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如图 1.1 所示_前轮传动轴油封渗怎么办

2019-10-25 08:01 - 百度 - 查看:
缓缓张开眼来,步天歌惊疑的转头,心底哀嚎着,在大学四年里。还是吸引到多少人,老五想到了个破办法, 传动轴必须依据不一样的升举高宽比来配对,一切版本号的牧马人2.5寸升举

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  传动轴必须依据不一样的升举高宽比来配对,一切版本号的牧马人2.5寸升举都可以无需拆换前后左右传;两门车轮距短,后传长短也很短,故前后左右传的视角都挺大,开展4寸升举时必需拆换前后左右传,不然传动轴会在极短期内内毁坏;四门车开展4寸升举时强烈要求拆换前传,不然防尘套最易毁坏,后传提议同歩拆换,也可待毁坏后再拆换,应随时随地关心防尘套是不是毁坏;在开展6寸升举时必需拆换前后左右传,不然传动轴会在极短期内内毁坏;柴油汽车配对方法同上,由于柴油汽车扭距十分大,开展4寸及左右升举时提议前后左右传一块儿拆换,以防在高韧性越野车时被拧断。

  今年6月份,一位网友(ID:我没有人民币)发帖称,一台“别克SUV强者挑战之旅”活动专用车辆(新款昂科威))刚从停车场出来,就发生了传动轴掉下(脱落)来的故障,他善意提醒车主多多注意。

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  预防措施:①必须严格按照技术规范定期进行维护.确保有关零件紧固可靠、前轮传动轴油封渗怎么办润滑良好。②严格执行维修标准,维修时在V型铁上用百分表测量传动轴弯曲度,若超过0.SInm必须予以校正。③定期润滑中间轴承,轴承盖安装松紧度适当,使用中注意调整。④及时更换磨损超限的十字轴、轴承及其它传动件。⑤车辆使用中注意做到起步、换挡平稳,合理使用离合器和制动器,以减轻动力传递产生的冲击力。⑥一般情况下,尽可能不分解传动轴,以免破坏其平衡性能。必要时必须事先在有关零件上做好标记,以便按原位置装复。⑦装配时传动轴两端的十字轴万向节叉应处在同一平面内,以保证其等速传动。⑧传动轴上各处加油嘴应装在同一方向,以便于加注润滑脂;伸缩节防尘套两只卡箍的牙扣,应装在径向相对的位置(相差1800)。⑨传动轴花键磨损超限时,可采用局部更换的方法修复,将其车掉后焊上新件,用砂轮整修即可。⑩经常检查突缘叉及U型螺栓的紧固情况,并按规范予以拧紧牢固可靠。

  中北大学学位论文 The drive shaft torque measurement technology precision analysis Abstract The transmission efficiency of the power train is the one of the important parameters that impacting on armored vehicle performance advantages and disadvantages. Only by improving the measurement accuracy of the armored vehicles that judging the dynamic performance of the armored vehicles for achieve the design requirements of the vehicle driveline. To particular measurement environment of the drive shaft torque for a particular model, designing a high-precision drive shaft torque measurement system has extremely important practical significance to study how to improve the performance of the armored vehicles. In the dynamic test, there are many factors that affect the measurement parameters of accuracy of the drive shaft torque, such as bending moment, torsional vibration and so on. In order to improve the measurement accuracy of the drive shaft torque, using multi-parameter synchronous technology, and digital wireless transmission, drive shaft torque measurement accuracy has been greatly improved, and provides an important indicator for the study of vehicle power system. This article describes the background of the subject, gives an overview of the drive shaft torque measurement technology development status, and classification, focus on the propagation measurement techniques and measurement accuracy condition, at the same time, describes the drive shaft torque measurement technology, analysis the various factors of the error caused by the torque sensors, gives the transmission of the torque signal. Have designed a system that completes the drive shaft torque data acquisition, including hardware and software design, and equipment calibration and the drive shaft torque data acquisition experiment. Finally, analysis the overall error for system, get the high-precision drive shaft torque amount. Keywords :Drive Shaft Torque, Resistance Strain Gages, Bending Moment, Accuracy 中北大学学位论文 I 目 录 一、绪论 ................................................................. 1 1.1 课题背景 ............................................................ 1 1.2 传动轴扭矩测量技术国内外发展现状 .................................... 2 1.2.1 概述 ............................................................ 2 1.2.2 发展现状 ........................................................ 2 1.2.3 应变型测量法 .................................................... 5 1.3 本文研究的意义 ...................................................... 7 1.4 本文的主要内容 ...................................................... 7 二、传动轴扭矩测量技术与信号传输 ......................................... 8 2.1 引言 ................................................................ 8 2.2 应变式扭矩测试技术基本原理 .......................................... 8 2.2.1 应变效应和压阻效应 .............................................. 8 2.2.2 扭矩测量原理 ................................................... 10 2.2.3 转速的测量 ..................................................... 13 2.3 扭矩传感器的误差分析 ............................................... 13 2.3.1 温度引起的误差分析 ............................................. 14 2.3.2 机械性能引起的误差分析 ......................................... 15 2.3.3 弯矩引起的误差分析 ............................................. 16 2.3.4 扭振引起的误差分析 ............................................. 21 2.4 扭矩信号传输 ....................................................... 26 2.4.1 传统扭矩信号传输方式 ........................................... 26 2.4.2 无线信号传输方式 ............................................... 26 2.4.3 CAN 总线 ...................................................... 29 2.5 本章小结 ........................................................... 30 三、系统设计及试验研究 .................................................. 31 中北大学学位论文 II 3.1 引言 ............................................................... 31 3.2 系统总体设计 ....................................................... 31 3.3 软硬件设计 ......................................................... 32 3.3.1 数据采集系统设计 ............................................... 32 3.3.2 数据中继系统设计 ............................................... 38 3.3.3 PC 终端软件设计 ................................................ 43 3.4 本章小结 ........................................................... 45 四、整体误差分析与数据处理 .............................................. 46 4.1 引言 ............................................................... 46 4.2 系统标定及误差分析 ................................................. 46 4.2.1 应变式扭矩传感器的静态特性 ..................................... 46 4.2.2 标定数据误差分析 ............................................... 47 4.2.3 标定数据线性分析 ............................................... 52 4.3 实验数据处理及分析 ................................................. 54 4.3.1 附加扭矩滤除分析 ............................................... 55 4.3.2 实验数据处理结果及分析 ......................................... 58 4.4 本章小结 ........................................................... 61 五、总结与展望 .......................................................... 62 参考文献 ................................................................ 63 攻读硕士学位期间发表的学术论文 .......................................... 65 致谢 .................................................................... 66 中北大学学位论文 1 一、绪论 1.1 课题背景 未来战争的突然性、快速性对装甲车辆的战场机动性提出了越来越高的要求。在战场上,当敌我双方直接交手较量时,武器装备的性能往往是影响战争胜败的关键因素。坦克的攻击性、机动性和防护性,是装甲车辆的三大主要性能指标,也是历来装甲车辆设计者致力于研究的重要内容。未来掌握战争的主动权和更有效地消灭敌人,要求坦克既具有威慑性高的火力,又能机动灵活地运动,同时具有防御敌人攻击、保护自己的能力。坦克装甲车辆的机动性,主要决定于动力装置、传动装置、操纵机构、履带行驶装置的性能以及总体尺寸、质量等参数的影响。 动力装置和传动装置是决定装甲车辆机动性能的关键装置。动力装置包括发动机及其辅助系统,是装甲车辆的动力来源。传动装置是把发动机的功率传递给主动轮来驱动车辆的行驶,按直驶的要求改变履带的速度和牵引力,按转向的要求分别改变两侧履带的速度和牵引力,实现车辆的倒档行驶。车辆制动、停车和切断发动机动力等。为满足车辆的行驶性能,传动装置应满足如下要求 [1] : (1)具有较低的最低稳定车速和较高最高车速,牵引力变化范围在 15 倍以上; (2)与发动机匹配良好,传动效率高,能充分利用发动机的功率; (3)具有使车辆起步、连续加速、制动、停车、倒车和切断动力的功能; (4)结构紧凑,尽可能小尺寸,减轻重量,满足总体要求。 其中传动系传动效率是直接影响装甲车辆行驶性能优劣的重要参数之一,传动效率是指传动装置的输出功率与输入功率的比值,输入功率是由动力装置传递给传动装置的功率,输出功率可以通过对轴功率的测量获得,通常轴功率有轴的扭矩和转速计算得出。根据实时测量车辆传动系的轴功率,就可以判断车辆在不同条件下车辆主机的工作状况是否良好。所以,只有提高装甲车辆轴功率的测量精度,才能准确有效的判断车辆动力性能是否达到车辆传动系统设计要求。目前,轴转速测量技术已经相当成熟,其测量的精度基本达到要求。因此,目前的主要任务是如何提高扭矩测量技术的精度。所以对扭矩测量技术的研究具有极其重要的实际意义 [2] 。 中北大学学位论文 2 1.2 传动轴扭矩测量技术国内外发展现状 1.2.1 概述 为了能够更好地控制旋转轴及其相连的装置,通常采用测量传动轴扭矩和转速等参数。在测量方案方面,有应变式、电磁式、声表面波以及逆磁致伸缩法等等。 早在对发电机扭矩测量的时候,扭矩传感器已经被发明出来,但当对动态运行的机器进行扭矩测量时候,这种方法并不适合,因为这种测量方案只能测量静态扭矩。1930年后,在欧洲相位差扭矩测量装置被成功发明,其测量精度绝对值达百分之四左右[3] 。时间推移到1950年后,应变计被成功发明,特点是可靠性高、耐用性强,所以得到了广泛的使用[4] 。科技就像时间一样,从来没有停止过他的脚步,1980年后,旋转变压式扭矩传感器发明成功[5] ,这种新式扭矩传感器实现了能源与信号的无接触传递,其独特的非接触测量方案被广泛认可与应用。紧随无线测量技术的应用,一种无源测量技术应运而生[6] ,即声表面波扭矩传感器。随着铁磁材料的发现,美国人发明了磁弹性扭矩测量设备,这种设备不仅具有高精度,而且价格低,受温度影响小。 1.2.2 传动轴扭矩测量技术发展现状 传动轴扭矩测量方法根据测量手段的不同,归纳起来可分为3类: (1)平衡力法:匀速运转的动力机械或制动机械,在其机体上必然同时作用与转矩大小相等,方向相反的平衡力矩。通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂)来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。 (2)吸收法:是用某种装置给传动轴以制动力矩,与发动机输出功率相当的制动功以热的形式散发,测量的制动力矩即为发动机的输出扭矩; (3)传递法:是根据传动轴的扭转角位移或应变量,测量传动轴扭矩量的方法。 中北大学学位论文 3 随着电阻应变测量技术的提高,传递类扭矩测量法得到了广泛应用。传递类扭矩测试技术主要包括传感器和测试系统,按传感器类型可分为变形型、应力型和应变型。 1)变形型 可分为光学式、电容式、机械式和振弦式,他们是利用扭轴产生的扭转变形角及其切应变角设计而成。以振弦式扭矩测试法为例,如图 1.1 所示。在被测轴的两个相邻面上卡上两个套筒 1、2,在套筒上的支架 3、4 和 3、4上安装上振弦 5 与 6,安装时必须使振弦具有一定的预应力。当被测轴产生传递扭矩 T 时,轴产生扭转变形,致其两相邻截面扭转一个角度,造成振弦 5 受到一定的拉力,振弦 6 受到一定的压力。在被测轴的弹性变形范围内,被测轴的扭转角度与外加扭矩 T 成正比,而振弦的张力又与扭转角度成正比。和振弦式压力传感器一样,可以采用测量传感器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的扭矩[7] 。该传感器特点是结构复杂、灵敏度低,导致其测量准确度低、无法满足传动轴告诉测量的性能要求。 图 1.1 振弦式扭矩传感器 2)应力型 可分为光电式、磁电式和压磁式,他们是利用扭轴截面上的切应力与扭矩成正比的关系,以及磁性材料在机械应力作用下,致使其导磁性能发生相应变化的原理设计而成。 光电式测试法:电式扭矩测试法其结构如图 1.2 所示。它是由一个扭轴和两个光栅盘组成,两光栅盘有相等数量的辐射状黑色部位。扭轴受到转矩作用时产生扭转角变形,光栅盘 1 与 2 产生一个差角,形成一个透光口,光电元件遂及有一调宽脉冲输出,转矩越大,则透光口开度也就越大,因而光电流脉冲的宽度也就越大,从而产生电信号输出[9] 。另外脉冲电流平均值与转矩成正比,所以只要测量输出电信号值,便可以测量出外加扭矩值[9] 。这种扭矩传感器属于非接触式扭矩测量,如图 1.1 所示_前轮传动轴油封渗怎么办要求光源必须稳压供电。该传感器由 中北大学学位论文 4 于静态标定比较难,而且对测试环境要求也比较苛刻,结构复杂,所以在实际应用中很少涉及。这项技术曾经被美国 NASA 刘易斯研究中心研究过[10] 。 图 1.2 光电式扭矩测试法 磁电式测试法:磁电式扭矩传感器运用了磁电转换和相位差原理,是将转矩力学量转换成具有一定相位差的电信号[11] 。图 1.3 为磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源与负载之间的扭转轴两侧安装有齿形状的圆盘,旁边装有相应的两个磁电式传感器。传感器是由永久磁铁、 感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生磁力线和齿形圆盘相交,当齿形圆盘旋转的时候,圆盘齿形凸凹引起磁路气隙变化,导致磁通量发生变化,则线圈中就会感应出交流电压,其频率等于齿数与转数的乘积。 图 1.3 磁电式测试法 该测试方法的动态性能不是很好,无法达到被测轴的高速扭矩测量要求。目前国内的实验室环境广泛采用这种测试方法[11] 。国外更多采用扭转角差测试方法,转角差测试 中北大学学位论文 5 方法主要于负载较大的测试场合[12] 。 压磁式(磁致伸缩式)测试法:磁致伸缩式扭矩传感器利用了磁致伸缩效应原理。铁磁材料在扭转轴受到扭矩作用时,扭转轴中会产生方向性应力,这时扭转轴表面的磁场分布会变得不对称,从而导致磁的各向异性。磁致伸缩式扭矩传感器工作原理如图 1.4所示。在离扭转轴表面 1~2 mm 处安装有两个 90交叉的铁芯 1 和 2,铁芯 1 上绕有励磁线 上绕有感应线圈, 两个线圈与测量电路组成磁桥,从而可以检测到扭转轴扭转时产生的磁场。 图 1.4 压磁式(磁致伸缩式)轴功率测试原理图 该测试法属于非接触测量,解决了接触测量一系列缺点,如长时间设备磨损,电刷和集流环产生干扰信号等。非接触测量方法对扭转轴的材质要求不高,一般低碳钢即可。在 3000 N/cm2 以下扭转轴产生的切应力,其输出电势与扭矩量呈线性关系,测量误差相对较小。所以,磁致伸缩式扭矩传感器具有高灵敏度、结构简单、高稳定性等优点。但磁致伸缩式扭矩传感器测试法存在结构上无法克服的因素,如沿转轴圆周磁导率的固有误差等,因此磁致伸缩式扭矩传感器准确度很难提高。 1.2.3 应变型测量法 应变型测量法即电阻应变片式测量法。应变型扭矩传感器是以转轴受扭矩作用而产生的主应变为基本测量量,以电阻应变片为敏感元器件,目前在国内外得到最广泛应用的一种扭矩传感器[13] 。电阻应变片是一种很薄的金属片,可以粘贴在待测物体表面上,当物体加上负载以后,就会产生应力,应力传递给应变片,应变片的电阻值与应变值成正比变化,应变值可以通过测量应变片的电阻来得到。 中北大学学位论文 6 电阻应变片扭矩传感器的研究主要集中在两个方面:一方面是应变片新材料和新工艺的研究;另一方面是信号传输方式的研究,在传统滑环式传输方式的基础上提出了集流环式、电感耦合式、无线电式等传输方式,力图解决滑环接触式传输存在的各种缺陷。 1) 集流环式:该传输方式是在驱动轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量方式[14] ,其结构复杂, 如图 1.5 所示。 图 1.5 集流环传输法 该传输方式缺点是:随着运行时间的增加电环和电刷会出现结构的磨损,致使电阻的变化,产生噪声干扰。所以,该传输方式不适合长时间在恶劣测试环境和高转速测量中的应用。 2)电感耦合式:电感耦合的现象是指当网络是有两个或两个以上电路构成时,其中某一电路的电压或电流发生变化,致使其他电路也发生相应变化的现象。可以利用这一现象,将某一电路的能量(或信息)传递给其他电路中去。基于这样一种原理,就可以实现电信号的非接触式传输[14] , 该传输方式在一定程度上克服了集流环式的缺点,但是在动态测试环境中,由于旋转轴存在纵向和横向的振动,正副感应线圈容易发生错位,信号传输则会受到影响,而且在大振动下,会出现感应圈被打坏致使不能工作的情况。 3) 无线电式:将电阻应变式传感器输出的电压信号经过放大、滤波等处理后,利用空间传播的无线电波、电磁波或者是光波等媒介将电信号传输给地面上静止的信号接收仪器或设备。随着大规模集成电路技术的发展与应用,无线电发射接收模块体积、功耗可以做到很小[15] ,这些都为无线电传输方式提供了很好的技术支持,另外该传输方法属于非接触式测量法,完全克服了前两种传输方式的缺点[16] ,适用范围广,易维护。 中北大学学位论文 7 1.3 本文研究的意义 本论文是针对装甲车辆的动力传动系实况测试而提出来的,其目的是为了实时地获取车辆动力系统中重要的动态参数,主要是指其状态特征参数扭矩、扭振、传动轴转速、车辆行驶速度等。这些状态特征参数对于装甲车辆的设计、制造等诸多方面具有极其重要的实用价值和研究价值,对车辆的运行状态实时监测具有重要意义,提高动力传动系统动态参数的车载瞬态实时测量精度问题对国民经济的发展具有重要意义。 1.4 本文的主要内容 依据本课题的要求,结合开题报告中的思路,完成本课题: ◆介绍了本课题的背景情况,概述了传动轴扭矩测量技术发展现状、分类,着重给出了传递类测量技术和测量精度状况; ◆介绍了传动轴扭矩测量技术,分析了引起扭矩传感器误差的各种因素,给出了扭矩信号的传输方式。 ◆设计完成了传动轴扭矩数据采集系统,包括软硬件设计,并完成设备标定、传动轴扭矩数据采集实验。 ◆对实验数据进行了整体误差分析,通过数据滤波处理得到了高精度扭矩量。 中北大学学位论文 8 二、传动轴扭矩测量技术与信号传输 2.1 引言 当金属丝受到外力作用时会发生机械形变,同时其电阻值也会发生变化,这一现象叫做金属丝的电阻应变效应。当金属(特别是半导体材料)受到作用力时,它的电阻率会发生变化,这一效应被叫做压阻效应[17] 。利用这一效应,应变式扭矩传感器能将扭矩应变转化为电量输出[18] 。本章节将对应变式扭矩传感器的工作原理和信号传输进行详细阐述。 2.2 应变式扭矩测试技术基本原理 2.2.1 应变效应和压阻效应 对一根电阻率为  、截面积为 S 、长度为 l 的金属丝,未受任何外力的情况下,其电阻值为 R ,由物理学可知,金属丝的电阻值为 SlR   (2.1) 假设当金属丝受到轴向伸拉力 F 时,长度伸长 dl ,横截面积减小 dS ,因金属晶格发生变形等因素的影响电阻率也改变  d ,金属丝的电阻值改变 dR[19] 。对式2.1进行全微分,用相对变化量表示,则有        dSdSldlR dSldSSldlSdR2 (2.2) 化简得  dSdSldlRdR   (2.3) 又因为 rdrSdS2  ( r 为金属丝半径) (2.4) 中北大学学位论文 9 令x =ldl为金属丝轴向应变,y =rdr为金属丝径向应变,则当金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩小,x 和y 之间的关系为 x y    (2.5) 式中  为金属材料的泊松比。 把式2.4、2.5代入式2.3结果得 ldlKldll dldRdR    2 1 (2.6) 式2.6中K 为该金属电阻丝的灵敏系数,表示当金属丝产生单位应变时,电阻值相对变化的大小。即可表示如下: l dldl dlR dRK      2 1 (2.7) 由上式可知,影响金属电阻丝的灵敏系数的因素主要有两个:一是    2 1[20] ,电阻丝的几何形变引起的影响;二是l dld  ,为材料的电阻率随应变所引起的影响,即所说的“压阻效应”。对于金属材料,在两个影响因素中,由形变所引起的影响占主要因素。若以  表示应力,  表示压阻系数,则电阻率的变化为  d=  (2.8) l dl 可称为应变,用  表示,即  = l dl (2.9) 根据胡克定律,应力  、应变  与材料的弹性模量eE 的关系为  eE  (2.10) 所以电阻率可表示为  d= eE (2.11) 中北大学学位论文 10 则有  eE K       ) 2 1 ( 2 1 (2.12) 对于金属材料的电阻应变片,其压阻效应很弱小,其值约等于 2,所以  2 1 oK   oKRdR   ) 2 1 ( (2.13) 对半导体材料的电阻应变片,其压阻效应非常显著, d一般可以达到 50~100 上下[21] ,所以 e oE K   o eK ERdR  (2.14) 因为电阻应变片一般是由金属材料制成。所以由上述可知,只要按一定的方式将电阻应变片粘贴在弹性体上,就可以将弹性体的应变值转化成电阻应变片电阻值的变化。 2.2.2 扭矩测量原理 如下图2.1所示,当弹性轴受到扭转力时,传递给扭转轴的扭转力是剪应力对扭转轴横截面扭心的合成力。 图2.1 扭转轴横截面上的剪应力分布 剪应力在转动轴横截面上的分布规律可表示如下 3max16DMWMp   (2.15) 式中max 扭转轴横截面上的最大剪应力; M ─扭转轴所受扭矩; 中北大学学位论文 11 pW 扭转轴横截面的抗扭极矩; D 实心扭转轴直径。 图2.2 转动轴表面应力状态 图2.3 单元面积上的应力分析 如上图2.2所示,扭转轴扭转切应力在纵向轴的径向平面上。在轴的表面上用两个横截面、两个径向纵截面、和两个轴向纵截面截取出一个单元的平行六面体来研究,因边长都是微量,故这个六面体非常接近正六面体。由圆轴扭转时应力分析得知,这个单元体处于纯剪切应力状态。因此圆轴表面任何一个单元平面的法向应力都符合平面应力状态理论。如上图2.3所示,在圆轴表面和轴线 o 方向上分别产生最大拉应力与压应力,它们的值为: 3max min max16DMWMp        (2.16) 可将电阻应变片沿扭转轴的轴线 o 方向粘贴在扭转轴表面上,电阻应变片就会受到最大拉应力和压应力的作用,将电阻应变片组成一个全桥电路。如下图2.4所示,电阻应变片的初始电阻为 R R R R R    4 3 2 1,当弹性轴受到力矩 M 作用时,四个电阻应变片1R 、2R 、3R 、4R 分别产生最大正负应变,而且 4 3 2 1dR dR dR dR dR     。每只车轮江铃宝典四驱前, 中北大学学位论文 12 此时,全桥电路的输出电压为 uRdRV o  (2.17) 图2.4 电阻应变片全桥电路 对于金属材料的电阻应变片,其压阻效应非常弱小可以忽略,应变效应占主导作用,根据式2.6、2.13、2.17可得到 uduldluRdRV o ) 2 1 ( ) 2 1 (         (2.18) 上式中  扭转轴的几何应变;  金属材料的泊松比; 根据式2.10、2.16、2.18可得全桥电路在最大应力作用下的输出电压 uD EMuEVe eo3max) 2 1 ( 16) 2 1 (    (2.19) 上式中 oV 全桥电路的输出电压; M ─扭转轴所受到的扭矩( m N  ); u 全桥电路的电源电压; eE 材料的弹性模量;  金属材料的泊松比; D 实心扭转轴直径( mm )。 中北大学学位论文 13 2.2.3 转速的测量 转速传感器种类有光电式、磁电式与霍尔式传感器。开始采用的是飞利浦半导体公司设计的 KMI15 系列磁阻式转速传感器,作用距离可达 2.9mm,不过因传动轴与驱动桥之间的连接器靠的是万向节,致使沿轴向有一定的位移,传感器非常容易被打坏。所以我们需要找一种作用距离较远的传感器,经研究,间距可达 20mm 的光电开关非常适合本环境的要求。因为间距过大,电容会比较大,将影响到它的频响。所以我们经过整形后,频响可达 20KHz,完全满足对与本次测量转速信号的提取。 转速传感器信号指标如下: 频率响应为:020kHz 供电电压为:12V 输出信号幅度为:5v(方波)。 2.3 扭矩传感器的误差分析 影响扭矩传感器测量精度的因素有很多,比如温度、传动轴弯矩、应变片的粘贴工艺、传动轴工作运行时的扭振参量等等,这些因素最终都会影响扭矩测量的精度,所以有必要一一给予分析,并提出有效的改善措施,尽可能的消除其对扭矩传感器测量的影响。然后通过标定,确定其带来的具体误差。本章将从温度、扭动轴弯矩、应变片的粘贴工艺三个方面给予具体误差分析,并提出相应的改善措施。根据目前的技术发展情况,设备标定只能进行静态标定,而扭振是在动态情况下才具有的情况,所以扭振带来的误差分析将放在后几章节给予具体分析。 中北大学学位论文 14 2.3.1 温度引起的误差分析 在实车测试过程中由于现场环境温度很高,必须考虑温度对电阻应变片带来的影响。有第二章 2.2.2 节扭矩测量基本原理可知,扭矩传感器选用的是有四个电阻应变片组成的全桥电路,对全桥电路在传动轴应变作用下具体变化分析如下: 图 2.5 应变测量桥路原理图 如图 2.5 应变测量电桥电路图所示,其中1R 、2R 、3R 、4R 四个电阻依次在 A、B、C、D 之间,构成桥路的四个桥臂。输入电源电压为 E,给桥路对角 AC 提供电源;输出电压为DBU ,由对角 BD 端输出。DBU 与四个桥臂电阻1R 、2R 、3R 、4R 有如下关系: 4 342 11R RRR RRE U DB (2.20) 若初始状态四个电阻都相等,即 R R R R R    4 3 2 1,输出电压DBU =0,电桥处于平衡状态。当四个电阻同时发生变化时,设各电阻的变化量分别为1R  、2R  、3R  、4R  ,输出端电压为:             4 3 4 34 42 1 2 11 1R R R RR RR R R RR RE U UDB DB (2.21) 当 1 RR时,桥路输出电压为:   443322114 RRRRRRRR EU DB (2.22) 中北大学学位论文 15 如果 R  仅与温度有关,则对于同一型号电阻应变片来说,在同一温度环境下,四个电阻的变化量1R  =2R  =3R  =4R  ,DBU  =0,那么DBU =0。基本消除了温度对本电桥的影响。所以全桥电路本身的温度补偿效应可以消除温度带来的误差,在实验的过程中可以不予考虑温度影响。 2.3.2 机械性能引起的误差分析 有机械性能引起的误差主要有两个方面,第一是电阻应变片的粘贴问题,当粘贴应变片的胶层过厚或者是粘贴剂的性能不好,有电阻应变片的特性可知,其应变效应将不完全服从胡克定律。第二是机械构件本身材料的原因,由于构成传动轴的材料及其参数不同,不同传动轴的机械性能有所不同。以上两种原因的存在都会导致电阻应变片应变的迟滞现象[22] 。我们的解决方案是:首先选择迟滞性能更好的传动轴;其次采用重复加载的办法来减小误差。重复加载次数一般在2到6次[25] 。有示意图图2.6所示,机械滞后的误差大小可以从加载曲线 机械滞后加载曲线示意图 RR    测量范围 中北大学学位论文 16 2.3.3 弯矩引起的误差分析 因为负载和发动机之间不能保证完全同心,贴有扭矩传感器的弹性轴作为传动轴,前轮传动轴油封渗怎么办那么此时它不仅受到扭矩同时还会受到弯矩的作用,产生弯矩的原因主要有两种,一是静态情况下的轴本身重力作用,二是动态情况下万向节的存在。所以就不能不考虑弯矩的影响了,下面就对此进行具体的分析。 (1)纯弯矩作用时传动轴受力分析 当被测轴受到弯矩作用时,被测轴将发生纯弯曲变形,如图2.7(a、b)所示,在与轴线平行的方向上产生了最大的弯曲正应力,如果在此方向上粘贴电阻应变片便可以测出受到弯矩作用的大小。 图2.7 传动轴只受到弯矩作用时的受力分析图 在被测轴处于纯弯曲状态下,轴的横截面只受到弯矩的作用,即在轴横截面上只存在正应力,剪力为零。此时可以把被测轴想象成有无数层纵向纤维组成的结构轴,而其纵向纤维之间没有受到挤压现象,只有简单的轴向拉伸或压缩现象。对于被测轴弯曲变形后,近凹侧纵向纤维受压缩短,近凸侧受拉伸变长,一次推断其中间必有一层纤维长度是不变的,称之为中性层 [24] 。而中性层与横截面交线可称之为该截面的中性轴(图2.7(c)所示),那么中性轴必通过横截面的形心。 中北大学学位论文 17 在横截面上的正应力分布如图2.7(d)所示,正应力值为: zIy M 弯  (2.23) 上式中 弯M 被测轴轴所受到的弯矩 y 应变片与中性轴垂直距离 zI 被测轴截面对z轴的惯性矩 由式2.23可知,在横截面上的最大正应力处在最外边缘上的各点,即: z zWMIy M弯 弯 maxmax (2.24) 上式中zW 为抗弯截面模量,此量仅与截面的形状和大小有关系。 所以在轴处于纯弯曲应力状态下,轴的横截面仍为圆形,中性轴必通过横截面圆心,那么被测轴上任意一点由弯矩产生的应力为: zIRsin 弯Mx (2.25) 式中: R 轴横截面半径  过此点半径与中性轴之间的夹角 (2)弯矩、扭矩组合应力分析 在分析弯、扭组合应力 [25] 之前,我们先在轴上取一个正六边形的单元体,单元体的受力情况如图 2.8 所示,图中x 是由弯矩作用产生的正应力,y 和x 是由扭矩作用产生的剪应力,且y =x 。任取一斜截面,斜截面外法线与 x 轴的夹角用  表示,在斜截面法线 所示),应力值计算结果如式 2.26、2.27 所示:   axxa2 sin 2 cos 12     (2.26) a axxa2 cos 2 sin2   ( 2.27) 中北大学学位论文 18 图 2.8 正六边形单元体受弯扭矩组合应力分析 图 2.9 斜截分解应力分析 因为电阻应变式扭矩传感器的电阻应变片是粘贴在轴的表面同侧,且与轴成 45、135,由式 2.26、2.27 可得: 当  =45时: xxa  2 (2.28) 2xa  (2.29) 当  =135时: xxa  2 (2.30) 2xa   (2.31) 由上分析可知,在与被测轴的轴线的方向粘贴的应变片产生的正应 中北大学学位论文 19 力是扭矩和弯矩的合应力。同时也可以分析得知,在被测轴的。如果按照下图方式粘帖应变片,那么由全桥电路的互补作用可知,弯矩的影响是可以消除掉的。 方向上,受弯矩作用产生的正应力同为压力或同为拉力。 (3)弯矩的消除与误差分析 由上几节分析可知,当轴处于纯弯曲应力状态时,轴的横截面不会发生形变,只是上下移动而已,也就是说对于圆轴其横截面仍为圆形,圆轴上的中性轴必通过横截面圆心,根据式 2.25,则轴的表面上任意一点所受到由弯矩产生的正应力大小为: zIMR sin (2.34) 上式中 R 截面半径,  过此点圆截面的半径与中性轴的夹角。 那么在轴的表面上穿过此点的母线上,其任一点在纯弯曲应力状态下,所受到弯矩产生的应力也同样为:zIMR sin 。如果按照下图方式粘帖应变片,那么由全桥电路的互补作用可知,弯矩的影响是可以消除掉的。我们把电阻应变片粘帖在轴的同一条母线上,在弯矩作用下,每一枚电阻应变片就会同时受到同样大小同样性质的应力,此应力将被全桥电路的互补作用抵消掉。 在制作扭矩传感器中,电阻应变片的粘帖方式有很多,比如菱形、对称形,我们使用的应变片是金属丝应变片,体积很小,横向剪应力对其影响较小,所以应变片集成在了同一块贴片上,按图 2.10 所示方式排列。 图 2.10 电阻应变片排列方式 中北大学学位论文 20 图 2.11 误差分析图 如图 2.10 所示,我们在被测轴每转动一个角度时,对其施加相同的微力 F ,电桥电路的电压信号放大输出后产生类似于正弦曲线的误差曲线(在第四章传感器标定进行具体数据分析可知)。这是由于粘帖工艺的偏差的存在,使应变片不能 100%同在一条母线上,下面对这一误差进行分析: 假设在轴的 45、135方向上的应变片在粘帖时存在一个  的角度偏差,如图 2.11所示,有式 2.34 可知,电阻应变片受到的正应力之差为: ] sin ) [sin(2        zIR M 弯 (2.35) 化简得: )2cos(2sin   zIR M 弯 (2.36) 由上式可知,   是一条余弦曲线,其幅值受弯矩及  角的影响(假设 R 、zI 不变)。因为当电阻应变片粘贴到传动轴上以后,  角的大小是固定不变的,此项误差可以通过传感器标定,确定其值得大小,在实车测试数据分析时给予消除。 中北大学学位论文 21 2.3.4 扭振引起的误差分析 在车辆动力传动系统中,发动机燃气压力和惯性力呈周期性变化,这些力矩作用在发动机曲轴上形成激励力矩 [28] ,这是产生扭振的外因;内因是轴系本身不但具有惯性,而且具有弹性,由此决定了其固有的扭振特性 [29] 。因此,对于车辆动力传动系统而言,扭振是普遍存在的,只是轴系的差别和激励的不同,扭振的强弱程度不同而已。由于扭振的普遍存在,致使车辆传动轴除了有平均扭矩应力外,还有扭转振动引起的附加扭转应力,所以在测量车辆传动轴扭矩的大小的过程中必须考虑扭附加扭转应力带来的附加扭矩。 (1)传动系统动力学模型 当前,研究计算车辆的动力传动系统动力学模型普遍采用归一化当量系统模型。依据转换前后系统的势能、耗散能和动能保持不变的原则,各旋转部件的扭转刚度、阻尼系数及转动惯量等原始参数按式 2.37 转换到系统某一轴上,转换后的模型被称为归一化当量系统模型,这一模型的建立总共分两步:一是先将原系统简化,之后再求得集中质量,即弹性轴系统的扭转刚度、转动惯量等参数,然后进行归一化处理 [30] 。 归一化后的表达式如下: i M Mn n ii C Ci K Ki J J2 2 2 (2.37) 式中 M 、n 、J 、K 、C 转换前系统某部件的扭矩、转速和对其旋转轴线的转动惯量、扭转刚度和阻尼; M 、 n 、 J 、 K 、 C 转换后系统某部件的扭矩、转速和对其旋转轴线的转动惯量、扭转刚度和阻尼; i 当量系统归一化的轴与原系统实际轴的传动比。 对于车辆轴系的扭转振动分析过程来说,首先将车辆轴系转换成扭转振动计算模型归一化当量系统 [31] 。本文研究的车辆轴系振动当量模型如图2.12所示: 中北大学学位论文 22 图 2.12 车辆传动轴的当量系统结构模型 计算车辆动力传动系统的振动有自由振动和强迫振动。自由振动计算的目的是求出系统的固有频率和振型,定型地了解系统振动特性。相比于自由振动,强迫振动计算的目的是先求出系统对外界激励的响应,然后再确定系统各部件的动载情况,其实就是在自由振动基础上进一步得到系统扭转振动的特性。 以   t  作为坐标的车辆轴系系统强迫振动的数学模型 [30] 为下式 2.38 所示: ) ( ) ( ) ( ) ( t t t t M K C J          (2.38) 设发动机模型质量点的个数为 m ,在只考虑打洞机简谐激励的情况下,则车辆动力传动系统激励力矩可以表示为: T2 1] 0 0 ) ( ) ( ) ( ) ( [ ) (    t M t M t M t M t Mm j (2.39) 第 j 个质量点上第 r 谐次激励力矩可表示为:   t r b t r a t Mrjrjrj  s i n co s   (2.40) 式中:rja 、rjb 发动机的第 j 个质量点上第 r 次激励力矩 ) (t Mrj的余弦与正弦分量。 系统第 r 次的激励力矩可表示为:            Trmrjr r rt M t M t M t M t M 0 02 1    (2.41) 式 2.41 又可以写为:   t r B t r A t Mr r r  sin cos   (2.42) 式中:rA 、rB 发动机第 r 次的激励力矩余弦与正弦分量,都是 n 维列向量。 中北大学学位论文 23 则系统在发动机第 r 次的激励力矩作用下,式 2.38 解的形式可表示为:   t r Y t r X tr   sin cosr r  ,  k n , , 2 , 1  (2.43) 式中:rX 、rY 系统在发动机第 r 次的激励力矩作用下的响应余弦和正弦分量,且都为 n 维列向量。 将式 2.42、2.43 代入式 2.38,得  rrrrr rr rBAYXJ K CC J K22   (2.44) 由式 2.44 式可得: rrYX= 122 J K CC J Kr rr r   rrBA (2.45) 将式 2.45 代入式 2.43,可以确定系统在激励力矩   t Mr激励下第 k 个质量点的角位移响应为:    rkrkrkrkrkt r t r Y t r X t           sin sin cos k = n , , 2 , 1  (2.46) 第 k 个质量点的第 r 谐次扭振角位移响应为  trk,其振幅可表示为   2 2rkrkrkY X   ,相位表示为rkrk rkYXarctan  。 根据线性的叠加原理,在激振频率  下系统的各质量点综合扭振角位移响应可表示为:              rrkrrkrkrk kt r Y X t t     sin2 2 (2.47) 第 k 个质量点综合扭振角位移的振幅可表示为:    2min maxk kk  (2.48) 中北大学学位论文 24 (2)附加扭矩和附加扭转应力的计算 由于扭转振动的存在,车辆动力传动系统除了承受平均扭转应力外,还受扭转振动引起的附加扭转应力。扭转应力和附加扭矩呈周期性变化,可通过轴段两端质量点的相对角位移求得。当忽略了轴段的阻尼时,那么第 h 轴段( h =1,2,,n-1)的附加扭矩可表示为 [30] :                 rrhrhrhrhrh hrrhrh hAht r Y Y X X K K M     sin2121 1 (2.49) 上式中:hK 第 h 轴段当量扭转刚度; rh 第 h 轴段第 r 谐次的附加扭矩初相角。 第 h 轴段的附加扭矩幅值为:    2min maxAhAh AhM MM (2.50) 第 h 轴段附加扭转的应力为: hAhhWM  (2.51) 式 2.51 中:hW 第 h 段抗扭截面模量 在扭振计算中,一般将实际车辆动力传动系统转化成当量系统,转化前后系统能量保持不变。上文计算的振幅、附加转矩和附加扭转应力皆是系统当量的物理变量,需要再还原到世界系统相应处。用gi 表示齿轮齿合处传动比(主动齿轮与从动齿轮转速之比),当量系统与实际系统的振幅、扭矩和应力的转换关系见表 2.1; 表 2.1 当量系统与实际系统的参数转化关系表 当量系统 A M t 实际系统 gi A/ M i g t i g 中北大学学位论文 25 (3)扭振测量原理 [32] 轴的扭转形变是在轴系旋转过程中承受载荷后产生的,通常假设轴的瞬时角速度有瞬时扭转变形角速度和瞬时刚体旋转角速度组成,即      i (2.52) 式中 i 转轴瞬时总角速度向量;  瞬时扭转变形角速度向量;  瞬时刚体旋转角速度。 由于 和  正交,可以得到旋转状态下的角速度为         i (2.53) 由上式可知,只有当 =0,  为常数,即轴的转速稳定时,才有   ) ( i (2.54) 常用的非接触式转速扭振测试方法基于上述原理,即    n ntitdt dt0 0) (     (2.55) 式中  为平均较速速,如测速齿盘的齿数位 N ,实际旋转 n 个齿的时间为nt ,实际角速度为i ,则用式 2.55 可以计算出nt 时间内轴的扭转角  。 用光电传感器测扭振信号时,传感器感应的方波脉冲宽度与转速和 齿盘的齿数有关。当轴系出现振动时,这个信号就变成有扭振信号调制而成的频率调制信号(FM),即所谓的数字式测量。设轴旋转一周的时间为ct ,则平局角速度为c ct / 2    ,如测速齿盘的齿数为 N ,实际旋转 n 个齿的时间为nt ,实际角速度为n 。则在nt 十佳内轴的扭转角为 ) (2)2 2( ) (0 0 0Nn tttdtNnt tdt dtcnctn ctitn n n               (2.56) 因此,只要测出ct 和nt ,即可算出对应nt 的扭角  ,从而得到各正负半周的最大值, 中北大学学位论文 26 将正负峰值相加,即得峰-峰值,扭振周期和扭振频率就可计算出来。对数字式测量扭振的要求是采样频率足够很高,才能在误差范围内测出ct 和nt 。 2.4 扭矩信号传输 电阻应变片扭矩传感器的研究主要集中在两个方面:一方面是应变片新材料和新工艺的研究;另一方面是信号传输方式的研究,在传统滑环式传输方式的基础上提出了集流环式、电感耦合式、无线电式等传输方式,力图解决滑环接触式传输存在的各种缺陷。 2.4.1 传统扭矩信号传输方式 集流环式是在驱动轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量方式[14] ,其结构复杂,如图 1.5 所示。该传输方式缺点是:随着运行时间的增加电环和电刷会出现结构的磨损,致使电阻的变化,产生噪声干扰。所以,该传输方式不适合长时间在恶劣测试环境和高转速测量中的应用。 电感耦合式是指当网络是有两个或两个以上电路构成时,其中某一电路的电压或电流发生变化,致使其他电路也发生相应变化的现象。可以利用这一现象,将某一电路的能量(或信息)传递给其他电路中去。基于这样一种原理,就可以实现电信号的非接触式传输[14] , 该传输方式在一定程度上克服了集流环式的缺点,但是在动态测试环境中,由于旋转轴存在纵向和横向的振动,正副感应线圈容易发生错位,信号传输则会受到影响,而且在大振动下,会出现感应圈被打坏致使不能工作的情况。 2.4.2 无线信号传输方式 无线信号传输方式是将电阻应变式传感器输出的电压信号经过放大、滤波等处理后,利用空间传播的无线电波、电磁波或者是光波等媒介将电信号传输给地面上静止的信号接收仪器或设备。随着大规模集成电路技术的发展与应用,无线电发射接收模块体积、功耗可以做到很小[15] ,这些都为无线电传输方式提供了很好的技术支持,另外该传输方法属于非接触式测量法,完全克服了前两种传输方式的缺点[16] ,适用范围广,易维 中北大学学位论文 27 护。当前主流的无线传输技术有 FM、红外、蓝牙和 2.4G。 (1)FM 作为目前发展最为成熟、应用最为广泛、成本最低的无线信号传输技术,FM无线信号传输技术的应用,在我们身边随处可见,比如收音机、老式的模拟数字电话机等等。 FM 技术主要应用频段在 76MHz-108MHz 之间,常见的技术应用有无线耳机、无线麦克风等,而 U 高段的 800MHz 则比较少见。FM 的广泛的应用,因为其有着很多优点:首先、传输距离远,普通产品可以传输 20~30 米,在改变发射功率和接收天线灵敏度后还可以增加其传输距离。其次,FM 可以实现“广播式”连接,即只要调至相同频率后一个发射机可以匹配多个接收机,比较适合同声翻译设备的应用;最后,技术 穿透能力强,普通家庭用户使用起来绰绰有余,即便是有墙壁的阻挡也不成问题。但 FM 也存在着很多缺点:FM 最致命的缺陷就是保密性不强,低段 76MHz-108MHz 频率的 FM信号用收音机就可以捕获,而高段 800Mhz 的话筒信号也容易产生谐波干扰受到传输带宽的限制,FM 无线技术普遍音质不佳,最高 22KHz 的采样率被称之...

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