1、目录前言 .11 绪论 .21.1 课题研究目的和意义 21.2 国内外二次调节技术的研究发展概况 21.3 二次调节技术的应用及特点 31.3.1 二次调节技术的的应用 31.3.2 二次调节技术的特点 41.4 二次调节加载系统原理 51.5 减速器加载系统概述 61.5.1 开放式加载系统 61.5.2 封闭式加载系统 71.6 论文主要研究内容 92 减速器模拟加载系统数学模型 .102.1 概述 102.2 减速器模拟加载试验台组成与原理 102.2.1 试验台各部分组成及其功用 102.2.2 模拟加载系统原理 102.3 模拟加载系统的方块图模型 122.3.1 二次元件阀控缸的
2、方块图模型 122.3.2 驱动单元转速控制的方块图模型 152.3.3 加载单元转矩控制的方块图模型 192.3.4 整个模拟加载系统的方块图模型 222.4 本章小结 233 减速器模拟加载系统特性分析 .243.1 概述 243.2 驱动单元转速控制系统刚度特性分析 243.3 本章小结 274 减速器加载试验台驱动变速箱的设计 .284.1 概述 284.2 驱动变速箱的参数计算 284.2.1 传动方案的确定 294.2.2 最大扭矩的计算 294.2.3 最大转速的计算 294.3 齿轮的设计 304.3.1 选择齿轮材料 304.3.2 确定齿轮传动精度等级 304.3.3 齿轮
3、传动几何尺寸计算 314.3.4 各轴齿轮中心距的计算 354.3.5 齿轮齿宽的计算 354.3.6 齿根弯曲疲劳强度校核 364.4 轴的设计 394.4.1 轴的设计 394.4.2 轴的设计 414.4.3 轴的设计 424.4.4 轴的设计 434.4.5 轴的设计 444.4.6 轴的设计 454.4.7 轴的设计 454.5 轴的强度校核 474.5.1 轴的校核 474.5.2 轴的校核 484.6 本章小结 505 结论 .51致谢 .52参考文献 .53全套图纸，加 153893706摘 要静液驱动二次调节技术是一项新型的液压传动技术。它具有控制方便、容易组成类似于电气系统
4、的网络执行机构以及液压能回收与重新利用,甚至比电气系统更为简便等一系列突出的优点。二次调节技术的研究将极大地提高液压传动技术的应用范围和产品的竞争力。本文对基于二次调节的减速器加载系统进行深入的理论分析，建立减速器加载系统的数学模型，并绘制方框图，由所建立的模型可以看出，该减速器模拟加载系统为单输入单输出系统，包括驱动单元转速控制系统、二次输出加载转矩控制系统；本文还对驱动单元转速控制系统进行刚度特性分析。详细介绍了减速器模拟加载试验台驱动变速箱及其变速器的轴和传动零部件的设计及校核。试验结果表明，该模拟加载系统具有良好的转速、转矩调节功能，轴和齿轮具有较好的承受载荷能力，能满足减速器模拟加载
5、要求，得出许多有参考价值的结论，为进一步完善和提高二次调节加载技术提供了依据。关键词：静液驱动；二次调节；加载；数学模型。AbstractStatic fluid-driven second- regulation technology is a new fluid drive technology. It has a lot of advantages, such as convenient control, network perform institution which can be easily formed like electrical system and recovery o
6、r reuse of the hydraulic pressure energy, especially much more convenience than electrical system. The research on second-regulation technology can greatly advance the application of the fluid drive technology and the competition of the product. This text bases on reducer load system of the second-
7、regulation to make deep theoretic analyze, found mathematical model of the reducer load system, protract pane chart. We can see from the model founded, this reducer simulated load system is single input and single output system, including driven module rotational speed control module system, second
8、export load torque control system,; the text also analyze the rigidity characteristics of the driven module rotational speed control module system., and also design or Check the drive gear-box, shift organ saxes and drive parts of the reducer simulate load test bed. The result of the text indicate t
9、hat this simulate system has good function at rotate speed and torque regulation, the axes has good ability of enduring load, and it can achieve certain shift gears ability. This system has good efficiency, it can also satisfy the need of the reducer simulate load. We educe several conclusions with
10、reference value. This text also provide there under about how to improve or advance second-regulation load technology.Keywords: Static fluid-driven; second- regulation; load; Mathematical model.前言静液传动由于具有功率大、密度大、易于实现工作过程的自动化等优点而被广泛地应用在工程领域中。但由于静液传动存在着漏油、噪声大和效率低等缺点，以及来自于机械传动、电器传动和交流伺服技术快速发展的竞争等原因，进入
11、20 世纪 90 年代以来，其增长速度明显减慢。因此，如何在发挥其自身优势的基础上，借鉴于其他传动技术的优点、克服自身的不足，从而设计出新型的静液传动系统，并不断地使其获得进一步地发展，已经成为当前急需解决的关键问题。二次调节静液传动系统是近年新发展起来的节能系统。它具有一系列的独特特点，越来越引起了人们的重视。二次调节静液传动系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，能在四个象限内工作，回收与重新利用系统的制动动能和重物势能；在系统中二次元件能无损地从恒压网络取得能量，因而大大地提高了系统效率；系统中可以同时并联多个负载，在各负载端可分别实现互不相关的控制规律；扩大了系统的工作区域，改善了系统的控
12、制特性，减少了设备总投资，降低了工作过程中的能耗，节约冷却费用。在能源日益紧缺的今天，基于能量回收与重新利用而提出的二次调节技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值。国外从 70 年代末开始此项技术的研究，现已将它应用于造船工业、车辆传动、大型试验台等领域，取得了显著的节能效果。我国从 80 年代末从事二次调节技术的研究，目前尚处于实验室研究阶段。本文简要回顾了这一领域的发展过程及最新成就，并对基于二次调节的减速器加载试验台驱动单元进行了详细地设计，并对驱动单元的系统刚度特性进行了分析。不当之处希望得到老师的批评指正。1 绪论1.1 课题研究目的和意义世界在发展，科技在进步。对于新设计制造的减
13、速器，需要利用专门的固定试验台对其进行加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。减速器是用于原动机和工作机之间的独立的封闭传动装置。由于减速器具有结构紧凑、传动效率高、传动准确可靠、使用维护方便等特点，故在各种机械设备中应用甚广。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，所用电器设备庞大复杂，另外虽然可实现功率回收，提高了效率，可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，所以我们要尽
14、量避免它的发生。这也成为了我们的主要任务。由于近年来加载试验台技术的不断发展，使得许多试验都可以在具有高动态性能的固定试验台上完成，而利用二次调节技术的液压伺服加载试验台就是近年来为人们所重视的一类加载试验台。这种加载系统与传统的变量泵-定量马达系统不同，它采用带有储能器的恒压中心油源（一次元件）实现与各个单独调节回路（二次元件）之间的压力藕联，该系统具有能量可回收利用，效率高，可以多用户并行工作，远离动力源，冲击小，噪声底，系统控制性能好等优点，因此被认为是液压领域的重大突破。近年来我国开始利用二次调节技术研制新型加载试验设备，在这种二次调节加载技术的理论与应用方面，取得了一定成果和进展，但
15、还存在许多需要进一步解决的问题。所以对此的研究有一定的实用和经济价值。1.2 国内外二次调节技术的研究发展概况 1德国汉堡国防工业大学的 H.W.Nikolaus2教授于 1977 年首先提出了二次调节静液传动的概念。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）和曼内斯曼力士乐有限公司（Mannesm ann Rexroth GmbH） 。1980 年 W.Backe 和 H.Murrenhoff 教授进行了液压直接转速控制的二次调节静液传动系统的研究，他们用的二次元件的变量油缸单出杆活塞缸。1981 年至
16、1987 年间，R.Kordark、W.Backe、H.Murrenhoff、W.Nikolaus 和F.Metzner 等人先后提出了液压直接控制系统、液压先导控制调速系统和机液调速系统。但这些调速系统的控制性能不太理想，结构复杂，实现较困难。1982 年至 1987 年间，H.Murrenhoff、Backe 和 H.J.Haas 等人为提高系统的控制性能，对二次调节电液转速控制系统和电液转角控制系统进行了研究。这种系统可以是单反馈控制回路，但其阻尼比较小，控制性能不太好。为提高系统的阻尼，改善系统的控制性能，引入二次元件变量油缸位移反馈，组成双反馈回路电液转速控制系统。1987 年 F.
17、Metzner 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，控制算法采用数字 PID 控制，它能实现二次元件的转速、转角、转矩和功率控制。1988 年 W.Holz 先生发表文章介绍此系统，并给出其应用的可能性。1993 年 W.Backe 教授和 Ch.Koegl 又研究了转速和转矩控制的二次调节静液传动问题，其中包括对这两个系统中参数的解耦问题研究。1994 年 R.Kodak 研究了具有高动态特性的电液转矩控制系统。近年来，德国汉堡国防工业大学与力士乐公司合作进行了实用性研究，把二次调节静液传动技术应用到多种机械设备的液压系统中，取得了显著的节能效果。
18、我国从 80 年代末开始从事二次调节技术的研究。哈尔滨工业大学、浙江大学、中国农机研究院以及同济大学等单位都对该技术进行了不同形式的研究。1990 年哈尔滨工业大学谢卓伟等用单片机组成数字闭环控制系统，并用变结构 PID控制算法来控制二次元件的输出转速；中国农机研究所阎雨良等进行过二次元件调速特性的实验研究；同济大学范基等进行过二次调节系统的节能液压实验系统研制。 1.3 二次调节技术的应用及特点1.3.1 二次调节技术的的应用由于二次调节技术具有诸多优点，使它在很多领域得到广泛应用。第一套配备有二次调节闭环控制的产品是建在鹿特丹欧洲联运码头（ECT）的无人驾驶集装箱转运车CT40；德国的科那
19、西山特号海上浮油及化学品清污船的液压传动设备配备有二次调节反馈控制系统。该系统可以使预选的撇沫泵和传输泵设备的转速保持恒定，并使之不受由于传输介质黏度的变化而引起的外加转矩变化的影响；德累斯顿工业大学通用试验台应用了二次调节反馈控制的四象限运转、能量回收及高反馈控制精度等特点。该试验台能满足实际中的严格要求；奔驰汽车公司也将二次调节技术应用于行驶模拟试验台、以及在无人驾驶运输系统的行驶驱动。它还被用于近海起重机的驱动、油田用抽油机和精轧机组的液压系统中。德国在市区公共汽车上配备二次调节传动系统后取得显著的节能效果。如图 1-1 所示，改造后的市区公共汽车由恒压变量泵 2 和二次元件 4 组成的
20、轴向柱塞单元驱动。它在满载启动时能给出大约 180Kw 的功率，由此可使汽车在 20s 内加速到它的最大速度 50km/h。而发动机 1 的功率却只有 30Kw，其中 150Kw 的差值是从液压蓄能器 3 中获得的。液压蓄能器的充压是在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作，而液压蓄能器为下次的加速过程充压。系统的损失由液压泵来补偿。1. 发动机 2. 恒压变量泵 3. 蓄能器 4. 二次元件 5. 汽车后桥图 1-1 二次调节静液传动系统在公共汽车中应用原理图Fig.1-1 second-quiet fluid drivetrain system in the applicati
21、on of principles of the bus综上所述，二次调节技术可实现能量回收和重新利用，其主要应用在以下几个方面：1）位能回收 如液压驱动的卷扬起重机械。由于卷扬机械中有位能变化，采用二次调节传动技术可以回收其位能。它可用于起重机械和矿井提升机械，缆索机械的索道传动，船用甲板机械等；2）惯性能回收 如液压驱动摆动机械和实验装置。应用二次调节技术可对摆动机械在频繁起动、制动过程中产生的惯性能进行回收和再利用；3）综合节能 群控作业机械和实验装置。对于多台周期性工作设备可共用一个动力能源,这样既节省了费用,又节约了能源,这在流水作业的机械和液压实验装置中十分常见。1.3.2 二次调节
22、技术的特点 31）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）通过改变二次元件的排量来改变输出转矩的大小，进而实现对转速、位置、转矩和功率的控制。通过改变二次元件斜盘摆角的方向（过零点）来改变二次元件的转向；（2）由于二次调节系统是压力耦联系统，所以二次元件的流量与其转速和转矩的乘积成比例；（3）它是压力耦联系统，系统中的压力基本保持不变。二次元件直接与恒压油源相连，因此在系统中没有原理性节流损失，提高了系统效率；（4）二次元件（液压马达/泵）可在四个象限内运行工作，既可以工作在液压马达工况，也可以工作在液压泵工况，为能量的回收和重新利用创造了条件；（5）蓄能器回收的液压能可满
23、足间歇性大功率的需要，在设备的启动过程中能利用蓄能器释放出的能量来加速启动过程，由此来提高系统的工作效率；（6）由于蓄能器的存在使系统中不会形成压力尖峰，可减少压力限制元件的发热，从而降低用于系统冷却的功率消耗；（7）与电力系统相似，二次元件工作于恒压网络，在这个恒压网络中可以并联多个互不相关的负载，并可实现互不相关的控制规律，而液压泵站只需按负载的平均功率之和进行设计安装；（8）二次调节系统提供了新的控制规律和控制结构。2）与电传动相比：（1）闭环控制动态响应快；（2）高功率密度，重量轻，安装空间小；（3）安装功率小。1.4 二次调节加载系统原理 4二次调节静液传动系统（简称为二次调节系统）
24、一般由恒压油源、二次元件（液压泵/马达） 、工作机构和控制调节机构等组成。二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，其工作原理是：在恒压网络中，通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量，以适应负载（工作机构）转矩的变化，从而使负载按设定的规律变化。二次调节加载系统原理如图 1-2 所示。可逆式泵/马达元件与电液伺服阀、变量液压缸、位移传感器等组合在一起，统称为二次元件。电动机、恒压变量泵、蓄能器、安全阀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。两个可逆式泵/马达元件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传感器和转矩传感器以及加载对象刚性地连接在
25、一起。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 235 67891011213145161718E14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 1-2 二次调节加载系统原理Fig.1-2 Principle diagram of loading system with se
26、condary regulation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）改变两个可逆式泵 /马达元件的斜盘摆角，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动加载对象和元件 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） ，在两个可逆式泵 /马达元件之间形成闭式循环。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
27、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。从以上分析可以得出，实现各种控制目的的最终控制量是作用在变量液压缸上，变量液压缸不同的位置使二次元件有不同的斜盘倾角，即有不同的排量。因此，二次调节的最终控制是实现对变量液压缸位置控制。1.5 减速器加载系统概述 5减速器的种类很多、应用范围广，用以满足各种机械传动的不同要求。因此，减速器加载试验台系统应具备扭矩、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。减速器试验加载系统主要分为开放式和封闭式两大类。1.5.1 开放式加载系统开放式加载系统原理如图 1-3 所示。驱
28、动单元由电动机(或内燃机、液压马达等)、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、减速器、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。功率输入试验单元负载模拟单元功率消耗驱动单元图 1-3 开放式加载系统原理示意图Fig.1-3 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
29、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。1.5.2 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 1-4 所示。驱动单元由交流（或直流）电动机及附属装置组成，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，整套装置的成本非常高，又由于回收过程的回
30、收效率受加载负荷的影响较大，而且对于大功率加载系统来说，试验台及电动机体积庞大，试验不同型号减速器时调整困难。另外，在系统动载变化较大时，可能对电网造成较大的冲击。2）机械封闭式加载系统 这种加载系统的原理图如图 1-5 所示。它将原来单纯由电机提供功率（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
31、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。功率补偿 驱动单元 试验单元负载模拟单元电功率回收图 1-4 电力封闭式加载系统原理示意图Fig.1-4 Principle diagram of closed type electric loading system转速提供装置 ( 电动机 、 变频器 )变速传动装置转矩转速测量装置被试件转矩转速测量装置转 矩 施 加 装 置( 液压加载器 )陪试件
32、变速传动装置图 1-5 机械封闭式加载系统原理示意图Fig.1-5 Principle diagram of closed type mechanical loading system3）液压封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-6 所示。驱动单元由油源、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
33、验能耗，系统效率高。系统加载过程中所形成的动载影响，基本被限制在液压系统内部，对电网的冲击很小。如果将图 1-6 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减速器加载试验，是十分理想的。功 率 补 偿 驱 动 单 元 试 验 单 元 负 载 模 拟单 元液 压 功 率回 收图 1-6 液压封闭式加载系统原理示意图Fig.1-6 Principle diagram of closed type hyd
34、raulic loading system1.6 论文主要研究内容1）对基于二次调节的减速器加载系统进行深入的理论分析，建立减速器加载系统的数学模型，并绘制方框图；2）对对驱动单元转速控制系统进行刚度特性分析；3）对驱动变速箱的轴及齿轮等传动零部件进行详细的设计，并对其作校核。2 减速器模拟加载系统数学模型2.1 概述减速器加载试验按减速器的重要性分为型式检验、出厂检验、温升检验等几种检验方式。型式检验主要针对最新研制的减速器的一种检验方式，包括装配及连接尺寸检验，空载试验，效率试验，温升试验，噪声试验，超载试验，耐久试验；出厂检验针对现有成熟减速器进行的出厂前检验，包括装配及连接尺寸检验，出
35、厂空载试验，出厂温升试验，出厂噪声试验；温声试验主要针对检修完毕的减速器进行的性能测试。本章针对减速器模拟加载系统，建立较为精确的数学模型。数学模型包括有微分方程、状态方程及变量图、传递函数及方块图等。2.2 减速器模拟加载试验台组成与原理2.2.1 试验台各部分组成及其功用减速器加载试验台如图 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 公司的 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减速器的驱动和加载的模拟，它包括驱动单元、二次输出加载单元。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、转矩转速传感器组成，该单元用来模拟减速器的驱动。二次输出加载单元主要由双联二次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器组成，该单元用来模拟传感器二次输出端的负载。控制系统由 PC 计算机、工业控制计算机、数据采集
