磁流變緩速器加載裝置靜態(tài)加載試驗研究

安永東，齊曉杰，鮑 宇，呂德剛，汪 偉

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

緩速器是現(xiàn)代重型商用車輛（大客、重卡）的輔助制動裝置，在重型商用車輛正常制動時，緩速器提供額外的制動作用，從而提高了車輛的制動效能及制動穩(wěn)定性，同時也大大提高了原車制動系統(tǒng)的使用壽命。磁流變緩速器是利用磁流變液作為工作介質(zhì)的新型緩速器，磁流變液為一種可磁化的液體材料，其物理特點是：零磁場環(huán)境下，表現(xiàn)為低粘度的流體特性，在強磁場環(huán)境下，表現(xiàn)為高粘度、底流動的Binghan體特性。其不同流體特性的變化由磁場環(huán)境所控制，不同特性之間的轉(zhuǎn)變是瞬間的和可逆的，流體特性所反映出的剪切屈服強度與磁場環(huán)境的強度呈現(xiàn)出一定的對應(yīng)關(guān)系。因此，將其應(yīng)用于制動緩速器方面具有一定的現(xiàn)實可行性，有助于開發(fā)出低成本、高效率、靈敏、節(jié)能的新型車輛制動緩速器。為開發(fā)研制這種磁流變緩速器，本文對磁流變緩速器的加載裝置進行了設(shè)計和試驗，加載裝置可對磁流變緩速器進行靜態(tài)、動態(tài)加載，能滿足磁流變緩速器所需的各種載荷要求［1－3］。

1 磁流變緩速器加載裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 緩速器試驗臺

緩速器試驗臺是用于測試所設(shè)計緩速器工作性能的試驗系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，通過加載裝置對緩速器中傳動軸進行加載，模擬傳動軸實際運行工況，測量傳動軸在不同轉(zhuǎn)速下，緩速器對傳動軸的減速作用，從而評價緩速器的工作性能。試驗臺組成如圖1所示。

緩速器試驗臺主要包括減速器、緩速器及加載裝置等，加載裝置的輸出分為Ⅰ、Ⅱ兩端，Ⅰ端接到緩速器上，加載裝置通過內(nèi)部加載電機的加載，在Ⅰ、Ⅱ兩端之間形成加載力矩，并經(jīng)過兩端的減速器封閉在緩速器中的傳動軸上，然后加載裝置內(nèi)部的制動器工作，將加載裝置制動，這樣，就在整個試驗臺內(nèi)部產(chǎn)生了封閉的力矩，即在緩速器中的傳動軸上施加了封閉力矩，然后試驗臺由外部驅(qū)動電機驅(qū)動，以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，即在試驗臺內(nèi)部便形成了封閉功率，從而模擬緩速器中傳動軸的實際運行狀況。

圖1 緩速器試驗臺組成

1.2 加載裝置結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合磁流變緩速器試驗臺對加載裝置的要求，所設(shè)計的加載裝置主要由集流環(huán)、力矩加載電機和兩級減速增扭機構(gòu)組成，減速增扭機構(gòu)由諧波齒輪傳動機構(gòu)和行星齒輪傳動機構(gòu)組成。

加載裝置的力矩加載電機和減速增扭機構(gòu)安裝于加載裝置內(nèi)部，由集流環(huán)將電力輸入給加載電機，從而驅(qū)動減速增扭機構(gòu)轉(zhuǎn)動加載，封閉端Ⅰ與加載裝置的外殼相連，而封閉端Ⅱ與行星減速增扭機構(gòu)的輸出軸連接，在減速增扭機構(gòu)的作用下，便在輸出端Ⅰ、Ⅱ之間形成加載力矩，再通過加載裝置中制動器的作用，即可將力矩封閉在試驗臺中。

加載裝置結(jié)構(gòu)見圖2，輸入電力的集流環(huán)固定在輸入軸上，輸入軸的右端與電機殼體聯(lián)接，電機殼體右端與減速機構(gòu)相連，減速機構(gòu)位于加載裝置內(nèi)部，減速機構(gòu)的右端與輸出軸套筒相連，而輸出軸支撐在套筒內(nèi)，加載裝置兩端支撐在軸承上，軸承裝入加載裝置殼體中，在加載裝置殼體內(nèi)構(gòu)成了加載裝置非恒態(tài)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，加載裝置由地腳螺栓安裝在試驗臺上。

加載裝置內(nèi)部為一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，加載電機、兩級減速增扭機構(gòu)分別安裝在各自殼體內(nèi)，以串聯(lián)的方式連接在一起，加載電機殼體、兩級減速增扭機構(gòu)殼體也以串聯(lián)分方式連接在一起，如圖3所示。

圖2 加載裝置總體結(jié)構(gòu)

圖3 加載裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)

1.3 加載裝置工作過程

加載裝置的工作過程：集流環(huán)吸合后，電力輸入到加載裝置內(nèi)部加載電機上，加載電機帶動兩級減速增扭機構(gòu)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)降速增扭，在輸出端Ⅰ、Ⅱ間形成轉(zhuǎn)角差，此轉(zhuǎn)角差即為加載裝置的加載角，將加載裝置串入到試驗臺系統(tǒng)中后，即可在加載裝置的兩端間產(chǎn)生所需扭矩。

2 磁流變緩速器加載裝置穩(wěn)定性試驗

2.1 穩(wěn)定性試驗內(nèi)容

加載裝置內(nèi)部傳動機構(gòu)為非恒態(tài)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性對加載裝置動態(tài)加載的準(zhǔn)確性影響較大，故需對其進行穩(wěn)定性試驗，按工作轉(zhuǎn)速要求其穩(wěn)定性等級需達(dá)到G6.3級［4－6］，穩(wěn)定性試驗如圖4所示。

以加載裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)子外徑最大處的兩端面作為試驗平衡面，在試驗平衡面上，均勻取25個測試點，轉(zhuǎn)子一端固定，另一端通過轉(zhuǎn)子內(nèi)部加載電機驅(qū)動，分別轉(zhuǎn)到25個測試點位置上，在每個測試點位置進行穩(wěn)定性試驗，在試驗平衡面上測得的不平衡量及不平衡角度見圖5。

圖4 穩(wěn)定性試驗

圖5 不平衡量曲線

2.2 穩(wěn)定性試驗分析

圖5 所示為試驗平衡面不平衡量曲線，由分析可知，在兩平衡面均具有較大的不平衡量，不平衡角的大小分布離散性較為明顯，但是兩個平衡面的不平衡量和不平衡角具有相似的變化規(guī)律，這樣的變化規(guī)律有助于加載裝置穩(wěn)定性的平衡。

根據(jù)圖5所示曲線顯示兩個試驗平衡面上的不平衡量及不平衡角度，制作相應(yīng)質(zhì)量的金屬塊，固定于相應(yīng)的不平衡角度上，來提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性等級。平衡前后的穩(wěn)定性精度等級比較如圖6所示。分析圖6所示曲線可知，通過配重后，大大提高了加載裝置的穩(wěn)定性精度等級，提升近80%，精度等級均達(dá)到G6.3。

3 磁流變緩速器加載裝置靜態(tài)加載試驗

3.1 靜態(tài)加載角試驗分析

為驗證加載裝置能否按緩速器傳動軸工作要求產(chǎn)生所需載荷，需對緩速裝置進行靜態(tài)加載角試驗，通過試驗評價緩速裝置靜態(tài)工作特性，同時也驗證緩速裝置能否施加緩速器工作時所需力矩［7－8］。

將加載裝置通過地腳螺釘固定在試驗平臺上，加載裝置的輸入端用花鍵套固定試驗平臺上，通過控制系統(tǒng)控制集流環(huán)的吸合和斷開試驗，吸合和斷開均工作正常，表明控制系統(tǒng)和集流環(huán)工作正常［9］，如圖7所示。

圖6 穩(wěn)定性精度等級曲線

圖7 導(dǎo)電滑環(huán)吸合斷開

設(shè)定靜態(tài)試驗加載角度值后，由控制系統(tǒng)控制，經(jīng)集流環(huán)給加載裝置內(nèi)部加載電機供電，驅(qū)動加載裝置工作，在加載裝置的輸入端和輸出端之間產(chǎn)生加載角，產(chǎn)生的加載角可達(dá)到試驗設(shè)定的加載角，加載角數(shù)值顯示見圖8。圖9所示為加載角試驗中，輸出端從初始位置轉(zhuǎn)到試驗所設(shè)定的加載位置上，可以看出，加載裝置完全能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的加載。

圖8 控制臺顯示初始值及施載角度

連續(xù)加載角試驗測得的加載角見表1。對試驗數(shù)據(jù)分析可知，隨著輸出端角度的增加，加載角的誤差也呈現(xiàn)增加的趨勢，表明連續(xù)進行加載時，加載角的誤差會積累，從而導(dǎo)致連續(xù)加載后，加載角的誤差增加，故加載裝置在實際加載中，加載后及時歸零，另外實際所需力矩一般不需要加載角很大，所以加載裝置在小角度加載范圍內(nèi)的誤差是不影響加載精度的。

圖9 加載器刻度盤顯示實際角度

表1 加載角數(shù)據(jù) （°）

3.2 靜態(tài)加載力矩試驗分析

為試驗加載裝置控制系統(tǒng)的工作性能及施加力矩的準(zhǔn)確性，需對加載裝置進行靜態(tài)加載力矩試驗。

如圖10所示，將加載裝置固定在試驗平臺上，輸入端和輸出端通過花鍵連接在花鍵套上，花鍵套外焊有測力臂，將測力臂調(diào)整到水平位置后，將輸入端的測力臂兩端固定，壓力傳感器安裝在輸出端測力臂的兩端，分別裝在測力臂兩端的上端和下端，如圖11所示。

圖10 加載器力矩檢測實驗平臺

通過加載裝置內(nèi)部的加載電機驅(qū)動兩級減速機構(gòu)，在輸出端產(chǎn)生加載角，通過輸出端花鍵套帶動測力臂轉(zhuǎn)動，由兩端壓力傳感器測出兩端反力，再乘以力臂便可得到加載力矩，測試過程如圖12所示。

靜態(tài)加載力矩試驗數(shù)據(jù)見表2。圖13曲線為靜態(tài)加載力矩試驗的設(shè)定值和實測值的分析曲線，由分析可知，在各個試驗點處，所施加的力矩值和實際測得力矩值較為接近，結(jié)果驗證了靜態(tài)加載力矩的準(zhǔn)確性［10］。

圖11 加載器力矩傳感器

圖12 施載力矩檢測

圖13 加載力矩實驗數(shù)據(jù)對比分析

表2 加載力矩試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1）本文通過對所研制的加載裝置的靜態(tài)試驗分析，驗證了加載裝置理論設(shè)計的正確性及實物設(shè)計的合理性，所設(shè)計加載裝置性能滿足試驗臺加載要求，可實施設(shè)定力矩值靜態(tài)加載，穩(wěn)定性可靠。

2）通過對加載裝置的穩(wěn)定性試驗分析，確定了在保證G6.3的平衡品質(zhì)等級基礎(chǔ)上，明確了加載裝置的理想加載區(qū)域，為緩速器試驗臺進行模擬實際車輛運行工況提供了保證。

3）通過對加載裝置靜態(tài)加載試驗分析，校驗了加載裝置靜態(tài)加載角及加載力矩準(zhǔn)確性。

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