汽車等速萬向節及其總成靜扭試驗的測控系統

瞿慶春，何峰濤，李百華

（1. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.萬向集團技術中心，浙江 杭州 311215）

汽車等速萬向節及其總成靜扭試驗的測控系統

瞿慶春1，何峰濤1，李百華2

（1. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.萬向集團技術中心，浙江 杭州 311215）

介紹了汽車等速萬向節總成性能試驗中的靜扭破壞扭矩試驗測控系統,分析了試驗的工作原理，系統的軟硬件組成，測試中的技術難點以及解決方法,保證了萬向節的質量安全。

汽車；等速萬向節；靜扭破壞扭矩；測控系統

1 前言

汽車等速萬向節總成是汽車發動機和驅動車輪之間的動力傳輸裝置，提供汽車所需的動力和車速要求，其質量直接影響整車的安全性和可靠性。在國家機械行業標準 《滾動軸承 汽車用等速萬向節及其總成》中制訂了7種試驗方法對總成進行各種壽命和性能試驗。本文對性能試驗中的靜扭破壞扭矩試驗的試驗臺及測試系統進行了詳細介紹。

2 試驗臺的機械結構及原理

本試驗設備主體主要由扭力輸出機構（電機、帶輪組和減速器）、試驗件夾具、可移動固定支承座、底座、扭角測試組件和扭矩測試組件構成。機械結構示意圖如圖 1 所示。

扭力輸出機構由電機配合變速箱進行轉動，能夠產生較大的扭力。扭角測試組件用于測量扭轉角度，可有效控制試驗扭角。扭矩測試組件通過拉壓力傳感器與固定的力臂長度可計算出扭矩數值。設備可移動固定支承座可以通過水平左右移動實現對相關尺寸范圍內的試驗件進行試驗。

本設備可模擬與裝車一致的驅動扭矩方向和通過萬向節的扭矩大小，從而對萬向節及其總成進行靜扭破壞扭矩試驗。試驗是將萬向節及其總成按裝車要求通過夾具安裝到位，左端扭力輸出機構將扭力傳遞給試驗件，右端固定支承座將試驗件固定，按照試驗要求施加相應的扭力，從而實現試樣在扭矩作用下出現裂紋，并繼續扭轉至破壞的系列狀態，自動記錄各狀態下的扭矩和扭矩角及驅動軸、萬向節或中間軸的扭角隨扭矩變化的特性。

3 測控系統的硬件構成

3.1 測控系統主機構成

測控系統硬件使用工業控制計算機和ADLINK生產的ACL-8112PG卡，對扭矩信號進行采集，控制電機的啟停、正反轉以及通訊板卡、濾波裝置、外圍電氣系統和傳感器等構成測試系統的硬件。

3.2 測控系統傳感器以及驅動系統構成

（1）角位移傳感器：GJF-1旋轉編碼器又稱光柵角位移傳感器，電壓規格為12V，3600線方波信號輸出。

（2）力傳感器：是扭矩測試的重要參數，量程2T，輸出電壓為±5V，精度為0.2% 。

（3）電機驅動系統：由驅動電機和齒輪減速箱組成低速驅動扭轉系統對總成進行靜扭試驗。

圖1 汽車等速萬向節及其總成靜扭試驗臺主體結構圖

4 測控系統的軟件設計及其實現

靜扭試驗測控系統的關鍵在于驅動系統的準確控制，扭轉角度和扭矩的精確測量。核心的部分則在于扭矩信號經過模數轉換后，通過測控軟件進行的數據處理。按照行業標準對于試驗的要求，記錄各狀態下的扭矩和扭轉角，并繪制出圖形，標注出約翰遜彈性極限扭矩、最小靜扭破壞扭矩和最大破壞扭矩。這一過程均由測控程序自動完成，試驗結果以圖形方式保存，完全替代以往通過試驗手動記錄、描點、測繪出各個扭矩值的方法，大大提高試驗效率和精度。測控程序的具體介紹如下。

4.1 測控軟件關鍵技術

（1）扭矩信號的抗干擾措施。扭矩信號是試驗中最重要的信號之一，是得出3個所需扭矩值的依據。具體處理方法是信號進入計算機后，首先使用格拉布斯準則的比較法剔除數據中的粗大誤差，再使用加權平均值法進行數據平滑處理，使采樣信號能夠完全表達試驗真實數據。

（2）試驗要求的約翰遜彈性極限扭矩和最小靜扭破壞扭矩和最大破壞扭矩的計算方法。

（3）繪制出如圖 2 所示的扭矩和扭角的關系曲線，在這個圖上能作出驅動軸、萬向節或中間軸的約翰遜彈性極限，標注出約翰遜彈性極限扭矩J、最小靜扭破壞扭矩E以及最大破壞扭矩T，記錄其各自的數值，并將關系圖保存。設計方案如下。

① 程序人工設定停機條件。由于試驗的總成不同，對于其達到靜扭破壞所需扭轉角度也不相同，所以需要人工輸入停機條件，分別為扭矩達到一定數值停機（作為破壞扭矩），扭轉角度達到一定數值停機以及扭矩下降百分比作為停機條件。其中扭矩下降百分比為最常用的停機標準。因為發生靜扭破壞后，扭矩迅速下降，以此作為破壞點最符合試驗要求。

② 記錄電機啟動后直到停機的扭角和扭矩數值，其中最大扭矩值為破壞扭矩T，對應的扭角為破壞角度。驅動軸規格是按所能承載的扭矩值進行分類的，如驅動軸規格為1 500，表明其承載能力為1 500Nm。圖 2 中：點N應在驅動軸規格的35%到破壞扭矩的50%之間，點O應在50Nm到10%驅動軸規格之間，所以確定點N占破壞扭矩T的百分比后，點M即可確定。

③ 在約翰遜彈性極限扭矩下所產生的變形應比初始變形量大50%（圖 2 中初始變形量等于MN/OM）。OQ的斜率比初始變形ON的斜率大50%，即距離NQ=0.5MN，從而確定點Q位置，做出OQ虛線。

圖2 約翰遜彈性極限的位置確定

④ 做直線O1Q1平行于直線OQ，并相切于扭矩扭角線，切點為約翰遜彈性極限扭矩J。

⑤ 約翰遜彈性極限扭矩J和扭矩M的中點為最小靜扭破壞扭矩E。

4.2 測控軟件介紹

（1）測控軟件界面如圖 3，為做完一套正式試驗的情況。

界面上端顯示破壞角度、破壞扭矩或者屈服角度、屈服扭矩或者約翰遜彈性極限角度、約翰遜彈性極限扭矩數值。可選擇單獨顯示或者同時全部顯示在曲線以及顯示框上。在顯示框右側，可以選擇在曲線上為哪個參數自動取點，可以實現手動選取合適角度扭矩值進行記錄分析，達到更好的試驗效果。界面右上側動態顯示測試所得扭矩值和角度值。

（2） 點擊“開始試驗”，程序控制驅動系統以一定速度進行扭轉，在以扭轉角度為橫坐標，扭矩值為縱坐標的圖面上，結合采集的數據，程序自動繪制出扭角-扭矩曲線。根據4.1中行業標準規定的計算方法，分別計算出各種情況下的扭轉角度和扭矩值，顯示在曲線上作為試驗結果進行保存。試驗中途如果出現異常，可以點擊“試驗停止”來停止試驗。

（3） 如圖 3 界面所示，試驗正常停止有3種情況，最常用的是通過扭矩下降幅度來確定試驗的停止，說明總成已經達到試驗扭轉破壞，完成預定試驗要求。

（4） 如果力傳感器出現零點漂移的情況，可以點擊“扭矩零點”進入校準界面進行傳感器的校準，以保證試驗數據的精度要求。

Measurement and control system of static reverse damaging torque test for automobile’s constant velocity universal joint and assembly

Qu Qingchun1, He Fengtao1, Li Baihua2
(Luoyang Bearing Science & Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China;Wanxiang Group Technology Center, Hangzhou 311215, China )

It introduced the measurement and control system of static reverse damaging torque test belonging to automobile’s constant velocity universal joint assembly. It also analyzed the working principle, software and hardware of system and technical diff i cult points and its solution, so that the quality of universal joint could be guaranteed.

automobile; constant velocity universal joint; static reverse damaging torque; measurement and control system

U463.216

B

1672-4852（2014）01-0053-02

2013-08-25.

瞿慶春（1967-），男，工程師.