精密制造与自动化２０１３年第期
汽车等速万向节功能测试系统设计
孙刚徐克林
（同济大学机械与能源工程学院上海２０００９２）
摘要介绍了汽车传动轴在模拟装车状态下，实现离线功能性测试的工作原理，详细介绍了摆角、偏转角度矩、移动力、移动距离、滚动矩、轴向间隙、圆周间隙和摆角间隙测试的特点和方法。从精确、可靠的角度出发，论述了汽车等速万向节功能测试台的总体方案结构、控制系统的原理框图、软件系统的构成及其特点，为实现汽车等速万向节加工工艺优化提供可靠的试验数据。
关键词等速传动轴测试系统接口功能测试间隙摆角移动力
最初的汽车是用链条传动的，１９世纪４０年代改为实心轴传动，以后部分产品又改为空心轴传动。
轿车的重要传动部件。等速万向节传动轴右端是移动万向联轴节（以下简称移动节），左端是固定万向
变速箱和传动轴是纵向设置的，而车轮是横向设置的，在传动轴两端又安装了万向节（万向节一端是采用球型万向节，另一端由三销节组成）。汽车传动轴能在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力，连接或装配各项配件
而可移动或转动的圆形物体配件。一般汽车发动机的动力是通过变速器、传动轴、后桥减速器和差速
联轴节（以下简称固定节），中间是轴身。传动轴产品要求有严格的质量保证，其中的八项性能指标是质量保证的基本要素。其模拟传动轴在底盘下所承受的包括传递扭力、传递位移和摆角等诸多的性能考核，故八功能试验机的开发应用己成为衡量传动轴批量生产过程稳定性的衡量标准。
２０世纪８０年代初，国内的汽车传动轴功能检
器等传送驱动到车轮上。
等速传动轴主要用于传递扭力，使汽车在运行中不受后驱动桥上下运动的限制，通常安装在变速器与轮毂之间。根据汽车不同的传动方式，分为前
置前驱、后置后躯、四驱。由于驱动轴装在汽车钢
测采用了百分表等量具进行手工单项抽检，测试效率和测试自动化程度都比较低，无法实现在一次安装后完成多项性能的检测。
结合对传动轴测试系统的分析，设计开发了具有模拟汽车动态运行功能的等速万向节传动轴八功
能试验机。测量系统具有在一次安装下可以进行连续测试的功能，测试数据均用仪表模拟指示人工读出。这台试验台的显著特点是一次装夹可进行八项功能测试，从而在同行业中，对于传动轴的功能检
板弹簧之下，而变速器装在车架（大梁）之上，两者
之间在行驶中因钢板弹簧的上下跳跃产生相对位移，故传动轴的倾斜角在经常变化。钢板弹簧的跳
动使变速器、驱动轴这两部分的轴线、轴向和距离也在不断地变化。在这种情况下传动轴和伸缩节、万向节构成的传动装置起着保证传递扭力的作用。
汽车在转弯或遇上凹凸不平的路面时依旧能传递动力，这就需要有能够变化角度的装置来传递
动力，万向传动装置就是这样诞生的。其主要作用是连接不在同一直线上的变速器输出轴和主减速器
测有了比较先进的技术优势。但是八项功能的测试必须经过八次手工操作分别完成，而且数据需人工记录，限制了测试效率的进一步提高。随着电子计算机的出现，产品的测试技术得到了飞速的
发展。在计算机的控制下，测试参数的设置、数据的采集、处理记录和测试结果输出等繁琐的操作轻
输入轴，并保证在两轴之间的夹角和距离要经常变
化的情况下，仍能可靠地传递动力。下面介绍测试
而易举地实现了自动化，从而大大地提高了测试效
率和测试精度，更好地保证了传动的质量，提高了
系统模拟汽车在不同路况下的传动轴运动情况。
１
产品的市场竞争力，并节约了大量的人力、物力和财力。随着国外先进生产技术的不断涌入，自主研发合作研制也成为了一种可能。表１是对国内各阶段八功能试验机性能特点的对比情况。
汽车传动轴八项功能测试的发展历程
在传动系统领域，等速万向节传动轴是中小型
３０
孙刚等汽车等速万向节功能测试系统设计
表１各时期等速传动轴功能试验机的性能特点
第一代设备特点第一代等速万向节功能试验机采用了纯机械结构设计。手动卡盘设计、功能测试均采
用百分表测试，测量结果受外界因素影响大。数据一
第二代设鲁特点第二代八功能试验机具有一定的半自动化能力，通过步进电动机摆角能实现点动控制，圆周间隙通过齿条与传感器测量，对于轴向间隙仍采用百分表测
量。传感器精度与测量的
第三代设备特点国产第四代八功能试验机采用了气动卡盘与红外线测距技术，在晟耗时的圆周间隙试验时，工作节拍有较大的提升，比较适用于日常生产中的测试使
用。３个激光发射器配备
憾三叠螳二二二＿ｔ
…
肜；
可靠性高，实轴加持装置
测量的稳定性强，不足的
了ＣＣＤ线性感光元件通过信号处理器计算出位移距离，使用３个扭矩及力传感器、２个角度编码器及４个磁栅传感器，共１２个各类传感器。
致性较差。
是加持较繁琐．影响效率。
左锁紧：兰｛遵！！三！一嚣紧气＆
ｔ
陋Ｐ
图１新传动轴多功能试验机结构示意图
从表１中可以看出，各台设备都有各自的优势。
２０００年的低端设备与高端设备的落差还是比较明显。在现今的设备对比中，国产设备的崛起打破此行业中的进口设备的垄断地位，设备性能的差距也
晷蠖筐？ｏｂｄ－号“ｋ二‘—・
图２新传动轴多功能试验机结构示意图
在不断地缩小。所采用的气动卡盘技术、半自动化的功能试验测量大大提高了工作效率及测量的准确性。在此设备上应用在全球也属于领先技术的红外线测距技术，缩短了圆周间隙试验的工作时间，八
功能试验机的发展具有深远的影响。
３功能测试机的整体机械结构
３．１测试台
整个八功能试验台主要分为驱动头架、摆动尾
八功能试验机旨在应用机械、力学原理、传感技术、远红外光学技术和计算机辅助测试技术ｎｑｌ，研制出一种符合当今市场需求的智能化程度较高的
传动轴综合测试设备。
架和床身３个部件。床身部分起支撑头架和尾架的作用，其中驱动头架在床身的左上方，摆动尾架在床身的右上方，在其上方还有２个卡盘起夹持轴身的作用。头架部分通过蜗杆蜗轮及摆动电动机完成固定节的摆角、摆动间隙、偏转角度矩、滚动矩、轴向间隙和圆周间隙。电动机装在尾架上通过
减速器驱动传动轴旋转，主要用于测试变速箱端万
２新传动轴多功能试验机的特点
较以往测试设备，新试验机采用了：
（１）气动卡盘技术方便试件的装夹，提高了测试
速率；
向节的摆角、摆动间隙、偏转角度矩、位移力和位移量。测试台的正面安装了一个可拆卸式手轮，用于移动尾架，便于传动轴的安装。通过齿轮齿条与床身连接，整个试验台安装了多个光学传感器。
３．２
（２）在测量位移数据及安装传动轴中采用了多个磁栅传感器，较以往手动测量装夹传动轴更为方
便、准确；
电动机柜及辅助操作系统
功能试验机配备了２个电动机柜（２个柜子分
（３）圆周间隙与轴向间隙测试中采用激光位移传感器，大大提高了测试精度，也更符合测验要求；
（４）在圆周间隙加载扭矩的结构中，加入了比例调压阀控制加载机构蜗轮蜗杆的啮合力度，可以减
别是：计算机控制柜．总的中央控制单元、动力柜．提供电力）负责必要的电力配送及传感器的检测。
更通过装载了ＬａｂＶＩＥＷ软件的ＰＣ来进行检测及
少了齿轮齿尖的磨损，提高了齿轮的使用寿命；
（５）电动机控制由交流伺服系统构成，由程序连续控制，摆脱以往点动控制电动机的不足。
试验数据的反馈。在完成各个试验的测量时，都有相应的软件安全保护以及限位保护等。气动元件的使用使得整个过程自动化程度更高，操作简
精密制造与自动化
２０１３年第３期
单、容易。在完成多个性能的测量以后，通过ＬａｂＶＩＥＷ可以看到测量结果。
移动头架上，当两者产生相对移动时即可测得位移
值，并通过位移电动机实现传动轴移动节端的拉升与压缩。采用磁栅传感器实时测量位移值，磁栅传感器的测量相对于旧设备的手工测量更加精确。
４．５
４功能测试原理４．１摆角
即为传动轴的固定节和移动节绕各自回转中心旋转。角度依据不同的产品参数来加以调测。电
移动力
即为移动节移动时所需要的力。同测位移量一
样，拉压力传感器的一端接在螺母上，另一端接在
动机和减速器直接带动卡盘使传动轴以设定转速
＝Ｎ
可移动的头架上，通过拉压力传感器即可测得移动力的大小。纵坐标为移动力，横坐标为移距，如图
４所示。
移动力
Ｆ／＜Ｎ）
ｒ／ｍｉｎ转动，传动轴万向节摆动中心与转轴中
心重合。伺服电动机由联轴器通过蜗杆蜗轮副带动转轴转动，并带动固定在转轴上的压板使得转动板转动，从而使传动轴产生摆角，最终从角度传感
器测得摆角值。采用摆动电动机与旋转编码器实现了对传动轴固定节与移动节端的摆动与监控，相比以往设备的人工操控（点动），试验测试的精度、效率大大提高。
－１０－５０＋５
＋１０移距（ｍｍ）
４．２偏转角度矩
即为固定节和移动节绕转动中心摆动时所需要的力矩值。在上述测量摆角的方法中，通过拉压力传感器测得力的大小，乘以从传感器到转动中心的距离即为偏转角度矩，如图３偏转角度矩图。
挠曲角／（ｏ）
实际移距图
。
图４移动力．移距图
４．６轴向间隙
即为万向节与轴身之间存在的间隙。在使用测
位移量的方法时，应首先测出位移量，消除移动节的移动量，然后通过拉压力传感器推动头架运
限制线
行。当推（拉）力达到要求值时，可以通过激光传感器测得轴向间隙。运用快速傅里叶变换方法对测量结果进行数据分析。４．７圆周间隙
即为固定节在圆周方向所存在的间隙。用床身
上的三爪卡盘将传动轴夹紧，并消除机床与轴之间的间隙，然后通过转动蜗杆带动蜗轮，对传动轴施加扭力。将拉压力传感器测得的值乘以其到轴心
负位移正位移（ｍｍ）
图３偏转角度矩形图
４．３摆动间隙
即为传动轴的固定节和移动节摆动时的间
隙。同测偏转角度矩一样，伺服电动机正方向旋转带动转动板正向转动，正转至规定力矩值后，再使伺服电动机反转。由于存在间隙，因此在刚刚发出脉冲之后，转动板不会立即转动。当间隙被消除之
后，转动板开始转动，此时用计数器记录丢失的脉冲数，乘以伺服电动机的步距角即为摆动间隙。
的距离，即为所施加的力矩值。当该值达到要求后，蜗杆反向转动，实现反向施力。在到达所要求的值之后，将测得的位移值换算成圆周间隙角度，即测得固定节在圆周的间隙。在这个测量过
程中，使用激光传感器来测量位移更加准确，误差更小，如图５所示，圆周间隙角度计算见式（１）。
Ａ目：２ａｒｃｓｉｎ
４．４移动量
即为移动节的移动量。伺服电动机带动丝杠转
Ｉ—生Ｉ
，，
＾一
、
（１）
动，则螺母作直线移动并带动头架在直线滚动导轨上移动，使卡盘带动传动轴作直线运动。位移传感器的一端固定在直线滚动导轨上，另一端固定在可
Ｌ２（Ｒ十三）／
式（１）中，尺为传动轴半径，ｍｎｌ；Ｌ为激光光斑至
磁性表架底部距离，ｍｉｌｌ。
３２
孙刚等汽车等速万向节功能测试系统设计
《窿
４．８滚动矩
即固定节与移动节成一定角度时，加载２５～１５０Ｎ・ｍ的扭力，旋转测得的转矩与固定节和移动节成零度时，加载旋转测得的转矩之差。先使头尾
移量，其余３个完成安装试件的位置测量的功能），共１２个各类传感器和１２位ＤＯ（数字输出端口）。本系统选取通用多功能数据采集卡以满足
Ｉ／Ｏ要求，同时该卡集成了定时器，为伺服电动机
控制系统的定时功能提供了方便。
架摆角为零，在头架上用蜗杆蜗轮加载器加载。由电动机经减速器、扭矩传感器带动传动轴转动。
由扭矩传感器测得扭矩值，将头尾架摆动到规定的角度，用同样的方法再测得扭矩值，与前一值之差即为传动轴的滚动矩，如图６所示。
起
嘧点Ｖ最赶角度
ｎ
—＼，‘－／、、＾
挠曲角
图７多功能试验机控制原理图
本测试台共有５个驱动元件，伺服电动机１
图６滚动矩图
实现头架摆动，伺服电动机２实现尾架摆动，伺
服电动机３实现头架移动，由蜗杆蜗轮加载器实现
５５．１
多功能试验机测控系统硬件部分
在设备中以工控机为核心的控制单元是实现一
主轴力矩加载（在测滚动矩时），同步电动机实现主
轴旋转。这些驱动元件的启停、旋转速度、旋转方向和加载力矩的方向均由工控机控制。主轴电动机采用了伺服电动机，电动机由变频调速器驱动，采用了速度控制模块。在本系统中采用了串行通讯的方
法，通过４２２以及ＣＡＮ通讯接口进行远程控制，可以对变频器进行完全控制，通讯距离长，不易受到
次装夹、自动测量功能的关键。控制单元负责发布驱动指令、记录测试数据、统计测量值等，达到按
程序项自动测试的目的。键盘和鼠标向工控机发
出信号，通过工控机向数据采集卡发出的进行数
据采样指令，操纵传感器工作，在得到要求的数
干扰。驱动信号由定时器中断服务程序产生，此信号通过ＤＯ（数字输出端口）输出，经光电隔离后由功率放大器放大，从而驱动伺服电动机运转。本系统采用了数字ＰＩＤ算法对加载矩进行控制，输出量由Ｄ／Ａ转变成模拟电压电压信号通过功率放大
后作用于励磁线圈，使加载矩稳定在设定值附近。
据后，反馈到工控机进行处理，最后由显示屏显示或用打印机输出。多功能试验机控制原理如图７所示。为了实现控制与测量，需要使用３个激光位移
传感器（用于圆周间隙试验及轴向间隙试验中测量位移量），３个扭矩及力传感器（Ｔ２２摆动扭矩传感器、Ｔ４０旋转扭矩传感器、Ｔ４０力传感器，对移动力、偏转角度矩及滚动矩等进行测量和反馈），２个
５．２软件部分
计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的
过程参数进行巡回检测，数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行
角度编码器（测量偏转角度，给摆角试验和角度移矩试验提供输出）及４个磁栅传感器（１个负责测量位
精密制造与自动化
积累和实时分析。为设备编写的实时软件应满足
２０１３年第３期
和计算机测试技术，以机电一体化的设计思想，通过计算机采样、控制、仿真等技术研制出了的一种智能
一定的实时性要求，研究的主要目的是如何对实时系统的人机联系装置、实时时钟过程通道等进行编程和管理。采用了ｌａｂｖｉｅｗ编程软件作为工具，以实现测控系统中的一系列功能。测控系统软件由以下模块组成：初始化程序模块、显示程序模块、中断处理程序模块、信号输入程序模块、信号输出程序模块和退出模块。实时软件工作的可
靠性十分重要，在测试台软件设计中采用了抗干
化较高的传动轴综合测试设备，在机械结构上降低了加载时的移动力、扭矩和偏转角度矩，提高了转动、移动和偏转的平稳性，在有限的空间内实现了机电协调一体化，并具备了柔性化的性能，大大提
高了使用的灵活性、适用性和利用效率，为等速传动轴总成的设计与材料选择和传动轴的加工工艺优化提供了可靠的科学试验数据。
扰编程原理及方法，在程序中插入了空操作指令以实现ＰＣ的冗错，利用时间来克服系统的死锁和软件设计陷阱。６结语
应用机械力学原理、传感技术、远红外光学技术
（上接第２９页）
参考文献
［１］彭鸿才．电机原理及拖动［Ｍ］．北京：机械工业出版社１９９４．
［２］［３］
沈兰荪．数据采集与处理［Ｍ］．北京：能源出版社，１９８７．方培生．传感器原理与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９６．
３．５．２前轴承外的间隙迷宫密封
间隙迷宫密封是利用液体流经迷宫形式的间隙时形成的液阻来达到密封目的的。理论上这种形式不能完全密封。为了实现有效的间隙密封，除了提高流通阻力外，在主轴上增设了挡油环，利用其挡
油和甩油的功能，将外侧的赃物排除在电主轴体壳外，它与端盖配合形成的密封结构如图９所示。
４结语
随着现代信息技术和微电子技术的成熟应用，以数控机床为基础的加工自动化技术将得到
快速发展。
高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向，是装备制造业中的战略性产业。采用性
能优良的高速主轴无疑会提升高速数控机床的工作性能，因此结合静压轴承／动静压轴承的设计，利用其速度范围宽、承载能力大、运动精度高、抗振性
压～Ｆ斟
一●＿
能好和使用寿命长等特点，对内置式静压电主轴轴系进行了结构设计，其设计思路为该类电主轴的进
一步理论研究提供了参考。
参考文献
［１］
陈世钰．大功率空气静压轴承电主轴［Ｊ］．中国机械工程，２００１，１２（３）：２６８—２６９．［２］
熊万里，阳雪兵，吕浪，等．液体动静压电主轴关键技术综述［Ｊ］．机械工程学报，２００９，４５（９）：卜２４．［３］机床设计手册编写组．机床设计手册第３册：部件、
机构及总体设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８６．
［４］
图９前轴承外侧密封结构
通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件构建了以上设计的内置式静压电主轴三维模型，其结构剖面图如图１０所示。
余鸿钧．流体静压主轴［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．
［５］
图１０内置式静压电主轴的结构剖面图
余鸿钧．流体静压主轴［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．
精密制造与自动化２０１３年第期
汽车等速万向节功能测试系统设计
孙刚徐克林
（同济大学机械与能源工程学院上海２０００９２）
摘要介绍了汽车传动轴在模拟装车状态下，实现离线功能性测试的工作原理，详细介绍了摆角、偏转角度矩、移动力、移动距离、滚动矩、轴向间隙、圆周间隙和摆角间隙测试的特点和方法。从精确、可靠的角度出发，论述了汽车等速万向节功能测试台的总体方案结构、控制系统的原理框图、软件系统的构成及其特点，为实现汽车等速万向节加工工艺优化提供可靠的试验数据。
关键词等速传动轴测试系统接口功能测试间隙摆角移动力
最初的汽车是用链条传动的，１９世纪４０年代改为实心轴传动，以后部分产品又改为空心轴传动。
轿车的重要传动部件。等速万向节传动轴右端是移动万向联轴节（以下简称移动节），左端是固定万向
变速箱和传动轴是纵向设置的，而车轮是横向设置的，在传动轴两端又安装了万向节（万向节一端是采用球型万向节，另一端由三销节组成）。汽车传动轴能在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力，连接或装配各项配件
而可移动或转动的圆形物体配件。一般汽车发动机的动力是通过变速器、传动轴、后桥减速器和差速
联轴节（以下简称固定节），中间是轴身。传动轴产品要求有严格的质量保证，其中的八项性能指标是质量保证的基本要素。其模拟传动轴在底盘下所承受的包括传递扭力、传递位移和摆角等诸多的性能考核，故八功能试验机的开发应用己成为衡量传动轴批量生产过程稳定性的衡量标准。
２０世纪８０年代初，国内的汽车传动轴功能检
器等传送驱动到车轮上。
等速传动轴主要用于传递扭力，使汽车在运行中不受后驱动桥上下运动的限制，通常安装在变速器与轮毂之间。根据汽车不同的传动方式，分为前
置前驱、后置后躯、四驱。由于驱动轴装在汽车钢
测采用了百分表等量具进行手工单项抽检，测试效率和测试自动化程度都比较低，无法实现在一次安装后完成多项性能的检测。
结合对传动轴测试系统的分析，设计开发了具有模拟汽车动态运行功能的等速万向节传动轴八功
能试验机。测量系统具有在一次安装下可以进行连续测试的功能，测试数据均用仪表模拟指示人工读出。这台试验台的显著特点是一次装夹可进行八项功能测试，从而在同行业中，对于传动轴的功能检
板弹簧之下，而变速器装在车架（大梁）之上，两者
之间在行驶中因钢板弹簧的上下跳跃产生相对位移，故传动轴的倾斜角在经常变化。钢板弹簧的跳
动使变速器、驱动轴这两部分的轴线、轴向和距离也在不断地变化。在这种情况下传动轴和伸缩节、万向节构成的传动装置起着保证传递扭力的作用。
汽车在转弯或遇上凹凸不平的路面时依旧能传递动力，这就需要有能够变化角度的装置来传递
动力，万向传动装置就是这样诞生的。其主要作用是连接不在同一直线上的变速器输出轴和主减速器
测有了比较先进的技术优势。但是八项功能的测试必须经过八次手工操作分别完成，而且数据需人工记录，限制了测试效率的进一步提高。随着电子计算机的出现，产品的测试技术得到了飞速的
发展。在计算机的控制下，测试参数的设置、数据的采集、处理记录和测试结果输出等繁琐的操作轻
输入轴，并保证在两轴之间的夹角和距离要经常变
化的情况下，仍能可靠地传递动力。下面介绍测试
而易举地实现了自动化，从而大大地提高了测试效
率和测试精度，更好地保证了传动的质量，提高了
系统模拟汽车在不同路况下的传动轴运动情况。
１
产品的市场竞争力，并节约了大量的人力、物力和财力。随着国外先进生产技术的不断涌入，自主研发合作研制也成为了一种可能。表１是对国内各阶段八功能试验机性能特点的对比情况。
汽车传动轴八项功能测试的发展历程
在传动系统领域，等速万向节传动轴是中小型
３０
孙刚等汽车等速万向节功能测试系统设计
表１各时期等速传动轴功能试验机的性能特点
第一代设备特点第一代等速万向节功能试验机采用了纯机械结构设计。手动卡盘设计、功能测试均采
用百分表测试，测量结果受外界因素影响大。数据一
第二代设鲁特点第二代八功能试验机具有一定的半自动化能力，通过步进电动机摆角能实现点动控制，圆周间隙通过齿条与传感器测量，对于轴向间隙仍采用百分表测
量。传感器精度与测量的
第三代设备特点国产第四代八功能试验机采用了气动卡盘与红外线测距技术，在晟耗时的圆周间隙试验时，工作节拍有较大的提升，比较适用于日常生产中的测试使
用。３个激光发射器配备
憾三叠螳二二二＿ｔ
…
肜；
可靠性高，实轴加持装置
测量的稳定性强，不足的
了ＣＣＤ线性感光元件通过信号处理器计算出位移距离，使用３个扭矩及力传感器、２个角度编码器及４个磁栅传感器，共１２个各类传感器。
致性较差。
是加持较繁琐．影响效率。
左锁紧：兰｛遵！！三！一嚣紧气＆
ｔ
陋Ｐ
图１新传动轴多功能试验机结构示意图
从表１中可以看出，各台设备都有各自的优势。
２０００年的低端设备与高端设备的落差还是比较明显。在现今的设备对比中，国产设备的崛起打破此行业中的进口设备的垄断地位，设备性能的差距也
晷蠖筐？ｏｂｄ－号“ｋ二‘—・
图２新传动轴多功能试验机结构示意图
在不断地缩小。所采用的气动卡盘技术、半自动化的功能试验测量大大提高了工作效率及测量的准确性。在此设备上应用在全球也属于领先技术的红外线测距技术，缩短了圆周间隙试验的工作时间，八
功能试验机的发展具有深远的影响。
３功能测试机的整体机械结构
３．１测试台
整个八功能试验台主要分为驱动头架、摆动尾
八功能试验机旨在应用机械、力学原理、传感技术、远红外光学技术和计算机辅助测试技术ｎｑｌ，研制出一种符合当今市场需求的智能化程度较高的
传动轴综合测试设备。
架和床身３个部件。床身部分起支撑头架和尾架的作用，其中驱动头架在床身的左上方，摆动尾架在床身的右上方，在其上方还有２个卡盘起夹持轴身的作用。头架部分通过蜗杆蜗轮及摆动电动机完成固定节的摆角、摆动间隙、偏转角度矩、滚动矩、轴向间隙和圆周间隙。电动机装在尾架上通过
减速器驱动传动轴旋转，主要用于测试变速箱端万
２新传动轴多功能试验机的特点
较以往测试设备，新试验机采用了：
（１）气动卡盘技术方便试件的装夹，提高了测试
速率；
向节的摆角、摆动间隙、偏转角度矩、位移力和位移量。测试台的正面安装了一个可拆卸式手轮，用于移动尾架，便于传动轴的安装。通过齿轮齿条与床身连接，整个试验台安装了多个光学传感器。
３．２
（２）在测量位移数据及安装传动轴中采用了多个磁栅传感器，较以往手动测量装夹传动轴更为方
便、准确；
电动机柜及辅助操作系统
功能试验机配备了２个电动机柜（２个柜子分
（３）圆周间隙与轴向间隙测试中采用激光位移传感器，大大提高了测试精度，也更符合测验要求；
（４）在圆周间隙加载扭矩的结构中，加入了比例调压阀控制加载机构蜗轮蜗杆的啮合力度，可以减
别是：计算机控制柜．总的中央控制单元、动力柜．提供电力）负责必要的电力配送及传感器的检测。
更通过装载了ＬａｂＶＩＥＷ软件的ＰＣ来进行检测及
少了齿轮齿尖的磨损，提高了齿轮的使用寿命；
（５）电动机控制由交流伺服系统构成，由程序连续控制，摆脱以往点动控制电动机的不足。
试验数据的反馈。在完成各个试验的测量时，都有相应的软件安全保护以及限位保护等。气动元件的使用使得整个过程自动化程度更高，操作简
精密制造与自动化
２０１３年第３期
单、容易。在完成多个性能的测量以后，通过ＬａｂＶＩＥＷ可以看到测量结果。
移动头架上，当两者产生相对移动时即可测得位移
值，并通过位移电动机实现传动轴移动节端的拉升与压缩。采用磁栅传感器实时测量位移值，磁栅传感器的测量相对于旧设备的手工测量更加精确。
４．５
４功能测试原理４．１摆角
即为传动轴的固定节和移动节绕各自回转中心旋转。角度依据不同的产品参数来加以调测。电
移动力
即为移动节移动时所需要的力。同测位移量一
样，拉压力传感器的一端接在螺母上，另一端接在
动机和减速器直接带动卡盘使传动轴以设定转速
＝Ｎ
可移动的头架上，通过拉压力传感器即可测得移动力的大小。纵坐标为移动力，横坐标为移距，如图
４所示。
移动力
Ｆ／＜Ｎ）
ｒ／ｍｉｎ转动，传动轴万向节摆动中心与转轴中
心重合。伺服电动机由联轴器通过蜗杆蜗轮副带动转轴转动，并带动固定在转轴上的压板使得转动板转动，从而使传动轴产生摆角，最终从角度传感
器测得摆角值。采用摆动电动机与旋转编码器实现了对传动轴固定节与移动节端的摆动与监控，相比以往设备的人工操控（点动），试验测试的精度、效率大大提高。
－１０－５０＋５
＋１０移距（ｍｍ）
４．２偏转角度矩
即为固定节和移动节绕转动中心摆动时所需要的力矩值。在上述测量摆角的方法中，通过拉压力传感器测得力的大小，乘以从传感器到转动中心的距离即为偏转角度矩，如图３偏转角度矩图。
挠曲角／（ｏ）
实际移距图
。
图４移动力．移距图
４．６轴向间隙
即为万向节与轴身之间存在的间隙。在使用测
位移量的方法时，应首先测出位移量，消除移动节的移动量，然后通过拉压力传感器推动头架运
限制线
行。当推（拉）力达到要求值时，可以通过激光传感器测得轴向间隙。运用快速傅里叶变换方法对测量结果进行数据分析。４．７圆周间隙
即为固定节在圆周方向所存在的间隙。用床身
上的三爪卡盘将传动轴夹紧，并消除机床与轴之间的间隙，然后通过转动蜗杆带动蜗轮，对传动轴施加扭力。将拉压力传感器测得的值乘以其到轴心
负位移正位移（ｍｍ）
图３偏转角度矩形图
４．３摆动间隙
即为传动轴的固定节和移动节摆动时的间
隙。同测偏转角度矩一样，伺服电动机正方向旋转带动转动板正向转动，正转至规定力矩值后，再使伺服电动机反转。由于存在间隙，因此在刚刚发出脉冲之后，转动板不会立即转动。当间隙被消除之
后，转动板开始转动，此时用计数器记录丢失的脉冲数，乘以伺服电动机的步距角即为摆动间隙。
的距离，即为所施加的力矩值。当该值达到要求后，蜗杆反向转动，实现反向施力。在到达所要求的值之后，将测得的位移值换算成圆周间隙角度，即测得固定节在圆周的间隙。在这个测量过
程中，使用激光传感器来测量位移更加准确，误差更小，如图５所示，圆周间隙角度计算见式（１）。
Ａ目：２ａｒｃｓｉｎ
４．４移动量
即为移动节的移动量。伺服电动机带动丝杠转
Ｉ—生Ｉ
，，
＾一
、
（１）
动，则螺母作直线移动并带动头架在直线滚动导轨上移动，使卡盘带动传动轴作直线运动。位移传感器的一端固定在直线滚动导轨上，另一端固定在可
Ｌ２（Ｒ十三）／
式（１）中，尺为传动轴半径，ｍｎｌ；Ｌ为激光光斑至
磁性表架底部距离，ｍｉｌｌ。
３２
孙刚等汽车等速万向节功能测试系统设计
《窿
４．８滚动矩
即固定节与移动节成一定角度时，加载２５～１５０Ｎ・ｍ的扭力，旋转测得的转矩与固定节和移动节成零度时，加载旋转测得的转矩之差。先使头尾
移量，其余３个完成安装试件的位置测量的功能），共１２个各类传感器和１２位ＤＯ（数字输出端口）。本系统选取通用多功能数据采集卡以满足
Ｉ／Ｏ要求，同时该卡集成了定时器，为伺服电动机
控制系统的定时功能提供了方便。
架摆角为零，在头架上用蜗杆蜗轮加载器加载。由电动机经减速器、扭矩传感器带动传动轴转动。
由扭矩传感器测得扭矩值，将头尾架摆动到规定的角度，用同样的方法再测得扭矩值，与前一值之差即为传动轴的滚动矩，如图６所示。
起
嘧点Ｖ最赶角度
ｎ
—＼，‘－／、、＾
挠曲角
图７多功能试验机控制原理图
本测试台共有５个驱动元件，伺服电动机１
图６滚动矩图
实现头架摆动，伺服电动机２实现尾架摆动，伺
服电动机３实现头架移动，由蜗杆蜗轮加载器实现
５５．１
多功能试验机测控系统硬件部分
在设备中以工控机为核心的控制单元是实现一
主轴力矩加载（在测滚动矩时），同步电动机实现主
轴旋转。这些驱动元件的启停、旋转速度、旋转方向和加载力矩的方向均由工控机控制。主轴电动机采用了伺服电动机，电动机由变频调速器驱动，采用了速度控制模块。在本系统中采用了串行通讯的方
法，通过４２２以及ＣＡＮ通讯接口进行远程控制，可以对变频器进行完全控制，通讯距离长，不易受到
次装夹、自动测量功能的关键。控制单元负责发布驱动指令、记录测试数据、统计测量值等，达到按
程序项自动测试的目的。键盘和鼠标向工控机发
出信号，通过工控机向数据采集卡发出的进行数
据采样指令，操纵传感器工作，在得到要求的数
干扰。驱动信号由定时器中断服务程序产生，此信号通过ＤＯ（数字输出端口）输出，经光电隔离后由功率放大器放大，从而驱动伺服电动机运转。本系统采用了数字ＰＩＤ算法对加载矩进行控制，输出量由Ｄ／Ａ转变成模拟电压电压信号通过功率放大
后作用于励磁线圈，使加载矩稳定在设定值附近。
据后，反馈到工控机进行处理，最后由显示屏显示或用打印机输出。多功能试验机控制原理如图７所示。为了实现控制与测量，需要使用３个激光位移
传感器（用于圆周间隙试验及轴向间隙试验中测量位移量），３个扭矩及力传感器（Ｔ２２摆动扭矩传感器、Ｔ４０旋转扭矩传感器、Ｔ４０力传感器，对移动力、偏转角度矩及滚动矩等进行测量和反馈），２个
５．２软件部分
计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的
过程参数进行巡回检测，数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行
角度编码器（测量偏转角度，给摆角试验和角度移矩试验提供输出）及４个磁栅传感器（１个负责测量位
精密制造与自动化
积累和实时分析。为设备编写的实时软件应满足
２０１３年第３期
和计算机测试技术，以机电一体化的设计思想，通过计算机采样、控制、仿真等技术研制出了的一种智能
一定的实时性要求，研究的主要目的是如何对实时系统的人机联系装置、实时时钟过程通道等进行编程和管理。采用了ｌａｂｖｉｅｗ编程软件作为工具，以实现测控系统中的一系列功能。测控系统软件由以下模块组成：初始化程序模块、显示程序模块、中断处理程序模块、信号输入程序模块、信号输出程序模块和退出模块。实时软件工作的可
靠性十分重要，在测试台软件设计中采用了抗干
化较高的传动轴综合测试设备，在机械结构上降低了加载时的移动力、扭矩和偏转角度矩，提高了转动、移动和偏转的平稳性，在有限的空间内实现了机电协调一体化，并具备了柔性化的性能，大大提
高了使用的灵活性、适用性和利用效率，为等速传动轴总成的设计与材料选择和传动轴的加工工艺优化提供了可靠的科学试验数据。
扰编程原理及方法，在程序中插入了空操作指令以实现ＰＣ的冗错，利用时间来克服系统的死锁和软件设计陷阱。６结语
应用机械力学原理、传感技术、远红外光学技术
（上接第２９页）
参考文献
［１］彭鸿才．电机原理及拖动［Ｍ］．北京：机械工业出版社１９９４．
［２］［３］
沈兰荪．数据采集与处理［Ｍ］．北京：能源出版社，１９８７．方培生．传感器原理与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９６．
３．５．２前轴承外的间隙迷宫密封
间隙迷宫密封是利用液体流经迷宫形式的间隙时形成的液阻来达到密封目的的。理论上这种形式不能完全密封。为了实现有效的间隙密封，除了提高流通阻力外，在主轴上增设了挡油环，利用其挡
油和甩油的功能，将外侧的赃物排除在电主轴体壳外，它与端盖配合形成的密封结构如图９所示。
４结语
随着现代信息技术和微电子技术的成熟应用，以数控机床为基础的加工自动化技术将得到
快速发展。
高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向，是装备制造业中的战略性产业。采用性
能优良的高速主轴无疑会提升高速数控机床的工作性能，因此结合静压轴承／动静压轴承的设计，利用其速度范围宽、承载能力大、运动精度高、抗振性
压～Ｆ斟
一●＿
能好和使用寿命长等特点，对内置式静压电主轴轴系进行了结构设计，其设计思路为该类电主轴的进
一步理论研究提供了参考。
参考文献
［１］
陈世钰．大功率空气静压轴承电主轴［Ｊ］．中国机械工程，２００１，１２（３）：２６８—２６９．［２］
熊万里，阳雪兵，吕浪，等．液体动静压电主轴关键技术综述［Ｊ］．机械工程学报，２００９，４５（９）：卜２４．［３］机床设计手册编写组．机床设计手册第３册：部件、
机构及总体设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８６．
［４］
图９前轴承外侧密封结构
通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件构建了以上设计的内置式静压电主轴三维模型，其结构剖面图如图１０所示。
余鸿钧．流体静压主轴［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．
［５］
图１０内置式静压电主轴的结构剖面图
余鸿钧．流体静压主轴［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．