（机械电子工程专业论文）平行轴同侧传动封闭试验台的加载器研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nl o a d e rf o rc l o s e dt e s t b e d w i t hp a r a l l e ls h a f ti p s i l a t e r a lt r a n s m i s s i o n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： y a n gj u n z h u o p r o f z h a n gl a n m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：御1 鳗淳 日期：2 ，口p 年弓月心日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 函在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：椰佐牟 日期：沪p 年；月1 3 - 日 导师( 签字) ：彩蛊 冲年弓月扩日 入 y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 加载器是船用齿轮箱在陆地上以封闭试验台形式进行试验的常用加载工 具。本课题的研究目的是研制出与给定试验台相配合的加载器样机并对其进 行实验，检测分析其在实验中的静态及动态性能参数。 介绍了封闭试验台加载器的国内外发展概况，通过对己存在加载器的分 析研究和现有封闭试验台的结构形式，对封闭试验台的加载方式提出了可行 性方案，即串入式力矩加载式。 根据封闭试验台对加载器的设计要求，对加载器进行了总体结构设计， 并对加载器各关键部件进行了强度校核。利用p r o e 设计软件对加载器的结 构进行了三维建模，利用a n s y s 分析软件对加载器壳体、输入输出轴、内 花键套、行星齿轮轴进行了强度分析。 设计了加载器的控制系统，由实时监测系统和总控系统两部分组成。基 于模块化思想，两个子系统又划分为若干功能模块，并对各功能模块进行了 芯片的选择及工作原理的分析。 完成了串入式同步传动力矩式加载器及其控制系统的研制。在实验目的、 实验设备、实验工作原理及步骤的基础上，对加载器及其控制系统进行了静 态、动态性能检测实验，得出了加载器的力学性能，实验结果达到预期要求。 关键词：加载器；加载方式；结构设计；控制系统；实验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o a d e ri sac o m m o nl o a dt o o lw h i c hi su s e di nm a r i n eg e a r b o x m a r i n e g e a r b o xi st e s t e di nt h ef o r mo fc l o s e dt e s t - b e do i ll a n d t h ep u r p o s eo ft h i s r e s e a r c ht o p i ci sd e v e l o p i n gal o a d e rw h i c hi sm a t c h i n gw i t hg i v e nt e s t b e da n d ，= m a k eat r i a lo ni t d e t e c ta n da n a l y s et h es t a t i ca n dd y n a m i c p a r a m e t e r si ni t st r i a l the p a p e r o a d e r si nc l o s e dt e ! ；t - b e da th o m ea n da broadpaperp r e s e n t sl o a d e r su s e dmc l o s e dt e s td e da th o m ea n aa d r o a a l n t h r o u g ha n a l y s i so ft h ee x i s t i n gl o a d e r sa n ds t r u c t u r eo ft h eg i v e nc l o s e dt e s t b e d ， f e a s i b i l i t yp r o g r a mi sp r o p o s e df o rt h el o a d i n gw a y t h ep a p e ru s e ss t r i n g - i n t o r q u el o a dt y p e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s o ft h el o a d e ru s e di nt h ec l o s e d t e s t b e d ，t h ep a p e rm a k e sag e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g no ft h el o a d e ra n dc a r r i e so u t s t r e n g t hv e r i f i c a t i o no nt h ek e yc o m p o n e n t s p r o ed e s i g ns o f t w a r e i su s e dt o m a k eat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go nt h el o a d e rs t r u c t u r e a n s y sa n a l y s i s s o f t w a r ei su s e dt om a k eas t r e n g t ha n a l y s i so nt h el o a d e rs h e l l 、i n p u ta n do u t s h a f t 、i n s i d es p l i n es e t s 、p l a n e t a r yg e a rs h a f t t h ep a p e rd e s i g n sc o n t r o ls y s t e mo ft h el o a d e r ，w h i c hi sc o m p o s e do ft w o p a r t s - r e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e ma n do v e r a l lc o n t r o ls y s t e m o nm o d u l a r t h i n k i n g ，t w os y s t e m sa r ed i v i d e di n t oan u m b e ro ff u n c t i o n a lm o d u l e s t h ec h i p s a r ec h o o s e df o r t h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n da n a l y s e df o rw o r kp r i n c i p l e t h ep a p e rc o m p l e t e ss t r i n g i ns y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nt o r q u el o a d e ra n d t h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt e s tp u r p o s e 、t e s te q u i p m e n t 、t e s tw o r kp r i n c i p l ea n d s t e po ft e s t ，t h ep a p e rm a k e sa s t a t i ca n dd y n a m i cd e t e c t i o nt e s ta n do b t a i n st h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl o a d e r t e s tr e s u l t sa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：l o a d e r ；l o a d i n gw a y ；s t r u c t u r ed e s i g n ；c o n t r o ls y s t e m ；t e s t 人 惑 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题目的及意义2 1 3 国内外加载器的发展概况3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状5 1 4 论文主要研究内容8 第2 章平行轴同侧传动封闭试验台的加载器的总体设计9 2 1 加载器的基本概念1 1 2 2 加载的基本原理及方案的确定1 3 2 3 加载器的总体结构设计1 6 2 3 1 加载器的设计要求1 6 2 3 2 结构选取及工作原理1 6 2 3 3 二级减速器行星传动机构的设计1 8 2 3 4 动力参数分配1 9 2 4 本章小结2 3 第3 章行星齿轮减速机构的设计与关键件的强度校核2 4 3 1n g w n ( 3 k ) 行星齿轮机构的设计2 4 3 2 齿轮及关键件的强度校核2 9 3 2 1 静强度校核齿轮强度2 9 3 2 2 内花键套的花键强度校核3 2 3 2 3 两支点轴承寿命校核3 3 3 3 关键件的有限元强度校核3 4 3 3 1 内花键套的有限元分析3 5 3 3 2 行星齿轮轴的有限元分析3 7 3 3 3n g w n ( b ) 端盖的有限元分析3 9 3 4 本章小结4 0 八 h 氛 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 第4 章加载器的控制系统设计4 1 4 1 控制系统设计要求4 1 4 2 控制系统总体设计4 1 4 2 1 实时监测系统4 2 4 2 2 总控系统4 6 4 3 本章小结5 0 第5 章加载器的性能实验测试5 1 5 1 实验目的及设备5 2 5 2 实验工作原理及步骤5 3 5 3 实验检测及结果5 4 5 3 1 静态性能检测及结果5 4 5 3 2 动态性能检测及结果5 4 5 4 本章小结5 6 结论5 7 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 2 致谢6 3 动等优点，且能使主机与桨的转速最佳匹配，故广泛应用于中高速柴油动力 装置及其它动力装置中，近年来获得了较大的经济效益m 1 。据资利”记载，某 船主机为1 5 5 r r a i n ，为了提高推进效率，使用船用齿轮箱变速后螺旋桨的转 速为4 9 r m i n ，使得螺旋桨的效率提高了近2 0 。 由于齿轮箱工作条件恶劣，为了保证传动装置可靠的技术性能，船用减 速箱出厂前通常使用封闭功率流试验台进行性能测定，以便检查其效率、噪 声、振动、轴承和润滑油的温升以及齿轮的接触精度、承载能力、疲劳和寿 命等试验p 棚。 建立封闭试验台的主要工作量是设计和制造辅助传动和加载器，而其中 又以加载器的研制最为重要，这是由于回路中的负载要靠它形成，因它的性 能极大地影响着试验台的工作质量，另外其性能直接影响试验台的主要技术 经济指标，甚至在很大程度上可认为：数十年来封闭试验台的发展其实质就 是加载器的发展p 1 。 目前，国内外所采用的加载器种类极多，但归纳起来可分为三大类：简 式加载器、支反力式加载器、力矩式加载器。 简式加载器具有结构简单紧凑、加工及装配工艺性好、维护保养方便， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i _ i - i i i - _ 一i i i i i i 一 运转中能耗及噪音小等优点，但是它只能在试验停车时实现施载运动，使用 的施载装置为静态作用式，且试验台实现不了空载启动、运转中改变载荷的 大小和方向。 支反力式加载器均能实现试验台空载启动，且在运转中改变载荷大小和 方向，但是，施载运动行程角允许值要受其结构的限制，不能满足施载运行 行程角允许值无限的要求。试验台在运转中，加载器施载端处于静止状态， 因此所用施载装置均为静态作用式。此类加载器的缺点多而优点又不突出， 一般只有在借被试传动稍加改装以充作加载器使用时才采用。 如上讨论说明：简式加载器的优点正是支反力式加载器所不具备的，而 后者的优点又正是前者所不拥有的。因高速封闭功率流试验台中的加载装置 不仅要具有结构紧凑、转子平衡、施载力矩稳定、施载运动行程角无限等要 求，还应具有在运转中可自由改变施载力矩的大小、方向和反程自锁功能， 所以，理想的结构是兼有二者之优点而避免了各自的缺点且能满足上述加载 的要求，为此，本文给出了高速舰船齿轮传动装置大功率减速器封闭功率流 试验台经济可行的力矩式加载器施载方法。 1 2 课题目的及意义 本课题研究的最终目的是研制出工程样机并进行实验，要先实现原理上 的可行性，最终对样机在实验中的静态及动态性能进行检测分析。 本试验台是通过对被测件的实际运转的扭矩和转速进行模拟运转，来测 定被测件的传动效率，进而评定被测件传动机构是否可用。 试验台中的被测件实际应用的场合是要在大功率的情况下，并以高速运 转的环境下工作，因此无法直接通过驱动设备来带动此被测件进行实际情况 的模拟运转，而只能通过封闭功率流试验台来进行模拟运转，即在被测件中 封闭所需的大功率( 以扭矩的形式输入) ，封闭的大功率由专门设计的加载 器，通过一定的加载方式进行加载( 加载力矩的大小可根据力矩传感器测得) 。 加载器加载后，通过联轴器将加载器的封闭端连接，所加力矩封闭在被 2 奄 哈尔滨工程大学硕十学位论文 j ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 测传动中。然后，通过驱动设备对整个被测传动按所要求的转速进行驱动运 转。由于被测传动中封闭力矩的原因，所以在被测传动运转过程中封闭着一 定的功率。这样，通过试验台就可以模拟被测件在大功率输入情况下运转的 实际状况，可对被测件的效率进行测定。 结合该试验台具有平行轴同侧封闭传动的特点，采用同步传动力矩式加 载器是最佳选择。鉴于多年的技术储备与国内配件供应及本地区加工和调试 能力，拟进行非液压传动而以行星齿轮传动为结构形式的同步传动力矩式加 载器的设计。 1 3 国内外加载器的发展概况 1 3 1 国外研究现状 德国慕尼黑大学生产的f z g 齿轮试验机，其加载器采用的是弹性扭力杆 加载器，弹性扭力杆不能在运转中改变载荷的大小，当增、减载荷时，必须 停车拆卸相应的联轴器，费时且操作麻烦；原苏联采用的锥面摩擦加载器， 其加载准确、可靠、成本低、容许加载扭转角无限，但它只能在试验机静态 时加载或卸载旧。 随着现代工业的不断发展，对工业机械及工业机械传动提出了更高更新 的要求，其中加载问题尤为重要，解决问题的关键在于提高加载装置自身的 性能。现代常用的应用于机械封闭试验台的加载器有电动同步加载器和液压 加载器。电动同步加载器提供全数字调节器，具有负载调节方便、响应速度 快、加载精度高、载荷自动锁定等特点；液压加载器加载平稳、精度调节方 便、可在运转中加载及改变扭矩方向，可控制加载扭矩特性、模拟复杂的载 荷变化，从而使载荷接近实际工况，常被应用于大功率工况p 1 。图1 1 为g a t 公司生产的液压加载器捧1 。 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 jt；m t- m ；m 宣ii i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 萱 图1 1g a t 公司生产的液压加载器 液压加载器内部结构图如图1 2 、1 3 所示。 图1 2 液压加载器内部结构图 图1 3 液压加载器内部结构剖面图 4 峨 ： 。j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作原理简介：液压加载器是由一个基本马达和一个液压旋转组件构成。 基本马达是依据旋转叶轮原理制成，其转子和定子分别与加载器的输入、输 出轴相接。液压旋转件把液压介质从固定的储存箱传送到旋转的基本马达里， 从而使转子转动则转子与定子间产生扭转角，即输入、输出轴间产生扭矩。 此液压加载器的特点：非接触式密封系统；静态液压阀配置；o 1 的高 调节精度；适用于液压伺服操作系统；高动态灵敏度；高自生频率；超高起 动速度；坚固耐用的结构及超长的使用寿命；适用于有高调节度、动态灵敏 度及高起动速度要求的应用领域；轴端的联轴节在扭力方向呈刚性，轴向呈 弹性。 1 3 2 国内研究现状 国内在封闭试验台的加载器的研究方面也比较成熟，现就查阅的加载器 的一些资料做如下详细的说明。 1 湖南大学机械系研制的螺旋滚珠式机械加载器一1 此加载器能在运转状态下改变载荷的大小和方向，加载器结构如图1 4 所示。 123567b 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 工作原理简介：左、右半轴通过左、右螺旋槽轮和两圈钢珠与套筒连接 在一起。空载时，加载器相当于一个螺旋滚珠式联轴器。加载时，转动加载 螺旋使其作轴向移动，通过滚动轴承及横键、拉杆，推( 或拉) 动套筒作轴 向移动。套筒两端装有两圈钢珠，钢珠一半嵌在套筒内( 与套筒在圆周及轴 向上均不能相对运动) ，钢珠的另一半嵌在左右螺旋槽轮的螺旋槽中。套筒 做轴向移动时，通过两端的钢珠迫使左右螺旋槽轮做反向旋转，通过联轴器 使与其连接齿轮向相反方向旋转，即对封闭试验台施加了封闭力矩。通过旋 转角度的不同，可施加大小不同的载荷。 2 上海机械技术研究所研制的液压加载器”川 加载器内部结构图如图1 5 所示。 匹 1 8 钇1 l 罅 9l 6s 321 图1 。5 液压加载器内部结构图 1 箱盖，2 转子叶片，3 定子叶片，4 箱体，5 端盖，6 轴承座， 7 垫片，8 组合密封圈，9 轴承座，1 0 一定子转轴，1 1 端盖， 1 2 单列向心球轴承，1 3 垫片，1 4 转子轴，1 5 单列向心球轴承 工作原理简介：液压加载器实质上是一个回转式油缸。它借助于油缸定 子和转子之间压力油的作用，使定子转子间产生相对扭转角，从而使两端连 接轴之间产生扭矩作用的一种特种功能联轴器。 液压加载的缺点：易发生漏油现象，拆装过程烦琐，通用性差，需外接 电源，能耗大，结构复杂等。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 哈工程大学海洋智能研究所研制的加载器1 1 加载器由二级减速器串联而成。第一级为k h v 型摆线针轮减速器；第 二级减速器为n n 型2 k h 行星齿轮机构。加载器原理图如图1 6 所示。 eb 2 h z b 1 h 1 b a 图1 6 同步传动力矩式加载器原理图 工作原理简介：力矩电机g 输出的扭矩传送给转臂h 1 ，通过第一级减 速器产生放大的输出扭矩传送给转臂h 2 。转臂h 2 作为第二级减速器的输入 轴，通过放大产生更大的输出扭矩传送给e 端。转臂h 1 为施载端，齿轮e 、 b 为封闭端。e 端与轴b 固连、b 端与轴a 固连。e 端与b 端产生相对扭转， 即b 、a 端有相对扭转，则产生相应的扭矩。 此加载器加载方法的优点： ( 1 ) 使封闭功率试验台容易实现空载启动； ( 2 ) 运转中能方便地改变载荷的大小和方向； ( 3 ) 容易实现程序化遥控，且操作简单； ( 4 ) 差动齿轮机构使施载运动行程角无限； ( 5 ) 可靠的反程自锁设计； ( 6 ) 体积小，驱动电机小，经济性好。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 论文主要研究内容 本文针对平行轴同侧传动封闭试验台的加载器进行研究设计，主要研究 设计以下内容： 1 针对平行轴同侧传动封闭试验台进行加载器的总体设计。对试验台所 需封闭功率即所需加载器产生的相应扭矩，确定设计相应的结构组成。 产2 设计加载器第二级n g w n ( 3 k ) 行星齿轮减速机构并对加载器关键部 件做相应的强度校核，从而验证其满足强度和刚度要求。 3 设计加载器的控制系统。控制系统采用分级控制思想，主要包括封装 在转动轴中的实时检测系统和总控系统两个子系统，基于模块化思想，两个 子系统划分为若干功能模块。检测系统划分为电源管理模块、电机驱动及控 制模块、制动模块、传感器反馈模块及无线通信模块五部分；总控系统由无 线通信模块、人机界面控制器、信号转换模块以及总控制台组成( 前三个模 、块为本文需设计的) 。 4 对加载器进行静态及动态性能检测实验。静态空载( n = o 、t = o ) 、 动态空载( n 卸、t = o ) 的施载行程角检测；静态( n = o ) 施载性能检测；静 态空载( n = o 、t = o ) 单位时间施载行程角检测；导电滑环离合情况检测；控 制系统软硬件工作可靠性检测等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章平行轴同侧传动封闭试验台的 加载器的总体设计 密封试验台的具体形式虽多种多样，但均由驱动设备、驱动构件、被试 传动、辅助传动、加载器等组成，如图2 1 所示。 驱动设备 j 驱动构件l a b j a j 幽 加载嚣a b 图2 1 封闭功率试验台示意图 1 驱动设备 使试验台得以运转的设备为驱动设备。 试传动 路中的构件叫驱动 连的传动端叫驱动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 端并记为j ，而其余两端因串入封闭回路中，故称为封闭端，分别用字母组 合j a 、m 表示，如图2 2 所示。 3 加载器 在封闭试验台中，凡串入回路中且造成回路中平衡内力的部件叫加载器。 在加载器上，一般有三个传动端，其中串入封闭回路中的两端为加载器 的封闭端且分别用字母a 、b 表示，另一端则为施载端并记为c 。加载器封 闭端所传递的力素( 力矩) 叫封闭端力素( 封闭力矩) 。在某些加载器上， 因施载端并入封闭端中，故只有封闭端a 、b 。文中规定：当加载器具有三 个力素传递端a 、b 、c 时，就以字母组合a b c 来表示它；当只有封闭端a 、 b 或泛指任一加载器时( 如刚性联轴器或盘状摩擦离合器) ，则以字母组合 a b 来表示它。若两封闭端a 、b 作异侧布置时，则称这加载器为串入式；若 a 、b 端成同侧同轴布置时，就叫轴端式。 一般情况下，加载器仅为一传动而己，因此要造成回路中的平衡内力素， 还得借助能产生或传递力素的装置即施载装置m 。由施载装置m 所产生且作 用于施载端c 上的力素称为施载力素。当施载装置只能对静态的施载端c 施 以施载力素时，就称作静态作用式施载装置；若可对动态的施载端c 施以施 载力素时，则叫动态作用式施载装置。施载力素表现为力时，静态作用式施 载装置主要有砝码、静液压油缸、螺旋副及齿轮齿条机构等结构形式；当施 载力素表现为力矩时，则主要结构形式有砝码杠杆系、静液压油缸杠杆系、 螺旋副杠杆系。施载力素表现为力时，动态作用式施载装置有各式( 机械式、 静液压式、动液压式、电磁式) 负荷器和双向作用控制式微电机。 实践中，力矩式加载器a b c 在结构上均为同轴啮合传动，如图2 2 所示。 其中( a ) 图为施载端a 、b 异侧布置( 串入式) ，且施载装置为砝码杠杆系m ； ( b ) 图为施载端a 、b 同侧布置( 轴端式) ，且施载装置为双向作用控制式微 电机或微型负载器m 。 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 jj bj a ( a ) 串入式 j b j a b ( ( b ) 轴端式 图2 2 力矩式加载器示意图 加载器之所以能对封闭试验台施载，就是将施载装置m 产生的施载力素 ( 力或力矩) 作用于c 端，经加载器内部啮合传动将c 端力素放大，由封闭 端a 、b 输入( 出) 于封闭回路中。 4 被试传动、辅助传动 在封闭试验台中，联系驱动构件封闭端j a 与加载器封闭端a 的传动叫 a j 传动，即为被试传动；联系j b 和b 端的传动为b j 传动，即为辅助传动， 如图2 1 所示。 2 1 加载器的基本概念 参照图2 1 可知：设驱动构件角速度为哆，则加载器两封闭端a 、b 角 速度为： 1 1 其中，髟为驱动构件所传递的功率。 取加载器a b c 为分离体时，由功率平衡条件知： 只+ 弓+ 足= o ( 2 5 ) 其中，只为施载端所传递的功率。 当不计摩擦损失时，作用在加载器a 、b 端上的力矩为兀和一瓦，加载 器a b c 的刚性传动比： 毛= o , 5 = 阱蚓 协6 ， 其中，、为a 、b 相对于c 端固定时， a 、b 相对于c 的角速度。 将( 2 ，6 ) 式带入( 2 3 ) 式中： 鲁：孕：孕：飞- co ( 2 - 7 ) p bp 疆1 疆 u ”6 “ 对于由齿轮传动所组建的“背靠背”封闭实验台，必然为0 扔= 1 ，由 1 2 哈尔溟工程大学硕士学位论文 ( 2 7 ) 式可知，当 毛0 k = 1 ( 2 8 ) 互：益：丑：一1( 2 9 ) 易乞? k 时，即毛= 1 ，这意味着加载器a b c 表现为一个刚性联轴器串在封闭回路中。 当加载器完成了施载运动后，封闭实验台就表现为这种传动关系。 当加载器在施载过程中，试验台必满足毛o k l 或o - c o k 1 ，此 时毛l ，弓o 。当试验台表现为乞 0 时，加载器为卸载运行。 2 2 加载的基本原理及方案的确定 1 图2 3 为未加入加载器的试验台，图2 4 为试验台布局框图。本试验 台的被测件和陪试件均为行星齿轮传动的减速器，且为背靠背连接，被测件 和陪试件的结构完全相同，因此，加载器加载后，整个试验台的的传动比为： 毛0 如= 1 ，这意味着加载器表现为一个刚性联轴器串在封闭回路中。 12 图2 3 试验台的被测件和陪试件传动 h + u - 一 卜t q 一 图2 4 试验台布局框图 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i 通过对图2 3 分析，可知该“背靠背”试验台采用力矩式加载装置是唯 一选择，力矩式加载装置是一个施载力素为力矩且结构形式表现为一种传动 ( 齿轮传动或液压传动) 的机械装置。根据运动状态，力矩式加载器有非差 动、差动及同步传动式之别。针对该试验台的具体布局，若布置成非差动、 或差动式力矩加载器，被试传动l 、2 需作相应的结构改动。此方案要破坏 传动1 、2 的结构形式，这是不现实的，因此本文不予研究。 2 结合该试验台具有平行轴同侧封闭传动的特点，采用同步传动力矩式 加载器是最佳选择。鉴于多年的技术储备，本文拟进行非液压传动而以行星 齿轮传动为结构形式的同步传动力矩式加载器的设计。 3 由试验台的组成特点可知( 参照图2 3 ) ，被试传动1 、2 是以其y 轴 与y 轴、万轴与万轴平行并接，驱动装置在被试传动1 、2 的外侧拖动被试传 动1 的高速轴y 。因所传递的功率一定，根据公式p = t 国，为使作用在轴上 的扭矩较小，应把加载器放在高速轴y 上。若在试验台的外侧y 轴上端接入 加载器，在理论上是可行的，然而，陪试件的y 轴必然做成空心轴，被试件 的y 轴在中间穿过，形成嵌套的轴系，这使得工艺性和经济性极差，此方案 很难实施。此方案的结构简图如图2 5 所示，理论框图如图2 6 所示。 图2 5 轴端式同步传动力矩式加载方案 1 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 12 a 图2 6 方案的理论框图 因此，本文采用串入式同步传动力矩式加载器。此方案的结构简图如图 2 7 所示，理论框图如图2 。8 所示。由图可知，只要给a7 和b 两端施加一个 相对偏转的施载力矩，造成a 7 、b7 两端产生相对角位移，即传动1 、2 的太 阳中心轮珥两者产生相位差，即意味着给封闭回路中各传动构件施加了封闭 力矩。各传动件承受此封闭力矩( 负载力矩) 被驱动设备驱动后，便实现负 载运转。 图2 7 串入式同步传动力矩式加载方案 12 母 图2 8 方案的理论框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 加载器的总体结构设计 2 3 1 加载器的设计要求 ( 1 ) 额定加载扭矩t - 士11 0 0 0 n r r l ，最大超扭l o ； ( 2 ) 最大工作转速n = 士3 5 0 0 r m i n ，最大超速1 0 ； ( 3 ) 具有良好的动平衡性： ( 4 ) 外形尺寸小、重量轻； ( 5 ) 能使试验台产生正、反方向的封闭功率流； ( 6 ) 既能静态加载，亦能动态加载； ( 7 ) 具有大的传动比； ( 8 ) 施载运动行程角无限； ( 9 ) 有自锁性，即在卸载时能使封闭功率稳定地封闭在回路中。 按上述要求，加载器的总体设计方案如图2 9 所示。 el b 上 一岁 盯 - _ h 口工皿 i g g i -一 卜i 一 i 、 隅 口_ c 了1 了 地 l i nhi 图2 9 加载器机构运动简图 i 集流环段，i i 永磁直流力矩电机，i 谐波减速器组件，行星齿轮减速装置 2 3 2 结构选取及工作原理 由图2 9 可知，加载装置由集流环i 、永磁直流力矩电机i i 和第一级谐 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 波齿轮减速机构、第二级n g w n ( 3 k ) 行星齿轮减速机构组成。 第1 段为集流环段，给电机、制动器、编码器配电。 第1 i 段为驱动装置段，由直流力矩电机、失电制动器、编码器组成。 集流环装置给电通过控制系统控制施载直流力矩电机正反向运转和施载 时间，使封闭功率流流向正向或反向和变载力矩大小，即创造各种功率流。 当电机受电转动时，制动器失电而松开，加载器加载；反之，制动器受电制 动时，电机失电停车，加载器停止加载。因电机和制动器的配合使用，使加 载器既能静态加载，又可动态加载。编码器检测电机的随机转速，经控制器 显示出随机施载运动行程角的数值，控制其施载力矩的大小。 第1 i i 段为第一级减速装置，由复式谐波减速器x b 3 2 1 2 0 1 2 0 组件构成， 其参数如表2 1 所示到。 表2 1 复式谐波减速器x b 3 2 1 2 0 1 2 0 参数表 额定输出扭矩 传动比设计估算效率 ( n m ) i - 1 2 04 5 0 r = o 6 当第一级减速装置为全额输出力矩时，力矩电机的驱动力矩为： t i i = h 1 1 3 铀1 = 6 2 5 n m h 铀 所以，取永磁直流力矩电机i i 参数如表2 2 所示3 1 。 表2 2 永磁直流力矩电机参数表 峰值堵转连续堵转最大空载 转速 转矩电流电压转矩电流电压 ( 蛐i n ) ( n m ) ( a )( v )( n m )( a ) ( v ) 1 1 84 84 8 53 3 32 0 3 0 0 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 失电制电器型号：d h m 3 4 c ，其参数如表2 3 所示。 表2 3 失电制电器参数表 额定静力矩额定电压线圈功率允许最高转速 4 0 n m4 8 v d c5 4 w ( 2 0 0 c )3 0 0 0r r a i n 编码器型号：z k p 3 8 0 8 4 0 1 g 2 5 0 0 b z i 0 5 e 4 1 。 2 3 3 二级减速器行星传动机构的设计 行星齿轮啮合传动的种类虽然很多，但大致分为n n 传动、w w 传动、 k - h v 传动、n g w n ( 3 k ) 传动等几大类。n - n 传动其结构不对称，为了满足 动平衡的要求需要设计平衡块；w w 传动虽然结构对称，但为了得到大的传 动比，导致结构庞大；k h v 传动结构上对称，不需加平衡块，但其输出扭 矩较小；n g w n ( 3 k ) 传动结构上对称，且能满足大的传动比即输出大的扭矩。 因此加载装置工作在商转速下，且需满足动平衡的要求。又因此加载装 置需用小的施载电机经过两级减速放大装置生成所需大扭矩，且满足小体积 的要求。 综上所述，本试验台加载器中的第二级减速装置采用自行设计的 n g w n ( 3 k ) 行星齿轮传动机构。 自行设计的非标n g w n ( 3 k ) 行星齿轮减速器为满足其机械加工工艺 性，设计行星齿轮为单行星轮的行星传动，简图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 行星齿轮减速器简图 1 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 当加载器为最大超扭状态，且谐波减速器为全额输出力矩时，所需第二 级减速装置的最小传动比为： 之= 二k = 4 4 8 2 ， 毛辄 取 z o = 1 2 乙2 2 0 概略参数：汪6 0 5 0 0 、7 7 ：o 8 4 o 7 z h = 5 1 。 之= 5 4 传动比之：( 1 + 乏z j h 乏等：9 4 5 私8 2 ，满足要求。 总传动比乞= 鬈i z g 2 之= 一1 1 3 4 0 满足了大传动比的要求”q 。 第1 、段均为行星齿轮传动机构，其能在传递大扭矩的前提下，结构 紧凑，得到较小的结构尺寸，满足外形尺寸的要求。 以上各区段均通过各自壳体，以螺栓联接串联而成一整体。 2 3 4 动力参数分配 按加载器最大超扭时，求直流力矩电机的驱动力矩：仍取r m = 0 6 、 r r v = 0 6 ( 所选施载装置m ( 力矩电机) 和第一级谐波减速器的额定力矩均 有足够的储备。) z l i = 焘观一m 作直流力矩电机功率曲线如图2 1 1 所示。 1 9 r ( n m ) 1 2 1 1 1 0 8 6 4 2 9 6 4 2 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 2 1 8 图2 11 直流力矩电机功率曲线 按直流力矩电机施载转速2 1 8 r m i n ，得单位时间施载行程角： ：3 6 0 ( 。r ) x 2 1 8 ( r m i n ) = 6 9 2 ( 。m i n ) t 1 2 0 x 9 4 5 、7 施载角与施载时间见表2 4 。 表2 4 施载角与施载时间的关系 、 施载行程角 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 y ( o ) 施载时间 1 4 4 52 8 94 3 35 7 8 t ( m i n ) 注：开始施载时，施载力矩还这不到2 9 6 4n m ，则单位时间施载角( ) 要小于6 9 2 ( 磊n ) 。即在施载过程中，施载运动行程角与施载时间并非 线性关系。 由于加载器结构上不设任何限制，所以其施载运动行程角允许值不受其 结构限制，即满足了施载运动行程角无限的要求。 在封闭回路中，图2 3 为传动l 、2 作“背靠背”布置，所以 0 = 0 ( 2 1 0 ) 且鱿= 锡0 ，= 哆0 ，= 哆屯 ( 2 - 11 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 得c o x = ，= 善 ( 2 1 2 ) l c yl c y 整理( 2 1 0 ) 、 ( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得= = c o c = 0 q ( 2 - 1 3 ) 此式说明加载器a 、b 、c 端以c o , 作同步传动，这就是称此类加载器为 同步传动力矩式加载器的原因。在满足上述条件时，该加载器只表现为以一 个刚性联轴器的形式串入回路中，当要实现对回路施加封闭力矩( 功率) 时， 必须能满足： 毛0 k 1( 忍 o ) ( 2 - 1 4 ) 或0 - c o 如1 ( 尼 0 ) ( 2 1 5 ) 即互：益：互一l 尼易 同步传动力矩式加载器均应具有反程自锁性，为造成回路中的负荷，施 载装置m 必须处于动态负载状态( 即p c 0 ) 。当施载运动完成后，将施载 装置m 卸载( 即p c = 0 ) ，如果加载器a b c 具有反程自馈性，已加上的平 衡内力素就被锁牢在封闭回路中，封闭功率稳定维持。 同步传动力矩式加载器具有反程自锁性判别条件为： 绉 0 或7 7 乞 0 ( 2 1 6 ) 将( 2 - 1 0 ) 与( 2 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) 式联立，并由z - b a c = 丁1 、袭- 1 - - 删c 的 关系，则( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 式演变成： l 一西1 1 或。 1 一西1 1 ( 2 - 1 7 ) 得 乞 1 ( b )( 2 - 1 8 ) ( 2 1 8 ) 式说明在加载器施载端c 为主动的施载运动中，加载器具有很 大的减速效果。因此当以施载端c 为从动的反程运动时( 反程卸载) ，其自 锁性( 2 1 6 ) 式的成立是很可能的。 针对本文“背靠背”试验台，设计的串入式同步传动力矩式加载器机构 运动简图如图2 1 2 所示。当施载电机通过集流环得电后，将拖动施载端c 转 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动，通过第一、二级减速机构达到减速增扭，在封闭端a 和b 中间产生大扭 矩，此大扭矩即为施加在被试减速器转轴上的扭矩。 其中第一级减速装置为复波式谐波齿轮减速器，第二级为n g w n ( 3 k ) 行星齿轮减速器，减速比分别为，z g ：- - - 1 2 0 ( 负号表示h 1 与z g 2 反向) 、 7， ( 1 + 。易) 乙 c 。b = j 厶每一= 9 4 5 ，谐波减速器的波发生器h 1 ( 系杆) 为加载器施载 厶一z , b 端c ，由直流力矩电机即施载装置m 驱动c 。谐波减速器输出刚轮z g 2 与 n g w n ( 3 k ) 中的太阳轮a 固联。谐波减速器的固定刚轮z g l 和n g w n ( 3 k ) 的内齿圈b 均与加载器外壳固联作为封闭端a ，n g w n ( 3 k ) 中的内齿圈e 作为封闭端b 。由机构简图2 1 2 可知： 琶= 瑶。z g 2 匕= - 11 3 4 0 ( 负号表示c 与b 反向) z g 2 z g i b 封闭台主轴线 图2 1 2 传动机构运