节能型变速器试验系统研究

２０１１年１２月　第３９卷第２４期　

机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｄｅｃ，２０ｌ１　

Ｖｏｌ＿３９　Ｎｏ．２４　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１１．２４．０１４　节能型变速器试验系统研究　

郭美华　，陈卿　（１．中山职业技术学院，广东中山５２８４０４；２．三一重工泵送研究院，湖南长沙４１０１００）　

摘要：针对变速器长时间的寿命试验以及大批量产品性能试验造成的大量能量耗损问题，设计一种节能型变速器试验　系统。简要介绍该系统的工作原理和特点，主要对能量回收装置进行了设计与分析，建立其数学模型，利用ＡＭＥＳｉｍ构建　其仿真模型。仿真结果表明，采用此系统可节能４３％左右。　关键词：变速器；寿命试验；能量回收　中图分类号：ＴＨ２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１１）２４—０３７—３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｇｅａｒｂｏｘ　ＧＵＯ　Ｍｅｉｈｕａ　，ＣＨＥＮ　Ｑｉｎｇ　（１．Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５２８４０４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓａｎｙ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔ￣Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｐｕｍｐ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｈｕｎａｎ　４１０１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｗａｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅ－ｓｐａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｇｅａｒｂｏｘ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂ－　ｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＭＥＳｉｍ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕ［ｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｓａｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｂｏｕｔ　４３％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｇｅａｒｂｏｘ；Ｌｉｆｅ—ｓｐａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；Ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　

汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其　性能的优劣直接影响到传动系统的性能，关系到整车　的质量。随着汽车产量的不断扩大，对变速器的需求　不断增长，同时对汽车变速器的质量要求也越来越　高，这就要求既要有高科技的加工手段，又要有高性　能的检测设备。对于变速器进行长时间的可靠性试验　以及大批量产品的性能试验，势必造成能量的大量耗　损，在能源危机加剧的今天，这显然是极不合理的。　为了节约试验能量和降低成本，应采取措施将这部分　能量加以回收再利用。因而，探讨研究节能型的汽车　变速器试验系统，就显得极为迫切和重要。作者在综　合分析大量国内外有关资料基础上，针对现有变速器　试验系统存在的一些不足，提出了汽车变速器能量回　收试验系统思想　。　１　变速器试验系统组成及工作原理　试验系统基本组成框图如图１所示。试验时，首　先由电动机驱动试验系统，在试验中根据工况的变化　由扭矩传感器检测扭矩值，并把相应的信号输入控制　单元，控制单元调节负载装置给系统加载，并向变频　器发出信号，调节电动机的输出扭矩；加载器液压泵　吸收试验系统的输出功率；能量回收器液压马达回收　加载泵的功率并反馈给试验系统，其反馈的能量随加　载器负荷的变化自动调节。为了保证电动机和液压马　

达能同步工作，即保证齿轮传动副的啮合定律，将它　们输出的转速信号通过能量耦合器耦合后传给被试变　速器，避免发生工作干涉。　

图１　试验系统的基本组成框图　２能量耦合器的设计　为了保证电动机和能量回收器变量马达能同步工　作，设计了能量耦合器来实现两路能量耦合同步。电　动机和变量马达有不同的输出转速和转矩，为了满足　变速器的转速试验规范要求，使两个具有不同转速的　动力装置，其输出端在经过了能量耦合器之后得到一　个共同的速度。能量耦合器原理图如图２所示　。　由图２可知，差速器壳３与行星齿轮轴５连成一　体，形成行星架，因为它与连接变速器的输入端６连　在一起，故为从动件，设其角速度为　。；电动机与　变量马达均为动力源，故与电动机连接的齿轮１和与　变量马达连接的齿轮２为主动件，其角速度分别为　

收稿日期：２０１０—１１—３０　作者简介：郭美华（１９８２一），女，硕士研究生，讲师，研究方向为车辆工程。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕｏｍｅｉｈｕａ＠１６３．ｃｏｍ。　・３８・　机床与液压　第３９卷　和　。Ａ、Ｂ两点分别为行星齿轮４与齿轮１和２　的啮合点。行星齿轮的中心点为ｃ，　、Ｂ、Ｃ三点到　差速器旋转轴线的距离均为ｒ。　ｌ一连接电动机齿轮　２一连接马达齿轮　３一差速器壳　４一行星齿轮　５一行星齿轮轴　６一输出端　图２能量耦合器原理图　当行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公　转时，显然，处于同一半径ｒ上的Ａ、Ｂ、ｃ三点的圆　周速度都相等，其值为∞。ｒ。于是　＝∞：＝　。，即差　速器不起差速作用，两个动力源输入轴角速度等于差　速器壳３的角速度。　当行星齿轮４除公转外，还绕本身的轴５以角速　度∞　自转时，啮合点Ａ的圆周速度为∞　ｒ＝∞。ｒ＋　０９４ｒ４，啮合点Ｂ的圆周速度为∞２ｒ＝∞０ｒ—ｃＥＪ４ｒ４。于是　１ｒ＋∞２ｒ＝（∞０ｒ＋６０４ｒ）＋（∞０ｒ一　４ｒ）　即　１＋　２＝２ｔｏ０　（１）　若角速度以每分钟转速ｎ表示，则　ｎｌ＋／１，２＝２ｎ０　（２）　式（２）为电动机及变量马达连接的齿轮直径相　等的对称式锥齿轮差速器的运动特性方程式。它表示　电动机和变量马达的转速之和等于输出端即被试变速　器输入端轴转速的两倍，而与行星齿轮速无关。因此　为了使被试验的变速器获得额定转速，可以借助行星　齿轮以相应转速自转，使具有不同转速的电动机和变　量马达实现同步，满足变速器试验要求，而不发生磨　损和干扰现象。　当电动机的转矩与变量马达转矩相等时，行星齿　轮没有自转，行星齿轮相当于一个等臂杠杆，输出轴　的转矩Ｍｏ＝２Ｍ　＝２Ｍ２。当与电动机相连接的齿轮和　与变量马达相连接的齿轮分别以不同的转速朝相同方　向转动时，假设齿轮１的转速ｎ　大于齿轮２的转速　ｎ　，则行星齿轮４将按图３上实线箭头ｎ　的方向绕　行星齿轮轴颈５自转，此时行星齿轮孑Ｌ与行星齿轮轴　轴颈间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行　星齿轮所受的摩擦力矩　方向与其转速ｎ　方向相　反。此摩擦力矩使行星齿轮分别对齿轮１和齿轮２附　加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力Ｆ。和Ｆ：。　Ｆ　使转得快的与电动机相连半轴上的转矩　。减小，　而　使转得慢的与液压马达相连半轴上的转矩　增加。因此当电动机与变量马达存在转速差时，转矩　如下：　Ｍ。＝￣－（Ｍｏ—Ｍｒ）　

＝１（Ｍｏ＋Ｍｒ）　

Ｉ　１　４　｝　７　

ｆ　／　、　ｆ　ｌ　２　５　

ｌ一连接电动机齿轮　２一连接马达齿轮　３一差速器壳（图中未画出）　一４行星齿轮　５一行星齿轮轴　

（３）　（４）　

图３能量耦合器转矩分配图　由式（３）和（４）可得电机和液压马达经能量　耦合器后输出轴的转矩，即变速器的输入转矩为　Ｍｏ＝Ｍ１＋　（５）　两轴上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩　。　为了衡量差速器的内摩擦力矩的大小及转矩分配特　性，常以锁紧系数Ｋ表征，即　Ｍ２一Ｍ１　Ｍ　（６）　

差速器内摩擦力矩和其输出转矩（差速器壳体　上力矩）之比，定义为差速器锁紧系数Ｋ。而电动机　和液压马达两快慢轴上的转矩之比鲁，定义为转矩　

比，以　表示　，　１＋Ｋ　（７）　

一般锁紧系数Ｋ＝０．０５～０．１５，转矩比　为　１．１—１．４。可以认为无论电动机和变量马达的转速是　否相等，而转矩基本上总是均等的。　３试验系统建模与仿真研究　能量耦合器将电动机提供的能量和液压马达回收　的能量实现耦合同步，电动机的输出转矩为　Ｈ２　，　、　Ｔｏ＝　￣３１ｄＡ（卜最）　（８）　

液压马达的输出转矩为　ｇ　Ｍ　Ｍ　ｒ／Ｍ　（９）　第２４期　郭美华等：节能型变速器试验系统研究　・３９・　经过能量耦合器后的输出转速，即变速器的输入　Ｍｏ＝Ｍ　＋　（１１）　转速为ｎ　式中：电动机输出转矩ＴＯ＝Ｍ　，液压马达输出转矩　

凡Ｄ＋ｎＭ　，１　ｎ、

ＴＭ＝Ｍ２，即Ｔｉ　：ＴＤ＋　。　

ｎｉｎ一　２　利用ＡＭＥＳｉｍ软件进行建模仿真　，如图４示。　

经过能量耦合器后的输出转矩，即变速器的输入　转矩为　＝Ｍｏ　

图４系统总仿真模型　４试验结果及分析　按照变速器疲劳试验规范中试验要求，选择一组　数据定量地进行仿真分析。当变速器第一轴输入扭矩　为１９５　Ｎ・ｍ，输入转速为４　６６０　ｒ／ｍｉｎ时，进行仿真，　采用电动机直接驱动时电机的输出功率与采用回收装　置时马达的回收功率曲线及能量回收效率曲线如图５　所示。　

０　ｌ０　２０　３０　４０　５０　６０　ｔｌｓ　（ａ）电机输出功率与马达　回收功率曲线图对比　０　ｌ０　２０　３０　４０　５Ｏ　６Ｏ　ｔｌｓ　

（ｂ）能量回收效率曲线图　

仿真结果表明，采用能量耦合器的节能型变速器　试验系统与电动机单独驱动系统相比节能４３％左右。　参考文献：　【１】李翔晟．用于传动系试验的一种新型节能系统［Ｊ］．南　京林业大学学报，２００３，２７（５）：６６—６８．　【２】郭美华．汽车变速器功率完备试验系统设计与控制研究　［Ｄ］．长沙：中南林业科技大学，２００９．　【３】谭尹耕．液压实验设备与测试技术（修订版）［Ｍ］．北　京：北京理工大学出版社，１９９７．　【４】陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，１９９９．　【５】三菱电机株式会社．变频器原理与应用教程［Ｍ］．北京：　国防工业出版社，１９９８．　【６】路涌祥，胡大弘．电液比例控制技术［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，１９８８．　【７】李吉，李华聪．仿真软件ＡＭＥＳｉｍ应用研究［Ｊ］．航空计　图５仿真试验　算技术，２００６，３６（１）：５６—５８．　’Ｈ。Ｈ’Ｈ’Ｈ。Ｈ’Ｈ。Ｈ’Ｈ’Ｈ’Ｈ。Ｈ。Ｈ‘Ｈ’Ｈ‘Ｈ’Ｈ’Ｈ。Ｈ‘Ｈ　Ｈ‘Ｈ‘Ｈ。Ｈ。Ｈ’Ｈ‘Ｈ’Ｈ‘Ｈ‘Ｈ。Ｈ‘Ｈ。Ｈ’Ｈ’Ｈ‘Ｈ。Ｈ‘Ｈ‘Ｈ‘Ｈ’Ｈ’Ｈ‘Ｈ’Ｈ‘　蔓　新型重载工业机器人薄壁转盘轴承研制成功　主　

干　近Ｅｔ，一新型重载工业机器人薄壁转盘轴承在洛阳ＬＹＣ轴承有限公司顺利下线，发往用户装机使用。该产品的　士研制成功填补公司此类产品的空白。　，　士　该产品是为国内权威工业机器人制造商同步研制的新产品，由于该产品尺寸大、精度高，特别是对产品的齿轮有　丰特殊要求。虽然此前公司有加工轻型工业机器人轴承的经验，但为确保产品研制，公司技术人员多次与用户沟通，明±　：｝：确产品选型，优化设计方案，并针对产品特性，以非标设计的模式组织加工，确保了产品的顺利研制。　：＃　士　据了解，工业机器人轴承作为一种高端产品，随着国家工业化步伐的加快，市场前景广阔。此次该产品的研制成：｝：　功，使公司在这一领域所加工产品的尺寸段得到进一步延伸，为公司抢占这一高端产品市场制高点将起到推动作用。士　王（内容来源：机电商情网）　￥　ｔｃ　一　、…　’　Ⅲ