（机械电子工程专业论文）封闭功率传动试验装置及减速器效率测定方法研究.pdf

t 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 s t u d y o fc l o s ep o w e rt r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t d e v i c ea n ds p e e dr e d u c e r p o w e r e f f e c i e n c ym e a s u r e m e n t m e t h o d 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 ： w a n gz h e n g b o w a n gl i q u a n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le 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 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已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) ：王但于目 日期：如口年弓月iy - 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( 口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。 一 作者( 签字) ：壬么谤 导师( 签字) ：乏五尹 日期：2 口，d 年弓月，尹日2 0 l o 年弓月，驴臼 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 封闭功率传动试验台在齿轮传动产品试验和工程实践中被广泛地应用。 齿轮传动运转试验就是在一定的转速下，加上规定的载荷来试验运转，因此 加载装置就成为封闭功率传动试验台的重要组成部分。加载装置不同，试验 台的性能也不同，试验台的精度、可靠性、适用性和能耗等也就不同。目前， 国内现有的加载器有其各自的特点和适用场合，往往存在许多缺点，诸如结 构复杂、辅助设备庞大、施载运动行程角有限、力素放大能力小、可靠性差 等等。 本文结合行星齿轮传动的啮合理论和差动轮系的结构特点，集对封闭功 率传动加载器的各性能要求，进行了同步传动力矩式加载装置的机理研究和 设计计算。 文中在阅读国内外大量相关文献的基础上，研究了封闭试验台的工作原 理，提出了封闭试验台的可行性设计方案，并阐述了封闭试验台的结构组成， 分析了封闭功率传动试验装置的功率流向。 在分析和理论论证的基础上，设计了背靠背式行星轮系封闭试验台，并 在p r o e 软件环境下建立了试验台所有零件模型，进行了三维虚拟装配和干 涉检验。 通过对加载器工作原理的研究，设计了适合2 k - h 型封闭试验台的加载 器。根据加载器的选型原则和加载器性能判定条件，确定了加载器的二级减 速器机构为n g w n 行星轮系。运用a n s y s 软件对关键件的强度刚度进行有 限元校核计算，验证了设计的可靠性。 文中根据两种类型试验台，对效率测定方法进行了对比分析，运用推导 的简便计算公式，制定了效率测定方法和精度计算方法。 关键词：封闭功率；封闭试验台；2 k - h 型行星轮系；加载器；效率测定； 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l o s e dp o w e rt r a n s m i s s i o nt e s t - b o a r di sw i d e l yu s e di nt h et e s to fg e a r d r i v i n gp r o d u c t sa n dp r a c t i c a lp r o je c t s g e a rd r i v er u n n i n gt e s t ，w h i c hi s c a r r i e d o u tu n d e rp r e s c r i p t i v el o a di nac e r t a i ns p e e d ，m a k e st h el o a d i n gd e v i c ea n e s s e n t i a lp a r to ft h ec l o s e dp o w e rt r a n s m i s s i o nt e s t b o a r d w i t hd i f f e r e n tl o a d i n g d e v i c e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et e s tb o a r da r ed i f f e r e n t ，a n ds od ot h ea c c u r a c yt h e r e l i a b i l i t y , t h ea p p l i c a b i l i t ya n dt h ep o w e r a tp r e s e n t ，l o a d i n gd e v i c e si nd o m e s t i c h a v ed i f f e r e n tf e a t u r e sa p p l i e df i e l d s h o w e v e r , m o s to ft h e mh a v ev a r i o u s d e f e c t s ，s u c ha sac o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，b u l k ya s s i s t a n td e v i c e s ，l i m i t e dl o a d i n g a c t i o nr o u t ea n g l e ，l i m i t e dp o w e ra m p l i f i c a t i o na n dp o o rr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ep l a n e t a r yg e a rd r i v et h e o r ya n dt h es t r u c t u r ef e a t u r e so f t h e d i f f e r e n t i a lg e a rt r a i n s ，b a s e do nt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ec l o s e d p o v e rt r a n s m i s s i o nt e s t - b o a r d ，t h em e c h a n i s m sa n dt h ed e s i g nc a l c u l a t i o no ft h e s 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 i n gd e v i c ea r ec a r r i e do u t b a s e do nt h e i n d e p t ha n a l y s i s o fr e l a t e da r t i c l e sb o t h d o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h et e s tb o a r da r eb e e ns t u d i e di nd e t a i l ， t h ef e a s i b i l i t yd e s i g np r o g r a mo ft h et e s tb o a r di sp r o p o s e d ，t h es t r u c t u r a lc o n s i s t s o ft h et e s tb o a r di so u t l i n e da n dt h ep o w e rf l o wo ft h ec l o s e d - p o w e rf l o wt e s t d e v i c ei sa n a l y z e d b a s e do na n a l y s i sa n dt h e o r yd e m o n s t r a t i o n ，ab a c k - t o - b a c kp l a n e t a r yg e a r s 户 c l o s e dt e s t - b o a r di sd e s i g n e da n dt h e3 dm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dv i ap r o e s o f t w a r e t h ei n t e r f e r e n c ec h e c k i n ga n dv i r t u a la s s e m b l ye x p e r i m e n th a v eb e e n t a k e n al o a d e rt h a ta d a p t e dt o2 k - hh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h er e s e a r c h e so f t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h el o a d e r a c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o np r i n c i p l e sa n dt h e p e r f o r m a n c ej u d g e m e n t ，t h es e c o n d a r ys p e e dr e d u c e r o ft h el o a d e rh a sb e e n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d e t e r m i n e d ，t h a ti sn g w np l a n e t a r yg e a r s t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ek e y p a r t si sa n a l y z e db ya n s y s s o f t w a r e t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni sv e r i f i e d b yc o m p a r i n gt w ot y p e so ft e s tb o a r d s ，t h ee f f i c i e n c ym e a s u r e m e n t m e t h o d s a lea n a l y s e dt h em e t h o d sf o re f f i c i e n c ym e a s u r e m e n ta n da c c u r a c yc a l c u l a t i o n h a sb e e nf o r m u l a t e d k e yw o r d s ：c l o s e dp o w e r ；2 k - hc l o s e dt e s t - b o a r d ：p l a n e t a r yg e a rs y s t e m ； l o a d e r ；e f f i c i e n c ym e a s u r e m e n t 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 行星轮系封闭试验台的发展历史l 1 3 国内外研究现状与技术水平2 1 3 1 国外研究现状2 1 3 2 国内的研究现状3 1 4 论文的主要内容5 第2 章封闭试验台内部结构的研究6 2 1 封闭试验台概述6 2 1 1 封闭功率传动及封闭试验台定义6 2 1 2 封闭试验台的基本类型1 0 2 2 封闭试验台的设计1 2 2 2 1 封闭试验台的结构组成1 3 2 2 2 封闭试验台工作原理分析1 6 2 2 3 封闭试验台可行性分析1 6 2 3 本章小结一1 8 第3 章同轴同侧传动封闭试验台加载方法研究1 9 3 1 加载器的分类一1 9 3 2 加载器性能判定条件一2 3 3 3 加载器的工作原理及选型一2 3 3 3 1 加载器的工作原理2 3 3 3 2 加载器的选型2 5 3 4 轴端式同步传动力矩式加载器的结构分析与设计2 7 3 4 1 加载器的结构组成2 7 3 4 2 加载器二级减速器机构设计”2 8 3 4 3 行星齿轮n g w n 减速装置设计2 9 3 4 4 行星齿轮n g w n 减速装置关键部件有限元分析3 9 3 5 本章小结”4 6 第4 章封闭试验台行星齿轮减速器效率测定4 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 1 效率的测定方法4 7 4 1 1 直接测定法4 7 4 1 2 几何平均值测定法4 8 4 1 3 油温及力矩分布测定法4 9 4 2 效率的测定方法精度分析”5 3 4 2 1 直接测定法精度分析5 3 4 2 2 几何平均值测定法精度分析5 5 4 2 3 直接测定法与几何平均值测定法比较5 7 4 3 同轴同侧传动封闭试验台效率测量方法5 8 4 3 1 直接测定法测定方案5 8 4 3 2 几何平均值测定方案5 8 4 3 3 油温及力矩分布测定方案5 8 4 4 本章小结6 0 结论6 l 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 6 致谢6 7 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 封闭功率齿轮传动试验台，在齿轮传动产品试验和实验室试验以及工 程器械中被广泛地应用。齿轮传动运转试验就是在所要求的转速下，加上 所规定的试验载荷运转，通过加载装置为试验台提供模拟动力。因此加载 装置不同，试验台的性能也不同，试验台的精度、可靠性、适用性和能耗 等也就不同。目前，国内外已有的加载器，有其各自的特点和适用场合， 但往往存在诸多缺点，如结构复杂、辅助设备庞大、施载运动行程角有限、 操作繁琐、力素放大能力小、自行松载、可靠性差等。因此本文的研究目 的，是深入行星齿轮传动的啮合理论、结合差动轮系的结构特点，集对封 闭功率传动试验加载器的诸多性能要求，对同步传动力矩式加载形式进行 机理分析和实验研究，设计出能在试验台运转中改变封闭端力矩的大小和 方向、改变封闭端力矩大小和方向的操作简便、在试验台长期运转中封闭 端力矩值能稳定维持、具有力素放大能力、施载运动行程角允许值无限等 优点的装置，该装置不但结构简单紧凑，而且加工及装配工艺性好，在工 程实践中应用可以节省大量财力物力。 1 2 行星轮系封闭试验台的发展历史 在2 0 世纪6 0 年代很多学者就已经应用行星轮系搭建封闭试验台了， 虽然当时没有技术手段生产相对复杂的行星出轮，但是此种思想已经被提 出。8 0 年代以来随着工业的进步，生产技术水平的提高，行星轮系的运用 也越来越广泛，对于行星轮系的研究也就越深入，应用在封闭试验台的实 例也就越多。如今，诸如行星轮系封闭试验台的诸多优点，试验台被广泛 应用在汽车、轮船、工程机械、航天航空、机器人以及军事装备中。特别 是汽车，由于汽车体积的限制，不得不使用体积小而具有力素放大功能的 装置，因此此种装置是目前为止最佳选择。 一 哈尔滨| 1 掣人学硕十学伊论文 1 3 国内外研究现状与技术水平 1 3 1 国外研究现状 5 0 年代美国l e w i s 博士最早设计了封闭功率传动试验台，通过试验得 出，相比于开式试验台，封闭功率传动试验台能够节省9 0 的能耗，证实 了该种形式的试验台确实能够节约能源降低能耗，基于此种特点美国齿轮 制造业协会( a g m a ) 、美国图家宇航局( n a s a ) 等机构对其进行了广泛 的推广【lj 。德国最早把丌式功率传动试验台装置应用在汽车行业中，以奥 迪、奔驰等公司为代表，设计了大量基于该理论的变速箱【2 7 】，如图1 1 、 图1 2 所示，并对于开式功率试验台进行深入研究。 图1 1 奥迪m u l t i t r o n i c 无级变速箱结构图 图1 2 奔驰手动变速箱 2 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 日本t o y os e i m i t s uz o h k i 公司生产了巨型船舰推进的行星齿轮箱，其 功率为2 2 ，0 5 0 k w ，加入到封闭试验台中可以达到2 2 ，7 2 0 k w 引。随后， 很多国家把减速器为主要元件的试验台加以推广，比较著名的是前苏联中 央机械制造与设计研究院、法国s k o d a 公司、美国通用动力公司、德国 r e n k 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 学机械工程系等。从试验台方案的设计到最终样品制造他们都进行了大量 的研究工作，形成了系统化的设计模式【9 】【1 0 1 。在理论上，1 9 7 2 年c u n l i f f e 、 b o t m a n 、f r a t e r 等研究了行星轮系的模态和自由振动：1 9 8 8 年c h i a n g 和 b a d g l e y 对直升机行星齿轮箱内齿圈产生的噪音波谱进行了详细的研究； 1 9 9 2 年c o w a n 设计了行星齿轮机构的变速传动机构；1 9 9 4 年，a k a h r a m a n 等人建立了行星齿轮的动力学模型 1 1 - 1 3 j 。 1 3 2 国内的研究现状 国内于7 0 年代开始大力发展开式、封闭式功率试验台，。1 9 8 3 年易立 成编著的机械传动封闭试验台一书中提出了封闭功率的概念及封闭试 验台的基本类型【14 1 。2 0 0 2 年张明成探讨了行星锥无级变速器作为封闭机 构，以2 k h 齿轮差速器作为原始机构的功率分流行星锥无级变速器存在的 变速区域、封闭功率流的流向传动的影响及流量控制等问题，对实现大功 率流无级变速传动具有重要意义。2 0 0 4 年李笑，李瑰贤等人设计了一种机 械封闭功率流试验台，如图1 3 ，利用此种试验台对齿轮试验台进行系统 扭振动力学分析。2 0 0 8 年河南科技大学徐恺等人通过h y p e r m e s h 与a n s y s 划分网格、建立单元体信息，在r e c u r d y n 中实现仿真，最后得到n g w 行 星轮系传动误差。2 0 0 9 年鲍莉针对2 k h 型行星轮系，通过不同功率传递 效率曲线的分析，得出了设计行星轮系时正确处理效率、传动比和机构尺 寸三者关系的一些措施。同年煤炭科学研究总院太原研究院的郭洪军对两 类减速器试验台的结构进行了系统分类，并对每一类试验台的优缺点进行 了分析【l4 1 ，他把开式试验台( 如图1 3 ) 分为耗能型、电能反馈型和直流内封 闭型3 种，把封闭功率试验台分为液压加载和电加载，如图1 4 、1 5 。这 也是近年来对于功率型试验台流行的分类方法【15 。2 1 j 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ 能量匿馈 ：-：jilj母一-一一一一j i 一一一一一一一一一 二圈一一一一- 一一j 图1 3 封闭功率式试验台构成原理图 i 驱动设备 畸 传 = 刮传感器 = = 刊被试减速器 动 牛牛 齿 户 轮 箱 = 刮传感器 二= = 卸# = 爿陪试减速器 液压加载器 图1 4 封闭功率试验台系统图( 液压加载) l 驱动设备非 传 珈 田ill i 传感器 啡爿被谳速器 动 止 凼 i 轮 箱= # = 电加载器f = = 传感器f = 刊陪试减速器 图1 5 封闭功率试验台系统图( 电加载) 此外成都大学杨实如教授对于2 k h 轮系效率、n g w 差动变速机构及 封闭周转轮系的功率传递流向和机构做了大量的研究，她提出了不需确定 2 k h 转化机构中啮合功率的流向便可计算效率的新方法，应用差动轮系的 运动方程式和力矩平衡方程式，分析了n g w 型差动变速机构的功率传动 和4 种输出转速之间的关系，得出了这种变速机构的设计方法。 4 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 1 4 论文的主要内容 本文主要研究同轴同侧传动封闭试验台装置，其中包括封闭功率流的 研究、封闭试验台的设计、加载器的设计计算以及封闭试验台效率测定方 案等。论文将从以下方面进行论证： 一、封闭功率传动试验台 ( 1 ) 封闭功率试验台的搭造 ( 2 ) 封闭功率试验台工作原理以及机构分析 ( 3 ) 设计“背靠背”式封闭功率试验台 ( 4 ) 对于搭造的封闭功率试验台可行性分析 ( 5 ) 用p r o e 软件进行建模，a u t o c a d 软件做结构简图 二、同轴同侧传动封闭功率试验台加载方法的研究 ( 1 ) 对于加载方法的深入讨论 ( 2 ) 加载器的设计 ( 3 ) n g w n 单行星轮传动机构的设计 、 ( 3 ) 加载器中二级减速装置详细计算、有限元分析 三、封闭试验台内部行星齿轮减速器效率测定的方法 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章封闭试验台内部结构的研究 2 1 封闭试验台概述 2 1 1 封闭功率传动及封闭试验台定义 为简单说明封闭功率流的定义，前人借助如图2 1 的实验装置进行说 明。在此装置中，a 、b 为两盘状轮毂，j b 、b 、a 、j a 表示齿轮，为分析 方便，此处的齿轮均为相同齿轮。借助圆盘j 按图示角速度国，的方向驱动 j b 、j a 分别带动b 、a 转动从而带动轮毂b 和a 转动，由于轮毂a 的直径 大于轮毂b 的直径，致使重物被提升起来。 甩j a j a 图2 1 封闭功率传动试验装置 下面分析功率传动状况。 将系统分解为多个分离体，然后应用理论力学知识求出每一个分离体 的力平衡状况和运转状况。具体方法如下： 1 构件b - b 构件b b 由齿轮b 、轮毂b 及固联它们的轴组成。 轮毂b 所受的力矩与其角速度同向，因此它是构件b - b 的输入端，其 输入功率为 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 = ，1 g 哟j ( 2 1 ) 式中，虬轮毂b 的输入功率； ，一轮毂b 的半径； g 重物重量的一半； 国，驱动转盘的角速度； 轮毂b 为输入端，与其构成同一分离体的构件b 即为输出端，其输出 功率为 6 = - r g o j g i ( 2 2 ) 式中：6 齿轮b 的输出功率； ，轮毂b 的半径； g 重物重量的一半； 国，驱动转盘的角速度； 2 构件a - a 构件a a 由齿轮a 、轮毂a 及固联它们的轴所组成。 轮毂a 上所受的力矩与其角速度反向，因此其为输出端，输出的功率 为 m = 一r l g 哆i ( 2 - 3 ) 式中，心轮毂a 的输出功率； 尺轮毂a 的半径； g 重物重量的一半； 国，驱动转盘的角速度； 轮毂a 为输出端，与其构成同一分离体的构件a 即为输入端，其输入 功率为 n o = r l g 锡i ( 2 4 ) 式中，口齿轮f l 的输出功率； 尺轮毂a 的半径； g 重物重量的一半； 缈，驱动转盘的角速度； 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 构件j a b 构件j a b 由圆盘，齿轮j a ，j b 以及固联它们的轴组成。 崩和a 啮合传动，a 为输入端，则彪为输出端，其输出的功率为 7 、7 0 = 一尺i g l ( 2 - 5 ) 同理分析，馏与b 啮合传动，b 为输出端，则以为输入端，其输入 的功率为 = r l g m l ( 2 6 ) 而圆盘显然为输入端，其输入的功率为 m 2 ( r 一, - ) l g w j i ( 2 7 ) 构件l 占的功率平衡，即由齿轮船，圆盘，所输入的功率之和等于由 齿轮剧所输出的功率。 综上所述，实验装置中的主动端和从动端分别为： 主动端：j 、，。口、b 、a 从动端：、a 、b 通过以上分析，对系统功率流状况这样描述：沿，_ 觑_ a _ a _ 重物， 传递绝对值为( r - r ) g w g f 的“有效功率”。即用来克服重物的重力使其上升 而消耗耗的功率，与此同时，沿尉_ a a _ 重物_ b 叶b _ 船_ 朋传递着 一股绝对值为r g w ，i 的封闭功率，因其只能沿封闭回路作循环流动而不能 同系统以外的任何物体发生能量交换，所以称为封闭功率。 进一步说可把作用于齿轮剧上的力矩分解为r g 和( r 一，) g 两个力 矩，其中力矩( 尺一r ) g 与作用于圆盘j 上的驱动力矩m ，相平衡，而力矩r g 则与作用于齿轮船上的力矩m ，。相平衡，前者的平衡是系统的外力平衡， 外力与相应的速度的乘积为该系统所传递的有效功率，后者的平衡是系统 封闭回路的内力平衡，平衡的内力与相应的速度的乘积为封闭回路中所传 递的封闭功率。 如图2 1 所示，当a 、b 半径r 、r 十分接近时，即试验台只需要很小 的驱动功率，就可以获得较大的试验功率，这种有机械传动构成封闭回路， 当负载运转且不考虑摩擦时，在回路中具有封闭功率的试验台就称为机械 传动密封试验台，简称封闭试验台。 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 下面分析一下封闭试验台的组成： 1 驱动设备 在封闭试验台中使试验台得以运转的设备为驱动设备。驱动设备的具 体形式虽较多，但均由转子和定子两大部分组成。 若将定子安装在两滚动轴承上，使其可绕转子的轴线作自由摆动，那 么在负载运转中，转子所输出的扭矩可借助刹住定子的杠杆系统准确测出， 这种以摇摆定子来测扭的驱动设备叫平衡式驱动设备。 若定子和试验台架作固联的驱动设备叫做固定式驱动设备。 平衡式较固定式复杂，故一般只用于需准确测定被试传动效率的场合。 2 驱动构件 在封闭试验台中，由驱动设备所直接拖动部分置于回路中的构件叫驱 动构件，用字母组成j a b 表示。 驱动构件j a b 上有三个传动端，其中与驱动设备直接相连的传动端叫 驱动端并记为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 、j b 表示，如图2 2 所示。 蕲霜；确r ：j a b 玩裁器a b a j 图2 2 封闭功率试验台不意图 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。加载器上，一般也有三个传动端，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 。 加载器的封闭端a 、b 作异侧布置时，则称其为串入式，如a 、b 两 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 端成同侧同轴布置时，则称为轴端式。本文主要针对轴端式加载器组成的 封闭试验台进行研究。 4 被试传动、辅助传动 在图2 2 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；而联系j b 和b 端的传动为b j 传动， 即为辅助传动。 2 1 2 封闭试验台的基本类型 封闭试验台的分类是以不考虑有害摩擦，且设a j 、b j 传动中无打滑 时回路中的功率流状况为依据的，由图2 2 所示封闭试验台结构图，可写 出： 鸭= q o ( 2 - 8 ) c o e = q ( 2 9 ) 式中，缈。、一封闭端a 、b 的角速度； 劬一驱动构件j a b 的角速度； o 、o a - j 、b j 中传动无滑动的速比。、 不考虑摩擦，且在a - j 和b j 传动中无打滑时，则有： 0 = 一 乙= 一m j a c o j = m a ，哆= m a c 0 4 n b2 一nj b = 一mj b c o j2m 0 l b 1 c o j , = mb 8 1 将上面两式相加并考虑到i b j = 一i ，得 z ，彦 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 瓦n 4 = 急= 等= 甏。i j s ( 2 - 1 2 ) n b n nm 璩 m b “ 式中，m 、一取加载器a 、b 为分离体时，其封闭端a 、b 所传递的 功率； 如、一取驱动件，肚为分离体时，其封闭端，一、，丑所传递的 功率； m j 、一取驱动构件- ，船为分离体时，其封闭端j a 、j 口所传递 的力矩； m a 、m 占一取加载器a b 为分离体时，其封闭端a 、b 所传递的力 矩 取驱动构件j a b 为分离体时，由功率平衡条件，可写出 1 0 哈尔滨f 。杵人导：硕十_ 学伊论文 nj a + n j b + n j = 0 l 2 - 1 3 、) 式中，一驱动端j 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，可写出 m + + ( ，= 0 ( 2 - 1 4 ) 式中，m 一施载端c 所传递的功率； 对封闭试验台的基本类型作具体讨论前，还要引入加载器的刚性传动 比的概念。加载器的刚性传动比系指以b 端主动a 端从动，且a 、b 端问 无打滑时的速比。如果施载端c 固定，加载器能形成传动时，则刚性传动 比为毛。 船筹2 争一鲁m 。1 5 j ， b 式中，、西一分别为c 端固定时，b 、a 端的角速度。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 2 ) o ? 可得 丝：挚：孕：一f 玩k (2-16)n b n j b m j 8 n “1 1 第1 类封闭式试验台 若封闭式试验台的封闭网路满足 毛0 i j b = 1 ( 2 - 1 7 ) 即 丝：丝：垃：一1 ( 2 1 8 ) n bn b m j 8 符合该关系的这类封闭式试验台可称为第1 类封闭式试验台。 由式( 2 1 8 ) 可以看出，在第1 类封闭式试验台的凹路中，只传递封闭 功率，而驱动设备输入的功率只要能补偿回路中的摩擦损失即可。 当封闭回路中的a j 为被测件时，而j a 为从动端，即其转向与力矩 方向相反时，功率流向为j a _ a _ a _ b b _ j b j a ，此时的功率流向成 为第一类功率流向；而当j a 所受力矩与其转向相同时，即j a 为主动端， 则功率流向为j a j b b _ b a a - j a ，此时的功率流向成为第二类功 率流流向。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 这类在回路中只传递封闭功率流的试验台叫第1 类封闭式试验台。 2 第1 i 类封闭试验台 若封闭式试验台的封闭回路满足 或 毛0 l ( 2 1 9 ) o 毛0 如1 ( 2 2 0 ) 即 丝：丝：丝一1( 2 2 1 ) n b n j b m m 或 丝：丝：丝一1( 2 2 2 ) n bn bm j b 符合该类试验台可称为第1 i 类封闭试验台。 第1 i 类封闭试验台在负载运转中，除回路中传递封闭功率外，在、j 端 还有功率输入或输出，这说明驱动设备除要补偿回路在传递封闭功率时的 摩擦损失外，还要补偿动态作用式施载设备的功率消耗，故其经济性不如 第1 类封闭式试验台。 2 2 封闭试验台的设计 针对上述关于封闭试验台的研究，运用p r o e 软件进行建模，设计了 如图2 3 的2 k h 型背靠背式封闭试验台。通过三维建模可以清楚明确的 看出试验台的整体设计，在图2 3 中，1 为试验台驱动设备，驱动设备是 由电机组成，由于是外购产品，所以只是在外形上做建模，并没有反映出 真正的设计尺寸，此部分只作为简单示意。2 为2 k - h 封闭环试验台，此 处为了反映2 k h 行星齿轮箱的构成，建模时在陪试箱段做了半透明的处 理。3 为加载器，加载器是完全按照设计出的尺寸建模的，图中可以清楚 的看到加载器的外形尺寸，连接形式。 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 32 k - h 型背靠背封闭试验台 2 2 1 封闭试验台的结构组成 本试验台为轴端式加载的同轴同侧传动封闭试验台，结构如图2 4 所 示。 图2 4 轴端式加载的同轴同侧传动封闭试验台简图 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，因此在加载器加载后，整个试验 台的传动比按式( 2 1 7 ) 计算得 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 厶= 1 即本试验台为第1 类封闭式试验台。 试验台主要由以下部分组成： 1 驱动装置 本试验台采用的驱动设备是将驱动设备的定子固联在试验台的机架 上，为固定式驱动设备。 驱动设备中的转子通过联轴器连接到试验台中的高速轴，即丫轴，带 动试验台运转。在驱动设备与输入轴间安装扭矩传感器，用于测量输入力 矩。 2 驱动构件 封闭试验台中由驱动设备所直接拖动部分即为驱动构件，即为高速轴， 此高速轴连接三个端口，如图2 4 所示。其中与驱动设备直接相连的传动 端叫驱动端并记为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 、j b 表示。驱动构件的j 端通过联轴器与输入轴的扭矩 传感器相连，j a 端与被测件的高速轴相连，j b 端通过联轴器与加载器b 端相连。 3 加载器 在封闭试验台中，凡串入回路中平衡内力素的部件叫加载器，本案采 用的加载器为同步传动力矩式加载器( 加载器部分详细见第四章) 。同步传 动力矩式加载器，有三个力素传递端，其中串入试验台封闭回路中的两端 称加载器封闭端分别用字母a 、b 示之，余下的一端叫施载端并记为c 。 封闭端所传递的力素( 力矩) 为封闭端力素( 封闭力矩) ，传递的功率为封 闭功率。当加载器具有三个力素传递端a 、b 、c 时，通常以字母组合a b c 来表示。当两封闭端a 、b 作异侧同轴布置时，加载器为串入式；而a 、 b 端同侧同轴布置时就是轴端式。加载器的封闭端a 与陪试件的输出相连， 而封闭端b 与驱动构件的驱动端j b 相连，通过加载器可以在驱动构件的 j a 端到陪试件的输出端a 间施加所需的载荷。在加载器的封闭端a 与陪 试件的输出轴间安装扭矩传感器，通过该扭矩传感器可以测量加载器所施 加的力矩大小，为测定试验台的传动效率提供参数。 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 j 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 为a j 传动，即为被试传动；而联系j b 和b 端的传动为b j 传动，即为 辅助传动。试验台连接驱动构件封闭端j a 与加载器封闭端a 的a j 传动， 为被测件和陪试件的“背靠背”连接；而联系j b 和b 端的传动为b j 传动， 为同轴的直接连接。在连接驱动构件封闭端j a 与加载器封闭端a 的a j 传动中，被测件和陪试件的连接方式为同名连接，即被测件的低速轴和陪 试件的低速轴作直接的串联连接，而b j 传动仅为联系b 和j b 端的一段 轴。因此这类试验台它可以不借任何辅助传动而仅以被试传动和陪试件来 构成封闭回路，即简化了试验台的设计、制造，又便于被试传动效率的测 定。试验台中的被测件为封闭式行星齿轮传动，因封闭行星齿轮传动系统 通过双路径传动，减小了各构件上的负载，因而在传递相同载荷条件下， 其结构更加紧凑。所以本试验台采用的行星齿轮传动机构能在传递大功率 的前提下得到较小的结构尺寸。 图2 5 试验台的被试件与陪试件传动 如图2 5 所示为被试件与陪试件之间的传动，通过建模可以清楚地看 到被试件和陪试件是相同结构背靠背连接起来的，形成第1 类试验台，即 同轴同侧2 k h 型试验台。 哈尔滨1 = 程大学硕+ 学位论文 2 2 2 封闭试验台工作原理分析 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式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。 加载器有三个端口a 、b 和c ，所加载荷从c 端加入，加载器的封闭 端a 与被测件j a a 传动的端口a 相连，加载器的封闭端b 与传动j b b 的b 端连接，驱动构件的封闭端j a 、j b 通过同轴相连，所以加载器在c 端加载后，即在封闭端a 、b 之间施加所需力矩，由于上述的端口连接， 便在j a a 传动中施加了所需的力矩，即在被测件和陪试件内部施加了所 需力矩，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a 和b 连接，则所加力 矩封闭在被测传动中。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 输入下运转的实际状况，然后可以对被测件的效率进行测定。 在具体加载时，驱动设备相对于加载力矩的方向有两个方向的转动， 当驱动设备的转向和加载力矩相同时，此时封闭的功率流流向为 j a a b j b _ j a ，为第一类功率流向，被测件减速，陪试件加速。 当驱动设备的转向和加载力矩相反时，此时封闭的功率流向为 j a _ j b _ b _ a j a ，为第二类功率流向，被测件增速，陪试件减速。 本试验台的形式为第1 类封闭式试验台，其驱动设备所施加的功率较小， 只是用于克服试验台中的功率损耗，而无需另外提供输入功率，故本试验 台易于运转、经济性较高。 2 2 3 封闭试验台可行性分析 试验台的可行性在于试验台所要施加的驱动功率是否较小，即用小的 驱动力矩驱动整个试验台以较高的转速运转，这就要求方案中的封闭式行 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 星齿轮传动不论是作为被动件或是陪