3.2 Стендовые испытания механических коробок передач и раздаточных коробок

При испытаниях коробок передач и раздаточных коробок определяют их основные характеристики, статическую прочность и долговечность, а также изучают различные процессы ее работы. Для этих целей применяют стенды как замкнутого, так и разомкнутого типов. Во время испытаний устанавливают величину и положение пятен контактов зубьев шестерен всех передач под нагрузкой, температурную характеристику, общий уровень вибрации и шума, жесткость корпуса, качество работы синхронизаторов и механизма переключения передач, КПД коробки передач, раздаточной коробки.

В язкость масла, заливаемого в картер коробки передач или раздаточной коробки, т.е. его смазывающие свойства, зависят от температурного состояния исследуемого агрегата. На стенде его температурное состояние устанавливают или по времени ее непрерывной работы в установившемся режиме, при котором температура масла повышается от 40 до 120⁰ С, или по величине и интенсивности повышения температуры в течение заданного срока от 40⁰ С (при температуре окружающего воздуха 15 –20⁰ С и отсутствии искусственного охлаждение). Установившийся режим работы коробки передач (раздаточной коробки), как правило, устанавливают соответствующим максимальной мощности двигателя. Для получения температурной характеристики можно использовать стенд разомкнутого типа, схема которого приведена на рис. 3.12, а.

Данный стенд также можно использовать для определения КПД коробок передач и раздаточных коробок. Его значение можно вычислить по формуле:

, (3.1)

где и - измеренные на вторичном и первичном валу крутящие моменты, - передаточное число ступени коробки передач.

КПД коробок передач и раздаточных коробок можно определять также на стенде с замкнутым контуром мощности (рис. 3.12,б). Замкнутый контур составляют две коробки передач (раздаточных коробки) (2), два редуктора (8), карданный вал (9). Нагрузка в контуре создается при помощи гидроцилиндра (6). При определении КПД необходимо учесть трение в редукторах. Для этого, как правило, вместо исследуемых агрегатов устанавливают дополнительный карданный вал и определяют момент , необходимый для прокручивания агрегатов, составляющих замкнутый контур. При этом предполагают, что трение в обеих коробках одинаково. Таким образом, на стенде замкнутого типа КПД коробок передач (раздаточных коробок) можно определить по следующей зависимости:

, (3.2)

где - крутящий момент, измеренный преобразователем крутящего момента, - крутящий момент, необходимый для прокрутки элементов замкнутого контура, измеренный динамометром.

И спытания коробок передач и раздаточных коробок на шумность и вибронагруженность являются одними из важных при оценке качества исследуемых агрегатов, т.к. их вибрационные и акустические характеристики являются интегральными критериями, характеризующими как качество их сборки, так и их конструкционное совершенство. Испытания проводят на всех ступенях на стенде разомкнутого типа, (рис. 3.12,а) с малошумным тормозом при максимальной частоте вращения без нагрузки и с полной нагрузкой. Другим вариантом стенда, применяемого для этих целей, может быть моторный стенд в составе: двигатель внутреннего сгорания, испытуемая коробка передач, раздаточная коробка и гидравлический тормоз. Стенд помещают в специальную изолированную от шума камеру: (уровень помех должен быть не менее чем на 7 дБ ниже уровня измеряемого шума). При измерениях шумности микрофоны устанавливают на расстоянии 250 мм от стенки картера. Как правило, применяют аналоговые акустические микрофоны, однако в последнее время, ввиду развития цифровой электронно-вычислительной техники, для удобства дальнейшей обработки и анализа сигнала все чаще используются цифровые. При измерениях вибронагруженности вибродатчики, в основном – пьезоакселерометры (рис. 3.13), крепят непосредственно к картеру коробки передач или раздаточной коробки. Крепление осуществляется либо клеем, либо шпилечным соединением (в зависимости от конструкции датчика). Затем и микрофоны, и вибродатчики при помощи шлейфов соединяют с усилителями, преобразователями, анализаторами спектра сигнала и электронно-вычислительными машинами. Это позволяет достаточно быстро регистрировать снимаемые акустические и вибрационные параметры работы исследуемых агрегатов. Также обеспечивается удобство обработки информации, ее визуализации, хранения, передачи. Таким образом, большинство современных акустических и вибрационных измерительных комплексов - достаточно компактные и мобильные комплексы, имеющие в своем составе компьютер, обеспечивающий возможность работы с оцифрованным сигналом.

Уровень шума измеряют как по общему значению, так и в октавных полосах. Общие значения акустического шума сравнивается с нормативными, приведенными в ГОСТ 19358-85 и Правилах ЕЭК ООН №51. Согласно данным нормативных документов шум считается допустимым, если не превышает общего акустического фона транспортного средства.

И змерение шума в октавных полосах является оптимальным и с точки зрения выявления источников и дальнейшей корректировки элементов конструкции, например агрегатов трансмиссии. В этом случае нормирование может осуществляться по октавы. Например, экспериментально установлено, что шум коробок передач (раздаточных коробок) имеет вибрационную природу, т.е. является производным колебательного процесса, протекающего при взаимодействии деталей. По данным многочисленных испытаний установлено, что наиболее вероятными источниками вибрационных процессов могут являться зубчатые колеса и подшипники. Можно выделить три группы причин их повышенной виброактивности: конструкционные, технологические, эксплуатационные. Уровень вибровоздействия оценивают в относительных единицах и для широкого частотного диапазона (рис. 3.14.). Подобное представление удобно для выявления источников вибрационной активности.

К первой группе причин повышенной вибрации относятся дефекты и погрешности конструкции элементов коробок передач (раздаточных коробок), такие как некорректно назначенные значения допусков форм и отклонений от них, неоптимальный подбор подшипников, некорректно рассчитанные параметры валов и шестерен, корпусных конструкций и т.д. Все конструкционные недочеты проявляются при испытаниях повышенным уровнем виброакустической активности исследуемых агрегатов на определенных частотах.

К о второй группе относятся погрешности процесса изготовления и сборки коробок передач (раздаточных коробок), такие как дефекты монтажа элементов, перекосы наружных и внутренних колец подшипников, излишний или недостаточный их преднатяг, некачественное изготовление шестерен и т.п. Большинство производственных дефектов влияют на значения геометрических параметров зубчатого зацепления и приводят к ускоренному изнашиванию сопрягающихся поверхностей, а как следствие к уменьшению срока службы исследуемого агрегата. Производственно – технологические дефекты на стадиях испытаний проявляются, как правило, повышением общего уровня вибраций во всем частотном диапазоне. Подобные дефекты идентифицируется по уровню приращения амплитуд среднеквадратичных отклонений виброускроений. Однако в данном случае желательно наличие некой «эталонной» спектрограммы.

Эксплуатационные дефекты и повреждения, относящиеся к третьей группе, являются следствием неустраненных конструкционных или производственных. К таким относятся абразивный износ боковых поверхностей зубьев шестерней различных стадий. Однако можно также выделить повреждения, возникающие в ходе работы, например, в результате снижения качества смазывания. Это – различные трещины, сколы, выкрашивания, поломки зубьев (рис. 3.15).

Указанные дефекты проявляются в ходе ресурсных испытаний. При идентификации эксплуатационных дефектов коробок передач (раздаточных коробок) по спектру вибраций эксплуатационные дефекты наиболее ярко выражены, т.к. имеют четкую локализацию по частоте и амплитуде (рис.3.16.). Однако, как можно увидеть из данного рисунка, их проявление по частоте является неоднократным. Экспериментально и теоретически у становлено, что различные дефекты, относящееся как к третьей, так и к первой и второй группам тоже имеют свои характерные частоты и амплитуды проявления. Если частоты являются кратными, то на основании экспериментальных данных, а также данных о конструкции коробки передач (раздаточной коробке): число зубьев каждой шестерни, число тел качения в подшипниках, частоты вращения валов и т.д. можно аналитически рассчитать их значение. Для этого существует целый ряд функциональных зависимостей, одна из которых выражается формулой:

, (3.3)

где - номер гармоники, - угловая скорость вращения вала коробки передач или раздаточной коробки [рад/с], - число зубьев и тел качения в подшипнике, передающих крутящий момент.

Спектральные амплитуды вибраций можно представлять или в физических единицах измерения – виброперемещение [м], виброскорость [м/с], виброускорение [м/с²] или в относительных единицах.

Уровень интенсивности колебаний характеризуется соотношением между измеренным значением параметра процесса и некоторым стандартным значением, которое соответствует нулевому уровню. Поскольку параметры вибрации могут изменяться на несколько порядков и больше, то удобно пользоваться логарифмической шкалой, принимая уровень вибрации численно равным значению десятичного логарифма отношения измеряемой величины к ее стандартному значению. Логарифмическая единица измерения называется белом (Б), а ее десятая часть – децибелом (дБ). Возрастание уровня на 1Б означает, что параметр увеличился в 10 раз, а увеличение на 1 дБ в 10^0,1 ≈ 1,26 раз. Данная логарифмическая шкала принята в качестве основной рабочей для вибро – и шумоизмерительной аппаратуры, как наиболее универсальная (рис. 3.14, 3.16).

Если аппаратурой измеряется энергетическая величина (энергия, средняя мощность и т.п.) – таковым являются параметры шумности исследуемых агрегатов, то ее логарифмический уровень (в децибелах) вычисляется по формуле:

, (3.4)

где - значение, соответствующее нулевому уровню, - текущее значение параметра. Нулевому уровню акустического давления соответствует значение Н м^-2.

Если аппаратурой измеряются виброускорение, виброскорость, виброперемещение и т.п., то логарифмический уровень вычислится по формуле:

, (3.5)

где - опорное значение параметра вибропроцесса, соответствующее нулевому уровню. За стандартное значение виброускорения, т.е. за опорное виброускорение, принимают м с^-2. Данная зависимость может быть применена и для вычисления логарифмического уровня энергетической величины (шумность) в случае, если характер ее изменения – установившийся. Зная опорные значения параметров колебательного процесса, а также его конечные спектральные характеристики, полученные при измерениях стандартной аппаратурой, возможно перейти к физическим параметрам.

Рассмотрим пример такого перехода с использованием спектральной характеристики, приведенной на рис.3.16. логарифмический уровень виброускорений при частоте Гц составляет 90 дБ (вхождение в зацепление места излома зуба). Амплитуда виброускорения составит:

; ; ; м с^-2.

Амплитуда гармонического колебания корпуса исследуемой коробки передач, при вхождении в зацепление изломанного зуба, составит:

м = 3 мм.

Подобным образом, при необходимости, спектральные характеристики виброускорений (рис. 3.14, 3.16) могут быть пересчитаны в амплитудно-частотном представлении, наиболее удобным для дальнейшего совершенствования и оптимизации конструкции исследуемых коробок передач (раздаточных коробок) в плане уменьшения вибронагруженности.

Герметичность уплотнений валов и разъемов картеров при заглушённых отверстиях проверяют визуально после заливки в картер коробки передач или раздаточной коробки маловязкого масла до уровня наливной пробки и подачи сжатого воздуха под давлением порядка 0,03 МПа.

Статическую прочность коробки передач (раздаточной коробки) определяют по нагрузкам, разрушающим наиболее слабое ее звено. При испытании на крутильных машинах на всех передачах (включая задний ход) определяют запас прочности исследуемого агрегата, который подсчитывают как отношение разрушающего крутящего момента, приложенного к первичному валу, к максимальному крутящему моменту двигателя автомобиля, на котором установлена коробка передач или раздаточная коробка.

П ри испытании коробок передач (раздаточных коробок) определяют долговечность шестерен (на изгибную и контактную усталость, а также на абразивный износ), подшипников качения (на контактную усталость и на абразивный износ), подшипников скольжения, муфт переключения передач (синхронизаторов, торцовых поверхностей зубьев и т. д.), сальников, деталей механизма переключения передач и картера. Автоматические коробки передач испытывают по более сложным программам. Некоторые виды испытаний объединяют, применяя комбинированные стенды. Долговечность уплотнений (сальников) определяют на прямой передаче при угловой скорости вращения первичного вала коробки передач (раздаточной коробки) от 105 рад/с до угловой скорости , соответствующей режиму максимальной мощности двигателя. Длительность испытаний составляет не менее 600 ч. Во время стендовых испытаний устанавливают влияние различных конструкционных и технологических факторов на работу синхронизаторов коробок передач. Конструкция стенда обеспечивает требуемый режим включения. При испытаниях измеряют следующие параметры: усилие, действующее на рычаге, переключения передач, время синхронизации, синхронизирующий крутящий момент, частоту вращения валов. Силу, необходимую для включения синхронизаторов, измеряют с помощью датчиков давления, наклеиваемых на вилки переключения передач. Работоспособность синхронизатора оценивают по усилиям, прикладываемым к рычагу для осуществления всех процессов синхронизации; по числу случаев самовыключения муфты синхронизатора и пробивания синхронизатора, т. е. его включения до полного выравнивания скоростей вращения соединяемых валов. Форсированные ресурсные стендовые испытания дают возможность в кратчайшие сроки определить долговечность синхронизаторов. Стенд работает автоматически по программе, которую вводят заранее. Форсируют испытания как повышением частоты включения, так и увеличением работы буксования при каждом включении. Для составления программы и определения коэффициентов перехода проводят предварительно исследование работы синхронизаторов в типичных эксплуатационных условиях. Принципиальная схема стенда для ресурсных испытаний синхронизаторов показана на рис. 3.17. Первичный вал испытываемой коробки передач 4 соединен с маховиком 3 и электродвигателем 2; вторичный вал – с маховиком 6 и электродвигателем 7. Включение передач осуществляют при помощи гидроцилиндра 8, на который воздействуют через блок управления 9. Цикл испытаний состоит в разгоне первичного вала до угловой скорости вращения ω₁ (при нейтральном положении рычага коробки передач), включений передачи (цилиндром 8 при полном выравнивании скоростей двух соединяемых валов) и ее выключении. Работа буксования синхронизатора зависит от моментов инерции маховика 3 и ротора электродвигателя 2, а также от соотношения частот вращения первичного и вторичного валов коробки передач. Стенд контролируется первичными преобразователями частот вращения 1, а также крутящего момента 5.

Д ля испытания коробок передач на долговечность в большинстве случаев используют стенды с замкнутым контуром, на которых можно легко осуществить ступенчатое нагружение и нагружение по схеме случайного процесса. Схема стенда замкнутого типа приведена на рис. 3.18. Электродвигатель 1 через упругую муфту 2 вращает редуктор 3, распределяющий вращение на две параллельные ветви, которые замыкаются редуктором 7. Испытываемая коробка передач 5 динамометрической муфтой 4 и карданным валом 6, а технологическая коробка передач 10 карданными валами 9 и 11 соединены с редукторами 3 и 7. Нагружающее устройство 8 состоит из гидроусилителя и редуктора, шестерни которого находятся в зацеплении с зубчатыми секторами, укрепленными на картерах коробок передач. Таким образом, нагружатель, поворачивая картеры коробок передач, закручивает валы замкнутого контура, создавая в них требуемые нагрузки. Величина крутящего момента контролируется динамометром 4, частота вращения – преобразователем 12, который соединен с валом редуктора 3. Стенд имеет автоматизированную систему управления. Программу задают заранее. Блок автоматизированной системы управления стендом включает узел считывания и преобразования программы I, состоящий из системного процессорного блока, электронного коммутатора, электронной памяти и цифро-аналоговых преобразователей; узел управления крутящим моментом II, состоящий из устройства сравнения и элементов управления гидроусилителем нагружающего устройства (сигнал обратной связи поступает от динамометрической муфты 4) и узел управления скоростью вращения первичного вала коробки передач III, состоящий из устройства сравнения, тиристорного регулятора, усилителя обратной связи, получающего сигнал от преобразователя частоты вращения 12. На этом стенде долговечности механизма передач и синхронизаторов на каждой перед аче определяют отдельно, так как в процессе испытания передачи не переключают. Более перспективными, но в то же время более сложными и дорогостоящими, являются стенды, на которых во время испытаний возможно переключение передач.

Схема стенда замкнутого типа для испытания раздаточных коробок на долговечность приведена на рис. 3.19. Данный стенд является универсальным, т.к. на нем можно осуществлять определение изгибной, контактной, усталостной прочности и износостойкости зубьев шестерен, валов, подшипников и корпусов раздаточных коробок. Электродвигатель через преобразователь скорости вращения 4 и упругую муфту 6 подает крутящий момент на замкнутый контур, образованный четырьмя редукторами 1, технической коробкой передач 9 и испытуемой раздаточной коробкой 8. Редукторы 1 соединены между собой карданными валами 2. Создавать реальные нагрузки, которые раздаточная коробка (или другой узел трансмиссии) испытывает в действительных условиях, а также ступенчатые нагрузки можно с помощью гидравлических вращающихся цилиндров 3. Эти цилиндры весьма точно воспроизводят любой тип нагрузки и создают крутильные колебания, соответствующие программе.

Н а современных испытательных стендах с автоматизированной системой управления можно воспроизводить любой вид нагружения. Усилия, необходимые для нагружения испытываемых узлов, возникают за счет гидростатического действия жидкости. Регулировать величину усилия можно с помощью специальных клапанов. Оценивают крутильные колебания по величине крутящего момента или по величине угла закручивания. В первом случае применяют динамометрический вал (преобразователь момента), во втором — преобразователь угла закручивания. Однако принципиальной разницы в конструкции обоих преобразователей нет. Вращающиеся цилиндры для более точного воспроизведения низкочастотной и высокочастотной нагрузок могут быть установлены одновременно и на ведущем, и на ведомом валах.

Принципиальная схема управления автоматизированным стендом для испытания коробок передач на долговечность показана на рис. 3.20. Эта схема может быть использована также при испытании любого другого узла автомобиля. Силовой возбудитель 2, которым может быть вращающийся гидроцилиндр, гидровибратор, гидропульсатор и т.д., создает нагрузку на детали испытываемого узла 1. Нагрузка контролируется измерителем нагрузки 3. Гидронасос 4 создает необходимое рабочее давление в гидросистеме, обеспечивая работу силовых узлов.

Работа силового возбудителя регулируется сервоклапаном 5, исполнительным механизмом 6, с помощью которого выполняют программу испытаний, и усилительно-преобразовательным элементом 7, получающим команду от измерителя рассогласования 13, включающего задающее устройство 10, элемент, контролирующий нагрузку 11 и сравнивающее устройство 9. Система управления также имеет счетчик циклов и программных блоков 8 и элемент аварийной защиты 12.

Управление исполнительным механизмом силового возбуждения осуществляется по командам измерителя рассогласования. Задающее устройство, считывающее программу нагружения, вырабатывает командный сигнал , который, поступая в сравнивающее устройство, сравнивается с сигналом обратной связи х, поступающим от испытываемой конструкции через контролирующий нагрузку элемент. Окончательный командный сигнал поступает из сравнивающего устройства в усилительно-преобразовательный элемент, где он преобразуется в сигнал, формирующий программу нагружения.