（光学工程专业论文）履带车辆综合传动系统性能试验台的设计.pdf

摘要 摘要 在现代军事、农业和建筑业领域中，履带车辆以其良好的越野性能发挥着十 分重要的作用。履带车辆综合传动系统是整个车辆系统核心部件之一。它的性能 直接关系到整个车辆的动力性、燃油经济性和耐用性等重要性能。传统的检测方 法道路试验法，不仅需要较大的试验场地，还要耗费大量的人力、物力、财 力。因此，对履带车辆综合传动系统的研究具有特别重要的意义。 履带车辆综合传动系统台架试验过程中，车辆行驶工况在试验台架的模拟是 试验成功的关键。本文首先介绍了履带车辆传动试验台的发展现状，提出本课题 具体研究对象、功能和技术指标。通过对履带车辆三种行驶工况的理论计算，提 出综合传动系统试验台总体技术方案，并对不同型号设备进行选型分析，最后确 定采用变频交流电动机、电涡流测功机和伺服电机建立试验台，模拟履带车辆直 线行驶、转向、离合器工作三种工况。对综合传动系统进行性能试验，主要完成 主离合器分离闭合可靠性、变速箱的换档及运转性能、行星转向机的转向、制动 及液压操控等性能的检测。最后，开发了一套控制系统。 通过以上的研究工作，本文开发了一套高性能的履带车辆综合传动系统试验 台。该试验台可用于维修保障机构对修复后的履带车辆的综合传动系统进行维修 质量评估和故障诊断。通过对综合传动系统的模拟试验，根据试验数据进行处理 分析，找出薄弱环节，以保证核心部件的维修质量，提高综合传动系统整体可靠 性，从而确保了履带车辆达到良好技术状况，为履带车辆的维修实践提供了较高 的参考价值。 关键词：履带车辆；综合传动系统；试验台；测控系统；电涡流测功机 山东大学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ea r e a so fm o d e m m i l i t a r y , a g r i c u l t u r e ，a n dc o n s t r u c t i o n s ，b e c a u s eo fg o o dc r o s s - c o u n t r y p e r f o r m a n c e ，e n d l e s s t r a c kv e h i c l e sp l a y e dav e r yi m p o r t a n tp a r ti nc o u n t r yc o n s t r u c t i o n u n d e r t a k i n g s e n d l e s s - t r a c kv e h i c l e si n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw a so n eo fk e r n e lu n i t sf o rt h e w h o l ev e h i c l es y s t e m i t s p e r f o r m a n c e sd i r e c t l y i n f l u e n c e dt h ew h o l ev e h i c l e se s s e n t i a l p e r f o r m a n c e s ，f o re x a m p l e ，p o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，d u r a b i l ep e r f o r m a n c e ， a n ds oo n f o rv a d i t i o n a n ld e t e c t i n gm e t h o d - - - r o a dt e s tm e t h o d ，n o to n l yw a sl a r g e - s c a l et e s ts i t e d e m a n d e d ，b u ta l s om a nr e s o u r c e s ，m a t e r i a lr e s o u r c e s ，a n df i n a n c i a lr e s o u r c e sw c r ed e m a n d e d s o ， t h e r ew e r ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rs t u d y i n ge n d l e s s - t r a c kv e h i c l e si n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o n s y s t e m d u r i n gt h e0 0 u r s eo ft e s t i n ge n d l e s s - t r a c kv e h i c l e si n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mb e n c h , t h e k e yf a c t o rf o rs u c c e s s f u lt e s tw a ss i m u l a t i n gt h ev e h i c l e st r a v e l l i n gc o n d i t i o n st h r o u g ht h et e s t b e n c h i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n ta n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fe n d l e s s - t r a c kv e h i c l e si n t e g r a t e d t r a n s m i s s i o nt e s t i n gb e n c hw e r ei n t r o d u c e df i r s l y , a n dt h es p e c i f i cs t u d y i n go b j e c t s ，f u n c t i o n sa n d t e c h n i q u ei n d e x e sf o r t h ea s s i g n m e n tw e r ef o l l o w i n gp u tf o r w a r d t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no ft h r e et r a v e l l i n gc o n d i t i o n sf u re n d l e s s - t r a c kv e h i c l e s ，t h ee n t i r et e c h n i q u es c h e m eo f i n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mt e s t i n gb e n c hw a sc o n c l u d e d ，a n a l y z i n ga n ds e l e c t i n gd i f f e r e n tt y p e s o fd e v i c e s ，a n dw ed e s c i d e dt oc h o o s ev a r i a b l ef r e q u e n c ya em o t o r , e l e c t r i cv o r t e xd y n a m o m e t e r a n ds e r v om o t o rt ob u l i dt e s t i n gb e n c h , w h i c hw a su s e dt os i m u l a t ee n d l e s s - t r a c kv e h i c l e s t h r e e w o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha s ，s t 咖g h tm o t i o n , t u m i n gd i r e c t i o n , a n dc l u t c hw o r k i n g t e s t i n gt h e p e f o r m a n c eo fi n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s o m ep e r f o r m a n c e s ，s u c ha s ，m a s t e rc l u t c ho n o f f , g e a r b o xs h i f t i n ga n dm n n i n g 。p l a n e ts t e e r i n gg e a rt u r n n i n ga n db r a k i n g , l i q u i dc o n t r o l l i n ga n ds o0 1 1 a tl a s t , d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw a sp r o g a m m e d t h r o u g ha l la b o v er e s e a r c hw o r k , as u i t eo fe n d l e s s - t r a c kv e h i c l e si n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o n s y s t e mb e n c hw i t hg o o dp e r f o r m a n c ew a se x p l o i t e d i tc o u l db eu s e dt od o i n gq u a l i t ya s s e s s m e n t a n df a u l td i a g n o s i sf o ri n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o n s y s t e mo fe n d l e s s - t r a c k v e h i c l e sr e p a i r e db y 山东大学工程硕十学位论文 m a i n t e n a n c ea n dg u a r a n t e ei n s t i t u t i o n v i as i m u l a t i n gt e s tf o ri n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m , a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g a c c o r d i n gt ot e s t i n gd a t a , a n df i n d i n gw e a k n e s s ，w ec o u l dg u a r a n t e et h e m a i n t e n a n c eq u a l i t yo fk e yu n i t s ，e n h a n c et h ew h o l er e l i a b i l i t yo fi n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s o g o o dt e c h n i q u es t a t u so fe n d l e s s - t r a c kv e h i c l e sc o u l db em a d es u r e ，a l lo fw h i c hw o u l do f f e rb e t t e r r e f e r e n c ev a l u e sf o rp r a c t i c a lm a i n t e n a n c eo fe n d l e s s - t r a c kv e h i c l e s k e y w o r d s ：e n d l e s s - t r a c kv e h i c l e s ：i n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ：t e s t i n gb e n c h ：d e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ；e l e c t r i cv o r t e xd y n a m o m e t e r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在现代军事、农业和建筑业领域中，履带车辆以其良好的道路越野性能在我 国国家建设事业中发挥着十分重要的作用【卜2 l 。而动力系统、传动系统、操纵系统、 液压控制系统并称为履带车辆的四大核心系统。近年来，由于综合集成技术的广 泛应用，履带车辆的传动系统、操纵系统、液压控制系统通常集成为一体，称之 为综合传动系统。其在整个车辆系统中占着举足轻重的作用，其性能将对整车的 燃油经济性、耐用性和动力性等指标产生重大影响。履带车辆综合传动系统的主 要作用是将发动机的功率传递给两侧履带，在直线行驶状态进行档位变换改变履 带车辆的行驶速度，在转向行驶状态调整两侧履带的速度和牵引力实现转向功能， 在行驶过程中提供负载制动力以实现车辆制动功能。通过实现动力传递和负载调 节等功能，使履带车辆适应各种行驶路况。 随着现代工业和检测技术的迅速发展，综合传动系统等关键零部件的性能和 质量成为决定整车性能和质量的最重要的因素之一1 3 卅。对综合传动系统进行研究， 并对其进行性能测试是履带车辆安全可靠稳定运行的重要保障。因此，对综合传 动系统进行深入研究，建立高性能的履带车辆综合传动系统试验台，并根据试验 数据进行处理分析，找出薄弱环节，以保证核心部件的维修质量，从而确保履带 车辆的良好技术状况，进而对履带车辆综合传动系统性能和质量进行评价和测试 是非常必要和必须的。然而，目前对轻型轮式车辆的传动系统的检测试验研究较 多，对履带车辆传动系统的研究相对较少，特别是对采用综合集成技术的履带车 辆综合传动系统更是少之又少。因此，对履带车辆综合传动系统进行检测试验的 研究十分必要。 传动的试验检测方法是采用直接道路试验，这不仅需要耗费较多的人力、物 力和建设适当规模的试验跑道，同时还受环境影响较大。鉴于这个原因，重型履 带车辆综合传动系统的研制和使用十分重要。本课题结合“履带车辆大( 中) 修试 修和综合传动系统质量诊断评估”项目进行。开发一套履带车辆综合传动系统性能 试验台，为履带车辆维修后的验证装备修理质量提供参考。 山东大学工程硕十学位论文 i ii i 曼曼量量皇曼鼍曼曼曼鼍量篁量鼍皇曼皇孽皇詈皇曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼量曼曼量曼詈曼罡曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量皇置曼鲁皇量曼罾量曼曼昌曼量量量曼曼曼量皇量 1 2 国内外履带车辆综合传动系统试验技术的研究发展概况 综合传动系统是一个集成机、电、液、控多专业学科于一体的复杂系统，其 自动化程度一直是车辆技术性能的核心内型5 - 7 j 。高性能的试验系统是对车辆性能 验证和质量跟踪的前提保证。通过试验结果的分析将有效评定履带车辆综合传动 系统性能指标，同时为维修工程技术人员提供可靠的实践参考资料和维修依据1 6 j 。 国内外相关科研机构研制开发了多种试验设备，大多集中在轮式车辆传动系统试 验技术研发，对于履带车辆的传动系统试验技术的研究比较少。 国外对车辆传动系统试验台架的研究处于领先地位，如s c h e n k 公司开发的专用 变速箱性能试验台i 鲫】，采用液压次级调节元件作为加载设备，w m e 总线结构，多 c p u 并行处理，扩展性好，具有强大的信号实时处理和计算能力；德国z f 集团建 立的专门试验研究机构，具有汽车底盘测功机、离合器试验台、空载试验台、低 温试验台、电磁阀试验台、加载试验台、油面试验台、可靠性试验台、传动系统 噪音实验室等多达2 1 个传动方面的高端试验台，该公司研制的试验台针对具体试 验对象特性，专业性强。日本明电舍动力公司、日本丰田公司研制开发的用于汽 车传动系统系列试验台等【1 0 1 。该型试验台主要针对小功率轮式车辆进行试验，控 制技术先进，试验精度高。针对履带车辆的有美国密执安州艾德里安的a i d c o 公司 研制的8 5 0 m 军用传动装置和液压部件试验台【1 1 1 。该型试验台具有两个特点：一是 通用性好，对现役美军多型车辆的直线、十字、动力换挡等各种传动装置进行试 验。二是采用高排量泵输出功率，功率大、输出稳定。总之，从试验台的设计到 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研制模式。 国内的科研机构在车辆传动系统试验方面也进行了大量的研究工作。如北京 交通大学车辆传动国家重点实验室刘云鹏研制的新型综合传动试验台【l2 。该型试 验台以机械功率流封闭式传动试验台为基础，具备仿真试验功能，控制状态和方 式采取无扰动切换，实现全数字化控制功能，提高了试验台的试验精度和自动化 程度。吉林大学机械传动研究所的黄海东研制的履带车辆传动系统试验台【1 3 1 ，采 用液压加载系统，利用整车进行试验，模拟各种行驶载荷进行故障判断。该试验 台在测试技术、液力变矩器动态性能等方面进行深入研究。洛阳拖拉机研究所黄 助远研制的拖拉机传动系统及其零部件综合试验刽1 4 】。该试验台采用升速箱设计， 2 第1 章绪论 结构简单可靠，成本少，各组成部件拆装调整或改装简便、灵活，适用于各式拖 拉机传动部件的性能试验和寿命试验。河北宣化工程机械股份有限公司研究所研 制开发的推土机综合传动试验台等【”】。该试验台针对推土机低速大转矩加载的特 点，无需增加任何增速设备实现零至最大载荷加载性能。机构采用模块化设计， 结构简单，可靠性高。这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了较大的进步， 积累大量的经验，代表了我国履带车辆传动系统试验设备的发展水平。 1 3 课题研究的内容 查阅了大量试验台的相关资料【1 睨1 1 ，车辆综合传动系统性能试验台按照试验目 的不同，大致分为两种。一是车辆生产研发领域的性能试验台。主要是用于车辆生 产厂家跟踪产品质量与研发新产品。车辆下线前，对生产设计的车辆传动系统进行 的性能验证和参数校验。二是车辆维修保障领域的功能试验台。主要用于维修保障 机构对维修后综合传动系统进行维修、调整的故障诊断检测试验台。而本课题主要 研究履带车辆维修保障机构针对修复后的车辆，对其综合传动系统进行维修质量评 估的故障诊断试验台。着重对换挡、运转性能以及转向、制动、操控等性能进行试。 验。 1 3 1 试验对象与任务 本试验台主要针对某型号重型履带车辆的综合传动系统进行性能试验。综合 传动系统是由主离合器、变速箱、液压式行星转向机、液压操控系统综合集成组 成。具体检测主离合器分离闭合可靠性；变速箱的换挡、运转性能以及行星转向 机的转向、制动、操控等性能。 1 3 2 试验台的主要功能 本试验台是进行履带车辆主离合器、变速箱、液压式行星转向机、液压操控制 系统性能试验及动态特性试验的必备设备【2 2 五9 1 。在进行车辆大( 中) 修时必须进行 静、动态性能试验，以考察主离合器、变速箱、液压式行星转向机、操纵系统、液 压控制系统的修理装配水平；用路况试验来考察有关参数的变化对其静、动态特性 的影响。其主要目的是要考察主离合器、变速箱、液压式行星转向机、操纵系统、 液压控制系统的修理、装配和调试的工艺性以及有关性能指标。 山东大学工程硕七学位论文 试验台应具有以下的功能和试验模式： ( 1 ) 速度扭矩控制模式，输入及输出扭矩、速度及功率变化曲线。 ( 2 ) 扭矩速度控制模式，输入及输出扭矩、速度及功率变化曲线。 ( 3 ) 主离合器分离状态下，输入及输出扭矩、速度及功率变化曲线。 ( 4 ) 自动缓慢松开转向器开关时，输出扭矩、输出功率与时间的曲线。 ( 5 ) 挡位自动换挡时，输入及输出扭矩、速度及功率变化曲线。 ( 6 ) 程序自动加载控制时，输出扭矩、速度及功率的变化。 ( 7 ) 具有扭矩、转速、油温、油压等多个参数的实时采集，图文显示、扣印输 出及故障报警功能。 ( 8 ) 试验台测控系统具有良好的人机交互界面，操纵方便快捷简单。测试的软 件还可以用图形方式显示各种扭矩、转速、温度等的变化曲线以及设备运行状态， 可通过鼠标进行选项设置，设置控制系统运行状态并实时切换显示内容。 ( 9 ) 计算机能连续对被试件的驱动端的扭矩和速度、加载端的扭矩和速度、油 温、油压等数据进行实时采集处理，转换为工程量后在显示器上按要求格式显示 并可打印输出。 ( 1 0 ) 缺相、超载、欠压、过流、扭矩波动( 系统不稳) 、超速、速比错误等报警 保护功能。 ( 1 1 ) 试验台台架结构合理、安装维修方便、具有足够刚度、强度和良好精度， 高速运转平稳可靠。 1 3 3 试验台的工作条件 试验台的工作条件要求如下： 1 ) 试验场地应具备3 8 0 v 三相交流电源； 2 ) 环境温度：4 c - 5 0 ： 3 ) 环境相对湿度8 0 ； 4 ) 环境空气清洁，不含有腐蚀性和易燃气体及导电尘埃。 1 4 论文的主要内容 本文详细阐述了履带车辆综合传动系统性能试验台的方案设计过程，剖析了 4 第1 章绪论 试验台的工作原理，参考了相关的试验标准，对试验台进行总体方案设计和设备 选型、匹配，并设计了试验台的布置方式和控制系统，论文的主要研究内容如下： 第一章主要介绍了课题研究的背景和意义，通过国内外文献介绍了综合传动 系统试验台的研究现状及发展趋势，并对课题试验对象与任务、主要功能、工作 条件进行了阐述。 第二章对履带车辆基本行驶工况进行分析，计算出三种行驶工况下试验台驱 动端和加载端的功率、扭矩要求，提出了试验台的技术指标。 第三章对试验台的主要特点进行了分析，并点出了综合传动系统性能试验台 设计研究过程中的主要技术关键问题，确定了试验台总体技术方案。 第四章介绍了综合传动试验台驱动设备、加载设备、被试部件操作设备、液 压设备、冷却设备等主要硬件的选择。 第五章对试验台的控制技术进行了介绍，并就硬件、软件、通信的功能、结 构等进行了说明。 山东大学工程硕士学位论文 6 第2 章履带车辆行驶工况与理论分析 第2 章履带车辆行驶工况与理论分析 2 1履带车辆的行驶工况 履带车辆主要行驶状态是匀速、变速( 加速和减速) 、制动、转向，为简化分 析过程，将匀速、变速归结为直线行驶工况。本课题将分三个方面对综合传动系 统进行试验。一是直线行驶工况；二是转向工况( 包括原地转向工况、第一位置 转向工况) ；三是离合器工作工况。履带车辆行驶工况流程图如图2 1 所示。 图2 1履带车辆行驶工况流程图 2 1 1 直线行驶工况 履带车辆直线行驶工况是发动机动力输出经综合传动系统传递给两侧履带， 两侧履带的运动速度一致。履带车辆呈直线状态行驶的状态。直线行驶特性是车 辆机动性能的的基础。本课题从研究动力装置输入( 扭矩、转速和功率) 曲线与 负载端输出( 扭矩、转速和功率) 曲线进行比较。分析和评价履带车辆机动性能。 包括行驶能力、爬坡能力、加速和制动能力以及加速性等。 7 山东大学丁程硕+ 学位论文 2 1 2 转向工况 履带车辆转向工况是通过行星转向机构改变两侧履带的纵向净推力，通过降 低内侧履带的纵向净推力，保持外侧履带纵向净推力不变。控制两侧履带产生不 同的速度，实现转向。转向工况速度示意图如图2 2 所示。 j卜- 、 玢一一 、 - 、 j卜、 占 胄 l o 图2 2 转向工况速度示意图 如图所示，0 转向中心； 巧高速侧履带速度； k 低速侧履带速度； 灭理论转向半径； 占履带中心距； 本课题研究的履带车辆转向工况分为两种情况。一是大半径转向工况( 第一 位置转向) ，即高速侧履带速度k 大于低速侧履带速度k ，实现大半径转向。二是 原地转向工况，即高速侧履带速度k 保持不变，低速侧履带速度巧= 0 ，实现原地 转向。 2 1 3 离合器工作工况 本课题研究的履带车辆离合器为摩擦式离合器。主要由主动部分、被动部分、 分离装置三部分组成，履带车辆从原地起步及换挡过程中，离合器在传递扭矩的 同时，产生摩滑，最后使主、被动部分转速相等。 8 第2 章 履带车辆行驶工况与理论分析 曼皇量笪蔓舅曼皇舅1_ g 鼍曼舅曼皇曼曼鼍曼量 2 2 驱动与负载分析 2 2 1 驱动端分析 驱动端可依据发动机的外特性输出进行取值，该型履带车辆发动机输出特性 曲线如图2 3 所示。 图2 3 发动机的外特性曲线 由图2 3 所示，随着输出转速的增加，发动机功率也随之增加，在额定转速下 输出额定功率。发动机的扭矩随着转速的增加，先增大，达到最大有效扭矩转速 后随之降低。 根据上节论述，本课题考虑到三种行驶工况，按照发动机特性输出曲线取 6 0 0 r m i n 1 2 0 0 r m i n 转速区间进行试验台设计。 由此得到驱动端功率p 与转速刀关系如图2 4 所示。 9 山东大学t 程硕士学位论文 1 0 重 i 霄 图2 4 驱动端功率p 与转速丹关系 驱动端扭矩m 与转速丹关系如图2 5 所示。 图2 5 驱动端扭矩丁与转速刀关系 第2 苹履带车辆行驶工况与理论分析 2 2 2 负载端分析 由该型车辆综合传动系统行驶计算书z ，。一i u ：动力装置效率：仇= 1 ；传动部分 效率：町耐= 0 8 9 4 ；行动部分效率：r h = 0 8 9 3 。传动箱传动比f c = 1 3 7 7 ，变速箱 三档传动i ：t i b = 0 7 7 8 ，转向机传动比为。 其中仇动力装置的效率； 叩d 传动系统的效率； 仇行动装置的效率； t 传动箱传动比； 变速箱三档传动比。 驱动端功率p 与负载端功率尸，关系： 弓= 尸r = 尸( r 7 耐7 7 ，) ( 2 - 1 ) 驱动端转速刀与负载端转速刀，关系： , 7 f = n i l = n ( i 。) ( 2 2 ) 由公式 p ：卫( 2 - 3 ) 9 5 5 0 得到各个转速条件下的负载端输出扭矩。 式中p 驱动端输入功率( 后矽) ： 只负载端输出功率( 七) ； 刀驱动端输入转速( ，m i n ) ； 月，负载端输出转速( ，m i n ) ； 丁驱动端输入扭矩( 朋) ： l 负载端输出扭矩( n 聊) 。 由此得到，负载端功率尸r 与转速力，关系如图2 6 所示。 山东大学工程硕士学位论文 妻 i 贫 图2 6 负载端功率弓与转速刀，关系 负载端扭矩吩与转速。关系如图2 7 所示 1 2 图2 7 负载端扭矩弓与转速勺关系 ( 1 ) 直线行驶时，功率通过两个液压式行星转向机进行传递，每- - t 受 j 转向机输 第2 苹履带车辆行驶工况与理论分析 出功率： d =等(2-4) 二 式中只单侧转向机输出功率( k w ) ； 尸，负载端总输出功率( k w ) 。 每一侧转向机转速： 吃= 刀， ( 2 5 ) 式中刀单侧转向机输出转速( ，r a i n ) ； 刀，负载端输出转速( ，m i n ) ； 每一侧转向机扭矩t ： 丁， i=(2-6) 二 式中z 单侧转向机输出扭矩( n m ) ； 乃负载端输出扭矩( n m ) 。 ( 2 ) 原地转向时，靠转向侧转向机分离，功率不输出只。= 0 ，不计功率损失， 负载总功率从另一侧转向机全部输出，因此： 只2 = 弓 ( 2 7 ) 式中只。靠转向侧转向机输出功率( k w ) ； 只2 另一侧转向机输出功率( k w ) ； 尸，负载端总输出功率( k w ) ； 分离侧转向机转速：刀y 1 = 0 ( 2 8 ) 分离侧转向机扭矩：乃l = 0 ( 2 9 ) 另一侧转向机转速：b 2 = 刀， ( 2 1 0 ) 另一侧转向机扭矩：弓2 = 弓 ( 2 一1 1 ) 式中玎们分离侧转向机输出转速( r m i n ) ； 刀，：分离侧转向机输出转速( r m i n ) ； l 。另一侧侧转向机输出扭矩( m ) ； l 2 另一侧转向机输出扭矩( 朋) 。 对上述两种工况进行比较分析，该型履带车辆综合传动系统转向条件下的输 山东大学工程硕士学位论文 出特性为最大极限范围提出试验台负载端的技术指标。 2 2 3 试验台的技术指标 通过以上的理论计算，得出试验台的技术指标如下： ( 1 ) 输入驱动扭矩调节范围o 一6 0 0 n 聊，输出加载扭矩调节范围0 6 0 0 n 朋。 ( 2 ) 输入转速调节范围0 1 2 0 0 r r a i n ，输出转速调节范围0 一1 1 2 0 r m i n 。 ( 3 ) 测量精度，转速( 稳态) ：l r n f m ，扭矩( 稳态) ：o 3 ( 4 ) 控制精度，扭矩：数字控制：_ - t 9 5 ，模拟控制：1 ： 转速：数字控制：o 1 ，模拟控制：t 0 5 ( 5 ) 扭矩响应时间( 从1 0 到9 0 给定值时间) 小于2 0 0 m s 。 ( 6 ) 采用交流变频电机加载可实现四象限运转，即驱动力口载可逆，可正反向加 载，可恒功率恒扭矩切换运转，可方便地完成倒档滑行试验。 1 4 第3 章试验台总体设计方案 第3 章试验台总体设计方案 综合传动系统试验台分为开式试验台和闭式试验台【3 m 3 7 1 。 3 1开式试验台 所谓开式试验台即试验台的动力装置传给被试传动系统的功率，除被试传动 系统和试验台传动损耗外，剩余部分由试验台的吸功装置转变为热能。吸功装置 可以是磁粉制动器、水力测功机、电力测功机、电涡流测功机或发电机。开式试 验台通用性好，适用于多种传动系统及其零部件的试验，但由于消耗能量大，一 般只适宜用作传动系统及零部件的性能试验，而作寿命试验则不经济。开式试验 台如图3 1 所示。 1 吸功设备( 可用电涡流测功机或水力测功机) ；2 升速箱； 3 扭矩仪；4 直流变速电机；5 被试传动系统 图3 1 开式试验台 3 2 闭式试验台 所谓闭式试验台即试验台动力装置传给被试传动系统的功率，除被试传动系 统及试验台传动损耗外，其余全部回收利用，所以节约能源。 闭式试验台分机械式和电封闭式等几种。 山东大学工程硕士学位论文 3 2 1 机械封闭式 机械封闭式试验台通常需要在被试传动系统旁边布置陪试传动系统，之间需用 齿轮箱连接起来。所以试验台结构尺寸庞大，且两个传动系统不能安装在同一水 平面上，装拆、试验都不方便。机械封闭式试验台如图3 2 所示。 2 1 电机；2 加载机构；3 扭矩仪； 4 被试传动系统；5 陪试传动系统：6 齿轮箱 图3 2 机械封闭式试验台 3 2 2 电功率封闭式 电功率封闭式试验台和开式试验台的布置和通用性完全一样，但是其吸功装 置是直流发电机，除传动损耗外的功率由发电机转变为电能反馈给电源。设计中 需用升速箱、直流发电机及其调控设备，投资很大。这种设计适用大型实验室和 工厂大批量试验时。电功率封闭式试验台如图3 3 所示。 1 6 第3 章试验台总体设计方案 1 直流变速电机；2 扭矩仪；3 直流发电机； 4 升速箱；5 被试传动系统 图3 3 电功率封闭式试验台 一 3 3 本文总体方案设计 本履带车辆综合传动系统性能试验台配套到基层级维修保障机构，要求体积 小，因此采取模块化设计，尺寸紧凑。由于本试验台只用作综合传动系统功能试 验，不做寿命试验，不考虑功率回收利用，因此采用开式结构进行设计。其基本 框图如图3 4 所示。 _ 一一- t j 至卧一一 i l 图3 4 综合传动系统试验台组成原理框图 山东大学工程硕士学位论文 图3 4 中，由驱动装置、加载装置、测量装置、控制系统、被测试部件、被试 部件操作装置等六个部分组成。驱动装置为试验台提供动力，经被测试部件传递 到加载装置。加载装置用来提供合适的负载，模拟道路阻力和惯性阻力等阻力特 性。测试装置用来检测动力传动过程中的一些基本机械参量，主要有驱动端与负 载端转速、扭矩等。控制系统用来实现试验过程的自动控制，如驱动端启动、转 速调节、力矩调节，负载端力矩加载，被试部件操作装置用来进行换挡动作，离 合器分离闭合动作，左右转向动作，以及实验过程的自动监测、保护功能。 综合比较多种试验台布置方案，最终采用可靠性高、适应性强、结构紧凑的t 型试验台布置，主离合器、变速箱、液压式行星转向机、液压操控制系统组成的 综合传动机构性能试验台的总体系统示意图如图3 5 所示。 图3 5 综合传动系统性能试验台总体系统示意图 图3 5 中，履带车辆主离合器、变速箱、液压式行星转向机、液压操控制系统 组成的综合传动机构试验系统，主要由驱动电机、传动元件、被测试部件、加载 测功机、控制系统及必要的软件系统等组成。试验台的动力主要由变频交流电机 提供；传动元件主要为传动轴、联轴器等；被测试部件主要有主离合器、变速箱、 液压式行星转向机、液压操控制系统组成的综合传动机构：加载设备可以为电力 测功机、水力测功机、电涡流测功机中的一种；被试部件操作装置主要为伺服电 机。检测元件主要为扭矩仪、温度传感器、压力传感器及二次仪表等设备；控制 第3 章试验台总体设计方案 系统主要由工业控制机、微型p c 机及必要的软件系统组成。 3 4 本章小结 ( 1 ) 从维修性功能测试出发，试验台采用小功率电机和负载。 由于本试验台主要是基层维修保障机构对维修后的综合传动系统进行功能测 试的故障诊断试验台，并不是车辆生产厂家和研究机构跟踪产品质量与研发新产 品对传动系统的性能参数进行的疲劳和寿命试验。因此，主要进行功能性测试， 采用小功率电机和负载设计，便于配套基层维修单位。 ( 2 ) 综合传动系统各组成部件各工作功能独立测试，降低输入输出功率、扭矩 要求，避免测试误差的积累。 履带车辆综合传动机构主要包括：主离合器、变速箱、液压式行星转向机、 液压操控系统等部件。虽为综合集成机构，但是试验台设计采取各组成部件各工 作功能独立测试的方法，降低了工作交叉对试验台输入及输出功率、扭矩的要求， 避免了测试误差的积累。 ( 3 ) 结构紧凑设计，减少试验台体积。 _ ， 在试验台采用小功率驱动电机，负载所需消耗的功率也大幅降低。在此基础 上采用紧凑型负载，减小试验台整体尺寸。另外采用风冷式冷水机组设计思路， 设立独立散热机构可同时对电涡流负载和液压设备进行冷却，提高全系统工作可 靠性。试验台各组件采用模块化设计，结构紧凑，便于维修。 ( 4 ) 利用现代控制技术和传感技术，实现自动和手动测试手段。 试验台在进行试验时，可以采取手动、自动两种试验方式，保证了试验台运 转的可靠性。自动测试时，由工控机控制试验过程，按照预先设定测试步骤自动 执行，实现了试验过程的全自动化，提高了工作效率，降低了对试验人员的危害。 也使每次的试验条件更趋于一致，试验结果更具有可比性。手动控制时，可按照 用户具体试验要求，通过控制参数输入等方式进行操作，方便可靠。具有试验报 警功能：控制过程中利用步进电机模拟人的驾驶动作，通过对传感器传来的信号 进行处理，对异常数据采用应急处理手段，可以防止试验事故的发生。 1 9 山东大学工程硕士学位论文 第4 章试验台基本结构设计与选型 第4 章试验台基本结构设计与选型 本试验台采用“r 字型布置如图4 1 所示。 图4 1 履带车辆综合传动系统性能试验台总体布置图 该型综合传动机构轴长1 0 0 0 m m ，宽为1 2 5 0 r a m ，输入端面宽2 0 0 r a m ，输出端 面宽为2 0 0 r a m ，输入输出轴线高差为6 0 0 r a m 。驱动电动机和两台电涡流测功机按 要求由4 个m 3 5 螺栓固定在支架上，驱动电动机端和加载电涡流测功机支架有足 够的刚度和强度。整个试验台底座采用专用铸铁平台，底板厚度设计为3 5 m m ，以 保证试验台运转时使整个试验台的稳定性、可靠性大大地改善和提升。专用铸铁 平台不设计t 型槽，虽增加了安装难度，但为平常清洁保养带来方便。 2 l 山东大学工程硕士学位论文 4 1 驱动设备设计与选型 4 1 1 驱动设备技术方案 目前常用的驱动系统包括直流电动机、交流电动机、发动机、液压马达3 8 4 9 】。 综合比较了各种常用的驱动方式，如表4 1 所示。 表4 1 常见驱动装置比较 项目优点 缺点 转速精确调节：工作稳定：污染噪声 直流电动机价格昂贵 小；功率大 转速精确调节；- r 作稳定；污染噪声 交流电动机价格高 小；功率大 发动机价格低：实况模拟 辅助装置多，结构复杂；噪声污染大 液压马达转速精确调节；工作稳定；无污染，需液压辅助装置，结构复杂； 通过对多种驱动设备的论证比较后，我们选用变频交流电动机作为整个试验 台的动力源，为整个试验系统提供动力支持。 4 1 2 驱动设备选型 我们首先要考虑电动机功率是否能达到试验对象所要求的输入功率。其次，还 要考虑驱动电机的机械特性，即输入的转速和扭矩。最后考虑整台设备的尺寸及功 能要求。一般清况下，采取以下三步进行分析： ( 一) 电动机功率的选择 电动机的功率主要根据电动机运行时发热条件决定，电动机的发热又与其工 作情况有关。一般分以下两种情况。 ( 1 ) 变载下长期运行的电动机、短时运行的电动机( 工作时间短，停歇时间较 长) 和重复短时运行的电动机( 工作时间和停歇时间都不长) ，电动机的额定功率 选择要按等效功率法计算并进行发热验算。 ( 2 ) 长期连续运转、载荷不变或很少变化的机械，要求所选电动机的额定功率 匕稍大于所需电动机输出的功率乞，即匕乃，则一般不需校验电动机的发热和 第4 章试验台基本结构设计与选跫 起动力矩。 ( 二) 电动机转速的选择 额定功率相同的同一类型电动机有多种转速可供选择。确定电动机的转速时， 首先应考虑被试对象所需的转速和扭矩，同时应综合分析电动机及传动装置的性 能、尺寸、重量和价格等因素。 ( 三) 电机型号的确定 根据要求，选择交流变频电动机作为试验台的动力源，还要求电动机具有可 调转速，且调速性能优良，适合于基层修理工房环境使用。 因此我们选择y 2 8 0 s 4 型变频交流电机。y 2 8 0 s - 4 变频交流电动机的主要性 能参数如表4 2 所示。 表4 2y 2 8 0 s - 4 变频交流电动机主要性能参数 序号项目技术指标 1 额定功率7 5 k w 2 额定电流 1 4 0 a 3 额定电压3 8 0 v 4 额定转速1 4 8 0 r m i i l s 工作频率5 0 胁 6 接法 7 重量 5 6 2 k g 8 效率9 2 7 9 功率因数 o 8 8 1 0 噪声9 0 l w d b ( a ) l l 防护等级l p 4 冬 1 2 绝缘等级 口级 1 3 环境温度 - 1 5 4 0 1 4 环境湿度9 0 山东大学t 程硕士学位论文 暑量量皇鲁舅舅皇i i i 皇曼曼曼曼量量量曼量量量曼量皇蔓皇量量曼曼皇曼皇曼皇曼量量量曼曼喜曼皇詈曼皇皇鲁曼鼍皇鼍皇曼曼曼曼量詈曼量詈曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼 4 2 加载设备设计与选型 4 2 1 加载设备技术方案 试验台后端的加载设备为试验元件提供所需的负载，它应满足试验元件所需 的转速扭矩加载范围，并能平稳的调节负载，同时希望能实现集中近距离操纵。 目前，常用的加载装置有水力测功机、电力测功机、电涡流测功机等几类【5 6 l 。 综合比较各种常用的加载方式，如表4 3 所示。 表4 3 常见加载方式比较 项目水力测功机电涡流测功机电力测功机 低速性能很差差很好 高速性能差好好 节能效果差差电反馈、节能效果好 控制精度低高很高 正反加载不能可以 可以 倒拖驱动不能不能可以 功率范围大 大 大 系统结构复杂、笨重模块化、体积小模块化、体积小 冷却方式水冷风冷、水冷风冷 三种加载装置性能比较，具有以下特点： ( 1 ) 从系统结构来说，电力测功机和电涡流测功机采用模块化设计，结构体积 较小。水力测功机最为复杂、笨重。 ( 2 ) 从控制精度来看，电力测功机、电涡流测功机都可实现较高的精确控制和 稳定精确的调节，但是水力测功机控制精度较低。 ( 3 ) 从试验时使用的调速范围来看，电力测功机和电涡流测功机高转速性能同 样好，在低转速时电力测功机最好，具有较大的制动转矩，这与液力元件在输出 轴转速低时有较大输出转矩的特点相适应。水力测功机低转速性能很差。为了测 试液力元件在大负荷、低输出轴转速时的工作特性，只能在水力测功机前加增速 箱。 ( 4 ) 就价格方面来说，电力测功机的价格最高，其次是电涡流测功机，水力测 第4 罩试验台基本结构设计与选型 功机的价格较低，所以电力测功机一般用在较精密测量试验，水力测功机用于一 般的生产检验性试验。 ( 5 ) 从加载方式来说，电力测功机、电涡流测功机都可实现正反加载。水力测 功机无法实现正反加载。 因此，综合各方面因素，本试验台的输出两端主要采用电涡流测功机，可通 过电涡流控制器的电压调整来调节电涡流测功机的加载扭矩，通过电涡流测功机 的扭矩仪扭矩反馈进行闭环，来控制试验部件的输出转速扭矩在合适的范围内， 提高试验台运行的稳定性与安全性。 4 2 2 加载设备选型 电涡流测功机的选型通常以功率和转速作为最主要的指标来标定，通常情况 下认为只要测功机的额定功率和转速大于负载端输出的功率和转速，即可进行有 效的测试，并以此作为测功机选型的依据，这样选型不是十分恰当。从综合传动 系统负载端输出的工作特性曲线可以看到，负载端输出的功率和扭矩都是相对于 一定转速范围条件下的曲线。电涡流测功机的工作特性曲线也是相对一定转速范 围条件下的曲线。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