毕业设计（论文）-液压机械传动开式试验台设计（全套图纸） .pdf

液压机械传动开式试验台设计液压机械传动开式试验台设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 摘要摘要 燃油经济性和较少的有害气体排放和日益增大的舒适性等要求是现代汽车 十分重要的研究课题. 液压机械差速转向机构是利用液压机械无级传动原理， 将 液压传动与齿轮传动恰当组合的一种新型封闭双功率流传动机构。 本文介绍了机 电液一体化动态仿真试验台的系统结构及性能特点。 讨论了系统的动态 性能及恒转速控制的原理和基本规律。 对部分试验和理论结果进行了分析和研究, 分析了车辆动力传动试验台机械测功器的结构和工作原理， 提出了机械测功器的 控制方案，并进行了仿真计算。针对已有机械传动系统试验台存在的局限性提出 了适合于不同传动形式及测试要求的多功能试验台的设计思路， 对所涉及的多功 能试验台的组成和工作原理进行了分析讨论， 给出了不同组合形式时试验台结构 及测试控制方法。计算表明，合理的选择可以使测功器获得较好的动态特性。试 验结果表明该系统运行稳定、加载方便、节能效果显著，满足了设计的要求。 关键词： 车辆传动,动力传动试验台,性能分析,惯量模拟 structure and performance analysis of the dynamic simulation bench for vehicle transmission system abstract to satisfy the demand for greeted fuel economy, fewerem jssion and enhanced comfort, which are very important themes for modern automat boilers.the bydro-mechanical differential turning mechanism using hydro-mechanical infinite transmission theory is the new close double flow transmission mechanism being suitably made up of hydraulic transmission and gear transmission.this paper introduces the structure and performance characteristics of an integrated electro-hydro-mechanical control system of the dynamic simulation bench for vehicle transmission. the dynamic performance and the theory and basic law of the constant speed control are discussed.some theoretical and experimental results are analyzed.the construction and working principles of a power-trans mission test bench and a mechanical dynamometer analyzed .control policy about the mechanical dynamometer is described,then the matching method of the control system and the pivotal parameter are gained. dynamic analysis of this model is finally demonstrated in detail。 this paper analyses and discusses both composition of the multifunction test and operating principle,and presents test, method of cont to and structures of various combining test .a design idea of multifunction test bed is put forward which is suitable for different driving form and test requirement.the test results show that system runs steadily,saves energy remarkably,loads conveniently, andsatisfies requirement of design。 keywords: vehicle transmission，test bench，performance analysis， inertia simulat 1 前前 言言 近几年来，我国的工程车辆工业发展迅猛，而随着汽车工业的崛起也 伴随着对于产品的实验与检测手段的落后。尤其是目前，我国制造汽车尚在 起始阶段，还不成熟.但作为经济发展支柱的汽车工业，必然要在当今技术潮 流中疾进，而以后汽车传动系统发展方向是以自动变速器技术（自动变速器 和液压机械转向装置）为核心，所以为了给汽车自动传动产品完善设计理念、 交检产品性能，控制产品的质量，提高汽车的品质，势必对其零部件提出更 高更严格的要求。传动系是汽车实现发动机动力输出到行驶的必须系统，变 速器是汽车传动系中一个重要总成， 为了对变速器产品结构和零部件的性能、 寿命进行测试和分析。为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产 品的开发周期和提高产品质量；避免在用户使用中出现质量问题，减少售后 服务的工作量，节约资金，降低成本，提高产品的市场信誉度。所以传动系 统试验台的研究将为汽车、拖拉机的新技术改造提供试验平台，有力推动农 业机械行业科研水平的提高具有特别重要的意义。 车辆传动系是车辆的重要组成部分，其作用不仅是为了实现减速（或者 增速） 、转换系统的运动传递路线、使各运动构件协调配合工作；同时还把原 动机输出的功率和转矩传递到驱动轮、或者其它执行机构上克服行驶阻力或 工作阻力而做功。实现传动路线、传动方向的转换和传递动力是车辆传动系 的两个基本任务。 1 传统系统结构介绍及功用传统系统结构介绍及功用 传统的履带式车辆传动系和汽车传动系相似，主要由用于切断动力的离 合器、变换档位的变速器、起主要减速作用的主减速器、起差速作用的差速 器、轮边差速及用于转向的轮边制动器组成；现代履带车辆传动系不断采用 新技术、新结构，经过多年的发展和改进，逐步形成了现代履带车辆传动系。 现代履带车辆传动系，将液压机械无级变速传动技术应用于变速机构取代了 原来的离合器与固定轴式齿轮箱组成的变速机构，其中以双（多）功率流多 段无级变速传动为代表；差速及转向装置由液压机械复合转向取代，形成主 要由行星排和液压马达、液压泵组成的液压机械连续无级传动的复合转向。 液压机械无级变速传动以液压机械式无级自动变速器(hmt)为主， 主要由 2 多档自动变速器、液压变量泵和定量马达构成的液压变速装置、将机械和液 压动力合成的行星齿轮机构三部分构成。液压机械传动是一种液压功率流与 机械功率流并联的新型传动形式，通过机械传动实现传动高效率，通过液压 传动与机械传动相结合实现机械传动无级变速。 与传统的机械式变速器相比， 液压机械式无级自动变速器有以下特点： 能自动适应负荷和行驶阻力的变化，实现无级调速，保证发动机工作 在最佳工作点，有利于提高其动力性、燃油经济性和工作效率。 以液体为传力介质，使传动系动载大为减轻，易防止超载和发动机熄 火，可大大提高有关零部件的寿命，对工作条件恶劣的农业机械和工程机械 尤为重要。 行驶平稳，能吸收衰减振动、冲击和噪声，提高乘坐舒适性。 能以很低的车速稳定行驶，可提高坏路上的通过性和低速作业质量。 操作轻便，便于实现换档自动化，降低驾驶员劳动强度。 体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑，节省材料，易于布置。 国外实际试验资料表明：装备无级自动变速器的拖拉机的作业性能显著 提高，不仅能降低操作强度，提高车辆作业速度，改善作业质量，而且可以 大幅度提高拖拉机的动力性和燃油经济性，统计对比数据表明生产效率提高 1216%，燃油消耗率降低 810%，具有明显经济性，并减少了排放。 有此可见液压机械无级变速传动系统有着很广阔的市场，它不仅提高了 工作效率，而且改善了驾驶员工作的环境。车辆传动试验台是对车辆传动系 的主要传动部件和装置变速器、差速与转向部件等进行综合性能测试的试验 设备。通过试验来检验传动装置设计的合理性，加工、制造、装配和调试的 工艺性。对试验结果的深入分析有助于了解和评定传动部件和装置的综合机 械性能，同时也为工程设计人员提供实践的参考资料和设计依据。随着车辆 传动系向高速比、大功率、低噪声等方向的飞速发展，人们对于车辆传动系 的性能提出了更高的要求，因此，对传动试验台的深入研究具有重要的实际 应用意义。 2 国内外的现状国内外的现状 国外很早就开始了这方面的研究，如除美国 gleason 公司在五十年代就 设计出的用轮系作为加载系统的传动试验台的方案之外，比较著名的还有美 国国家航空航天局(nasa)下属的 lewis 研究中心、前苏联中央机械制造与设 3 计研究院、美国通用动力公司、德国 renk 公司、日本明电舍动力公司、日本 丰田汽车公司、美国伊利诺斯大学机械工程系、法国 skoda 公司等。从试验 台方案的设计到最终的样品制造他们都进行了大量的研究工作，形成了系列 化的设计模式。 从国内来看，对于传动试验台的研究起步相对较晚，始于八十年代初期， 国内较早从事这方面研究工作的单位有北京理工大学、重庆大学、郑州机械 研究所、长春汽车研究所等单位。他们先后建立起了各种形式的传动试验台， 这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了丰富的经 验，代表着我国机械传动试验设备的发展水平。 国内外对机械传动测试系统大多是采用传统固定式的实验室测试系统， 而外国的一些数据采集/处理系统，其基本通道 64 路，可扩展到 2048 路。对 于多路信号，通过软件控制，采用数据串、并行传输方式，实现高速采样。 此类系统一般都建立在专用硬件和软件基础上，系统庞大、昂贵，硬、软件 的技术支持及维护高度依赖于供应商。国内的许多大学及科研机构也开发了 具有一定功能的机械传动测试系统，如机械传动多功能试验台等。这些测试 系统的开发填补了国内机械传动测试领域的空白。 总体分析，目前，国内传动性能试验台还停留在人工水平上，虽在市场 上有着各具特色的传动系统实验台，但是仔细分析就不难发现，都存在着一 个共同的特点：自动化程度低；人机界面不友好，测试过程中依赖于测试者 的经验；无法模拟实际工况对各种机械传动产品性能的影响, 由于测试对象 的多样性和复杂性，在没有对测试对象的动态特性进行系统和理论分析，不 可能适用于所有机械传动设备。这样就使试验数据准确性难以保证。 3 简单介绍设计研发的试验台简单介绍设计研发的试验台 常见的车辆传动试验台一般都由驱动装置、加载装置、测量装置，被试 装置等四部分组成，其基本组成见图 1- 1。试验动力由驱动装置发出，经测 量装置、被试装置传递到加载装置。测量装置用来测量出动力传递过程中的 一些基本机械参量，主要有转速、扭矩，经过数据处理后可得到系统的功率、 效率等。通常用作驱动装置的有发动机、电动机等；用作测量装置的为转速- 扭矩传感器；用作加载装置的有齿轮箱、发电机、液压缸、磁粉制动器、电 涡流测功机等。 4 图 a 传动试验台的基本构成 机械传动试验台从工作原理上可以分为：开放功率流式试验台和封闭 功率流式试验台。 3.1 开式试验台原理和结构开式试验台原理和结构 开式试验台组成原理如图 1-2 动力传动试验台主要由原动机、转速转矩 传感器、传动装置、电涡流测功机、惯量装置、机械测功机、试验台监控系 统等设备组成。原动机（内燃机或电动机）和传动装置是车辆原有的动力传 动装置在试验台上的再现，是试验台的被试设备；转速转矩传感器用来测量 试验台的转速、转矩；惯量装置用于模拟车辆加减速过程中所受到的惯性力； 机械测功器和电涡流测提供制动力矩；试验台监控系统用以完成试验台的控 制和试验数据的采集和分析。 图 b 开式试验台原理图 3.2 闭式试验台原理和结构闭式试验台原理和结构 闭式试验台根据能量循环形式可分为电封闭式试验台（如图 1- 3 所示） 和机械封闭式试验台（如图 1- 4 所示）两种：电封闭式试验台机械部分与开 式试验台相似，但其负载装置必须是电机，即负载电机成为发电机，所发电 流经过控制系统反馈到驱动电机或输入电网，以达到能量循环的目的（所谓 “闭式”即是指功率或能量封闭循环） 。电封闭式试验台从原动机发出的功率 可以部分地反馈回原动机，既达到了加载的目的，又实现了节能。机械封闭 式试验台的能量主要在传动箱、陪试装置、被试装置、加载装置之间流动， 原动机所消耗的功率主要用于克服系统中摩擦损失所消耗的功。该种形式的 试验台是目前国内汽车变速器及驱动桥齿轮实验中应用最多的试验台。 驱动装置驱动装置测量装置测量装置被测装置被测装置测量装置测量装置加载装置加载装置 原动机转速转矩传感器传动装置转速转矩传感器电涡流惯量装置原动机转速转矩传感器传动装置转速转矩传感器电涡流惯量装置 测量装置测量装置 控制系统控制系统 5 图 c 封闭式试验台组成原理图 图 d 机械封闭式试验台基本组成 有以上试验台结构结合本次设计，分析可得如下注意事项和设计时主要 遇到的问题： 联轴器的选择和参数匹配； 扭矩传感器的选择； 电涡流测功机的选择； 惯性飞轮组的选择； 升速箱的设计： 升速箱结构的选择； 升速箱传动比的确定； 齿轮参数的确定； 轴与齿轮的强度校核以及轴承的选定与寿命校核。 原动机 传 动 箱 传 动 箱 陪试装置 被试装置 加载装置 驱动装置 传感器 被试装置 传感器 加载装置 测量装置 控制系统 能量回馈 6 第一章第一章 性能试验台的结构分析性能试验台的结构分析 1 建立试验台的依据建立试验台的依据 参照中华人民共和国汽车行业标准中 jb 3987-85汽车机械式变速器台 架试验方法 、 小客车及卡车自动变速器试验规范 、jb3784-84汽车转向 台架试验方法和双流传动多段式自动变速器传动特点，为从事开发、设计 传动系提供一种通用性强、操纵简单、成本低、精度及自动化程度高、检测 速度快的实验系统。 2 设计试验台功能目的设计试验台功能目的 根据国家标准与传动系装车需要完成的性能试验，本传动试验台需要具 备的功能如下： （1）能用于 200 马力以下的工程机械、拖拉机和汽车传动系试验，能对 双流无级变速装置进行检测，并实现动态加载。 （2）由计算机操纵控制，具有模拟车辆行驶中的道路阻力等阻力特性， 模拟拖拉机农具机组农业作业的随机过程的能力。 （3）具有高度的自动化水平，能自动完成传感器标定，自动完成选定试 验，实时控制，实时显示或打印转速、扭矩、功率、油温、油压、油耗等， 自动绘制出被测变速器在模拟试验中的有关动态特性曲线和换挡过程曲线。 （4）显示与控制界面友好，便于操作。 3 试验台测定参数试验台测定参数 （1）传动效率与输出速度关系曲线； （2）扭矩比与输出速度曲线； （3）输入速度与输出速度曲线； （4）输出扭矩与输出速度曲线； 试验中需测取的参数主要有：变速器输入轴的转速、转矩，变速器输出 轴的转速、转矩，传动系输出轴的转速、转矩，测功机的转速、转矩 4 系统的设计系统的设计 4.1 方案的比较与选择方案的比较与选择 目前，机械传动试验台加载方式主要分为两大类：开放式和封闭式。封 闭式有分机械封闭和电封闭两类。 7 开放式方案与封闭方案比较：，封闭式试验台加工量大，能量可以回馈但 传动效率不高，且结构复杂在运转中载荷的改变不易实现，力矩不易控制试 验性能不够稳定；开放式试验台，系统输入的试验功率耗能比较大，能量不 宜回收，但系统结构简单，成本低可以满足一般要求不高的性能试验。故此 次设计选用系统方案为开式试验台。 4.2 系统框图和原理系统框图和原理 1-1 开式试验台原理图 4.3 试验台的基本构成试验台的基本构成 有以上原理图对传动试验台基本类型的分析及对试验台试验项目与功能 的分析，设计如图 4.2- 1 所示开式结构的传动系试验台构成方案：试验台主 要由原动机、转矩转速传感器、被试变速箱、加载装置、联轴器、升速变速 箱、惯性飞轮组、被试转向驱动桥，信号采集与控制系统、传动系油温控制 系统组成。 （这里采集系统采用车辆研究所研究的 pcm- 3132，故这里未画出 其图，只画机械部分原理图） 本试验台组成形式采用框架式组合结构，其试验范围具有很强的可伸缩 性，试验范围较宽。将传动系中的转向装置后面部分去掉，将加载装置移至 变速器后，在接转速传感器，增加油耗仪等设备，适当更改机算计程序，即 可得到一台变速器性能试验台；将变速器后面去掉，将加载装置移至其后， 8 更改计算机程序，即可得到一台车辆发动机试验台，扩展其计算机程序，可 得到不同性质的试验台；保留全部实验设备及为可测试整个传动系性能的传 动试验台。在此过程中只需要增加少量的传感器，而所要改变的只是计算机 对加载设备的控制策略与数据处理方法，实质只是更改计算机程序，即可完 成这些转变。 图中的被测传动系用支座固定在地面上，在动力源与传动系变速器之间， 安装扭矩/速传感器， 该传感器用于测量发动机输出功率随负载的变化而变化 的情况,为传动系的输入功率。被测传动系两输出半轴端头各连接扭矩/速传 感器，测量转向装置输出转速、扭矩，从而可以测得两驱动轮的转速及输出 扭矩。在双功率流的液压机械自动变速器的液力传动支路，在变量泵之前和 定量马达之后分别安装一个转矩转速传感器，从而可以测试传动系变速器传 动效率、转矩特性等及整个传动系的传动效率、转向特性，液压功率分流比， 液力传动支路的传动效率等。 加载系统安装在拖拉机半轴两侧，为半轴提供负荷。在加载系统与后桥 输出之间装惯性飞轮组，以模拟整车在行驶过程中的转动惯量。扭矩、转速 传感器与发动机、变速器、终传动、升速箱等均用联轴器联接构成传动试验 台的机械系统。 图中所有组件都均固定在水泥平台上，其基础高于 90 号混凝土浇注，配 料按体积为 1 份水泥，2.5 份黄沙，4 份石子。为了减少试验台震动能量向外 界传递，可以在混凝土基础下垫一层黄沙并在基础四周开 200 毫米宽，800 毫米深的防震槽，用木屑或炉渣充填，沥青盖顶。 控制系统以工控计算机为核心，主要可分为三个部分：由扭矩、转速、 油压、油温等传感器，放大调理电路、a/d 转换器硬件与计算机虚拟面板等 组成的信号采集与数据处理系统；由 d/a 转换器、控制电路与测功机控制系 统组成的模拟加载系统；以及传动系油恒温系统。信号采集与数据处理系统 中，传感器将机械量信号转换为模拟电信号，模拟电信号经过滤波、整流、 放大、抗干扰等调理，然后通过模数转换转变为计算机可以识别的数字信号 量，通过采样、分析、处理软件在计算机屏幕上显示或者打印输出。根据采 集到的信号，调整计算机控制程序，控制测功机控制系统完成对测试系统的 加载。传动系液压润滑油对整个系统的正常工作有着举足轻重的作用，需要 保持其油温在一定的范围之内，可采用后述系统控制传动系油温，以便传动 9 系在实验过程中正常工作。 1-2 加装采集系统的开式原理图 （图中“|”符号为联轴器） 4.4 转向试验转向试验 参照中华人民共和国汽车行业标准中 jb 3987- 84汽车液压转向加力装置 及动力转向器总成台架试验方法和双功率流液压无级转向传动特点，确定 本车辆传动试验台能够完成的基本试验如下： 液压转向加力装置及动力转向总成的台架试验 包括性能试验和可靠性 试验。 性能试验包括转向盘总转动圈数测定、自由间隙测定、功能试验、转向力 特性试验、转向灵敏度特性试验、内泄露试验、回正能力试验等试验可参考。 驱动特性具有正向功率流的正向旋转特性 定输入扭矩特性这一试验是在控制输出侧测功机速度的同时，通过调 节驱动输出侧测功机的速度来获得为该试验所选择的扭矩。 空载特性没有功率输出的正向旋转特性 10 第二章第二章 原动机的选择原动机的选择 试验台原动机可采用直流电动机或者发动机。 直流电动机具有易于控制、运行平稳和机械特性硬等优点，若加载装置 采用直流发电机，则直流发电机发出的电能可以直接回馈给电动机，不需要 逆变环节，可构成电封闭试验台。这样可以大大地简化试验台的组成，节约 电能，降低系统复杂程度。且采用电动机其噪声较小，对工作环境污染小； 调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性 较高。另外，采用电动机可以较好的应用电子技术和现代控制理论来实现试 验过程的自动控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的 自动监测、保护等功能。 原动机采用内燃发动机，可以直接将要与原变速器配套使用的单片机等 控制系统用于变速传动系统的性能测试，发动机本身的工作状态的变化较电 动机更能接近实际。但发动机本身的工作状态将对整个测试系统的测试精度 及测试的可重复性带来极大的影响，发动机本身较电动机的可控性较差，噪 声高，对环境污染严重。 由以上分析可知，直流电动机机械特性硬，调速性能好，调速控制方便 易实现，是一种较好的动力驱动源，但直流电机启动电流较大，无专用供电 设备会造成电网电压的极大波动，影响其它用电设备的正常运行，有专用供 电设备则需较大的经济投入。 电动机对车辆原动机的运行只能是近似的模拟， 不可能对具有软机械特性的发动机状态完全复现，为了能更好地完成传动系 装车前的各种试验，并综合考虑经济及其它方面的条件，可以选用原履带拖 拉机的发动机，从而完成传动系的扭矩传递及全面特性的测试。 由以上分析，此试验台选用参考车型- - 东方红- 1302r 履带式拖拉机的发 动机作为试验台的动力源： 发动机型号为发动机型号为：lr6100zt8 额额定转速定转速 2300r/min 标标定功定功率率 106kw 传动系传动系平均输入平均输入功功率：率：96kw 11 第三章第三章 联轴器的选择联轴器的选择 1 联轴联轴器的功用和选择器的功用和选择 联轴器的基本功用是连接两轴，并传递运动和转矩。有时联轴器也用安全 保险装置，应用联轴器可以方便地将组成机器的相关部分如原动机部分、传 动部分等连接起来。 联轴器分为两类：刚性联轴器和挠性联轴器。 刚性联轴器：它用在被连接的两轴要求严格对中以及工作中无相对位移之处 挠性联轴器：它用在被连接的两轴有较大的安装误差及工作中有相对位移之 处。所以设计时就要注意联轴器的型号应合理的选择。 联轴器的类型主要是根据机器的工作特点、性能要求（如缓冲减震、补偿 轴线位移、安全保护等结合联轴器的性能选择合适的类型。一般来说，对载 荷平稳、同轴度好、无相对位移的可选用刚性联轴器；难以保持两轴严格对 中、有相对位移的应选用挠性联轴器；对传递转矩较大的重型机械，可选用 齿轮联轴器；对需要有一定的补偿量，单向移动而冲击载荷不大的中低速传 动的水平轴的连接，可选用滚子链联轴器，对高速轴，应选用挠性联轴器； 对轴线相交的两轴，则易选用万象联轴器。 2 联轴联轴器的载器的载荷荷计计算算 公称转矩 t=9550p/n =955096/2300 n.m =398.6 n.m 由表查得载荷系数 k=1.5，故计算转矩为： tc=kt =1.5398.6 n.m =597.9 n.m 3 联轴联轴器的器的尺寸确尺寸确定定 在以上可以选用本试验台的联轴器：从标准中查得 tl9 型弹性套柱销联轴 器，许用转矩为 1000n.m 许用最大转速为 2850r/min 轴径为 5071 之间，故 适用。联轴器的材料为 zg270-500、ht200、35 钢，短时过载不得超过公称转 矩的 2 倍。 12 第四章第四章 转速扭矩传感器的选择转速扭矩传感器的选择 传感器的选择是试验系统一个关键问题，它对系统的测试结果、控制精 度及可靠性等问题都有较大的影响。对于传动系统的试验主要的传感器有： 扭矩传感器，转速传感器以及一些辅助传感器，如温度传感器、压力传感器、 流量传感器等。扭矩与转速传感器用于测试传动系统输入、输出，可测得变 速器的换档规律与传动系效率还有转向装置的输入、输出，同时和电流传感 器配合用于试验台的电模拟加载。扭矩转速传感器的选取在首先保证传感器 的测量量程与工作转速范围前提下，应优先选取精度等级、灵敏度高，可重 复性、线性、动态特性好，质量轻体积小动态传感器。其被测值应尽可能接 近所选传感器的最佳测量范围，即满量程的三分之二左右（如 1000n.m 传感 器的最佳测量范围在 600n.m 附近） 。另外，选用传感器规格还要考虑被测对 象的最大转矩和过载一般不大于额定转矩的 150%。 以原动机额定转速 2300rpm，对应额定功率 106kw 计，柴油发动机，最 大转矩点的发动机输出转矩可高于额定转矩的 15%，因此，原动机的最大输 出转矩 me输入扭矩为： 15.506%)151 ( 2300 1069550 %)151 ( 9550 =+ =+= e e e n n m（nm） 故该位置的扭矩转速传感器的额定扭矩 te1为: m / e=506.151.5=759 n.m 原动机的转速范围在 12502500r/min 之间，故而安装在此处的扭矩与 转速传感器 1 可选如表 3 所示。根据前面对传动系中各位置的扭矩与转速分 析，变速器输出端的扭矩转速传感器 4，后桥两端的扭矩转速传感器 5、6， 液压分流回路的扭矩与转速传感器 2、3 依据同样的原理选取。各处的扭矩、 转速值以及可供选取的传感器如表 3 所示。 名 称 位置转速 位置转矩 额定转矩 许用转速 生产厂商 型号 数量 传感器 1 1250-2500 0- 759 1000 四川诚邦 cnj803 1 传感器 2 - 4300- - 4300 0- 367 500 四川诚邦 cnj803 1 传感器 3 0- - 4800 0- 1846 2000 四川诚邦 cnj803 1 13 图 4-1 技术参数和外型尺寸 14 第五章第五章 升速箱的设计升速箱的设计 1 概述概述 为了使加载装置工作在其允许的工作转速、扭矩范围内，必须设计一个升 速箱能使其在大功率、低转速、高扭矩或小功率、高转速、低扭矩的时候满 足测功机的工作范围，使被测传动系统的输出轴在经过升速箱的升速、降扭 或降速、升扭以适应试验台加载装置的工作范围内。 升速箱与被测传动系统、原动机及电涡流测功机的参数优化匹配，可得到 良好的测试精度、准确性；采用互锁装置可使操纵可靠，不跳档、自动脱档； 采用同步器可使换档轻便，无冲击和噪声。 升速箱的结构可参考汽车变速器，但不同于变速器。试验台的升速箱采用 飞溅润滑，输入轴采用强制润滑。 升速箱的设计系列按输出转矩分级，传动比应按动力-传动系参数的匹配 要求调整、更换；根据试验台的使用情况进行寿命设计，并对起进行寿命计 算。 为保证升速箱具有良好的工作性能，对升速箱应提出如下设计要求： 正确选择升速箱的档位数和传动比，使之出电涡流的参数优化匹配，以 保证试验台具有良好的精确性，不会出现超负荷运转。 操纵简单、方便、迅速、省力； 传动效率高，工作平稳、噪声在满足试验台工作要求下尽可能的小； 体积下、质量轻、承载能力强，工作可靠； 制造容易、成本低廉、维修方便、使用寿命长； 贯彻零件标准化、部件通用化及总成系列化等设计要求，遵守有关标准 规定，参考中华人民共和国机械行业标准jb/t6703.12000 中拖拉 机转向器台架试验方法，严格遵守标准中有关的试验要求； 设置动力输出装置与电涡流和传动系统参数匹配。 2 升升速速箱箱的结构分析与型式选择的结构分析与型式选择 升速箱采用三轴式，第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间 轴的相应齿轮想啮合，且第一、二轴同心。这是由于两轴式在高档工作时， 齿轮和轴承均承载，因而噪声较大也增加了磨损，减少了其使用寿命。 15 升速箱采用斜齿圆柱齿轮，它比直齿圆柱齿轮有更长的寿命、更低的噪声， 虽然其制造复杂且在工作中有轴向力。 图 5.1 升速箱动力传递原理图 由电涡流采用四川诚邦的 dw250，最大吸收扭矩为：1100 最高转速为：5500 额定扭矩转速为：20002800 参考考东方红1302r 橡胶履带拖拉机各参数，由于此参考车型为 （12+4）档的变速箱，范围大，所以为匹配电涡流吸收功率，设计升速箱选 档位为 2 档三轴式。 齿轮型式 斜齿圆柱齿轮虽然工作时有轴向力且加工复杂， 但是其运转平稳、 噪声低、 寿命长，在这里升速箱的齿轮选用斜齿圆柱齿轮。 轴的结构与分析 升速箱在工作时承受转矩及弯矩，轴的明显变形将影响齿轮的正常啮合， 产生较大的噪声，降低使用寿命。轴的结构形状除应保证其强度与刚度外， 还应考虑齿轮、同步器及轴承等的安装、固定。 第一轴与齿轮做成一体，第二轴制成阶梯式的便于齿轮安装，从受力及合 理利用材料来看，都是需要的。各截面尺寸不应相差悬殊，用弹性挡圈定位 各档齿轮。中间轴为旋转式，轴上滚动轴承支承在轴的两端，其上的常啮合 齿轮、二档齿轮与轴做成一体，一档齿轮采用键与轴连接。 轴上齿轮与轴用滚针轴承，这是由于滚针轴承定位精度高有利于齿轮啮 合，传动效率高且飞溅润滑能满足它的要求。 为适应单位质量传递的功率、增强其承载能力、具有更高的可靠性、更 长的寿命和更好的性能等方向发展，升速箱尽量采用圆锥滚子轴承，它的直 径小、宽度大、接触线长，容量大，可以承载高负荷。 16 换档机构的结构分析与选择 换档机构的结构型式有同步器、啮合套和直齿滑动等三种。同步器虽然 结构较复杂、制造成本低、精度要求严、轴向尺寸大以及存在同步环的使用 寿命有待提高等问题，但由于它能保证轻便、迅速、无冲击、无噪声换档， 且对操作技术无要求，也可延长齿轮寿命，故在设计升速箱的时候采用同步 器。 3 升速箱传动比的确定升速箱传动比的确定 由公式 ne/igi。=n teigi。=t 在满足电涡流扭矩和转速要求下用凑配法凑配出升速箱的传动比，在修正 传动比从而得出。 可知凑配法选择升速箱传动比，一档传动比：1.2 二档传动比：0.18 4 中心矩中心矩 中心矩对升速箱的尺寸及质量有直接影响，所选中心矩应能保证齿轮的强 度。三轴式升速箱中心矩可根据对已有的变速箱经验公式初选： 式中 中心矩系数，在这里取，=9.5 变速器处于一档时，且升速箱处于一档时候升速箱输出转矩 发动机最大转矩 =4400.960.950.990.996.92.50.960.18 =1201 n.m 变速器一档传动比 中央传动比 i 升速箱一档传动比 所以 a=136 5 升速箱的轴向尺寸升速箱的轴向尺寸 升速箱的轴向尺寸与档位数、齿轮型式、换档机构的结构型式都有直接的 关系，设计时可根据中心矩尺寸参照货车变速器轴向尺寸处选。 17 轴向尺寸： 二档 （2.7-3.0）a 既轴向尺寸应在 256.5285 之间，经过设计计算得到轴向尺寸为：269 6 齿轮参数齿轮参数 齿轮模数由齿轮的弯曲疲劳强度或最大载荷作用下的静强度所决定。选择 模数时应考虑到当增大齿宽而减小模数时将降低升速箱的噪声，而为了减小 升速箱的质量，则应增大模数并减小齿宽和中心矩。由公式： 可得出斜齿轮法面模数 mn=4 选择斜齿轮的螺旋角时应力求使中间轴上的轴向力相互抵消。为此，中 间轴上的全部齿轮一律取右旋，而第一、第二轴上的斜齿轮取左旋，使其轴 向力经轴承盖由壳体承受。 这里初选： =20、=25 齿宽的选择既要考虑升速箱的质量小，轴向尺寸紧凑，又要保证轮齿的 强度及工作平稳性的要求。通常是根据齿轮模数来确定齿宽 b： b=kc*mn=30 kc齿宽系数，取 kc=8 5 各档齿轮齿数的分配各档齿轮齿数的分配 确定 1 档齿轮的齿数 已知 1 档传动比，且 为了确定，的齿数，先求齿数和 这里应注意升速箱的齿数选择是第一轴的常啮合齿轮取大点，中间轴上的常 啮合齿数取小些，其他齿轮和变速器刚好向反，既变速器中第二轴大的都取 小于中间轴的齿数，由此依次类推，在算完一档齿轮齿数后应反算中心矩， 修正后的中心矩是各档齿轮齿数分配的依据。 18 参 数 齿 数 43 18 19 42 15 46 6 升速箱齿轮的设计计算升速箱齿轮的设计计算 由以上结果计算，各档齿轮参数，如下表： 序 号 计算项目 计算公式 非变位齿轮 1 变位系数 =0 2 端面模数 4.5 4.5 4.5 3 端面压力角 0.4 0.4 0.4 4 分度圆直径 d=z*mt =193.5 =81 85.5 189 67.5 207 5 齿顶高 4 4 4 6 齿根高 5 5 5 7 齿全高 9 9 9 8 齿定圆直径 201.5 89 93.5 197 75.5 215 9 齿根圆直径 183.5 71 75.5 179 57.5 197 10 中心矩 137.25 137.25 137.25 11 法向基节 13.27 13.46 13.31 12 基圆直径 179 75 71 172.3 53.4 193 13 当量齿数 60 25 24 61 67 18 表 5.1 齿轮参数 19 7 升速箱轴与轴承升速箱轴与轴承 升速箱轴在工作中承受着转矩及来自齿轮啮合的圆周力、径向力和斜齿轮 的轴向力引起的弯矩。刚度不足会产生弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，产 生过大的噪声，降低齿轮的强度、耐磨性及寿命 升速箱轴的最大直径 d 与支承间的距离 l 可按下列关系式选： 对第一轴及中间轴： 18 . 0 16 . 0 = l d 对第二轴： 21 . 0 18 . 0 = l d 三轴式的升速箱的第二轴与中间轴的最大直径 d 可根据 a 按下式初选： ad)60 . 0 45 . 0 ( 第一轴花键部分直径 d 可按下计算： 3 maxe tkd = 式中，k 为经验系数，k=4.0-4.6 参数 类型 第一轴 第二轴 中间轴 轴径 65 61 60 轴长 340 280 表 5.2 轴的参数 升速箱轴承是根据结构布置并参考同类车型的相应轴承以后，按照国家 规定的轴承标准选定，在进行寿命的计算。对试验台升速箱滚动轴承耐久性 的评价是以轴承滚动体与滚道表面的接触疲劳为依据，承受动载荷是其工作 的基本特征。升速箱轴承是在由传动系转矩变化曲线所决定的非稳定工况下 工作，因此也象齿轮计算那样，作为升速箱第一轴的计算转矩 t 应取发动机 最大转矩 maxe t来计算的。 对汽车轴承寿命的要求是轿车 30 万 km 滑车和大客车 25 万 km，所以在 这里升速箱中轴承的寿命要求是 2530 万 km 之间。 在这里根据各个轴径的数值初选轴承： 20 轴承型号 基本尺寸 d d b 6210 50 90 20 6214 70 125 24 7208c 40 80 18 表 5.3 轴承型号和基本尺寸 8 升速箱的校核升速箱的校核 零件在轴上的布置方案确定后，可初步估算轴所需的最小直径，进而初步 确定阶梯轴各段的直径、长度、和配合类型。轴径的初步计算可看上文。 按轴上的零件布置方案和定位要求，从轴端段起逐一确定各段轴的直径， 当轴段有配合要求时，应尽量采用推荐的标准直径。 轴和轴上的零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置 ，对轴的强度有很 大的影响，所以应进行充分考虑，以利于提高轴的承载能力，减小轴的尺寸 和机器的重量，降低制造成本。 改变轴上零件的布置，合理安排动力传递路线，可减小轴所受的载荷。 改进轴上零件的结构，减轻轴的载荷。 改变零件的结构形状以消除或减少应力集中。 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。 齿轮的校核齿轮的校核： 根据上一小节的齿轮参数进行校核，该齿轮采用硬齿面，按弯曲疲劳强度 计算，在校核齿面的接触强度。 设计的齿轮均用流行的汽车齿轮材料 20crmnti 钢渗碳淬火处理，硬度为 5662hrc，查弯曲疲劳极限应力：mpa h 430=，查接触疲劳极限应力为： mpa1500= 由于考虑到升速箱第二轴一档齿轮承受的扭矩较大， 所以应注重校核第二 轴一档齿轮。第一轴和中间轴一直在啮合过程中一直在承受传递转矩，所以 也应重点校核校核 第二轴一档齿轮 弯曲疲劳强度校核： 21 kykzm kt cn g w 3 cos2 = =663.4 n/ 2 mm 式中： d t f g 2 1 = （87319550 10 = 升 iii n p t g e g ） z 为齿数，取为 15； 为法面模数，取为 25 度；y 为齿型系数，取 0.15； 2, 5 . 7= kkc。 齿轮的材料为 20grmnti，齿轮的 2 /850mmn= 由 w 可得： 齿轮弯强符合要求。那么其他齿轮在一档和二档的时候弯强也符合。 齿轮的接触强度： 轮齿的接触应力按下式计算： ) 11 (418 . 0 bz j b ef += =1937.45 j =2000 2 /mmn 式中：b=30 第一轴常啮合齿轮： kykzm kt cn g w 3 cos2 = =836.7850= ) 11 (418 . 0 bz j b ef += =1267.53 j =1400 2 /mmn 22 轴的校核：轴的校核： 因第一轴承受的转矩最大，故重点校核第一轴的强度；又因常啮合齿轮 与轴承的受力点非常接近，故轴的弯曲强度可以不用校核，着重校核第一轴 的扭转强度，第一轴的最小直径 d=60mm，扭转强度由公式 = max max t w t 计算。式中：87319550 10 = 升 iii n p t g e g ， 3 33 44545 16 60 16 cm d wt= = ()200mpa4000.5577. 05 . 062.187 44545 8731 3 max max = = =mpa cm mmn w t t 故所设计轴强度满足要求。 23 第六章第六章 加载装置的选择加载装置的选择 1 概述概述 传动系试验台传统加载装置采用水力测功机、电涡流测功机、液压加载 装置、磁粉制动器、电力测功机等。水力测功机占地面积大，加载控制难度 大，控制精度低度，水资源浪费严重，操纵复杂，维护不便，寿命短，能耗 大，现在已较少采用。电涡流测功机控制容易，控制精度较高，但国内低转 速大扭矩电涡流测功机几乎是空白，为模拟车辆运行工况，在测功机和传动 装置之间必须增加变速变扭装置，且电涡流测功机作为吸功设备，将机械能 转化为热能而散失，对能源的浪费较大。液压加载装置可控性好，低速机械 特性好，但国产液压元件泄漏严重，密封性能差；进口设备造价高，故国内 很少采用。电力侧功机吸收的机械能转化为电能，可直接将电能回馈给直流 电动机，可降低能源消耗，电力侧功机控制容易，易于实现试验过程的自动 监测、自动控制，提高试验台架的自动控制水平，但在非电封闭式试验台架 中将电能回馈给电网会造成电网电压的波动影响其它用电设备的正常运行。 2 各种各种测功器的测功器的特特性分析性分析 （1）电涡流测功机特性 电涡流测功机的功率特性曲线见图 6- 1，它表示测功机在不同转速下所能 吸收的最大功率，由 oabc 三段限线组成：oa最大扭矩线，表示当最大 扭矩为常数时， 随转速变化， 测功机所能吸收的最大功率； ab最大功率线， 测功机在工作时最大吸功功率；bc最高转速线，测功机在工作时允许的最 高转速。增加励磁电流和转速时，测功机的吸收功率也随之增加。但当励磁 电流达到一定值时，由于磁路达到饱和状态，励磁电流不能继续增加而保持 恒定;此时继续增加转速时，测功机的吸收功率随转速的增加变化很小，几乎 表现为恒定.这一转速范围和所对应的功率即为测功机的额定转速和额定功 率。在无励磁电流时，测功机的特性曲线相当于不同转速下测功机的机械损 耗特性曲线，这一曲线的下方部分是不能进行有效测试的。oabc 三段限线 所包围的区域为测功机的工作范围。在此区域内测功机所吸收的功率可以随 励磁电流任意调整。 电涡流测功机的扭矩特性曲线见图 6- 2 测功机所能承受的扭矩随着转速 24 的增加而增加，开始阶段增长速率较快，后来逐渐趋于平缓，当转速达到额 定转速的最低值时扭矩达到最大值；在额定转速范围内，由于吸收功率的恒 定，所以扭矩随着转速的增加而减小。在无励磁电流时，测功机的扭矩特性 曲线也有一损耗曲线与功率特性曲线相对应。 图 6-1 测功机功率特性 图 6-2 测功机的扭矩特性 由车辆动力特性图可知，随着转速的增加，车辆的功率也随之增加，在 额定转速下能发出额定功率。内燃机具有低速大扭矩的外特性，即受外力阻 碍时能以降低转速为代价来增大扭矩克服阻力。通常认为，只要测功机的额 定功率和转速大于车辆输出的最大功率和转速，即可进行有效的测试，并以 此作为测功机选型的依据。其实，从测功机和车辆的动力特性曲线可知，车 辆变速器输出的功率和测功机所能吸收的功率都是相对于某一特定的转速或 转速范围而言的。功率的比较必须以相同的转速为必要条件，由于变速器输 出最大功率所对应的转速和测功机的额定转速具有一定的差异，因此其功率 也不能等同而论。同样，变速器输出的最大扭矩和测功机的最大扭矩，由于 各自所对应的转速不同，也不能直接加以比较。所以，测功机选型时必须使 其功率特性曲线和扭矩特性曲线包容变速器输出的特性曲线。 电涡流测功机的扭矩和转速由装于其上的电阻应变片式拉压力传感器和 磁电式转速传感器的输出经测量放大变换成 010v 的模拟电压，送入电涡流 测功机测控仪的控制部分，然后根据一定的控制策略进行控制。对电涡流测 功机采用不同的控制策略主要可以得到恒转速、恒转矩和恒电流。 由以上分析可知，电涡流测功机作为负载模拟设备，其结构简单，精度 高、寿命长、动态反应较快、稳定性好、低