機械畢業(yè)設計（論文）-基于二次調節(jié)的減速器加載試驗臺設計【全套圖紙】

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1、目錄 前言.1 1 緒論.2 1.1 課題研究目的和意義2 1.2 國內外二次調節(jié)技術的研究發(fā)展概況2 1.3 二次調節(jié)技術的應用及特點3 1.3.1 二次調節(jié)技術的的應用3 1.3.2 二次調節(jié)技術的特點4 1.4 二次調節(jié)加載系統(tǒng)原理5 1.5 減速器加載系統(tǒng)概述6 1.5.1 開放式加載系統(tǒng)6 1.5.2 封閉式加載系統(tǒng)7 1.6 論文主要研究內容9 2 減速器模擬加載系統(tǒng)數學模型.10 2.1 概述10 2.2 減速器模擬加載試驗臺組成與原理10 2.2.1 試驗臺各部分組成及其功用10 2.2.2 模擬加載系統(tǒng)原理10 2.3 模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型12 2.3.1 二次元件閥控缸

2、的方塊圖模型12 2.3.2 驅動單元轉速控制的方塊圖模型15 2.3.3 加載單元轉矩控制的方塊圖模型19 2.3.4 整個模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型22 2.4 本章小結23 3 減速器模擬加載系統(tǒng)特性分析.24 3.1 概述24 3.2 驅動單元轉速控制系統(tǒng)剛度特性分析24 3.3 本章小結27 4 減速器加載試驗臺驅動變速箱的設計.28 4.1 概述28 4.2 驅動變速箱的參數計算28 4.2.1 傳動方案的確定29 4.2.2 最大扭矩的計算29 4.2.3 最大轉速的計算29 4.3 齒輪的設計30 4.3.1 選擇齒輪材料30 4.3.2 確定齒輪傳動精度等級30 4.3.3 齒

3、輪傳動幾何尺寸計算31 4.3.4 各軸齒輪中心距的計算35 4.3.5 齒輪齒寬的計算35 4.3.6 齒根彎曲疲勞強度校核36 4.4 軸的設計39 4.4.1 軸的設計39 4.4.2 軸的設計41 4.4.3 軸的設計42 4.4.4 軸的設計43 4.4.5 軸的設計44 4.4.6 軸的設計45 4.4.7 軸的設計45 4.5 軸的強度校核47 4.5.1 軸的校核47 4.5.2 軸的校核48 4.6 本章小結50 5 結論.51 致謝.52 參考文獻.53 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 摘 要 靜液驅動二次調節(jié)技術是一項新型的液壓傳動技術。它具有控制方便、容易

4、組成類 似于電氣系統(tǒng)的網絡執(zhí)行機構以及液壓能回收與重新利用,甚至比電氣系統(tǒng)更為簡便等一 系列突出的優(yōu)點。二次調節(jié)技術的研究將極大地提高液壓傳動技術的應用范圍和產品的 競爭力。本文對基于二次調節(jié)的減速器加載系統(tǒng)進行深入的理論分析，建立減速器加載 系統(tǒng)的數學模型，并繪制方框圖，由所建立的模型可以看出，該減速器模擬加載系統(tǒng)為 單輸入單輸出系統(tǒng)，包括驅動單元轉速控制系統(tǒng)、二次輸出加載轉矩控制系統(tǒng)；本文還 對驅動單元轉速控制系統(tǒng)進行剛度特性分析。詳細介紹了減速器模擬加載試驗臺驅動變 速箱及其變速器的軸和傳動零部件的設計及校核。試驗結果表明，該模擬加載系統(tǒng)具有 良好的轉速、轉矩調節(jié)功能，軸和齒輪具有較好的

5、承受載荷能力，能滿足減速器模擬加 載要求，得出許多有參考價值的結論，為進一步完善和提高二次調節(jié)加載技術提供了依 據。 關鍵詞：靜液驅動；二次調節(jié)；加載；數學模型。 Abstract Static fluid-driven second- regulation technology is a new fluid drive technology. It has a lot of advantages, such as convenient control, network perform institution which can be easily formed like electrical

6、 system and recovery or reuse of the hydraulic pressure energy, especially much more convenience than electrical system. The research on second-regulation technology can greatly advance the application of the fluid drive technology and the competition of the product. This text bases on reducer load

7、system of the second- regulation to make deep theoretic analyze, found mathematical model of the reducer load system, protract pane chart. We can see from the model founded, this reducer simulated load system is single input and single output system, including driven module rotational speed control

8、module system, second export load torque control system,; the text also analyze the rigidity characteristics of the driven module rotational speed control module system., and also design or Check the drive gear-box, shift organ saxes and drive parts of the reducer simulate load test bed. The result

9、of the text indicate that this simulate system has good function at rotate speed and torque regulation, the axes has good ability of enduring load, and it can achieve certain shift gears ability. This system has good efficiency, it can also satisfy the need of the reducer simulate load. We educe sev

10、eral conclusions with reference value. This text also provide there under about how to improve or advance second-regulation load technology. Keywords: Static fluid-driven; second- regulation; load; Mathematical model. 前言 靜液傳動由于具有功率大、密度大、易于實現工作過程的自動化等優(yōu)點而被廣泛地 應用在工程領域中。但由于靜液傳動存在著漏油、噪聲大和效率低等缺點，以及來自于 機械傳

11、動、電器傳動和交流伺服技術快速發(fā)展的競爭等原因，進入 20 世紀 90 年代以來， 其增長速度明顯減慢。因此，如何在發(fā)揮其自身優(yōu)勢的基礎上，借鑒于其他傳動技術的 優(yōu)點、克服自身的不足，從而設計出新型的靜液傳動系統(tǒng)，并不斷地使其獲得進一步地 發(fā)展，已經成為當前急需解決的關鍵問題。 二次調節(jié)靜液傳動系統(tǒng)是近年新發(fā)展起來的節(jié)能系統(tǒng)。它具有一系列的獨特特點， 越來越引起了人們的重視。二次調節(jié)靜液傳動系統(tǒng)是工作于恒壓網絡的壓力耦聯系統(tǒng)， 能在四個象限內工作，回收與重新利用系統(tǒng)的制動動能和重物勢能；在系統(tǒng)中二次元件 能無損地從恒壓網絡取得能量，因而大大地提高了系統(tǒng)效率；系統(tǒng)中可以同時并聯多個 負載，在各負

12、載端可分別實現互不相關的控制規(guī)律；擴大了系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善了系 統(tǒng)的控制特性，減少了設備總投資，降低了工作過程中的能耗，節(jié)約冷卻費用。在能源 日益緊缺的今天，基于能量回收與重新利用而提出的二次調節(jié)技術具有重要的理論研究 意義和實際應用價值。 國外從 70 年代末開始此項技術的研究，現已將它應用于造船工業(yè)、車輛傳動、大型 試驗臺等領域，取得了顯著的節(jié)能效果。我國從 80 年代末從事二次調節(jié)技術的研究，目 前尚處于實驗室研究階段。本文簡要回顧了這一領域的發(fā)展過程及最新成就，并對基于 二次調節(jié)的減速器加載試驗臺驅動單元進行了詳細地設計，并對驅動單元的系統(tǒng)剛度特 性進行了分析。不當之處希望得到老師的

13、批評指正。 1 緒論 1.1 課題研究目的和意義 世界在發(fā)展，科技在進步。對于新設計制造的減速器，需要利用專門的固定試驗臺 對其進行加載試驗，檢測各項工作性能和可靠性指標是否滿足要求。減速器是用于原動 機和工作機之間的獨立的封閉傳動裝置。由于減速器具有結構緊湊、傳動效率高、傳動 準確可靠、使用維護方便等特點，故在各種機械設備中應用甚廣。以往對較簡單的單項 試驗如疲勞壽命試驗等，可在傳統(tǒng)的液壓式加載試驗臺上進行，但其功率消耗很大，效 率很低。對稍復雜一些的綜合性能試驗，可在電封閉加載試驗臺上進行，但在相同加載 功率下，所用電器設備龐大復雜，另外雖然可實現功率回收，提高了效率，可由于其回 收功率以

14、電能形式回饋給電網，因而在動載變化較大時，對電網的沖擊較大，某些電器 元件被燒壞的情況時有發(fā)生，所以我們要盡量避免它的發(fā)生。這也成為了我們的主要任 務。由于近年來加載試驗臺技術的不斷發(fā)展，使得許多試驗都可以在具有高動態(tài)性能的 固定試驗臺上完成，而利用二次調節(jié)技術的液壓伺服加載試驗臺就是近年來為人們所重 視的一類加載試驗臺。這種加載系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變量泵-定量馬達系統(tǒng)不同，它采用帶有儲 能器的恒壓中心油源（一次元件）實現與各個單獨調節(jié)回路（二次元件）之間的壓力藕 聯，該系統(tǒng)具有能量可回收利用，效率高，可以多用戶并行工作，遠離動力源，沖擊小， 噪聲底，系統(tǒng)控制性能好等優(yōu)點，因此被認為是液壓領域的重大突

15、破。 近年來我國開始利用二次調節(jié)技術研制新型加載試驗設備，在這種二次調節(jié)加載技 術的理論與應用方面，取得了一定成果和進展，但還存在許多需要進一步解決的問題。 所以對此的研究有一定的實用和經濟價值。 1.2 國內外二次調節(jié)技術的研究發(fā)展概況1 德國漢堡國防工業(yè)大學的 H.W.Nikolaus2教授于 1977 年首先提出了二次調節(jié)靜液傳 動的概念。國外從事這方面研究的單位主要有德國漢堡國防工業(yè)大學靜液傳動和控制實 驗室（LHAS） 、亞琛工業(yè)大學流體傳動與控制研究所（RWTH）和曼內斯曼力士樂有限公司 （Mannesm ann Rexroth GmbH） 。 1980 年 W.Backe 和 H

16、.Murrenhoff 教授進行了液壓直接轉速控制的二次調節(jié)靜液傳動 系統(tǒng)的研究，他們用的二次元件的變量油缸單出桿活塞缸。 1981 年至 1987 年間，R.Kordark、W.Backe、H.Murrenhoff、W.Nikolaus 和 F.Metzner 等人先后提出了液壓直接控制系統(tǒng)、液壓先導控制調速系統(tǒng)和機液調速系統(tǒng)。 但這些調速系統(tǒng)的控制性能不太理想，結構復雜，實現較困難。 1982 年至 1987 年間，H.Murrenhoff、Backe 和 H.J.Haas 等人為提高系統(tǒng)的控制性 能，對二次調節(jié)電液轉速控制系統(tǒng)和電液轉角控制系統(tǒng)進行了研究。這種系統(tǒng)可以是單 反饋控制回路，

17、但其阻尼比較小，控制性能不太好。為提高系統(tǒng)的阻尼，改善系統(tǒng)的控 制性能，引入二次元件變量油缸位移反饋，組成雙反饋回路電液轉速控制系統(tǒng)。 1987 年 F.Metzner 提出了數字模擬混合轉角控制系統(tǒng)，將經過電液力反饋轉速控制 的二次元件作為被控對象，控制算法采用數字 PID 控制，它能實現二次元件的轉速、轉 角、轉矩和功率控制。 1988 年 W.Holz 先生發(fā)表文章介紹此系統(tǒng)，并給出其應用的可能性。 1993 年 W.Backe 教授和 Ch.Koegl 又研究了轉速和轉矩控制的二次調節(jié)靜液傳動問題， 其中包括對這兩個系統(tǒng)中參數的解耦問題研究。1994 年 R.Kodak 研究了具有高動

18、態(tài)特性 的電液轉矩控制系統(tǒng)。 近年來，德國漢堡國防工業(yè)大學與力士樂公司合作進行了實用性研究，把二次調節(jié) 靜液傳動技術應用到多種機械設備的液壓系統(tǒng)中，取得了顯著的節(jié)能效果。 我國從 80 年代末開始從事二次調節(jié)技術的研究。哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學、中國 農機研究院以及同濟大學等單位都對該技術進行了不同形式的研究。 1990 年哈爾濱工業(yè)大學謝卓偉等用單片機組成數字閉環(huán)控制系統(tǒng)，并用變結構 PID 控制算法來控制二次元件的輸出轉速；中國農機研究所閻雨良等進行過二次元件調速特 性的實驗研究；同濟大學范基等進行過二次調節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能液壓實驗系統(tǒng)研制。 1.3 二次調節(jié)技術的應用及特點 1.3.1 二次調

19、節(jié)技術的的應用 由于二次調節(jié)技術具有諸多優(yōu)點，使它在很多領域得到廣泛應用。第一套配備有二 次調節(jié)閉環(huán)控制的產品是建在鹿特丹歐洲聯運碼頭（ECT）的無人駕駛集裝箱轉運車 CT40；德國的科那西山特號海上浮油及化學品清污船的液壓傳動設備配備有二次調節(jié)反 饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使預選的撇沫泵和傳輸泵設備的轉速保持恒定，并使之不受由 于傳輸介質黏度的變化而引起的外加轉矩變化的影響；德累斯頓工業(yè)大學通用試驗臺應 用了二次調節(jié)反饋控制的四象限運轉、能量回收及高反饋控制精度等特點。該試驗臺能 滿足實際中的嚴格要求；奔馳汽車公司也將二次調節(jié)技術應用于行駛模擬試驗臺、以及 在無人駕駛運輸系統(tǒng)的行駛驅動。它還被用

20、于近海起重機的驅動、油田用抽油機和精軋 機組的液壓系統(tǒng)中。德國在市區(qū)公共汽車上配備二次調節(jié)傳動系統(tǒng)后取得顯著的節(jié)能效 果。如圖 1-1 所示，改造后的市區(qū)公共汽車由恒壓變量泵 2 和二次元件 4 組成的軸向柱 塞單元驅動。它在滿載啟動時能給出大約 180Kw 的功率，由此可使汽車在 20s 內加速到 它的最大速度 50km/h。而發(fā)動機 1 的功率卻只有 30Kw，其中 150Kw 的差值是從液壓蓄能 器 3 中獲得的。液壓蓄能器的充壓是在制動過程中進行的，在這個過程中二次元件作為 泵來工作，而液壓蓄能器為下次的加速過程充壓。系統(tǒng)的損失由液壓泵來補償。 1. 發(fā)動機 2. 恒壓變量泵 3. 蓄

21、能器 4. 二次元件 5. 汽車后橋 圖 1-1 二次調節(jié)靜液傳動系統(tǒng)在公共汽車中應用原理圖 Fig.1-1 second-quiet fluid drivetrain system in the application of principles of the bus 綜上所述，二次調節(jié)技術可實現能量回收和重新利用，其主要應用在以下幾個方面： 1）位能回收 如液壓驅動的卷揚起重機械。由于卷揚機械中有位能變化，采用二次 調節(jié)傳動技術可以回收其位能。它可用于起重機械和礦井提升機械，纜索機械的索道傳 動，船用甲板機械等； 2）慣性能回收 如液壓驅動擺動機械和實驗裝置。應用二次調節(jié)技術可對擺動機械

22、在頻繁起動、制動過程中產生的慣性能進行回收和再利用； 3）綜合節(jié)能 群控作業(yè)機械和實驗裝置。對于多臺周期性工作設備可共用一個動力 能源,這樣既節(jié)省了費用,又節(jié)約了能源,這在流水作業(yè)的機械和液壓實驗裝置中十分常見。 1.3.2 二次調節(jié)技術的特點3 1）同傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)相比，二次調節(jié)加載系統(tǒng)有如下一些特點： （1）通過改變二次元件的排量來改變輸出轉矩的大小，進而實現對轉速、位置、轉 矩和功率的控制。通過改變二次元件斜盤擺角的方向（過零點）來改變二次元件的轉向； （2）由于二次調節(jié)系統(tǒng)是壓力耦聯系統(tǒng)，所以二次元件的流量與其轉速和轉矩的乘 積成比例； （3）它是壓力耦聯系統(tǒng)，系統(tǒng)中的壓力基本保持不變

23、。二次元件直接與恒壓油源相 連，因此在系統(tǒng)中沒有原理性節(jié)流損失，提高了系統(tǒng)效率； （4）二次元件（液壓馬達/泵）可在四個象限內運行工作，既可以工作在液壓馬達 工況，也可以工作在液壓泵工況，為能量的回收和重新利用創(chuàng)造了條件； （5）蓄能器回收的液壓能可滿足間歇性大功率的需要，在設備的啟動過程中能利用 蓄能器釋放出的能量來加速啟動過程，由此來提高系統(tǒng)的工作效率； （6）由于蓄能器的存在使系統(tǒng)中不會形成壓力尖峰，可減少壓力限制元件的發(fā)熱， 從而降低用于系統(tǒng)冷卻的功率消耗； （7）與電力系統(tǒng)相似，二次元件工作于恒壓網絡，在這個恒壓網絡中可以并聯多個 互不相關的負載，并可實現互不相關的控制規(guī)律，而液壓泵

24、站只需按負載的平均功率之 和進行設計安裝； （8）二次調節(jié)系統(tǒng)提供了新的控制規(guī)律和控制結構。 2）與電傳動相比： （1）閉環(huán)控制動態(tài)響應快； （2）高功率密度，重量輕，安裝空間??； （3）安裝功率小。 1.4 二次調節(jié)加載系統(tǒng)原理4 二次調節(jié)靜液傳動系統(tǒng)（簡稱為二次調節(jié)系統(tǒng)）一般由恒壓油源、二次元件（液壓 泵/馬達） 、工作機構和控制調節(jié)機構等組成。二次調節(jié)系統(tǒng)是工作于恒壓網絡的壓力耦 聯系統(tǒng)，其工作原理是：在恒壓網絡中，通過調節(jié)二次元件斜盤傾角來改變二次元件排 量，以適應負載（工作機構）轉矩的變化，從而使負載按設定的規(guī)律變化。 二次調節(jié)加載系統(tǒng)原理如圖 1-2 所示?？赡媸奖?馬達元件與電液

25、伺服閥、變量液壓 缸、位移傳感器等組合在一起，統(tǒng)稱為二次元件。電動機、恒壓變量泵、蓄能器、安全 閥及相應的管路等元件構成恒壓網絡，為整個加載系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓動力源。兩個可 逆式泵/馬達元件以壓力耦聯方式并聯于恒壓網絡上，兩元件機械端口之間通過轉速傳感 器和轉矩傳感器以及加載對象剛性地連接在一起。 轉速控制系統(tǒng)和轉矩控制系統(tǒng)為典型的電液伺服系統(tǒng)二者相互獨立，可分別進行調 節(jié)，以滿足加載系統(tǒng)對轉速和轉矩的不同要求。系統(tǒng)工作時，由控制器 11 和 14 分別向 電 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 E E 1 4 轉速控制系統(tǒng)轉矩控制系統(tǒng) 1電動機

26、2恒壓變量泵 3蓄能器 4安全閥 5油箱 6,18位移傳感器 7,16變量液壓缸 8,17電液伺服閥 9,15可逆式泵/馬達元件 10轉速傳感器 11,14控制器 12加載對象 13轉矩傳感器 圖 1-2 二次調節(jié)加載系統(tǒng)原理 Fig.1-2 Principle diagram of loading system with secondary regulation 液伺服閥 8 和 17 發(fā)出電信號，通過閥控缸機構（前置級排量控制）改變兩個可逆式泵/馬 達元件的斜盤擺角，從而使其排量發(fā)生變化，以適應外負載轉速和轉矩的變化。另外， 當系統(tǒng)進行工作時，元件 9（馬達）由恒壓網絡獲取液壓能，并將其轉

27、換成機械能來驅動 加載對象和元件 15（泵） ，實現加載，元件 15（泵）將機械能轉換成液壓能后又直接回 饋給恒壓網絡，重新用來驅動元件 9（馬達） ，在兩個可逆式泵/馬達元件之間形成閉式循 環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械損失，而驅動 元件 9（馬達）所需的大部分能量都來自元件 15（泵） 。此外，在該加載系統(tǒng)中，沒有節(jié) 流元件，因而避免了節(jié)流損失。由此可見，該加載系統(tǒng)在工作中不僅減少系統(tǒng)發(fā)熱，而 且還可以達 到節(jié)能目的。 從以上分析可以得出，實現各種控制目的的最終控制量是作用在變量液壓缸上，變 量液壓缸不同的位置使二次元件有不同的斜盤傾角，即有不同的排量。因

28、此，二次調節(jié) 的最終控制是實現對變量液壓缸位置控制。 1.5 減速器加載系統(tǒng)概述5 減速器的種類很多、應用范圍廣，用以滿足各種機械傳動的不同要求。因此，減速 器加載試驗臺系統(tǒng)應具備扭矩、轉速可變化的條件，且其扭矩、轉速的變化應是可單獨 調節(jié)的。減速器試驗加載系統(tǒng)主要分為開放式和封閉式兩大類。 1.5.1 開放式加載系統(tǒng) 開放式加載系統(tǒng)原理如圖 1-3 所示。驅動單元由電動機(或內燃機、液壓馬達等)、及 附屬裝置組成，它負責向系統(tǒng)提供動力(功率)，驅動轉速的調節(jié)由電機調速來實現；試驗 單元主要由被測裝置、減速器、轉矩轉速測量裝置以及其它一些測量裝置組成；負載模 擬單元主要由測功機(或液壓加載器、

29、磁粉制動器等)及附屬裝置組成，加載轉矩由測功機 (或液壓加載器、磁粉制動器)調定。 功率 輸入 試驗 單元 負載模 擬單元 功率 消耗 驅動 單元 圖 1-3 開放式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-3 Principle diagram of open type loading system 開放式加載系統(tǒng)的工作原理及工作過程比較簡單，整套設備的技術含量低，制造成 本相對較低，但它的致命弱點是需要大功率動力，能量無法回收利用，效率低，因此其 試驗成本相對于后面所述的封閉式加載系統(tǒng)來說較高。 1.5.2 封閉式加載系統(tǒng) 封閉式加載系統(tǒng)又分為電力封閉式、機械封閉式和液壓封閉式幾種。 1）電力封閉式

30、加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理如圖 1-4 所示。驅動單元由交流（或 直流）電動機及附屬裝置組成，驅動轉速的調節(jié)由電機調速來實現；試驗單元與開放式 相同；負載模擬單元由交流（或直流）發(fā)電機及附屬裝置組成，負載轉矩由發(fā)電機形成。 負載發(fā)電機產生的電能通過電網加以回收并反饋給驅動電機，形成封閉的功率流， 從而降低試驗能耗，系統(tǒng)效率高。但由于功率回收技術是一項專業(yè)性非常強的技術，整 套裝置的成本非常高，又由于回收過程的回收效率受加載負荷的影響較大，而且對于大 功率加載系統(tǒng)來說，試驗臺及電動機體積龐大，試驗不同型號減速器時調整困難。另外， 在系統(tǒng)動載變化較大時，可能對電網造成較大的沖擊。 2）機械封閉式

31、加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理圖如圖 1-5 所示。它將原來單純由電 機提供功率（轉矩、轉速） ，分解為由兩套裝置分別向系統(tǒng)提供轉矩和轉速，由轉速提供 裝置(電動機)向系統(tǒng)提供所需要的轉速，同時由轉矩施加裝置（液壓加載器）向系統(tǒng)提供 試驗所需要的轉矩。在這個過程中，轉矩被封閉在一個由兩個變速傳動裝置、兩個轉矩 轉速測量裝置、一個轉矩施加裝置、被試件和陪試件所組成的封閉機械系統(tǒng)中，它不再 對轉速提供裝置(電動機)產生影響，電動機所提供的動力，僅僅是用來平衡系統(tǒng)運動過程 中產生的機械損耗，從而降低了電動機的功率消耗。這種加載系統(tǒng)的轉速通過電機調速 進行調節(jié)，轉矩通過調節(jié)液壓加載器油源系統(tǒng)溢流閥的開啟

32、壓力來設定，不易實現自動 控制。因此，這種加載系統(tǒng)不適用于動態(tài)模擬加載試驗。 功率補償驅動單元試驗單元 負載模擬 單元 電功率回 收 圖 1-4 電力封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-4 Principle diagram of closed type electric loading system 轉速提供 裝置(電 動機、變 頻器) 變 速 傳 動 裝 置 轉矩轉速 測量裝置 被試件 轉矩轉速 測量裝置 轉 矩 施 加 裝 置 (液壓加載器) 陪試件 變 速 傳 動 裝 置 圖 1-5 機械封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-5 Principle diagram of closed

33、 type mechanical loading system 3）液壓封閉式加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理如圖 1-6 所示。驅動單元由油源、液 壓馬達及相關液壓元件組成，它負責向系統(tǒng)提供動力(功率)，通過對液壓馬達流量和斜盤 擺角的調節(jié)，來滿足對不同驅動轉速的要求；試驗單元與前述系統(tǒng)相同；負載模擬單元 由液壓泵及相關液壓元件等組成，通過控制液壓泵的斜盤擺角，可模擬各種工況下的負 載轉矩。負載模擬單元產生的液壓能通過液壓網絡加以回收，并直接反饋給驅動單元， 形成封閉的功率流，從而降低試驗能耗，系統(tǒng)效率高。系統(tǒng)加載過程中所形成的動載影 響，基本被限制在液壓系統(tǒng)內部，對電網的沖擊很小。 如果將圖

34、1-6 中的液壓馬達和液壓泵換成二次元件，就構成了二次調節(jié)加載系統(tǒng)。由 于二次調節(jié)加載系統(tǒng)可充分利用計算機控制的優(yōu)越性，使加載參數（轉矩和轉速）的調 節(jié)非常靈活方便，所以系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能好，可對各種復雜工況進行模擬。因此，將 這種二次調節(jié)式加載系統(tǒng)用于減速器加載試驗，是十分理想的。 功率補償驅動單元試驗單元 負載模擬 單元 液壓功率 回收 圖 1-6 液壓封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-6 Principle diagram of closed type hydraulic loading system 1.6 論文主要研究內容 1）對基于二次調節(jié)的減速器加載系統(tǒng)進行深入的理論分析，建

35、立減速器加載系統(tǒng)的 數學模型，并繪制方框圖； 2）對對驅動單元轉速控制系統(tǒng)進行剛度特性分析； 3）對驅動變速箱的軸及齒輪等傳動零部件進行詳細的設計，并對其作校核。 2 減速器模擬加載系統(tǒng)數學模型 2.1 概述 減速器加載試驗按減速器的重要性分為型式檢驗、出廠檢驗、溫升檢驗等幾種檢驗 方式。型式檢驗主要針對最新研制的減速器的一種檢驗方式，包括裝配及連接尺寸檢驗， 空載試驗，效率試驗，溫升試驗，噪聲試驗，超載試驗，耐久試驗；出廠檢驗針對現有 成熟減速器進行的出廠前檢驗，包括裝配及連接尺寸檢驗，出廠空載試驗，出廠溫升試 驗，出廠噪聲試驗；溫聲試驗主要針對檢修完畢的減速器進行的性能測試。 本章針對減速

36、器模擬加載系統(tǒng)，建立較為精確的數學模型。數學模型包括有微分方 程、狀態(tài)方程及變量圖、傳遞函數及方塊圖等。 2.2 減速器模擬加載試驗臺組成與原理 2.2.1 試驗臺各部分組成及其功用 減速器加載試驗臺如圖 2-1 所示，由恒壓油源及管路系統(tǒng)、模擬加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、 機械臺架四部分組成。恒壓油源為整個模擬加載單元提供恒定壓力，同各種液壓元件及 管路一起構成恒壓網絡。恒壓油源主要由兩臺 Rexroth公司的 A4VSO180DP 型軸向柱 塞式恒壓變量泵和一臺雙聯葉片式定量泵組成，柱塞泵為系統(tǒng)提供恒定的高壓油源，葉 片泵為二次元件及主泵提供背壓，并通過給系統(tǒng)補充冷油的方式來實現系統(tǒng)的冷卻。當 然

37、，油源部分還包括高低壓溢流閥、卸荷閥、蓄能器、油液過濾器及風冷卻器等。模擬 加載系統(tǒng)實現對試驗對象減速器的驅動和加載的模擬，它包括驅動單元、二次輸出加載 單元。驅動單元主要由兩個 Rexroth 公司的 A4VSO250 型軸向柱塞元件串聯而成的雙聯二 次元件、兩個彈性聯軸器、轉矩轉速傳感器組成，該單元用來模擬減速器的驅動。二次 輸出加載單元主要由雙聯二次元件、兩個彈性聯軸器、轉矩轉速傳感器組成，該單元用 來模擬傳感器二次輸出端的負載?？刂葡到y(tǒng)由 PC 計算機、工業(yè)控制計算機、數據采集卡、 數字顯示儀和用來控制油源啟停的 PLC 控制器等組成，該部分主要完成整個系統(tǒng)的連續(xù) 量和開關量的控制、數

38、據采集、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)狀態(tài)超限保護等。機械支架和試驗 平臺提供加載試驗對象減速器、聯軸器及加載二次元件的支撐和連接。其中模擬加載系 統(tǒng)為整個試驗臺的核心部分，也是本課題的研究對象。 2.2.2 模擬加載系統(tǒng)原理 由圖 2-2 可見，二套二次元件的液壓端口共同并聯于恒壓網絡上，機械端口通過各轉 1 2 3 二次元件 雙聯 二次元件 雙聯 變速器 驅動 變速器 二次輸出 減 速 器 恒壓油源 驅動模擬單元二次輸出加載單元 低壓恒壓網絡 高壓恒壓網絡 564 1-PC 機（上位機） 2-工控機（下位機） 3-采集卡 4-彈性聯軸器（4 個） 5-轉矩轉速傳感器（2 個） 6-齒輪聯軸器（2 個）

39、 圖 2-1 減速器加載實驗臺組成 Fig. 2-1 The reducer gear experiments composition 速轉矩傳感器、彈性聯軸器、變速器、加載試件等連接在一起。二次元件 1 工作于馬達 工況，用來模擬減速器發(fā)動機驅動軸動力，它同轉速傳感器、控制器 1 等構成驅動轉速 控制系統(tǒng)；二次元件 2 工作于泵工況，用來對減速器二次輸出端加載，為轉矩控制方式， 它同相應的轉矩傳感器 2、控制器 2，構成二次輸出加載轉矩控制系統(tǒng)。在轉速控制系統(tǒng) 和轉矩控制系統(tǒng)中，都包含有內環(huán)和外環(huán)兩種控制回路，由對應于各二次元件的電液伺 服閥、變量液壓缸、位移傳感器 LVDT 構成閥控缸回路

40、（內環(huán)） ，再加上相應的二次元件、 轉速感器或轉矩傳感器，就構成了轉速控制回路或轉矩控制回路（外環(huán)） 。 當系統(tǒng)進行工作時，二次元件 1（馬達）由恒壓網絡獲取液壓能，并將其轉換成機械 能來驅動加載試件和二次元件 2（泵） ，實現模擬加載。同時，二次元件 2（泵）將機械 能轉換成液壓能后又直接回饋給恒壓網絡，重新用來驅動二次元件 1（馬達） ，在二次元 件 1（馬達）和二次元件 2（泵）之間，功率流形成閉式循環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的 液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械損失，而驅動二次元件 1（馬達）所需的大部 分能量都來自二次元件 2（泵） 。因此，該加載系統(tǒng)實現了能量回收與利用，系統(tǒng)效率

41、高。 由于二套二次調節(jié)系統(tǒng)同樣設置有轉速傳感器和轉矩傳感器，可以任意將其調整為 轉速控制狀態(tài)（作為驅動單元）和轉矩控制狀態(tài)（作為加載單元），因此可以按被試件 的要求，設置其中一套二次調節(jié)系統(tǒng)作為驅動單元，另外 1 套作為加載單元。 二次 元件2 驅動 變速器 轉速 傳感器 二次輸出變 速器 轉矩 傳感器 U S U S 電液伺服閥2電液伺服閥1 恒壓網絡 恒壓 變量泵 蓄能器 控制 器1 二次 元件1 控制 器2 變量液 壓缸2 變量液 壓缸1 LVDT1LVDT2 減速器 圖 2-2 模擬加載系統(tǒng)原理圖 Fig.2-2 Principle diagram of simulation load

42、ing system 2.3 模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型 2.3.1 二次元件閥控缸的方塊圖模型 減速器模擬加載系統(tǒng)所用核心部件為 Rexroth 公司的 A4VS0250 DS 型二次元件，其 原理如圖 2-3 所示。它由可逆式軸向柱塞泵，馬達單元、電液伺服閥、變量油缸、安全保 護閥、位移傳感器(LVDT)、濾油器以及防氣蝕單向閥等組成。它具有快速的響應特性， 能工作在四個象限，既可用做馬達也可用做泵，具有很好的轉速、轉矩控制特性，沒有 節(jié)流損失，功率損失小。 B 8 S 5 4 7 6 3 2 1 9 1-軸向柱塞單元 2-變量液壓缸 3-電液伺服閥 4-安全保護閥 5-濾油器 6-位移傳感

43、器 7-碼盤 8-防氣蝕單向閥 9-二位三通電磁閥 B-高壓油口 S-低壓油口 圖 2-3 A4VSO250DS 型二次元件原理圖 Fig.2-3 Picture and principle diagram of A4VSO250DS type secondary unit 由上所說，二次元件用作馬達時，其控制方式為轉速控制；用作泵時，其控制方式 為轉矩控制，但兩種控制方式的閥控缸(內環(huán))是相同的，都是由電液伺服閥、變量液壓缸、 位移傳感器 LVDT 構成的。由圖 2-3 可見，閥控缸回路就是對稱伺服閥控制對稱液壓缸 回路，下面分別列寫出該回路各元件的數學模型5。 1）電液伺服閥 電液伺服閥的

44、傳遞函數通常用二階振蕩環(huán)節(jié)表示，即 (2-1) 2 2 ( ) ( ) 2( ) 1 didi di didi didi QsK Es sVs s 如果系統(tǒng)的頻寬較低時，伺服閥的傳遞函數可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，即 (2-2)( ) 1 di di di K Es T s 當系統(tǒng)的頻寬遠小于伺服閥的固有頻率時，伺服閥的傳遞函數可近似為比例環(huán)節(jié)，即 (2-3)( ) didi EsK 式中 第 個二次元件電液伺服閥的輸出流量（m /s） ；( ) di Qsi 3 第 個二次元件電液伺服閥的輸入電壓(v)；( ) di Vsi 第 個二次元件電液伺服閥的固有頻率(rads)； di i 第 個二次元

45、件電液伺服閥的阻尼比(無因次)； di i 第 個二次元件電液伺服閥的流量增益（m s）v） ； di Ki 3 第 個二次元件電液伺服閥的時問常數（s） ； di Ti 二次元件序號， =1，2，分別對應于驅動、二次輸出加載二次元件。ii 2）變量液壓缸 變量液壓缸的流量連續(xù)性方程為 (2-4) 4 ibibi dibibibi e dyVd P qACP dtdt : : 式中 變量液壓缸的流量（m s） ； di q 3 變量液壓缸活塞的位移（m） ； i y 變量液壓缸的有效作用面積（m ） ； bi A 2 變量液壓缸的泄漏系數(m /s)/ Pa)； bi C 3 變量液壓缸兩腔的

46、總容積（m ） ； bi V 3 液壓油的體積彈性模量(N/m2)； e 第 i 個變量液壓缸的進出口壓差（bar） 。 bi P: 變量液壓缸的力平衡方程為 (2-5) 2 2 ii bibiibiiii d ydy APmBK yF dtdt : 式中 變量液壓缸活塞與斜盤的等效質量（kg） ； i m 變量液壓缸的阻尼系數(N/（m/s）)； bi B 作用于變量液壓缸活塞上的外負載力（N） ； i F 負載的彈簧剛度（N/m） ，沒有彈性負載時，=0； i K i K 第 i 個變量液壓缸的進出口壓差（bar） 。 bi P: 3）位移傳感器 位移傳感器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數為 (2

47、-6)( ) wi G sK 式中 位移傳感器的變換系數（V/m） ； wi K 對式(2-4)、式（2-5）進行拉式變換得 (2-7)( ) 4 bi dibiibibibi e V QsA sYC Ps P : (2-8) 2 bibiiibiiiii APm s YB sYK YF: 由式(2-1)、式(2-6)、式(2-7)和式(2-8)，可畫出閥控缸的傳遞函數方塊圖，如圖 2-4 所示，輸入的是電壓量，輸出的是液壓缸的位移，經過一套連桿機構，將液壓缸的位移 轉換為可逆式泵馬達元件的斜盤擺角，因此將排量控制也稱為擺角控制。 - i Y i U i F - di V 2 2 2 1 di

48、 di didi K s s bi 4 bi bi e A V s C wi K bi A s 2 1 + ibii m sB sK di Q 圖 2-4 閥控缸方塊圖 Fig.2-4 Block diagram of prestage displacement control 1 S 2.3.2 驅動單元轉速控制的方塊圖模型 減速器模擬加載系統(tǒng)驅動單元物理模型如圖 2-5 a)所示，驅動單元的組成如圖 2-5 b) 所示，它包括雙聯驅動二次元件、彈性聯軸器、轉速傳感器、驅動變速器以及齒輪聯軸 器等。下面分別列出它們的有關方程。 1）二次元件排量方程為 (2-9) i i i i i i i

49、V y y V V max max max max 且有如下關系式 (2-10) ii yK 式中 二次元件的排量（m /rad） ； i V 3 二次元件的最大排量（m /rad） ； maxi V 3 二次元件變量斜盤的擺角(deg)； i 二次元件變量斜盤的最大擺角（deg） ； maxi 二次元件變量液壓缸活塞的位移（m） ； i y 二次元件變量液壓缸活塞的最大位移（m） ； maxi y 變量液壓缸活塞位移對斜盤擺角的變換系數（degm） 。 K 腳標 是二次元件的序號，此處指的是驅動單元二次元件，故應取扣 =1。ii 二 次 元 件 雙 聯 驅 動 彈性聯軸器 轉速傳感器 彈性聯

50、軸器 驅動變速器 齒輪聯軸器 減 速 器 C1Z1 1 D 11 T 12 T 1 S 二 次 輸 出 a） 減速器 t M1 1 1 M 1 1Z 1Z J 1 M 1Z M 1j M 1j 2j M 2j K 1 J 1 R K 1Z M JR 1 D 11 T 12 T 1 S 1 S 1 S 1 S b） 圖 2-5 驅動單元組成與物理模型 Fig.2-5 Constitution and physical model of drive unit 2）雙聯驅動二次元件的力矩平衡方程為 1 D (2-11) 1 1 1 2 1 1111 2M dt d R dt d JVPM t 式中

51、二次元件的理論輸出轉矩(Nm)； t M1 二次元件的實際輸出轉矩（Nm） ； 1 M 二次元件轉動件和彈性聯軸器輸入軸的等效轉動慣量（kgm2） ； 1 J 11 T 二次元件的等效阻尼系數(Nm/(rad/s)； 1 R 二次元件的轉角（rad） ； 1 二次元件的進出油口壓差（N/m ） ； 1 P 2 二次元件的排量（m /rad） 。 1 V 3 3）彈性聯軸器的力矩平衡方程為 11 T (2-12) 11111 () TZ MK 式中 彈性聯軸器的扭轉剛度系數(Nm/rad)； 11T K 11 T 彈性聯軸器的輸出軸轉角(rad)。 1Z 11 T 4）轉速傳感器的力矩平衡方程為 1 Z (2-13) 1 2 1 2 11Z Z Z M dt d JM 式中 轉速傳感器的輸出軸轉矩(Nm)； 1Z M 1 Z 彈性聯軸器輸出軸、轉速傳感器和彈性聯軸器輸入軸的轉動慣量 1Z J 11 T 12 T 之和（kgm2） 。 5）轉速傳感器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數為 (2-14) 1 )( S KsG 式中 轉速傳感器的變換系數 V/（rads） 。 1S K 1 Z 6）彈性聯軸器的力矩平衡方程為 12 T (2-15) 111211 () ZSTzS MMK 式中 驅動變速器的輸入軸轉矩（Nm）