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传动系统的动态间隙测试

2020-06-28 21:16:42·  来源：MStarsEngineeringService  
　
介绍传动系间隙车辆动力传动系统中不可避免地存在间隙。动力总成包括发动机，离合器，变速器，传动轴，主减速器，驱动轴和车轮。间隙的来源主要是变速箱中齿轮之
介绍
传动系间隙
车辆动力传动系统中不可避免地存在间隙。动力总成包括发动机，离合器，变速器，传动轴，主减速器，驱动轴和车轮。间隙的来源主要是变速箱中齿轮之间的齿侧隙，但整个动力总成中的其他游隙也会影响间隙，如花键联接的配合间隙，传动轴十字万向节或等速轴万向节滚珠的侧向间隙，等等。另外齿轮的制造误差、负载造成的转轴或箱体的挠曲和热膨胀都会对间隙大小产生影响。图1为典型的传动系统及其潜在的间隙位置。从部件角度可分为变速器，差速器，传动轴等。
 
图1 传动系统中潜在间隙的位置
 
问题
01、一方面间隙会导致clunk，rattle等NVH问题，间隙引起的非线性给传动系统控制带来困难。
 
02、另一方面齿隙可以防止齿轮轮齿因受热膨胀而造成的卡滞，润滑油也可以存储在齿侧之间以形成润滑油膜，从而改善接触表面的边界条件并减慢磨损。
实际工程中，控制间隙的大小成为工程师的主要任务。对各部件进行静态间隙评估和控制，通常比较容易实现，整车状态下很难对系统的动态间隙进行测试。
本文给出一种动态间隙测试的方法，基于试验结果可对多个NVH问题进行了基于动态间隙的定量分析。
 
间隙的静态测试
 
2、间隙可定义为：机械部件沿某个方向移动，未对下一个部件施加明显力或造成运动的最大距离或角度。包括了两个因素，力（运动）和位移。
转动系统的间隙测试需要用扭矩和角度的办法进行测试。传动系统一端固定，在另一端加准静态扭矩，同时测试扭矩输入端的转角。
 
图2 静态间隙及模型
 
如图2所示的三个阶段
1、随着转角增大，扭矩减小由负变为零，此过程的红线可视为系统负向的扭转刚度
2、转角继续增加，扭矩仍保持为零，按间隙的定义，零扭矩转过的角度即为扭矩输入端到固定端的传动总间隙
3、转角继续增大，扭矩增大由零变为正，此过程的红线可视为系统正向的扭转刚度
静态间隙可以在台架上完成，甚至也可以在实车状态下完成，比如把档位锁死，从车轮端进行输入。它能反映间隙在准稳态时的大小，是间隙检查和控制的基础，有着重要意义。但实车运行状态下，传动系统处于旋转状态，无法固定某一端；实际齿轮，转轴，轴承，箱体受到载荷产生变形，受热变形的影响，以及系统弹性对间隙的综合影响，图3给出的是回转中心偏移对间隙的影响示意图，动态偏心是在旋转件中常见的现象。这些影响均无法在静态间隙测试中体现出来，需要进行动态间隙的测试。
 
图3 齿轮动态偏心对动态间隙影响
 
3、动态间隙测试的基本原理和工况
与静态间隙测试的基本原理一样，动态间隙测试也需要两个物理量，扭矩和转角。扭矩给出边界信息，转角给出间隙的大小。
传动系统是扭矩的传递链，链上的某个环节中断都会导致整个链的中断，也就是说当某对齿轮进入到间隙状态的时候，传动链上的输入即为零，因此在传动链的任何部位测试扭矩均可以得到传动链上扭矩为零的时刻。
转角信息可以通过转速的积分得到，如图4所示。两齿轮的的动态间隙可表示为            
 
其中φdl(t)为总间隙φ1(0)，φ2(0)分别为齿轮1和齿轮2的初始转角；∆φ1(in) 和∆φ1(n) 为为自t0到t1时间间隔内的转角，即N个增量的和。
 
图4 动态间隙测试的基本原理
转角测试和分析的几个关键点：
a、初始状态的选择，系统的转角与间隙不在一个数据级上，转角从开始启动就会持续增加，发动机1000rpm时一分钟转过360K度，而间隙只是在1-10度的范围内，间隙的产生发生在十几到几十毫秒的过程中。确定好初始状态，才能在有限的总转角过程中，把间隙的过程通过转角差捕捉下来。
b、转角增量测试，即类似转速积分的过程，分别测试两个齿轮的转角，相减后得到某一时刻的转角差。此时两个变量对测试的精度会产生影响，一是齿轮或码盘的齿数，另外就是脉冲测试的采样率。当被测轮齿较少时，也可以通过数字差值和多次统计的办法得到相对好的测试精度。当然如果被测轮齿非常多，就可以实现动态传递误差的测试，但此时由于轮齿的脉冲频率会非常高，对数据采集前端的采样频率有了较高要求。这是一个测试精度和设备成本相平衡问题。根据经验，利用现有设备，例如LMS数采，仅利用现有变速器上的齿轮，即可得到相当精度的动态间隙。
c、传动比的计算，需要比较高的精度，利用齿数，保留的小数位应该较高。
在瞬态工况下，车辆在进行诸如Tip in / out 和快速离合器分离/结合的动态响应时，传动系中扭矩会快速换向，由负到正（Tip in），或由正到负(Tip out)。扭矩换向时会穿越零点，由于间隙的存在，部件需消除间隙后才能传递反向扭矩，故存在所谓“间隙带”阶段。利用这种瞬态工况，采信扭矩和转角的信息，即可得到系统的动态间隙。

4、传动系统间隙测试的方案和案例
通过磁电传感器测试发动机飞轮端的扭转角度，利用加工的码盘测试传动轴的扭转角度信息。实测数据显示，动态间隙随着扭矩的变化变化，特别在扭矩换向的过程中，动态间隙的变化尤为剧烈，即为最大间隙。如果适当选择初始点，即可计算出最大动态间隙的大小。
 
（a）壳体上打孔测试转速
 
（b) 定制传动轴扭矩传感器
 
图6 传动系统动态间隙随扭矩的变化
同时，仔细观察某一个过零点的过程，增加多个测点，可以进一步细化动态间隙的分布。
 
图7 传动系统动态间隙的分布
从图可以看出，在一个过零点的过程中，总间隙由三个部件的间隙组成，最大的是4号间隙，其次是3号，2号代表的动态间隙最小。
 结论  
利用扭矩和转角测试可以实现动态间隙的整车实际工况测试。测试的关键点在于利用高品质的扭矩信号进行起始点的选择，以及良好的转角测试和之后的分析处理。
M-stars通过自己高精度的测试能力实现了动态间隙，为诸多NVH和驾驶性分析提供了量化基础。
 
参考文献
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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