本发明涉及螺栓性能测试技术领域,尤其涉及一种用于检测皮带轮螺栓性能的测试装置及测试方法。
背景技术
在日益加严的排放法规与节能要求下，小型化发动机与混合动力发动机应运而生。而在混合动力发动机中动力回收是主要节能方式之一，发电机与电动机结合通过皮带轮驱动的48vbas微混是运用较广的一种。由于通过皮带轮驱动，因此连接接口承受着双向的扭矩传递，对皮带轮的可靠性设计提出了更高的要求。
目前的普通发动机皮带轮螺栓已被作为关键紧固件对待，发动机前端通常承载着水泵、发电机、空调压缩机等部件，是发动机功率输出的重要组成部分，因此对该螺栓的设计和验证通常投入较大的资源。而常规的台架耐久试验与整车耐久试验通常在设计中后期，目前没有很好的开发方法可以预测后期试验中的螺栓性能表现。而微混作为市场上的新产物，由于扭矩双向传递的特殊性，必须有一种新的螺栓开发方法来满足性能评估和设计的要求，系统化开发流程。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够对皮带轮螺栓的性能进行测试的测试装置及测试方法。
本发明技术方案提供一种用于检测皮带轮螺栓性能的测试装置，包括曲轴、皮带轮、皮带轮螺栓、拧紧枪和连接器；
所述曲轴固定在固定机构上，所述皮带轮通过所述皮带轮螺栓固定安装在所述曲轴的端部上；
所述连接器包括连接盘和与所述连接盘固定连接的卡套；所述连接盘与所述拧紧枪的输出端连接，所述卡套与所述皮带轮卡接在一起；
在所述拧紧枪上设置有用于监测所述拧紧枪所输出的扭矩的扭矩传感器；
所述皮带轮具有相对静止状态和相对转动状态；
在所述皮带轮处于所述相对静止状态时，所述皮带轮、所述皮带轮螺栓和所述曲轴保持相对静止；
在所述皮带轮处于所述相对转动状态时，所述皮带轮螺栓与所述曲轴保持相对静止，所述皮带轮相对于所述皮带轮螺栓和所述曲轴相对转动。
进一步地，在所述连接盘与所述拧紧枪的所述输出端之间连接有传动套筒；
所述传动套筒的一端紧固在所述输出端上，其另一端具有内六角卡口；
在所述连接盘上面对所述传动套筒的一侧设置有六角头部，所述六角头部卡接在所述内六角卡口内。
进一步地，在所述卡套的一侧设置有三个相互间隔设置的卡爪；
在所述皮带轮上设置有三个皮带轮卡口；
所述卡爪嵌入在所述皮带轮卡口内。
进一步地，所述皮带轮包括皮带轮本体和中心盘；
所述皮带轮本体上具有本体凹腔；
所述中心盘位于靠近所述卡套的一侧；
所述中心盘通过三个相互间隔设置的连接件与所述皮带轮本体连接，在每两个相邻的所述连接件之间形成有一个所述皮带轮卡口，所述皮带轮卡口与所述本体凹腔连通；
在所述中心盘的中心设置有中心盘通孔；
所述皮带轮螺栓穿过所述中心盘通孔并与所述曲轴固定连接。
进一步地，在所述曲轴上设置有定位凹部，在所述曲轴上设置有与所述定位凹部连通的曲轴连接孔；
在所述皮带轮本体远离所述中心盘的一侧设置有定位凸起部，在所述定位凸起部中设置有与所述中心盘通孔连通的凸起部通孔；
所述定位凸起部嵌入在所述定位凹部内，
所述皮带轮螺栓依次穿过所述中心盘通孔、所述凸起部通孔和所述定位凹部，并与所述曲轴连接孔紧固连接。
进一步地，所述卡套与所述连接盘一体成型。
本发明技术方案还提供一种采用前述任一技术方案所述的测试装置对皮带轮螺栓进行测试的测试方法，包括如下步骤：
s001：获取发动机参数；
s002：根据获取的发动机参数计算出皮带轮所能承受的理论最大扭矩tmax；
s003：设定皮带轮螺栓的安全系数sf，并确定合理的安全系数范围ssafe，其中sf-a≤ssafe≤sf+a，其中a为常数；
s004：计算出皮带轮螺栓的夹紧力f，夹紧力f通过如下公式计算获得：
f＝tmax×sf/(reff×u)，式中reff为皮带轮螺栓有效接触半径，u为皮带轮螺栓与皮带轮之间的摩擦系数；
s005：根据夹紧力f选择合适的皮带轮螺栓；
s006：将选择的皮带轮螺栓安装在测试装置中，通过皮带轮螺栓将皮带轮与曲轴固定连接；
s007：拧紧枪工作带动，将扭矩传递至皮带轮直至皮带轮相对于皮带轮螺栓和曲轴发生相对转动，并通过扭矩传感器记录在皮带轮发生相对转动时的实际扭矩t实际；
s008：根据如下公式计算出实际安全系数s实际＝t实际/(reff×u×f)；
s009：比较s实际与ssafe，并判断s实际是否落入ssafe的范围之内；
如s实际落入ssafe的范围之内，则判断为选择的皮带轮螺栓符合要求；
如s实际落入ssafe的范围之外，则判断为选择的皮带轮螺栓不符合要求，重新选择皮带轮螺栓依照步骤s004-s009的方式进行测试。
进一步地，皮带轮螺栓有效接触半径reff以如下公式计算得出：
reff＝1/2deff＝1/3×d×(d3-d3)/(d2-d2)，式中，deff为皮带轮螺栓有效接触直径，d为皮带轮螺栓的法兰面的外径，d为皮带轮螺栓的法兰面的内径。
进一步地，还包括步骤s0010：
通过耐久实验台对符合要求的皮带轮螺栓进行耐久实验，耐久实验台包括有发动机整机，将皮带轮螺栓连接在发动机整机中的曲轴和皮带轮之间；
模拟发动机整机行驶40万公里的工况之后，测得皮带轮螺栓的夹紧力f1；
比较f1与f，如f1＜0.75f，则判断为该皮带轮螺栓不符合要求；
如0.75f≤f1≤f，则判断为该皮带轮螺栓符合要求。
进一步地，sf＝t实际/tmax，其中1.5≤sf≤2。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的测试装置及测试方法，提供了一种关于皮带轮螺栓的系统性的开发装置及方法，避免了在后续耐久实验中出现的失效问题，大大缩短了开发周期，节约了试验成本，降低了开发费用。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的测试装置的示意图；
图2为连接器、皮带轮螺栓、皮带轮和曲轴连接的爆炸图；
图3为皮带轮螺栓、皮带轮和曲轴连接的爆炸图；
图4为皮带轮的立体图；
图5为皮带轮的俯视图；
图6为本发明一实施例提供的测试方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-3所示，本发明一实施例提供的用于检测皮带轮螺栓性能的测试装置，包括曲轴1、皮带轮2、皮带轮螺栓3、拧紧枪4和连接器5。
曲轴1固定在固定机构(图中未示出)上，皮带轮2通过皮带轮螺栓3固定安装在曲轴1的端部上。
连接器5包括连接盘51和与连接盘51固定连接的卡套52。连接盘51与拧紧枪4的输出端连接，卡套52与皮带轮2卡接在一起。
在拧紧枪4上设置有用于监测拧紧枪4所输出的扭矩的扭矩传感器6。
其中，皮带轮2具有相对静止状态和相对转动状态。
在皮带轮2处于相对静止状态时，皮带轮2、皮带轮螺栓3和曲轴1保持相对静止。
在皮带轮2处于相对转动状态时，皮带轮螺栓3与曲轴1保持相对静止，皮带轮2相对于皮带轮螺栓3和曲轴1相对转动。
该测试装置主要用于对皮带轮螺栓3进行测试，在测试时，曲轴1保持固定不动。
拧紧枪4将扭矩通过连接器5传递给皮带轮2。皮带轮2通过皮带轮螺栓3紧固在曲轴1上，其具有初始预紧力。起初，皮带轮2相对于曲轴1和皮带轮螺栓3相对静止，保持不动。
当拧紧枪4传递的扭矩克服该初始预紧力时，皮带轮螺栓3不能再将皮带轮2紧固，皮带轮2相对于皮带轮螺栓3和曲轴1发生滑移或转动，从而产生相对转动。
记录皮带轮2产生相对转动时的扭矩，计算出在该工况下皮带轮螺栓的实际安全系数，比较判断实际安全系数是否满足预设的安全系数的要求，如满足，则判断为该皮带轮螺栓3合格，否则需要重新选择皮带轮螺栓进行测试。
本发明提供的测试装置，在螺栓研发过程中就可以测试螺栓是否合格，避免了在后续耐久实验中出现的失效问题，大大缩短了开发周期，节约了试验成本，降低了开发费用。
较佳地，如图1-2所示，在连接盘51与拧紧枪4的输出端之间连接有传动套筒7。
传动套筒7的一端紧固在输出端上，其另一端具有内六角卡口(图中未示出)。
在连接盘51上面对传动套筒7的一侧设置有六角头部511，六角头部511卡接在内六角卡口内，方便快速组装，并且可以避免连接盘51相对于传动套筒7转动，保证扭矩传输准确。
较佳地，如图3-5所示，在卡套52的一侧设置有三个相互间隔设置的卡爪521。在皮带轮2上设置有三个皮带轮卡口23。卡爪521嵌入在皮带轮卡口23内。方便快速组装，并可以保证皮带轮2与连接器5同步转动。
较佳地，如图3-5所示，皮带轮2包括皮带轮本体21和中心盘22。
皮带轮本体21上具有本体凹腔211。中心盘22位于靠近卡套52的一侧。
中心盘22通过三个相互间隔设置的连接件221与皮带轮本体21连接，在每两个相邻的连接件221之间形成有一个皮带轮卡口23，皮带轮卡口23与本体凹腔211连通。
在中心盘22的中心设置有中心盘通孔222，皮带轮螺栓3穿过中心盘通孔222并与曲轴1固定连接。
连接件221与中心盘22一体成型，连接件221可以与皮带轮本体21焊接连接。
通过设置本体凹腔211一方面可以减轻结构重量，另一方面也可以在本体凹腔211内布置其它零件，并且更加方便皮带轮卡口23的布置，无需再单独布置凹槽，只要将三个连接件221间隔布置，直接形成了三个皮带轮卡口23，简化了结构和制造的难度。
较佳地，如图3所示，在曲轴1上设置有定位凹部11，在曲轴1上设置有与定位凹部11连通的曲轴连接孔(图中未示出)。
在皮带轮本体21远离中心盘22的一侧设置有定位凸起部212，在定位凸起部212中设置有与中心盘通孔222连通的凸起部通孔(图中未示出)。
定位凸起部212嵌入在定位凹部11内，皮带轮螺栓3依次穿过中心盘通孔222、凸起部通孔和定位凹部11，并与曲轴连接孔紧固连接。
定位凸起部212嵌入在定位凹部11内起到对皮带轮2和曲轴1预定位的作用，并使得凸起部通孔与曲轴连接孔对齐，方便皮带轮螺栓3的连接。
优选地，卡套52与连接盘51一体成型，提高了结构强度，延长了使用寿命。
如图6所示，本发明一实施例提供的一种采用前述任一技术方案所述的测试装置对皮带轮螺栓进行测试的测试方法，包括如下步骤：
s001：获取发动机参数。
s002：根据获取的发动机参数计算出皮带轮所能承受的理论最大扭矩tmax。
s003：设定皮带轮螺栓的安全系数sf，并确定合理的安全系数范围ssafe，其中sf-a≤ssafe≤sf+a，其中a为常数。
s004：计算出皮带轮螺栓的夹紧力f，夹紧力f通过如下公式计算获得：
f＝tmax×sf/(reff×u)，式中reff为皮带轮螺栓有效接触半径，u为皮带轮螺栓与皮带轮之间的摩擦系数。
s005：根据夹紧力f选择合适的皮带轮螺栓。
s006：将选择的皮带轮螺栓安装在测试装置中，通过皮带轮螺栓将皮带轮与曲轴固定连接。
s007：拧紧枪工作带动，将扭矩传递至皮带轮直至皮带轮相对于皮带轮螺栓和曲轴发生相对转动，并通过扭矩传感器记录在皮带轮发生相对转动时的实际扭矩t实际。
s008：根据如下公式计算出实际安全系数s实际＝t实际/(reff×u×f)；
s009：比较s实际与ssafe，并判断s实际是否落入ssafe的范围之内；
如s实际落入ssafe的范围之内，则判断为选择的皮带轮螺栓符合要求；
如s实际落入ssafe的范围之外，则判断为选择的皮带轮螺栓不符合要求，重新选择皮带轮螺栓依照步骤s004-s009的方式进行测试。
结合图1-5所示，该测试方法采用拧紧枪4、连接器5、扭矩传感器6、固定的曲轴1和皮带轮2对皮带轮螺栓3进行性能测试。
在研发阶段，先获取皮带轮螺栓3所要安装在发动机上的发动机参数。然后再根据发动机的参数计算出发动机所能输出的最大扭矩tmax。传递给皮带轮2的最大扭矩一般为100～200nm。
再预先设定皮带轮螺栓3一个安全系数sf，并确定该安全系数sf的合理范围，一般皮带轮螺栓3的安全系数范围在1.5～2.0之间，皮带轮螺栓的规格越大，夹紧力衰减越小，安全系数也越小。安全系数＝装配后皮带轮滑移或转动时的实际扭矩/皮带轮处传递的最大扭矩，也即是，sf＝t实际/tmax。
再通过公式f＝tmax×sf/(reff×u)计算出皮带轮螺栓3的夹紧力。
然后根据夹紧力f选择合适的皮带轮螺栓3，将选择的皮带轮螺栓3装配在测试装置中，通过皮带轮螺栓3将皮带轮2与曲轴1固定连接。
再通过拧紧枪4输出扭矩给皮带轮2，直至皮带轮2相对于皮带轮螺栓3和曲轴1发生相对转动，并记录在皮带轮2发生相对转动时的实际扭矩t实际。
然后再依照公式s实际＝t实际/(reff×u×f)计算出皮带轮螺栓3的实际安全系数。
最后比较s实际与ssafe，并判断s实际是否落入ssafe的范围之内。
如s实际落入ssafe的范围之内，则判断为选择的皮带轮螺栓符合要求，可以进行投产。
如s实际落入ssafe的范围之外，则判断为选择的皮带轮螺栓3不符合要求，重新选择皮带轮螺栓进行测试。
皮带轮螺栓3成品需要通过基础实验认证以及滑移实验认证，基础实验包括螺栓的机械性能，如拉伸强度、硬度等是否与设计相符，同时也包括装配实验，通过模拟装配制定适当的扭矩，并测量目标扭矩下是否达到设计夹紧力值。
其中，在步骤s002中的计算包含极限情况下皮带轮2与曲轴1之间的传递扭矩值，包含了电机驱动与曲轴驱动两种情况。
电机驱动是指启动机和发电机一体化装置带动皮带轮，从而助力曲轴皮带轮和曲轴
曲轴驱动是指曲轴驱动曲轴皮带轮，从而带动启动机和发电机一体化装置
极限情况的参数指，皮带轮处传递的最大扭矩，通常发生在启动、加速、全负荷状态下。
其中，在步骤s003中，安全系数根据扭矩传递方向的不同，采用不同的安全系数要求。
较佳地，皮带轮螺栓3有效接触半径reff以如下公式计算得出：
reff＝1/2deff＝1/3×d×(d3-d3)/(d2-d2)，式中，deff为皮带轮螺栓有效接触直径，d为皮带轮螺栓的法兰面的外径，d为皮带轮螺栓的法兰面的内径。
螺栓初始设计参数应包含螺栓的法兰面大小、公称直径、摩擦系数和强度等级等。
较佳地，该测试方法还包括步骤s0010：
通过耐久实验台对符合要求的皮带轮螺栓3进行耐久实验，耐久实验台包括有发动机整机，将皮带轮螺栓连接在发动机整机中的曲轴1和皮带轮2之间。
模拟发动机整机行驶40万公里的工况之后，测得皮带轮螺栓3的夹紧力f1。
比较f1与f，如f1＜0.75f，则判断为该皮带轮螺栓不符合要求。
如0.75f≤f1≤f，则判断为该皮带轮螺栓符合要求。
进行耐久台架试验可以验证设计之初参数的正确性，以及整机耐久性能。通过闭环控制，将实际的发动机参数输入到开发前期，计算安全系数是否得到满足，以确认是否改进螺栓的参数设计。同时将试验后的夹紧力与初始夹紧力相比较，确认衰减比例与试验后安全系数大小。
综上所述，本发明提供的测试装置及测试方法，提供了一种关于皮带轮螺栓的系统性的开发装置及方法，避免了在后续耐久实验中出现的失效问题，大大缩短了开发周期，节约了试验成本，降低了开发费用。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。