自動(dòng)變速器下線測試傳動(dòng)軸快速連接系統(tǒng)研究

王虎，張健，魏存洋

西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，陜西西安 710119

自動(dòng)變速器下線測試臺(tái)主要用于變速器總成生產(chǎn)裝配完成后，將變速器安裝到測試臺(tái)架并對其進(jìn)行一系列的下線功能檢測，以確保其功能正常，出廠合格。自動(dòng)變速器下線測試包括空載測試和負(fù)載測試，空載測試完成后需要連接傳動(dòng)軸進(jìn)行負(fù)載測試，負(fù)載電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸向自動(dòng)變速器傳遞轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)連接傳動(dòng)軸的方式多為手動(dòng)連接，測試結(jié)束后再進(jìn)行手動(dòng)拆除，效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能滿足現(xiàn)代工廠大批量生產(chǎn)的需求。因此，設(shè)計(jì)一種適用于自動(dòng)變速器測試的傳動(dòng)軸快速連接裝置顯得尤為重要。

快速連接裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)原整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過飛輪盤與變速器的輸入端相連，空載測試不需要連接傳動(dòng)軸，負(fù)載測試前，變速器的輸出端通過傳動(dòng)軸與負(fù)載電動(dòng)機(jī)相連。原系統(tǒng)中使用的傳動(dòng)軸為萬向節(jié)傳動(dòng)軸，每臺(tái)變速器的下線測試負(fù)載測試前都需要將傳動(dòng)軸連接到變速器輸出法蘭，測試完成后又需要斷開傳動(dòng)軸。目前的方式為手動(dòng)連接或斷開，單臺(tái)連接或斷開各需要耗時(shí)60s，勞動(dòng)強(qiáng)度高且效率低下。

圖1 臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)

本方案是將圖1中的傳動(dòng)軸替換為一種快速連接裝置，具體結(jié)構(gòu)為圖2所示?；ㄦI套A一端連接變速器輸出軸端面齒法蘭，花鍵套內(nèi)部為內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，花鍵套與傳動(dòng)軸通過花鍵方式連接，從而傳遞轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)軸末端設(shè)置有高彈聯(lián)軸器F，傳動(dòng)軸通過高彈聯(lián)軸器與負(fù)載電動(dòng)機(jī)相連。傳動(dòng)軸外側(cè)設(shè)置有防護(hù)罩E，防護(hù)罩一方面可以起到安全保護(hù)作用，另一方面防護(hù)罩上安裝有3個(gè)光電位置傳感器B、C、D，可以在傳動(dòng)軸對接過程中監(jiān)測其位置。負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座還設(shè)置有3個(gè)壓緊氣缸。

圖2 快速連接裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體方案

花鍵套預(yù)先安裝在變速器輸出法蘭上，需要連接傳動(dòng)軸時(shí)，操作工按下控制盒上的前進(jìn)按鈕，位于負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座側(cè)面的3個(gè)壓緊氣缸執(zhí)行抬起動(dòng)作，位于底座下方的20個(gè)空氣氣窩開始充氣，向上頂起負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座，減小負(fù)載電動(dòng)機(jī)整體相對質(zhì)量，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過絲桿帶動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)整體向變速器輸出法蘭的方向快速移動(dòng)。安裝在負(fù)載電動(dòng)機(jī)上的花鍵軸開始靠近安裝在變速器輸出法蘭上的花鍵套，位于花鍵軸外側(cè)的防護(hù)罩跟隨花鍵軸整體移動(dòng)，同時(shí)負(fù)載電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)帶著花鍵軸慢速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。安裝在防護(hù)罩上的光電開關(guān)B實(shí)時(shí)檢測花鍵套邊緣凸臺(tái)位置，光電開關(guān)B檢測到凸臺(tái)后移動(dòng)電動(dòng)機(jī)開始慢速移動(dòng)，此時(shí)花鍵軸一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢插入花鍵套，在光電開關(guān)C檢測到凸臺(tái)位置后，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止，負(fù)載電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，此時(shí)花鍵軸已到達(dá)指定位置。按下控制盒的停止按鈕，空氣氣窩落下，停止提供向上的頂力，壓緊機(jī)構(gòu)落下，壓住負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座邊緣，傳動(dòng)軸連接完成?；ㄦI軸對接過程如圖3所示。

圖3 花鍵軸移動(dòng)過程示意

主要部件選型

針對快速連接裝置中所涉及的工作部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型。

1.輸出軸對接部件選型

現(xiàn)有變速器輸出法蘭為T180端面齒結(jié)構(gòu)，4個(gè)聯(lián)接螺栓，轉(zhuǎn)矩傳遞方式為端面齒輸出，利用端面齒法蘭做轉(zhuǎn)接面，通過花鍵傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，花鍵軸、花鍵套強(qiáng)度校核如圖4所示。校核完成后，花鍵對接方式可以滿足轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度使用需求。

2.花鍵套工裝

花鍵套工裝需操作工在變速器安裝到測試臺(tái)之前，先預(yù)裝到變速器法蘭端。花鍵套工裝如圖5所示。

圖5 花鍵套工裝

3.定位套

花鍵軸的前端設(shè)置有定位套，用于保證花鍵軸與花鍵套嚙合后的同心度，定位套的端面有個(gè)大的引導(dǎo)角，引導(dǎo)花鍵軸進(jìn)入花鍵套。定位套結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 定位套

4.花鍵軸

花鍵軸前端設(shè)置有定位緩沖銷，引導(dǎo)花鍵軸進(jìn)入花鍵套，花鍵軸內(nèi)部設(shè)置有緩沖彈簧組，緩沖彈簧組可以讓花鍵軸與軸末端的擋蓋保持一定的伸縮能力，起到緩沖作用。其工作原理為：對接過程中花鍵軸處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)并跟隨負(fù)載電動(dòng)機(jī)一起向前移動(dòng)，定位緩沖銷引導(dǎo)花鍵齒插入花鍵套，緩沖彈簧組可以緩沖對接瞬間剛性碰撞帶來的沖擊力，避免對接過程中傳動(dòng)軸對變速器的碰撞?；ㄦI軸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 花鍵軸

5.高彈聯(lián)軸器

高彈聯(lián)軸器可吸收沖擊振動(dòng)能力，在軸向、徑向和角向具有良好的補(bǔ)償能力，與軸系產(chǎn)品組合使用，形成高彈性傳動(dòng)軸。彌補(bǔ)臺(tái)架長期移動(dòng)及其他因素可能造成的驅(qū)動(dòng)與加載部件中心高偏差，引起傳動(dòng)軸對接不順暢及花鍵磨損。

6.移動(dòng)機(jī)構(gòu)選型

傳動(dòng)軸及負(fù)載電動(dòng)機(jī)的前后移動(dòng)是通過位于負(fù)載電動(dòng)機(jī)末端的移動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)的，負(fù)載電動(dòng)機(jī)底部無導(dǎo)軌，負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座下方設(shè)置有多組空氣氣窩，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，氣窩向上頂起負(fù)載電動(dòng)機(jī)，抵消部分電動(dòng)機(jī)重量，減小負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座的靜摩擦力，從而減小負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座磨損及降低移動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)選型及計(jì)算公式如表1所示。

7.壓緊機(jī)構(gòu)選型

壓緊機(jī)構(gòu)安裝在負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座的側(cè)邊，用于提供給負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座一個(gè)向下的力，防止在測試過程中由于離心力或振動(dòng)等原因造成負(fù)載電動(dòng)機(jī)前后移動(dòng)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)底座側(cè)邊共設(shè)置有3個(gè)壓緊裝置，在壓緊機(jī)構(gòu)落下時(shí)，每個(gè)壓緊裝置可提供1500N·m向下的抓力。在需要連接傳動(dòng)軸時(shí)，壓緊機(jī)構(gòu)需要向上抬起，取消壓緊底座。

壓緊機(jī)構(gòu)是通過氣動(dòng)閥切換壓緊或松開的，氣動(dòng)閥通過PLC控制。每個(gè)氣缸裝置的壓緊和松開的位置分別安裝有位置傳感器，可將氣缸所處位置信號(hào)傳遞給PLC，作為反饋信號(hào)。

8.光電開關(guān)及限位開關(guān)

花鍵軸防護(hù)罩上安裝有3個(gè)光電接近開關(guān)B、C、D，當(dāng)有效范圍內(nèi)的金屬物體接近傳感器表面時(shí)，傳感器信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，并將該信號(hào)傳給PLC。光電開關(guān)B作為移動(dòng)電動(dòng)機(jī)快速和慢速移動(dòng)切換的信號(hào)，光電開關(guān)C作為移動(dòng)電動(dòng)機(jī)的停止信號(hào)，光電開關(guān)D為前進(jìn)安全保護(hù)開關(guān)，防止光電開關(guān)C失效后移動(dòng)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)向前移動(dòng)撞壞變速器本體。

負(fù)載電動(dòng)機(jī)的末端設(shè)置有機(jī)械限位開關(guān)，作為尾部限位開關(guān)，用于防止傳動(dòng)軸后退時(shí)，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)一直向后移動(dòng)超出范圍，造成脫軌。

9.控制盒

控制盒安裝到試驗(yàn)臺(tái)快速連接裝置旁，不考慮備用按鈕和備用指示燈，共設(shè)置有4個(gè)按鈕和3個(gè)指示燈。4個(gè)按鈕分別用于控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)向前移動(dòng)，向后移動(dòng)，停止移動(dòng)以及故障復(fù)位，3個(gè)指示燈分別是系統(tǒng)就緒指示燈、傳動(dòng)軸已連接指示燈以及故障指示燈?？刂坪薪Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 控制盒結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)部分

傳動(dòng)軸快速連接裝置與試驗(yàn)臺(tái)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行交互，傳感器信號(hào)與驅(qū)動(dòng)裝置形成閉環(huán)控制，只有無故障且滿足移動(dòng)條件時(shí)允許傳動(dòng)軸進(jìn)行對接或斷開?？刂葡到y(tǒng)詳述如下。

1.前進(jìn)按鈕和后退按鈕生效條件

1）試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)處于手動(dòng)模式，即自動(dòng)模式下不允許傳動(dòng)軸對接。

2）測試臺(tái)HMI界面“允許底座移動(dòng)按鈕”已被手動(dòng)按下觸發(fā)。

3）以上條件不滿足將觸發(fā)“按下停機(jī)按鈕”相關(guān)動(dòng)作。

2.按下前進(jìn)按鈕觸發(fā)

1）壓緊機(jī)構(gòu)抬起。空氣氣窩頂起。PLC檢測到壓緊機(jī)構(gòu)抬起后，負(fù)載電動(dòng)機(jī)10r/min旋轉(zhuǎn)。

2）負(fù)載電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)軸向前快速移動(dòng)。

3）向前移動(dòng)過程中，PLC檢測花鍵套凸臺(tái)是否到達(dá)光電開關(guān)B位置，若到達(dá)，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)慢速運(yùn)行。

4）向前移動(dòng)過程中，PLC檢測花鍵套凸臺(tái)是否到達(dá)光電開關(guān)C或D位置，若達(dá)到，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

5）若1）或2）為已經(jīng)打開狀態(tài)，則跳過。

3.松開前進(jìn)按鈕觸發(fā)

1）移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

2）移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止后，負(fù)載電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。

4.按下后退按鈕觸發(fā)

1）壓緊機(jī)構(gòu)抬起。

2）空氣氣窩頂起。

3）PLC檢測到壓緊機(jī)構(gòu)抬起后，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)軸向后快速移動(dòng)。

4）向后移動(dòng)過程中，PLC檢測負(fù)載電動(dòng)機(jī)是否到達(dá)尾部限位開關(guān)，若到達(dá)，移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

5）向后移動(dòng)時(shí)負(fù)載電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)。

6）若1）或2）為已經(jīng)打開狀態(tài)，則跳過。

5.松開后退按鈕觸發(fā)

移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

6.按下停止按鈕觸發(fā)

1）先停移動(dòng)電動(dòng)機(jī)（無論是否運(yùn)行）。

2）再停負(fù)載電動(dòng)機(jī)（無論是否運(yùn)行）。

3）空氣氣窩落下。

4）壓緊機(jī)構(gòu)落下。

7.按下復(fù)位按鈕觸發(fā)

（1）復(fù)位快速連接系統(tǒng)定義的相關(guān)故障。

（2）必須故障解除后復(fù)位按鈕才起作用。

8.系統(tǒng)就緒燈定義

1）測試臺(tái)HMI界面“允許底座移動(dòng)按鈕”已被手動(dòng)按下觸發(fā)。

2）“允許底座移動(dòng)按鈕”觸發(fā)條件為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)或雖啟動(dòng)但轉(zhuǎn)換低于15r/min。

3）試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)處于手動(dòng)模式。

4）以上條件滿足后PLC將點(diǎn)亮系統(tǒng)就緒燈。

9.傳動(dòng)軸已連接燈定義

1）快速連接系統(tǒng)無故障。

2）PLC檢測到傳動(dòng)軸已到達(dá)光電開關(guān)C位置。

3）空氣氣窩和壓緊機(jī)構(gòu)已落下。

10.故障燈定義

1）未在系統(tǒng)就緒燈點(diǎn)亮狀態(tài)下的按鈕錯(cuò)誤。

2）同時(shí)按下多個(gè)按鈕的錯(cuò)誤操作。

3）前進(jìn)/后退按下后一定時(shí)間內(nèi)，PLC未檢測到壓緊機(jī)構(gòu)已抬起信號(hào)。

4）前進(jìn)/后退按下后一定時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)或雖啟動(dòng)，但是沒有到達(dá)要求范圍。

5）停止按鈕按下后一定時(shí)間內(nèi)，PLC未檢測到壓緊機(jī)構(gòu)已落下信號(hào)。

6）傳動(dòng)軸已連接燈熄滅狀態(tài)下，負(fù)載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過20r/min。

7）移動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)/負(fù)載電動(dòng)機(jī)扭矩監(jiān)測，超過設(shè)定扭矩范圍。

8）移動(dòng)電動(dòng)機(jī)空開信號(hào)斷開。

9）出現(xiàn)以上所述內(nèi)容時(shí)，將會(huì)點(diǎn)亮故障燈，可通過控制盒上的復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。

結(jié)語

該傳動(dòng)軸快速連接系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際的交付運(yùn)行，結(jié)果表明，運(yùn)行穩(wěn)定，傳感系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，可靠性高。系統(tǒng)改造完成后，連接或斷開傳動(dòng)軸的時(shí)間從原來10min縮短到了2min，極大地縮短了負(fù)載測試前連接傳動(dòng)軸的時(shí)間，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了生產(chǎn)需求。