汽车等速万向节及其总成静扭试验的测控系统

瞿庆春，何峰涛，李百华

（1. 洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.万向集团技术中心，浙江 杭州 311215）

汽车等速万向节及其总成静扭试验的测控系统

瞿庆春1，何峰涛1，李百华2

（1. 洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.万向集团技术中心，浙江 杭州 311215）

介绍了汽车等速万向节总成性能试验中的静扭破坏扭矩试验测控系统,分析了试验的工作原理，系统的软硬件组成，测试中的技术难点以及解决方法,保证了万向节的质量安全。

汽车；等速万向节；静扭破坏扭矩；测控系统

1 前言

汽车等速万向节总成是汽车发动机和驱动车轮之间的动力传输装置，提供汽车所需的动力和车速要求，其质量直接影响整车的安全性和可靠性。在国家机械行业标准 《滚动轴承 汽车用等速万向节及其总成》中制订了7种试验方法对总成进行各种寿命和性能试验。本文对性能试验中的静扭破坏扭矩试验的试验台及测试系统进行了详细介绍。

2 试验台的机械结构及原理

本试验设备主体主要由扭力输出机构（电机、带轮组和减速器）、试验件夹具、可移动固定支承座、底座、扭角测试组件和扭矩测试组件构成。机械结构示意图如图 1 所示。

扭力输出机构由电机配合变速箱进行转动，能够产生较大的扭力。扭角测试组件用于测量扭转角度，可有效控制试验扭角。扭矩测试组件通过拉压力传感器与固定的力臂长度可计算出扭矩数值。设备可移动固定支承座可以通过水平左右移动实现对相关尺寸范围内的试验件进行试验。

本设备可模拟与装车一致的驱动扭矩方向和通过万向节的扭矩大小，从而对万向节及其总成进行静扭破坏扭矩试验。试验是将万向节及其总成按装车要求通过夹具安装到位，左端扭力输出机构将扭力传递给试验件，右端固定支承座将试验件固定，按照试验要求施加相应的扭力，从而实现试样在扭矩作用下出现裂纹，并继续扭转至破坏的系列状态，自动记录各状态下的扭矩和扭矩角及驱动轴、万向节或中间轴的扭角随扭矩变化的特性。

3 测控系统的硬件构成

3.1 测控系统主机构成

测控系统硬件使用工业控制计算机和ADLINK生产的ACL-8112PG卡，对扭矩信号进行采集，控制电机的启停、正反转以及通讯板卡、滤波装置、外围电气系统和传感器等构成测试系统的硬件。

3.2 测控系统传感器以及驱动系统构成

（1）角位移传感器：GJF-1旋转编码器又称光栅角位移传感器，电压规格为12V，3600线方波信号输出。

（2）力传感器：是扭矩测试的重要参数，量程2T，输出电压为±5V，精度为0.2% 。

（3）电机驱动系统：由驱动电机和齿轮减速箱组成低速驱动扭转系统对总成进行静扭试验。

图1 汽车等速万向节及其总成静扭试验台主体结构图

4 测控系统的软件设计及其实现

静扭试验测控系统的关键在于驱动系统的准确控制，扭转角度和扭矩的精确测量。核心的部分则在于扭矩信号经过模数转换后，通过测控软件进行的数据处理。按照行业标准对于试验的要求，记录各状态下的扭矩和扭转角，并绘制出图形，标注出约翰逊弹性极限扭矩、最小静扭破坏扭矩和最大破坏扭矩。这一过程均由测控程序自动完成，试验结果以图形方式保存，完全替代以往通过试验手动记录、描点、测绘出各个扭矩值的方法，大大提高试验效率和精度。测控程序的具体介绍如下。

4.1 测控软件关键技术

（1）扭矩信号的抗干扰措施。扭矩信号是试验中最重要的信号之一，是得出3个所需扭矩值的依据。具体处理方法是信号进入计算机后，首先使用格拉布斯准则的比较法剔除数据中的粗大误差，再使用加权平均值法进行数据平滑处理，使采样信号能够完全表达试验真实数据。

（2）试验要求的约翰逊弹性极限扭矩和最小静扭破坏扭矩和最大破坏扭矩的计算方法。

（3）绘制出如图 2 所示的扭矩和扭角的关系曲线，在这个图上能作出驱动轴、万向节或中间轴的约翰逊弹性极限，标注出约翰逊弹性极限扭矩J、最小静扭破坏扭矩E以及最大破坏扭矩T，记录其各自的数值，并将关系图保存。设计方案如下。

① 程序人工设定停机条件。由于试验的总成不同，对于其达到静扭破坏所需扭转角度也不相同，所以需要人工输入停机条件，分别为扭矩达到一定数值停机（作为破坏扭矩），扭转角度达到一定数值停机以及扭矩下降百分比作为停机条件。其中扭矩下降百分比为最常用的停机标准。因为发生静扭破坏后，扭矩迅速下降，以此作为破坏点最符合试验要求。

② 记录电机启动后直到停机的扭角和扭矩数值，其中最大扭矩值为破坏扭矩T，对应的扭角为破坏角度。驱动轴规格是按所能承载的扭矩值进行分类的，如驱动轴规格为1 500，表明其承载能力为1 500Nm。图 2 中：点N应在驱动轴规格的35%到破坏扭矩的50%之间，点O应在50Nm到10%驱动轴规格之间，所以确定点N占破坏扭矩T的百分比后，点M即可确定。

③ 在约翰逊弹性极限扭矩下所产生的变形应比初始变形量大50%（图 2 中初始变形量等于MN/OM）。OQ的斜率比初始变形ON的斜率大50%，即距离NQ=0.5MN，从而确定点Q位置，做出OQ虚线。

图2 约翰逊弹性极限的位置确定

④ 做直线O1Q1平行于直线OQ，并相切于扭矩扭角线，切点为约翰逊弹性极限扭矩J。

⑤ 约翰逊弹性极限扭矩J和扭矩M的中点为最小静扭破坏扭矩E。

4.2 测控软件介绍

（1）测控软件界面如图 3，为做完一套正式试验的情况。

界面上端显示破坏角度、破坏扭矩或者屈服角度、屈服扭矩或者约翰逊弹性极限角度、约翰逊弹性极限扭矩数值。可选择单独显示或者同时全部显示在曲线以及显示框上。在显示框右侧，可以选择在曲线上为哪个参数自动取点，可以实现手动选取合适角度扭矩值进行记录分析，达到更好的试验效果。界面右上侧动态显示测试所得扭矩值和角度值。

（2） 点击“开始试验”，程序控制驱动系统以一定速度进行扭转，在以扭转角度为横坐标，扭矩值为纵坐标的图面上，结合采集的数据，程序自动绘制出扭角-扭矩曲线。根据4.1中行业标准规定的计算方法，分别计算出各种情况下的扭转角度和扭矩值，显示在曲线上作为试验结果进行保存。试验中途如果出现异常，可以点击“试验停止”来停止试验。

（3） 如图 3 界面所示，试验正常停止有3种情况，最常用的是通过扭矩下降幅度来确定试验的停止，说明总成已经达到试验扭转破坏，完成预定试验要求。

（4） 如果力传感器出现零点漂移的情况，可以点击“扭矩零点”进入校准界面进行传感器的校准，以保证试验数据的精度要求。

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.

瞿庆春（1967-），男，工程师.