任工昌， 王宏衛(wèi),2

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.陜西航天動力高科技股份有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

動平衡是液力變矩器產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過程中必須解決的一個基本共性問題，其優(yōu)劣程度直接決定著產(chǎn)品的工作性能、使用壽命以及產(chǎn)品質(zhì)量等.轉(zhuǎn)子如果是不平衡的，附加動壓力將通過軸承傳達(dá)到機(jī)器上，引起整個機(jī)器的振動，產(chǎn)生噪音，加速軸承的磨損，降低機(jī)器的壽命，甚至使機(jī)器控制失靈，發(fā)生嚴(yán)重事故[1,2].

目前國內(nèi)液力變矩器的動平衡測試技術(shù)主要采用單向動平衡測試技術(shù)，即通過固定內(nèi)部元件，平衡主軸控制外部元件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行變矩器的動平衡測試；由于忽略了內(nèi)部元件的運(yùn)動特性，測量準(zhǔn)確度降低，在液力變矩器的平衡方法上與國際先進(jìn)水平有一定的差距.

目前國外主導(dǎo)汽車廠家采用的是更接近工況的雙主軸測量方法，它是通過一個主軸控制內(nèi)部元件旋轉(zhuǎn)，另一個主軸控制外部元件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行變矩器的動平衡測試；該法滿足了汽車傳動系統(tǒng)對于液力變矩器更高的平衡要求.

為了達(dá)到國際先進(jìn)水平，我們對平衡設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，進(jìn)行大量試驗以期掌握這種先進(jìn)的差速平衡技術(shù)對于提升我國液力變矩器的質(zhì)量有著重要的意義.

本文在反復(fù)實驗的基礎(chǔ)上，研究了雙向動平衡檢測技術(shù)，論證了差速平衡技術(shù)在液力變矩器動平衡檢測上具有重要作用.

1 液力變矩器雙向差速動平衡機(jī)的模型分析

1.1 液力變矩器的結(jié)構(gòu)[3]

液力變矩器由可轉(zhuǎn)動的泵輪和渦輪，以及固定不動的導(dǎo)輪三元件構(gòu)成.各件用鋁合金精密鑄造或用鋼板沖壓焊接而成.泵輪與變矩器殼成一體.用螺栓固定在飛輪上，渦輪通過從動軸與傳動系各件相連.所有工作輪在裝配后，形成斷面為循環(huán)圓的環(huán)狀體,如圖1所示.

圖1 汽車液力變矩器結(jié)構(gòu)

1.2 雙主軸測量方法的探究

通過控制工件內(nèi)部元件的主軸只做相對外殼0 °和180 °旋轉(zhuǎn)兩個位置，測量方法相比單主軸測量法測量精度得到了提高，由于要進(jìn)行兩次動平衡測量，測量周期大大加長.

尋找一種既能提高動平衡的檢測精度，又能縮短動平衡的檢測周期的變矩器動平衡檢測方法，成為改進(jìn)變矩器動平衡檢測過程的關(guān)鍵點(diǎn).將動平衡測量技術(shù)、自動控制技術(shù)和數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)相結(jié)合，采用雙主軸差速的理論來實現(xiàn)變矩器動平衡測量技術(shù)的突破，達(dá)到更真實地符合轎車液力變矩器的實際工作狀態(tài).即：當(dāng)變矩器定位于平衡測量工位后，上、下主軸將變矩器內(nèi)部組件和外部組件夾緊并驅(qū)動至平衡測量轉(zhuǎn)速(同時、同向、差速旋轉(zhuǎn))，當(dāng)變矩器旋轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定后系統(tǒng)將測量工件的不平衡量.

1.3 動不平衡量的測量模型[4]

根據(jù)力的平移法則，一個任意的不平衡剛性轉(zhuǎn)子，其不平衡量均可等效到兩個與轉(zhuǎn)軸垂直的校正面上，根據(jù)轉(zhuǎn)子的工藝要求，其重量/加重校正面的選擇千差萬別，平衡機(jī)必須能在任意指定的兩個校正面上準(zhǔn)確地指示出不平衡量的大小和相位，這就是平衡機(jī)平面分離解的功能，如圖2所示.

由圖2可知,二校正面上的不平衡量F1、F2與測力傳感器處力N1、N2的關(guān)系為：

(1)

其中，N1、N2為支撐反力，由測力傳感器電壓信號表達(dá)為：

N1=Esin(wt+φ1)

(2)

N2=Esin(wt+φ2)

(3)

設(shè)F1=m1r1ω2，F(xiàn)2=m2r2ω2，則二校正面上的不平衡量為：

(4)

由式(4)可知,二校正面上的不平衡量，只與校正面的位置尺寸和傳感器的輸出值有關(guān)，而與轉(zhuǎn)子質(zhì)量特性無關(guān).因此，在對任意一轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡時，只需鍵入校正位置尺寸大小，就可進(jìn)行平衡測量，從而實現(xiàn)了永久性定標(biāo).

1.4 測量原理

(a)被測轉(zhuǎn)子

(b)被測轉(zhuǎn)子所在系統(tǒng)圖2 動不平衡量的測量模型

回轉(zhuǎn)物體上的不平衡量所產(chǎn)生的離心力使得平衡機(jī)做有規(guī)則的振動，振動的物理量如位移、速度或加速度經(jīng)相應(yīng)的傳感器(位移、速度或加速度傳感器)轉(zhuǎn)換成電量形式輸出[5].假設(shè)傳感器的輸出信號為：

e(t)=E0+Esin(ωt+φ)+

(5)

測量系統(tǒng)的任務(wù)是要抑制直流分量、諧波分量、異頻分量和各種噪聲項，找出不平衡信號的基波幅值E和起始相角φ.

設(shè)y(t)=Esin(ωt+φ)為待測的不平衡信號，運(yùn)用三角公式可把公式寫成：

y(t)=Ecosφsinωt+Esinφcosωt=

Resinωt+Imcosωt

(6)

式中：Re=Ecosφ為同相分量，即信號的實部；Im=Esinφ為正交分量，即信號的虛部.

所以只需測得以上兩個分量就可以得到基波的幅值和相位[6,7].

2 雙向差速動平衡機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成總體方案[8]

雙向差速動平衡機(jī)的總體設(shè)計是一種單工位單面校正立式雙向差速平衡機(jī)測量系統(tǒng)，動平衡測量與校正處在同一個工位，工作時回轉(zhuǎn)工作臺上部的夾具向下壓緊工件，同時下部的夾具帶動零件旋轉(zhuǎn).使用時操作工人主要負(fù)責(zé)工件轉(zhuǎn)子的裝卸、自動系統(tǒng)的啟停以及系統(tǒng)參數(shù)的更改.

系統(tǒng)主要組成部分包括動平衡測試模塊、嵌入式工控機(jī)軟件系統(tǒng)、機(jī)床本體、PLC控制電箱等.圖3是系統(tǒng)機(jī)械總裝示意圖.

圖3 系統(tǒng)總裝示意圖

2.2 動平衡測試模塊[9]

動平衡測試模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，動平衡測試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到最終的不平衡量減少率.為使測量結(jié)果準(zhǔn)確，一個好的動平衡測試系統(tǒng)應(yīng)該有良好的濾波性、抗干擾性和較大的動態(tài)范圍、較寬的頻率響應(yīng)、較高的測量精度和長時間的工作穩(wěn)定性等.

動平衡測量模塊的功能可以作如下描述[10]：系統(tǒng)驅(qū)動主軸電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，此時動不平衡量由測振傳感器測得，所得到的信號比較微弱，并且含有大量的干擾信號，因此需要從這些信號中提取與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動同頻的有用信號的幅值和相位信息[11,12].具體操作包括信號放大，濾除無用的直流分量、各次諧波分量、異頻分量和各種干擾噪聲，從而取出有用的與測量轉(zhuǎn)動同頻率的基波分量，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行計算，最后得到校正面上不平衡量的大小和相位，再由RS232串口通訊傳至PC機(jī)進(jìn)行顯示和進(jìn)一步處理.

測量模塊包括以下幾個部分：立式硬支撐的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于測振的磁電式速度傳感器和用于基準(zhǔn)信號測量的電感式接近傳感器和動平衡測試電路板.

傳感器分布如圖2所示.對支撐反力N1、N2的電壓信號應(yīng)用FFT快速傅里葉變換進(jìn)行信號處理，以保證動平衡測量精度.測試信號中的直流分量、各次諧波分量對提取的精度無影響.

采樣周期數(shù)越大，等效的噪聲帶寬越窄，抑制噪聲的能力也越強(qiáng)，提取的精度更高.

2.3 機(jī)床本體

機(jī)床上有三套夾具，平衡夾緊夾具、校正加重夾緊夾具和回轉(zhuǎn)臺夾緊夾具.其中平衡夾緊夾具和回轉(zhuǎn)臺夾緊夾具可以根據(jù)工件類型不同而更換不同的夾具.圖4是機(jī)床的夾具安裝圖.

下定位夾具可以松開和加緊工件，從而防止動平衡測量的過程中工件相對于主軸滑動.進(jìn)行動平衡測量時，上定位夾具向下插入變矩器內(nèi)部，回轉(zhuǎn)臺鎖緊氣缸松開，下定位夾具向下拉緊工件，并同工件一起轉(zhuǎn)動.測量結(jié)束以后進(jìn)行動平衡校正時，加重夾緊氣缸向上運(yùn)動夾緊工件，回轉(zhuǎn)臺鎖緊氣缸頂緊，同時進(jìn)行加重補(bǔ)償，這樣就可以防止因校正過程較大的振動和推力使得變矩器發(fā)生位移而影響動平衡測量的結(jié)果[13].

1.上夾緊氣缸 2.上定位夾具 3.工件 4.下定位夾具 5.校正加重夾緊夾具圖4 夾具安裝圖

2.4 平衡測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

采用雜波消除電路，數(shù)字跟蹤波器，F(xiàn)FT采用CPU對模擬輸出量進(jìn)行傅立葉解析，只取出振動波形的一次成分.取n次數(shù)據(jù)平均化電路去掉采進(jìn)的最大、最小值，對余下數(shù)據(jù)進(jìn)行均化后，進(jìn)行穩(wěn)定的演算，反復(fù)按國際標(biāo)準(zhǔn)對新機(jī)進(jìn)行檢驗，得到的技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 平衡測量系統(tǒng)性能指標(biāo)

測量系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng)，不同的測量和計算任務(wù)能夠同時并行處理，能處理外部組件不平衡，同時也能測量出內(nèi)部組件的不平衡量[14,15]；測量值數(shù)字化處理以進(jìn)行高精度測量；并對平衡工件修正前、后的不平衡量進(jìn)行SPC過程能力分析計算；測量系統(tǒng)中可以顯示振動量的實際值.

注：“最小可達(dá)剩余不平衡量”是動平衡機(jī)的通用精度指標(biāo)，單位為μm亦為g·mm/kg.而被平衡工件上的不平衡量的單位為g·mm.在固定校正半徑上，工件的不平衡量直接用g表達(dá).

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 動平衡實際測量結(jié)果比較

分別采用三種動平衡方法對某一型號產(chǎn)品進(jìn)行檢測，得到的測試結(jié)果見表2.檢測數(shù)據(jù)表明，單主軸測量法校正后的不平衡量一次減少合格率較低，主要是測量方法的局限性導(dǎo)致的，采用雙主軸對角測量法合格率達(dá)到80%.而雙向差速測量法通過校正后，可以使得不平衡量一次減少合格率穩(wěn)定性達(dá)到100%，效果最好.

表2 三種測試方式試驗結(jié)果

3.2 實車檢測[16]

將采用雙向差速測量法檢測的產(chǎn)品裝配到用戶的車輛上進(jìn)行3萬公里的實車檢測，試驗證明整車傳動系統(tǒng)的震動和零件磨損情況得到較大的改善，因此，雙向差速測量法是提高汽車變矩器動平衡精度非常有效的方法.

3.3 試驗分析

在試驗產(chǎn)品均合格的情況下，如“3.2實車檢測”所述雙向差速測量法比傳統(tǒng)平衡方式有明顯的改善，并且，從表1得出，新平衡機(jī)的精度指標(biāo)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足產(chǎn)品的平衡校正要求；但從表2中可以得出，前兩種模式一次校正合格率很低，需要進(jìn)行反復(fù)多次平衡校正.

這些問題剛好說明液力變矩器不同于一般剛性轉(zhuǎn)子，其存在外部組件與內(nèi)部組件不同軸、獨(dú)立運(yùn)行且由液體傳遞力矩；當(dāng)對其平衡校正時，內(nèi)部組件的狀態(tài)、相關(guān)位置、對外部組件沖擊、摩擦接觸面的潤滑狀態(tài)及潤滑液的多少均有關(guān)系；這些問題需要相關(guān)課題進(jìn)行大量研究，本文只對前敘三種模式進(jìn)行分析.

為此我們進(jìn)行了大量的實驗，其中最有說服力的實驗是，用同一個平衡校正好的變矩器，在三種模式下進(jìn)行長時間運(yùn)行測試，記錄下其不平衡量的大小隨時間的變化，如圖5～圖7所示.

設(shè)平衡主軸轉(zhuǎn)速: 800 r/min、付軸轉(zhuǎn)速: 400 r/min.記錄時間段為：運(yùn)行穩(wěn)定后40 s(平衡測量時間8 s).

圖5 單主軸測量不平衡量曲線

圖6 雙主軸對角測量不平衡量曲線

圖7 雙向差速測量不平衡量曲線

由圖5可知：單主軸測量下，不平衡量平均值為4.1 g，最大值為6.22 g， 偏離平均線2.12 g；說明測量結(jié)果不穩(wěn)定、不精確、平衡效率低，合格產(chǎn)品中一定大量存在誤檢.由圖6可知：與單主軸測量效果相似，僅好一點(diǎn).由圖7可知：雙向差速測量下，不平衡量平均值為2.35 g，最大值為2.77 g，偏離平均線0.42 g；說明測量結(jié)果穩(wěn)定可靠.該方法更接近產(chǎn)品實際工況，可以提高國產(chǎn)變速箱的產(chǎn)品質(zhì)量和壽命.綜上所述可以解釋實車檢測的結(jié)果，以及表2的記錄值含義.

4 結(jié)論

分析及實驗結(jié)果表明，對平衡設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，采用雙向差速測量法動平衡技術(shù)，對于提升我國液力變矩器的質(zhì)量有著重要的意義，并填補(bǔ)了國內(nèi)空白.

[1]李頂根.新型立式動平衡機(jī)的研制與工件動不平衡量的測量[D].武漢：華中科技大學(xué),2004.

[2]伶德純,黃文振.轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)(下)[J].機(jī)電一體化,2002,8(3):77-80.

[3]朱經(jīng)昌,魏宦官,鄭幕橋.車輛液力傳動[M].北京：國防工業(yè)出版社,2004.

[4]趙鼎鼎.高精度、高效率硬支承平衡機(jī)測量系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

[5]賓光富,姚劍飛,江志農(nóng),等.基于有限元模型的轉(zhuǎn)子動平衡影響系數(shù)求解法[J].振動.測試與診斷,2013,34(6):998-1 002,1 094.

[6]齊 偉,趙鼎鼎,蔡 萍.基于MUSIC算法的動不平衡信號提取方法研究[J].儀器儀表學(xué)報,2012,33(6):1 240-1 246.

[7]賈耀曾,崔鳳奎.諧波小波在動不平衡信號提取中的應(yīng)用[J].噪聲與振動控制,2009,29(1):65-68.

[8]劉 健,潘雙夏,楊克已,等.全自動動平衡機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,40(5):777-782.

[9]馬文星.液力傳動理論與設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[10]Tom Birch,Chuck Rockwood.汽車自動變速器與驅(qū)動橋[M].北京：中國勞動社會保障出版社,2008.

[11]徐向陽,劉艷芳,姬芬竹,等.自動變速器技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2011.

[12]劉 健,潘雙夏,楊克己,等.兩工位全自動動平衡機(jī)氣動系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動,2004,28(9):43-46.

[13]徐錫林.淺述我國平衡機(jī)的發(fā)展方向[J].試驗技術(shù)與試驗機(jī),2003,43(1):6,22.

[14]安勝利，楊黎明.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007

[15]鐘沈江.硬支撐動平衡機(jī)微機(jī)化測量系統(tǒng)的研究[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2003.

[16]楊國安.轉(zhuǎn)子動平衡實用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社,2012.