浙江大学
硕士学位论文
驱动桥的疲劳试验技术与试验系统软件开发
姓名：金伟峰
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：周晓军;徐志农
2002.2.1
本的分析，
摘要
论文对驱动桥的疲劳试验技术的研究与试验系统软件的
同时疽芥；吾了堑不讦孬霸百酥０系统和机械系统的构成
丌发进行了深入
为软件工作和疲
劳检测的展开打下了基础。
论文共分为七章，各章内容如下：
第一章为绪论，介绍了本论文的背景、汽车检测技术的国内外发展现状、汽车试验台的发展现状、本人在课题组中的任务以及ＨＣＱ一３．０驱动桥试验台功能、本论文的工作。
第二章介绍了塑至墅动插圭越速置的基本结构及其常见疲劳失效形式与原因、用弹流润滑基本理论对主减速器疲劳失效进行研究分析、驱动桥疲劳失效试验技术和软件的实现。
第三章ＨＣＱ一３．Ｏ试验台的设计包括：ＨＣＱ一３．０滚筒试验台检测的性能参数及其软件实现、ＨＣＱ一３．０试验台的总体设计和对软件的要求、机械系统结构和软件控制。
第四章论述了计算机控制系统基本原理和软件的任务，提出了ＨＣＱ一３．０自动轴荷加载系统的软件实现方法。
第五章阐述了试验系统的软件设计、系统软件的核心技术及其实现、系统软件的主要模块介绍。
第六章举例说明了估计母体中值的最少试件个数判据在ＨＣＱ一３．０疲劳失效试验中成组试验法的实际应用、ＨＣＱ一３．Ｏ制动性能试验的模拟实现，并显示其参数和曲线、ＨＣＱ一３．０控制系统软件部分界面。
第七章对本人工作的总结和展望。
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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第一章绪论
内容提要：本章介绍了本论文的背景、汽车检测技术的国内外发展现状、汽车试验台的发展现状、本人在课题组中的任务以及ＨＣＱ一３．０驱动桥试验台功能、本论文的工作
§１．１论文背景［１］［２】【３］
随着中国汽车市场不断壮大，政府政策逐渐放宽，经济的快速增长，特别是加入ＷＴＯ以后，进１：３汽车关税将从２００２—２００６年逐年下调，并且将逐步增加进口汽车配额量，直至取消进口配额许可证。这一系列的原因和措施使中国的汽车消费市场进入了一个蓬勃发展的阶段。最新数据表明，２０００年中国的汽车拥有量为１６００００００辆，其中轿车数量为３４５００００辆，客车的数量为３８０００００辆，货车的数量为７６６００００辆。２００１年中国国民对汽车的需求量增加了将近３０％。据最近一项权威调查显示，中国有７０００００００万个家庭具有购买汽车的经济能力，其中３３％的家庭加在最近３年内购买。同时由于政府比以Ｉｊ｛『更加重视公路建设，高速公路的建设也有了飞跃性的发展。现在中国的高速公路总长达１３２００００公罩。
在现代社会，汽车已经成为人们工作、生活中不可缺少的一种交通工具。汽车在为人类造福的同时，也带来了大气污染。噪声和交通安全等一系列问题。汽车本身又是一个复杂的系统，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能优良的汽车，在车辆出厂前就做好把关技术：另一方面要借助维护和修理，恢复其技术状况。
汽车生产过程的检测技术，作为现代制造技术的重要组成部分，它是监督控制生产过程和产品质量的眼睛和手段。一辆汽车有上千万个品种、上万个零部件组成。在大批量连续生产过程中，要保证整车的技术性能和使用要求，产品设计和工艺设计部门，要对每一种零部件，从原材料进厂、铸锻冲过程，机械加工和热处理，直至总成和整车的装配试验过程的各个生产环节，制订出质量标准指标和工艺技术参数，并加以有效的控制。
生产过程的检测技术，不但能够准确地判断这些质量性能指标和工艺技术参数，是否已经达到设计的要求，即产品是否合格。而且重要的是，通过对检测数据的分析处理，能够正确判断这些性能指标和技术参数失控的状况和产生的原因。这一方面可以通过检测设备的信息反馈，对工艺设备及时地调整来消除失控现象；另一方面也为产品设计和工艺设计部门采取有效地改进措施消除失控现象，提供可靠的科学依据，从而达到保证产品质量和稳定生产过程的目的。这就是通常所说的，检测技术对产品质量和稳定生产所起的“能动的反作用”。
尽管产品的高质量是制造过程实现的，而不是通过检验获得的。但是，从某种意义上讲，我们仍可以这样说：“没有检测，就没有产品的质量”。因此，一个国家（或一个企业）的检测技术水平，实际上是这个国家（或这个企业）生产技术水平的集中体现和反映。此外，先进的检测技术和工艺技术的结合，将有力地促进和提高生产过程的机械化。自动化水平，有效地减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率，降低原材料的消耗，从而为企业带来丰厚的经济利益。
随着生产的发展和技术的进步，尤其是进入以竞争为主要特征的商品经济
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时代，提高自身产品的质量，降低产品的成本，占有更多的市场份额，获得更高的经济效益，将是企业追求的永恒主题，这就使得检测技术在汽车制造中的作用和地位愈显重要。
由于汽车工业的总体水平相对于工业发达国家落后，我国的汽车检测技术及装备水平同样处于较为落后的地位。大部分生产厂家及汽车维修站的汽车性能及故障检测仍然停留在“手摸、眼看、耳听”及简单道路测试的原始水平。我国从８０年代起从日本和欧洲（主要是Ｒ本）引进（改造）了一些检测技术设备，这些设备除部分采用自动控制外大多采用单机人工操作，存在着自动化程度低，检测项目单一，检测精度及可靠性差，效率不高等缺点，如今已大大落后于世界先进水平，难以满足汽车生产及维修的需要。随着民族汽车工业的发展，对先进汽车产品检测技术及设备的需求越来越迫切。在积极引进、消化吸收国外先进检测设备的同时，也必须提高同类设备的自主设计开发水平，努力研制适合我国国情的先进检测设备，为保障汽车产品的高质量，加强产品的竞争力，促进我国汽车工业的发展提供必要条件。检测设备的研制生产得到了快速发展，缩小了与先进国家的差距。如今汽车检测中通用的制动试验台、侧滑试验台和底盘测功机等，国内已自给有余，而且结构形式多样。我们虽然已经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定距离。我国汽车检测技术要赶超世界先进水平，应该从汽车检测技术基础、汽车检测设备智能化和汽车检测管理网络化等方面进行研究和发展。
§１．２汽车检测技术的国内外发展现状【４Ｊ【５】【６ｌ
§１．２．１汽车检测技术概述
汽车制造技术包含了从原材料进厂开始到汽车整车出厂为止的整个过程。因此，汽车制造检测技术的涉及的面很宽，范围也很广。它的分类方法和要求也各不相同。按被检参数的属性分可以分为：物理化学性质的检测、几何量的检测、性能参数的检测。汽车检测参数是反映汽车技术状况直接或间接的参数。检测参数可以是上述任何参数。
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图１。ｌ汽车检测参数
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检测参数可以是稳定的值，也可以是动态信号，为提高检测精度，应根据不同的对象选择相应的检测参数。在选择检测参数时应根据参数的敏感性、单调性、稳定性和信息性的原则。除了这些原则外，测量的方便性和经济性也是必须考虑的。图卜１列举了几大类汽车检测参数。
汽车检测技术是汽车技术的发展而发展的，在汽车发展的早期，人们主要通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。既过去人们常讲的“望”（眼看）、“闻”（耳听）、“切”（手摸）方式。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。目前人们已能依靠各种仪器设备，对汽车进行检测，而且安全、迅速、准确。
根据以上所述，检验汽车技术状况的方法分三种：
ｌ、人工凭经验诊断法：这种方法具有不需要专门仪器或设备，投资少等优点。缺点是诊断速度慢、准确性差，不能进行定量分析，且需
要较高的技术水平。人工凭经验诊断法多使用于中小维修企业和汽
车队的故障诊断。虽然该法缺点较多，但在相当长的时期内仍有其
独特的使用价值。
２、仪器设备检测法：这种方法是在人工凭经验诊断法基础上发展起来的现代检验方法。该法可在汽车不解体情况下，借助简单工具，用
仪器或设备检测汽车性能和故障的参数，曲线或波形，甚至能自动
分析，判断汽车的技术状况。其优点是检测速度快，准确性高，能
定量分析和易掌握等。缺点是需要的仪器和设备多，操作人员多，
占用厂房大，因而投资也大。仪器设备检测法多适用于大型维修企
业和汽车检测站，它是现代汽车检测技术的发展方向。
３、系统检测方法：这是要计算机辅助检测基础上的多功能自动化检测方法。在检测系统早采用先进的计算机，传感器及电子设备，能同
时获得多个检测参数和进行多项测试功能。实现了状态信号采集，
特征提取，状态识别的自动化，并能以显示，打印，绘图等多种方
式自动输出检测分析结果。检测精确，可靠，效率高，已有一大批
先进的自动检测系统投入使用。
§１．２．２国外汽车检测技术发展概况
国外汽车检测设备发展较快，特别是工业发达国家、随着其汽车的发展速度和汽车保有量的迅猛增长、推动了汽车检测设备的发展进程；如今国外汽车检测维修设备已普遍应用高新技术，是机电一体化、智能化的综合体，产品质量高、工艺性好、使用方便可靠。如日本、美国、意大利等国家汽车检测诊断设备的种类、制造工艺、产品水平均处于世界领先地位，其产品己形成系列化、标准化和规范化。
发达国家对汽车的检测维修是十分重视的，同本早在１９４７年就举办了第一届“东京国际汽车机械工县博览会”、甚至还把检测维修列入法规范围。目前，日本拥有世界上最先进的电子调漆系统，过去各国的电子调漆设备都是通过汽车车架编号查找汽车油漆颜色和配方，而Ｒ本研制的新型调漆设备，则是应用扫描仪在汽车车身上扫描、扫描仪与计算机联网、通过计算机快速显示出结果。此外，日本还推出了综合检验台，测试的项目非常多，可以测定底盘输出功率、发动机功率、汽车行驶状态模拟、四轮定位、振动及悬挂以及制动和速度等，具有一机多能的测试功能。这些先进的检测维修设备都是当今世界名牌产品，而又有些设
塑坚盔堂堡主堂生丝苎——一
各已开始进入中国市场，对推动我国汽车检测维修行业的发展，填补当前国内设备空白，起到了积极的作用。
以下为国外汽车检测技术的发展特点：
ｌ、向标准化方向发展
工业发达国家的汽车检测有一整套的标准。判断受检汽车技术状况是否良好，是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免主观上的误差。除对检测结果有严格完整的标准以外，国外对检测设备也有标准规定，由于检测技术的标准化，不仅提高了检测效率，也保证了检测质量。
２、大量采用高新技术
现代汽车高安全度、低排放污染和低燃油消耗的要求与高度成熟的电子技术的结合使汽车技术发展迅猛：现代汽车己开始采用发动机电子管理系统（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｅＥｎｇｉｎｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）、防抱死制动系统（ＡＢＳ）及牵引力控制系统（ＴｒａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）等，这些新技术的应用，
使汽车结构发生了巨大变化，这无疑给汽车检测带来影响，促进检测设备的进一步发展新型汽车要新型设备来检修，国外汽车维修检测设备已普遍使用计算机技术、电子控制技术及数字显示技术等高科技。
３、检测方法由传统手段转向仪表化、微机化
随着各种新技术的出现，以及对检测技术要求的提高。传统的仅凭维修人员感官检测的方式已不能适应维修新形势的需要。为此，日、美、德等国开发了许多检测新仪表和微机化检测仪器，例如Ｒ本公司就开发了一些新型检测仪器和仪表。联式测压盒就是其中一种，盒中装有压力表，通过盒的软缆头可使驾驶员在驾驶室一次同时测得六缸柴油机的每个缸的高压油泵油压和涡轮增压器增加的压力。
４、检测诊断设备具有快速、准确、方便的特点
汽车诊断技术不仅可以减少检测汽车所花费的劳动量、劳动强度，提高汽车检测的经济效益，而且能对汽车的产品质量做出客观的评价，对汽车技术的合理改进提供可靠的基础数据。发达国家十分重视汽车诊断技术的发展，不论是随车诊断系统还是车外诊断系统，大都引进了先进的计算机、ＣＲＴ终端、打印输出和中央控制等一系列先进技术，甚至丌发出以声响和振动及其它一些介质进行诊断的技术。在汽车运行状态下不直接接触，不拆开汽车发动机部件，就可以掌握被诊断的系统内部的变化，十分方便。
５、开发与专用、特种车辆配套的检测设备
由于一些特殊工作和运输任务的需要，许多国家研制生产了完成特殊任务的专用车辆，例如修理工程车、救援车等，他们针对修理车的用途研制与之配套的检测设备。另外，为了修理大型、超大型工程车或运输车等，他们还开发了专用检测设备和机具。
§１．２．３国内汽车检测技术发展概况
自２０世纪６０年代后期，由于政府部门的重视，我国开始研制一些结构简单的维修设备，但由于种种原因，检测技术一直发展缓慢。到了２０世纪７０年代，特别是２０世纪８０年代以后，随着汽车数量的迅速增长，特别是随着汽车制造业和公路交通运输业的发展，我国的机动车保有量迅速增加。我国十分重视汽车检
塑些叁堂堡±堂堡堕壅——．——
测维修设备的研制、生产和装备一生产能力也从仅能生产简单的维修工具，发展到利用新技术、新工艺和新材料研究开发具有一定水平的检测诊断设备和维修设备。从近几年在北京举办的中国国际汽车维修检测设备及汽车用品展览会上不难看出，目前我国汽车检测维修设备行业的从业队伍正在不断发展壮大，检测维修设备的档次和技术含量越来越高，种类也同臻全面．逐步形成了类别和系列。
与发达国家相比，我国的汽车检测维修设备还存在许多急需解决的问题。主要表现为以下几点：
ｌ、产品可靠性低
国外同类产品的使用寿命长，一般３．５年不更换易损件，而国内产品性能不够稳定，故障率多，外观质量差。
２、自动化程度低、性能落后
直至上个世纪未，国内的检测维修设备虽然有了很大的发展，但仍有许多设备辽处于机械式或半机械式状态．而国外大都采用微机控制、
数字显示或彩色屏幕显示，精度高、检测效果好。
３、品种不全，更新慢
与发达国家相比，我国部分检测维修设备还属空白，有的修理厂甚至还在使用２０世纪５０、６０年代的产品。使用这些设备开展工作，工作
效率低、劳动强度大、修理质量差。
４、技术含量低
尤其是在汽车检测诊断技术方面，美国、同本、德国等工业发达国家，汽车诊断技术已具有相当水平，２０世纪９０年代初就已研制成功了
汽车诊断专家系统等高技术产品。而我园由于受大规模集成电路及传感
器等技术的制约，汽车检测诊断设备的技术水平仍有一定的差距。
５、检测设备的加工能力有待提高
目前存在这样的情况，有些项目虽然设计原理较先进，但在加工制造中，受材料、设备的限制，工艺上难以实现，精度、强度等指标都有
所放宽，在一定程度上降低了工具、设备的可靠性，进而影响了检测质
量。
§１．３汽车试验台的发展现状［２］［４］［７］［８］
§１．３．１常见试验台检测方案概述
汽车试验台常见的分类方法有多种：按测试原理不同，可分为反力式和惯性式两类；按试验台支承车轮形式不同，可分为滚筒式和平板式两种；按检测参数不同，可分为测制动力式、测制动距离式和综合式三类；按实验台的测量、指示装置传递信号不同，可分为机械式、液压力和电气式三类：按实验台同时能测车轴数不同，可分为单轴式、双轴式和多轴式三类。
在上述类型中，反力式滚筒制动试验台（测制动力式）和惯性式滚筒制动试验台（测制动距离式）获得了广泛应用。其中，特别是单轴反力式滚筒制动试验台应用最为普遍，国外车辆检测站所用制动检验设备多为这种型式。例如，苏联９０％的制动检验设备为反力式滚筒制动试验台。在同本，反力式滚筒试验台是被运输大臣批准的制动检验设备。
惯性式跑板制动试验台有一定应用，但不普遍。
塑些叁堂堡±堂堡笙苎——
多功能综合试验台不仅能检测车辆的制动性能，还能检测加速性能、滑行性能、燃料经济性和车速表指示误差等，有的甚至还能进行底盘测功等多项试验。
§１．３．２滚筒试验台检测方案
惯性式滚筒试验台的特点：
１、利用旋转飞轮的动能来模拟车辆在道路上驶时的平移动能，使车辆在试验台上再现道路行驶的实际状况。
２、试验台可由电动机或车辆的驱动轮来驱动，并能进行高速试验，因而测试结果与实际工况更为接近。
３、该种试验台的主要检测参数是各轮的制动距离，同时还可测得制动时间或减速度等其他参数。
反力式试验台的特点：
ｌ、采用低速试验，测试条件稳定，所需电机功率小，结构简单，占地拍ｉ少，并且适应多种车型检测。
２、不少反力式制动试验台除了能测得各车轮的制动力外，还可测出制动系统的协调时间、制动全过程时间和制动完全释放时间。如配备笔录仪和光线示波器，甚至可以描绘出制动全过程的曲线，从而为判断整个制动系的技术状况提供了依据。
惯性式滚筒制动试验台，由于采用高速模拟试验，比较接近道路行驶条件，因而试验方法更为先进些。而且，这种试验台可发展为能进行加速、滑行、测功等试验的多功能台架。本试验台系统不仅要能够检测制动性能参数，而且还应该具有检测驱动桥疲劳特性的功能，因此要求试验台具有良好的模拟路面的重要性质，惯性式试验台刚好满足这些要求。本系统是惯性式试验台。
§１．３．３惯性式试验台简介
惯性式试验台能较反力式试验台更好的模拟路面是因为其滚筒相当于一个移动的路面，试验台上各滚筒分别带有飞轮，其惯性质量与受检汽车的惯性质量相当，ＨＣＱ．３．Ｏ驱动桥试验台系统带有四组飞轮，因此可以检测多种型号的汽车，滚筒传动系统相当于汽车在道路上行驶的惯性。制动时，轮胎对滚筒产生阻力，虽然这时驱动滚筒传动系统的动力（本系统为汽车发动机的动力）已被切断。但由于滚筒传动系统具有一定的惯性，因而滚筒表面相对于车轮移过一定距离。由此可见，在惯性式制动试验台上可以模拟道路制动试验台的主要检测参数是各轮的制动距离，同时还可测得制动时间或减速度。
惯性式滚筒试验台按同时检测的轴数不同可分为单轴式和双轴式，按滚筒数量不同分为单滚筒式和多滚筒式。下面先说明双轴惯性式滚筒试验台的结构，如图卜２所示。
试验开始后，被检车驶上试验台，前、后滚筒组之间的距离可用油缸调节，调节后用油缸锁紧。由汽车发动机的动力经驱动轮驱动后滚筒组旋转，左右主动滚筒用半轴与传动器２箱连，并经变速器３、力．向节１３、电磁离合器１２、传动轴ｌｌ、变速器６、传动器随之带动前滚筒及汽车前轮一起旋转。此时按被检车辆行驶时的惯性等效质量配置的飞轮也一起旋转。当达到试验转速时，断开连接各滚筒的电磁离合器，同时作紧急制动。车轮制动后，滚筒飞轮依靠惯性继续转动，滚筒转动的圈数相当于车轮的制动距离，在规定试验车速下，滚筒继续转动圈数取决于车轮制动器和整个制动系的技术状况。滚筒转动圈数由装在滚筒端部的光
塑鲨查堂堡主堂堡堡墨——
电传感器５转变为电脉冲送入计数器记录，在滚筒的端部还装有测速发电机４测定试验车速，为防止汽车制动时向后窜出，在后滚筒组后装有第三滚筒１９。
这种动念检验制动性能的试验方法的试验条件接近汽车实际行驶条件，具有在任何车速下进行汽车制动测试的优点。
ｌ＿飞轮２．传动器３，６．变速器４．测速发电机５，９：光电传感器７．可移导轨８，１２．电磁离合器１０．移动架１１．传动轴１３．万向节１４．后滚筒１５．前滚筒１６．举升托板１７．移动架驱动油缸１８．夹紧油缸１９．第三滚筒２０．第三滚筒调节油缸
图卜２双轴惯性式滚筒试验台简图
§１．３．４惯性式平板试验台简介
惯性式平板试验台是一种低速动态惯性式试验台，由四块表面轧花的平板、传感器和指示装置组成，这种试验台具有测试方便、不需模拟转动惯量和更接近实际路试的优点。
从原理上来看，平板式制动试验台是主动的，只要保证力传感器能准确无误地把测试平板上受到的水平制动力与垂直力测量下来，平板式制动试验台就完全可以如实地把汽车制动过程检测出来。测试过程与实际路试条件较接近，能反映车辆的实际制动性能，即能反映制动时轴荷转移带来的影响，以及汽车其他系统（如悬架结构、刚度等）对汽车制动性能的影响。该试验台不需要模拟汽车转动惯量，较容易将制动试验台与轮重仪、侧滑仪组合在一起，使车辆测试方便且效率高。平板式制动试验台在理论上的优势得到一致公认，是机动车制动性能检验方法之一。目前平板式摩托车检测线己出现。并且这种试验台结构简单、运动件少、用电量少、日常维护工作量小，提高了工作可靠性。但这种试验台存在测试重复性差、占地面积大、需要助跑车道和不安全等缺点，目前国内尚未广泛采用。
检测时，车辆以一定的速度开到试验台四块可移动的活动板上，置变速器于空档并紧急制动。汽车在惯性作用下，通过车轮在平板上附加与制动力大小相等方向相反的作用力，活动板在车辆惯性的作用下发生位移，经传感器测出各车轮的制动力，并由指示装置显示检测结果。
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１．控制柜２．侧滑测试平板３，５，制动一轮荷
测试平板４．空板６．拉力传感器７，ｌＯ．压
力传感器８．面板９．钢球１１．底板
图１－３惯性平板式试验台
§１．４本人在课题组中的任务ＨＣＱ３．０驱动桥试验台功能
ＨＣＱ－３．０驱动桥试验台课题组所需要做的研究工作包括硬件和软件两个方面，其中硬件又可以分为机械系统、过程输入输出系统和计算机系统。可以将过程输入输出系统和计算机系统通称为控制系统，所以课题组工作分为机械系统、控制系统和软件系统的设计和开发。我所承担的工作主要是试验系统软件部分的开发，疲劳试验技术研究。应用软件是针对驱动桥检测过程而编制的控制和管理程序，如本系统中的输入程序、输出程序、控制程序、人机接口程序、打印显示程序等等。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响。
ＨＣＱ一３．０驱动桥试验台是为多种类型的驱动桥的自动化检测而设计的。为保证车桥的质量及生产效率，对检测设备也提出了比较高的要求，根据相关资料，这些要求可以总结为以下几方面：
１、人工装夹被试驱动桥，自动按路谱试验规范的要求进行加载控制与显示。
２、实现键动／半自动两种运行方式。要求半自动能脱离检测人员的干预。键动工作方式根据操作人员的按键状态确定检测系统下一步所要执行的动作。
３、检测过程高度自动化。为减轻检测人员的劳动强度、降低操作复杂性以及减少检测结果的人为影响，提高检测可靠性，检测过程实现高度自动化。
对检测的自动化要求还包括检测结果的自动分析、自动输出、保存等内容。
４、在疲劳检测时，要求有破坏前警报，破坏后自动停机。对一些参数设定阀值（如噪声、温度），如数值的大小超过阀值，触发报警系统。
５、检测数据、曲线图表与报表的自动管理，历史数据、曲线图表与报表的自动管理。其中包含备份、分类检索、质量统计分析。
６、检测系统具有较高的自我维护与自我诊断的能力。当检测系统发生故障
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时，检测系统能提出警告，并依据当前故障的严重性决定是否继续检测。
７、检测设备因有良好的人机界面，操作简单方便。一般不能期望检测人员深刻了解检测设备，它们在复杂的操作程序面前往往一筹莫展，而且不友好的人机界面和复杂的操作降低了检测效率，增加了误操作的可能性。
在ＨＣＱ一３．０试验系统的设计与实现中，以上要求作为指导原则。无论在检测方案的设计、软件的编制，还是在系统所用产品的选型的制造、安装过程中，处处体现了上述要求。
对于上述后桥试验机系统的设计要求，试验机应具有以下一些功能：
１、检测功能：ＨＣＱ一３．０作为～个检测设备，这是其所具备的基本的最重要的功能。ＨＣＱ一３．０试验系统设计与实现中考虑了对于驱动桥制动性能和驱动桥疲劳特性的检测和评价。
２、检测辅助功能：包括检测参数设置、检测标准设置、动作控制工具、车速的调节、试验载荷的调节、液压站的管理等。
３、检测结果的输出。
４、系统检查功能。
５、安全保护功能。
６、良好的人机操作界面。
针对系统需要实现上述功能，通过分析和研究，ＨＣＱ一３．Ｏ驱动桥试验台系统检测参数如图ｌ一４所示：
图卜４ＨＣＱ一３．０驱动桥试验台检测参数
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§１．５本论文的工作
本论文的主要研究工作是结合ＨＣＱ一３．０驱动桥试验台的研制而开展的。主要用于对各种驱动桥进行检测。
本论文主要工作：
１、介绍了该论文的背景、汽车检测技术的国内外发展现状、汽车试验台发展现状、本人在课题组中的任务和ＨＣＱ一３．Ｏ驱动桥试验台功能：
２、ＨＣＱ一３．０疲劳检测技术：介绍了汽车驱动桥主减速器的基本结构及其常见疲劳失效形式与原因、用弹流润滑基本理论对主减速器疲劳失效进行研究分析、驱动桥疲劳失效试验技术和软件的实现：
３、ＨＣＱ一３．Ｏ试验台的设计包括：ＨＣＱ－３．０滚筒试验台检测的性能参数及其软件实现、ＨＣＱ一３．０试验台的总体设计和对软件的要求、机械系统结构和软件控制；
４、论述了计算机控制系统基本原理和软件的任务，提出了ＨＣＱ一３．０自动轴荷加载系统的软件实现方法；
５、阐述了试验系统的软件设计、系统软件的核心技术及其实现、系统软件的主要模块介绍；
６、举例说明了估计母体中值的最少试件个数判据在ＨＣＱ一３．Ｏ疲劳失效试验中成组试验法的实际应用、ＨＣＯ一３．０制动性能试验的模拟实现，并显示其参数和曲线、ＨＣＱ一３．０控制系统软件部分界面；
７、对本人工作的总结和展望；
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第二章主减速器疲劳失效分析及驱动桥
疲劳失效试验技术研究
内容提要：本章介绍了汽车驱动桥主减速器的基本结构及其常见疲劳失效形式与原因、用弹流润滑基本理论对主减速器疲劳失效进行研究分析、驱动桥疲劳失效试验技术和软件的实现
§２．１驱动桥主减速器介绍及其常见失效形式与原因
§２．１．１驱动桥主减速器简介［１３］
驱动桥的主减速器齿轮、轴承、差速器壳、半轴及桥壳等在工作中承受交变应力，都有疲劳寿命的问题，但通常以驱动桥总成的形式在台架上进行的疲劳寿命试验，大都是考验主减速器齿轮、轴承及其他零件的疲劳寿命，而半轴、桥壳等的疲劳寿命试验，则在专门的试验台上进行。
要知道主减速器的结构，首先必须要了解驱动桥，下面简单地介绍一下驱动桥的结构。汽车的驱动桥处于传动系的术端，其基本功能是增大传动轴或直接由变速器传来的扭矩，将扭矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能，同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。
驱动桥一般由减速器、差速器、半轴和桥壳等组成，如图２—１所示，其中：主减速器：降低转速，增加转矩，并改变转矩的传递方向；
差速器：在传递转矩的同时可使汽车的两侧驱动车轮以不同的转速旋转：半轴：将转矩由差速器传递到驱动车轮；
桥壳：用以支承汽车的部分质量，并承受由驱动车轮传来的路面反力和力矩，并经悬架传给车架，同时也是主减速器、差速器等的外壳；
ｌ、驱动桥壳２、主减速器３、差速器４、半轴５、轮毂
图２－１非断开式驱动桥示意图
主减速器的结构型式，主要是根据其车轮类型、主动齿轮和从动齿轮的安置方法以及减速型式的不同。
一、主减速器齿轮的类型
在现代汽车的驱动桥上，采用得最广泛的主减速器齿轮型式，是“格里森”
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（Ｇ１ｅａＳＯｎ）制或“奥利康”（Ｏｅｒｌｉｋｏｎ）制的螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。在双级主减速器中，通常还要加一对圆柱齿轮或一对行星齿轮。在轮边减速器中则常采用普通平行轴式布置的斜齿圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。在某些公共汽车、无轨电车和超重型载重汽车的主减速器上，有时也采用蜗轮传动，这种传动型式主要用在英国的汽车上。。
螺旋锥齿轮传动如图２—２所示：其主、从动齿轮轴线相交于一点。交角可以是任意的。但在绝大多数的汽车驱动桥上主减速齿轮副都是采用９０。交角的布置方案。由于轮齿端面重叠的影响，至少有两对以上的轮齿同时啮合，因此螺旋锥齿轮能承受大的负荷。加之其锥齿不是在齿的全长上同时啮合，而是逐渐地由一端连续而平稳地转向另一端，因此其工作平稳，即使在高速运转时，噪音和震动也是很小的。
双曲面齿轮传动，如图２—３所示：其特点是主、从动齿轮的轴线不相交而成空间交叉。其空间交叉角（即将一轴线平移，使与另一轴线相交的交角）也都是采用９０。夹角。主动齿轮轴相对于从动齿轮轴有向上或向下的偏移，称为上偏置或下偏置。这个偏移量称为双曲面齿轮的偏移距，当偏移距大到一定程度时，可使一个齿轮轴从另一个齿轮轴的上面通过。这样就能在每个齿轮的两边布置尺寸紧凑的支承。这对于增强支承刚度，保证齿轮正确啮合从而提高齿轮寿命大有好处。由于双曲面传动主齿轮螺旋角的增大，还导致其进入啮合的平均齿数要比螺旋角齿轮相应的齿数多，因而双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动工作的更加平稳、无噪声、强度也高。
图２—２螺旋锥齿轮传动图２—３双曲面齿轮传动
二、减速器主动锥齿轮的支承型式
在壳体结构及轴承型式已定的情况下，主减速器主动齿轮的支承型式及安置方法，对其支承刚度影响很大，这是齿轮能否正确啮合并具有提高使用寿命的重要因素之一。
现代汽车主减速器主动锥齿轮的支承型式有以下两种：
１、臂式
齿轮以其轮齿大端－－Ｎ的轴颈悬臂式地支承于一对轴承的外侧。
２、马式
齿轮前后两端的轴颈均以轴承支承，故又称两端支承式。
三、主减速器的减速型式
主减速器的减速类型，可分为单级减速、双级减速、单级贯通、双级贯通、单级或双级减速并配以轮边减速等。
单级减速器和双级减速器分别如下图所示：
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图２－４单级主减速器图２－５双级主减速器
§２．１．２主减速器常见疲劳失效形式及其原因
作者通过阅读各种资料，大体总结出了主减速器的常见疲劳失效形式。下面主要列出了三种车型主减速器的常见疲劳失效形式：
一、ＥＱｌ０６０３吨汽车后桥主减速器采用单级双曲面齿轮传动，差速器为对称式锥齿轮差速器，半轴为全浮式，桥壳为钢板冲压焊接式桥壳，润滑油为１８Ｗ／９０双曲线齿轮油［１８］。
通过对７０余套ＥＱｌ０６０３吨汽车后桥主减速器失效齿轮观察和分析，发现失效形式主要是磨损，其中磨料磨损和粘着磨损失效的占５０％，有的齿轮磨损相当严重，轮齿接近齿顶部分已磨损成尖刀状。表面接触疲劳失效的约占３７％，以浅层剥落、硬化层剥落同时存在者居多ｃ此外，被动齿轮严重磨损的占多数，主动齿轮磨损失效的占１０％左右。
从磨损过程来看也是极不正常的，部分车齿轮使用寿命不足１０万ｋｍ，个别的在磨合期不久，甚至在磨合期即出现严重磨损，导致齿轮传动失效。
二、ＥＱｌ０９０随着齿轮材料的选择、表面加工及表面处理工艺的进一步优化，其制造质量得到明显提高，但许多用车单位却仍频频出现主减速器齿轮过早磨损失效现象，经对ＥＱｌ０９０汽车磨损实物进行拆检分析发现，这种现象主要是由于对车辆的使用和调整不当，导致齿轮发生了磨粒磨损、粘着磨损或干涉磨损所致［１９］。
三、ＬＮｌ４３Ｅ汽车驱动桥主减速器中主、从锥齿轮的早期损坏已成为用户关注的焦点。在宁城运输公司调查中有的新车仅行驶２０００ＫＰｓ，甚至在磨合期就产生了齿轮早期磨损现象，其损坏特点是：齿面脱落，磨损严重［２０］。
据上所述，磨损成为主减速器的最常见疲劳失效形式，因此，在进行ＨＣＱ一３．０驱动桥疲劳检测试验时，主减速器发生疲劳破坏之后，只需对主减速器按上述原因进行分析，就可以得到主减速器需要改进的地方。因此找出磨损的主要原因，并寻求其解决办法对延长汽车主减速器的使用寿命将具有及其重要的意义，引起齿轮磨损的主要原因主要有以下几种：
１、磨粒磨损
当轴承麻点剥落的微粒、齿面剥落碎片、桥壳内残留污物及表面脱落下来的碳化物小颗粒混入润滑油中，未得到及时清理时，这些硬而尖锐的小颗粒随着润滑油一起压入两齿面间，在两齿面相对滑动时，将齿面金属切削下来而引起了磨粒磨损，切削下来的金属又混入润滑油中，成为新的磨粒。随着磨粒数量增加，使磨损越来越严重，直至齿轮失效。磨粒磨损后齿面会有沿滑动方向的条纹，条纹粗细与磨粒大小有关。
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２、粘着磨损
双曲线圆锥齿轮传动时，两轴线彼此交错而不相交，由于主动小圆锥齿轮轴线与大圆锥齿轮轴线偏转了一个距离，引起齿面间的纵向滑移，且齿面间压力很大，使表面接触应力很高．属于边界润滑范畴。因此．对润滑油的极压性有很高的要求。如其达不到要求，圆锥齿轮相啮合面间的油膜很容易被破坏，引起两齿面的金属直接接触发生粘着，之后随两齿面的相对滑动，粘着处被撕裂，产生两齿面材料转移现象，转移即意味着表面的破坏和磨损。粘附材料成为齿面上略硬峰点，在相对滑移过程中，对另一表面产生“犁沟”作用而形成磨损，磨削下来的碎片以及粘附材料通过接触区的反复加载和卸载，从齿面脱落而成的磨屑．都将成为坚硬磨粒，又导致磨料磨损，使齿轮进一步失效。
３、干涉磨损
当驱动桥主减速器圆锥齿轮的啮合间隙和啮合印痕调整不当，或双列圆锥滚针轴承预紧力调整不当时，都会引起轮齿啮合不良，在运转时会在齿根或齿根顶部产生干涉，并引起磨损。如东风Ｅ１０９０车上最常见发生的是主动轴齿顶挤出棱脊，同时齿面发生粘着撕伤，从而引起齿轮失效。
引起齿轮早期磨损的因素很多，这早仅结合驱动桥齿轮的磨损特点，对一些主要原因进行分析。
１、油膜厚度、膜厚比及其影响摩擦副的润滑状念是影响其磨损情况的关键因素之一。在齿轮传动这种线接触的高副机构中，也能建立分隔摩擦表面的油膜，形成动压润滑。在重载情况下，由于接触应力高，接触表面的几何形状发生变化，使油膜形状不再由零件的原始形状决定，同时润滑油的粘度已不是恒定的数值，它随着压力的提高而增加。这些因素都使接触区的油压分布规律发生明显地变化。所以，在重载条件下分析摩擦副的润滑，就要考虑弹性体的接触变形和润滑油粘度变化对动压油膜建立起作用的弹性流体动压润滑理论（简称ＥＨＤ）。美国齿轮制造者协会（ＡＧＭＡ）建议把根据弹流理论计算油膜厚度作为齿轮传动设计的一个重要部分。
２、摩擦表面形态的影响齿轮齿面的表面粗糙度对润滑状态的影响是不容忽视的。在通常齿轮设计中，对其强度、应力等方面有关参数的计算分析，都有一个重要假设，即接触的两齿廓表面均为几何光滑面，但实际上切削加工的齿轮表面形貌的轮廓高度接近于正态分布规律，其分布密度函数为
娴＝而１ｅ寺
齿轮轮齿的啮合为粗糙曲面接触，接触状态为弹性和塑性混合。一般来说，在啮合状态下，较高的峰易发生塑性接触，较低的峰处于弹性接触。当油膜厚度为ｈ时，在接触过程中只有轮廓高度Ｚ＞ｈ的部分才可发生接触，实际接触面积Ａ与载荷ｗ为线性关系。
脚
Ａ２２ｎｎｒｌ（ｚ一＾）９（ｚ）（如
ｗ＝２删盯ｆｏ一厅）妒ｏ）ｄｚ
式中：ｎ——粗糙表面峰点数；Ｆ——粗糙峰顶半径。
当膜厚比＾＜３时，即在部分弹流润滑状态下，出现轮齿啮合两表面峰点接触与油膜润滑同时存在的混合状态。当＾更低时，由峰点接触所承受载荷的比例
逐渐增大，这将显著提高部分弹流润滑的总摩擦系数。
３、正确调整间隙
对驱动桥进行正确调整，是保证主减速器齿轮经久耐用的一个重要条件。驱动桥的调整包括圆锥齿轮副的啮合间隙和啮合印痕和调整、主减速器小圆锥齿轮轴上圆锥滚子轴承和差速器轴承预紧力的调整。圆锥齿轮副啮合间隙要求在０．１５～Ｏ．４０ｒａｍ，如长时间磨损后，间隙过大，齿面承受的冲击负荷增大，会加速齿轮磨损失效，而间隙调整过小又会引起干涉磨损和粘着磨损。正确的啮合印痕其长度约为齿面宽度的６０％，位置略偏牙齿的小端和低于齿顶０．８～２ｍｍ处。啮合印痕失常会使牙齿单位面积压力增大而加剧磨损，甚至打坏牙齿，一些维修人员只重视啮合间隙的调整而忽视了啮合印痕，因啮合间隙和啮合印痕的调整是相互影响的，在调整发生矛盾时，常出现用破坏啮合印痕的办法来迁就啮合间隙，导致齿轮早期失效。轴承预紧的目的，主要是为增加轴向刚度，减小主动齿轮轴的位移量，保证主、从动齿轮的正确啮合，当轴承磨损松旷，预紧力消失时，圆锥齿轮轴会受到轴向力形成的力矩作用，产生歪斜和摇摆，破坏齿轮的『Ｆ确啮合，会加速齿面的磨损，因此，应及时加以调整。
§３．２基于弹流润滑理论的主减速器疲劳失效研究分析
§３．２．１弹流润滑基本理论
在本章中引入弹流润滑理论主要是为了确定驱动桥主减速器是否工作在合适的润滑状态，以及确定最小油膜厚度的数值和膜厚比是否满足主减速器的工作要求。从工程实用方面考虑，对弹流润滑理论最基本的要求是确定油膜厚度，特别是最小油膜厚度的数值。
对于等温线接触弹流润滑问题，不论采用何种粘压关系和密压关系，都可以认为包含八个独立变量，即油膜厚度ｈ、当量曲率半径最当量弹性模量∥、粘贴系数ａ、润滑油环境粘度目。、单位长度上的载荷矿、卷吸速度Ⅳ、和润滑油密度Ｐ。。考虑到常用的各种润滑油的密度相差不多、密压曲线也十分相似，所以在将数值解结果回归膜厚公式时，一般不把作Ｐ。为独立变量，而是将它归并到公式的常数因子中。这样，实际需要考虑的变量减为七个。此外，为了进一步减少回归膜厚公式时所需的原始数据量，还可以将这些变量归并为几个无量纲参数常用的无量纲参数组有两种，一种是Ｄｏｗｓｏｎ等人提出的，并得到广泛的应用，即［２１］
Ｈ＝ｆ（ｗ．Ｕ．Ｇ）
式中
Ⅳ：鱼
ＲＵ：旦坐
Ｅ’Ｒ缈：旦
Ｅ’ＲＧ＝ａＥ７
另一种无量纲参数组被称为Ｍｏｅｓ参数组，膜厚公式只需用三个无量纲参数来表示，即
Ｔ＝ｆ（Ⅵ．Ｌ）
其中几从￡上与Ｄｏｗｓｏｎ参数组的关系为
。
日
１２——
（２Ｕ）２Ｍ：』●上：Ｇ（２∽；
（２Ｕ）５
虽然采用Ｍｏｅｓ参数来回归公式所需的原始数据较少，但这些参数的物理意义不明确，所以，在本节中我们采用第一种无量纲参数表示膜厚公式。
为了工程计算的方便，有必要划分各种润滑状态区和标明各种润滑公式的适用范围．为此，人们采用一组统一的无量纲参数，把各种润滑状态下的油膜厚度用图线或公式表示在同一张图上．这种线图常称为弹流润滑状态图或油膜厚度图．
迄今为止，在有关接触润滑的各种油膜厚度计算公式中，所采用的无量纲参数共有十多组，而每组由三或四个参数所组成，各个参数的物理意义和表达形式也不相同．从数学上分析，若要表示油膜厚度与其它物理量之间的关系，只需要三个无量纲参数就够了．Ｊｏｈｎｓｏｎ在分析的基础上归纳了三个具有明确物理意义的无量纲参数，用这三个统一的无量纲参数可以表示接触润滑的各种膜厚公式．这三个无量纲参数为
膜厚参数ｈ，
ｈ，：生出（２一１）
’
叩ｏｕＲ
粘性系数昏
它表示润滑剂的粘度随压力变化的大小．
ｇ，＝警（旦）ｉ（２—２）
托ｑｏｕ
弹性参数＆
用以表示表面弹性变形的大小．
ｇ。＝—』ＬＴ（２－３）
（ｒｌｏｕＥ＇Ｒ）２
下图是Ｈｏｏｋｅ提出的线接触问题润滑状态图．图中纵坐标为粘性参数ｇ。横坐标为弹性参数ｇ。．并绘出通过计算求得的无量纲膜厚参数ｈ，的等值曲线．同时将整个图面划分成四个润滑状态区，给出了各区所适用的线接触润滑油膜厚度计算公式［２２］。
如图２－６所示，汇交于Ｂ点的四条直线的方程式为
ＡＢ：ｇｖ＝５ＢＣ＝ｇｅ＝２ＢＤ：ｇ，３ｇ。＝１ＢＥ：ｇ，ｇ。５＝２
这四个润滑状态区的情况如下
１、刚性．等粘度（Ｒ－Ｉ）区
在此区域内，由于昏和＆数值都很小，也就是说压力使粘度无明显的变化，表面弹性变形甚微，因此粘压效应和弹性变形均可忽略不计。这种状态符合高速轻载时采用任何润滑剂的余属接触副的润滑条件。此时，可以根据Ｍａｒｔｉｎ公式
计算油膜厚度（此处略）
２、刚性．变粘度（Ｒ．Ｖ）区
在这一区内，ｇ。仍然保持较低的数值，即表面弹性变形很小，可近似地按刚性处理．而ｇ。值较高，粘压效应成为不可忽视的因素．这种状态符合于中等载荷时润滑剂的粘压效应比表面弹，性变形影响更显著的会属接触副．此时，油膜厚度可按照Ｂｌｏｋ公式计算。
３、弹性．等粘度（Ｅ—Ｉ）区
该区ｇｖ的数值较低，因此可认为粘度保持不变。而ｇ。的数值较高说明表面弹性变形对润滑起着主要作用．这种状态符合于表面变形显著而粘压效应很小的润滑条件，例如采用任何润滑剂，的橡胶接触副或者用水润滑的金属接触副等等。
对于这种润滑状态，油膜厚度的计算可采用Ｈｅｒｒｅｂｒｕｇｈ公式。
４、弹性．变粘度（Ｅ．Ｖ）区
对于这种润滑状态，由于ｇ。和＆的数值都很高，因而粘压效应和弹性变形对于油膜厚度具有综合影响．这种润滑状态符合重载荷条件下采用大多数润滑剂的金属接触副，油膜厚度根据Ｄｏｗｓｏｎ．Ｈｉｇｇｉｎｓｏｎ公式计算，即
ｈ＝２．６５９０５４９０
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图２－６Ｈｏｏｋｅ线接触润滑状态图
在工程实际应用中，根据工况条件算出粘性参数ｇ，和弹性参数＆的数值，再由这两个坐标值由确定对应的和这样，就可以意接查出膜厚参数ｈｆ：或者根据该点所在润滑区相适应的公式计算油膜厚度。
进一步转化之后，即可得到Ｄｏｗｓｏｎ于１９６８年提出的最小膜厚公式无量纲式修正式：
‰。＝等＝ｚ筋ＧＯ５４ＵＯ７∥”
其有量纲形式为
ｈ。。＝２．６５ａｏ５４（仉∥７Ｅ，－ＯｍＲｏ
４３Ｗ…