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傳動系統(tǒng)的動態(tài)間隙測試

2020-06-28 21:16:42·  來源：MStarsEngineeringService  
　
介紹傳動系間隙車輛動力傳動系統(tǒng)中不可避免地存在間隙。動力總成包括發(fā)動機(jī)，離合器，變速器，傳動軸，主減速器，驅(qū)動軸和車輪。間隙的來源主要是變速箱中齒輪之
介紹
傳動系間隙
車輛動力傳動系統(tǒng)中不可避免地存在間隙。動力總成包括發(fā)動機(jī)，離合器，變速器，傳動軸，主減速器，驅(qū)動軸和車輪。間隙的來源主要是變速箱中齒輪之間的齒側(cè)隙，但整個動力總成中的其他游隙也會影響間隙，如花鍵聯(lián)接的配合間隙，傳動軸十字萬向節(jié)或等速軸萬向節(jié)滾珠的側(cè)向間隙，等等。另外齒輪的制造誤差、負(fù)載造成的轉(zhuǎn)軸或箱體的撓曲和熱膨脹都會對間隙大小產(chǎn)生影響。圖1為典型的傳動系統(tǒng)及其潛在的間隙位置。從部件角度可分為變速器，差速器，傳動軸等。
 
圖1 傳動系統(tǒng)中潛在間隙的位置
 
問題
01、一方面間隙會導(dǎo)致clunk，rattle等NVH問題，間隙引起的非線性給傳動系統(tǒng)控制帶來困難。
 
02、另一方面齒隙可以防止齒輪輪齒因受熱膨脹而造成的卡滯，潤滑油也可以存儲在齒側(cè)之間以形成潤滑油膜，從而改善接觸表面的邊界條件并減慢磨損。
實(shí)際工程中，控制間隙的大小成為工程師的主要任務(wù)。對各部件進(jìn)行靜態(tài)間隙評估和控制，通常比較容易實(shí)現(xiàn)，整車狀態(tài)下很難對系統(tǒng)的動態(tài)間隙進(jìn)行測試。
本文給出一種動態(tài)間隙測試的方法，基于試驗(yàn)結(jié)果可對多個NVH問題進(jìn)行了基于動態(tài)間隙的定量分析。
 
間隙的靜態(tài)測試
 
2、間隙可定義為：機(jī)械部件沿某個方向移動，未對下一個部件施加明顯力或造成運(yùn)動的最大距離或角度。包括了兩個因素，力（運(yùn)動）和位移。
轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的間隙測試需要用扭矩和角度的辦法進(jìn)行測試。傳動系統(tǒng)一端固定，在另一端加準(zhǔn)靜態(tài)扭矩，同時(shí)測試扭矩輸入端的轉(zhuǎn)角。
 
圖2 靜態(tài)間隙及模型
 
如圖2所示的三個階段
1、隨著轉(zhuǎn)角增大，扭矩減小由負(fù)變?yōu)榱?，此過程的紅線可視為系統(tǒng)負(fù)向的扭轉(zhuǎn)剛度
2、轉(zhuǎn)角繼續(xù)增加，扭矩仍保持為零，按間隙的定義，零扭矩轉(zhuǎn)過的角度即為扭矩輸入端到固定端的傳動總間隙
3、轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，扭矩增大由零變?yōu)檎?，此過程的紅線可視為系統(tǒng)正向的扭轉(zhuǎn)剛度
靜態(tài)間隙可以在臺架上完成，甚至也可以在實(shí)車狀態(tài)下完成，比如把檔位鎖死，從車輪端進(jìn)行輸入。它能反映間隙在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的大小，是間隙檢查和控制的基礎(chǔ)，有著重要意義。但實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)下，傳動系統(tǒng)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法固定某一端；實(shí)際齒輪，轉(zhuǎn)軸，軸承，箱體受到載荷產(chǎn)生變形，受熱變形的影響，以及系統(tǒng)彈性對間隙的綜合影響，圖3給出的是回轉(zhuǎn)中心偏移對間隙的影響示意圖，動態(tài)偏心是在旋轉(zhuǎn)件中常見的現(xiàn)象。這些影響均無法在靜態(tài)間隙測試中體現(xiàn)出來，需要進(jìn)行動態(tài)間隙的測試。
 
圖3 齒輪動態(tài)偏心對動態(tài)間隙影響
 
3、動態(tài)間隙測試的基本原理和工況
與靜態(tài)間隙測試的基本原理一樣，動態(tài)間隙測試也需要兩個物理量，扭矩和轉(zhuǎn)角。扭矩給出邊界信息，轉(zhuǎn)角給出間隙的大小。
傳動系統(tǒng)是扭矩的傳遞鏈，鏈上的某個環(huán)節(jié)中斷都會導(dǎo)致整個鏈的中斷，也就是說當(dāng)某對齒輪進(jìn)入到間隙狀態(tài)的時(shí)候，傳動鏈上的輸入即為零，因此在傳動鏈的任何部位測試扭矩均可以得到傳動鏈上扭矩為零的時(shí)刻。
轉(zhuǎn)角信息可以通過轉(zhuǎn)速的積分得到，如圖4所示。兩齒輪的的動態(tài)間隙可表示為            
 
其中φdl(t)為總間隙φ1(0)，φ2(0)分別為齒輪1和齒輪2的初始轉(zhuǎn)角；?φ1(in) 和?φ1(n) 為為自t0到t1時(shí)間間隔內(nèi)的轉(zhuǎn)角，即N個增量的和。
 
圖4 動態(tài)間隙測試的基本原理
轉(zhuǎn)角測試和分析的幾個關(guān)鍵點(diǎn)：
a、初始狀態(tài)的選擇，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角與間隙不在一個數(shù)據(jù)級上，轉(zhuǎn)角從開始啟動就會持續(xù)增加，發(fā)動機(jī)1000rpm時(shí)一分鐘轉(zhuǎn)過360K度，而間隙只是在1-10度的范圍內(nèi)，間隙的產(chǎn)生發(fā)生在十幾到幾十毫秒的過程中。確定好初始狀態(tài)，才能在有限的總轉(zhuǎn)角過程中，把間隙的過程通過轉(zhuǎn)角差捕捉下來。
b、轉(zhuǎn)角增量測試，即類似轉(zhuǎn)速積分的過程，分別測試兩個齒輪的轉(zhuǎn)角，相減后得到某一時(shí)刻的轉(zhuǎn)角差。此時(shí)兩個變量對測試的精度會產(chǎn)生影響，一是齒輪或碼盤的齒數(shù)，另外就是脈沖測試的采樣率。當(dāng)被測輪齒較少時(shí)，也可以通過數(shù)字差值和多次統(tǒng)計(jì)的辦法得到相對好的測試精度。當(dāng)然如果被測輪齒非常多，就可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)傳遞誤差的測試，但此時(shí)由于輪齒的脈沖頻率會非常高，對數(shù)據(jù)采集前端的采樣頻率有了較高要求。這是一個測試精度和設(shè)備成本相平衡問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，利用現(xiàn)有設(shè)備，例如LMS數(shù)采，僅利用現(xiàn)有變速器上的齒輪，即可得到相當(dāng)精度的動態(tài)間隙。
c、傳動比的計(jì)算，需要比較高的精度，利用齒數(shù)，保留的小數(shù)位應(yīng)該較高。
在瞬態(tài)工況下，車輛在進(jìn)行諸如Tip in / out 和快速離合器分離/結(jié)合的動態(tài)響應(yīng)時(shí)，傳動系中扭矩會快速換向，由負(fù)到正（Tip in），或由正到負(fù)(Tip out)。扭矩?fù)Q向時(shí)會穿越零點(diǎn)，由于間隙的存在，部件需消除間隙后才能傳遞反向扭矩，故存在所謂“間隙帶”階段。利用這種瞬態(tài)工況，采信扭矩和轉(zhuǎn)角的信息，即可得到系統(tǒng)的動態(tài)間隙。

4、傳動系統(tǒng)間隙測試的方案和案例
通過磁電傳感器測試發(fā)動機(jī)飛輪端的扭轉(zhuǎn)角度，利用加工的碼盤測試傳動軸的扭轉(zhuǎn)角度信息。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，動態(tài)間隙隨著扭矩的變化變化，特別在扭矩?fù)Q向的過程中，動態(tài)間隙的變化尤為劇烈，即為最大間隙。如果適當(dāng)選擇初始點(diǎn)，即可計(jì)算出最大動態(tài)間隙的大小。
 
（a）殼體上打孔測試轉(zhuǎn)速
 
（b) 定制傳動軸扭矩傳感器
 
圖6 傳動系統(tǒng)動態(tài)間隙隨扭矩的變化
同時(shí)，仔細(xì)觀察某一個過零點(diǎn)的過程，增加多個測點(diǎn)，可以進(jìn)一步細(xì)化動態(tài)間隙的分布。
 
圖7 傳動系統(tǒng)動態(tài)間隙的分布
從圖可以看出，在一個過零點(diǎn)的過程中，總間隙由三個部件的間隙組成，最大的是4號間隙，其次是3號，2號代表的動態(tài)間隙最小。
 結(jié)論  
利用扭矩和轉(zhuǎn)角測試可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)間隙的整車實(shí)際工況測試。測試的關(guān)鍵點(diǎn)在于利用高品質(zhì)的扭矩信號進(jìn)行起始點(diǎn)的選擇，以及良好的轉(zhuǎn)角測試和之后的分析處理。
M-stars通過自己高精度的測試能力實(shí)現(xiàn)了動態(tài)間隙，為諸多NVH和駕駛性分析提供了量化基礎(chǔ)。
 
參考文獻(xiàn)
1）Bagad, V.S. (2009). Mechatronics (4th revised ed.). Pune: Technical Publications. ISBN 9788184314908. Retrieved 28 June 2014.
2）Jie Liu, She Liu, Weiqiang Zhao , and Lei Zhang：Dynamic Characteristics of Spur Gear Pair with Dynamic Center Distance and Backlash， Volume 2019 |Article ID 2040637
 
 
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