CN115144175A - 综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法,属于试验测试及数据处理技术领域。本发明用于综合传动装置低温启动阻力模拟测试及综合传动装置低温启动阻力模型建模。本发明提出以大功率驱动电机模拟柴油发动机的启动电机,大功率驱动电机所提供的扭矩足够大,能够克服综合传动装置在低温条件下的启动阻力,对综合传动装置低温启动阻力测试至关重要;首次将灰色理论应用于综合传动装置低温启动阻力研究,试验表明,所得到的综合传动装置低温启动阻力模型的预测结果的平均误差在15%左右。
Description
技术领域
本发明属于试验测试及数据处理技术领域,具体涉及一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法。
背景技术
履带装甲车辆的动力总成包括发动机、综合传动装置及一些辅助设备。发动机和综合传动装置通过盖斯林格联轴器连接。在动力总成启动时,综合传动装置的启动阻力直接传递到发动机。综合传动装置集机—电—液于一体,广泛使用了如液力变矩器、液粘离合器等液力传动部件。在低温状态下,其内部的传动油粘度变大、流动性变差,在极端条件下甚至会凝固,启动性能变差、启动阻力变大,使得发动机难以启动。因此,在低温启动时,需要对传动油进行升温。然而,升温到什么程度并没有一个定论,若是温度升得过高,必然需要增加升温时间,从而延长整车启动时间,影响部队作战效率;若温度升得不足,则发动机依然启动困难。不同型号综合传动装置内部结构不尽相同,低温环境下的启动阻力也不太一样。因此需要设计一种综合传动装置在不同低温工况下的启动阻力测定方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何解决综合传动装置低温工况启动阻力在整车动力总成条件下测试不方便且无法计算的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法,包括以下步骤:
步骤一、设计综合传动装置低温启动模拟设备
履带车辆的综合传动装置低温启动模拟包括低温环境模拟和综合传动装置启动模拟,通过一套综合传动装置低温启动模拟设备来实现,该设备包括低温冷冻舱、驱动电机及测试系统;
使用一定功率的大功率驱动电机模拟柴油发动机的启动电机,为综合传动装置工作提供动力,大功率驱动电机用于提供足够的动力以保证综合传动装置在规定的时间内启动,从而测试综合传动装置的最大启动扭矩,驱动电机与综合传动装置通过联轴器连接,联轴器使用弹性联轴器,并在靠近综合传动装置的一端安装扭矩测试设备,将驱动电机和综合传动装置组成的动力总成置于低温冷冻仓内,或只将综合传动装置于低温冷冻仓内,驱动电机置于低温冷冻仓外,驱动电机可提供的最大扭矩可满足模拟履带车辆动力总成的启动要求;
低温冷冻仓具有至少二级制冷装置,低温冷冻仓最低制冷温度不不低于-45℃,其内部尺寸保证低温冷冻仓内的空间能够容纳动力总成模拟设备;
测试系统包括数据采集系统、扭矩测试设备、转速测量设备及温度传感器,数据采集系统具有数据采集和存储功能;
步骤二、利用所述综合传动装置低温启动模拟设备进行综合传动装置低温启动阻力测试
综合传动装置低温工况启动阻力测试包括如下步骤:
①给综合传动装置加注润滑油,先加注到油量刻度尺下限位置;
②将综合传动装置安装于低温冷冻仓中的试验工装上,并与驱动电机连接;
③启动驱动电机,将驱动电机转速控制在一定转速;
④如果综合传动装置具有压力油箱,则启动综合传动装置的卸荷阀,将综合传动装置内大部分传动油抽到综合传动装置内部的压力油箱;
⑤将驱动电机转速降为0,并将综合传动装置的档位置于空挡、液力变矩器置于强制解锁状态;
⑥将低温冷冻仓的温度设定为预设较低温度,并保温24小时,以保证综合传动装置内部传动油冷冻状态一致;
⑦利用温度传感器测量综合传动装置的传动油温度,确保其在设定温度值附近一定范围内;
⑧控制驱动电机转速,使其转速在规定时间内从0rpm升至 200rpm柴油发动机启动电机启动转速,并保持一定时间,基于扭矩测试设备、转速测量设备、温度传感器测量该过程中综合传动装置的扭矩、转速和温度,并通过数据采集系统记录这些数据;
⑨间隔一定的温度重复测试,直到测试设定温度达到一定温度,得到综合传动装置的润滑油处于下限时的低温启动阻力数据;
⑩将润滑油加注到油量刻度尺上限位置,重复步骤①至⑨,得到综合传动装置的润滑油处于上限时的低温启动阻力数据;
步骤三、测试数据处理
利用灰色理论对综合传动装置低温启动阻力测试数据进行处理。
优选地,步骤三中,以温度作为自变量,以低温启动扭矩作为因变量,分别求出润滑油处于下限和上限的综合传动装置低温启动阻力模型,具体方法如下:一、选择润滑油处于下限的测试数据作为处理对象;二、如果测试时温度不是等间隔的,则将数据扩充为等间隔温度的一系列数据,否则不进行数据扩充处理;三、综合传动装置润滑油的粘度与润滑油的温度为反指数型关系,因此综合传动装置的低温启动扭矩与温度也呈现出一定的反指数型关系,对测试得到的数据进行处理使其随温度上升而增长;四、以第三步处理得到的数据作为灰色理论处理数据的原始数据X(1)(x(k)(1),k=1,2,…,n),以X(1)的一次累减生成算子作为X(0)(x(k)(0)=x(k+1)(1)-x(k)(1),k=1,2,…,n-1)),生成 X(1)的紧邻生成序列 Z(1)(z(1)(k)=αx(1)(k)+(1-α)x(1)(k-1),(k=2,3,…,n),0<α<1);五、依据灰色理论,建立微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=b(z(1)(k))2,求解得到a和b的值;六、将a和b的值代入第五步的微分方程,求解得到七、对第六步得到的结果进行反变换,其结果就是润滑油处于下限时的综合传动装置低温启动阻力模型;八、选择润滑油处于上限的测试数据作为处理对象,重复步骤二至七,得到润滑油处于上限时的综合传动装置低温启动阻力模型。
优选地,第二步中,如果测试时温度不是等间隔的,则利用插值、拟合的方法将数据扩充为等间隔温度的一系列数据。
优选地,第三步中,对测试得到的数据进行处理使其随温度上升而增长的处理方法是对测试数据取倒数,或用一个较大值Y减去测试数据。
优选地,对第六步得到的结果进行反变换与第三步中所用方法对应,取倒数,或用较大值Y减去第六步的结果。
优选地,该设备还包括驱动电机控制器。
优选地,所述驱动电机可提供的最大扭矩不低于8000Nm,以满足模拟履带车辆动力总成的启动要求。
优选地,所述数据采集系统的扭矩信号和转速信号的采样率不低于1kHz,温度信号的采样率不低于10Hz,扭矩测试设备量程不低于 10000Nm,测量精度不低于1%Fs;转速测量设备量程不低于3000rpm,测量误差不大于±10rpm;温度传感器的测量下限不低于-80℃。
优选地,如果综合传动装置没有压力油箱,则跳过步骤④。
本发明还提供了一种用于实现所述方法的综合传动装置低温启动模拟设备。
(三)有益效果
本发明用于综合传动装置低温启动阻力模拟测试及综合传动装置低温启动阻力模型建模。本发明提出以大功率驱动电机模拟柴油发动机的启动电机,大功率驱动电机所提供的扭矩足够大,能够克服综合传动装置在低温条件下的启动阻力,对综合传动装置低温启动阻力测试至关重要;首次将灰色理论应用于综合传动装置低温启动阻力研究,试验表明,所得到的综合传动装置低温启动阻力模型的预测结果的平均误差在15%左右。
附图说明
图1为本发明的综合传动装置低温启动模拟设备结构简图;
图2为本发明的综合传动装置低温启动扭矩测试及数据处理流程图;
图3为各温度下的转速扭矩曲线图;
图4为综合传动装置启动扭矩峰值模拟曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
综合传动装置低温启动扭矩受到传动油液位、各零部件间传动油存量、传动油冷冻情况等因素的影响,而这些因素在实际使用中有些是不可预知、无法检测的,其低温启动阻力无法通过常规数学模型计算;在整车动力总成条件下,综合传动装置与发动机通过盖斯林格联轴器连接,连接部位结构紧凑,不能通过扭矩仪、应变片等进行测试。
综上,由于一系列客观原因,综合传动装置的低温启动阻力不能直接在履带车辆动力总成上测量,且无法计算。为此,本发明提出了一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法,以解决综合传动装置低温工况启动阻力在整车动力总成条件下测试不方便且无法计算的问题。该方法包括综合传动装置低温启动阻力测试和低温启动阻力测试数据处理两部分,具体操作方法包括以下主要内容:一、将综合传动装置的档位置于空挡,液力变矩器解锁;二、通过低温冷冻仓,将综合传动装置冷冻到一定温度,且保持足够的时间以确保综合传动装置内部传动油冷冻状态一致;三、利用驱动电机快速启动综合传动装置,并测试其启动时的扭矩;四、在其他温度下,重复步骤(二)、 (三),测试综合传动装置的启动阻力;五、利用灰色理论处理综合传动装置低温启动阻力测试数据,建立综合传动装置低温启动阻力模型。
参考图2,本发明提供的一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理具体包括以下步骤:
履带车辆动力总成启动过程分析:
履带车辆动力总成的动力源主要采用柴油发动机。柴油发动机的启动主要靠其启动系统或启动装置提供能量,驱使发动机曲轴转动,从而压缩气缸燃料并燃烧。为了保证柴油雾化良好和压缩中了时油气混合物的温度高于柴油自然温度,要求启动系统或启动装置具有较高的启动转速,一般要求在2s内转速达到150~300rpm。
履带车辆动力总成在启动过程中,由于柴油发动机与综合传动装置通过盖斯林格联轴器直接连接,柴油发动机启动装置不仅要克服发动机内部阻力,还需要克服综合传动装置的启动阻力。因为启动时加速度高,所以加速度阻力较大。如果综合传动装置处于低温环境中,其内部的传动油粘度变大、流动性变差,在极端情况下甚至会凝固,导致动力总成启动性能变差,启动阻力进一步增大。因而,柴油发动机的启动装置在低温环境下需要克服非常大的阻力来启动发动机。由于启动装置的功率相对较低,在低温环境下经常启动失败。
履带车辆综合传动装置低温启动模拟设备及阻力测试:
(1)设计综合传动装置低温启动模拟设备
本发明提出的履带车辆综合传动装置低温启动模拟包括低温环境模拟和综合传动装置启动模拟,通过一套综合传动装置低温启动模拟设备来实现。该套设备包括低温冷冻舱、驱动电机、驱动电机控制器及测试系统等。
本发明使用大功率驱动电机模拟柴油发动机的启动电机,为综合传动装置工作提供动力,而直接不使用柴油发动机的启动电机。大功率驱动电机可以提供足够的动力以保证综合传动装置在规定的时间内启动,从而测试综合传动装置的最大启动扭矩。驱动电机与综合传动装置通过联轴器连接,联轴器应使用弹性联轴器,并在靠近综合传动装置的一端安装扭矩测试设备。可将驱动电机和综合传动装置组成的动力总成置于低温冷冻仓内,如图1中b所示;也可以只将综合传动装置于低温冷冻仓内,驱动电机置于低温冷冻仓外,如图1中a所示。驱动电机可提供的最大扭矩不得低于8000Nm,以满足模拟履带车辆动力总成的启动要求。
低温冷冻仓需具有至少二级制冷装置,具有较好的密封性能,保证低温冷冻仓最低制冷温度不不低于-45℃。其内部尺寸长不低于3m,宽不低于2m,高不低于1.8m,以保证低温冷冻仓内的空间能够容纳动力总成模拟设备。
测试系统包括数据采集系统、扭矩测试设备、转速测量设备及温度传感器。数据采集系统具有数据采集和存储功能,扭矩信号和转速信号的采样率不低于1kHz,温度信号的采样率不低于10Hz。扭矩测试设备量程不低于10000Nm,测量精度不低于1%Fs;转速测量设备量程不低于3000rpm,测量误差不大于±10rpm;温度传感器的测量下限不低于-80℃。
(2)利用所述综合传动装置低温启动模拟设备进行综合传动装置低温启动阻力测试
综合传动装置低温工况启动阻力测试包括如下步骤:
①给综合传动装置加注润滑油,先加注到油量刻度尺下限位置;
②将综合传动装置安装于低温冷冻仓中的试验工装上,并与驱动电机连接;
③启动驱动电机,将驱动电机转速控制在800rpm;
④启动综合传动装置的卸荷阀,将综合传动装置内大部分传动油抽到综合传动装置内部的压力油箱(如果综合传动装置具有压力油箱,则执行本步骤;如果没有压力油箱,则跳过步骤④);
⑤将驱动电机转速降为0,并将综合传动装置的档位置于空挡、液力变矩器置于强制解锁状态;
⑥将低温冷冻仓的温度设定为某个较低温度,并保温24小时,以保证综合传动装置内部传动油冷冻状态一致;
⑦利用温度传感器测量综合传动装置的传动油温度,确保其在设定温度值附近;
⑧控制驱动电机转速,使其转速在规定时间内从0rpm升至 200rpm(200rpm为柴油发动机启动电机启动转速),并保持至少3秒钟,基于扭矩测试设备、转速测量设备、温度传感器测量该过程中综合传动装置的扭矩、转速和温度,并通过数据采集系统记录这些数据;
⑨间隔一定的温度重复测试,直到测试设定温度达到20℃左右,得到综合传动装置的润滑油处于下限时的低温启动阻力数据。
⑩将润滑油加注到油量刻度尺上限位置,重复步骤①至⑨,得到综合传动装置的润滑油处于上限时的低温启动阻力数据。
测试数据处理:
综合传动装置低温启动阻力受到启动加速度、传动油液位、各零部件间传动油存量、传动油冷冻情况等因素影响,而这些因素在实际使用中有些因素是不可预知、无法检测的,属于典型的黑箱问题。由于试验时间及成本的限制,只能进行有限工况的试验。本发明利用灰色理论对综合传动装置低温启动阻力测试数据进行处理。利用该方法,可将有限的测试数据进行扩展,以满足实际应用的需求。
利用该方法,以温度作为自变量,以低温启动扭矩作为因变量,分别求出润滑油处于下限和上限的综合传动装置低温启动阻力模型,具体方法如下:一、选择润滑油处于下限的测试数据作为处理对象;二、如果测试时温度不是等间隔的,就需要利用插值、拟合等方法将数据扩充为等间隔温度的一系列数据,否则不需要进行数据扩充处理;三、由于综合传动装置润滑油的粘度与润滑油的温度为反指数型关系,因此综合传动装置的低温启动扭矩与温度也会呈现出一定的反指数型关系,需要对测试得到的数据进行处理使其随温度上升而增长 (处理方法是对测试数据取倒数,或用一个较大值Y减去测试数据);四、以第三步处理得到的数据作为灰色理论处理数据的原始数据 X(1)(x(k)(1),k=1,2,…,n),以X(1)的一次累减生成算子(1-IAGO)作为 X(0)(x(k)(0)=x(k+1)(1)-x(k)(1),k=1,2,…,n-1)),生成X(1)的紧邻生成序列Z(1)(z(1)(k)=αx(1)(k)+(1-α)x(1)(k-1),(k=2,3,…,n),0<α<1);五、依据灰色理论,建立微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=b(z(1)(k))2,求解得到a 和b的值;六、将a和b的值代入第五步的微分方程,求解得到七、对第六步得到的结果进行反变换(与第三步中所用方法对应,取倒数,或用较大值 Y减去第六步的结果),其结果就是润滑油处于下限时的综合传动装置低温启动阻力模型;八、选择润滑油处于上限的测试数据作为处理对象,重复步骤(二)至(七),得到润滑油处于上限时的综合传动装置低温启动阻力模型。
以某型综合传动装置为例,测试其低温启动阻力并进行数据处理。由于试验时间及成本的限制,只能进行有限工况的试验。利用本发明提出的数据处理方法,可将有限的试验数据进行扩展,以满足实际应用的需求。
通过本发明提出的试验方法,测量该型综合传动装置在-45℃、 -35℃、-20℃、0℃及20℃下的启动扭矩,如图3及表1所示。
表1各温度下综合传动装置启动扭矩峰值
利用三次多项式插值法,以5℃为间隔进行插值将原始数据拟合为一系列平滑的点,如表2所示。
表2各温度下综合传动装置启动扭矩峰值三次多项式拟合结果
令k=(45+T)/5(这里T为温度,单位℃),就可以将-45℃~20℃的温度序列转换为0~13的顺序序列。
油液粘度随温度变化呈指数变化。由于测量得到的试验数据程反指数变化,本发明先用一个较大的值(本实施例中为11000)减去试验数据,得到X(1),并将X(1)作为灰色Verhulst模型的原始数据。以 X(1)的一次累减生成算子(1-IAGO)作为X(0)。
X(1)的紧邻生成序列为:
建立微分方程:
该方程即为示例综合传动装置启动扭矩的灰色Verhulst模型。
令M=[-Z(1),(Z(1))2],N=X(0),通过求解方程
式中:T为综合传动装置传动油温度——℃。
利用综合传动装置启动扭矩峰值的灰色Verhulst模型,计算 -45℃、-35℃、-20℃、0℃和20℃下的综合传动装置启动峰值扭矩,结果如表3、图4所示。
表3综合传动装置峰值启动扭矩灰色Verhulst模型模拟结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种综合传动装置低温启动阻力测试及数据处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、设计综合传动装置低温启动模拟设备
履带车辆的综合传动装置低温启动模拟包括低温环境模拟和综合传动装置启动模拟,通过一套综合传动装置低温启动模拟设备来实现,该设备包括低温冷冻舱、驱动电机及测试系统;
使用一定功率的大功率驱动电机模拟柴油发动机的启动电机,为综合传动装置工作提供动力,大功率驱动电机用于提供足够的动力以保证综合传动装置在规定的时间内启动,从而测试综合传动装置的最大启动扭矩,驱动电机与综合传动装置通过联轴器连接,联轴器使用弹性联轴器,并在靠近综合传动装置的一端安装扭矩测试设备,将驱动电机和综合传动装置组成的动力总成置于低温冷冻仓内,或只将综合传动装置于低温冷冻仓内,驱动电机置于低温冷冻仓外,驱动电机可提供的最大扭矩可满足模拟履带车辆动力总成的启动要求;
低温冷冻仓具有至少二级制冷装置,低温冷冻仓最低制冷温度不不低于-45℃,其内部尺寸保证低温冷冻仓内的空间能够容纳动力总成模拟设备;
测试系统包括数据采集系统、扭矩测试设备、转速测量设备及温度传感器,数据采集系统具有数据采集和存储功能;
步骤二、利用所述综合传动装置低温启动模拟设备进行综合传动装置低温启动阻力测试
综合传动装置低温工况启动阻力测试包括如下步骤:
①给综合传动装置加注润滑油,先加注到油量刻度尺下限位置;
②将综合传动装置安装于低温冷冻仓中的试验工装上,并与驱动电机连接;
③启动驱动电机,将驱动电机转速控制在一定转速;
④如果综合传动装置具有压力油箱,则启动综合传动装置的卸荷阀,将综合传动装置内大部分传动油抽到综合传动装置内部的压力油箱;
⑤将驱动电机转速降为0,并将综合传动装置的档位置于空挡、液力变矩器置于强制解锁状态;
⑥将低温冷冻仓的温度设定为预设较低温度,并保温24小时,以保证综合传动装置内部传动油冷冻状态一致;
⑦利用温度传感器测量综合传动装置的传动油温度,确保其在设定温度值附近一定范围内;
⑧控制驱动电机转速,使其转速在规定时间内从0rpm升至200rpm柴油发动机启动电机启动转速,并保持一定时间,基于扭矩测试设备、转速测量设备、温度传感器测量该过程中综合传动装置的扭矩、转速和温度,并通过数据采集系统记录这些数据;
⑨间隔一定的温度重复测试,直到测试设定温度达到一定温度,得到综合传动装置的润滑油处于下限时的低温启动阻力数据;
⑩将润滑油加注到油量刻度尺上限位置,重复步骤①至⑨,得到综合传动装置的润滑油处于上限时的低温启动阻力数据;
步骤三、测试数据处理
利用灰色理论对综合传动装置低温启动阻力测试数据进行处理。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤三中,以温度作为自变量,以低温启动扭矩作为因变量,分别求出润滑油处于下限和上限的综合传动装置低温启动阻力模型,具体方法如下:一、选择润滑油处于下限的测试数据作为处理对象;二、如果测试时温度不是等间隔的,则将数据扩充为等间隔温度的一系列数据,否则不进行数据扩充处理;三、综合传动装置润滑油的粘度与润滑油的温度为反指数型关系,因此综合传动装置的低温启动扭矩与温度也呈现出一定的反指数型关系,对测试得到的数据进行处理使其随温度上升而增长;四、以第三步处理得到的数据作为灰色理论处理数据的原始数据X(1)(x(k)(1),k=1,2,…,n),以X(1)的一次累减生成算子作为X(0)(x(k)(0)=x(k+1)(1)-x(k)(1),k=1,2,…,n-1)),生成X(1)的紧邻生成序列Z(1)(z(1)(k)=αx(1)(k)+(1-α)x(1)(k-1),(k=2,3,…,n),0<α<1);五、依据灰色理论,建立微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=b(z(1)(k)),求解得到a和b的值;六、将a和b的值代入第五步的微分方程,求解得到七、对第六步得到的结果进行反变换,其结果就是润滑油处于下限时的综合传动装置低温启动阻力模型;八、选择润滑油处于上限的测试数据作为处理对象,重复步骤二至七,得到润滑油处于上限时的综合传动装置低温启动阻力模型。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,第二步中,如果测试时温度不是等间隔的,则利用插值、拟合的方法将数据扩充为等间隔温度的一系列数据。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,第三步中,对测试得到的数据进行处理使其随温度上升而增长的处理方法是对测试数据取倒数,或用一个较大值Y减去测试数据。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,对第六步得到的结果进行反变换与第三步中所用方法对应,取倒数,或用较大值Y减去第六步的结果。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,该设备还包括驱动电机控制器。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述驱动电机可提供的最大扭矩不低于8000Nm,以满足模拟履带车辆动力总成的启动要求。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述数据采集系统的扭矩信号和转速信号的采样率不低于1kHz,温度信号的采样率不低于10Hz,扭矩测试设备量程不低于10000Nm,测量精度不低于1%Fs;转速测量设备量程不低于3000rpm,测量误差不大于±10rpm;温度传感器的测量下限不低于-80℃。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,如果综合传动装置没有压力油箱,则跳过步骤④。
10.一种用于实现如权利要求1至9中任一项所述方法的综合传动装置低温启动模拟设备。
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