CN109668727A - 一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法 - Google Patents

一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了疲劳测试技术领域内的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法，包括试验箱和测试电机，试验箱内固连有用于夹紧齿轮的试验夹具，齿轮上连接有测试轴，测试电机与伸出试验箱外的测试轴所在的端部传动连接，在试验箱外的测试轴上连接有用于测试扭矩信号的扭矩传感器和用于测试扭转角度信号的角度传感器，试验夹具上开有容纳槽，容纳槽里侧对应的试验夹具上粘贴有发热片，容纳槽外侧对应的试验夹具内设有弹性圈，弹性圈和发热片之间形成的空间为压紧区，压紧区内过盈配合有压紧组件，压紧组件有若干层具有弹性的压紧单元组成，相邻层压紧单元粘接在一起；本发明可准确确认最薄弱零件是否满足设计要求，测试准确性高。

Description

一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法
技术领域
本发明属于疲劳测试技术领域，特别涉及一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法。
背景技术
汽车发动机工作时由于转速波动，平衡轴产生交变的惯性负载，作用于平衡轴的平衡齿轮，平衡齿轮无论是在产品开发阶段还是在生产检验阶段，都要求对疲劳性能进行检验。在发动机实际运行过程中，平衡齿轮所承受的载荷主要是交变的扭转/拉压复合载荷。
现有技术中，对平衡齿轮的测试装置包括试验箱和测试电机，试验箱内固连有用于夹紧齿轮的试验夹具，齿轮上连接有测试轴，测试电机与伸出试验箱外的测试轴所在的端部传动连接，测试轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器将采集到的扭矩信号传输给数据采集分析系统，数据采集分析系统根据接收到的扭矩信号得到测试轴的扭矩值，该测试装置在室温下进行，无法准确模拟出平衡齿轮工况下的实际情况，通过该试验得到的结果不准确。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提供一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置及其方法，解决了现有技术中试验结果准确率不高的技术问题，本发明可准确确认最薄弱零件是否满足设计要求，测试准确性高。
本发明的目的是这样实现的: 一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，包括试验箱和测试电机，所述试验箱内固连有用于夹紧齿轮的试验夹具，所述齿轮上连接有测试轴，所述测试电机与伸出试验箱外的测试轴所在的端部传动连接，在试验箱外的测试轴上连接有用于测试扭矩信号的扭矩传感器和用于测试扭转角度信号的角度传感器，所述试验夹具上开有容纳槽，所述容纳槽里侧对应的试验夹具上粘贴有发热片，所述容纳槽外侧对应的试验夹具内固连有弹性圈，所述弹性圈和发热片之间形成的空间为压紧区，所述压紧区内过盈配合有压紧组件，所述压紧组件有若干层具有弹性的压紧单元组成，相邻层压紧单元粘接在一起。
为了进一步使发热片紧密贴合在抱紧件上以提高抱紧件向齿轮的导热效果，所述压紧单元上排布有若干压紧槽，相邻层压紧单元上的各个压紧槽错开设置；此设计使得压紧组件可顺利压入压紧区，将压紧组件向外拉时，相邻压紧槽之间的扇形体逆向将压紧单元压紧在发热片外侧，使发热片紧紧贴合在抱紧件上，同时，压紧单元抱死在弹性圈内边缘。
为了抱死齿轮，所述试验夹具包括抱紧件和紧固件，所述抱紧件为内齿轮，抱紧件与汽车发动机减振齿轮啮合，所述紧固件的一端与抱紧件可拆卸地连接在一起，紧固件的另一端与试验箱固连；抱紧件上开有环形的容纳槽。
作为本发明的进一步改进，所述发热片的宽度与容纳槽的宽度相同，弹性圈与发热片之间的容纳槽对应的抱紧件上开有过渡槽，所述过渡槽与容纳槽连通，在轴向方向上，过渡槽的宽度不小于压紧区的宽度，过渡槽和容纳槽对应的宽度设为a，压紧组件的轴向宽度大于容纳槽的宽度且小于a。
为了实现发热片的加热，所述抱紧件上开有穿线孔，所述发热片上的通电线穿过穿线孔与试验箱外部的数据采集分析控制系统电连接，抱紧件朝试验箱内壁相对设置的一侧排布有至少一个方便安装温度传感器的安装孔，所述抱紧件的一端为抱紧件相对紧固件设置的一端，容纳槽设置在抱紧件的一端。
使用一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
（1）将抱紧件安装进测试箱内之前，先将发热片按次序粘贴到抱紧件上，弹性圈放置到容纳槽外边缘对应的抱紧件内，将压紧组件插进弹性圈内边缘与发热片外边缘之间的压紧区，各层压紧单元发生弹性形变，压紧组件抵触到过渡槽对应的抱紧件上后，将压紧组件向外拉，使压紧组件的朝外的一侧与抱紧件的一端齐平，压紧单元逆向使发热片紧密贴合在抱紧件上；
（2）将抱紧件放入测试箱内，使抱紧件与齿轮啮合，紧固件固定安装在测试箱上，在齿轮外的抱紧件上安装上温度传感器，使用螺栓将抱紧件与紧固件连接在一起；
（3）数据分析控制系统控制发热片发热，温度传感器采集抱紧件的温度，当采集到的温度值至设定的温度范围内时，控制发热片停止发热，否则继续控制发热片升温，使抱紧件的温度维持在设定的温度范围内；
（4）打开测试电机，控制测试电机的输出力矩为Mj，j的初始值为1，Mj=M0+（j-1）*10，j++，并使测试轴在[-3.5°，3.5°]的角度范围内来回摆动，同时，数据采集分析控制系统计算出每一时刻下的扭矩值和角位移值，以扭转角为横向坐标，扭矩值为纵向坐标，每扭转一次，将该扭转次数下测试得到的扭矩值和角位移值做线性拟合曲线，计算出同一扭转次数下曲线围成的面积大小，数据采集分析控制系统根据最大扭转角和面积给出测试结果, 若测试结果为合格，判断j是否大于k，若j≤k，返回测试步骤，否则结束测试；若测试结果为不合格，则结束测试；
其中，以测试轴的转动角度从0°转动至3.5°再从3.5°转动至0°的扭转为扭转一次，k为常数，Mj为测试电机第j次的输出力矩值，单位为Nm，M0=10 Nm。
为了进一步提高齿轮的质量，所述步骤（4）中，设定齿轮的疲劳寿命为Nj次，扭转次数在Nj次内，若当前的最大扭转角大于设定的扭转角阈值范围或面积不在设定的范围内时，则该齿轮不合格；当扭转次数达到N次时，若最大扭转角和面积同时在设定的范围内时，则该齿轮合格；其中，Nj次为输出力矩为第j次时的疲劳寿命。
为了进一步计算出拟合出的曲线围成的面积，所述步骤（4）中，取拟合曲线方程为 三次曲线方程，测试轴逆时针转动的角度为正，以初始状态下测试轴的转动角度为0°，当测 试轴转动至+3.5°时，拟合得到的曲线方程为；测试轴从+ 3.5°转动至0°时，拟合得到的曲线方程为，扭转次 数为i时，Yi1和Yi2围成的面积为，其中，为扭转次 数i下的最大扭转角；测试轴从0°转动至3.5°且扭转次数为i时，Yi1为扭矩值，ai1为最高次 项系数，bi1为次高次项系数，ci1为最低次项系数，di1为常数；测试轴从+3.5°转动至0°且扭 转次数为i时，Yi2为扭矩值，ai2为最高次项系数，bi2为次高次项系数，ci2为最低次项系数， di2为常数。
附图说明
图1是本发明的主视图。
图2是本发明中隐藏掉测试箱的上盖后的立体结构图。
图3是图2中A处的局部放大图。
图4是本发明中抱紧件的结构示意图。
图5是图4中B处的局部放大图。
图6为本发明中一个压紧单元的立体结构示意图。
图7为本发明中扭转一次时扭转角和扭矩之间的拟合曲线示意图。
图8为本发明中抱紧件的立体结构示意图。
图9为图8中C处的局部放大图。
图中：1测试电机，2扭矩传感器，3角度传感器，4试验箱，5轴承座，6测试轴，7联轴器，8抱紧件，9紧固件，10通电线，11齿轮，1101齿轮本体，1102橡胶连接圈，12压紧组件，1201压紧单元，1202压紧槽一，1203压紧槽二，13弹性圈，14穿线孔，15发热片，16安装孔，17容纳槽，18过渡槽。
具体实施方式
如图1～图6所示的一种汽车发动机减振齿轮11的疲劳试验装置，包括试验箱4和测试电机1，试验箱4内固连有用于夹紧齿轮11的试验夹具，试验箱4外侧固连有轴承座5，齿轮11上连接有测试轴6，测试轴6可转动地连接在轴承座5上，测试电机1的输出端经联轴器7与伸出试验箱4外的测试轴6所在的端部传动连接，在试验箱4外的测试轴6上连接有用于测试扭矩信号的扭矩传感器2和用于测试扭转角度信号的角度传感器3，试验夹具上开有容纳槽17，容纳槽17里侧对应的试验夹具上粘贴有发热片15，容纳槽17外侧对应的试验夹具内设有弹性圈13，弹性圈13和发热片15之间形成的空间为压紧区，压紧区内过盈配合有压紧组件12，压紧组件12有若干层具有弹性的压紧单元1201组成，相邻层压紧单元1201粘接在一起；其中，测试电机1为力矩电机，发热片15为硅胶发热片15，齿轮11为汽车发动机中的平衡齿轮，齿轮11包括齿轮本体1101，齿轮本体1101内固连有橡胶连接圈1102，橡胶连接圈1102与测试轴6连接。
为了使发热片15紧紧贴合在抱紧件8上，压紧单元1201的两端分别排布有若干压紧槽一1202和压紧槽二1203（如图6所示），压紧槽一1202和压紧槽二1203在径向方向上错开设置，相邻层压紧单元1201上的各个压紧槽一1202在径向方向上错开设置，相邻层压紧单元1201上的各个压紧槽二1203在径向方向上错开设置。
为了抱死齿轮11，试验夹具包括抱紧件8和紧固件9，抱紧件8为内齿轮11（如图8和图9所示），抱紧件8与汽车发动机减振齿轮11啮合，紧固件9的一端与抱紧件8可拆卸地连接在一起，紧固件9的另一端与试验箱4固连；抱紧件8上开有环形的容纳槽17；其中，发热片15的宽度与容纳槽17的宽度相同，弹性圈13与发热片15之间的容纳槽17对应的抱紧件8上开有过渡槽18，过渡槽18与容纳槽17连通，在轴向方向上，过渡槽18的宽度不小于压紧区的宽度，过渡槽18和容纳槽17对应的宽度设为a，压紧组件12的轴向宽度大于容纳槽17的宽度且小于a；为了实现发热片15的加热，抱紧件8上开有穿线孔14，发热片15上的通电线10穿过穿线孔14与试验箱4外部的数据采集分析控制系统电连接，抱紧件8朝试验箱4内壁相对设置的一侧排布有至少一个方便安装温度传感器的安装孔16，抱紧件8的一端为抱紧件8相对紧固件9设置的一端，容纳槽17设置在抱紧件8的一端。
使用一种汽车发动机减振齿轮11的疲劳试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
（1）将抱紧件8安装进测试箱4内之前，先将发热片15按次序粘贴到抱紧件8上，弹性圈13放置到容纳槽17外边缘对应的抱紧件8内，将压紧组件12插进弹性圈13内边缘与发热片15外边缘之间的压紧区，各层压紧单元1201发生弹性形变，压紧组件12抵触到过渡槽18对应的抱紧件8上后，将压紧组件12向外拉，使压紧组件12的朝外的一侧与抱紧件8的一端齐平，压紧单元1201逆向使发热片15紧密贴合在抱紧件8上；
（2）将抱紧件8放入测试箱4内，使抱紧件8与齿轮11啮合，紧固件9固定安装在测试箱4上，在齿轮11外的抱紧件8上安装上温度传感器，使用螺栓将抱紧件8与紧固件9连接在一起；
（3）数据分析控制系统控制发热片15发热，温度传感器采集抱紧件8的温度，当采集到的温度值至设定的工作温度范围内时，控制发热片15停止发热，否则继续控制发热片15升温，使抱紧件8的温度维持在设定的温度范围内；
（4）打开测试电机1，控制测试电机1的输出力矩为Mj，j的初始值为1，Mj=M0+（j-1）*10，j++，并使测试轴6在[-3.5°，3.5°]的角度范围内来回摆动，同时，数据采集分析控制系统计算出每一时刻下的扭矩值和角位移值，以扭转角为横向坐标，扭矩值为纵向坐标，每扭转一次，将该扭转次数下测试得到的扭矩值和角位移值做线性拟合曲线，计算出同一扭转次数下曲线围成的面积大小，数据采集分析控制系统根据最大扭转角和面积给出测试结果, 若测试结果为合格，判断j是否大于k，若j≤k，返回测试步骤，否则结束测试；若测试结果为不合格，则结束测试；
其中，以测试轴6的转动角度从0°转动至3.5°再从3.5°转动至0°的扭转为扭转一次，k为常数，本实施例中，k取为5，Mj为测试电机1第j次的输出力矩值，单位为Nm，M0=10 Nm。
为了进一步提高齿轮11的质量，步骤（4）中，设定测试电机1的输出力矩为Mj时，齿轮11的疲劳寿命为Nj次，扭转次数在Nj次内，若当前的最大扭转角大于设定的扭转角阈值范围或面积不在设定的范围内时，则该齿轮11不合格；当扭转次数达到Nj次时，若最大扭转角和面积同时在设定的范围内时，则该齿轮11合格，在此情况下，返回步骤（3）；若相同力矩不同工作温度下，该齿轮11的测试结果为合格，则控制测试电机1输出更大的力矩，重复执行步骤（4）；其中，Nj次为输出力矩为第j次时的疲劳寿命。
为了进一步计算出拟合出的曲线围成的面积，步骤（4）中，取拟合曲线方程为三次 曲线方程，测试轴6逆时针转动的角度为正，以初始状态下测试轴6的转动角度为0°，当测试 轴6转动至+3.5°时，拟合得到的曲线方程为；测 试轴6从+3.5°转动至0°时，拟合得到的曲线方程为，扭转次数为i时，Yi1和Yi2围成的面积为，其中，为扭转次数i下的最大扭转角；测试轴 6从0°转动至3.5°且扭转次数为i时，Yi1为扭矩值，ai1为最高次项系数，bi1为次高次项系数， ci1为最低次项系数，di1为常数；测试轴6从+3.5°转动至0°且扭转次数为i时，Yi2为扭矩值， ai2为最高次项系数，bi2为次高次项系数，ci2为最低次项系数，di2为常数；如图7所示为扭转 一次时的拟合曲线示意图，该图仅仅是方便社会公众理解，阴影处为由拟合曲线围成的面 积。
其中，工作温度范围为[115℃，125℃]；本发明中的齿轮11为汽车发动机内的平衡齿轮11，平衡齿轮11包括齿轮11本体，齿轮11本体内固连有橡胶连接圈，橡胶连接圈与测试轴6连接。
控制测试电机1输出的力矩大小分别为10Nm、20Nm、30Nm、40Nm和50Nm；力矩电机加载扭矩10 Nm时，齿轮11合格的最大扭转角范围为[0.0495rad,0.0605rad],耗能范围为[0.3114J,0.3806J],设定的疲劳寿命N1为150万次；力矩电机加载扭矩20 Nm时，齿轮11合格的最大扭转角范围为[0.081rad,0.099rad],耗能范围为[0.5706J,0.9674J]，设定的疲劳寿命N2为3万次；力矩电机加载扭矩30 Nm时，齿轮11合格的最大扭转角范围为[0.1296rad,0.1574rad],耗能范围为[2.5326J,3.0954J]，设定的疲劳寿命N3为1万次；力矩电机加载扭矩40 Nm时，齿轮11合格的最大扭转角范围为[0.171rad,0.209rad],耗能范围为[4.3974J,5.3746J]，设定的疲劳寿命N4为0.3万次；力矩电机加载扭矩50 Nm时，齿轮11合格的最大扭转角范围为[0.1935rad,0.2365rad],耗能范围为[5.8356J,7.1324J]，设定的疲劳寿命N5为100次。
本发明与现有技术相比，发热片15发热，给抱紧件8和齿轮11的啮合部升温至实际工况下的工作温度，模拟出在工作温度时的疲劳性能；通过压紧组件12的设置将发热片15紧紧贴合在抱紧件8上，提高导热效果；通过本测试方法的设计，准确反应齿轮11的疲劳性能和减振性能，提高齿轮11测试的准确性；可应用于汽车发动机平衡齿轮11的疲劳测试的工作中。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，包括试验箱和测试电机，所述试验箱内固连有用于夹紧齿轮的试验夹具，所述齿轮上连接有测试轴，所述测试电机与伸出试验箱外的测试轴所在的端部传动连接，其特征在于，在试验箱外的测试轴上连接有用于测试扭矩信号的扭矩传感器和用于测试扭转角度信号的角度传感器，所述试验夹具上开有容纳槽，所述容纳槽里侧对应的试验夹具上粘贴有发热片，所述容纳槽外侧对应的试验夹具内固连有弹性圈，所述弹性圈和发热片之间形成的空间为压紧区，所述压紧区内过盈配合有压紧组件，所述压紧组件有若干层具有弹性的压紧单元组成，相邻层压紧单元粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，其特征在于，所述压紧单元上排布有若干压紧槽，相邻层压紧单元上的各个压紧槽错开设置。
3.根据权利要求1所述的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，其特征在于，所述试验夹具包括抱紧件和紧固件，所述抱紧件为内齿轮，抱紧件与汽车发动机减振齿轮啮合，所述紧固件的一端与抱紧件可拆卸地连接在一起，紧固件的另一端与试验箱固连；抱紧件上开有环形的容纳槽。
4.根据权利要求3所述的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，其特征在于，所述发热片的宽度与容纳槽的宽度相同，弹性圈与发热片之间的容纳槽对应的抱紧件上开有过渡槽，所述过渡槽与容纳槽连通，在轴向方向上，过渡槽的宽度不小于压紧区的宽度，过渡槽和容纳槽对应的宽度设为a，压紧组件的轴向宽度大于容纳槽的宽度且小于a。
5.根据权利要求3或4所述的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置，其特征在于，所述抱紧件上开有穿线孔，所述发热片上的通电线穿过穿线孔与试验箱外部的数据采集分析控制系统电连接，抱紧件朝试验箱内壁相对设置的一侧排布有至少一个方便安装温度传感器的安装孔，所述抱紧件的一端为抱紧件相对紧固件设置的一端，容纳槽设置在抱紧件的一端。
6.使用权利要求1～5任一项所述的一种汽车发动机减振齿轮的疲劳试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将抱紧件安装进测试箱内之前，先将发热片按次序粘贴到抱紧件上，弹性圈放置到容纳槽外边缘对应的抱紧件内，将压紧组件插进弹性圈内边缘与发热片外边缘之间的压紧区，各层压紧单元发生弹性形变，压紧组件抵触到过渡槽对应的抱紧件上后，将压紧组件向外拉，使压紧组件的朝外的一侧与抱紧件的一端齐平，压紧单元逆向使发热片紧密贴合在抱紧件上；
（2）将抱紧件放入测试箱内，使抱紧件与齿轮啮合，紧固件固定安装在测试箱上，在齿轮外的抱紧件上安装上温度传感器，使用螺栓将抱紧件与紧固件连接在一起；
（3）数据分析控制系统控制发热片发热，温度传感器采集抱紧件的温度，当采集到的温度值至设定的温度范围内时，控制发热片停止发热，否则继续控制发热片升温，使抱紧件的温度维持在设定的温度范围内；
（4）打开测试电机，控制测试电机的输出力矩为Mj，j的初始值为1，Mj=M0+（j-1）*10，j++，并使测试轴在[-3.5°，3.5°]的角度范围内来回摆动，同时，数据采集分析控制系统计算出每一时刻下的扭矩值和角位移值，以扭转角为横向坐标，扭矩值为纵向坐标，每扭转一次，将该扭转次数下测试得到的扭矩值和角位移值做线性拟合曲线，计算出同一扭转次数下曲线围成的面积大小，数据采集分析控制系统根据最大扭转角和面积给出测试结果, 若测试结果为合格，判断j是否大于k，若j≤k，返回测试步骤，否则结束测试；若测试结果为不合格，则结束测试；
其中，以测试轴的转动角度从0°转动至3.5°再从3.5°转动至0°的扭转为扭转一次，k为常数，Mj为测试电机第j次的输出力矩值，单位为Nm，M0=10 Nm。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述步骤（4）中，设定齿轮的疲劳寿命为Nj次，扭转次数在Nj次内，若当前的最大扭转角大于设定的扭转角阈值范围或面积不在设定的范围内时，则该齿轮不合格；当扭转次数达到Nj次时，若最大扭转角和面积同时在设定的范围内时，则该齿轮合格；其中，Nj次为输出力矩为第j次时的疲劳寿命。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述步骤（4）中，取拟合曲线方程为三次曲线方程，测试轴逆时针转动的角度为正，以初始状态下测试轴的转动角度为0°，当测试轴转动至+3.5°时，拟合得到的曲线方程为；测试轴从+3.5°转动至0°时，拟合得到的曲线方程为，扭转次数为i时，Yi1和Yi2围成的面积为，其中，为扭转次数i下的最大扭转角；测试轴从0°转动至3.5°且扭转次数为i时，Yi1为扭矩值，ai1为最高次项系数，bi1为次高次项系数，ci1为最低次项系数，di1为常数；测试轴从+3.5°转动至0°且扭转次数为i时，Yi2为扭矩值，ai2为最高次项系数，bi2为次高次项系数，ci2为最低次项系数，di2为常数。
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