机械毕业设计（论文）-二次调节扭矩伺服加载试验台设计【全套图纸】

辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 目录 前言.1 1 绪论2 1.1 国内外二次调节技术研究发展概况2 1.2 车辆轮桥加载系统概述.3 1.2.1 开放式加载系统.4 1.2.2 封闭式加载系统.4 1.3 二次调节加载系统原理与特点.6 1.3.1 原理6 1.3.2 特点7 2 总体的结构设计.8 2.1 试验台各部分组成及其功用8 2.2 模拟加载系统原理8 3 驱动变速箱的设计.11 3.1 传动方案的确定11 3.2 最大转矩的计算12 3.3 齿轮的设计.13 3.3.1 选择齿轮材料13 3.3.2 确定齿轮传动精度等级14 3.4 轴的设计20 3.4.1轴的设计21 3.4.2 轴的设计23 3.4.3 轴的设计24 3.4.4 轴的设计24 3.4.5 轴的设计26 4 零件的强度校核28 4.1 轴的强度校核28 4.1.1 轴的校核28 4.1.2 轴的校核30 4.1.3 轴的校核34 4.1.4 轴的校核36 4.1.5 轴的校核40 4.2 轴承的校核.43 4.3 键的校核44 4.3.1 平键的校核.44 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 2 4.3.2 花键的校核.46 5 结论.47 致谢48 参考文献49 摘要 随着汽车行业的不断发展壮大，对各种汽车车辆的工作性能和可靠性等的要求也越来 越高，尤其是在特殊路况和工作条件下运行的越野，大型重载等特种车辆，这方面的要求 就更高。对这种车辆来说，其总体工作性能和可靠性主要取决于它的发动机和轮桥，发动 机为成型产品，其工作性能和可靠性等指标均已通过严格检测，设计车辆时按要求选择即 可，而轮桥是另行设计的，因此为了提高车辆的工作性能和可靠性，应将重点放在轮桥上。 对于新设计制造的特种车辆轮桥，需要利用专门的高动态性能固定试验台对其进行模拟加 载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。轮桥加载试验台，由恒压油源及 管路系统、模拟加载系统、控制系统、机械台架四部分组成。恒压油源为整个模拟加载单 元提供恒定压力，同各种液压元件及管路一起构成恒压网络。 关键词关键词：二次调节;二次原件;驱动变速箱 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 Abstract Unceasing grows strong along with the automobile profession, and reliable and so on request is also getting higher and higher to each kind of automobile vehicles operating performance, particularly cross country which moves under the special state of roads and the working condition, the large-scale heavy load and so on special purpose vehicle, this aspects request is higher. To this kind of vehicles, its overall operating performance and the reliability is mainly decided by its engine and the round the bridge, the engine to take shape the product, its targets and so on operating performance and reliability already through the strict examination, designs when the vehicles according to the request choice then, but turns the bridge is the separate design, therefore to enhance vehicles operating performance and the reliability, should place with emphasis on a round bridge. Regarding the new design manufactures special purpose vehicle round the bridge, needs to use the special high dynamic property fixed test platform to carry on the analog loading experiment to it, examines each operating performance and the reliable target whether to satisfy requests. Turns the bridge to load the test platform, by the constant pressure oil source and the circuitry, the analog loading system, the control system, the mechanical gantry four parts is composed. The constant pressure oil source provides the constant pressure for entire analog loading unit, constitutes the constant pressure network together with each kind of hydraulic element and the pipeline. Key word: Two adjustments; two original parts; actuate the gear box 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 4 前言 随着汽车行业不断发展壮大，对各种汽车车辆的工作性能和可靠性等的要求也越来越 高，尤其是在特殊路况和工作条件下运行的越野，大型重载等特种车辆，这方面的要求就 更高。对这种车辆来说，其总体工作性能和可靠性主要取决于它的发动机和轮桥，发动机 为成型产品，其工作性能和可靠性等指标均已通过严格检测，设计车辆时按要求选择即可， 而轮桥是另行设计的，因此为了提高车辆的工作性能和可靠性，应将重点放在轮桥上。对 于新设计制造的特种车辆轮桥，需要利用专门的高动态性能固定试验台对其进行模拟加载 试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。由于特种车辆轮桥的动力输入输出 轴数目多，功率大、工作参数变化范围大，工况复杂多变，要对其进行接近实际条件下的 全面试验，在普通试验台上是很难完成的。以往对较简单的单项试验如疲劳寿命试验等， 可在传统的液压式加载试验台上进行，但其功率消耗很大，效率很低。对稍复杂一些的 1 综合性能试验，可在电封闭加载试验台上进行，但在相同加载功率下，所用电器设备庞 2 大复杂，另外虽然可实现功率回收，提高了效率，但由于其回收功率以电能形式回馈给电 网，因而在动载变化较大时，对电网的冲击较大，某些电器元件被烧坏的情况时有发生。 哈尔滨工业大学电液伺服系统仿真与试验设备研究所，2003 年利用二次调节技术成功 研制出“特种车辆轮桥加载试验台” ，其最大加载功率可达 350kW，可模拟车辆行驶的各 种复杂路况和工作状态，对多轴输入输出的轮桥进行各种综合性性能试验，是一种理想的 轮桥模拟加载试验设备，它是国内成功应用二次调节技术的首例成型产品。这种基于二次 调节技术的加载系统，同传统的液压加载系统相比，可回收、储存、重新利用能量，系统 效率高；多个二次元件联合工作，且其驱动、加载功能可互换；数字控制灵活可靠，系统 动态性能好。同电气加载系统相比，功率密度大、重量轻、安装空间和安装功率较小；闭 环控制动态响应快，回收能量不改变形式而直接回馈给加载系统，对电网的冲击较小。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 1 绪论 1.1 国内外二次调节技术研究发展概况 二次调节技术是 20 世纪 70 年代末 80 年代初开始发展起来的一种新型静液传动技术， 近年来越来越受到人们的重视，它在诸如大型加载试验台、车辆传动、造船工业、钢铁工 业等许多领域获得了广泛的应用，并表现出许多独特的优点。由于这项技术的成功利用， 使得液压技术向前推进了一大步。二次调节技术起源于德国，从事这项技术的研究也主要 限于德国。目前国外从事这方面研究的单位主要有德国汉堡国防工业大学静液传动和控制 实验室 LHAS、亚琛工业大学流体传动与控制研究所 RWTH 和博士力士乐有限公司(Bosch Rexroth GmbH)。国外该研究方向的代表人物主要有德国汉堡国防工业大学的 H.W.Nikolaus 教授、亚琛工业大学的 W.Backe 教授以及力士乐公司的 R.Kodak 先生等。 3 1977 年，H.W.Nikolaus 教授首先提出二次调节静液传动的概念。1980 年，W.Backe 教 授和 H.Murrenhoff 先生开始利用单出杆变量油缸的二次元件进行液压直接转速控制的二次 调节系统的研究。1981 年，H.W.Nikolaus 教授采用双出杆变量油缸的二次元件进行液压直 接转速控制的二次调节系统的研究。在这种液压直接转速控制的二次调节系统中，用测速 泵来作为二次元件输出转速的检测和反馈元件。由于测速泵的最小感知转速较高，当所要 求的转速低于最小感知转速时，不能真实地检测转速值。因此，这种系统的调速范围比较 小，最低工作转速也比较高。1982 年开始研究液压先导控制二次调节系统，其中有机液位 移反馈调速和机液力反馈调速两种调速形式。从 1983 年开始研究电液转速控制的二次调节 系统和电液转角控制的二次调节系统。在电液控制系统中，用测速电机作为二次元件输出 转速的检测和反馈元件，它的最小感知转速低，系统的调速范围大，消耗的能量少，系统 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 6 的效率高。此后又有一系列关于对二次调节系统的研究，其中有对单反馈和双反馈电液转 速控制二次调节系统的研究等。 1987 年，F.Metzner 为提高系统的控制性能，提出了数字模拟混合转角控制系统，将 经过电液力反馈转速控制的二次元件作为被控对象，用数字 PID 控制方法，实现位置(转角)、 转速、转矩和功率控制。1993 年，W.Backe 和 Ch.Koegl 又研究了转速和转矩控制的二次调 节问题，其中包括对这种系统中两个参数的解耦问题的研究。1994 年，R.Kodak 先生研 16 究了具有高动态特性的电液转矩控制二次调节系统，并在四轮驱动车上进行了实物试验。 1995 年，德国力士乐公司为德累斯顿工业大学内燃机和汽车研究所研制了大功率、用于旋 转试件并接近于实际运行条件的二次调节反馈控制试验台。从此，这一技术开始逐渐应用 到生产实际中，并不断地扩大应用范围。目前在德国，这项技术已进入实用阶段，在许多 与液压相关的领域获得了成功利用。以力士乐公司为代表，在二次调节技术方面，具有多 项专利技术，用于二次调节的二次元件和控制器等也有多种系列产品。 在国内，从事二次调节技术的研究起步较晚，直到 20 世纪 80 年代末才开始这方面的 研究。1989 年，哈尔滨工业大学的谢卓伟博士首先对二次调节系统的原理及其机液，电液 调速特性进行了理论分析，并于 1990 年在哈尔滨工业大学机械工程系液压传动与气动实 验室内的试验台上，用单片机组成闭环控制系统进行试验研究，提出了用变结构 PID 控制 算法来控制二次元件的转速，并取得了一定的成果。1992 年，蒋晓夏博士对二次元件的模 型进行了一定的简化，同时研究了用微机控制的二次调节系统，并引入了仅需要输入输 4 出信号的二次调节全数字自适应控制系统。浙江大学的金力民等根据二次调节系统的数学 模型，研究了低速滞环问题，并采用非线性补偿算法来克服低速滞环。中国农机研究所 5 的闫雨良等也进行过二次元件调速特性的试验研究，并且应用到遥控装载机行走液压传动 系统中。同济大学范基等进行了二次调节系统的节能液压实验系统研究。1995 年哈尔 6 7 滨工业大学姜继海等人采用智能 PID、神经网络和模糊控制等方法，分别对转速控制和转 角控制的二次调节进行了研究。1997 年，哈尔滨工业大学的田联房博士在国内首次将 89 二次调节系统用于扭矩伺服加载技术中，并建立了二次调节加载试验台。同时，还进行了 转速控制和转矩控制以及它们之间解耦技术方面的研究，并将模糊控制和神经网络控制引 入二次调节系统中，形成了神经模糊 PID 控制方案。 国内贵阳航空液压件厂引进了德国力士乐公司的二次调节液压元件制造技术。北京理 工大学液压实验室引进安装了德国力士乐公司生产的二次调节扭矩加载实验台。通过对引 进的二次调节技术和设备的消化和吸收，取得了一些阶段性成果。 3 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 2003 年，哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所研制的“特种车辆轮桥加载 试验台” ，应用德国 Rexroth 的二次元件，采用计算机控制技术，能够实现转速、转矩及恒 功率控制，系统技术含量高，可满足车辆不同路况的模拟加载要求，是国内首例应用二次 调节技术的成型产品。 1.2 车辆轮桥加载系统概述 车辆在行驶过程中，随着路面、载荷、车速等因素的变化，轮桥扭矩与转速也是变化 的。因此，试验加载系统应具备扭矩、转速可变化的条件，且其扭矩、转速的变化应是可 单独调节的。根据加载功率流的循环情况，车辆轮桥试验加载系统主要分为开放式和封闭 式两大类。 1.2.1 开放式加载系统 开放式加载系统原理如图 1-1 所示。驱动单元由电动机(或内燃机、液压马达等)、 10 调速器及附属装置组成，它负责向系统提供动力(功率)，驱动转速的调节由电机调速来实 现；试验单元主要由被测装置、变速器、转矩转速测量装置以及其它一些测量装置组成； 负载模拟单元主要由测功机(或液压加载器、磁粉制动器等)及附属装置组成，加载转矩由 测功机(或液压加载器、磁粉制动器)调定。 驱动单元试验单元负载模拟单元功率输入功率消耗 图 1-1 开放式加载系统原理示意图 Fig.1-1 Principle diagram of open type loading system 开放式加载系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术含量低，制造成本 相对较低，但它的致命弱点是需要大功率动力，能量无法回收利用，效率低，因此其试验 成本相对于后面所述的封闭式加载系统来说较高。 1.2.2 封闭式加载系统 封闭式加载系统又分为电力封闭式、机械封闭式和液压封闭式几种。 1）电力封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-2 所示 , 。驱动单元由交流 2 11 （或直流）电动机、调速器及附属装置组成，驱动转速的调节由电机调速来实现；试验单 元与开放式相同；负载模拟单元由交流（或直流）发电机及附属装置组成，负载转矩由发 电机形成。负载发电机产生的电能通过电网加以回收并反馈给驱动电机，形成封闭的功率 流，从而降低试验能耗，系统效率高。但由于功率回收技术是一项专业性非常强的技术， 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 8 整套装置的成本非常高，又由于回收过程的回收效率的影响以及其驱动仍然需要较大的动 力，所以很难达到比较理想的状况。另外，在系统动载变化较大时，可能对电网造成较大 的冲击。 功率补偿负载模拟单元 电功率回收 试验单元驱动单元 图 1-2 电力封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-2 Principle diagram of closed type electric loading system 2）机械封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-3 所示。它将原来单纯由电机 10 提供功率（转矩、转速） ，分解为由两套装置分别向系统提供转矩和转速，由转速提供装置 (电动机)向系统提供所需要的转速，同时由转矩施加装置（液压加载器）向系统提供试验 所需要的转矩。在这个过程中，转矩被封闭在一个由两个变速传动装置、两个转矩转速测 量装置、一个转矩施加装置、被试件和陪试件所组成的封闭机械系统中，它不再对转速提 供装置(电动机)产生影响，电动机所提供的动力，仅仅是用来平衡系统运动过程中产生的 机械损耗，从而降低了电动机的功率消耗。这种加载系统的转速通过电机调速进行调节， 转矩通过调节液压加载器油源系统溢流阀的开启压力来设定，不易实现自动控制。因此， 这种加载系统不适用于动态模拟加载试验。 转速提供 装置（电 动机、变 频器） 被试 件 转矩转速 测量装置 变 速 传 动 装 置 变 速 传 动 装 置 转矩转速 测量装置 转矩施加装置 （液压加载器） 陪试 件 图 1-3 机械封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-3 Principle diagram of closed type mechanical loading system 3）液压封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-4 所示。驱动单元由油源、 1213 液压马达及相关液压元件组成，它负责向系统提供动力(功率)，通过对液压马达流量和斜 盘摆角的调节，来满足对不同驱动转速的要求；试验单元与前述系统相同；负载模拟单元 由液压泵及相关液压元件等组成，通过控制液压泵的斜盘摆角，可模拟各种工况下的负载 转矩。负载模拟单元产生的液压能通过液压网络加以回收，并直接反馈给驱动单元，形成 封闭的功率流，从而降低试验能耗，系统效率高。系统加载过程中所形成的动载影响， 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 基本被限制在液压系统内部，对电网的冲击很小。 功率补偿负载模拟单元 液压功率回收 试验单元驱动单元 图 1-4 液压封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-4 Principle diagram of closed type hydraulic loading system 如果将图 1-4 中的液压马达和液压泵换成二次元件，就构成了二次调节加载系统。由 于二次调节加载系统可充分利用计算机控制的优越性，使加载参数（转矩和转速）的调节 非常灵活方便，所以系统的静、动态性能好，可对各种复杂工况进行模拟。因此，将这种 二次调节式加载系统用于车辆轮桥模拟加载试验，是十分理想的。 1.3 二次调节加载系统原理与特点 1.3.1 原理 二次调节加载系统原理如图 1-5 所示。可逆式泵/马达元件 9（或 15）与电液伺服阀 8（或 17） 、变量液压缸 7（或 16） 、位移传感器 6（或 18）等组合在一起，统称为二次元 件。电动机 1、恒压变量泵 2、蓄能器 3、安全阀 4 及相应的管路等元件构成恒压网络，为 整个加载系统提供稳定的恒压动力源。元件 9 和 15 以压力耦联方式并联于恒压网络上， 两元件机械端口之间通过转速转矩传感器 10、13 以及加载对象 12 刚性地连接在一起。 15 元件 9 为马达工况，为加载系统提供所需的驱动转速，它同电液伺服阀 8、变量液压缸 7、位移传感器 6、转速传感器 10 和控制器 11 构成转速控制系统。元件 15 为泵工况，实 现对加载对象 12 的加载，它同电液伺服阀 17、变量液压缸 16、位移传感器 18、转矩传感 器 13 和控制器 14 构成转矩控制系统。 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 E E 1 4 转速控制系统转矩控制系统 1电动机 2恒压变量泵 3蓄能器 4安全阀 5油箱 6,18位移传感器 7,16变量液压 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 10 缸 8,17电液伺服阀 9,15可逆式泵/马达元件 10转速传感器 11,14控制器 12加载 对象 13转矩传感器 图 1-5 二次调节加载系统原理 Fig.1-5 Principle diagram of loading system with secondary regulation 在该加载系统中，转速控制系统和转矩控制系统为典型的电液伺服系统，二者相互独 立，可分别进行调节，以满足加载系统对转速和转矩的不同要求。系统工作时，由控制器 11 和 14 分别向电液伺服阀 8 和 17 发出电信号，通过阀控缸机构（前置级排量控制）改变 元件 9 和 15 的斜盘摆角，从而使其排量发生变化，以适应外负载转速和转矩的变化。另外， 当系统进行工作时，元件 9（马达）由恒压网络获取液压能，并将其转换成机械能来驱 14 动加载对象 12 和元件 15（泵） ，实现加载，元件 15（泵）将机械能转换成液压能后又直接 回馈给恒压网络，重新用来驱动元件 9（马达） ，在元件 9（马达）和元件 15（泵）之间形 成闭式循环。 这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿系统的容积损失和机械损失，而驱动元 件 9（马达）所需的大部分能量都来自元件 15（泵） 。此外，在该加载系统中，没有节流元 件，因而避免了节流损失。由此可见，该加载系统在工作中不仅减少系统发热，而且还可 以达到节能目的。 1.3.2 特点 同传统的加载系统相比，二次调节加载系统有如下一些特点： 1） 多个二次元件可联合工作于一个恒压网络上，每一二次元件可单独进行调节，且 既能工作于泵工况，又能工作于马达工况，因此可方便地实现驱动和加载功能的互换。 2） 通过对二次元件斜盘摆角的自动调节，可灵活方便地实现转角、转速、转矩和功 率的计算机数字控制，系统静动态性能好。 3） 可实现能量回收、储存和重新利用，系统效率高。 4） 功率密度大、重量轻、安装空间和设置功率较小。 5） 系统开环速度刚度近似为零，转速控制系统易受负载干扰的影响。低速稳定性较 差，使运行最低转速和控制精度受到一定限制。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 2 总体的结构设计 2.1 试验台各部分组成及其功用 轮桥加载试验台如图 2-1 所示，由恒压油源及管路系统、模拟加载系统、控制系统、 机械台架四部分组成。恒压油源为整个模拟加载单元提供恒定压力，同各种液压元件及管 路一起构成恒压网络。恒压油源主要由两台 Rexroth 的 A4VSO180DP 型轴向柱塞式恒压变量 泵和一台双联叶片式定量泵组成，柱塞泵为系统提供恒定的高压油源，叶片泵为二次元件 及主泵提供背压，并通过给系统补充冷油的方式来实现系统的冷却。当然，油源部分还包 括高低压溢流阀、卸荷阀、蓄能器、油液过滤器及风冷却器等。模拟加载系统实现对试验 对象车辆轮桥的驱动和加载的模拟，它包括驱动单元、二次输出加载单元、左右轮边加载 单元。驱动单元主要由两个 Rexroth 公司的 A4VSO250 型轴向柱塞元件串联而成的双联二次 元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器和四档驱动变速器组成，该单元用来模拟车辆发 动机驱动。二次输出加载单元主要由双联二次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器和 三档二次输出变速器组成，该单元用来模拟车辆传动桥二次输出端的负载。左、右轮边加 载单元完全相同，主要由单个二次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器和三档轮边变 速器组成，该单元用来模拟车辆轮边（或一次输出端）的负载。控制系统由 PC 计算机、工 业控制计算机、数据采集卡、数字显示仪和用来控制油源启停及变速器档位切换的 PLC 控 制器等组成，该部分主要完成整个系统的连续量和开关量的控制、数据采集、系统状态监 测、系统状态超限保护等。机械支架和试验平台提供加载试验对象轮桥、变速器、驱动及 加载二次元件的支撑和连接。其中模拟加载系统为整个试验台的核心部分，也是本课题的 研究对象。 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 12 2.2 模拟加载系统原理 图 2-2 为轮桥模拟加载系统的原理图。由图可见，四套二次元件的液压端口共同并联 于恒压网络上，机械端口通过各转速转矩传感器、弹性联轴器、变速器、加载对象轮桥等 连接在一起。二次元件 1 工作于马达工况，用来模拟车辆发动机驱动轴动力，它同转速传 感器、控制器 1 等构成驱动转速控制系统；二次元件 2、3、4 工作于泵工况，分别用来对 车辆传动桥二次输出端、左右轮边进行加载，为转矩控制方式，它们同各相应的转矩传感 器、控制器 2、3、4。 左轮边 变速器 左轮 传 动 桥 变 速 器 二 次 输 出 变 速 器 驱 动 右轮 右轮边 变速器 二 次 元 件 双 联 二 次 元 件 双 联 二次元件 二次元件 恒压油源 1 3 2 456 高压恒压网络 低压恒压网络 驱动模拟单元二次输出加载单元 左 轮 边 加 载 单 元右 轮 边 加 载 单 元 象 轮 桥 加 载 对 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 1-PC 机(上位机) 2-工控机（下位机） 3-采集卡 4-弹性联轴器（8 个） 5-转矩转速传感器（4 个） 6-齿轮联轴器（4 个） 图 2-1 轮桥加载试验台组成 Fig.2-1 Constitution of loading test rig of wheels and transmission bridges 分别构成二次输出、左右轮边加载转矩控制系统。在各转速控制系统和转矩控制系统中， 都包含有内环和外环两种控制回路，由对应于各二次元件的电液伺服阀、变量液压缸、位 移传感器 LVDT 构成前置级排量控制回路（内环） ，再加上相应的二次元件、转速感器或转 矩传感器，就构成了转速控制回路或转矩控制回路（外环） 。 二次 元件2 驱动 变速器 转速 传感器 右轮边 变速器 二次 变速器 左轮边 变速器 转矩 传感器 转矩 传感器 转矩 传感器 U S U S U S U S 电液伺服阀2 电液伺服阀4 电液伺服阀3 电液伺服阀1 恒压网络 恒压 变量泵 蓄能器 控制 器1 二次 元件1 控制 器2 控制 器4 二次 元件3 二次 元件4 控制 器3 变量液压缸4 变量液 压缸2 变量液 压缸1 变量液压缸3 LVDT1 LVDT3 LVDT2 LVDT4 轮桥 图 2-2 模拟加载系统原理图 Fig.2-2 Principle diagram of simulation loading system 当系统进行工作时，二次元件 1（马达）由恒压网络获取液压能，并将其转换成机械 能来驱动加载对象轮桥和二次元件 2、3、4（泵），实现模拟加载。同时，二次元件 15 2、3、4（泵）将机械能转换成液压能后又直接回馈给恒压网络，重新用来驱动二次元件 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 14 1（马达），在二次元件 1（马达）和二次元件 2、3、4（泵）之间，功率流形成闭式循环。 这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿系统的容积损失和机械损失，而驱动二次元 件 1（马达）所需的大部分能量 都来自二次元件 2、3、4（泵）。因此，该加载系统实现了能量回收与利用，系统效率高。 由于四套二次调节系统同样设置有转速传感器和转矩传感器，可以任意将 其调整为转速控制状态（作为驱动单元）和转矩控制状态（作为加载单元）， 因此可以按被试件的要求，设置其中一套二次调节系统作为驱动单元，另外 1 套、2 套或 3 套作为加载单元，构成轴、轴或轴复合加载系统。 3 驱动变速箱的设计 3.1 传动方案的确定 二次调节实验台是一个大型的试验装置，这样大功率，高负载的大型实验台，由双联 二次元件、驱动变速器、传动桥、二次输出变速器、左右轮加载单元、控制系统、液压机 械支架、试验台组成。驱动变速器和二次输出变速器是这个实验平台最核心的部分。而国 内的大部分都达不到使用得标准，只能购买进口产品。 本设计的驱动变速箱如图 3-1，其中轴、轴为具有可滑移齿轮的特殊轴，输入功率 为 254.92 kW，输入轴转速为，总效率为 84%，二次元件中液压马达的排量为 min/2300r 250r/l。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 图 3-1 驱动变速箱传动系统图 Fig. 3-1 driven transmissions drivetrain system 如何分配各级传动比，是传动装置设计中又一个重要问题。传动比分配的合理，可以 见效传动装置的外廓尺寸和重量，达到结构紧凑，降低成本的目的，还可以得到较好的润 滑条件。 分配传动比如下： （最大传动比）9 47 73 57 91 46 82 35 71 19 . 7 47 73 57 91 46 82 41 65 （最小传动比）90 . 5 52 68 57 91 46 82 41 65 49 . 7 52 68 57 91 46 82 35 71 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 16 3.2 最大转矩的计算 二次元件的输出转距 （3-1） 0 1 2 mm Pq T 式中 二次元件中液压马达的压力差，MPa;P 二次元件中液压马达的排量，r/ml; m q 二次元件的效率，%。 m 由式（3-1）得， = 0T 1 2825095% 23. 14 =1058.92 N.m 二次元件的输出功率 （3-2） 00 mm P qPn 式中 二次元件中液压马达的输出转速，r/min; 0n 二次元件中液压马达的压力差，MPa;P 二次元件中液压马达的排量，r/ml; m q 二次元件的效率，%。 m 由式（3-2）得， = 0P 2300 2825095% 60 =254.92kW 轴 (3-3) 10 1 PP kW254. 920. 99252. 37 1 2300r / m i n n (3-4) 1 1 1 P 9550 T n 252. 37 95501047. 88N .m 2300 轴 21 23 PP 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 (3-5) kW252. 370. 990. 97242. 35 (3-6) 1 2 12 n n i 1150r / m i n (3-7) 2 2 2 P 9550 T n 242. 35 95502012. 56N .m 1150 由轴公式，同理得 轴 232.73kW， 638.89r/min， 3478.80N.m 3=P 3n 3T 轴 223.49kW， 399.31r/min，5345.04N.m 4=P 4n 4T 轴 214.62kW， 255.97r/min，8007.27N.m 5=P 5n 5T 其中 联轴器效率，取 0.99。1 轴承效率，取 0.99。2 齿面摩擦损耗效率，取 0.97。3 3.3 齿轮的设计 3.3.1 选择齿轮材料 小齿轮选用 45 号钢，调质处理，；大齿轮选用 45 号钢 ，正火 1 217 255HBSHBS 处理，；按国家标准，分度圆上的压力角；对于正常齿，齿 2 162 217HBSHBS= 20o 顶高系数，顶隙系数。=1 a h= 0.25c 3.3.2 确定齿轮传动精度等级 按下式估取圆周速度： (3-8) 1 3 11 1 (0.0130.022) t P vn n 3 2300 37.525 2300017 . 0 m/s= 24.22 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 18 同理，可得其它齿轮的圆周速度： m/s； m/s； m/s； 2 =15 t v 3 =10 t v 4 = 7 t v m/s。各轴齿轮精度均为第公差组，轴齿轮精度等级为 5，轴齿轮精度等级为 5 = 5 t v 6，轴、轴齿轮精度等级为 7，轴齿轮精度等级为 8。 1）计算许用应力 (3-9) 11 60 h j Nn L N 9 60 2300 1 10 300 83.312 10 (3-10) 1 2 12 N N i N 9 9 3.312 10 1.656 10 2 主动轮和从动轮齿面硬度为 230HBS 和 170HBS，并查参考资料得， =570Mpa, lim1H =520Mpa,查参考资料得， =1.0， =1.1, =1.0, =1.0, =1.0, lim2H1NZ2NZ1XZ2XZWZ =0.92, =1.0。 LVRZHZ = (3-11) 1 H lim1 11 H NXWLVR H ZZZZ S =MPa 4 . 52492 . 0 0 . 10 . 10 . 1 0 . 1 570 = (3-12)2 H lim2 22 H NXWLVR H ZZZZ S = 520 1.1 1.0 1.0 0.92526.2 1.0 MPa 2）按齿面接触疲劳强度确定中心距 小齿轮转距 (3-13) 61 1 1 9.55 10 p T n 6 252.37 9.551047884.13 10 2300 N mm 初取，取，查参考资料得， 2 1.1 ttKZ 12 1 0.35,0.350.525 22 ada u ,。188.9 E MPa Z 22 2.5 cossincossin 2020 H oo Z 确定中心距 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 19 (3-14) 2 1 3 (1) 2 () EH t H a KZZZ T u a u = 2 3 1.1 1047884.13 188.9 2.5 (2 1) 2 0.35 2524.4 () =262.21mm 取 a=265mm 估计模数 m= a=265=mm,取 m=5mm。0.007 0.020.007 0.021.855 5.3 各轮齿数 (3-15) 1 2 (1) a Z m u 2 265 35.33 5 (2 1) (3-16) 2112iZZ 35.33 270.67 取 1 2 3571,Z Z 实际传动比 (3-17) 1 2 Z i Z 实 71 2.03 35 传动比误差 （3-18）100% ii i i 理实 理 22.03 100%1.4%5% 2 许用。 分度圆直径 (3-19) 11 m dZ mm5 35175 (3-20) 22 m dZ mm5 71355 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 20 验算圆周速度 (3-21) 11 60 1000 d n v 3.14 175 2300 21.06/12/ 60 1000 m sm s 选择 5 级精度的齿轮合适。 3）验算齿面接触疲劳强度 因液压马达驱动，有轻微冲击，查参考资料得，由于速度 v=21.06m/s,5 级精度1.1 AK 齿轮 ，查参考资料得，轴上轴承不对称分布，且，查参考资料得1.0 vK 0.525 d ，齿宽 b=mm。取 b=92mm, 。1.04 K1 0.525 17591.88 d d 0 o 查参考资料得1.0 K 载荷系数 （3-22） AV K KKKK 1.1 1.0 1.04 1.0 =1.144 计算端面和纵向重合度 （3-23） 12 11 1.883.2cos ZZ 11 1.883.21 3571 1.74 1 0.318tan0 dZ 由和，查参考资料得，取 u=2。 0.88 Z （3-24） 1 2 1 21 EHH Ku T Z Z Z bu d 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 21 2 2 1.144 1047884.13 2 1 188.9 2.5 0.88 922 175 =469.52MPa H 安全。 4）验算齿根弯曲疲劳强度 根据材料热处理，查参考资料得，查参考资料 lim1lim2 435,415,1.25 FF MPaMPa S F 取。 得，则计算出许用应力 1212 1.0,1.02.0 NNXXSTYYYY 。取Y （3-25） lim1 11 1 F NXSTF F YYY S 435 1.0 1.0 2.0696 1.25 MPa （3-26） lim2 22 2 F NXSTF F YYY S 415 1.0 1.0 2.0664 1.25 MPa 由参考资料得， 1212 2.86,2.221.54,1.790.71 FaFaSaSaYYYYY 和。 验算弯曲疲劳强度 （3-27） 1 111 1 2 FaSaF KT YYY bm d 2 1.144 1047884.13 2.86 1.54 0.71 92 175 5 =93.14MPa 1 F （3-28） 2 222 2 2 FaSaF KT YYY bm d 2 1.144 1047884.13 2.22 1.76 0.71 92 175 5 =82.62MPa 2 F 安全。 5）齿轮主要参数和几何尺寸 * 12 35,71,2,5,1.0,0.25 a ummmh cZZ 分度圆直径 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 22 mm 11 5 35175m dZ mm 22 5 71355m dZ 齿顶圆直径 (3-29) * 11 2 aa m ddh mm1752 5 1.0185 (3-30) * 22 2 aa m ddh mm3552 5 1.0365 齿根圆直径 (3-31) * 11 2 () fa m ddhc mm1752 5 (1.00.25)162.5 (3-32) * 22 2 () fa m ddhc mm3552 5 (1.00.25)342.5 中心距 (3-33) 12 1 () 2 a dd mm 1 (175355)265 2 齿宽 mm, +510mm, 取mm 2 92b b 12bb 1 100 b 同理得 当轴轴间传动比 =1.6 时，齿轮主要参数和几何尺寸 12i * 12 41,65,1.6,5,1.0,0.25 a ummmh cZZ mm 11 5 41205m dZ mm 22 5 65325m dZ mm * 11 22052 5 1.0215 aa m ddh mm * 22 23252 5 1.0335 aa m ddh mm * 11 2 ()2052 5 (1.00.25)202.5 fa m ddhc mm * 22 2 ()3252 5 (1.00.25)322.5 fa m ddhc 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 23 mm 12 11 ()(205325)265 22 a dd mm, mm, mm。 2 94b b 12 5 10 bb 1 100 b 取 当轴 2 和轴 3 间的传动比=1.8，齿轮主要参数和几何尺寸 i23 * 12 46,82,1.6,5,1.0,0.25 a ummmh cZZ mm 11 5 46230m dZ mm 22 5 82410m dZ mm * 11 22302 5 1.0240 aa m ddh mm * 22 24102 5 1.0420 aa m ddh mm * 11 2 ()2302 5 (1.00.25)217.5 fa m ddhc mm * 22 2 ()4102 5 (1.00.25)397.5 fa m ddhc mm 12 11 ()(230410)320 22 a dd mm, mm, mm 2 113b b 12 5 10 bb 1 120 b 取 当轴 3 和轴 4 间的传动比=1.6，齿轮主要参数和几何尺寸 i34 * 12 57,91,1.6,5,1.0,0.25 a ummmh cZZ mm 11 5 57285m dZ mm 22 5 91455m dZ mm * 11 22852 5 1.0295 aa m ddh mm * 22 24552 5 1.0465 aa m ddh mm * 11 2 ()2852 5 (1.00.25)272.5 fa m ddhc mm * 22 2 ()4552 5 (1.00.25)442.5 fa m ddhc mm 12 11 ()(285455)370 22 a dd mm, mm, mm。 2 130b b 12 5 10 bb 1 138 b 取 当轴 4 和轴 5 间传动比=1.56，齿轮主要参数和几何尺寸 45i * 12 47,73,1.56,7,1.0,0.25 a ummmh cZZ mm 11 7 47329m dZ 二次调节扭矩伺服加载试验台设计 24 mm 22 7 73511m dZ mm * 11 23292 7 1.0343 aa m ddh mm