汽车离合器分离轴承模拟试验机系统设计

　　摘　要：介绍了汽车离合器分离轴承模拟试验机的设计结构，详细分析了传动系统、电液比例速度系统、测控系统和计算机监控系统的工作原理，给出了模拟试验机设计中的关键技术以及采取的相应措施。
　　关键词：汽车离合器；分离轴承；模拟试验机
　　1　引言
　　从国外离合器分离轴承的发展来看，从无调心性能、外圈旋转、铸铁衬套内圈与衬套合为一体的低速单元，发展到具有自调心性能、内圈旋转、冲压套圈和冲压衬套或塑料衬套的高速、高可靠性轴承单元，其重量减轻了近50%，成本也大大下降，实现了部件化、轻量化、高可靠性及长寿命。我国汽车工业起步较晚，轴承行业缺乏相应的关键试验技术及试验设备，不能对汽车轴承进行模拟、性能试验，因而不能全面正确评估和控制离合器分离轴承的质量。汽车离合器分离轴承^[1]模拟试验机，可真实地模拟分离轴承工况，并对综合寿命进行评定。通过模拟试验，可以正确了解轴承失效的原因及诸影响的主要因素，为分离轴承产品开发提供可靠的设计依据，对提高分离轴承的寿命和结构更新都将起到积极作用。因此，采用模拟试验技术对轴承产品进行评价是我国轴承行业试验技术发展的方向，我们与洛阳轴承研究所联合研制成功了汽车离合器分离轴承模拟试验机，并在许多生产企业中得到了实际应用。
　　2　结构与原理
　　（1）试验机构成
　　离合器分离轴承模拟试验机由试验机主体、传动系统、电液速度系统、润滑系统、电器测控系统、微机监控系统等组成，其原理框图如图1所示。 　　（2）试验机结构及原理
　　试验机的模拟离合器参照汽车离合器的结构而设计，如图2所示。模拟离合器由飞轮、离合器压盘总成构成，模拟离合器安装在试验机主轴的悬伸端，由主轴驱动旋转。根据不同型号分离轴承简单更换飞轮、离合器压盘总成即可。分离轴承的加载及轴向移动由油缸推动杠杆模拟离合器分离杆来实现，分离轴承的轴向预紧力根据轴承不同型号调整预紧弹簧来实现。该结构模拟了汽车离合器的结构和工作原理，简化了一些不必要的零件，大大减少离合器的故障率，提高了试验的可靠性。 　　离合器分离轴承在汽车上安装位置如图3所示，在发动机和变速箱输入轴间有一套膜片弹簧离合器，通过一套分离轴承使离合器离合。在该结构中，分离轴承在一个导套上进行定心引导，导套套在变速箱输入轴的外面并用法兰连接在变速箱箱体壁上。离合器的分离装置在膜片弹簧离合器中，膜片弹簧既作为压紧弹簧使用，又作为分离杆使用。当分离轴承推动膜片弹簧时，膜片弹簧通过支点将压盘收起，使摩擦片与飞轮、压盘分离。在该结构中，分离轴承主要承受轴向载荷和轴向冲击载荷。 　　（3）电液比例速度系统
　　①工作原理
　　液压油经滤油器进入叶片泵，通过溢流阀按工作需要调整压力后，分别进入比例换向阀，再由比例换向阀控制流量大小及换向阀控制方向来驱动油缸动作，原理如图4所示。 　　②闭环控制系统
　　电液比例速度系统是一个完善的闭环控制系统，如图5所示。该系统由微机控制系统发出相应的指令信号，通过D/A转换，由放大器驱动电液比例阀，使其输出相应的流量，再驱动油缸实现载荷、位移的控制。通过力传感器、位移传感器的反馈，由PID对给定信号自动调节、修正。 　　（4）传动系统
　　试验机传动系统由智能变频器、交流电机组成，通过一级同步带传动，驱动模拟离合器旋转，由模拟离合器膜片弹簧驱动试验轴承内圈（或外圈）旋转，实现了传动系统的无级调速，试验机Z高转速10000r/min。
　　（5）测控系统
　　离合器轴承试验机的电气控制和测试系统是以工控机为中心，由变频器调速系统、比例液压速度系统、可控硅加热系统和测试系统组成。
　　①控制原理
　　转速控制系统是由VFD-A05543B智能型变频器^[2]和一台4kW的交流电机组成的。该系统所选用的变频器采用微机控制技术，可高速切换逆变IGBT，具有多项自动保护功能，可自测电流、电压与频率，除可使用手动模式设置频率外，还可通过RS-485串行通讯口与计算机通讯，由计算机给定频率信号进行转速控制。
　　②加载控制原理
　　该系统采用比例液压控制方式，由计算机或手调电位器给出0～5V的电压信号，给定信号进入比例控制器后，比例阀在控制器的作用下连续输出，并推动油缸给试验轴承施加载荷。油缸在压力油的推动下形成的作用力和产生的位移，分别由力传感器和位移传感器经变送器转换为电压信号送入计算机，计算机对两个控制量进行PID调节后，形成两种闭环控制模式。采用比例阀液压控制方式可以按输入的电信号来进行压力和位移控制，控制范围大、精度高，并可以远距离连续按比例控制试验轴承所需载荷的大小和位移的大小。
　　③温度控制原理
　　试验机的温控电路采用数显调节仪产生触发脉冲来控制双向可控硅的导通角而改变加热体加热电流的大小，再将温度传感器测出的温度信号进行反馈，并由仪器进行PID调节，从而形成对温度的闭环控制。加热元件选用SRM71-1型指状加热棒。
　　④试验参数测试系统
　　试验机使用了先进的计算机控制技术，能够把试验参数的非电量信号精确地测试出来并把它们转换成计算机需要的标准信号。为了达到测试精确，数据可靠的目的，通过对不同的试验参数测量分析，分别选用了不同的测试方法：采用半导体硅PN结温度传感器测量温度^[3]，选用BLR-42型拉压式负荷传感器测量受力，选用HY104C型声计级测量噪声，选用WYDC-30L测量位移。
　　（6）计算机监控系统
　　离合器轴承试验机可进行多种试验，每种试验所需控制和监测的参数不尽相同，并且试验要求控制响应的时间较短，试验环境比较恶劣，试验机采用微机进行控制和管理。计算机监控系统^[4]主要实现对轴向载荷/位移的控制，对变频器实施计算机自动控制，由变频器驱动电机对电主轴进行调速和对各种检测信号进行数据采集、处理、存储和打印。控制软件以BorlandC++Builder为开发平台，采用模块化设计，界面友好，软件系统设有图谱跟踪、数据处理、报警等系统，功能完备，用户还可自行编谱进行试验。计算机系统硬件由工业机箱、显示器、工业CPU主板、打印机、滤波箱及所需各种板卡、模块构成，结构如图6所示。 　　3　关键技术与措施
　　（1）根据离合器分离轴承试验模拟性强的特点，该试验机采用悬臂结构的设计方案，实现了离合器分离轴承多项模拟功能的要求。
　　①用模拟离合器代替了汽车离合器，分离原理不变而结构简单，使用更可靠。根据不同型号轴承简单更换模拟离合器即可。
　　②试验轴承的轴向移动的动态模拟由计算机自动控制油缸的位移或轴承载荷的大小来实现。由计算机D/A输出信号控制比例阀，由比例阀推动油缸并通过杠杆来实现。在杠杆装置设计中采用了双关节轴承联结，避免了杠杆对试验轴承自调心性能的影响。
　　③角度、偏心量的模拟通过支撑座的微调来实现。
　　④试验轴承零位预紧力的模拟通过调整弹簧的预紧力来实现。
　　（2）目前国外离合器分离轴承试验机设计Z高转速为6000r/min，为满足试验技术进一步发展的需要，该试验机采用高速同步带传动，Z高转速为10000r/min。
　　（3）采用了动态响应高、稳定可靠的电液比例闭环控制系统，实现对试验轴承的加载和往复运动。该系统实现了位移、载荷的自动控制。
　　（4）该试验机采用了性能可靠、工作稳定的工业控制微机技术，实现了多项功能试验，具有完备的设定、存储、打印、报警、图谱跟踪等功能。
　　4　汽车离合器分离轴承模拟试验与应用
　　按照54TKA3501TN离合器分离轴承总成试验规范的要求，我们将54TKA3501TN型轴承总成安装在试验机上分别进行噪声试验、高速试验和性能试验，通过累计22万次的模拟试验，消音室的本体噪音值62dBA，小于68dBA；运转过程中，以轴承总成为中心的100mm范围内，任何位置的Z大噪音值为73dBA，小于80dBA，能够满足离合器分离轴承试验的要求。通过考核试验证明：试验轴承端面磨损正常，试验过程中未出现异常;试验机各部分工作正常、整机运行可靠、系统控制稳定、测试参数准确可靠。目前，汽车离合器分离轴承试验机已被推广应用到国家轴承质量检测中心、万向集团、洛阳轴承厂、襄阳轴承厂等国内多家用户，产生了良好的经济效益和社会效益。
　　参考文献：
　　[1]孙爱武，等.汽车离合器分离轴承技术发展[J].轴承，2003，（5）:50-52.
　　[2]马小亮.变频器选型中的几个问题[J].电工技术杂志，2002，（9）:9-12.
　　[3]赵洪涛.PN结温度传感器的原理与应用[J].电子工程师，2006，（7）:66-68.
　　[4]贾虹，等.汽车离合器轴承试验机测控系统[J].机床电器，2003，（1）:41-43.