汽车花键轴间隙测控系统的设计与分析
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摘要： 对花键轴间隙测控系统的设计原理以及结合比例极限分析法在花键轴角度间隙分析中的应用进行研究，从快速、精确的角度出发，论述花键轴间隙测控系统的总体设计方案、软件系统构成的特点以及关键算法。
Abstract： The paper presents the design principle of clearance measurement and control system of spline shaft and the application of proportional limit analysis method in spline shaft angle gap analysis， and discusses the total design scheme， constitute features and key algorithms of software system of clearance measurement and control system of spline shaft.
关键词： 花键轴；弹性模量；间隙
Key words： spline shaft；elastic modulus；clearance
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0042-02
0 引言
花键轴是汽车传动轴中主要零件之一，它主要用于传递扭矩，通常由内花键和外花键组成，比起普通的楔键比较有着显著的优点：刚性高，联接受力较为均匀，可承受较大的载荷，导向性好能够保证轴上的零部件能够灵活的移动，对中性好，对高速及精密机器尤为重要。因此，花键轴已经成为汽车工业上传动动力的重要零件。
由于花键轴主要用于传递较大扭矩，并且通常是工作在高速运转的环境中，花键轴的角间隙太小会影响导向性，过大会加快键齿的磨损。因此，花键轴的配合间隙的大小对花键轴的寿命有着重要的意义，也说明了花键轴在制造时的间隙测量是很重要的。
以汽车花键转向轴为例，在QC/T649-2000汽车传向传动轴总成性能要求以及试验方法中，要求花键转向轴在加载±3N·m情况下角间隙≤0.25°。随着汽车技术的发展，一些知名汽车企业对汽车各项性能指标要求的日益提高，已经要求花键转动轴在加载±10N·m情况下角间隙≤0.15°。
根据生产企业的试验环境以及试验工作要求，间隙测控系统由试验机主机、控制卡以及间隙测控软件组成，同时应具备以下特点：
①采用气动夹头装置，提高被测试样品装备速率；
②测试数据采样精准；
③可定扭矩、定角度进行测试，并自动分析间隙值。
④采用比例极限分析法，提高间隙值计算精确度。
⑤重复性好，同一试件重复测试的结果值差异小；
⑥采用传感器装置不受工作的环境温度、湿度影响。
根据花键轴的测试要求，系统设计参数如下：①扭矩测量范围：1～30N·m；②扭矩测量精度：示值±1%；③最大扭角显示范围：n×360°（n≤3）；④扭角精度：±0.1°；⑤扭转方向：正反两个方向；⑥角度传感器测量范围：0～720°/分，无级可调；⑦角度传感器测量相对误差：±0.5%；⑧角度传感器分辨率：0.001°；⑨位移测量范围：0-900mm；⑩位移测量精度：示值±0.01mm。
2 试验机主机结构
试验机主机结构图如下图1所示：
①试验机驱动部分由伺服电机、减速箱、变频调速器等组成。B：气动夹头为固定端，A：气动夹头在减速箱的带动下旋转，产生一定的扭矩及角度。
②气动夹头主要用于固定试件，并加快试件的装备时间，有利于提高单个试件的检测时间。
③滚轴丝杆是用来控制操作平台的移动的，在螺栓上是配合螺母做紧固功能作用。
3 间隙测控系统原理
3.1 上位机：是测试人员可以直接发出操控命令的计算机，由计算机与间隙测控软件组成。测试人员通过间隙测控软件发出操控命令给控制卡，控制卡负责将操控命令解释成相应伺服控制信号直接控制伺服电机，同时自动采集扭矩传感器、角度传感器和位移传感器测量数据，将模拟信号转换成数字信号反馈给上位机。间隙测控软件负责将采集到的数据进行处理，主要是对测试过程中采集的数据进行存储、递归分析、间隙值计算，以及实时的将采集扭矩、角度以动态曲线的方式显示。
3.2 控制卡：系统采用AD800万能试验卡（Universal Testing Card）是基于PCI接口的微机内置式PCI试验卡，符合PCI 2.1规格。该卡可直接插入计算机的任一PCI插槽中，通过简单的连线，直接连接到试验机的伺服电机、扭矩传感器、角度传感器、位移传感器，通过间隙测控系统软件即可实现计算机的自动测量与控制。AD800万能试验卡集程控放大、A/D转换、D/A转换、数字量I/O、计数及脉宽调制（PWM）、脉频输出（SWP）等功能于一体，内建大规模CPLD可编程逻辑芯片，高速运算，实时处理，其系统结构简单，并且具有良好的互换性。该卡具有直接连接伺服电机控制器、电阻应变式传感器、数字脉冲发生器的接口；通过连接UTB系列功放电路即可驱动各种比例阀和伺服阀。
3.3 试验机：由卧式工作台、伺服电机、减速箱、气动夹头、滚轴丝杆、扭矩传感器、角度传感器、位移传感器以及控制平台组成，机械装置、电子器件都安装与工作台之上（见图1），花键轴试验过程在试验机上完成，由伺服电机对花键轴试件施加规定的扭矩，期间扭矩传感器、角度传感器分别检测试验的扭矩以及花键轴试件产生的角度，位移传感器用于测量两个气动夹头间的距离，相当于花键轴试件的实际有效试验长度。
4 花键轴角度间隙分析方法
4.1 测试过程 将待试验的花键轴（见图3）一端固定于试验机上的B气动夹头（见图1）上，然后再将另一端固定于A端气动夹头（见图1），通过间隙测控软件设置相应正负扭矩值（不同用途的花键轴其设计扭矩值也不一样），A端气动夹头将从“零扭矩-正扭矩-负扭矩-零扭矩”4个过程给花键轴的一端施加扭矩，整个测试过程由间隙测控系统自动完成。扭矩-角度形成的曲线图如图4所示。
4.2 分析过程 在以往的分析算法中，角间隙大小等于正向扭矩（Tmax）与负向扭矩（Tmin）所产生的角度之和。该计算方法存在误差问题：从图4中的曲线分析可得知Pa至正向扭矩（Tmax）或者Pb至负向扭矩（Tmin）线段实为花键轴在外力作用下产生的弹性变形。根据刚性模量（G）定义公式可得知G =■，其中T为扭矩，L为有效长度，J为极惯性矩，θ为角度，又因在弹性范围内因此剪切模量（G）为常量，则θ=■，那么T或者L越大，θ的值也就越大。
通过以上分析可得知，花键轴实际角间隙应当等于正向扭矩（Tmax）与负向扭矩（Tmin）所产生的角度之和减去各自产生的弹性变形（角间隙），也就是Pa与Pb两点所产生的角度之和。在实际的试验过程中，为提高角间隙的计算速率，我们可通过递归法以及反向比例极限分析法可快速计算出Pa以及Pb两点的扭矩（TPa，TPb）以及角度值（θPa，θPb）。
5 结束语
标准的试验方法是要求花键轴在标准扭矩下所产生的角间隙符合相应的角度值，但是内、外花键之间所产生角间隙是最主要的因素之一，因此对于花键轴生产企业而言，要产出更优质的花键轴，势必要确实准确的测量出内、外花键实际所产生的角间隙，不断的改进生产工艺，才能生产出优质的产品。
参考文献：
[1]周行江.基于花键轴的等分累积误差浅析.中国机械工程，1981.
[2]孙志雄.汽车转向轴花键螺纹在线检测装置.机械制造， 1998.
[3]隗幼鹏.材料试验机的现状与展望.现代制造工程，2003.