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附錄1：
變速器扭矩試驗臺的設(shè)計與開發(fā)
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安魯塔·洛馬特 薩斯·莫特 拉胡爾·希德
摘 要
變速器是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的動力傳輸驅(qū)動器中不可或缺的元素。因此，很有必要在齒輪投入使用之前確保它的傳動性能，以確保系統(tǒng)的無故障運行。 在變速器的性能測試中，檢查額定速度下的轉(zhuǎn)矩承載能力是非常重要的。本篇論文闡述了一個扭矩試驗臺的設(shè)計和開發(fā)，它可以對具有多盤制動系統(tǒng)的變速器進(jìn)行 0.5-10 kN/m 的承載能力測試。而將扭矩試驗臺的實驗測量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后與理論計算進(jìn)行比較，可以觀察到實驗與理論計算之間具有良好的一致性。
關(guān)鍵詞：變速器、設(shè)計、扭矩、校準(zhǔn)
一、簡介
變速箱是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)不可或缺的動力傳輸裝置，如汽車，機(jī)械和起重機(jī)等。工業(yè)齒輪傳動的主要功能是在可接受的噪音、振動和溫度水平下，可靠地傳遞原動機(jī)和從動件設(shè)備之間的轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)一個或多個的前述操作特性超過允許的限制，就可能導(dǎo)致變速器出現(xiàn)故障。制造公司或客戶必須承擔(dān)齒輪系統(tǒng)在操作期間出現(xiàn)故障的大成本和時間的損失。因此，在齒輪傳動系統(tǒng)投入使用之前確保它們的質(zhì)量對保證系統(tǒng)的無故障運行是十分必要的。
在測試變速箱性能的時候，測試不同速度下轉(zhuǎn)矩的承載能力是很重要的。目前，環(huán)傳動有限公司并沒有任何測試扭矩的裝置。因此，在扭矩的測量中，公司需要根據(jù)ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和AGMA（美國齒輪制造商協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理論計算指定轉(zhuǎn)矩額定值。因此，有一個變速器試驗臺來確保變速器的質(zhì)量對他們來說是非常重要的。扭矩試驗臺是每一個齒輪制造企業(yè)必須具備的基本設(shè)施。
為了滿足扭矩試驗臺的上述需要，進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)查，以確定其功能和規(guī)格。從上面的文獻(xiàn)中研究發(fā)現(xiàn)，市場上不同類型的扭矩試驗臺的機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制方案都有一些優(yōu)點和缺點。 對于背對背排列需要兩個類似的變速器，它可能無法在一些情況下使用。
在數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)扭矩方法中，飛輪被用于施加轉(zhuǎn)矩，這不適合予高扭矩測量。這兩種方法都不適用這種情況。
多盤制動扭矩測試系統(tǒng)（扭矩施加）是合適的，因為它可以以不同的速度提供廣泛的扭矩（從500 N-M至10 KN-m）。制動盤部分潤濕，能夠避免磨損和控制制動盤的溫度。用于驅(qū)動多盤式制動器系統(tǒng)，執(zhí)行器是必要的。在研究不同的制動元件時，發(fā)現(xiàn)液壓作動器適用于向多盤制動系統(tǒng)施加壓力4。因為它通過控制壓力與壓力控制閥組合的速率使平滑接合得到快速響應(yīng)。通過查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)在扭矩測量的過程中，罐式稱重傳感器可提供高扭矩測量，因為這種負(fù)載電池適用于高扭矩或負(fù)荷范圍，也消除了需要事先檢查的程序[ 5 ]。最后，決定了要開發(fā)一個適合不同的變速器的液壓驅(qū)動多片式制動器制動力矩試驗臺，在額定轉(zhuǎn)速下的最大扭矩為10kNm。
二、方法論
所提出的系統(tǒng)具有多片制動器總成作為主要和核心組成部分。該組件被安裝在支架和固定在軸之間的支架上。
多片制動系統(tǒng)被用于在變速器上施加轉(zhuǎn)矩。對于制動器的制動，我們使用液壓制動器。制動系統(tǒng)通過直接連接或齒輪的幫助與變速器連接。由于軸與變速箱連接，制動力被傳送到變速箱，同時傳到扭力臂（扭力臂與制動總成固定）。扭矩臂反過來施加相同的力到負(fù)載單元上。
為了保持制動盤的正常溫度，設(shè)計了適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為以下幾個子系統(tǒng)，即：
A.制動器總成
B. 驅(qū)動系統(tǒng)
C.冷卻系統(tǒng)
D. 扭矩測量和顯示裝置
三、 設(shè)計與制造
要設(shè)計一個變速箱的扭矩試驗臺是一個創(chuàng)新的想法。在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，將主系統(tǒng)劃分為具有如下特定功能的多個子系統(tǒng)。
A. 制動器總成
B. 驅(qū)動系統(tǒng)
C. 冷卻系統(tǒng)動系統(tǒng)
D. 扭矩測量和顯示裝置
描繪不同子系統(tǒng)的試驗臺的概述如圖2所示。
圖2 所設(shè)計的扭矩試驗臺概要
A.制動器總成
制動器總成是試驗臺的主要部分。在制動器總成的設(shè)計過程中，遵循下列步驟。材料的選擇“參考文獻(xiàn)[ 6 ,7]”，各組成部分的設(shè)計與分析如制動盤、活塞、氣缸、扭力臂、軸承、油封、活塞環(huán)等的選擇。一些重要的計算如下。為了找到剎車盤的數(shù)量，我們使用了統(tǒng)一的磨損標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計剎車盤?！皡⒖嘉墨I(xiàn)[8,9]”
公式一：
其中，Mt為最大轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)是工作力，Z是匹配的表面數(shù)目，μ為摩擦系數(shù)，D10為外制動盤的內(nèi)徑以及d2I是內(nèi)制動盤的外徑。制動盤的總數(shù)為27。軸基本上是為壓碎，剪切，扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷類型而設(shè)計的。最理論大剪應(yīng)力被用于確定軸的直徑，因為該軸的材料是球墨鑄鐵。公式二：
其中，τ是最大剪應(yīng)力，d為軸的直徑，K B和k t分別為沖擊和疲勞因子，M b為彎曲力矩。軸的最小直徑為120mm。
B.驅(qū)動系統(tǒng)
手動液壓致動器具有用于20條能力。
C.熱計算和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
在多盤制動的情況下，散熱是主要問題。當(dāng)油的溫度高于900℃的時候，油不再遵守它的特性。因此，制動盤會發(fā)生磨損，為了避免這樣的問題發(fā)生，我們設(shè)置了冷卻水套。
扭矩測量和顯示裝置
從制動總成到測力傳感器的扭矩傳遞中，使用1000毫米的轉(zhuǎn)矩臂。對于2000千克容量的扭矩測量罐型稱重傳感器使用數(shù)字顯示,使用 100千克每米的分辨率。設(shè)計制造和裝配后按圖紙進(jìn)行。試驗臺的實際情況如圖3所示。
圖3 扭矩試驗臺
四、實驗工作
在實驗工作裝置試驗臺如“圖”，并利用試驗臺的一些變速箱標(biāo)定進(jìn)行了以下方式。分析確定的扭矩值與不同型號的變速器測量的扭矩值進(jìn)行比較。將分析數(shù)據(jù)和實驗的讀數(shù)進(jìn)行比較。
圖4 校準(zhǔn)試驗臺的示意圖
這些結(jié)果給出了不同的壓力值范圍從2兆帕到20兆帕。使用校準(zhǔn)的測量單位（負(fù)載傳感器，數(shù)字顯示和壓力計）。從下面參考公式中計算理論價值。公式（三） 其中，Ph是液壓，D是活塞外徑，d活塞的內(nèi)徑。驗臺還可以進(jìn)行一些變速器的占空比測試。
五、結(jié)果與討論
通過測試了不同類型的變速器，做了不同類型的實驗，結(jié)果討論如下。通過實驗結(jié)果和理論值的比較進(jìn)行的試驗臺的校準(zhǔn)。對一些模型做出了測試結(jié)果，其中一個如下面討論。
1.變速器型號4010-4，[ 11 ],
規(guī)格：輸入功率P 10h,
輸出轉(zhuǎn)速5.75r.p.m,
輸出扭矩10.5 Nm。
試驗在不同的恒定壓力值下進(jìn)行了10分鐘，并每2分鐘后觀察讀數(shù)，以獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
圖5 理論數(shù)值與實驗轉(zhuǎn)矩值的比較
表1 比較分析和實驗扭矩值
據(jù)觀察，在整個扭矩幅度范圍內(nèi)，扭矩實驗讀數(shù)高于理論值絕對值的40-50 Nm。對百分比而言，這占了約5至0.5％。此外，較高的錯誤（5%）被觀察到出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩較低的時候（和較低的壓力），而較低的錯誤（0.5%）被觀察到出現(xiàn)在較高轉(zhuǎn)矩值時。此錯誤的原因可能是由于未在理論計算中考慮各種原因?？赡艿脑蛉缦滤?。
（1） 在分析計算中，不考慮軸承、油封及其它動件的摩擦。
（2） 測試變速器有較低的工作速度（5-10轉(zhuǎn)），以這樣的速度運行時，制動板之間的粘滑現(xiàn)象更嚴(yán)重，這可能是錯誤的來源之一。
（3） 系統(tǒng)的慣性。
（4） 當(dāng)液壓壓力增大時，各部件的摩擦增大。
（5） 顯示器讀數(shù)的錯誤。
（6） 壓力表中的誤差也從壓力指示器中模擬顯示，所以可能產(chǎn)生人為誤差。
將所獲得的結(jié)果和理論計算進(jìn)行比較，能夠看到實驗獲得的和理論計算的結(jié)果之間有良好的一致性。實驗數(shù)值和理論值密切配合。
A.實驗值與轉(zhuǎn)矩誤差的比較
經(jīng)過對試驗臺的標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中有三種類型的誤差：載荷單元的誤差、制動總成的誤差和數(shù)字顯示的誤差。經(jīng)過試驗臺的校準(zhǔn)后，測定每個轉(zhuǎn)矩值的總誤差，列表如“圖6”所示。
圖6 中誤差分析的扭矩測試裝置
圖6在變速器的實際測試中，當(dāng)對扭矩試驗臺進(jìn)行誤差分析時，應(yīng)將對應(yīng)的誤差系數(shù)加入到實際測試?yán)?。變速器測試10分鐘。每2分鐘觀察和記錄平均扭矩讀數(shù)，數(shù)據(jù)記錄如下表“表2”所示。
表2 對不同的車型進(jìn)行測試（輸出扭矩）
從上表中，可以觀察到所有的變速器都能在給定的速度下成功運行輸出轉(zhuǎn)矩。
B.占空比測試
對于變速箱來說，有必要進(jìn)行占空比測試。一項變速器占空比測試的的結(jié)果如“圖7”所示。變速器型號為4005-2，輸出速度為52.4rpm，輸出轉(zhuǎn)矩940Nm。
圖7 理論值和實驗扭矩讀數(shù)在不同時刻的比較
從上面的曲線圖中，可以觀察到扭矩值隨時間波動在936至941Nm范圍內(nèi)。這一變化是可以忽略不計的（約0.5%）。
C、功率與出口溫度的關(guān)系
在試驗臺的標(biāo)定中，溫度是一個重要的參數(shù)，因為如果機(jī)油溫度超過90 °C，潤滑油將失去其特性，導(dǎo)致鉆機(jī)不能有效地工作。這也是用冷卻夾套來散熱的目的。水被用作冷卻劑，水的流量被視為9.5升/分鐘。
圖8 不同車型的溫度和輸入功率的比較
在“圖8”中可以觀察到，隨著輸入功率的增加，溫度值也在穩(wěn)定增長。
六、結(jié)論
為了測量變速器的扭矩，我們設(shè)計和開發(fā)了液壓驅(qū)動多片制動系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是專門為了測量在額定轉(zhuǎn)速下扭矩從0.5 kNm 變化到10 kNm的數(shù)值。試驗臺使用理論數(shù)值來標(biāo)定。在試驗臺的標(biāo)定中，我們發(fā)現(xiàn)試驗臺扭矩測量的最大值誤差是50 Nm（部分變速器使用試驗臺測試的結(jié)果與理論值一致）。
該試驗臺還可用于某些變速器的峰值負(fù)載測試和占空比測試。對冷卻水的溫度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。該試驗臺的總體性能毫無故障。
七、致謝
作者要感謝環(huán)傳輸公司，薩達(dá)拉不僅給這個項目提供了一個工作機(jī)會，還提供了所有在工廠和設(shè)計公司的技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗。