振动幅度，将采集的振动幅度数据通脱数据采集单元传输到工控机，通过工控机对数据进行收集汇总，并调整主动轮的转速，此时，通过第一激光转速传感器和第二激光转速传感器对主动轮和从动轮的转速进行测量，将测量的转速数据传输到数据采集单元，由数据采集单元上传至工控机，通过第一激光转速传感器获取的主动轮转速，将转速数据通过工控机进行分析之后，调整主动轮转速，将调整后的转速数据与初始转速数据进行比较，然后上传工控机，主动轮转速调整之后，通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器实时获取上、下皮带的横向振动幅度，第一激光转速传感器和第二激光转速传感器通过反光纸产生反光脉冲测量主动轮和从动轮的转速，如果任何一个激光转速传感器检测的转速数据不发生变化，则调整主动轮的转速，如果调整主动轮转速之后，其中任何一个激光转速传感器仍然没有数据变化，则进行报警指示；通过压力传感器获取惰轮受到的皮带压紧力，将压力数据通过数据采集单元进行收集后，传输到工控机；

S3，在压力传感器获取数据的同时，电位计测量张紧器的振摆幅度，通过扭矩传感器测量传动系统的负载扭矩值，通过伺服电机对主动轮的转速进行实时调节，为了精确调节转速，通过磁粉制动器设置负载扭矩值，从而获取负载扭矩。