CN106840708A - 变速箱壳体变形试验方法 - Google Patents

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邹喜红
刘瑜
程凯华
田横
王瑞东
罗洋
柳春林
彭吉刚
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Abstract

本发明公开了一种变速箱壳体变形试验方法，包括如下步骤：将待测变速箱按照实车安装定位方式安装在试验台架上，并将待测变速箱的输出轴抱死固定；将待测变速箱的输入轴与扭矩加载装置的输出轴相连，并将应变片或应变花贴在选取的待测点处；通过计算机实时获取扭矩传感器和角位移传感器的检测信号，对待测变速箱的输入轴进行加载；记录粘贴在待测点上的应变片或应变花的应变数据，通过应力‑应变换算公式计算得到待测点的主应力值。本发明能够对变速箱壳体的变形量和主应力值进行试验测量，具有较高的准确性和可靠性，为变速箱壳体刚度和强度试验评价提供了一种高效准确的方法，同时为变速器设计提供数据支持，提高变速箱的可靠性和寿命等优点。

Description

变速箱壳体变形试验方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件检测技术领域，特别的涉及一种变速箱壳体变形试验方法。
背景技术
变速箱壳体作为变速器总成中的重要基础部件，与发动机、悬置等整车部件连接，将变速箱中的齿轮、轴、轴承及拨叉等有关零部件组装成一个整体，保持齿轮、轴系之间的正确位置，并使它们按照一定的传动关系协调地传递动力。变速器的各轴均通过轴承支撑在箱体上，齿轮传动过程中，箱体承受较大的载荷，同时其又承受整车制动或者加速时动力总成引起的惯性力与冲击并产生较大的变形和应力，因此箱体的强度、刚度和疲劳性能直接影响变速器的可靠性和寿命，进而影响整车的使用性能。目前，鲜有对变速箱箱体的强度和刚度进行试验的研究。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种变速箱壳体变形试验方法，能够模拟变速箱在车辆行驶过程中壳体所承受的载荷，对变速箱壳体的变形量和主应力值进行试验测量，具有较高的准确性和可靠性，为变速箱壳体刚度和强度试验评价提供了一种高效准确的方法，同时为变速器设计提供数据支持，提高变速箱的可靠性和寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种变速箱壳体变形试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将待测变速箱按照实车安装定位方式安装在试验台架上，并将待测变速箱的输出轴抱死固定；
B、将待测变速箱的输入轴与扭矩加载装置的输出轴相连，并在二者之间设置扭矩传感器和角位移传感器，分别用于检测扭矩加载装置的输出轴的转角和施加在待测变速箱的输入轴的扭矩；
C、在待测变速箱的壳体上选取壳体变形的待测点，并将应变片或应变花贴在选取的待测点处；
D、通过计算机实时获取扭矩传感器和角位移传感器的检测信号，将变速箱挂入前进档位或倒车档位中，采用闭环控制的方式控制扭矩加载装置对待测变速箱的输入轴进行加载，加载时，先将扭矩加载装置的输出扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值，并在时间t2内保持稳定，然后在时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零；
E、记录粘贴在待测点上的应变片或应变花的应变数据，通过应力-应变换算公式计算得到待测点的主应力值。
采用上述方法，将变速箱挂入前进或倒车档位，通过扭矩加载装置对变速箱的输入轴进行加载，由于变速箱的输出轴固定抱死，使得变速箱的输入轴和输出轴存在相对的扭转变形，改变壳体轴承支撑处的受力情况，使扭矩作用到变速箱壳体上，引起变速箱壳体的变形，采用应变片或应变花对变速箱壳体的应变数据进行检测，通过应力-应变的换算公式，可以获得准确的主应力值。采用计算机的闭环控制方式能够确保扭矩加载装置输出的转矩精度较高，且稳定可靠；将扭矩由零逐渐增加至扭矩设定值和由扭矩设定值逐渐减小至零的加载过程，可以对变速箱壳体的动态变形过程进行试验；将扭矩保持在扭矩设定值，可以对变速箱壳体的静态变形过程进行试验。这样，可以完成对变速箱壳体的动态和静态变形过程进行试验，接近变速箱的实际约束情况，有利于提高试验的可靠性和准确性。设置角位移传感器，可以通过角度控制调整变速器初始位置，消除间歇，以便于进行扭矩控制，有利于提高测量的准确性。
进一步的，所述步骤D中，分别将变速箱挂入1档、2档和倒挡中，对处在不同档位上待测变速箱的输入轴进行加载，在相同的时间t1内将扭矩加载装置的输出扭矩由零逐渐增加至同一扭矩设定值，并在相同的时间t2内保持稳定，然后在相同的时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零。
由于变速箱1档、2挡和倒挡的速比较大，输出转速低且扭矩大，所以在1档、2挡和R挡齿轮所传递的扭矩、啮合力以及壳体受力都比较大。采用上述工况加载方法，可以模拟变速箱壳体在实际行驶过程中受力较大的情况，有利于提高试验的效率以及准确性。
进一步的，所述步骤D中，在同一档位上，分别采用多个不同的扭矩设定值对待测变速箱的输入轴进行加载，保证每次加载过程中的t1、t2和t3分别对应相等。
采用上述方法，在不同的扭矩设定值时，控制t1、t2和t3分别对应相等，使得在相同的时间t1和相同的时间t3内，由于幅值的不同，使得扭矩加载曲线的斜率会发生变化，这样，可以对不同的动态加载过程中壳体的动态变形过程进行测试。而将不同的扭矩设定值保持稳定在相同的时间t2内，可以对不同静态幅值加载情况下变速箱壳体变形过程进行测试。这样，可以测试变速箱在实际行驶过程中所受到的不同幅值的稳态载荷、不同的斜率的动态载荷变下的变形情况，可以有效提高试验的效率和准确性。
综上所述，本发明具有能够模拟变速箱在车辆行驶过程中壳体所承受的载荷，对变速箱壳体的变形量和主应力值进行试验测量，具有较高的准确性和可靠性，为变速箱壳体刚度和强度试验评价提供了一种高效准确的方法，同时为变速器设计提供数据支持，提高变速箱的可靠性和寿命等优点。
附图说明
图1为一种采用本发明方法的变速箱壳体变形试验***的结构示意图。
图2为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为100Nm加载曲线1。
图3为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为100Nm加载曲线2。
图4为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为200Nm加载曲线1。
图5为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为200Nm加载曲线2。
图6为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为270Nm加载曲线1。
图7为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为270Nm加载曲线2。
图8为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为300Nm加载曲线1。
图9为变速箱处于一档位置时扭矩幅值为300Nm加载曲线2。
图10为变速箱处于一档位置时测点1在200Nm加载水平下的应变图。
图11为变速箱处于一档位置时测点1在200Nm加载水平下的计算应力图。
图12为变速箱处于一档位置时测点2在200Nm加载水平下的应变图。
图13为变速箱处于一档位置时测点2在200Nm加载水平下的计算应力图。
图14为测点1在300Nm加载水平下3个档位的主应力值。
图15为测点2在300Nm加载水平下3个档位的主应力值。
图16为变速箱处于一档位置时测点1在不同加载幅值稳态工况下主应力值。
图17为变速箱处于一档位置时测点2在不同加载幅值稳态工况下主应力值。
图18为变速箱处于一档位置时测点1在不同加载幅值稳态工况下主应力差值对比图。
图19为变速箱处于一档位置时测点2在不同加载幅值稳态工况下主应力差值对比图。
具体实施方式
下面结合一种采用本发明方法的变速箱壳体变形试验***及其附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：如图1所示，一种变速箱壳体变形试验***，包括试验台架装置1以及测控***2，所述试验台架装置1包括底座11，用于固定变速箱的输入轴端的端连接支架12以及用于支撑变速箱的输出轴端的末端支撑座13，所述端连接支架12和末端支撑座13上按照实车安装定位方式安装有待测变速箱14；所述底座11位于所述待测变速箱14的输出轴的一侧设置有用于固定抱死待测变速箱的输出轴的固定抱死机构15，所述待测变速箱14的输出轴固定连接在所述固定抱死机构15上；所述底座11位于所述待测变速箱14的输入轴的一侧设置有加载器支架16以及安装在所述加载器支架16上的扭矩加载装置17，所述扭矩加载装置17的输出轴与所述待测变速箱14的输入轴同轴连接；所述测控***2包括安装在所述扭矩加载装置17的输出轴上的转矩传感器21，粘贴在待测变速箱14的壳体的待测点上的应变式传感器22，数据采集***23以及计算机24，所述转矩传感器21和应变式传感器22均通过所述数据采集***23连接至所述计算机24；所述计算机24还连接有用于控制所述扭矩加载装置17的输出扭矩的加载控制器25，所述加载控制器25连接至所述扭矩加载装置17。
采用上述***，通过计算机控制加载控制器，主要控制扭矩加载装置按照设定值对待测变速箱的输入轴进行扭矩的加载，由于固定抱死机构将待测变速箱的输出轴抱死，使得变速箱的输入轴和输出轴存在相对的扭转变形，改变壳体轴承支撑处的受力情况，使扭矩作用到变速箱壳体上，引起变速箱壳体的变形，通过粘贴在待测变速箱壳体上的应变式传感器可以检测到壳体的应变数据，并通过数据采集***输入到计算机中，计算得到主应力值，完成对变速箱壳体变形的测量。在扭矩加载装置的输出轴上安装转矩传感器，便于数据采集***和计算机能够获取到扭矩加载装置输出的实时扭矩，可以实现对扭矩加载装置闭环控制，提高扭矩输出的精度。
实施时，所述加载器支架16为下端具有弹性的弹性支架。
这样，可以减少施加扭转负荷时因样品变形带动扭矩加载装置微小的扭转负荷，具有缓冲和复位的作用。
实施时，所述应变式传感器22设置有多个，分别粘贴在待测变速箱14的输出轴后轴承孔的外侧边缘、中间轴后轴承孔的外侧边缘、后壳轴承位置施加载荷处、中壳轴承位置施加载荷处以及主箱体外侧。
由于上述位置通常是变速箱在实际行车过程中受力以及有限元分析应力较大的位置，在这些部位设置应变式传感器可以得到更加准确地测量结果。
实施时，所述扭矩加载装置17为液压伺服扭转作动器。
液压伺服扭转作动器具有动态响应精度高、负载刚度大、控制功率大等特性。采用液压伺服扭转作动器能够实现精准的扭矩输入，有利于提高测量准确性。
具体实施时，所述扭矩加载装置17的输出轴上还设置有角位移传感器。这样，可以通过角度的控制调整变速器初始位置，消除间歇，以便于进行扭矩控制，有利于提高测量的准确性。
试验时，采用如下步骤：A、先获取上述变速箱壳体变形试验***，将待测变速箱按照实车安装定位方式安装在试验台架装置1上，并将待测变速箱的输出轴抱死固定；
B、将待测变速箱的输入轴与扭矩加载装置的输出轴相连，并在二者之间设置扭矩传感器和角位移传感器，分别用于检测扭矩加载装置的输出轴的转角和施加在待测变速箱的输入轴的扭矩；
C、在待测变速箱的壳体上选取壳体变形的待测点，并将应变片或应变花贴在选取的待测点处；
D、通过计算机实时获取扭矩传感器和角位移传感器的检测信号，将变速箱挂入前进档位或倒车档位中，采用闭环控制的方式控制扭矩加载装置对待测变速箱的输入轴进行加载，加载时，先将扭矩加载装置的输出扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值，并在时间t2内保持稳定，然后在时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零；
E、记录粘贴在待测点上的应变片或应变花的应变数据，通过应力-应变换算公式计算得到待测点的主应力值。
采用上述方法，将变速箱挂入前进或倒车档位，通过扭矩加载装置对变速箱的输入轴进行加载，由于变速箱的输出轴固定抱死，使得变速箱的输入轴和输出轴存在相对的扭转变形，改变壳体轴承支撑处的受力情况，使扭矩作用到变速箱壳体上，引起变速箱壳体的变形，采用应变片或应变花对变速箱壳体的应变数据进行检测，通过应力-应变的换算公式，可以获得准确的主应力值。采用计算机的闭环控制方式能够确保扭矩加载装置输出的转矩精度较高，且稳定可靠；将扭矩由零逐渐增加至扭矩设定值和由扭矩设定值逐渐减小至零的加载过程，可以对变速箱壳体的动态变形过程进行试验；将扭矩保持在扭矩设定值，可以对变速箱壳体的静态变形过程进行试验。这样，可以完成对变速箱壳体的动态和静态变形过程进行试验，接近变速箱的实际约束情况，有利于提高试验的可靠性和准确性。设置角位移传感器，可以通过角度控制调整变速器初始位置，消除间歇，以便于进行扭矩控制，有利于提高测量的准确性。
其中，所述步骤D中，分别将变速箱挂入1档、2档和倒挡中，对处在不同档位上待测变速箱的输入轴进行加载，在相同的时间t1内将扭矩加载装置的输出扭矩由零逐渐增加至同一扭矩设定值，并在相同的时间t2内保持稳定，然后在相同的时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零。
由于变速箱1档、2挡和倒挡的速比较大，输出转速低且扭矩大，所以在1档、2挡和R挡齿轮所传递的扭矩、啮合力以及壳体受力都比较大。采用上述工况加载方法，可以模拟变速箱壳体在实际行驶过程中受力较大的情况，有利于提高试验的效率以及准确性。
其中，所述步骤D中，在同一档位上，分别采用多个不同的扭矩设定值对待测变速箱的输入轴进行加载，保证每次加载过程中的t1、t2和t3分别对应相等。
采用上述方法，在不同的扭矩设定值时，控制t1、t2和t3分别对应相等，使得在相同的时间t1和相同的时间t3内，由于幅值的不同，使得扭矩加载曲线的斜率会发生变化，这样，可以对不同的动态加载过程中壳体的动态变形过程进行测试。而将不同的扭矩设定值保持稳定在相同的时间t2内，可以对不同静态幅值加载情况下变速箱壳体变形过程进行测试。这样，可以测试变速箱在实际行驶过程中所受到的不同幅值的稳态载荷、不同的斜率的动态载荷变下的变形情况，可以有效提高试验的效率和准确性。
实施例：由于变速箱一档二挡和倒挡的速比大，输出转速低且扭矩大，所以一档、二挡和R挡齿轮所传递的扭矩、啮合力，壳体受力都比较大，因此主要考虑变速器总成在1挡、2挡和R挡在输入扭矩作用下的受力情况。
采用变幅值、变斜率的加载方式，综合考虑变速箱动态与静态变形试验过程，试验时，在1挡、2挡和R挡的每个档位上，在20s内，分别将扭矩缓慢加载至100Nm、200Nm、270Nm和300Nm，并保持稳定20s，然后在20s内，分别将扭矩从100Nm、200Nm、270Nm和300Nm缓慢将为0Nm。加载时，将扭矩逐渐增大或减小，可以对变速箱壳体的动态变形过程进行试验。而将幅值稳定一段时间，可以对变速箱壳体的静态变形过程进行试验。在扭矩增大或减小的过程中，由于在相等的20s内，扭矩变化的幅值大小不同，使得幅值变化的斜率不一样。这样，可以对不同的动态加载过程中动态的壳体变形进行测量。而将扭矩稳定在不同幅值上可以对不同静态幅值加载情况下变速箱壳体变形过程进行测量。扭矩加载如图2至图9所示，从加载曲线可以看出，扭矩加载稳定并且可以良好归零，说明本试验***加载精度高、重复性好。
实际数据处理时，首先观察每组数据的变化情况，粗看数据是否正常以及重复性是否良好并将每一个测点的应变数据通过应力-应变换算公式计算得到每一个测点的主应力值，计算每个测点在每种加载工况下3个样本的稳态数据的差值，以及加载前和加载后稳态数据的差值，以检查应变传感器是否工作正常以及本试验***的重复性。
三轴Y型等角应变花的应变-应力换算公式如下：
其中，εx和εy分别为x轴和y轴方向的正应变，ε30、ε90和ε150分别沿30°、90°和150°方向的正应变，σ1,σ2为测点主应力，τmax为测点最大剪力，γxy为切应变，E为弹性模量，ν为泊松比。单轴应变片的应力-应变计算公式如下：
σ＝Eε (7)
σ为应力，ε为应变，E为弹性模量
现以变速器处于一档位置，测点1三轴Y型等角应变花、测点2单轴应变片在200Nm加载水平下的应变-应力变化情况为例，数据处理结果如图10～图13所示。
安装与调试完毕之后，进行试验,分别采集5个测点R档、1档和2档各3个应变样本，根据公式(1)-(7)计算主应力值。仅以一档的200Nm加载水平下测点2的应变曲线说明试验结果。由图9～图12可知，试验加载时，试验数据稳定上升，扭矩稳定时，测点主应力和应变基本保持不变，卸载后应力与应变值恢复到试验前，试验数据可良好归零，说明该变速箱壳体变形试验***具有良好的可重复性。
以测点1和测点2为例，图14为测点1在300Nm加载水平下3个档位的主应力值；图15为测点2在300Nm加载水平下3个档位的主应力值；图16为变速箱处于一档位置时测点1在不同加载幅值稳态工况下的主应力值；图17为变速箱处于一档位置时测点2在不同加载幅值稳态工况下的主应力值；图18为变速箱处于一档位置时测点1在不同加载幅值稳态工况下主应力差值对比图；图19为变速箱处于一档位置时测点2在不同加载幅值稳态工况下主应力差值对比图。
由图14和15可知，稳态300Nm加载条件下，一档、二挡和R档的样本测点1、测点2应力最大值，均小于箱体材料的抗拉强度值，满足强度要求。
由图16和17可知，测点1、测点2在不同加载水平下应力值不同，随加载水平增加主应力值呈递增趋势，在300Nm时，主应力值最大；由图18和19可知，在同一种扭矩加载水平下，每个测点的应力差值是稳定的，随着扭矩加载水平的增加，应力差值逐渐增加，符合实际情况，样本数据重复性良好，测点2的应力差较大，说明测点2承受的应力值较大。其中部分不同扭矩加载水平下S1初始应力值不同，主要是试验测试间隔稍短，应变片存在残余应力导致。
由上述分析可知，采用液压伺服***设计的变速器壳体变形试验***，加载方法简单，重复性好，精度高，具有较高的动态响应特性。采用变斜率和变幅值加载方式，综合考虑变速箱的动态和静态壳体变形过程，接近变速器的实际约束情况。试验结果表明，在同一种扭矩加载水平下，每个测点的应力差值是稳定的，随着扭矩加载水平的增加，应力差值逐渐增加，符合实际情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变速箱壳体变形试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将待测变速箱按照实车安装定位方式安装在试验台架上，并将待测变速箱的输出轴抱死固定；
B、将待测变速箱的输入轴与扭矩加载装置的输出轴相连，并在二者之间设置扭矩传感器和角位移传感器，分别用于检测扭矩加载装置的输出轴的转角和施加在待测变速箱的输入轴的扭矩；
C、在待测变速箱的壳体上选取壳体变形的待测点，并将应变片或应变花贴在选取的待测点处；
D、通过计算机实时获取扭矩传感器和角位移传感器的检测信号，将变速箱挂入前进档位或倒车档位中，采用闭环控制的方式控制扭矩加载装置对待测变速箱的输入轴进行加载，加载时，先将扭矩加载装置的输出扭矩在时间t1内由零逐渐增加至扭矩设定值，并在时间t2内保持稳定，然后在时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零；
E、记录粘贴在待测点上的应变片或应变花的应变数据，通过应力-应变换算公式计算得到待测点的主应力值。
2.如权利要求1所述的变速箱壳体变形试验方法，其特征在于，所述步骤D中，分别将变速箱挂入1档、2档和倒挡中，对处在不同档位上待测变速箱的输入轴进行加载，在相同的时间t1内将扭矩加载装置的输出扭矩由零逐渐增加至同一扭矩设定值，并在相同的时间t2内保持稳定，然后在相同的时间t3内由该扭矩设定值逐渐减小至零。
3.如权利要求1所述的变速箱壳体变形试验方法，其特征在于，所述步骤D中，在同一档位上，分别采用多个不同的扭矩设定值对待测变速箱的输入轴进行加载，保证每次加载过程中的t1、t2和t3分别对应相等。
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