汽车变速箱试验台架结构毕业设计(含外文翻译） .doc

汽车变速箱试验台架结构设计 专业：学号：学生姓名：指导老师：中文摘要 本文介绍了汽车变速箱试验台架结构设计。侧重介绍了试验台的基本组成、各方案的比较、试验方法、机械手换档结构的设计等。 变速箱试验台是一个集机、电、液为一体的设备。试验台采用组合结构，其台架的机构部分主要包括：机座、驱动单元、机械手换档机构、被试变速器安装支架、数据采集处理和输出打印系统组成等部分组成。 汽车变速箱的性能试验评价是是汽车变速器研发过程的重要环节。变速箱综合性能试验台既可以对新型变速箱的设计定型进行考核也可以对定型变速箱出厂进行质量把关，即降低了研发成本、减少了人工劳动强度，也确保了试验的准确性。 本变速箱综合性能试验台可以对汽车变速箱的换档力、换档位移、运行可靠性、换档耐久寿命性能、变速箱同步器寿命等各方面性能进行检验,以保证变速箱质量的设备。 本文对换档机械手进行设计。机械手要求可以实现任意点的定位控制，可通过计算机对各档位位置信息的自动记录实现手工示教与自动再现，从而进行任意档位间的换档，这种换档机械手功能强，性能好，操作方便，适用范围广。本文介绍了一种新型气动式换档机械手的工作原理和设计方法。 本文中的变速箱试验台应用了计算机控制技术，对于我国自行开发和研制高性能变速箱具有十分重要的意义。关键词：变速箱试验台；同步器；换档机械手；定位控制Structural design of automotive gearbox test rigABSTRACTWhat introduced in the article is the design of mechanical part for transmission test bench.Transmission test bench is an integrated equipment of mechanical，electric and hydraulic technologies. The mechanical part of the bench is composed of the base, the drive part, pneumatic shift manipulator, the mounting bracket of tested transmission, date acquisition and processing and the output printing system.The performance test evaluation of transmission is a important process of transmission R&D. Transmission test bench can not only assess the design of new transmission, but also make sure the quality of transmission, reduce development cost, ensure the accuracy of the test. Transmission test bench can test the transfer efficiency, shift force, shift displacement, shift performance and the life of synchronizer.Nowadays, there are two types of shift manipulator: hydraulic pressure drive and atmospheric pressure drive in our country, but many original types of equipment have lots of problems, such as simple function, adjustment difficulties, poor ability to adapt and low degree of automation.So we need to re-design the shift manipulator. This article introduces the working principle and design method of a new pneumatic shift manipulator.Computer control technology is applied in the transmission test bench which has a extremely significance to develop our own high performance transmission.Key words: Transmission test bench；Synchronizer；Shift manipulator；Positioning control.目录第一章 绪论11.1 课题背景及项目意义11.2 国内外相关领域现状21.2.1 国外相关领域现状21.2.2 国内相关领域现状31.3 设计主要内容51.4 设计要求及预期目的61.4.1 设计要求61.4.2 预期目的61.5 存在的主要问题和技术关键7第二章 同步器的结构与工作原理82.1 同步器的作用82.2 同步器的结构及种类82.2.1 同步器的主要型式82.2.2 同步器工作原理9第三章 变速箱试验台架总体方案设计.133.1 汽车变速箱同步器试验要求133.2 试验台的方案分析133.2.1 变速箱驱动力动力源选取133.2.2 驱动电机的选取143.2.3 换档机械手驱动方式的选取153.2.4 升速装置的选取173.2.5 惯性轮的设计173.3 试验台的结构及组成183.3.1 试验台的机械部分183.3.2 试验台的控制部分203.4 变速箱性能测试试验213.4.1 R5M23A变速器总成选换档性能试验213.4.2 换档耐久性试验22第四章 换档机械手的设计. .264.1 换档机械手概述264.2 气动控制系统的设计274.3 选档运动控制284.4 气缸锁紧原理294.5 气缸定位的控制30结束语34致谢35参考文献.36附录.38第一章 绪论1.1 课题背景及项目意义 当今社会，汽车已成为日常生活中不可缺少的一种交通工具，在发达国家，汽车的普及率已达到了很高的程度。以美国为例，每个家庭平均拥有各种汽车2至3辆。我国的汽车人均拥有量远远低于发达国家水平。而随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对汽车的需求量也会逐渐增大。正是由于我国巨大的市场和汽车工业对国民经济的巨大推动作用，汽车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一。提高我国汽车行业自主研发和自主创新的能力是我国汽车工业在“十一五”期间将重点解决的问题之一。但是，在整车及零部件开发、性能测试等领域，国内水平与国际汽车工业先进水平相比，尚有很大差距。并且近年来，国外大量技术含量高、结构新的汽车整车及零部件试验系统已进入中国市场，为了提高国产汽车试验设备的国际竞争力，急需加快这方面的开发力度。21世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业。为了控制汽车产品质量，提高汽车品质，势必对其总成及零部件提出更高更严格的要求。 变速器是汽车传动系中一个重要总成。汽车变速器是一套用于来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置，用于发挥发动机的最佳性能。变速器可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不同的变速比，通过换档可以使发动机工作在其最佳的动力性能状态下。变速器的发展趋势是越来越复杂，自动化程度也越来越高，自动变速器将是未来的主流。同步器是汽车变速器的重要部件，主要用于汽车行驶中平稳变速换档，操纵轻便灵活，消除冲击噪音和降低汽车油耗。同时，防止变速箱齿轮的损坏，直接影响变速器寿命。因此，研制先进的同步器试验系统，对提高汽车试验技术有着重要意义12。同时，汽车是一个由许多种零部件组成的复杂的机械系统。对于产品开发所需的许多技术资料，目前尚不能通过理论计算得到，只能通过试验，因此有人说“汽车是试验出来的”。国外汽车工业由于发展时间较长，且对试验检测工作十分重视，在资金上给予了巨大的投入，一般都有较为齐全的试验装备。再加上严格管理和精良的加工设备，与国内形成了较大的差距。所以，我国汽车厂必须加大对试验检测设备的投入，才能大大缩短同国外同类厂家在试验手段上的差距，有利于我国汽车产品在国内外的竞争能力3。 目前，同步器的型式主要有常压式、惯性式和自动增力式三种，其中以惯性式同步器的应用最为广泛4。 汽车变速箱同步器试验系统是一套专门对汽车同步器换档结合时的冲击和噪声、换档平顺性、同步器寿命、润滑剂摩擦系数等进行测试的试验设备5，它可以实时准确测得换档过程中同步器的各项参数，实现对同步器性能和所使用润滑剂性能的评价，同时在一系列对比性要求严格的试验过程中消除人为因素的影响，提高试验质量和效率。1.2 国内外相关领域现状 变速箱同步器是汽车中的一个重要总成。变速箱同步器性能和寿命试验是汽车机械式变速器台架试验的重要项目，该试验台是汽车厂底盘试验室的主要试验设备，在汽车的试验设备中具有重要的地位。国内外都在加紧对该领域的研发和创新。1.2.1 国外相关领域现状 国外对汽车性能研究的起步较早，对同步器的研究也早已取得了很大进展。其现在的研究重点在于：优化成本；提高功率；减小换档力；改善换档舒适性：减小同步器的宽度，因为其宽度直接影响变速箱的长度。正是由于对同步器研究的快速发展导致了一批具有很强研发能力的厂家为汽车同步器制造厂商生产相关的试验系统以满足同步器制造厂商对自己所生产同步器的测试要求。目前，日本的Automax，法国的BIA，德国的Renk等公司均在进行汽车变速箱同步器试验系统的研究，并取得了显著的成果6 。图1-1为日本Automax公司的同步器试验台，图1-2为德国Renk公司生产的变速箱同步器试验台。图1-1 日本Automax公司的同步器试验台侧视图图1-2 德国Renk公司的同步器试验台侧视图他们现在的研究重点在于：优化成本；提高功率；减小换档力；改善换档舒适性：减小同步器的宽度。 这些试验台有很多的相似性7，如下所示： (1) 均由换档机械手、试验台主体和测控系统组成，其中。换档机械手的驱动方式分为气压驱动和液压驱动两种：试验台主体主要由变频电机、惯性轮、传动机构和被测变速箱试验箱组成。 (2) 采集的信号主要由换档力、一轴转速、二轴转速和同步扭矩等组成。通过这些信号的分析即可得到同步器性能的优劣。1.2.2 国内相关领域现状 我国同步器生产厂家的技术比较落后，还处于对国外引进技术的消化阶段。还没有完全的自主创新能力8，这就使得同步器生产厂家对试验手段并不是很重视，也就导致了我国汽车变速箱同步器试验台的研究还处于相对水平较低的状态。而这结果也对同步器的研究起到了一定的阻碍作用，使得汽车同步器发展比较缓慢。目前我国一些研究机构开展了汽车变速箱同步器试验系统的理论研究和试验研究。大体上汽车变速箱同步器试验系统主要由机械、电气和计算机控制三大部分构成。其中机械部分主要为试验台台架及操作部件9。人们针对不同的试验设备制造各自的机械部分。驱动部分主要有液压或气压两种执行方式。 在关于电气部分，有些人利用单片机的操作简单、稳定性高及成本低的特点执行电气控制部分。但是由于变速箱同步器试验系统的要求精确、运行复杂仅依靠单片机控制已经不能满足试验的需要。现在越来越多的采用计算机测控系统。通过模块化设计的基础，由主机、通讯控制器及功能子系统构成，可以完成自动控制、信号测量、信号发送、参数预置、工况设定、数据录入、自动报表、绘制曲线等功能。 虽然我国已经有了自己生产的汽车变速箱同步器试验系统，但是这与世界先进水平还存在着一定的差距，需要不断的完善本身质量及功能以满足同步器制造商的要求。目前，国内只有一些高校和极少的公司企业在对汽车变速箱同步器试验系统进行开发。对试验系统研究得较为透彻并生产出实际产品的包括东南大学等高校和湘仪动力测试仪器有限公司，北京太工天成测控技术有限公司等企业。图1-3为东南大学汽车工程学院生产的同步器试验台。图1-3 东南大学的同步器试验台1.3 设计主要内容 本次设计内容为一变速箱试验台，试验台用于对汽车变速箱同步器各项性能的检测和评价，模拟真实使用下变速箱的运行状态，包括对变速箱转速、扭矩、油温、疲劳寿命的检测。包括基本台架的设计、换档机构的设计、各种器件的选材和位置布局等等。1.3.1 变速箱试验台测控系统总体框架的设计 变速箱试验台测控系统包括变速箱试验台和测控系统。 本文侧重介绍变速箱试验台的设计10，包括试验台的尺寸设计、各器件的布置位置、各器件参数的选取、变速箱的装夹、换档机械手等等。图1-4 变速箱试验台测控系统总体框架1.3.2 新型气动式换档机械手的设计新型气动式换档机械手的设计11，本试验采用的自动换档机械手采用气压驱动，可以实现任意点的定位控制，通过计算机对各档位位置信息的自动记录实现手工示教与自动再现，从而进行任意档位间的换档。1.3.3 测控系统的设计12 变速箱试验台的测控系统包括硬件(控制柜、电涡流测功机、电动机、传感器及仪表)和软件两部分。 (1) 对变速箱试验台计算机测控系统的结构、工作原理及性能作了分析，明确系统开发的目标和具体内容，为测控系统的开发奠定了良好的基础。 (2) 实现对换/退档力、换/退档时间、油温、转速、扭矩等变速箱同步器性能指标的采集、记录与调节。 (3) 分析了测控系统控制软件的具体特点，阐明系统软件的结构合理性和切实可行性。并提出系统软件的设计方案，说明这一技术的具体实施情况。 (4) 就系统软件编制中的关键技术和实现方法，进行深入的探讨。1.4 设计要求及预期目的1.4.1 设计要求 根据我国汽车行业标准，本课题要设计出变速器总成试验台，可完成变速器寿命及性能试验。 具体要求如下： (1) 试验台可对变速器试验样品进行寿命及性能试验； (2) 针对力及扭矩、转速、位移、温度等参数，试验台可分别对以上参数进行检测； (3) 进行换档耐久寿命性能试验； (4) 变速器磨合试验。1.4.2 预期目的 使所设计的汽车变速箱同步器试验台能够真实的反映变速器在汽车正常运行时的工作状态，可以实时准确测得换档过程中同步器的各项参数，实现对同步器性能和所使用润滑剂性能的评价，同时在一系列对比性要求严格的试验过程中消除人为因素的影响，提高试验质量和效率。使试验台可以应用于的质量鉴定、产品开发和科学研究。换档机械于要模拟驾驶员的换档特性以真实复现换档的实际工况9，这就要求机械手在换档过程中，不仅要能实现快速准确的换档定位，而且动作应具有人肌肉的弹性和柔顺性。1.5 存在的主要问题和技术关键 大部分仍然沿用传统的变速箱试验台架13，致使调节精度不高、测量误差大、计算精度低，而且浪费人力，功能不易扩展。如果投资更新设备，必将使原有设备淘汰，这会造成很大的浪费。1.5.1 自动换档机构存在的问题14 目前，国内的换档机构有液压驱动与气压驱动二种类型，但原有的这些装置功能都比较简单，一般只能作直线往复试验，依靠机械止档进行定位。有的液压换档机构虽然能进行任意档位间的换档，但也是设计专用的中点定位油缸，二端靠调节螺母进行定位，这种装置调整困难、适应能力差、自动化程度低。国外的自动换档机构一般也采用气动或 液压，但大多采用液压伺服控制或气动比倒阀控制，这样构成的换档机械手虽然功能强、性能好，但造价高，使用与维护的要求也比较高 。1.5.2 驱动电机的选取问题 过去某些企业使用老式同步器试验台，如桑塔纳变速器同步器性能与寿命试验台，它的驱动电机为老式的励磁调速电机，体积庞大，而且调速不精确。这就要求我们选用新的调速方案来取代传统的机械调速和直流调速方案。1.5.3 其他问题 很多老式同步器试验台只能对某种特定的变速箱进行测试，而随着变速箱品种逐渐增多，变速箱性能试验也随之增大，故老式试验台无法满足现在的测试需要。因此需将试验台进行改造成能进行多品种变速箱的试验台。第二章 同步器的结构与工作原理2.1 同步器的作用 变速器是汽车传动系中一个重要总成。同步器是汽车变速器的重要部件主要用于汽车行驶中平稳变速换档，操纵轻便灵活，消除冲击噪音和降低汽车油耗。同时，防止变速箱齿轮的损坏，直接影响变速器寿命。 由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时合存在一个"同步"问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此，旧式变速器的换档要采用"两脚离合"的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。因此设计师创造出"同步器"，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合15。 相邻档位相互转换时，应该采取不同操作步骤的道理同样适用于移动齿轮换档的情况，只是前者的待接合齿圈与接合套的转动角速度要求一致，而后者的待接合齿轮啮合点的线速度要求一致，但所依据的速度分析原理是一样的。 变速器的换档操作，尤其是从高档向低档的换档操作比较复杂，而且很容易产生轮齿或花键齿间的冲击。为了简化操作，并避免齿间冲击，可以在换档装置中设置同步器。 惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。2.2 同步器的结构及种类2.2.1 同步器的主要型式 同步器的主要类型有惯性式、常压式和自行增力式三种16： (1) 常压式同步器：是一种早期开发的同步器。特点是结构简单，但不能保证被啮合件在同步状态（即角速度相等）下实现换档。也就是说常压式同步器不 能从根本上解决换档时的啮合冲问题，所以这种同步器目前已被淘汰。 (2) 惯性式同步器：惯性式同步器依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免齿间冲击。由于惯性式同步器能够确保同步啮合换档，目前得到广泛应用。 (3) 自行增力式同步器：又称“波尔舍”（Porsehe)同步器。由于这种同步器对材料、热处理及制造精度均有较高要求，目前在国内采用较少。 惯性式同步器的应用最为广泛。惯性式同步器又包括：锁环式惯性同步器、锁销式惯性同步器、锁环式多锥惯性同步器。 惯性式同步器的特点及应用：惯性式同步器又分为锁环式、锁销式、多锥式等多种形式，他们虽然结构有所差别，但工作原理是一样的，都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。挂档时在轴向力作用下摩擦元件相靠，在惯性力矩作用下产生摩擦力矩，使被结合的两部分逐渐同步；锁止元件用于阻止同步前强行挂档：弹性元件使啮合套等在空档时保持中间位置，又不妨碍整个接合和分离过程。下面介绍其各自的特点： (1) 锁环式同步器：工作可靠、耐用，摩擦锥面半径受限，转矩容量不大：适用于轻型及以下汽车，广泛用于轿车及轻型客、货汽车。 (2) 锁销式惯性同步器：与锁环式类似，但锁止元件是3个锁销及相配的锁销孔倒角另有3个以弹簧及钢球定位的定位销。摩擦元件是铆在锁销两端的同步锥环。摩擦锥面径向尺寸大，转矩容量大，广泛用于中、重型汽车上。 (3) 锁环式多锥惯性同步器：在锁环式两个锥面间插入两个辅助同步锥，锥表面的有效摩擦面积成倍增加，同步转矩相应增加，减小换档力或缩短换档时间。多用于低速档和重型货车的主、副变速器以及分动器中。2.2.2 同步器工作原理 现以锁环式同步器为例来说明同步器的工作原理17： (1)锁环式惯性同步器的构造：图2-1 锁环式同步器的构造 1) 花键毂：花键毂轴向固定：并与齿圈、锁环具有相同花键齿。 2） 接合套：用于连接花键毂、同步环、啮合齿圈，并与齿圈、锁环具有相同的花键齿。 3） 同步环（锁环）：锁环的倒角与接合套的倒角相同，锁环具有内锥面，其上有螺旋槽，以便两锥面接触后，破坏油膜，增加锥面间摩擦。 4） 滑块：装于花键毂三轴向槽内带定位销以便空档定位，两端伸入两锁环的三缺口 。 5） 卡环：在卡环的作用下，滑块压向接合套，使其凸起的端部球面正好嵌在接合套中部的凹槽内，起到空档定位作用。 (2) 工作原理： 接合套带动滑块推动两锥面相靠锥面产生摩擦力矩同步环转动一个角度锁止面起作用阻止同步器齿套前移实现同步同步环等回转一个角度进入接合齿，完成换档。 (3) 具体工作过程： 1）换档杆通过拨叉拨动同步器齿套，同步器齿套通过滑块槽带动由弹簧压紧的滑块一起推动同步环压向齿轮的同步锥面，如图2-2所示。图2-2 P-换档力 2）由于换档力P的作用和转速差的存在，两同步锥面一经接触即会产生摩擦力矩Mf，并使同步环相对同步器齿套转动一个角度，如图2-3所示。图2-3 JC-输入端一轴和离合器从动片等零件的转动惯量MC-离合器阻力矩 C-输入端角速度 Mf-同步环摩擦力矩Mv-汽车行驶阻力矩 v-输出端角速度 Jv-输出端转动惯量 3）在力P的作用下，在同步锥面上可形成一正压力。由于两锥面存在有转速差，所以可在这正压力作用下锥面上产生摩擦力矩。力T形成一拨环力矩，力图使同步环反转而脱离齿套齿端锁止斜面，但同步环锥面上的摩擦力矩却阻止同步环反转。只要在结构设计上保证摩擦力矩大于拨环力矩，使两个锁止斜面始终靠紧，从而可阻止齿套移动。这一作用称为“锁止作用”。如图2-4所示。 图2-4 4 ）随着换档力P的不断增大，同步锥面上的摩擦力矩Mf亦不断增加。当摩擦力矩Mf增加到等于输入端的惯性矩时，被连接的两啮合件的角速度相等，摩擦力矩Mf为零，从而实现同步。 5）在力P的继续作用下，所产生的拨叉力矩将使同步环转动一角度，从而使两锁止斜面脱开，此时同步器齿套即可自由的通过同步环与齿轮上的结合齿啮合。如图2-5所示。 图2-5 6）进入结合齿，实现换档。 第三章 变速箱试验台架总体方案设计3.1 汽车变速箱同步器试验要求 JB398785汽车机械式变速器台架试验方法标准中规定有关同步器性能和寿命的台架试验方法如下：变速箱输出轴(二轴)采用电机驱动模拟实际汽车行驶速度，二轴上安装惯性飞轮模拟汽车的行驶惯量；变速箱输入轴(一轴)安装所匹配的离合器从动盘总成作为同步部分惯量；自动换档机构复现驾驶员换档动作，换档速度和换档力量要求精确可调。在换档过程中实时采集换档力、同步扭矩、一轴转速、二轴转速、挂档位移等信号。根据这些特征参数对同步器性能进行评价。在汽车运行工况下，汽车的行驶惯量和变速箱同步惯量相比可认为是无限大，因此在换档同步过程中，车轮的转速没有变化。为保证试验是在符合汽车运行的工况下运行，就必须要求换档过程中调速系统稳速运行，由此通过准确测量换档过程中同步器的各项特征参数进行性能分析和寿命评价，否则将严重影响这些参数的真实性。在试验换档过程中同步器摩擦锥面接触，在换档力的作用下产生摩擦力矩，由此力矩的作用使得二轴和一轴转速趋于一致，在两者转速相同的瞬间，同步过程结束，摩擦力矩消失，同步摩擦力矩的产生和消失是同步阶段试验使得驱动电机转速变化的主要原因。因此二轴驱动电机和惯性飞轮在同步过程中的稳速性能对同步器的性能试验中具有重要意义，是同步器试验台的重要评价指标18。3.2 试验台的方案分析3.2.1 试验台技术要求试验台要求可对格特拉克公司N800、452AMT和R5M23A变速器进行测试。试验台需对换档力、换档位移、换档时间等参数进行检测。这些变速器均为五档手动变速箱，本试验台设计用于输入功率在600kW以下，输入转矩在3000NM、输入转速在3600r/min以内，输出转矩在8500NM、输出转速在3000r/min以内的变速箱。 试验台需完成R5M23A变速器总成选换档性能试验、动态换档试验等试验。3.2.2 变速箱驱动力动力源和驱动电机的选取 试验台需要选取合适的驱动力来驱动变速箱的运转，常见的驱动源主要由两种发动机和电动机。下面简要说明其各自的优缺点19： 如果选取功率大于或等于车辆实际发动机的最大功率、最大扭矩、最大转速的发动机为动力源，更接近车辆以发动机为动力源的实际，可以更好的对变速箱的实际使用情况进行模拟，对变速箱的扭矩传递能力、液压系统对实际使用情况的反应和工作状态更接近实际使用情况。从而得到的试验数据更精确、更具有说服力。但用发动机作动力源也有其缺点，比如发动机工作时噪音大，对试验环境产生排放和噪声污染；发动机也不便调节到试验要求的稳定扭矩和转速；若用装载机自身的计算机控制系统，可以按实际控制要求进行控制，但要多次拆装计算机控制系统，安装和调试都不方便，而且选取此方案对工作人员的技术要求较高，不利于试验台的广泛推广和应用。试验过程中要对不同的变速箱进行测试，频繁的更换变速箱，这就要求发动机的不断起动和停止，不利于发动机的稳定工作，而且会对发动机造成一定程度的损坏，不利于试验的正常进行。 选取电动机为动力源，有占地面积小、无污染、噪音小、起停方便、易于把电动机调节到合适的转速等要求。变速箱在工作过程中依靠转速驱动油泵调节主供油压，再用储压器、调压阀等调节系统油压，整个液压系统的压力与发动机扭矩的关系不密切，变速箱换档过程的实现是依靠各液压气压元件的协调工作。而利用电动估计作为动力源，有助于对液压元件的测试，与选取发动机作为动力源相比，装载机本身带有的计算机系统进行控制与实际工作情况有一定的差别，但可以采取适当的控制方法来弥补。故选取电动机作为动力源。 老式同步器试验台，如桑塔纳变速器同步器性能与寿命试验台，它的驱动电机为老式的励磁调速电机，体积庞大，而且调速不精确。而近期开发的同步器试验台大多采用了先进的变频电机，体积小，而且调速精确。变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，使机械自动化程度和生产效率大为提高设备小型化、增加舒适性，目前正取代传统的机械调速和直流调速方案。变频电机优点：1、具备有启动功能；2、采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值；3、适应不同工况条件下的频繁变速；4、在一定程度上节能。变频调速目前已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。 故选用变频电机作为驱动电机20。3.2.3 换档机械手驱动方式的选取 按照国家标准的要求，在同步器试验寿命试验中，每个档位至少需要换档十万次，同步器方为合格。换档机械于要模拟驾驶员的换档特性以真实复现换档的实际工况，这就要求机械手在换档过程中，不仅要能实现快速准确的换档定位，而且动作应具有人肌肉的弹性和柔顺性。机械手的不同驱动方式，会产生不同形状的换档力曲线，进而直接影响同步器锥面产生的同步扭矩。不合适的换档力或是造成同步时问过长，加快了啮合件的磨损，或是产生强迫换档，引起锥面磨擦副变形，降低同步器寿命，因此换档机械手驱动方式的选择非常重要21。目前，换档机构有一下几种：1）纯机械换档，如摇杆或偏心机构；2 ) 步进电机加摇杆机构；3 ) 机器人换档；4 ) 气动换档；5 ) 液压换档。上述换档机构都有实际应用。但由于纯机械换档过于生硬，与实际操作差距太大，因此目前在试验台上已很少使用。而步进电机和机器人换档是高新技术的产物，由于其代价昂贵，对于连续换档的经济性和可靠性均有一定的局限性，仅用于变速器总成试验台或底盘传动系等的大型试验台。目前使用最多的是气动换档和液压换档。 不同驱动方式换档力曲线比较如下图所示：a)人工换档力曲线；b)电动换档力曲线；c)液压换档力曲线；d)气动换档力曲线。图3-1 从图中可以看出，液压换档力曲线及气动换档力曲线与人工换档力曲线均极为相似，故大部分试验系统都回选择液压机械手或气动机械手来模拟驾驶员的换档动作。 (1) 液压传动的优缺点22： 1） 优点： 单位质量输出功率大。与电气执行元件相比，液压传动在同等输出功率下具 有体积小，质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。 易实现直线运动，传动运动平稳，易实现快速启动、制动和频繁换向。 可以在运行过程中实现大范围的无极调速，调速范围可达2000：1。 操作省力、控制方便，易实现自动控制、中远程控制、很容易实现过载保护。 气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度高，有利于缩短主机的设计和制造周期，降低主机的制造成本。 2） 缺点： 液压传动在工作过程中能量需经两次转换，因此效率偏低。 由于液压介质的可压缩性和泄露等因素影响，难保证严格的传动比。 液压传动的性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基作为传动介质时还需注意防火问题。 液压元件制造精度高。 液压系统的故障大部分还不能用仪器检测，靠经验和理论分析来解决，因此不易诊断。 (2) 气压传动的优缺点： 1） 优点： 工作介质是空气，不需要购买、贮存和运输费用；不存在介质变质、补充和更换等问题，维护简单；用后的压缩空气可直接排入大气，不必回收；排气和泄露不会像液压油一样对环境造成污染。 空气粘度很小，约为液压油的万分之一，因此流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，管路不易堵塞。 比液压传动反应快，动作迅速。 元件结构简单，制造容易，易于标准化、系列化、通用化。 对工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆，辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性高于液压、电子和电气系统。 空气可压缩，不仅使气动系统过载保护好，还可以有意在贮气罐中压缩贮存能量，以备急用。 排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行无过热。 2） 缺点： 因为空气可压缩，所以载荷变化时，气动系统的动作稳定性差。 工作压力较低（一般小于等于0.7MPa），结构尺寸也不宜过大，因而输出功率小。 排气噪声大，需要消声装置。 有的液压换档机构虽然能进行任意档位间的换档，但也是设计专用的中点定位油缸， 二端掌调节螺母进行定位，这种装置调整困难、适应能力差、自动化程度低 。 此外气压传动比液压传动反应快、动作迅速；元件结构简单、制造容易，费用成本低；对工作环境适应性更强且气动设备可自动降温，长期运行无过热。 综上所述换档机械手驱动方式的选取气动换档。3.2.4 升速装置的选取 由于一般电机额定转速比较低，而试验要求的转速都较高，所以设计人员都会在驱动电机后增加一个升速装置，例如调速箱。桑塔纳同步器试验台是由两个皮带轮进行升速的。缺点是占地面积大，台架高速运行时噪音大，而且改变传动速比时操作比较麻烦。而近期开发的同步器试验台都没有采用这种升速方式，而改用了齿轮箱进行升速。这样的结果是试验台的体积小，高速运行时噪音也小，而且改变传动速比时操作简单。 故选用齿轮箱进行升速。3.2.5 惯性轮的设计 惯性飞轮的设置是模拟汽车在行驶过程中的惯性，即变速器换档瞬时，变速器输出轴至驱动桥、差速器、半轴、车轮等汽车传动系统所具有的转动惯量惯性，而避免了变速器在试验台上换档时输出轴失速过快而与实际情况差异太大。为了使本试验台能适应与变速器同类型的其他型号变速器试验，惯性飞轮能模拟不同的汽车传动系统转动惯量，设计了可调的惯性飞轮装置。由4个转动惯量为 L=1 0 k g m2 的飞轮块串联而成，可任意组合。.3.3 试验台的结构及组成 本试验台用于检测格特拉克公司生产的N800、452AMT和R5M23A变速器。该试验台设计用于输入功率在600kW以下，输入转矩在3000NM、输入转速在3600r/min以内，输出转矩在8500NM、输出转速在3000r/min以内的变速箱。汽车变速箱试验台由机械部分和控制部分两大部分组成。图3-2 系统结构框图3.3.1 试验台的机械部分 试验台的机械部分主要由基础平台（机座）、驱动单元、机械手换档机构、被试变速器安装支架、控制仪器支架、润滑油温控制系统等组成23。如图3-3所示。 （1）基础台架：基础台架的材料为铸铁，用于固定驱动电机、变速器安装支架等等。 （2）驱动电机：驱动电机采用变频电机，同步器试验台采用交流变频电机模拟换档机械手换档过程中汽车速度的变化。变频电机体积小，而且可以精确的调速。选用ABB电机，额定电压AC690V，额定功率为620kW，额定转速为2251r/min，额定功率37.9Hz，最高转速3600r/min。 （3）升速箱：一般电机额定转速比较低，而试验要求的转速都较高，所以需在驱动电机后增加一个升速装置。升速箱的作用是增大输入转速的范围，一般三相异步电机的额定转速为一千到两千转左右，而试验要求的转速有时会达到三千到四千转甚至更高。选用齿轮箱升速，可使试验台体积小，高速运行噪音