CN102564756A - 汽车变速器振动分析试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车变速器振动分析试验方法及装置；包括：一底座，总控模块，变频器，调速器，驱动电机，负载直流电机，汽车汽车变速器，工控机，数据采集卡，计数卡；采用电源转换模块为其他各模块供电，采用变频器控制和调节驱动电机转速，采用负载电阻及发电机调速箱调节和控制负载电机扭矩，采用基础底座和减震垫支撑，采用减震垫隔离汽车变速器和底座之间的振动，采用弹性柱销联轴器连接汽车变速器和电机，并隔离振动信号；采用振动加速度传感器采集汽车变速器壳体振动信号；本试验方法及控制装置集成度高、装置扩展性强、成本低、能有效模拟汽车变速箱基本运行，有效获取汽车变速器振动、转速信号，提供故障诊断分析的仿真环境。

Description

汽车变速器振动分析试验方法及装置

技术领域

本发明涉及汽车变速器振动分析试验技术，具体是一种汽车变速器振动分析试验方法及装置。

背景技术

汽车变速器在生产和装配过程中，存在着大量由于制造和装配不良等原因引起的质量问题，新汽车变速器失效形式主要体现在齿轮、轴零件的制造及装配误差上，如齿形偏差、齿轮制造误差、装配偏心和轮齿毛刺等。从生产过程管理和质量控制、跟踪角度出发，检验人员必须通过最后的质量检验环节，发现存在的质量问题，并且希望能够将故障原因定位到具体的失效部件，即实现零件级别的装配过程故障诊断，对提高汽车变速器质量控制水平和保证产品质量是非常重要的。

汽车变速器故障可以通过对异常振动噪声进行谱分析的方法加以检测。由于检测过程是一个变速运动的过程(包括倒挡、最低挡至最高挡各挡位的升速及降速过程)，所以阶次谱分析的方法被普遍地采用。

阶次分析是旋转体机械振动监测及故障诊断的最重要方法之一，基于重采样原理的阶次分析是实现信号从等时采样到等角度采样的一种信号处理方法，它主要能解决因转速波动而产生的谐波分量重叠所带来的困难。

汽车变速器振动分析和故障诊断软件是采用阶次分析原理进行开发的，而进行阶次分析需要同步采集汽车变速器壳体振动信号和输入轴的转速信号。

在研制与开发汽车变速器振动分析和故障诊断软件过程中，需要验证和测试开发的振动信号分轴、时域同步平均、FFT傅氏变换、阶次谱等算法的正确性和可靠性。实际操作过程中，在客户应用现场的汽车变速器综合性能试验台上进行测试从时间、成本和客户满意度等方面都存在较多的困难。另外，在实验室环境下使用市场化的汽车变速器综合性能试验台进行软件测试，其成本也较高。

目前，尚未检索到这方面的专利申请情况。因此，有必要研制与开发适合试验室环境下，进行汽车变速器振动分析软件可靠性测试的模拟试验台，其应该具有成本低、能够模拟汽车变速器基本运行环境等特点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种成本低、集成度高、装置扩展性强、能实现模拟汽车变速器基本运行环境、提供升速、降速、加载、空载、不同挡位等工况功能的一种汽车变速器振动分析试验方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种汽车变速器振动分析试验装置，包括：一底座，总控模块，变频器，调速器，驱动电机，负载直流电机，汽车变速器，工控机，数据采集卡，计数卡；所述总控模块输出端与变频器连接，还与调速箱连接；所述变频器通过驱动电机与汽车变速器连接；所述调速箱通过负载直流电机与汽车变速器连接；所述驱动电机一端设有编码器，另一端设有联轴器，通过该联轴器与汽车变速器连接；所述汽车变速器上设置有振动加速度传感器，所述汽车变速器通过联轴器与负载直流电机连接；所述数据采集卡通过振动加速度传感器与汽车变速器连接；所述计数卡通过编码器与驱动电机连接；所述工控机通过PCI总线与数据采集卡及计数卡连接；所述底座上设置有负载直流电机，汽车变速器，驱动电机。

所述底座与汽车变速器之间设置有减震垫。

所述底座与减震垫中间开设有方形孔；将所述振动加速度传感器穿过该方形孔粘贴于汽车变速器底部，实现汽车变速器振动信号的数据采集。

所述联轴器为弹性柱销联轴器；连接汽车变速器与驱动电机、负载直流电机，保证汽车变速器与驱动电机、负载直流电机同步旋转。

所述数据采集单元包括数据采集卡和计数卡；实现振动信号和转速信号的同步数据采集；采用编码器测量汽车变速器输入轴转速信号，采用振动加速度传感器采集汽车变速器壳体振动信号。

一种汽车变速器振动分析试验方法，包括如下步骤：

第一步，通过总控模块实现变频器、驱动电机的启动和停止；

第二步，通过总控模块实现调速箱、负载直流电机的启动和停止；

第三步，通过变频器控制和调节汽车变速器输入轴转速，实现汽车变速器的升速和降速过程；

第四步，通过调速箱控制负载直流电机的扭矩；

第五步，手动调节汽车变速器挡位，实现不同挡位下振动分析试验；

第六步，数据采集完成汽车变速器在不同挡位下升速、降速、加载、空载工况的振动信号和转速信号的数据采集。

还包括如下步骤，数据采集单元同步采集汽车变速器在不同挡位下升速、降速、加载、空载的振动和转速信号，通过PCI总线传输至工控机中进行数据存储、数据分析。

本发明的优点：

1、能够模拟汽车变速器基本运行环境。驱动电机模拟发动机输入，负载直流电机模拟差速器、汽车车轮等负载。汽车变速器模拟输入转速最高可达到3000rpm，符合实际汽车变速器运行条件。

2、成本低。本试验台采用微型汽车变速器进行模拟运行试验，驱动电机和负载直流电机功率均较小，整体上造价较低。

3、易于维护和保养。采用联轴器等进行模块化连接，可方便更换损坏的电机、联轴器、汽车变速器等试验台组成部分，设备选型中使用市场上较易于购买的产品，整体试验台易于维修和维护。同时方便于合格汽车变速器和不合格汽车变速器之间的更换，用于采集标准样本和故障样本。

4、本发明的负载使用负载直流电机实现。使用直流发电机作为负载，相对于机械扭矩负载方式具有更低的成本。

5、本发明能采集到较好的汽车变速器振动信号。使用弹性柱销联轴器和减震垫等实现汽车变速器与其它振动信号的隔离，有效减小其他因素对汽车变速器振动信号采集的干扰，有利于故障诊断软件对振动信号进行分析。

6、本发明满足振动分析和故障诊断软件可靠性测试的基本需求。试验台采用手动微型汽车变速器进行模拟运行，可以有效测试振动分析和故障诊断软件算法的正确性和可靠性。测试的软件算法同样适用于自动汽车变速器等其它汽车变速器。

附图说明

图1为本发明的汽车变速器振动分析试验装置框图；

图2为本发明的汽车变速器振动分析试验装置结构图；

图3为本发明的汽车变速器振动分析试验方法中数据采集***的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种汽车变速器振动分析试验装置，包括：一底座14，总控模块1，变频器2，调速器6，驱动电机11，负载直流电机7，汽车变速器8，工控机3，数据采集卡5，计数卡4；所述总控模块1输出端与变频器2连接，还与调速箱6连接；所述变频器2通过驱动电机11与汽车变速器8连接；变频器2，控制和调节驱动电机11转速。所述调速箱通过负载直流电机7与汽车变速器8连接；调速器6，控制和调整负载直流电机7扭矩；所述汽车变速器8，用于振动分析和故障诊断软件测试；驱动电机11，模拟汽车变速器8动力输入，驱动汽车变速器8输入轴。

所述驱动电机11一端设有编码器12，另一端设有联轴器，通过该联轴器与汽车变速器8连接；所述汽车变速器8上设置有振动加速度传感器，所述汽车变速器8通过联轴器与负载直流电机7连接；所述数据采集卡5通过振动加速度传感器与汽车变速器8连接；所述计数卡4通过编码器12与驱动电机11连接；所述工控机3通过PCI总线与数据采集卡5及计数卡4连接；所述底座14上设置有负载直流电机7，汽车变速器8，驱动电机11。所述底座14与汽车变速器8之间设置有减震垫13。所述底座14与减震垫13中间开设有方形孔；将所述振动加速度传感器穿过该方形孔粘贴与汽车变速器8底部，实现汽车变速器8振动信号的数据采集。所述联轴器10为弹性柱销联轴器10；连接汽车变速器8与驱动电机11、负载直流电机7，保证汽车变速器8与驱动电机11、负载直流电机7同步旋转。所述调速器6输出端接有压敏电阻，在感性负载下防止过压时损坏调速器6晶闸管。

所述数据采集单元包括数据采集卡5和计数卡4；实现振动信号和转速信号的同步数据采集；采用编码器12测量汽车变速器8输入轴转速信号，采用振动加速度传感器采集汽车变速器8壳体振动信号。

一种汽车变速器振动分析试验方法，包括如下步骤：

第一步，通过总控模块1实现变频器2、驱动电机11的启动和停止；

第二步，通过总控模块1实现调速箱、负载直流电机7的启动和停止；

第三步，通过变频器2控制和调节汽车变速器8输入轴转速，实现汽车变速器8的升速和降速过程；

第四步，通过调速箱控制负载直流电机7的扭矩；

第五步，手动调节汽车变速器8挡位，实现不同挡位下振动分析试验；

第六步，数据采集完成汽车变速器8在不同挡位下升速、降速、加载、空载工况的振动信号和转速信号的数据采集。

还包括如下步骤，数据采集单元同步采集汽车变速器8在升速、降速、加载、空载、不同挡位等工况下的振动和转速信号，通过PCI总线传输至工控机3中进行数据存储、数据分析。

如图2所示，汽车变速器8振动分析试验装置中设备选型的理论计算依据如下：

(1)汽车变速器8的选择：汽车变速器8一般选择具有输入轴、中间轴和输出轴的微型汽车变速器8，能够满足软件测试试验基本要求。本试验装置中选择重庆青山生产的青山MR406汽车变速器8，其基本参数如下：

最大输入扭矩56.74N·m

最大输入转速5500rpm

各档速比：1档3.428，2档2.108，3档1.379，4档1.00，倒档3.600

结构形式：四前进档、一倒档且全同步

轮廓尺寸：453.5×325×285

换档方式：拉索式，手动换档

重量22.5kg。

(2)驱动电机11的选择：根据汽车变速器8的参数，驱动电机11的功率可取较小些，也可减少不必要的浪费，可选取功率为2KW的电机。同时，使用变频器2调速，使其驱动速度为2000～3000r/min。选取驱动电机11型号为Y90L-2，其基本参数如下：

额定功率：2.2千瓦

额定电压：380伏

额定转速：2840转/分

额定电流：4.7安培

最大转矩/额定转矩：2.3。

(3)联轴器10的选择：

驱动电机11与汽车变速器8之间使用联轴器10，为了隔离振动与冲击，选用弹性柱销联轴器10。

公称转矩： $T_{\max }=9.55*{10}^6\frac{P}{n}=9.55*106*20/2000=95.5*103(N.\mathrm{mm})$

该情况下，转矩变化较小，工作情况系数KA取1.3，则计算转矩为：

T_ca＝K_A*T＝1.3*95.5*103N.mm＝124.15N.m

从GB4323-84中查的TL6型弹性套柱销联轴器10的许用转矩为250N.m，许用最大转速为3800r/min，轴径为32-42mm之间，故合用。

(4)负载直流电机7的选择

负载直流电机7的功率与转速按照大于驱动电机11的额定功率进行参考选取。负载直流电机7选取Z2-32直流电机，其额定功率为2.2kw，额定转速为1500r/min。

(5)振动加速度传感器的选择：汽车变速器8的转速范围在1500转/分至3600转/分之间。也就是源振动信号的转速频率最大值大概在60Hz左右。由于分析的最大阶次为150阶左右，那么测量的振动频率最大值为9KHz左右，这是选择振动传感器的重要指标。选择朗斯加速度传感器内置ICP式加速度传感器。其特点包括低阻抗输出，抗干扰噪声小可进行长距离传输；性价比高安装方便；稳定性高，抗粉尘，潮湿，抗有害气体。

具体参数如下：

型号：    LC0154T

灵敏度：  250mV/g

频率范围：0.2-7700Hz

重量：    32gm

量程：20g

(6)数据采集卡5的选择：振动信号采集卡需要满足三个条件，合适的采样频率和精度，具备一定的信号调理能力，具备同步定时的功能。

模拟信号的采样频率由最高转速和分析的最高阶次两个参数决定。对于声音和振动信号采集，采样率根据以下公式得出：采样率＝2.56×最高计算阶次×最高转速(RPM)/60。

内置电路式加速度传感器需要直流供电和抗混叠滤波器两种信号调理功能。

阶次分析需要同步采集振动信号与转速时标信号。

基于这三个标准，选择了美国国家仪器(NI)公司生产的产品PCI-4474动态信号采集卡和NI公司的PCI-6601计数器。

如图3所示，汽车变速器振动分析试验方法及装置中振动转速信号同步数据采集步骤如下：

首先，由PCI-6601卡实时监测变速箱输入轴的转速，当转速达到采集要求时，启动PCI-6601卡开始采集任务，并随后启动PCI-4474卡的采集任务。先启动的PCI-6601卡不是立即开始采集工作，而是等待PCI-4474卡启动的同时发出的触发信号，在接收到PCI-4474通过RTSI数据线传递的触发信号之后，两块卡开始同步采集数据。在采集过程中，PCI-6601卡通过循环实时累加每次从硬件缓冲区读取到的脉冲个数，当达到了预设值时，便退出循环，从而使两块采集卡停止从硬件缓冲区中读取后续采集到的数据，之后结束采集任务。

Claims (7)

1.一种汽车变速器振动分析试验装置，其特征在于：

包括：

一底座，总控模块，变频器，调速器，驱动电机，负载直流电机，汽车变速器，工控机，数据采集卡，计数卡；

所述总控模块输出端与变频器连接，还与调速箱连接；

所述变频器通过驱动电机与汽车汽车变速器连接；

所述调速箱通过负载直流电机与汽车变速器连接；

所述驱动电机一端设有编码器，另一端设有联轴器，通过该联轴器与汽车变速器连接；

所述汽车变速器上设置有振动加速度传感器，所述汽车变速器通过联轴器与负载直流电机连接；

所述数据采集卡通过振动加速度传感器与汽车变速器连接；

所述计数卡通过编码器与驱动电机连接；

所述工控机通过PCI总线与数据采集卡及计数卡连接；

所述底座上设置有负载直流电机，汽车变速器，驱动电机。

2.按权利要求1所述的汽车变速器振动分析试验装置，其特征在于：所述底座与汽车变速器之间设置有减震垫。

3.按权利要求1所述的汽车变速器振动分析试验装置，其特征在于：所述底座与减震垫中间开设有方形孔；将所述振动加速度传感器穿过该方形孔粘贴于汽车变速器底部，实现汽车变速器振动信号的数据采集。

4.按权利要求1所述的汽车变速器振动分析试验装置，其特征在于：所述联轴器为弹性柱销联轴器；连接汽车变速器与驱动电机、负载直流电机，保证汽车变速器与驱动电机、负载直流电机同步旋转。

5.按权利要求1所述的汽车变速器振动分析试验装置，其特征在于：所述数据采集单元包括数据采集卡和计数卡；

实现振动信号和转速信号的同步数据采集；采用编码器测量汽车变速器输入轴转速信号，采用振动加速度传感器采集汽车变速器壳体振动信号。

6.一种汽车变速器振动分析试验方法，其特征在于：

包括如下步骤：

第一步，通过总控模块实现变频器、驱动电机的启动和停止；

第二步，通过总控模块实现调速箱、负载直流电机的启动和停止；

第三步，通过变频器控制和调节汽车变速器输入轴转速，实现汽车变速器的升速和降速过程；

第四步，通过调速箱控制负载直流电机的扭矩；

第五步，手动调节汽车变速器挡位，实现不同挡位下振动分析试验；

第六步，数据采集完成汽车变速器在不同挡位下升速、降速、加载、空载工况的振动信号和转速信号的数据采集。

7.按权利要求6所述的一种汽车变速器振动分析试验方法，其特征在于：还包括如下步骤，数据采集单元同步采集汽车变速器在不同挡位下升速、降速、加载、空载的振动和转速信号，通过PCI总线传输至工控机中进行数据存储、数据分析。

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