九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法

1.本发明属于齿轮动力学性能测试技术领域特别是九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法。


背景技术：

2.齿轮是在传递动力的过程中有着极为重要的作用,齿轮啮合传递误差是造成自动变速器噪声和振动的主要原因。其中齿轮时变啮合刚度的变化加剧了齿轮的传递误差,特别当齿轮含有缺陷的情况下,会极大地削减齿轮的时变啮合刚度，从而会影响齿轮传动系统的传动平稳性。研究齿轮的时变啮合刚度,对研究齿轮传动误差的产生、减少系统噪声以及齿轮故障诊断有极为深刻的意义。
3.齿轮的啮合刚度，是齿轮传动系统动力学分析计算的基础参数，有关于圆柱齿轮轮齿啮合刚度的计算，国内外的很多学者已经对此付出了巨大的努力，做出了大量的研究工作，主要方法有解析法(如计算齿轮啮合刚度的web刚度)，和以弹性力学有限元为基础的数值法，但有关齿轮啮合刚度测量以及实验方法，还非常少见。因为分析计算过程复杂且由于采用间接的方法进行测量，影响因素多测量结果可靠性不高，而且现有的测量啮合刚度的手段，在对于自动变速器齿轮啮合方面比较有限。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术的问题，提出了九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法。
5.为实现上述目的，本发明采用下列技术方案：九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，其特征在于：它包括转矩传感器、光纤光栅传感器、转矩传感器上位器、光纤光栅传感器上位器、九档自动变速器装卡装置、滚筒以及支架，所述变速器装卡装置与支架相连。发动机固定于支架，车轮置于滚筒上方。
6.更进一步的其检测区域共分为三处：a区、b区与c区,三个区域水平方向依次排列。
7.更进一步的：所述转矩传感器共有三个，位于变速器三组太阳轮附近。
8.更进一步的：所述的光纤光栅传感器共分为三组安装，第一组位于监测区域a处；第二组位于监测区域b处；第三组传感器位于监测区域c处。
9.更进一步的：第一、二两组光纤光栅传感器具体位置均位于太阳轮与行星轮的端面，第三组光纤光栅传感器位于太阳轮、长行星轮与短行星轮的端面。
10.更进一步的：每个齿轮共安装8个光纤光栅传感器，每两个光纤光栅传感器间隔45
°
。每个齿轮的8个光纤光栅传感器沿齿轮径向均匀分布在齿轮的齿端。
11.更进一步的：变速器装卡装置与支架通过垫片和螺母配合锁紧。
12.更进一步的：所述传感器均通过无线传输的形式，将所测得的信号传递至上位器，经由上位器筛选信号和判断信号准确性后，分析得出数据。上位器与控制终端相连。
13.本发明还提供了九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，它包含以下步骤：根据权利要求1所述的九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，其特征在于，它包含以下步骤：
14.步骤一：将检测装置安装于台架并固定，搭建初始模块，组建测量模块，搭建测量模块，并确认齿轮参数。
15.步骤二：搭建转矩测量模块，调整转矩传感器，将转矩传感器与转矩传感器的上位器(7)相连，转矩传感器的上位器(7)通过总接线口与控制终端(1) 相连接，并将参数初始化。
15.步骤三：搭建弯曲应变测量模块，调整光纤光栅传感器，将光纤光栅传感器与其上位器相连，光纤光栅传感器的上位器会将传感器所得到的信号进行调节，将温度信号与弯曲应变信号分离，并将弯曲应变信号传送至控制终端。将光纤光栅传感器上位器信号传输接口与光纤光栅传感器的上位器与控制终端通过总接线口相连，并将参数初始化。
16.步骤四：转矩传感器与光纤光栅传感器正常工作，得到弯曲应变信号与转矩信号。
17.步骤五：终端整合所有的数据信息，求解啮合刚度时，将齿轮简化为悬臂梁，通过将轮齿有效接触部分微分为一系列的微元，将每一个微元计算所得的弹性变形量进行叠加，最终求得任意瞬时啮合点处的法向变形柔度。将齿轮沿齿宽方向分为n份薄片，每份薄片的厚度均为l/n，任意齿轮薄片齿轮均可认为是左端固定，且与微元右端相连的部分均可视为刚体，薄片齿轮微元的变形主要包含三个部分，在沿轴向力作用下引起的剪切变形，由沿齿轮径向外力引起的压缩变形与由轴向外力与弯矩共同作用下的弯曲变形，除此之外，还有在啮合点处，因为接触而产生的变形。因此，第m片薄片齿轮副综合变形可以认为是以上各个应变的加和，因此，在第m片齿轮上单位齿宽上任意啮合点处的啮合刚度可以表示为在该点处法相啮合力与第m片薄片齿轮任意啮合点处的法向综合变形与齿宽乘积的比值，而整个齿轮在该瞬时的总啮合刚度，其在数值上与n片薄片齿轮啮合刚度的综合相同。对计算所得的多个单齿时变啮合刚度进行插值使得各单齿的时变啮合刚度序列长度相等，根据时间同步的原则，即前一个齿的第二段双齿啮合区与下一个齿的第一段双齿啮合区重合，对相邻的单齿时变啮合刚度进行融合计算，得到轮齿的综合时变啮合刚度。
18.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了九档自动变速器齿轮啮合刚度不容易检测，影响传动平稳以及安全性的问题。本发明用于九档自动变速器行星齿轮，进而实现齿轮啮合刚度的测量。传感器的布置也考虑到了齿轮在旋转时的所处与高转速工况，采用对称布置与无线传播，防止了齿轮在运动过程中受到干涉，同时，由于光纤光栅传感器会将温低信号一并检测，为了防止温度信号影响传递信号的精度，采用了温度信号与弯曲应变信号的分离，提高了监测系统的精度。可以准确测量出行星齿轮轮系的啮合刚度。为九档自动变速器行星齿轮啮合刚度的计算提出了新方法。结构精巧，可以满足在工业生产，科学研究中刚度测量和在线控制的需求。与传统测量方法相比，操作简单，可靠性高。
附图说明
19.图1为九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置总体结构图
20.图2为轮齿微元受力示意图
21.图3为转矩传感器摆放示意图
22.图4为光纤光栅传感器摆放在c检测区摆放示意图
23.图5为光纤光栅传感器摆放在b检测区摆放示意图
24.图6为光纤光栅传感器摆放在c检测区总示意图
25.图7为光纤光栅传感器摆放在a检测区摆放示意图
26.图8为九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测方法流程图1—控制终端，2
‑‑
九档自动变速器装卡装置，3—车轮，4—滚筒，5—支架，6—发动机，7—转矩传感器上位器，8—光纤光栅传感器上位器，9—a检测区太阳轮,10—b检测区太阳轮2,11—c检测区太阳轮3，12—a检测区行星轮，13—b 检测区行星轮，14—c检测区短长星轮，15—c检测区短行星轮
具体实施方式
27.下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中方案进行清除、完整的阐述。
28.参见图1-4说明本实施方式，九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，其特征在于：它包括：转矩传感器、光纤光栅传感器、转矩传感器上位器、光纤光栅传感器上位器、九档自动变速器装卡装置、滚筒以及支架，所述变速器装卡装置与支架相连。发动机固定于支架，车轮置于滚筒上方。
29.本实例所述转矩传感器共有三个，分别位于太阳轮9，太阳轮10与太阳轮11处。
30.本实例所述的光纤光栅传感器共分为三组安装，第一组位于监测区域a 处，具体位置位于太阳轮9与行星轮12的端面，每个齿轮共安装8个光纤光栅传感器，每两个光纤光栅传感器间隔45
°
；第二组位于监测区域b处，具体位置位于太阳轮10与行星轮13的端面，每个齿轮共安装8个光纤光栅传感器，每两个光纤光栅传感器间隔45
°
；第三组传感器位于监测区域c处，分别位于太阳轮 11、长行星轮14与短行星轮15的端面，每个齿轮共安装8个光纤光栅传感器，每两个光纤光栅传感器间隔45
°
。每个齿轮的8个光纤光栅传感器沿齿轮径向均匀分布在齿轮的齿端。
31.本实例所述的变速器装卡装置2与支架5通过垫片和螺母配合锁紧。
32.本实例所述的其检测区域共分为三处,a区、b区与c区,三个区域水平方向依次排列。
33.本实例所述的所述传感器均通过无线传输的形式，将所测得的信号传递至上位器，经由上位器筛选信号和判断信号准确性后，分析得出数据。上位器7、8与控制终端1相连。
34.本实例为丰田汽车九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，它包含以下步骤：
35.步骤一：将检测装置安装于台架并固定，搭建初始模块，组建测量模块，搭建测量模块，并确认齿轮参数。
36.步骤二：搭建转矩测量模块，调整转矩传感器，将转矩传感器与转矩传感器的上位器7相连，转矩传感器的上位器7通过总接线口与控制终端1相连接，并将参数初始化。
37.步骤三：搭建弯曲应变测量模块，调整光纤光栅传感器，将光纤光栅传感器与其上
位器8相连，光纤光栅传感器的上位器8会将传感器所得到的信号进行调节，将温度信号与弯曲应变信号分离，并将弯曲应变信号传送至控制终端1。将光纤光栅传感器上位器信号传输接口8与光纤光栅传感器的上位器与8控制终端1通过总接线口相连，并将参数初始化。每个齿轮的8个光纤光栅传感器沿齿轮径向均匀分布在齿轮的齿端。
38.步骤四：转矩传感器7与光纤光栅传感器8正常工作，得到弯曲应变信号与转矩信号。
39.步骤五：将齿轮简化为悬臂梁，通过将轮齿有效接触部分微分为一系列的微元，将每一个微元计算所得的弹性变形量进行叠加，最终求得任意瞬时啮合点处的法向变形柔度。将齿轮沿齿宽方向分为n份薄片，每份薄片的厚度均为 l/n，任意齿轮薄片齿轮均可认为是左端固定，且与微元右端相连的部分均可视为刚体，薄片齿轮微元的变形主要包含三个部分，在沿轴向力作用下引起的剪切变形，由沿齿轮径向外力引起的压缩变形与由轴向外力与弯矩共同作用下的弯曲变形。
40.步骤六：将m份薄片齿轮啮合区域划分为多个单元，每个单元均可由安装在齿轮不同位置的光纤光栅传感器测量各个薄片单元的弯曲应变δ
ij
。利用下述公式，可以得出，在该薄片齿轮上受载荷fj时，作用在单元上产生的应变。式中，δ
ij
为该位置处弯曲变形，通过利用光纤光栅传感器测量得到，fj为第m片薄片所受的外力，其数值可以由检测得出的转矩计算得出，γ为力fj与啮和线水平方向的夹角。ai为微元的面积，ti为微元长度，为压力角，ee为等效弹性模量，v为材料的泊松比。除此之外，还有在啮合点处，因为接触而产生的变形。e
12e
可以由相互啮合的齿轮各自的弹性模量计算得出，b为齿宽，fj为该薄片齿轮所受的外力，其数值可以由转矩传感器得出的转矩大小计算得出。因此，第m 片薄片齿轮副综合变形可以认为是以上各个应变之和；在第m片齿轮上单位齿宽上任意啮合点处的啮合刚度可以表示为在该点处法相啮合力与第m片薄片齿轮任意啮合点处的法向综合变形与齿宽乘积的比值。而整个齿轮在该瞬时的总啮合刚度，其在数值上与n片薄片齿轮啮合刚度的综合相同，即：综合相同，即：为第m片薄片齿轮的总变形量，为第m片薄片齿轮所受的外力，b为薄片齿轮的齿宽，kn为整个齿轮在单齿啮合时的啮合刚度。
41.对计算所得的多个单齿时变啮合刚度进行插值使得各单齿的时变啮合刚度序列长度相等，根据时间同步的原则，即前一个齿的第二段双齿啮合区与下一个齿的第一段双齿啮合区重合，对相邻的单齿时变啮合刚度进行融合计算，得到轮齿的综合时变啮合刚度。
42.以上对本发明所提供的九档自动变速器齿轮啮合刚度在线检测装置及多信号融合的检测方法，进行了详细的介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的原理以及实施方
案进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，再具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。