长圆弧弹簧静刚度的检测

Apr.2008

[文章编号]1003-4684(2008)0220062203

长圆弧弹簧静刚度的检测

江征风,徐少波

(武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070)

[摘　要]通过剖析长圆弧弹簧的双质量飞轮结构,阐述长圆弧弹簧的静刚度检测原理,并设计检测试验台

架.介绍了基于LabVIEW的试验数据测试及采集系统,其中包括数据的检测与采集的过程和LabVIEW的使用以及测试结果的分析.

[关键词]长圆弧弹簧;双质量飞轮;试验台架;传感器;LabVIEW[中图分类号]U263.31

[文献标识码]:A

　　汽车动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统,其扭振及由扭振产生的噪声是影响汽车使用性能的重要因素.传统的离合器从动盘式扭振减振器,由于其结构空间上的限制,减振效果较差.而双质量飞轮将减振弹簧布置在飞轮内,减振弹簧的安装半径更大,弹簧刚度更小,相对扭转角更大,减振效果更加理想而且结构简单,易于实现.但是其设计要求高,加工难度大,技术性能指标严格.双质量飞轮虽在国外是成熟产品,国内于20世纪90年代中期也开始了这方面的研究,取得了一些理论成果[1],但至今仍没有批量生产,也没有相应的试验标准.针对应用比较多的长圆弧弹簧结构的双质量飞轮,本文设计了一种试验方法对长圆弧弹簧的静刚度进行检测.

时,初级飞轮通过减振弹簧带动次级飞轮.

2　长圆弧弹簧静刚度的检测原理

2.1　长圆弧弹簧静刚度

长圆弧弹簧静刚度指的是扭转减振弹簧的静刚度.实质上是在一定静扭矩的作用下,减振器中弹簧的变形量,即初级飞轮相对次级飞轮的转角.因此,长圆弧弹簧静刚度的检测对象为作用在长圆弧弹簧上的扭矩和初、次级飞轮的相对转角.2.2　作用在长圆弧弹簧上扭矩的检测原理

在初、次级飞轮总成扭转过程中,减振器中的长圆弧弹簧和减振板的作用而产生扭矩,这个扭矩不易直接测量.因此,可通过测量与飞轮直接连接的主轴所受扭矩,间接测量长圆弧弹簧所受扭矩.2.3　初、次级飞轮相对转角的检测原理

1　双质量飞轮的结构

双质量飞轮就是将原来的一个整体飞轮垂直于

转动轴剖分成两个部分,其间以扭转减振器连接,用扭转减振器来缓冲和衰减扭振,降低噪声,提高乘坐舒适性.因此,扭转减振器是双质量飞轮的核心部件,直接影响双质量飞轮的性能[2].

根据扭转减振器的不同,双质量飞轮有多种结构形式,本文研究的是采用粘性油脂阻尼、长圆弧弹簧结构的双质量飞轮.该飞轮由3部分构成:初级飞轮、次级飞轮与两飞轮间的扭振减振器.初、次级飞轮间可以相对运动,两飞轮间通过减振器相联,传动

在初、次级飞轮总成扭转过程中,初级飞轮相对次级飞轮的转动角度就是弹簧的变形量,因此通过测量飞轮两部分的相对转角即可.

3　长圆弧弹簧静刚度检测试验台架设

计

3.1　试验台架的工作原理

本文设计的试验台架检测的对象是静刚度,所以试验台架的动力源采用手动驱动,以便测量结果更精确且易于实现.图1为试验台架的工作原理框图,手动驱动产生的扭矩通过涡杆涡轮减速机、联轴

[收稿日期]2007-12-01

[作者简介]江征风(1949-),男,湖北武汉人,武汉理工大学教授,研究方向:CAD,CAE及CAM技术.

　第23卷第2期　　　　　　　　　　　　　　江征风等　长圆弧弹簧静刚度的检测63

器等传动部件传递给初级飞轮.在扭矩传递过程中,扭矩传感器和角位移传感器实时检测扭矩值和角位移,经放大电路和A/D转化后,传递给LabVIEW进行测量.

试验台架的尾端.采用这种设计结构可以避免在加载前扭矩传感器产生读数,从而提高试验的精度.

图2为试验台架的装配图.涡轮涡杆减速机通过轴1及2个联轴器与扭矩传感器进行联接;扭矩传感器的另一端通过轴2、联轴器及法兰,与双质量飞轮的初级飞轮联接;次级飞轮被螺钉固定在支座上不随初级飞轮转动.角位移传感器的主轴与轴2的末端通过联接器进行联接,并与轴2同步转动.2个轴承及轴承座对称地分布在扭矩传感器两侧,除用于支撑外,还用来调整各个部件的同轴度.这样,通过涡轮涡杆减速机、轴以及联轴器把扭矩传给初级飞轮,初级飞轮在扭矩作用下与次级飞轮发生相对转动.同时,扭矩传感器和角位移传感器分别测量出传递的扭矩和相对转角.图1　试验台架的工作原理

3.2　试验台架的结构

试验台架的结构设计考虑到对称性,减速机作

为动力源与试件分别布置在试验台架的两侧,扭矩传感器布置在试验台架的中间,通过轴和联轴器进行连接.角位移传感器因其主轴直径较小,被布置到

1涡轮涡杆减速机;2手柄;3弹性联轴器一;4轴一;5轴承座一;6轴承一;7轴用挡圈一;8轴承座垫块一;9弹性联轴器二;

10扭矩传感器;11弹性联轴器三;12轴二;13轴承座二;14轴承二;15轴用挡圈二;16轴承座垫块二;17连接法兰;

18双质量飞轮;19螺栓、螺母;20连接套筒;21角位移传感器;22支座;23底座

图2　试验台架装配图

y=0.007x+5.505.

4　试验数据的测试与采集

4.1　基于LabVIEW的测试系统

其中:y为输出电压;x为输出扭矩.采用LabVIEW

测量出传感器的输出电压,并通过线性关系直接转换得到输出扭矩.4.3　初、次级飞轮的相对转角的检测

采用比例输出DWQT型无触点角度传感器.该传感器是一种电位式角位移传感器,所选用的测量量程为0°～90°,输出电压为0.5～5V,输出电压与输出转角在数值上满足线性关系式

y=0.0444x+0.499.

其中:y为输出电压;x为输出转角.

在测试中,主轴在带动初级飞轮转动一个角度的同时,也带动角位移传感器的主轴同步转动,并输出随角位移变化的电压信号,从而获得初、次级飞轮相对转角的时间历程[4].

组建一个基于LabVIEW的测试系统,传感器、信号调理和数据采集模块是最基本的硬件.其中,传感器将被测试的物理量转换为电量;数据采集则将模拟信号转换成数字信号供计算机进行分析处理;信号调理负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来[3].4.2　作用在长圆弧弹簧上的扭矩的检测

选用北京普瑞萨思测控技术有限公司提供的PS2T静止扭矩传感器.该传感器是一种电阻应变式扭矩传感器,所选用的测量量程是-600～600N・m,输出电压为1～10V.输出电压与输出扭矩在数值上满足线性关系式

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4.4　基于LabVIEW的数据采集

湖　北　工　业　大　学　学　报2008年第2期　

模拟信号的数据采集硬件主要由数据采集卡和装有LabVIEW软件的计算机构成.数据采集卡通过多路开关、A/D转换芯片和数据缓存几个部件,将多通道的模拟信号转换成数字信号并存储在其缓存中;计算机通过LabVIEW中的数据采集VI对数据采集卡中的几个部件的运作进行控制.数据采集卡和计算机之间通过计算机总线实现通信、交换数据和控制信息[5].数据采集卡选用的是NI公司提供PXI6259数据采集板卡.

数据采集的步骤:1)数据采集卡的属性配置,即和LabVIEW配套一个专用的管理软件Measure2ment&AutomationExplorer来管理所有硬件,以完成数据采集卡的检测、性能测试、属性配置和删除功能;2)给数据采集卡配置虚拟通道;3)在LabVIEW中编写数据采集VI.4.5　测试结果分析

　　由图3可知,加载时的静刚度特性曲线由2条

斜率不同的直线组成,这与双质量飞轮的长圆弧弹簧结构一致.双质量飞轮的大长圆弧弹簧内套有小长圆弧弹簧组成子母簧,加载开始只有大长圆弧弹簧承受载荷,当扭矩加载到斜率转折点时,小长圆弧弹簧开始承受载荷,这时静刚度特性线开始转变为2个弹簧的特性线,其斜率增大.这种结构保证在有限的相对转动角范围内传递较大扭矩,避免在高载时发生冲击现象.

5　结语

在设计长圆弧弹簧过程中,也可用各种分析方法计算出其静刚度特性曲线,但即使是最精确和最仔细的计算,其结果和实际的数值总有一定程度的差异,这是由于弹簧制作过程中工艺误差以及材料非绝对均匀性等所造成.所以,长圆弧弹簧的静刚度检测不仅可以检验分析方法得到的结果,而且可以指导该弹簧的设计及加工.

检测得到的长圆弧弹簧静刚度特性曲线(图3):加载时为直线型,而卸载时则为渐增型,完全符合圆弧形弹簧的特性.

[　参　考　文　献　]

[1]　刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.[2]　周建刚.长螺旋弹簧结构的双质量飞轮仿真分析[J].

机械工程师,2006(4):24-26.

[3]　石博强,赵德永,李　畅,等.LabVIEW6.1编程技术实

用教程[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[4]　施涌潮,粱福平,牛春晖.传感器检测技术[M].北京:

国防工业出版社,2007.

[5]　邓　焱,王　磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用

[M].北京:机械工业出版社,2004.

图3　长圆弧弹簧的静刚度物性曲线

TheResearchofLongArcSpringStaticStiffness′sTesting

JIANGZhen2fang,XUShao2bo

(SchoolofMechanicalandElectronicEngin.,WUT,Wuhan430070,China)

Abstract:ThisarticlefirstlypresentedthestructureofDualMassFlywheelwithLongarcspring,andin2troducedthetestprincipleofLongarcspringstiffness,basedonwhichthetestbenchisdesigned.Final2ly,thesystemofdatatestinganddataacquisitionisintroduced,whichisbasedonLabVIEWandincludestheprocessofdataacquisition,theusingofLabVIEWandtheanalysisoftestresults.Keywords:deallongarcspring;massflywheel;bench;sensor;LabVIEW

[责任编校:张　众]