新能源汽車減速器殼體變形測試系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

摘" 要：目前，關(guān)于新能源減速器殼體變形的研究大多集中在理論與仿真計算領(lǐng)域，缺乏有效的試驗驗證手段，因此需設(shè)計出一套殼體變形測試系統(tǒng)與配套試驗方法體系，以標定殼體變形仿真計算結(jié)果與校核殼體實際強度。該文基于殼體變形測量原理，提出測試系統(tǒng)整體設(shè)計方案，并設(shè)計開發(fā)出配套殼體變形測試軟件，最后采用殼體變形測試系統(tǒng)在某型新能源減速器上進行殼體變形試驗驗證，成功驗證此測試系統(tǒng)功能性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車減速器；殼體變形；測試系統(tǒng)；試驗驗證；仿真計算

中圖分類號：TP393" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00１１-0５

Abstract： At present， the research on shell deformation of new energy reducer is mostly focused on the field of theory and simulation calculation， and there is a lack of effective test means， so it is necessary to design a set of shell deformation testing system and matching test method system， so as to calibrate the simulation results of shell deformation and check the actual strength of the shell. In this paper， based on the principle of shell deformation measurement， the overall design scheme of the test system is put forward， and the matching shell deformation testing software is designed and developed. Finally， the shell deformation test system is used to verify the shell deformation test on a certain type of new energy reducer， and the functionality of the test system is verified successfully.

Keywords： new energy vehicle reducer; shell deformation; test system; test verification; simulation calculation

減速器作為傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，對保證動力順利傳輸起到關(guān)鍵作用，其殼體起到支撐、保護內(nèi)部零件等作用。一旦殼體強度不足，將嚴重影響減速器的正常工作，甚至導(dǎo)致車輛的基本行駛功能喪失。而由于新能源汽車減速器“輕量化”發(fā)展策略，新能源減速器殼體厚度、質(zhì)量不斷降低，強度也受到影響，減速器殼體變形量是評價新能源減速器殼體強度的重要指標，同時殼體變形也與減速器NVH性能等指標息息相關(guān)[1]。為探究新能源減速器殼體強度變化規(guī)律，大量學(xué)者對此進行了深入研究。于蓬等[2]考慮軸承受力等因素建立了減速器振動特性仿真分析模型，利用該模型探究了殼體表面振動情況。袁勃等[3]基于CAE仿真分析結(jié)合殼體拉、壓應(yīng)力分析，建立了新能源減速器殼體仿真模型，探究殼體模態(tài)振動頻率。馬銀生等[4]基于對殼體結(jié)構(gòu)的受力分析，建立一體化的有限元模型探究殼體的強度和變形位移。張廣杰等[5]利用有限元分析建立分析模型，得到減速器各軸承節(jié)點處殼體受力分析。上述學(xué)者雖針對新能源減速器變形理論及仿真計算進行了深入研究，但未進行試驗驗證，缺乏試驗數(shù)據(jù)支撐導(dǎo)致仿真結(jié)果準確性難以保障。

基于此，筆者探究變形測試原理，據(jù)此對新能源減速器殼體變形測試系統(tǒng)整體方案進行規(guī)劃設(shè)計，并設(shè)計開發(fā)出由模塊化的直線位移傳感器與自主開發(fā)殼體變形試驗檢測軟件構(gòu)成的新能源減速器殼體變形測試系統(tǒng)。接著基于某款新能源減速器開展了新能源減速器殼體變形仿真與試驗的驗證，在試驗臺上還原仿真計算對應(yīng)的扭矩試驗工況，并采集、對比及分析了對應(yīng)工況下的殼體變形試驗數(shù)據(jù)。試驗成功驗證了新能源減速器殼體變形測試系統(tǒng)各方面性能，同時測試結(jié)果也展現(xiàn)了殼體變形試驗與仿真分析結(jié)果間的差異。

1" 殼體變形測試原理

1.1" 殼體變形原理

新能源減速器殼體變形的定義是，新能源減速器在受到一定的載荷情況下，殼體產(chǎn)生的變形量[6]。

隨著減速器運行載荷的增加，齒輪傳遞給軸的徑向力增大。對輸入軸、中間軸、差速器輸出軸進行受力分析，可得各軸對其左右軸承的軸向力Fa和徑向力Fr通過對各軸的軸向徑向力分析，可以得到各軸對應(yīng)軸承的軸向力Faz和徑向力Frz的表達形式，計算可得作用在主動錐齒輪齒面上的軸向力Faz和徑向力Frz[7]。

式中：FT為齒寬中點軸向力，可分解成為軸向力FN和徑向力Ff兩個相互垂直的力；FS為徑向力Ff沿節(jié)圓錐線方向的分力；α為法向壓力角；β為斜齒輪螺旋角；γ為從動齒輪的節(jié)圓錐角。

各錐齒輪齒面上的軸向、徑向力經(jīng)傳動軸傳遞到軸上左右軸承處。而軸承與殼體間為過盈配合，主減速器殼體分別與左右軸承外圈進行過盈配合，裝配之后，主減速器殼體與軸承外圈將共同承受預(yù)緊力F的作用。設(shè)軸承外圈受力均勻，根據(jù)力學(xué)平衡方程有以下關(guān)系[8]

式中：P為軸承外圈載荷；S為軸承外圈內(nèi)側(cè)的面積；α為軸承接觸角。

軸承外圈載荷作用在減速器殼體上，殼體在空間中受到軸承力（圖1）發(fā)生位移進而引發(fā)殼體變形。

1.2" 變形測試原理

根據(jù)減速器殼體變形的基本原理，減速器軸承處受力往往是引起殼體變形的重要因素。因此需在減速器的各軸軸承處布置高精度的指針位移傳感器，分別布置在減速器輸入軸、中間軸、差速器輸出軸的左右軸承處，采集該軸承處殼體的軸向和徑向位移，使用采集結(jié)束時的位移減去初始位移得到殼體變形量，計算公式如下[9]

其中：x、xr分別為采集結(jié)束時的軸向和徑向的殼體變形位移，單位是mm；xa0、xr0分別為采集初的軸向和徑向殼體變形位移。

傳感器測試完成再通過通訊模塊和供電模塊，將傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y試電腦中，利用測試軟件進行數(shù)據(jù)分析，完成減速器殼體變形的測試，測試原理如圖2所示。

2" 殼體變形測試系統(tǒng)整體設(shè)計方案

減速器殼體變形測試系統(tǒng)的功能是采集減速器變形位移并將其轉(zhuǎn)換成隨時間變化的動態(tài)位移量并顯示在測試系統(tǒng)軟件界面上，直觀地觀察殼體變形情況。

減速器殼體變形測試系統(tǒng)主要分為測試硬件和測試軟件兩大子系統(tǒng)，如圖3所示。測試系統(tǒng)硬件主要由采集、供電、通訊及終端4個模塊組成，分別負責(zé)減速器殼體變形的初步采集，為整個測試系統(tǒng)供電及連接傳感器與測試。測試系統(tǒng)的軟件按功能可分為參數(shù)配置、試驗測試、數(shù)據(jù)管理3個板塊，分別負責(zé)采集前的傳感器和文件配置，測試實時值顯示及測試數(shù)據(jù)的回放。

3" 測試系統(tǒng)硬件組成

由圖3測試系統(tǒng)組成可知，測試的硬件系統(tǒng)主要功能是采集殼體變形信號并與采集電腦相連。因此，減速器殼體變形測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要分為采集模塊、通訊模塊、供電模塊和測試終端模塊（電腦）四大模塊，測試系統(tǒng)所用硬件選型如下。

3.1" 傳感器采集模塊

位移傳感器用以采集新能源減速器殼體變形量，選用的是SOLARTRON DP系列高精度位移傳感器（圖4），該傳感器采用模塊化設(shè)計，具備采集精度高，操作便捷且適用范圍廣等特點。該傳感器參數(shù)見表1。

3.2" 供電模塊

供電模塊（圖5）用以給所有傳感器模塊和通訊模塊供電，保證測試的正常運行。變形測試系統(tǒng)采用SOLARTRON PSIM系列供電模塊，電源接口的輸出電壓為5.1 V，供電范圍在90～264 V，能滿足至多30個模塊的同時供電需求。

3.3" 通訊模塊

通訊模塊是通過以太網(wǎng)來連接傳感器與測試終端，保障測試信號的穩(wěn)定傳遞。筆者采用SOLARTRON ETHIM 2.0的以太網(wǎng)軌道接口模塊（圖6），其數(shù)據(jù)讀取速率為10/100 MBps，適用于各類測量模式。

3.4" 測試電腦

測試電腦用以顯示采集的變形信號同時可進行測試數(shù)據(jù)的處理。筆者選用安裝正版Windows10，運行內(nèi)存大于等于8 GB，硬盤容量大于等于512 GB，安裝C#且可滿足工業(yè)測試環(huán)境要求的電腦，如圖7所示。

4" 測試軟件

減速器殼體變形測試系統(tǒng)基于NetFramework框架，采用面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)技術(shù)（Object Oriented Programming，OOP），在Microsoft Visual Studio平臺上開發(fā)。軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖8所示。

軟件系統(tǒng)按照模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，分為參數(shù)配置模塊、變形測試模塊、數(shù)據(jù)管理3個主要模塊，各模塊具體功能如下。

4.1" 參數(shù)配置模塊

此模塊用以采集前包括采集文件、采集通道與采集模式的參數(shù)配置。其中采集通道的配置包括了傳感器數(shù)量、采集通道名稱、傳感器量程、傳輸速率和通訊方式等參數(shù)的配置。下方則是采集模式與文件的配置，采集模式為定時長采集，其采集時長可由用戶根據(jù)試驗需求設(shè)定，最后將采集數(shù)據(jù)以TDMS文件形式保存在指定路徑。示例界面如圖9所示。

4.2" 試驗測試模塊

此模塊主要負責(zé)進行殼體變形數(shù)據(jù)的采集，包括傳感器的連接和工作狀態(tài)的采集，以及傳感器采集數(shù)據(jù)的讀取。通過采集的數(shù)據(jù)會顯示在采集模塊的采集波形圖上，其上方會顯示各傳感器的實時采集數(shù)據(jù)。采集到的變形數(shù)據(jù)可由用戶選定，以TXT、Excel、TDMS文件格式保存，示例界面如圖10所示。其中，①為測試通道配置區(qū)；②為測試觸發(fā)控制區(qū)；③為傳感器實時變形位移展示區(qū)；④為實時采集曲線顯示區(qū)。

4.3" 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊展示圖11所示，按功能劃分為數(shù)據(jù)加載區(qū)和數(shù)據(jù)回放區(qū)，此模塊主要用以對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計管理以及后處理分析，包括對采集數(shù)據(jù)進行加載、列表、回放分析。通過TreeList將所有測試數(shù)據(jù)以列表形式加載，并通過選中數(shù)據(jù)，加載對應(yīng)數(shù)據(jù)詳細測試信息。然后拖動選中數(shù)據(jù)至相應(yīng)區(qū)域，進行采集數(shù)據(jù)回放及指標計算。

5" 測試系統(tǒng)驗證

將測試系統(tǒng)組裝調(diào)試后，用某臺新能源減速器在低速大扭矩試驗臺上進行了驗證，分別采集了同一轉(zhuǎn)速不同扭矩工況下的變殼體變形試驗數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)示例如圖12所示。通過分析不同扭矩工況下的變形數(shù)據(jù)變化規(guī)律，可看出其隨扭矩增大而增大，與實際殼體變形規(guī)律相符。此外，減速器各測點的變形量對扭矩的曲線接近于線性，輸入軸Z方向測點變形和中間軸Z方向測點變形相對于輸出軸的測點的變形較小，主要是因為輸出軸軸承力大于其他軸軸承力，且離軸承孔越近的殼體表面受該處軸承處作用力的影響越大。

綜上，通過殼體變形試驗，成功驗證測試系統(tǒng)性能。

6" 結(jié)論

本設(shè)計基于殼體變形基本原理，采用了高精度的位移傳感器系統(tǒng)，建立了減速器殼體變形測試硬件系統(tǒng)，同時使用面向?qū)ο蟮木幊涕_發(fā)技術(shù)，完成新能源減速器殼體變形測試軟件的開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及分析。并通過測試軟件的參數(shù)配置模塊、變形測試模塊、數(shù)據(jù)管理3個工作模塊，保障了采集樣本的準確性，實現(xiàn)多個維度的指標分析，極大提高測試的效率。

針對新能源減速器的殼體變形測試，本文主要完成的工作如下。

1）設(shè)計新能源減速器殼體變形測試系統(tǒng)，將其劃分為硬件與軟件兩大板塊。硬件板塊為高精度的位移傳感器系統(tǒng)，主要由傳感器采集模塊、通訊模塊、供電模塊與測試計算機組成，針對各模塊的功能性對主要試驗硬件進行了選型。

2）基于NetFramework框架，采用面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)技術(shù)，在Microsoft Visual Studio平臺上開發(fā)具備數(shù)據(jù)采集和存儲分析功能的新能源減速器殼體變形測試軟件。在測試軟件的整體構(gòu)架基礎(chǔ)上，對兩大功能模塊進行功能展示。

3）采用殼體變形測試系統(tǒng)，對某型新能源減速器進行測試，測得各扭矩工況下的變形情況，滿足殼體變形一般規(guī)律，進而完成測試系統(tǒng)的功能驗證。

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