СТЕНД ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСМИССИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к испытательной технике для ускоренных испытаний трансмиссий, в том числе главных передач и бортовых редукторов гусеничных, а также колесных транспортных средств.
При конструировании и производстве транспортных средств необходимы оперативные оценки ресурса проектируемых деталей и сборочных узлов. Для получения данных оценок применяют стендовые ускоренные испытания, которые позволяют определить ресурс изделий в короткие сроки и с меньшими затратами, по сравнению с эксплуатационными испытаниями.
Сокращение сроков испытаний трансмиссий достигается путем продолжительного воздействия оборудованием стенда на исследуемые узлы вращающими (на входе узла), а также тормозными моментами (на выходе узла) с предельными значениями для данной машины, как по абсолютным величинам, так и по скоростям их изменений во времени. Причем, на стенде также должна иметься возможность изменения действия момента на выходе исследуемого узла в любом направлении вращения, как в тормозящем, так и в приводном направлении.
Ответственным элементом трансмиссии транспортного средства являются главная передача и бортовые редукторы, которые в целом предназначены для снижения частоты вращения валов трансмиссии приводным двигателем и для передачи приводного момента к правому и левому движителям, то есть к бортам транспортного средства. Таким образом, для испытаний главной передачи и бортовых редукторов необходимы два тормозных устройства - по одному на каждый борт транспортного средства, причем режимы работы данных тормозных устройств должны быть независимы друг от друга.
Продолжительности работ исследуемого узла в предельных, а также в номинальных (средних) эксплуатационных условиях соотносятся между собой как определенная зависимость (пропорциональная или нелинейная), причем данная зависимость может быть определена путем сравнения опытных данных работы исследуемых узлов в предельных и номинальных условиях или может считаться известной из результатов испытаний аналогичных узлов. Следует отметить, что продолжительность ускоренных стендовых испытаний ряда узлов трансмиссий зачастую меньше эксплуатационных испытаний в десятки раз.
Известен стенд для испытаний приводов (патент РФ №2017111 МПК G01M 13/02. Опубл. 30.07.1994), который содержит раму для крепления испытываемого привода, приводной двигатель и тормозное устройство.
Данный стенд не позволяет проводить ускоренные испытания в полном объеме, так как применяемые на стенде порошковые тормозные устройства не позволяют формировать вращающие моменты обратные торможению. Кроме того, на стенде не предусмотрена возможность регулирования величины момента приводного двигателя в процессе испытаний.
Известен стенд для испытаний и обкатки редукторов (патент РФ №2052789 МПК G01M 13/02. Опубл. 20.01.1996), выбранный в качестве прототипа, который содержит раму для крепления испытываемого редуктора, одну приводную и две тормозные асинхронные электрические машины. Электрические машины соединяются соответственно с валами исследуемых редукторов. В зависимости от заданных условий испытаний электрические машины подключаются с помощью коммутационной аппаратуры -контакторов к питающим шинам 380 В или 660 В трехфазного напряжения. Таким образом, в зависимости от используемой шины питания на стенде могут формироваться два уровня как приводного, так и тормозящего вращающих моментов, а также возможны изменения направлений вращения роторов электрических машин при переключении фаз питания в обмотках их статоров.
Недостатками указанного стенда являются: ступенчатость изменений вращающих моментов электрических машин; а также ограничение частот вращения валов испытываемого узла двумя величинами (при 380 В и 660 В питания), что зачастую не позволяет получить режимы испытаний, близкие к предельным. Недостатком также является перерывы в процессах нагружения исследуемых узлов, возникающие при необходимости переключения источников питания электромашин между 380 В и 660 В, что ограничивает возможность непрерывной нагрузки исследуемого узла моментами, изменяющимися в широком диапазоне величин.
Техническая задача полезной модели направлена на обеспечение формирования на приводных валах нагрузочных электромашин высокодинамичных вращающих моментов, обеспечивающих возможность длительного проведения ускоренных испытаний трансмиссий транспортных средств.
Указанная задача решается тем, что приводной и тормозные моменты на стенде формируются асинхронными электрическими машинами с частотным управлением, имеющих в качестве источников питания управляемые преобразователи частоты электрического напряжения. Совместная работа трех электрических асинхронных машин с преобразователями частоты синхронизируется единым устройством управления.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема стенда для ускоренных испытаний трансмиссий транспортных средств, а на фиг. 2 представлена структурная схема преобразователя частоты.
Стенд для ускоренных испытаний трансмиссий транспортных средств содержит раму 1 для крепления исследуемых узлов, в частности, показанные на ней главная передача 2 и бортовые редукторы 3 и 4. Главная передача 2, а также бортовые редукторы 3 и 4, соответственно соединены с валами роторов асинхронных электромашин 5, 6 и 7. Обмотки статоров электромашин 5, 6 и 7 соединены с шиной 8 трехфазного питания, соответственно, через преобразователи 9, 10 и 11 частоты. Управляющие входы преобразователей 9, 10, 11 частот соединены с управляющим устройством 12.
Каждый из преобразователей частоты 9, 10 и 11 (фиг. 2) содержит сетевой выпрямитель 13, подключенный между шиной 8 питания и автономным инвертором 14, который соединенный с обмоткой статора электромашины (соответственно 5, 6 или 7), блок 15 формирования управляющих импульсов, соединяющий автономный инвертор 14 с управляющим устройством 12.
Рама 1 стенда может быть выполнена в виде металлической пластины со сквозными отверстиями, имеющими резьбу для установки монтажных болтов, с помощью которых крепятся детали исследуемой трансмиссии транспортного средства, частности главная передача 2, а также бортовые редукторы 3 и 4. Данная конструкция рамы 1 позволяет проводить испытания и других узлов трансмиссии транспортных средств, например, коробок перемены передач.
Статоры электромашин 5, 6 и 7 изготавливаются по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока. Роторы электромашин 5, 6 и 7 имеют короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде «беличьего колеса», которые широко распространены в асинхронных электрических машинах.
Шина 8 питания стенда выполняется в виде параллельного кабельного подвода переменного трехфазного напряжения необходимой мощности к преобразователям 9, 10 и 11 частоты.
Преобразователи 9, 10 и 11 частоты выполнены в виде электронных устройств, обеспечивающих асинхронные электромашины 5, 6 и 7 переменным трехфазным током, частота которого может изменяться по командам внешнего управляющего устройства 12. Преобразователи частоты выпускаются серийно многими производителями, например, фирмы OMRON, ВЕСПЕР, DELTA ELECTRONICS и др. Данные по серийным преобразователям частоты имеются в технической литературе, например, Клевцов А.В. Преобразователи частоты для электропривода переменного тока. - Тула: Гриф и К, 2008.
Устройство управления 12 может быть реализовано на основе электронной вычислительной машины (персональный компьютер или ноутбук и т.п.), которая позволяет оператору стенда задавать режимы работы как преобразователей частоты 9, 10 и 11, так и стенда в целом. Программное обеспечение устройства управления 12 разрабатывается исходя из конкретных требований к проведению испытаний узлов трансмиссии транспортного средства.
Сетевые выпрямители 13 в преобразователях 9, 10 и 11 частоты выполнены на основе симисторных полупроводниковых элементах по известным схемам мостовых трехфазных регулируемых выпрямителей.
Автономные инверторы 14 в преобразователях 9, 10 и 11 частоты реализуется на транзисторах, подключенных попарно к положительным и отрицательным выходам напряжения сетевого выпрямителя 13 и к выводу обмотки фазы статора электрической машины 5, 6 или 7. Транзисторы могут быть выполнены по технологии IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), которая позволяет обеспечивать частоту переключений состояний транзистора (открыт - закрыт) до 25 кГц с номинальными токами в несколько сотен ампер.
Блоки 15 формирования управляющих импульсов в преобразователях 9, 10 и 11 частоты могут быть реализованы на основе различных стандартных интегральных микросхем, например, типа IR2130S, изготавливаемых фирмой International Rectifier.
Все перечисленные элементы в стенде для ускоренных испытаний трансмиссий транспортных средств применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа на стенде для ускоренных испытаний трансмиссий транспортных средств осуществляется следующим образом.
Стенд позволяет проводить ускоренные испытания основных элементов трансмиссий гусеничных и колесных транспортных средств. Как правило, максимальные вращающие моменты трансмиссий, указанных машин, формируются в главной передаче 2 и в бортовых редукторах 3 и 4. Поэтому расчеты максимальной необходимой мощности и максимальных моментов вращения приводной и тормозных электрических машин 5, 6 и 7 проводятся на основе данных о главной передаче и о бортовых редукторах.
Электрическая машина 5 работает в режиме электродвигателя и создает приводной момент, вращающий главную передачу 2 и через нее бортовые редукторы 3 и 4.
Электрические машины 6 и 7 в основном работают в режиме противовключения (электромагнитного тормоза) и создают соответственно на валах бортовых редукторов 3 и 4 тормозные моменты, соответствующие моментам сопротивления левого и правого движителей транспортного средства. В ряде случаев для получения предельных воздействий на элементы узлов трансмиссии требуются создание в одном из бортов транспортного средства не тормозного момента, а дополнительного вращающего. В указанных случаях электрическая машина 6 или 7 работает в режиме электродвигателя.
Требуемые режимы работы асинхронных электрических машин 5, 6 и 7 обеспечиваются преобразователям 9, 10 и 11 частоты, которые формируют в обмотках статоров машин 5, 6 и 7 переменные токи, создающие в роторах машин 5, 6 и 7 вращающие моменты. Изменения величин и частот трехфазных статорных токов позволяют получать на валах роторов машин 5, 6 и 7 изменяющиеся вращающие моменты, которые создают для испытываемых узлов трансмиссии условия близкие к предельным условиям эксплуатации.
Вращающие моменты трансмиссии и тормозные моменты стенда взаимодействуют с помощью электромагнитных сил в воздушных зазорах между статорами и роторами асинхронных электрических машин 5, 6 и 7. Отсутствие прямых механических контактов при взаимодействии моментов обуславливает высокую надежность деталей стенда, что позволяет создавать предельные условия эксплуатации в течение заданного, пусть даже продолжительного, периода времени.
Конструкция преобразователей 9, 10 и 11 частоты идентична друг другу и работа каждого из них происходит следующим образом. Переменное трехфазное напряжение величиной 380 В поступает на сетевой выпрямитель 13, который, как правило, представляет собой трехфазный двухполупериодный регулируемый выпрямитель переменного тока, выполненный на управляемых симисторах. Изменяя моменты открытия и закрытия симисторов можно получать заданную величину выпрямленного (постоянного) напряжения.
Постоянное напряжение, полученное с сетевого выпрямителя 13, является питанием силовых транзисторов в автономном инверторе 14, которые при открывании соответственно соединяют либо положительный, либо отрицательный выход постоянного напряжения сетевого выпрямителя 13 с соответствующими выводами обмоток трех фаз статора асинхронной машины.
Высокая возможная частота переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое и обратно, по сравнению с требуемой частотой вращения роторов электрических машин 5, 6 и 7, позволяет, используя широтно-импульсную модуляцию открытого состояния транзисторов, обеспечивать требуемые изменения токов в обмотках статоров, и, как следствие, получать необходимые вращающие моменты машин 5, 6 и 7.
Управляющие сигналы широтно-импульсной модуляции транзисторов инвертора 14 формируются блоком 15 формирования управляющих импульсов по данным управляющего устройства 12.
Управляющее устройство 12, по заданному оператором стенда режиму испытаний трансмиссии и его продолжительности, определяет требования к величинам и продолжительностям необходимых вращающих моментов, создаваемых электрическими машинами 5, 6 и 7. Определение данных требований осуществляется управляющим устройством 12 по заложенной в нем оператором программе вычислений, учитывающей конкретное оборудования стенда, а именно: типы асинхронных машин 5, 6 и 7, а также модели преобразователей 9, 10 и 11 частоты.
Требования к величинам и продолжительностям необходимых вращающих моментов, создаваемых электрическими машинами 5, 6 и 7, преобразованные управляющим устройством 12 в задающие сигналы поступают в блок 15 формирования управляющих импульсов, где преобразуются в сигналы широтно-импульсной модуляции силовых транзисторов инвертора 14. При соответствующих открываниях силовых транзисторов в обмотках электрических машин 5, 6 и 7 формируются заданные токи и требуемые вращающие моменты на валах электрических машин 5, 6 и 7.
Таким образом, используя электрические асинхронные машин, управляемые с помощью преобразователей частоты, можно обеспечить на стенде продолжительные высоко динамичные нагрузочные режимы работы трансмиссий, вплоть до близких к ударным воздействиям, что в целом позволяет проводить ускоренные ресурсные испытания, включая испытания главной передачи и бортовых редукторов транспортных средств.