一种等速球笼万向节接触力测试试验台及其测试方法

摘要

本发明公开一种等速球笼万向节接触力测试试验台，包括被测等速球笼万向节、转速控制系统、负载转矩加载系统、工作角度控制系统和数据采集系统，被测等速球笼万向节的副壳体与主壳体可拆卸连接，且副壳体上有一个球道；转速控制系统包括转速驱动件和转盘单元；工作角度控制系统包括万向节连接工装和开设在转盘单元上的滑动槽，万向节连接工装活动设置在滑动槽内；负载转矩加载系统包括加载驱动件、第一伸缩轴和第二伸缩轴；数据采集系统包括用于测量X轴方向的力信号的X轴力传感器、用于测量Y轴方向的力信号的Y轴力传感器和用于测量Z轴方向的力信号的Z轴力传感器。还提供了相应的测试方法。本发明实现等速球笼万向节接触力的实验测试分析。

权利要求

1.一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：包括被测等速球笼万向节(113)、转速控制系统、负载转矩加载系统、工作角度控制系统和数据采集系统，被测等速球笼万向节(113)包括主壳体(302)、副壳体(306)以及设置在主壳体(302)内的星形套(305)、保持架(304)和钢球(303)，副壳体(306)与主壳体(302)之间可拆卸连接，且副壳体(306)上设置有一个球道；

转速控制系统包括转速驱动件和转盘单元(108)，转盘单元(108)与转速驱动件连接；

工作角度控制系统包括万向节连接工装(107)和开设在转盘单元(108)上的滑动槽(405)，万向节连接工装(107)活动设置在滑动槽(405)内；

负载转矩加载系统包括加载驱动件、第一伸缩轴(105)和第二伸缩轴(112)，第一伸缩轴(105)的两端分别与加载驱动件和万向节连接工装(107)转动连接，第二伸缩轴(112)的一端与万向节连接工装(107)转动连接，另一端与被测等速球笼万向节(113)中的星形套(305)连接；

数据采集系统包括用于测量X轴方向的力信号的X轴力传感器(310)、用于测量Y轴方向的力信号的Y轴力传感器(301)和用于测量Z轴方向的力信号的Z轴力传感器(114)，X轴力传感器(310)、Y轴力传感器(301)和Z轴力传感器(114)均设置在被测等速球笼万向节(113)上。

2.根据权利要求1所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：还包括动平衡配重系统，动平衡配重系统包括配重块(116)，配重块(116)滑动设置在转盘单元(108)上的滑动槽(405)内。

3.根据权利要求2所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：工作角度控制系统还包括角度控制移动滑轨(110)，动平衡配重系统还包括动平衡控制移动滑轨(117)，万向节连接工装(107)通过角度控制移动滑轨(110)活动设置在滑动槽(405)内，配重块(116)通过动平衡控制移动滑轨(117)滑动设置在滑动槽(405)内。

4.根据权利要求3所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：角度控制移动滑轨(110)和动平衡控制移动滑轨(117)均靠近滑动槽(405)设置，且滑动槽(405)上与角度控制移动滑轨(110)相对的位置与滑动槽(405)上与动平衡控制移动滑轨(117)相对的位置不相交。

5.根据权利要求1所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：转速驱动件包括电机(120)、传动轮(118)和传动带(109)，传动轮(118)与电机(120)的输出轴连接，传动轮(118)和转盘单元(108)之间通过传动带(109)传动。

6.根据权利要求1所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：加载驱动件包括液压马达(101)和齿轮组，齿轮组与液压马达(101)传动连接，第一伸缩轴(105)的一端与齿轮组传动连接。

7.根据权利要求1所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：还包括第一万向节(104)、第二万向节(106)和第三万向节(111)，第一伸缩轴(105)的两端分别通过第一万向节(104)和第二万向节(106)与加载驱动件和万向节连接工装(107)连接；

第二伸缩轴(112)的一端通过第三万向节(111)与万向节连接工装(107)连接。

8.根据权利要求1所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，其特征在于：数据采集系统还包括用于测量被测等速球笼万向节(113)转矩的转矩传感器(115)和用于测量转盘单元(108)转角的角度编码器(119)。

9.一种等速球笼万向节接触力测试方法，其特征在于，采用权利要求1‑8任一所述的一种等速球笼万向节接触力测试试验台进行测试，所述方法包括以下步骤：将测等速球笼万向节的主壳体和副壳体之间连接固定，通过z轴力传感器(114)、x轴力传感器(310)和y轴力传感器(301)分别测量得到被测等速球笼万向节在三个方向上的受力变化Fz0(t)、Fx0(t)和Fy0(t)；

去除主壳体和副壳体之间的连接，并使主壳体相对于地面固定，测出主壳体缺少一个球道下在三个方向上的受力变化Fx1(t)，Fy1(t)，Fz1(t)；

将主壳体和副壳体之间连接固定时的受力减去缺少一个球道时的受力，得到单个球道时三个方向上的受力，三个方向的受力分别如下：Fbx(t)＝Fx0(t)‑Fx1(t)，Fby(t)＝Fy0(t)‑Fy1(t)，Fbz(t)＝Fz0(t)‑Fz1(t)其中，t为时间。

10.根据权利要求9所述的一种等速球笼万向节接触力测试方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

通过单个球道时三个方向上的受力得到钢球对单一球道作用力随相位角的变化函数分别如下：

Fbx(Θ)＝Fbx(kt/i)，Fby(Θ)＝Fby(kt/i)，Fbz(Θ)＝Fbz(kt/i)；

通过主壳体和副壳体之间连接固定时的受力以及单个球道时三个方向上的受力得到保持架对钟形壳在三个方向的作用力分别如下：Fcx(t)＝Fx0(t)‑Fbx(t)‑Fbx(t+60i/k)‑Fbx(t+120i/k)‑Fbx(t+180i/k)‑Fbx(t+

240i/k)‑Fbx(t+270i/k)Fcy(t)＝Fy0(t)‑Fby(t)‑Fby(t+60i/k)‑Fby(t+120i/k)‑Fby(t+180i/k)‑Fby(t+

240i/k)‑Fby(t+270i/k)Fcz(t)＝Fz0(t)‑Fbz(t)‑Fbz(t+60i/k)‑Fbz(t+120i/k)‑Fbz(t+180i/k)‑Fbz(t+

240i/k)‑Fbz(t+270i/k)；

通过保持架对钟形壳在三个方向的作用力得到保持架对钟形壳的作用力随相位角的变化函数：

Fcx(Θ)＝Fcx(kt/i)，Fcy(Θ)＝Fcy(kt/i)，Fcz(Θ)＝Fcz(kt/i)其中，t为时间，k为电机的实际转速，i为传动比。

说明书

一种等速球笼万向节接触力测试试验台及其测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于万向节领域，尤其涉及一种等速球笼万向节接触力测试试验台及其测试方法。

背景技术

[0002] 等速万向节是轴与轴之间的连接部件，主要用在两个轴之间不同轴的场合，且在传递动力时满足运动的瞬时等速特性。其中，等速球笼万向节容许两相交轴间有较大的角
位移，满足汽车前轮在大转向角时传递扭矩和运动的需求，因此被广泛应用在乘用车的前
后驱动轴上，以满足车辆的转向要求。作为动力系统上的一部分，等速球笼万向节工况复杂
多变，不仅需传递较大的转矩距，还需要有较小的振动噪声以提高汽车的舒适性。

[0003] 目前对汽车驱动轴中等速球笼万向节的性能测试主要有传递效率测试试验、扭转强度试验和寿命试验等。这些测试都会在不同的工作角度、不同的负载转矩和不同的转速
下测试万向节的相关性能。传递效率测试通过测试万向节的输入端和输出端的转矩差值计
算出特定工况下等速球笼万向节转矩损失。扭转强度试验通过不断增加的负载转矩，测试
万向节在特定角度下的破坏转矩。寿命试验则是通过等速球笼万向节在特定路谱下长时间
的工作，检验万向节的疲劳强度是否达到设计值。而这些试验都离不开等速球笼万向节的
接触力特性。

[0004] 在等速球笼万向节上，通过传感器实时测试旋转运动中零件的接触力数据，会面临到数据测试和数据传输上的困难。一方面，传感器与零件同时旋转会对传感器的性能有
更高的要求，另一方面，传感器上众多的电信号也需要特殊的装置传输到数据采集设备上，
因此对等速球笼万向节接触力的测试具有较大的技术难度。

[0005] 由于等速球笼万向节内部接触力的大小会影响到万向节的传递效、强度、寿命等众多性能，甚至会带来振动和噪声问题，因此测试出等速球笼万向节的动力学特性曲线对
改进产品结构，优化产品性能具有重要的作用。在驱动轴的研发过程中，测试出等速球笼万
向节内部接触力随相位角的变化函数关系，即其动力学特性对提升产品性能具有十分重要
的意义。

[0006] 目前国内对等速球笼万向节接触力测试试验台的研究极少。而在日本，Daiji OKAMOTO等在《Daiji OKAMOTO，Hirokazu OOBA，Measurement of the Internal Forces of 
Ball Fixed Constant Velocity Joints[J].2007，75:20‑28》中，对等速球笼万向节的钟
形壳进行切割，通过三个三轴力传感器分析出钢球对钟形壳的接触力和保持架对钟形壳的
接触力。这种分析方法虽然能得到比较理想的结果，但是对钟形壳的切割加工困难，且对三
个三轴力传感器的性能要求非常高，同时由于传感器与钟形壳一起做旋转运动，三轴力传
感器的信号需要通过滑环导出到数据采集设备上。整个试验台极其复杂且成本极高，试验
台的开发难度非常大。

发明内容

[0007] 为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种等速球笼万向节接触力测试试验台，并且提供相应的测试方法。

[0008] 为了实现本发明目的，本发明提供的一种等速球笼万向节接触力测试试验台，包括被测等速球笼万向节、转速控制系统、负载转矩加载系统、工作角度控制系统和数据采集
系统；

[0009] 被测等速球笼万向节包括主壳体、副壳体以及设置在主壳体内的星形套、保持架和钢球，副壳体与主壳体之间可拆卸连接，且副壳体上设置有一个球道；

[0010] 转速控制系统包括转速驱动件和转盘单元，转盘单元与转速驱动件连接；

[0011] 工作角度控制系统包括万向节连接工装和开设在转盘单元上的滑动槽，万向节连接工装活动设置在滑动槽内；

[0012] 负载转矩加载系统包括加载驱动件、第一伸缩轴和第二伸缩轴，第一伸缩轴的两端分别与加载驱动件和万向节连接工装转动连接，第二伸缩轴的一端与万向节连接工装转
动连接，另一端与被测等速球笼万向节中的星形套连接；

[0013] 数据采集系统包括用于测量X轴方向的力信号的X轴力传感器、用于测量Y轴方向的力信号的Y轴力传感器和用于测量Z轴方向的力信号的Z轴力传感器，X轴力传感器、Y轴力
传感器和Z轴力传感器均设置在被测等速球笼万向节上。

[0014] 对本发明方案的进一步改进，还包括动平衡配重系统，动平衡配重系统包括配重块，配重块滑动设置在转盘单元上的滑动槽内。通过改变配重块在滑动槽内的位置来对转
盘单元进行动平衡调节。

[0015] 对本发明方案的进一步改进，工作角度控制系统还包括角度控制移动滑轨，动平衡配重系统还包括动平衡控制移动滑轨，万向节连接工装通过角度控制移动滑轨活动设置
在滑动槽内，配重块通过动平衡控制移动滑轨滑动设置在滑动槽内。

[0016] 对本发明方案的进一步改进，角度控制移动滑轨和动平衡控制移动滑轨均靠近滑动槽设置，且滑动槽上与角度控制移动滑轨相对的位置与滑动槽上与动平衡控制移动滑轨
相对的位置不相交。如此设置，使得虽然万向节连接工装和配重块都是位于滑动槽，但由于
分别供其滑动的轨道相对于滑动槽不相交，从而使得在工作过程中万向节连接工装和配重
块的动作不会在滑动槽内发生干涉。

[0017] 对本发明方案的进一步改进，转速驱动件包括电机、传动轮和传动带，传动轮与电机的输出轴连接，传动轮和转盘单元之间通过传动带传动。

[0018] 对本发明方案的进一步改进，加载驱动件包括液压马达和齿轮组，齿轮组与液压马达传动连接，第一伸缩轴的一端与齿轮组传动连接。

[0019] 对本发明方案的进一步改进，还包括第一万向节、第二万向节和第三万向节，

[0020] 第一伸缩轴的两端分别通过第一万向节和第二万向节与加载驱动件和万向节连接工装连接；

[0021] 第二伸缩轴的一端通过第三万向节与万向节连接工装连接。

[0022] 对本发明方案的进一步改进，数据采集系统还包括用于测量被测等速球笼万向节转矩的转矩传感器和用于测量转盘单元转角的角度编码器。

[0023] 本发明还提供采用前述试验台进行测试的测试方法。

[0024] 一种等速球笼万向节接触力测试方法，包括以下步骤：

[0025] 将测等速球笼万向节的主壳体和副壳体之间连接固定，通过z轴力传感器、x轴力传感器和y轴力传感器分别测量得到被测等速球笼万向节在三个方向上的受力变化Fz0
(t)、Fx0(t) 和Fy0(t)；

[0026] 去除主壳体和副壳体之间的连接，并使主壳体相对于地面固定，测出主壳体缺少一个球道下在三个方向上的受力变化Fx1(t)，Fy1(t)，Fz1(t)；

[0027] 将主壳体和副壳体之间连接固定时的受力减去缺少一个球道时的受力，得到单个球道时三个方向上的受力，三个方向的受力分别如下：

[0028] Fbx(t)＝Fx0(t)‑Fx1(t)，Fby(t)＝Fy0(t)‑Fy1(t)，Fbz(t)＝Fz0(t)‑Fz1(t)。

[0029] 对本发明方法的进一步改进，所述方法还包括以下步骤：

[0030] 通过单个球道时三个方向上的受力得到钢球对单一球道作用力随相位角的变化函数分别如下：

[0031] Fbx(Θ)＝Fbx(kt/i)，Fby(Θ)＝Fby(kt/i)，Fbz(Θ)＝Fbz(kt/i)；

[0032] 通过主壳体和副壳体之间连接固定时的受力以及单个球道时三个方向上的受力得到保持架对钟形壳在三个方向的作用力分别如下：

[0033] Fcx(t)＝Fx0(t)‑Fbx(t)‑Fbx(t+60i/k)‑Fbx(t+120i/k)‑Fbx(t+180i/k)‑Fbx(t+240i/k)‑Fbx(t+270i/k)

[0034] Fcy(t)＝Fy0(t)‑Fby(t)‑Fby(t+60i/k)‑Fby(t+120i/k)‑Fby(t+180i/k)‑Fby(t+240i/k)‑Fby(t+270i/k)

[0035] Fcz(t)＝Fz0(t)‑Fbz(t)‑Fbz(t+60i/k)‑Fbz(t+120i/k)‑Fbz(t+180i/k)‑Fbz(t+240i/k)‑Fbz(t+270i/k)；

[0036] 通过保持架对钟形壳在三个方向的作用力得到保持架对钟形壳的作用力随相位角的变化函数：

[0037] Fcx(Θ)＝Fcx(kt/i)，Fcy(Θ)＝Fcy(kt/i)，Fcz(Θ)＝Fcz(kt/i)。

[0038] 与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

[0039] 1)本发明属于国内相关领域自主研发的测试试验台，可以在较低的成本下进行等数球笼万向节的接触力测试，减低测试过程对传感器的性能要求，节省设备的成本，提高测
试的安全性与可靠性。

[0040] 2)通过转盘带动等速球笼万向节的星形套旋转，固定钟形壳，模拟实际工况下的相对运动关系，减少对测试传感器的性能要求。

[0041] 3)在固定的钟形壳上使用三个相互垂直方向的力传感器采集完整钟形壳下的力信号与缺少一个球道下钟形壳的力信号，计算出等速球笼万向节钢球对球道的接触力动态
特性与保持架对钟形壳的动态特性，能够测试等速球笼万向节的钢球与球道接触力随相位
角变化的曲线、保持架与钟形壳接触力随相位角变化的曲线，用于研究等速球笼万向节的
动力学特性。

[0042] 4)通过调节液压马达转矩，转盘转速以及转盘上的导轨位置，即可模拟在不同工况(转速、负载转矩、工作角度)下的接触力情况。

[0043] 5)等速球笼万向节接触力测试试验台实现等速球笼万向节接触力的实验测试分析，在不改变相对运动关系的基础上，固定等速球笼万向节的钟形壳，模拟实际工况；在静
止的钟形壳上安装三个相互垂直方向的力传感器，通过隔离单个球道的受力情况，计算出
各个零件之间的接触力动态特性；静止的钟形壳减低了对传感器的性能要求，减低了信号
输出的难度，降低了设备的制作成本，隔离单个球道的受力情况能减少传感器接受的信号
数量，降低传感器成本与信号处理的难度。

附图说明

[0044] 图1为等速球笼万向节接触力测试试验台的结构简图。

[0045] 图2为等速球笼万向节接触力测试试验台结构示意图。

[0046] 图3为被测等速球笼万向节结构示意图

[0047] 图4为转盘结构示意图。

[0048] 图5为传感器数据分析与处理流程框图。

[0049] 图6为等速球笼万向节接触力测试流程框图。

具体实施方式

[0050] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

[0051] 一种等速球笼万向节接触力测试试验台，是一种将钟形壳固定，通过旋转星形套模拟万向节在实际工况下的相对运动情况，通过电机带动转盘控制转速，通过液压马达控
制负载转矩，并利用三个力传感器、角度传感器和转矩传感器采集处理等速球笼万向节的
动力学特性的等速球笼万向节接触力测试试验台。如图1所示，本发明提供的一种等速球笼
万向节接触力测试试验台包括第一转盘支架201、第二转盘支架202、被测等速球笼万向节
113、转速控制系统、工作角度控制系统、动平衡配重系统、负载转矩加载系统和数据采集系
统。

[0052] 转速控制系统包括转速驱动件和转盘单元108，转盘单元108与转速驱动件连接。

[0053] 在本发明其中一个实施例中，转速驱动件包括电机120、传动轮118和传动带109，传动轮118与电机120的输出轴连接，传动轮118和转盘单元108之间通过传动带109传动。通
过电机控制器调节电机120转速，通过传动轮118，传动带109带动转盘单元108旋转，从而对
实验台的转盘单元108进行转速控制。

[0054] 在本发明其中一个实施例中，如图4所示，转盘单元108包括三个相互平行的转盘，定义为第一转盘402、第二转盘404和第三转盘406，截面均呈圆形。第一转盘402和第二转盘 
404之间、第二转盘404和第三转盘406之间均分别通过连接柱409连接。第一转盘402与传动
轮118之间通过传动带109传动。其中，转盘单元108的第二转盘404上沿径向方向开设有滑
动槽405；第一转盘402上开设有第一中心孔403，且其外侧设置有第一凸台401，第三转盘
406上开设有第二中心孔408，且其外侧设置有第二凸台407，转盘单元108的两侧通过第一
凸台401和第二凸台407分别与第一转盘支架201和第二转盘支架202转动连接。

[0055] 工作角度控制系统用于对被测等速球笼万向节的工作角度进行调整，包括万向节连接工装107和开设在转盘单元108上的滑动槽405，万向节连接工装107活动设置在第二转
盘404 上的滑动槽405内。

[0056] 在本发明其中一个实施例中，工作角度控制系统还包括与滑动槽405平行的角度控制移动滑轨110，角度控制移动滑轨110固定在第二转盘404上且靠近滑动槽405设置，万
向节连接工装107通过角度控制移动滑轨110活动设置在滑动槽405内。

[0057] 负载转矩加载系统用于对被测等速球笼万向节的负载转矩进行调节，包括加载驱动件、第一伸缩轴105和第二伸缩轴112，第一伸缩轴105的两端分别与加载驱动件和万向节
连接工装107转动连接，第二伸缩轴112的一端与万向节连接工装107转动连接，另一端与被
测等速球笼万向节113中的星形套305连接。

[0058] 在本发明其中一个实施例中，加载驱动件包括液压工作站121、液压马达101和齿轮组，齿轮组与液压马达101传动连接，第一伸缩轴105的一端与齿轮组传动连接。齿轮组包
括第一齿轮102和与第一齿轮10啮合连接的第二齿轮103，第一齿轮102与液压马达101连
接，第二齿轮103与第一伸缩轴105的一端通过第一万向节104连接，第一伸缩轴105的另一
端通过第二万向节106连接，第一伸缩轴105位于第一转盘402和第二转盘404之间，第二万
向节106与万向节连接工装107的一侧连接，第二伸缩轴112位于第二转盘404和第三转盘 
406之间，第二伸缩轴112的一端通过第三万向节111与万向节连接工装107连接，另一端与
被测等速球笼万向节113中的星形套305连接。通过调节液压工作站121的液压力，改变液压
马达101的转矩，转矩通过第一齿轮102和第二齿轮103进行转矩放大，再依次通过第一万向
节104、第一伸缩轴105、第二万向节106、第三万向节111、第二伸缩轴112将转矩传递到被测
等速球笼万向节113，实现对被测等速球笼万向节113的负载转矩进行调节。第二万向节106
和第三万向节111两零件之间没有相对运动，但是两个连接可以在万向节连接工装107上转
动。其中，第一中心孔403中可以让万向节104穿过且不发生接触，第二中心孔 408可以让被
测等速球笼万向节113穿过且不发生接触，因此不会影响转矩的传递。万向节连接工装107
可以在角度控制移动滑轨110上移动和固定，在通过角度控制移动滑轨110改变万向节连接
工装107在滑动槽405内的位置后，与万向节连接工装107连接的第三万向节 111也会随之
移动，第二伸缩轴112与与被测等速球笼万向节113中心轴之间的夹角大小就会发生改变，
达到对被测等速球笼万向节113的工作角度进行调整的效果。

[0059] 动平衡配重系统用于对转盘进行动平衡调节，包括配重块116和与滑动槽405平行的动平衡控制移动滑轨117，动平衡控制移动滑轨117固定在第二转盘404上且靠近滑动槽
405 设置。配重块116通过动平衡控制移动滑轨117滑动设置在转盘单元108上的滑动槽405
内。配重块116可以通过动平衡控制移动滑轨117在滑动槽405内移动和固定，当配重块116
的径向距离改变后对转盘单元108的平衡量效果会发生改变。在使用时，根据被测等速球笼
万向节113工作角度的大小来调节配重块116的位置，保证转盘转动时的动平衡特性。

[0060] 在本发明其中一个实施例中，请参阅图4，角度控制移动滑轨110和动平衡控制移动滑轨117均靠近滑动槽405设置，且滑动槽405上与角度控制移动滑轨110相对的位置与滑
动槽405上与动平衡控制移动滑轨117相对的位置不相交。如此可以使得万向节连接工装
107 的移动和配重块116的移动互不干涉。

[0061] 数据采集系统包括信号采集器122、角度编码器119、转矩传感器115、z轴力传感器114、用于测量X轴方向的力信号的X轴力传感器310、用于测量Y轴方向的力信号的Y轴力传
感器301和用于测量Z轴方向的力信号的Z轴力传感器114，X轴力传感器310、Y轴力传感器
301和Z轴力传感器114均设置在被测等速球笼万向节113的主壳体302上。角度编码器119 
固定设置在电机120上，用于测量电机120的转角，转矩传感器115用于测量被测等速球笼万
向节113的转矩。可以通过信号采集器122接收电机上的转角信号，被测等速球笼万向节上
的转矩信号与力信号。通过三个力传感器采集等速球笼万向节的钟形壳在三个方向上受其
他部件作用力的大小，经过处理，进而得到等速球笼万向节的动力学特性。

[0062] 被测等速球笼万向节113包括主壳体302、副壳体306以及设置在主壳体302内的星形套305、保持架304和钢球303，副壳体306与主壳体302之间可拆卸连接。

[0063] 在本发明其中一个实施例中，如图3所示，被测等速球笼万向节113是一个钟形壳经过特殊设计的等速球笼万向节，多个钢球303、保持架304和星形套305与现有的等速球笼
万向节相同。被测等速球笼万向节113的钟形壳包括主壳体302和副壳体306。钢球303、保持
架304和星形套305均设置在主壳体302上，X轴力传感器310和Y轴力传感器301分别固定在
主壳体302的两个侧面上，星形套305与第二伸缩轴112相连，液压马达的转矩经第二伸缩轴
112传递到被测等速球笼万向节113的星形套305。

[0064] 其中，当主壳体302和副壳体30之间连接固定时，其中一个球道位于副壳体306上，且该球道可以与位于主壳体上的其中一个钢球303直接接触并且与主壳体302、保持架304
之间没有直接接触。主壳体302和副壳体306之间可以通过紧固件如图中的第一螺栓307、第
二螺栓308连接达到相对固定。当主壳体302和副壳体306之间未连接时，主壳体302、副壳体
306可分别相对于地面固定，如主壳体302可通过紧固件如图中的第三螺栓311与连接件如
支架连接固定，从而使得X轴力传感器310和Y轴力传感器301也可相对于地面固定，副壳体
306可以通过紧固件如图中的第四螺栓309与连接件如支架连接固定。主壳体302和副壳体
306之间不连接并使主壳体302和副壳体306分别相对于地面固定，才可以测出主壳体在x轴
和y轴方向上的力信号。同时在被测等速球笼万向节113上连接的螺栓不同，被测等速球笼
万向节113固定的方式就会不同，数据采集器122采集获得的信号也会有不同的作用。在等
速球笼万向节接触力测试试验台中，转速控制通过传动带带动转盘单元转动，转盘单元的
转动为被测等速球笼万向节里其他部件提供相对钟形壳的旋转运动。在不改变等速球笼万
向节内部零件的相对运动关系的前提下，将被测等速球笼万向节的钟形壳保持与地面的静
止，其它零件按原有的运动关系进行移动与旋转。

[0065] 如图2所示，在一种等速球笼万向节接触力测试试验台中的零件有三种运动情况，第一种零件是相对于地面固定，第一转盘支架201、第二转盘支架202固定在地面上，且转盘
单元108可以在第一转盘支架201、第二转盘支架202上转动，电机120、角度编码器119、液压
工作站121、液压马达101、转矩传感器115均相对于地面固定，被测等速球笼万向节113 通
过与转矩传感器115连接也与地面相对静止。第二种，是与由电机120带动的零件，分别有传
动轮118、传动带109和转盘单元108，以及安装在转盘单元108上的角度控制移动滑轨 110
和角度控制移动滑轨110上可移动或固定的万向节连接工装107、动平衡控制移动滑轨117 
和动平衡控制移动滑轨117上可移动或固定的配重块116。第三种，由液压马达101带动的零
件，有齿轮组、第一万向节104、第一伸缩轴105、第二万向节106、第三万向节111、第二伸缩
轴112。

[0066] 在本发明其中一个实施例中，如图5所示为等速球笼万向节接触力测试试验台的数据处理流程，信号采集器122采样频率设置在500HZ以上，对角度编码器119、转矩传感器
115、 z轴力传感器114、x轴力传感器310和y轴力传感器301的电信号进行采样。在转盘单元
108 运动平稳后，转盘单元108转过一圈时间为0～t秒，记录下各元件中的信号，角度编码
器119 获得的角度随时间变化为α(t)，转矩传感器115获得的转矩随时间变化为M(t)，z轴
力传感器 114获得的力随时间变化为Fz(t)，x轴力传感器310获得的力随时间变化为Fx
(t)，y轴力传感器301获得的力随时间变化为Fy(t)。同时根据设计可以知道传动轮118与转
盘单元108上的第二转盘402的直径比即传动比为i，可得转盘相位角随时间变化为Θ(t)＝
α(t)/i。由于电机 120的转速是平稳的，α(t)可以拟合成一阶函数α(t)＝kt，一阶函数的斜
率k为电机的实际转速，则Θ(t)＝kt/i，因此z轴方向力随转盘相位角变化为Fz(Θ)＝Fz
(kt/i)、x轴方向力随转盘相位角变化为Fx(Θ)＝Fx(kt/i)、y轴方向力随转盘相位角变化
为Fy(Θ)＝Fy(kt/i)。在本发明其中一个实施例中，电机120的转速n0＝60k(r/min)，转盘
单元108的转速n＝60k/i(r/min)。

[0067] 具体的，如图6所示，使用前述一种等速球笼万向节接触力测试试验台进行测试的步骤如下：

[0068] (1)将等速球笼万向节接触力测试试验台所有零件如图一安装连接，在被测等速球笼万向节113中，通过第一螺栓307、第二螺栓308将主壳体302和副壳体306之间连接固
定，先通过第二螺栓308的安装深度调节副壳体306的位置直到副壳体306上的球道与被测
等速球笼万向节113轴心之间的距离与主壳体301上球道与被测等速球笼万向节113轴心之
间的距离相同，然后通过第一螺栓307固定。

[0069] (2)根据测试工况的需求，沿着角度控制移动滑轨110移动万向节连接工装107在滑动槽405内的位置，测试第二伸缩轴112的轴心与被测等速球笼万向节113轴心之间的夹
角大小，当夹角大小达到预设值后，将万向节连接工装107固定在角度控制移动滑轨110上
使两者不发生相对滑动。然后通过测量万向节连接工装107的质量m1与其到转盘单元108轴
心的距离R1，第二万向节106和第三万向节111的总质量m2，第一伸缩轴105和第二伸缩轴112 
的总质量m3，配重块116的质量m0，调节配重块116质心到转盘单元108轴心的距离R0， R0＝
(m1R1+m2R1+m3R1/2)/m0，经过调节后转盘108转动时的不平衡量会下降，转动更加平稳。

[0070] (3)启动电机120，将电机转速调节到设定转速n1，检查角度编码器输出的信号α(t)，通过电机实际转速k计算出转盘单元108的转速k/i。启动液压工作站121与液压马达
101并调节其液压力，直到转矩传感器115输出的转矩信号达到设定值，此时记录下液压力
p0。

[0071] (4)关闭电机120与液压工作站121，将被测等速球笼万向节113上的主壳体通过第三螺栓311与地面相对固定，使得z轴力传感器114、x轴力传感器310和y轴力传感器301相对
于地面固定，测出被测等速球笼万向节在三个方向上的受力情况。重新开启电机120与液压
工作站121，调节电机转速到设定值n1，调节液压力到p0，待转盘单元108转动速度稳定后，记
录下周期内z轴力传感器114的力随时间变化为Fz0(t)，x轴力传感器310的力随时间变化为
Fx0(t)，y轴力传感器301的力随时间变化为Fy0(t)。

[0072] (5)关闭电机120与液压工作站121，卸下连接主壳体和副壳体的第一螺栓307、第二螺栓308，并将副壳体相对于地面固定(如可通过第四螺栓309将副壳体与直接连接固定，
支架固定在地面上)，主壳体301也保持相对于地面固定，使得z轴力传感器114、x轴力传感
器310和y轴力传感器301相对于地面固定，通过单独固定的主壳体测出缺少一个球道下被
测等速球笼万向节在三个方向上的受力情况。重新打开电机120与液压工作站121，调节电
机转速到设定值n1，调节液压力到p0，待转盘单元108转动速度稳定后，记录下周期内z 轴力
传感器114的力随时间变化为Fz1(t)，x轴力传感器310的力随时间变化为Fx1(t)，y轴力传
感器301的力随时间变化为Fy1(t)。

[0073] (6)通过力传感器信号，计算钢球对单一球道的作用力：

[0074] Fbx(t)＝Fx0(t)‑Fx1(t)，Fby(t)＝Fy0(t)‑Fy1(t)，Fbz(t)＝Fz0(t)‑Fz1(t)。

[0075] (7)对于保持架对钟形壳在三个方向的作用力分别如下：

[0076] Fcx(t)＝Fx0(t)‑Fbx(t)‑Fbx(t+60i/k)‑Fbx(t+120i/k)‑Fbx(t+180i/k)‑Fbx(t+240i/k)‑Fbx(t+270i/k)，

[0077] Fcy(t)＝Fy0(t)‑Fby(t)‑Fby(t+60i/k)‑Fby(t+120i/k)‑Fby(t+180i/k)‑Fby(t+240i/k)‑Fby(t+270i/k)，

[0078] Fcz(t)＝Fz0(t)‑Fbz(t)‑Fbz(t+60i/k)‑Fbz(t+120i/k)‑Fbz(t+180i/k)‑Fbz(t+240i/k)‑Fbz(t+270i/k)。

[0079] (8)对作用力的函数进行变换，得到钢球对单一球道作用力随相位角的变化函数：

[0080] Fbx(Θ)＝Fbx(kt/i)，Fby(Θ)＝Fby(kt/i)，Fbz(Θ)＝Fbz(kt/i)

[0081] (9)保持架对钟形壳的作用力随相位角的变化函数：

[0082] Fcx(Θ)＝Fcx(kt/i)，Fcy(Θ)＝Fcy(kt/i)，Fcz(Θ)＝Fcz(kt/i)。

[0083] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。