（机械制造及其自动化专业论文）汽车传动系试验台关键结构的优化设计.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 强害名缸以丈孑 委员： 主豢。意篓 脚z 触力趟猢邱叭叭 导师： 、与 讥文衫 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金月墨些厶堂 或其他教育机构的学位或证j 5 而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：乏支绨 签字日期：汐，年月2 岁日 u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨些厶堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金巴工些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权j 陆) 学位论文者签名： 壶文绛 、j 、 导师签名：v 研 & 青 签字日期：即，年月2 弓日 签字日期：2 口。年蟛月哆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 汽车传动系试验台关键结构的优化设计 摘要 结构优化设计是近几十年来发展起来的一个新兴领域，它克服了传统经验 设计的诸多局限，在许多领域有着非常广泛的应用。本文将结构优化的方法引 入到汽车试验台的结构优化中，用以改善试验台机械结构的薄弱环节，从而实 现提高试验台整体性能的目的。 本论文的主要研究内容及研究结果如下： 首先，实现了对试验台底座的结构优化。基于元结构思想实现了对试验台 底座的建模与低阶模态的分析，获得了底座结构尺寸与低阶频率之间的关系规 律。然后，引入正交试验设计思想，实现了对底座结构的进一步分析与优化。 其次，完成了对试验台高速驱动端主轴结构的优化。基于常用的主轴结构， 本文提出了一种新型高速抗振主轴结构，并对其主要结构和原理进行了分析与 研究。为了使该主轴系统具有更好的实际应用性，本文建立了主轴系统的有限 元模型，对主轴系统的静、动态特性进行了研究，并运用均匀设计的思想，实 现了对主轴结构的优化，求得了主轴系统频率的二次回归方程。基于主轴系统 的二次回归方程，完成了对主轴系统的结构优化，并提出了主轴系统参数化设 计思想。 最后，实现了驱动端整体隔振结构的设计与优化。本文将双层隔振系统的 思想应用到试验台驱动端隔振结构设计之中，完成了试验台驱动端隔振结构的 设计。最后对试验台驱动端进行了整体有限元建模与模态分析，找到了其存在 的薄弱环节，通过对结构的进一步改进，最终实现了试验台驱动端整体抗振结 构的优化。 关键词：汽车传动系试验台；模态分析；正交试验设计；均匀试验设计；双层 隔振 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ek e yp a r ts t r u c t u r a lf o r a u t o m o b i l ed r i v e t r a i nt e s tr i g a b s t r a c t s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni sar i s i n gf i e l dd e v e l o p e di nr e c e n td e c a d e i th a s o v e r c o m em a n yl i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a ld e s i g nt e c h n i q u ea n dh a sb r o a d a p p l i c a t i o n s i nm a n yf i e l d s i no r d e rt oi m p r o v et h ew e a kl i n ko ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ed r i v e t r a i nt e s tr i g ，t h i sm e t h o di s i n t r o d u c e dt ot h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h et e s tr i gi nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dc o n c l u s i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eb e ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ft e s tr i gi sc o m p l e t e d b a s e do n t h eu n i ts t r u c t u r et h e o r y ，b e ds t u r c t u r ei sd e s i g n e da n dm o d l ea n a l y s i si s c a r r i e do u tf o ri t a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a m es i z e so fb e ds t u r c t u e a n dt h el o w e rs t e p sn a t u r a lf r e q u e n c i e si so b t a i n e d t h e n ，a no r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g nt h o u g h ti s u s e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r e ，a n dg e tav e r y g o o dr e s u l t s s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no fh i g h - s p e e dd r i v es p i n d l es y s t e m i sc o m p l e t e d b a s e do nt h ec o m m o n l yu s e ds t r u c t u r eo fs p i n d l es y s t e m ，t h e n e wk i n do fs p i n d l es t r u c t u ei sd e s i g n e d a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n d p r i n c i p l ea r es t u d i e dd e e p l y i no r d e rt om a k et h es p i n d l es y s t e mh a v eb e t t e r p r a c t i c a b i l i t y , t h ef e mm o d e l i n gf o rs t r u c t u r ea n a l y s i so fs p i n d l es y s t e mi s f o u n d e d ，a n dt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d b a s e do nt h e h o m o g e n e o u sd e s i g n o fe x p e r i m e n ta n dm o d l ea n a l y s i s ，t h e q u a d r a t i c r e g r e s s i o ne q u a t i o n o fs p i n d l e s y s t e m i sa b t a i n e d a n dt h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no fh i g h s p e e dd r i v es p i n d l es y s t e mi sc o m p l e t e d a tl a s t ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dap a r a m e t e rd e s i g nt h o u g h to ft h es p i n d l es y s t e m f i n a l l y ，s t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no f v i b r a t i o ni s o l a t i o ns t r u c t u r e f o rt h ew h o l ed r i v ep a r ta r ec o m p l e t e d d o u b l ev i b r a t i o ni s o l a t i o nt h e o r yi s s u c c e s s f u l l yu s e dt od e s i g nt h ed o u b l ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns t r u c t u r eo ft h e w h o l ed r i v ep a r t a n dt h ef e mm o d e l i n gf o rs t r u c t u r ea n a l y s i so fd o u b l e v i b r a t i o ni s o l a t i o ns t r u c t u r ei sf o u n d e d b a s e do nt h em o d l ea n a l y s i sr e s u l t ， w e a kl i n ko ft h es t r u c t u r ei sf o u n d e d a f t e ri m p r o v e dt h es t r u c t u r eo ft h e d o u b l ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ，t h i sa r t i c l ec o m p l e t e dt h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no fv i b r a t i o ni s o l a t i o ns t r u c t u r es u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ed r i v e t r a i nt e s tr i g ：m o d l ea n a l y s i s ：o r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g n ：h o m o g e n e o u sd e s i g no fe x p e r i m e n t ： d o u b l ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ； 致谢 两年多紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际， 谨以只言片语向两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚 的谢意。 本文是在我的导师谢峰教授的悉心指导下完成的。两年多的学习生涯 中，导师在学习、生活等方面都给了我无私的帮助与支持。在学位课程的 拟定、研究课题的落实、论文撰写等方面导师给了我悉心指导和热情关怀。 导师渊博的学识、严谨的治学态度、忘我的敬业精神以及虚怀若谷的学术 作风给我留下了深刻的印象，并将激励我在今后的工作和学习中不懈攀 登! 在此谨向我的导师谢峰教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢赵刚、潘鑫对我在工程设计应用上的指导。感谢瞿文平、张婷、 李洪山、刘国林、宋旭等师兄师姐们对我的种种帮助。 感谢两年多来陪我一起度过研究生生活的同窗好友程林、赵强以及孙 源、郭康泽、魏瑞、杨智能、邵世超等师弟。他们的陪伴使我的研究生生 活充满了快乐和惬意。 感谢我的好友严军富、许华、孔祥伟、关鹏、王心凯、梅宇、郗世洪、 张定、苏朋、丁更新、孙自强、程剑峰等，谢谢他们这两年多对我生活、 学习上的帮助。 特别感谢我的父母、女友魏文霞，感谢他们多年来对我的学习和生活 的支持和鼓励。是他们给予了我战胜困难的信心和力量，使我得以顺利完 成了学业。本文凝结了他们的心血和教诲! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在 百忙之中给予的悉心指导! 作者：王文辉 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景一l 1 2 课题的来源及意义2 1 2 1 课题的来源2 1 2 2 课题的意义2 1 3 国内外传动系试验台研究的现状与发展2 1 4 国内外关于有限元分析与应用的研究现状3 1 5 课题研究的主要内容及拟解决的问题4 1 5 1 课题研究的主要内容4 1 5 2 课题研究中拟解决的问题4 1 6 本章小结5 第二章汽车传动系试验台的构造与试验规范6 2 1 汽车传动系试验台简介6 2 2 汽车变速箱试验台的构造6 2 2 1 变速箱空载磨合试验台的构造6 2 2 2 变速箱加载试验台的构造7 2 2 3 变速器同步器试验台的构造一7 2 2 4 变速箱试验规范8 2 2 5 变速箱试验台机械结构的性能要求1 0 2 3 汽车驱动桥、主减试验台的构造与试验规范1 0 2 3 1 驱动桥空载试验台的构造1 0 2 3 2 主减综合性能试验台的构造1 l 2 3 3 驱动桥齿轮疲劳寿命试验台的构造1 2 2 3 4 桥总成、主减总成主要检测项试验规范1 3 2 3 5 桥总成( 主减) 试验台机械结构的性能要求1 4 2 4 本章小结1 5 第三章传动系试验台铸铁底座结构的优化设计1 6 3 1 传动系试验台铸铁底座动态特性分析概述1 6 3 2 铸铁底座的结构设计与分析1 7 3 2 1 基于元结构的加载试验台底座的结构设计1 7 3 2 2 铸铁底座的模态分析l8 3 3 各结构因素对底座动态特性的影响2 0 3 3 1 底座约束结构对底座低阶频率的影响2 0 3 3 2 筋板结构对底座低阶频率的影响2 1 3 3 3 底座基本尺寸对底座低阶频率的影响2 2 3 4 基于正交设计的底座优化设计2 4 3 4 1 正交设计概述2 4 3 4 2 基于正交试验设计的底座优化设计2 7 3 5 底座与地面结合部的结构优化设计3 2 3 6 本章小结3 5 第四章高速抗振主轴系统结构设计与优化3 6 4 1 传动系试验台常用主轴系统概述3 6 4 2 高速抗振主轴系统的关键技术研究3 7 4 2 1 高速抗振主轴系统的结构设计3 7 4 2 2 主轴系统抗振结构及原理的研究3 7 4 2 3 轴承的组配形式及选型技术研究3 8 4 3 主轴系统热分析与散热、润滑结构的优化设计4 l 4 3 1 主轴系统热分析概述4 2 4 3 2 轴承发热量的计算4 2 4 3 3 主轴系统热分析边界条件的计算4 3 4 3 4 主轴系统稳态热分析仿真4 4 4 3 5 基于稳态热分析的主轴散热与润滑结构优化4 6 4 3 主轴系统静态、动态特性分析4 6 4 3 1 主轴的静态特性分析4 6 4 3 2 主轴系统的动态特性分析4 8 4 4 基于均匀设计的主轴系统动态特性优化5 1 4 4 1 均匀设计的概述5 l 4 4 2 均匀设计试验的数据处理5 2 4 4 3 主轴系统的均匀试验设计5 3 4 5 基于二次回归方程的主轴系统结构性因素分析5 8 4 5 1 主轴各结构性因素对其低阶频率的影响5 9 4 5 2 轴套各结构性因素对其低阶频率的影响6 0 4 6 基于二次回归方程的主轴系统的参数化设计6 1 4 7 本章小结6 2 第五章驱动端双层隔振系统的结构设计与优化6 3 5 1 传动系试验台抗振与隔振设计概述6 3 5 2 基于双层隔振系统的驱动主轴端隔振设计6 3 5 2 1 双层隔振系统的概述6 3 5 2 2 驱动主轴端双层隔振系统的机械结构6 5 5 2 3 橡胶隔振器的设计6 6 5 2 4 驱动主轴端双层隔振系统整体结构设计6 8 5 3 双层隔振系统的结构分析与优化6 8 5 3 1 驱动端整体有限元模型的建立6 8 5 3 2 驱动端隔振器结合部的结构优化7 0 5 4 本章小结7 l 第六章总结与展望7 2 6 1 总结7 2 6 2 展望7 2 参考文献7 4 攻读硕士学位期间发表的论文。7 6 插图清单 图1 1 汽车及其总成与机构的试验分类1 图2 1 变速箱空载试验台结构图6 图2 2 变速箱在线加载试验台结构图7 图2 3 同步器试验台结构原理图8 图2 4 机械式五档变速箱故障诊断试验规范图一9 图2 5 驱动桥空载试验台结构图1l 图2 - 6 主减综合性能试验台结构图11 图2 7 驱动桥齿轮疲劳寿命试验台结构图1 2 图2 8 桥总成磨合试验规范图1 3 图2 9 主减总成故障诊断试验规范图一1 4 图3 1 铸铁底座元结构类型图1 7 图3 2 底座结构名称释义图1 8 图3 3 六大类铸铁底座结构示意图1 8 图3 4 铸铁底座低阶频率振型图1 9 图3 5 底座改变约束位置后的频率分析图2 l 图3 - 6 增加约束后的底座频率分析图2 1 图3 7 筋板厚度与底座低阶频率关系图2 2 图3 8 筋板高度与底座低阶频率的关系图2 2 图3 - 9 底座长度与底座低阶频率的关系图2 3 图3 1 0 底座宽度与低阶频率的关系图2 3 图3 1 1 铸铁层厚度与底座低阶频率的关系图2 4 图3 1 2 正交试验原理图2 5 图3 1 3 正交试验设计流程图2 6 图3 1 4 正交试验设计结果分析流程图2 7 图3 1 5 优化变量结构图2 8 图3 1 6 筋板高度与上表面铸铁层厚度交互作用二维图3 l 图3 1 7 优化后的铸铁底座模态分析图3 2 图3 1 8 底座位于地面上的结合部结构简图3 3 图3 1 9 掩埋底座结合部结构简图3 3 图3 2 0 底座与地面减震垫铁连接结构图3 4 图3 2 l 新型铸铁底座固定结构图3 4 图4 1 常用主轴系统结构图3 6 图4 2 常用高速主轴结构图3 6 图4 3 新型高速抗振主轴结构图3 7 图4 4 主轴系统振动传递图3 8 图4 5 主轴系统载荷传递图3 8 图4 6 轴承组配形式图3 9 图4 7 主轴系统轴承定位预紧图4 0 图4 8 主轴系统热分析模型图4 4 图4 - 9 主轴系统温度场分析结果图4 5 图4 1 0 主轴系统瞬态热分析结果图4 5 图4 1 l 主轴系统润滑、散热结构设计图4 6 图4 1 2 主轴有限元模型图4 7 图4 1 3 主轴静扭分析结果图4 7 图4 1 4 主轴系统有限元模型图4 9 图4 1 5 主轴系统低阶模态振型图5 0 图4 1 6 主轴模态分析结果图5 l 图4 1 7 均匀设计符号介绍图5 2 图4 1 8 主轴二次回归方程的三维展示图5 6 图4 1 9 主轴一阶频率对长度求导式的二维表示图5 6 图4 2 0 轴套有限元模型图5 7 图4 2 1 轴套模态分析结果图5 7 图4 2 2 频率对于跨距求导式的三维图像表示图5 8 图4 2 3 主轴长度对主轴一阶频率的关系图5 9 图4 2 4 主轴轴径对主轴一阶频率的关系图5 9 图4 2 5 主轴约束长度与主轴一阶频率的关系图6 0 图4 2 6 轴套壁厚与一阶频率的关系图6 0 图4 2 7 轴承跨距与轴套一阶频率的关系图6 1 图4 2 8 轴套长度与轴套一阶频率的关系图6 l 图4 2 9 主轴参数化设计流程图6 2 图5 1 双层隔振系统模型图6 4 图5 2 双层隔振系统振动隔离效果图6 4 图5 3 双层隔振系统诺模图6 5 图5 4 变速箱试验台驱动端结构图6 5 图5 5 驱动端支架结构图6 7 图5 - 6 驱动端双层隔振系统结构图6 8 图5 7 变速箱试验台驱动端三维及有限元模型图6 9 图5 8 驱动端低阶模态分析图7 0 图5 - 9 驱动端结构优化后的三维图7 0 图5 1 0 驱动端结构优化后的模态分析图7 l 表格清单 表3 1 底座结构尺寸表1 7 表3 2 铸铁底座模态分析表1 9 表3 3 正交设计各因素水平表2 8 表3 4 四因素三水平表头设计表2 8 表3 5 底座正交试验规划与结果表2 9 表3 6 底座正交试验直观分析结果表3 0 表3 7 底座因素水平分析结果表一3 0 表3 8 底座正交试验方差分析表3 0 表3 9 筋板高度与上表面铸铁层厚度的交互作用表一3 1 表3 1 0 正交试验设计分析结果3 2 表4 1 主轴系统热分析边界条件表4 5 表4 2 主轴模态分析结果表5 0 表4 3 混匀设计混合水平试验设计表5 4 表4 4 主轴均匀试验设计分析表5 5 表5 1 质量比和刚度比的组合表6 7 表5 2 驱动端零部件材料属性表6 9 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 2 0 1 0 年我国的汽车产销双双超过1 8 0 0 万辆，刷新全球汽车产销纪录。伴 随着汽车行业的不断发展，人们对于汽车质量的要求也越来越严格。据中消协 统计，去年汽车成为投诉量同比上升幅度最大的商品，投诉量达到1 4 万余件， 同比上升5 1 1 ，创历史新高。为了提高汽车的质量，汽车试验台越来越受到 汽车生产厂家的重视，其最近几年发展非常迅速。 我国汽车行业在8 0 年代末9 0 年代初便建立了汽车标准委员会，旨在拟定适 应我国国情的汽车标准，其中中国汽车技术研究中心标准化研究所已编制汽 车标准汇编为汽车的各部分的术语作了说明和规定，并制定了各种零部件及 整车的试验标准与方法。 汽车试验总成与机构的各种不同类型的试验，按其用途、研究对象以及运 行试验的方法与条件来分类如图卜1 所示如下： 图1 - 1 汽车及其总成与机构的试验分类 如上图所示，本文研究的传动系试验台主要包括驱动桥、主减、变速箱、 等试验台，其中驱动桥、主减和变速箱加载试验台主要结构优化是本文研究的 重点。传动系试验台按载荷进行分类：空载试验台和加载试验台，加载试验台 又可以分为：综合性能试验台和疲劳寿命试验台。本文结构优化的重点为驱动 桥、主减和变速箱的加载试验台。 1 2 课题的来源及意义 1 2 1 课题的来源 该论文题目来源于国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 自动变速箱装配生产 线关键技术攻关及推广应用( 2 0 0 7 a a 0 4 2 0 0 7 - 2 ) 课题。 1 2 2 课题的意义 汽车传动系( 包括：离合器、变速器、万向节、驱动桥、主减速器、差速 器等) 是汽车的主要组成部分。它将发动机发出的动力传给驱动车轮，具有减 速增扭、实现汽车倒驶、中断传递以及实现驱动轮差速等功能，保证汽车能在 不同使用条件下正常行驶，并具有良好的动力性和燃油经济性。 汽车传动系是汽车的重要的组成部分，伴随着汽车产业的不断发展，汽车 传动系的安全性也越来越引起汽车生产厂家和消费者的重视。为检测汽车传动 系的性能，各大汽车生产厂家纷纷开始了对汽车传动系试验台的研发。 本课题希望能找到一种在试验台设计过程中，可以迅速对设计出的结构进 行c a e 多方面验证及改进的方法。与此同时，希望通过对现有试验台关键部分 进行的静态、动态性能分析，找到关键结构的优化方法，并对其加以优化。最 终达到提高传动系试验台设计质量，降低传动系试验台制造成本，提高传动系 试验台设计效率的目的。 1 3 国内外传动系试验台研究的现状与发展 对于汽车传动系试验台的研究，国外开始的比较早，已经有近六十多年的 发展历程。二十世纪五十年代，美国格里森公司就设计出了用轮系作为加载系 统的桥试验台的方案。与国外相比，国内对于传动系试验台的研究起步相对较 晚，研究工作始于上世纪八十年代初期，发展了近三十年。与国外相比，国内 试验台在自动化程度、控制精度、测试种类、测试准确度各个方面都有很大的 差距【2 1 。 我国传动系试验台在整个发展过程中，可以分为四大类：其一，机械加载 闭式试验台，这种试验台结构工作稳定可靠，但其机械结构非常复杂，性能单 一，不能对加载力矩进行精细调节；其二，液压加载闭式试验台，这种试验台 相对机械加载闭式试验台在加载力矩精细调节方面有了很大提高，但是其引入 了液压控制环节，可靠性减弱了，自动化控制也较弱：其三，为电封闭式试验 台，其控制方便，机械部分相对简化了，灵活性、通用性不好；其四，现在大 量使用的开式试验台。其结构简单，自动化程度高，无需陪试件，但对电器控 制要求较高，成本相对较高，能量回收利用难度大。对于传动系试验台，国内 很多专家、学者都进行了相关的研究。 合肥工业大学戴军康等通过对主减速器总成常用的试验规范进行初步探 究，并结合被试主减速器总成的结构性能特点及其工作状况，制定了被试主减 速器总成的试验规范。并对主减速器总成试验的开放式和电封闭式两大基本方 案的进行了详细的对比研究，对比后提出了电回馈加载方案f 2 】。 合肥工业大学蔡高坡等以惯量模拟为试验设计的出发点，制定了试验台的 基本布置方案，阐述了该试验台架的基本工作原理，分析了同步换挡试验惯量 模拟的过程。最后，对试验台架的总体结构、关键组成部件的工作原理和设计 原则进行了详细介绍【jj 。 天津大学王苏卿实现了对变速箱试验台测控系统的设计，其测控系统实现 了数据的实时采集和控制、实时显示、数据保存、数据打印、曲线图绘制等功 能，并通过p l c 控制器来实现自动控制【4 j 。 吉林大学宫耀旺等完成了对驱动桥总成综合性能试验台研究，详细阐述了 汽车驱动桥总成综合性能试验台的理论基础、结构设计、试验内容及应用。并 通过实际使用数据证明了其可靠性和有效性【5 】。 吉林大学王军年等对重型车辆驱动桥总成齿轮疲劳测试系统进行了相关研 究，其试验台是用机械加载的闭式功率流试验台架和计算机实时控制润滑油油 温的台架试验来模拟实车典型运行工况，通过试验的方式进行相关数据采集和 处理，对驱动桥尤其是其中的主减速器锥齿轮的疲劳寿命作出准确评价的计算 机控制系统1 6 j 。 1 4 国内外关于有限元分析与应用的研究现状 随着机械工业的发展，有限元在机械行业中的应用也越来越广。本课题将 引入有限元分析方法，来实现对汽车传动系试验台关键结构的分析与优化，用 以提高汽车传动系试验台的整体性能。在结构分析和优化方面，国内、外许多 大学、厂家的诸多专家、学者都进行了相关的研究。 德国u n i v e r s i t yo fa p p l i e ds c i e n c e 大学的s t e f a nr e h 和j e a n d a n i e lb e l e y 曾 论述过基于有限元的a n s y s 软件在机械行业的可行性分析。并对应用的方面 和实际应用实例都进行了论述【7 j 。 p u s a nn a t i o n a lu n i v e r s i t y 的b o n gj uk i m 和i e o mk e ep a i k 曾将有限元方 法应用到船身结构的优化，通过改变船身的结构和尺寸，实现了对船身的优化 研引引。 英国皇家学院f d q u e r o z 和p c g s v e u a s c o 在对复合材料梁特性的研究 中，采用弹簧阻尼系统来对接触面进行模拟，并进行了相关的论述【9 1 。 中南大学王宇奇等利用有限元法实现了对磨齿机床身和立柱的建模，进行 了结合部( 螺栓结合部、导轨滑块结合部) 分析，整机模型静态和动态性能分 析，并对整体模态分析中出现的薄弱环节进行了优化，最后用实验的方法验证 了有限元分析的正确性【l 。 哈尔滨工业大学解文志等已完成高速电主轴静态、动态性能特性的有限元 分析。其研究主要包括：电主轴的全面力学分析、有限元模型的正确建立、电 主轴的静态、动态性能研究【i 。 东南大学李恒熙等通过对数控车床进行有限元建模，静态、动态性能分析 和结构优化等多方面的分析，完成了基于a n s y s 的c k 6 1 3 6 数控车床的有限 元分析及优化设计课题的研究i l 引。 华中科技大学李修平等通过对高速加工中心进行有限元建模，静态、动态 性能分析等，完成了基于a n s y s 的高速加工中心有限元分析课题的研究【”】。 1 5 课题研究的主要内容及拟解决的问题 1 5 1 课题研究的主要内容 本课题将有限元分析和优化设计试验思想应用到结构的优化中，对传动系 试验台铸铁底座和变速箱试验台驱动端高度抗振主轴系统进行动态性能分析和 优化，此外还对主轴系统进行了热分析，并对其散热和润滑结构进行了优化， 最后对主轴系统支撑结构、直线导轨和底座的的隔振与抗振结构都进行了分析 与优化。其主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在已有传动系试验台的基础上，对机械结构、试验规范进行深一步的 分析，确定各机械部分的约束和运动状况，明确被分析对象的边界条件。 ( 2 ) 基于元结构的铸铁底座建模、动态分析与优化。文中分别对六种元结 构构成的底座进行了模态分析，并将其进行比较，并选取之中性价比最高的底 座结构进行了基于正交试验设计的结构优化。并明确了各底座结构之间的交互 作用。 ( 3 ) 对变速箱试验台驱动端主轴系统的结构性能进行了介绍与分析，并运 用a n s y s 进行了主轴的静态受力分析与主轴系统的动态特性分析，最后对其进 行了基于均匀设计的主轴系统结构优化，并求出其二次回归方程，实现了对其 结构的优化。 ( 4 ) 在求得主轴系统稳定温度场载荷和边界条件的基础上，对主轴系统进 行三维建模和稳态热分析，得到其温度最高点的位置并获得其温度时间曲线图， 最后对主轴系统润滑和散热结构进行了优化。 ( 5 ) 对主轴系统支撑结构进行基于二层隔振理论的结构设计，用以防止主 轴系统在高频状态下发生共振时引起的过大振动。最后进行了直线导轨的抗振 结构优化设计。 1 5 2 课题研究中拟解决的问题 ( 1 ) 如何使用s o l i d w o r k s 和a n s y s 实现对底座和主轴系统快速而又准确的 建模；并运用c o m o s 和a n s y s 实现对底座和主轴系统的静态、动态特性分析。 4 ( 2 ) 掌握正交试验设计的原理，并灵活运用正交试验设计方法实现对铸铁 底座结构的优化设计，其次掌握均匀试验设计思想，并用其实现对主轴系统的 优化设计，最后对这两种试验设计方法进行比较。 ( 3 ) 掌握a n s y s 轴承结合部的模拟方法，并将其应用于主轴系统动态特性 的分析当中，求得主轴系统的低阶频率，为主轴系统的优化做好铺垫。 ( 4 ) 掌握主轴系统热分析的方法，并准确求得主轴系统稳态热分析的边界 条件，实现主轴系统的稳态热分析，并实现对主轴系统润滑结构和散热结构的 设计。 ( 5 ) 掌握双层隔振的原理，将其应用到驱动端结合部的双层隔振设计中， 并实现变速箱试验台驱动端结合部双层隔振系统的设计与结构优化。 1 6 本章小结 本章首先提出了课题研究的来源及意义，然后对传动系试验台的发展、有 限元分析与应用研究现状等国内外相关研究领域进行了一定的介绍，概括了论 文研究的主要内容和想要解决的问题。 第二章汽车传动系试验台的构造与试验规范 2 1 汽车传动系试验台简介 对于汽车传动系试验台，本论文主要是指变速器、驱动桥总成、主减总成 三大类试验台。试验台按照加载载荷的有无可分为：空载试验台和加载试验台； 按照测试种类的不同，又可以分为磨合试验台、综合性能试验台和疲劳寿命试 验台三大类。 机械工业部部标准机械式变速器台架试验方法规定了载货车、越野车、 客车所使用的机械式齿轮变速器的台架试验方法。对于机械式变速器，需要进 行的试验项目有：( 1 ) 变速器传动效率试验；( 2 ) 变速器噪声测量；( 3 ) 变速 器动态刚性试验；( 4 ) 变速器静扭强度试验；( 5 ) 变速器疲劳寿命试验；( 6 ) 换档齿轮齿端冲击磨损试验；( 7 ) 变速器同步器性能和寿命试验。以上项目根 据被试变速器的实际情况进行选择【i4 1 。 参照机械工业部部标准q c t5 3 3 1 9 9 9 汽车驱动桥台架试验方法对于驱 动桥总成和主减总成试验台试验方法的规定，本文试验台其主要的测试项为： ( 1 ) 驱动桥( 主减) 总成噪声试验；( 2 ) 验证驱动桥( 主减) 的差速功能和驱 动桥转向功能试验；( 3 ) 实现桥总成或主减定时与定距离运行和磨合( 模拟整 车运行) ( 4 ) 桥总成和主减的在线装配故障诊断：( 5 ) 测量桥总成齿轮不同载 荷下的的试验寿命和疲劳损坏形式【i 副。 2 2 汽车变速箱试验台的构造 2 2 1 变速箱空载磨合试验台的构造 变速箱空载试验台主要用来做变速器的磨合试验、空载扭矩、空载噪声和 检测换挡过程中有无障碍。其结构图比较简单，如图2 - 1 所示： 图2 1 变速箱空载试验台结构图 1 底座；2 支架：3 电机；4 弹性联轴器：5 扭矩传感器： 6 变速箱支架；7 主轴定位系统8 变速箱 6 变速箱空载试验台所承受的载荷比较小，但是其要求的速度比较高，一般 都为3 0 0 0 r m i n 以上，对底座、夹具和支撑件的抗振性能要求较高，并且对输入 轴系的同心度要求也非常高，如图2 1 所示，为了测量变速器空载的扭矩，减小 冲击，一般采用弹性联轴器，如x l 型无间隙弹性联轴器和l x 型弹性柱销联轴 器，其底座最优选择为铸铁件。电机底座为钢板焊接件，其焊接结构必须合理， 否则将很容易产生共振，影响试验台的使用性能。 2 2 2 变速箱加载试验台的构造 变速箱综合性能试验台一般采用机械开式结构与电能回收装置构成能量封 闭的加载系统：试验台机械结构采用整体床身式结构。被试变速箱总成的驱动 和加载均由交流变频调速电机和变频调速系统共同组成的电加载系统来实现。 其主要结构原理如图2 2 所示： 图2 2 变速箱在线加载试验台结构图 1 变速箱驱动系统；2 - 左半轴加载系统；3 右半轴加载系统 试验台定位夹具利用变速箱总成离合器壳原有定位销孔在夹具定位盘上进 行“一面两销”定位。试验台设计工艺半轴法兰与变速箱总成的输出轴花键直 接相联接；试验台加载单元设置液压滑台驱动的柔性加载头来实现与工艺半轴 法兰的自动对接；加载头内设置弹性传动件确保高速工况传动的平稳性。 试验台的驱动电机和加载电机均通过平皮带与传动轴柔性相连，通过平皮 带轮副实现隔离电机振动和过载保护功能，其中如图2 一l 所示：本实验台的主 驱动系统的电机位于底座的地部，而左右半轴加载系统的电机位于底座装配平 面上，这样可以很好的隔离主驱动电机对底座及底座上装配件的振动冲击，也 很好的缩小了底座的宽度，其结构适用于变速箱在线加载试验台，对于普通的 综合性能试验台，其底座高度较低，驱动系统的电机也放在底座平面上。 2 2 3 变速箱同步器试验台的构造 同步器试验台采用双惯性飞轮旋转惯量模拟车辆直线行驶惯量实现换挡过 程中所需的输出轴处的惯量模拟。变速器由发动机直接驱动，并有专门的换挡 机构来实现试验中的换挡要求。应用等效惯量的算法尽可能地确保变速器左、 右半轴处旋转惯量在a m t 同步器结合过程中对其造成的冲击与