【終稿全套】裝載機變速箱綜合實驗臺設計【8張CAD圖紙+文檔】

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When studied the gearboxs characteristics joint work with the engine, requires the bench test for the performance of the gearbox, so the transmission performance testing laboratory is very necessary. This article introduces the classification of gearbox test rig and their advantages and disadvantages, first. On this basis, completed schematic design about a comprehensive experimental station of loader gearbox, identified the overall program of the gearbox comprehensive test rig, introduced the structure and principle of various parts of the test rig, and gives the calculation and verification of the key components, such as the design calculation or speed box, belt transmission design calculation. Test rig consists of drive device loading device, or speed box, bench, step up, drive adjusting mechanism, load adjusting mechanism and certain subsidiaries equipment. Clamping device can use the positioning plate to achieve positioning and clamping of transmission. As adjusting mechanism of drive can adjusts the vertical displacement of the drive motor and the loading adjusting mechanism can adjusts the level displacement of the loading motor, Therefore one test rig can complete the test of variety of models of experimental performance of gearbox.Keywords： loader;gearbox;comprehensive test rig;comprehensive test rig山東大學畢業(yè)設計論文第一章 緒論1.1課題背景及意義1.1.1 我國工程機械行業(yè)現(xiàn)狀裝載機作為工程機械的一種重要的設備，它在電力、建筑、水利、交通和國防等部門工程施工中應用非常廣泛。它的主要作用是鏟裝石灰、土壤、煤炭、砂石等散狀物料，當然也可以對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。還可以通過換裝不同的輔助工作裝置對起重、推土以及其他物料的裝卸進行作業(yè)。在道路施工特別是在高等級公路施工中，很多作業(yè)都會用到裝載機，如路基工程的填挖、水泥混凝土料場和瀝青混合料的集料與裝料等。此外在進行刮平地面、推運土壤和牽引其他機械等方面裝載機也起到了很大的作用。由于裝載機具有作業(yè)效率高、速度快、操作輕便、機動性好等優(yōu)點，因此它成為工程建設中土石方施工的主要機種之一。裝載機是循環(huán)作業(yè)，工作時有外載荷變化比較大、頻繁的變換方向等問題，為了提高適應外載荷變化的能力，裝載機一般采用機械傳動系統(tǒng)。而變速箱作為裝載機的一部分，控制著裝載機在各種路況上行駛時的車速，可以說變速箱的性能可以直接作為這輛裝載機好壞的評價。變速箱是裝載機機械轉動系統(tǒng)中的核心部件，變速箱是由行星輪、液力變扭距和液壓操縱系統(tǒng)等組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式達到變速力矩。裝載機變速箱主要有兩個功能：改變傳動比和在發(fā)動機轉動方向不變的情況下，使裝載機能夠倒退行駛。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展越來越好，市場對裝載機的性能要求也越來越高。變速箱技術是裝載機的核心技術，變速箱性能的高低會直接影響裝載機的經(jīng)濟性、動力性等性能。因此，變速箱的高性能可以直接體現(xiàn)裝載機的水平。變速箱的性能對裝載機整車的性能有重要影響，發(fā)動機和變速箱的結合可視為一種新的動力裝置，具了有新的性能特性，這種新的性能特性會直接影響到裝載機的工作效率及牽引性能。從另一方面來說，發(fā)動機與變速箱的共同工作情況在很大程度上決定了裝載機的牽引性能和經(jīng)濟性。整車牽引特性計算的基礎包括發(fā)動機與變速箱的合理匹配，另外，發(fā)動機與變速箱的合理配合也是傳動車輛優(yōu)化設計以及動力傳動系匹配的前提。裝載機主要組成部分之一就是動力傳動系統(tǒng)，改善裝載機的動力性和燃油經(jīng)濟性的一個重要途徑是對動力傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配。整車動力性與燃油經(jīng)濟性的好壞在很大程度上是由裝載機動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配決定的。如果沒有一個與它合理匹配的傳動系統(tǒng)，即使發(fā)動機具有良好的性能，也不能充分發(fā)揮其性能。當傳動系統(tǒng)與發(fā)動機匹配合理時，能使發(fā)動機在其理想工作區(qū)附近工作，這樣的優(yōu)點是不僅可以減輕發(fā)動機磨損，減少燃料消耗，還能減少尾氣排放、提高裝載機的使用壽命。在發(fā)動機和整車參數(shù)確定以后，就應當傳動系統(tǒng)也選擇正確的參數(shù)，只有這樣達到裝載機動力性和燃油經(jīng)濟性的合理匹配。綜上所述，對裝載機變速箱進行實驗，具有很重要的現(xiàn)實意義。1.1.2 裝載機變速箱概述裝載機變速箱的作用是改變發(fā)動機的轉速和轉矩，是裝載機的傳動部件。目前國內裝載機采用的傳動形式基本上都是采用變速箱和液力變矩器組合的傳動形式。在變速箱的內部采用齒輪傳動，離合器的結合和分離由液壓動力控制，從而達到實現(xiàn)檔位切換的目的，大部分離合器采用濕式摩擦片的全部動力換擋，也有個別變速箱采用部分動力換擋，是通過在部分檔位上利用嚙合套和撥叉進行的。 圖1-1 變速箱實物圖變速箱的主要功能就是將柴油機的動力，完成裝載機的牽引力及行駛功能以不同的速度及不同的牽引力，方式是經(jīng)過變矩、變速傳給驅動車輪、驅動橋等。主要是由渦輪四元件中的變矩器將兩個渦輪的動力輸入到變速箱的超越離合器及變速箱各檔來完成變速箱的變矩變速的。變速箱結構的主要組成部分是：倒檔行星變速機構及直接檔總成、一檔行星變速機構總成，主要組成零部件是：輸出軸、裝在直接檔總成外面的中間軸輸出齒輪等。變速箱的實物圖見圖1-1。1.1.3裝載機變速箱分類 從變速箱使用方式的發(fā)展歷程來說，變速箱經(jīng)歷了三個時期，這三個時期為：傳統(tǒng)手動變速箱、自動變速箱和手自一體變速箱。傳統(tǒng)手動變速箱的優(yōu)點是：結構簡單，燃油經(jīng)濟性好，制造成本低，但是缺點是操作復雜；自動變速箱的優(yōu)點是：駕駛輕松，但是缺點是燃油經(jīng)濟性差：手自一體變速箱存在同樣燃油經(jīng)濟性差的缺點。另外自動變速箱從自動換擋原理上分類，又可分為電控機械式自動變速器 （ATM）、無級自動變速器（CVT）、液力自動變速器（AT）和雙離合器式自動變速器（DCT）。而液力自動變速器又可分為電子控制液力自動變速箱和液壓控制液力自動變速箱兩種。從變速箱的結構形式來分類，目前裝載機變速箱大體可分成兩大類別，一類是行星式齒輪變速箱，比如小松、卡特等廠家的變速箱，這是目前我國使用最多的產(chǎn)品；另一類是定軸式箱，其優(yōu)點是：結構簡單、傳動效率高、工作可靠，如美國德納變速箱和德國采埃孚（簡稱ZF公司）的變速箱。從結構的繁簡程度上行星式變速箱又可分為復雜式的變速箱和簡單式的變速箱兩種，我國目前所采用的行星式變速箱簡單式結構，這種簡單式結構的變速箱一般為具有兩個行星排，在制造和維護上都相對與復雜式的變速箱比較容易。復雜行星式變速箱的缺點是制造工藝復雜，這就大大增加了變速箱的制造難度。就中國目前的實際情況來說，中國還不適合采用此種的變速箱。但是無論是定軸式的變速箱還是行星式的變速箱都在其性能上各有其優(yōu)點和缺點，因此兩種流派的變速箱一直在世界上并存。我國中小型裝載機的變速箱目前普遍采用雙變集成技術。這種變速箱主要有三種結構形式：第一種是單渦輪的變矩器與定軸式的變速器的組合；第二種是單渦輪形式的變矩器與液壓機械式半動力換擋的變速器的組合（這種液壓機械式變速器具有4進2退、3進3退或者4進4退控制檔位的功能）；第三種是雙渦輪的變矩器與行星式動力換擋的變速器（2進1退）的組合。第三種變速箱可以適應負荷的變化，通過多檔位的切換，這樣降低了變速箱對變矩器結構的要求，但缺點是操作頻繁，目前只有少數(shù)的30系列裝載機上還在使用。第一類變速箱應用比較廣泛，目前主要在50系列的裝載機上應用，因為其檔位較少，具有完全可實現(xiàn)單桿操縱的優(yōu)點；第二種變速箱除了輸出軸和輸入軸在轉動外，其他軸都是固定不動的，但固定與軸上的齒輪是獨立旋轉的部件，因此此類變速箱擴大了檔位的選擇性，最多時可達到6進3退共9個檔位的切換。1.2 裝載機變速箱試驗臺分類當前國內的裝載機變速箱的加載試驗臺按能量傳遞方式分類通?？煞譃閮深悾洪_放式的變速箱試驗臺和封閉式的變速箱試驗臺，其中封閉式的變速箱試驗臺又可以分為機械封閉式的變速箱試驗臺以及電封閉式的變速箱試驗臺。1.2.1 開放式變速箱試驗臺圖1-2 開式變速箱試驗臺原理圖開放式的變速箱試驗臺是一種最早出現(xiàn)的試驗臺，它的主要組成部件主要有主電動機拖動的傳動裝置、帶動加載裝置。試驗臺的組成包括動力區(qū)、試驗區(qū)和模擬負載區(qū)。動力區(qū)又由驅動動機、變速器及其附屬裝置組成，動力區(qū)有向變速器試驗臺的傳動系統(tǒng)提供動力源的作用。試驗臺試驗區(qū)主要組成包括被測件， 輸入輸出傳感器等裝置；試驗臺模擬負載區(qū)的主要組成包括負載電機或發(fā)電機制動器及附屬裝置。圖1-2為開式裝載機變速箱原理圖開放式變速器試驗臺的主要優(yōu)點是結構簡單，工作過程也簡單，工作可靠性高，生產(chǎn)成本比較低，載荷比較穩(wěn)定；但是它的缺點是系統(tǒng)輸入的試驗功率幾乎全部被加載裝置消耗掉，因而能量消耗比較大，而且消耗的能量不能回饋利用，尤其是對于大功率并且時間長的試驗項目（如裝載機變速箱的疲勞壽命試驗），它的試驗成本要遠遠高于后面將要敘述的封閉式的變速箱試驗臺 。1.2.2 封閉式試驗臺封閉式的裝載機變速箱試驗臺在加載過程中產(chǎn)生的能量可以被驅動電機循環(huán)使用，是通過反饋到電網(wǎng)或直流母線，被封閉在電網(wǎng)系統(tǒng)中，從而達到節(jié)能的目的。與開放式的變速箱試驗臺相比，它可以節(jié)約大量能量，從而大大降低了試驗成本。封閉式的變速箱試驗臺又可以分為兩大類：機械封閉式的試驗臺和電封閉式的試驗臺。圖1-3為閉式變速箱試驗臺原理圖。圖1-3 閉式裝載機變速箱原理圖（1） 機械封閉式的試驗臺機械封閉式的試驗臺的工作原理是在一個封閉的傳動系統(tǒng)中由一臺電動機為被測變的速箱提供動力，使被測變速箱轉動。機械封閉式的變速箱試驗臺可以看作是有一個封閉的功率環(huán)流在一個封閉的機械傳動系統(tǒng)內部運行，所以被之為機械封閉式的試驗臺。由于這種類型試驗臺的優(yōu)點是造價相對不高、能夠減少能量消耗，但是其缺點是加載裝置結構比較復雜，試件的轉速不能太高，而且設備龐大。所以在要求發(fā)動機轉速越來越高的現(xiàn)代，這種試驗臺也逐漸被淘汰。機械封閉式試驗臺通常的加載方式是液壓加載，工作原理是油缸在試驗臺傳動系統(tǒng)的內部發(fā)生彈性偏轉，從而實現(xiàn)加載。驅動電機可以在試驗臺液壓系統(tǒng)外部進行驅動，一方面補充試驗臺閉環(huán)系統(tǒng)的內部的功率消耗，另一方面為試驗臺的測控系統(tǒng)提供動力源，從而使試驗臺測控系統(tǒng)正常運行，試驗臺系統(tǒng)一方面可以對測試件的輸入扭矩進行調整，這種調整通過改變電機轉速的大小，另外，也可以改變對測試件的輸入扭矩，這種改變是通過調整液壓油缸的偏轉角來實現(xiàn)的。機械封閉式變速器試驗臺的特點是：節(jié)能，不太昂貴；但是加載系統(tǒng)需要采用液壓加載，加載系統(tǒng)結構比較復雜，被測試的變速箱的轉速不能超過某一確定的數(shù)值，需要定期的維護，維護費用比較高。特別是要求變速器的輸入轉速也逐漸變大，是因為現(xiàn)在隨著汽車使用的發(fā)動機排量增大專速增高，故而機械封閉式變速器試驗臺的缺點逐漸明顯。（2） 電封閉式變速器試驗臺電封閉式的試驗臺的組成部件是：控制部件、驅動電機、輸入傳感器、被試變速箱、加載電機等，它的工作原理和機械閉式的試驗臺比較類似，只是功率流被通過電網(wǎng)的裝置電能替代了，也是在一個封閉的系統(tǒng)中運行，所以被稱之為電封閉。電封閉試驗臺的優(yōu)點是：結構簡單，可靠性高，能源利用率和效率都很高，而且還能夠實現(xiàn)動態(tài)的加載，但是缺點是造價昂貴。這在一定程度上使電封閉式變速箱試驗臺的發(fā)展和應用受到了限制。電封閉試驗臺技術應用更加的成熟，因為交變技術的發(fā)展，推動了電封閉式試驗臺技術的發(fā)展，這種技術改變了原來效率低，加載慢，噪聲大的缺點得到很大改觀，不僅能還能夠實現(xiàn)并網(wǎng)，減少了對電網(wǎng)的污染，而且源利用率大大提高，這種靜止變流技術還大大提高了加載的動態(tài)響應速度，將會被更多的人所應用。常規(guī)的電封閉式試驗臺的結構形式如圖2.3所示。電封閉式變速器試驗臺和開放式變速器試驗臺在結構上很類似，加載電機在對被測變速箱的進行加載的同時，可以具有發(fā)電的功能，加載電機產(chǎn)生的電能可以通過試驗臺閉環(huán)系統(tǒng)反饋給電網(wǎng)或者向被測試變速箱的驅動電機提供電能。電封閉式變速器試驗臺不僅結構造比較簡單，節(jié)能效果很好，傳動效率比較高，而且能夠方便的實現(xiàn)動態(tài)加載。1.3 國內外變速箱試驗臺研究的現(xiàn)狀1.3.1國外變速箱試驗臺現(xiàn)狀機械閉式試驗臺已被國外的傳動系統(tǒng)試驗臺和變速箱試驗臺淘汰了，國外的轉動系統(tǒng)改用為電封閉式試驗臺和機械開式試驗臺。因為機械開式試驗臺不僅不需要陪試變速箱，而且能夠實現(xiàn)變扭矩加載，這種加載的實現(xiàn)是通過使用相應的部件與控制方式來實現(xiàn)的，其特點是結構簡單、控制方便，但是進行加載試驗時需要重點考慮減少能源消耗的問題。電封閉試驗臺的優(yōu)點是：機械結構相對簡單，能夠進行各種道路工況的負載模擬，電能重復利用。目前國外關于裝載機變速箱性能檢測方面的實驗還是比較先進的，能夠有對變速箱的性能進行詳細研究的實驗，各種測試變速箱的設備和器材也很先進，實驗的標準也比較高。1.3.2國內變速箱試驗臺現(xiàn)狀國內生產(chǎn)裝載機變速箱的企業(yè)主要有：杭州前進齒輪箱集團有限公司，柳州采埃孚機械有限公司，廈門廈工橋箱有限公司，長沙中南傳動機械廠，三明齒輪箱有限公司，徐工集團徐州齒輪廠，徐工特工義車驅動橋廠等。另外，吉林大學對裝載機變速器相關技術的研究比較成熟。因為國外技術的壟斷現(xiàn)狀，國內很多生產(chǎn)變速箱的廠家來對自己生產(chǎn)的變速箱進行測試時不得不使用那些測試功能簡單、測試功率低、精度和可靠性都不高的試驗臺測控系統(tǒng)。這樣往往得不到可信度高的數(shù)據(jù)，不能對數(shù)據(jù)進行精確的處理和分析。因此我國的變速箱產(chǎn)品的質量往往得不到提高。因此，有必要設計出一種變速箱測控系統(tǒng)，可以使得測試的可靠性高、實時性強、經(jīng)濟性好，同時還要控制簡單、操作靈活，只有這樣才能以改變我國在變速箱試驗臺測控系統(tǒng)方面落后的現(xiàn)狀。我國目前大多數(shù)變速箱生產(chǎn)廠家只進行空載換擋試驗，無法檢測裝載機變速器的性能。變速箱加載試驗臺普遍存在可靠性能比較差，測試精度比較低，而且試驗臺重量大，耗能大等缺點。目前國內關于裝載機變速箱性能檢測方面的實驗還是比較落后的，不能夠有對變速箱的性能進行詳細研究的實驗，各種測試變速箱的設備和器材也比較落后，實驗的標準很低。但是因為變速箱是裝載機的關鍵部件，變速箱的性能直接影響了裝載機的性能，因此，在變速箱裝配完成后，很有必要對其進行全面的檢測。目前，國內變速箱試驗臺絕大部分為機械閉式試驗臺，這種試驗臺有很大的不足之處，具體體現(xiàn)在機械結構復雜，體積大而連接部分較多，目前僅僅能做定轉速，定扭矩排擋循環(huán)試驗。 1.4 本章小結本章主要介紹了裝載機變速箱試驗臺的分類及現(xiàn)狀，變速箱試驗臺可分為兩類：開放式變速箱試驗臺和封閉式變速箱試驗臺，其中封閉式變速箱試驗臺又包括機械封閉式變速箱試驗臺和電封閉式變速箱試驗臺，同時也對機械封閉式試驗臺和電封閉式試驗臺進行了對比和分析。介紹了國內外試驗臺的現(xiàn)狀，以及國內裝載機變速箱試驗臺的問題及缺點，提出了研究裝載機變速箱試驗臺的必要性。第二章 試驗臺的結構和工作原理2.1 變速箱綜合性能試驗方法變速器試驗項目通常包括有換擋性能試驗、空載損失試驗、傳動效率試驗、靜強度試驗、疲勞測試、油壓試驗 、可靠性試驗、噪聲和振動等。 1. 換擋性能試驗 試驗方法是通常使用一組或者多組的慣量可變的飛輪來模擬汽車行駛時的工作狀況，通過不同轉速和扭矩情況下的換擋操作來對換擋性能進行測試。 測試參數(shù)主要包括：輸入轉速、輸出轉速、輸出轉矩、離合器操縱油壓的動態(tài)變化曲線及進口油溫、出口油溫、工作油流量等。 2. 空載損失試驗 測試參數(shù)主要包括：輸入轉矩、輸入轉速、出口油溫、離合器油壓等。 作變速箱各檔空載損失功率與輸入轉速（或輸入轉矩與輸入轉速）的關系曲線PK=f( n1 )或 T1=f(n1)。 3. 傳動效率試驗 測試參數(shù)主要包括：輸入轉矩、輸入轉速、輸出轉矩、輸出轉速、變矩器進口油壓、主油路油壓、離合器油壓、出口油溫等，各參數(shù)記錄保持同步。 作各檔效率與輸出轉速關系曲線，輸出轉矩與輸出轉速關系曲線。4. 靜強度試驗 強度測試主要是指對變速箱和傳動軸進行扭轉強度的測試。試驗時要將被測變速箱安裝在試驗裝置上，然后將其輸出端固定，利用驅動電機帶動輸入端慢慢轉動, 同時要測量被測變速箱輸入端的扭矩、輸出端的扭矩以及輸入軸的扭轉角度，直到扭矩達到某設定值時加載停止，或者到變速箱損壞時停止加載，進而可以判斷變速箱的靜態(tài)扭轉強度性能。 5. 疲勞壽命試驗 變速箱疲勞耐久性測試是指在一定的輸入轉速和油溫下對變速箱各個擋位按照額定的輸入扭矩進行循環(huán)運轉，直到完成額定運轉時間或者變速箱發(fā)生損壞，試驗后拆解變速箱分析磨損情況，如果損壞則分析變速箱損壞的具體情況及原因。2.2 試驗臺方案的確定2.2.1 驅動方案設計動力裝置又稱為自動變速器的性能試驗臺的驅動設備，它可以模擬發(fā)動機的運行工況，并且驅動液力變矩器泵輪工作。動力裝置應滿足變速箱試驗輸入動力的要求，能調節(jié)控制轉速和轉矩按一定的規(guī)律變化，如轉速恒定或恒轉矩控制。常見的驅動裝置有電動機，發(fā)動機或測功機。電動機又有交流電動機或直流電動機等。如果動力裝置是發(fā)動機，它的優(yōu)點是能夠準確地模擬與發(fā)動機相匹配的變速器在裝載機上的真實使用的工況，與裝載機上的實際特性相吻合。但發(fā)動機作為動力源，其缺點有：輸入動力的穩(wěn)定性比較差、噪聲很大、有排氣污染、通用性也比較差、不容易調節(jié)到要求的穩(wěn)定的轉速與扭矩等。 另外在實驗過程中需要對不同型號的變速箱進行檢測，頻繁的更換不同型號的變速箱，這要求發(fā)動機要不斷的啟動和停止，這樣很不利于發(fā)動機的穩(wěn)定工作，而且會對發(fā)動機造成一定程度的損壞，不利于實驗的正常進行。目前，最為廣泛使用的動力裝置是電動機。電動機作為動力源，其優(yōu)點是：噪聲很小、占地面積比較小、無污染、起停比較方便、易于將轉速調節(jié)到合適的值。可以選擇的電動機有交流變頻控制電機。交流變頻電動機驅動裝置的優(yōu)點是變矩器的輸入轉速可調，可滿足比較廣泛的試驗要求，并且具備啟動功能，可以適應不同工況條件下的頻繁變速的要求。缺點是變頻器造價比較高，當試驗系統(tǒng)較大時，需要提供較大的電量，同時操作也比較為復雜。裝載機變速箱性能試驗可選用低于普通發(fā)動機功率的交流變頻電機。2.2.2 加載方案設計對于變速箱的加載試驗，因為信號的檢測與運行控制已經(jīng)十分成熟，所以關鍵是負載的施加和控制。尤其是對大功率設備的負載試驗來說，負載較大，這就導致能耗增加，所以負載的施加方式不僅會影響到試驗效果，還可能造成設備的占地面積比較大，并產(chǎn)生很大的能量浪費，因此負載施加方式的選擇對試驗臺的正常穩(wěn)定運行有十分重要的作用。目前，加載試驗臺通常采用的加載方式主要有：渦流測功機、磁粉制動器、磁滯測功機、液力測功機、直流發(fā)電機、交流發(fā)電機等，各種加載方式各有其特點和不足，如表2-1所示表2-1 各種加載方式的優(yōu)缺點序號加載裝置功率流向優(yōu)點缺點1渦流測功機輸出的機械能轉化為熱能損失掉控制電路簡單、造價較低，可以正反加載，加載功率較大低速加載性能很差（零速無法加載），不能反拖，能耗很大，需要采用水冷進行冷卻2磁粉制動器或皮囊抱閘輸出的機械能轉化為熱能損失掉控制電路簡單、造價較低，可以正反加載低速加載性能一般，高速加載很差，需要采用水冷進行冷卻，加載功率小3磁滯測功機輸出的機械能轉化為熱能損失掉控制電路簡單、造價較低，可以正反加載低速加載性能很差，高速加載性能一般，加載功率小4交直流發(fā)電機帶阻性負載輸出的機械能轉化為熱能損失掉控制電路簡單、造價較低在速度變化較大場合無法控制負載的施加5機械封閉輸出機械能再回饋到驅動端循環(huán)利用高低速加載性能都很好，能耗很低不能做反拖試驗，結構較復雜，對具有離合器或變矩器等存在滑差的被試設備無法實現(xiàn)加載6液力測功機輸出的機械能轉化為熱能損失掉加載功率大低速加載性能很差，高速加載性能一般，不能反拖，能耗大，設備占地較大7直流發(fā)電機輸出機械能再回饋到驅動端循環(huán)利用高低速加載性能都很好，能耗很低，可以正反轉加載和反拖加載電機可靠性較低，尤其在高速運行時，容易產(chǎn)生故障8交流發(fā)電機變頻矢量控制輸出機械能在轉化為電能回饋到驅動端循環(huán)利用高低速加載性能都很好%能耗很低，可以正反轉加載和反拖加載，對具有離合器或變矩器等存在滑差的被試設備可實現(xiàn)高精度加載造價相對較高，在同等功率容量時交流電封閉式比直流電封閉式造價高些在液力變速箱的臺架試驗中，試驗臺所用的主要加載方法包括：水力測功法、電渦流測功法和電封閉測功法3種方法。其中，水力測功法因為其技術的落后、操作的復雜，現(xiàn)已基本被淘汰；電渦流測功機則在部分的廠家的加載設備中有還應用，但電渦流測功機存在缺點：需要水冷卻、能耗比較大、控制精度比較差、不能進行反拖試驗、響應速度比較慢等，目前，最好的加載方式是電封閉加載，這種加載方法的優(yōu)點是：技術比較先進、能夠高效節(jié)能，能夠完成反拖試驗、堵轉試驗、程序加載試驗、隨機加載實驗、路譜加載試驗等試驗。電封閉加載方案又分為直流電封閉加載和交流電封閉加載兩種，在幾年前點封閉加栽方案大多數(shù)采用直流電動機的方案，而近幾年隨著交流技術的發(fā)展，使得電封閉加載方式得到了廣泛應用，這種電封閉加載是由交流發(fā)電機變頻矢量控制的，具有良好的綜合性能。兩種電封閉加載方式的性能也有所不同，直流電封閉式的性能特點是：功率因數(shù)比較低，對電網(wǎng)的干擾比較大，適用速度比較低，控制精度比較低，空間電磁干擾比較小，動態(tài)響應比較慢，系統(tǒng)造價低，可靠性比較低；而交流電封閉式的特點是：功率因數(shù)比較高，動態(tài)響應比較快，控制精度也比較高，適合很寬的速度范圍，對電網(wǎng)的干擾比較小，采取措施后干擾也很小，可靠性比較高，系統(tǒng)造價比較高等。目前，國際國內正逐步淘汰直流電封閉式，而交流電封閉式正在廣泛使用中。直流電封閉加載系統(tǒng)的工作原理是拖動單元與負載單元都采用直流可逆的調速器和直流電動機，從交流電網(wǎng)吸收交流電能經(jīng)過拖動單元送給拖動電機，達到將電能轉化成機械能的目的，然后拖動被試變速箱的負載電機從被試變速箱的輸出軸吸收機械能并把其轉化成直流電能，由負載單元的可逆直流調速器將直流電能轉化成交流電能回送到交流電網(wǎng)，從而能夠實現(xiàn)直流電封閉加載。交流電封閉加載系統(tǒng)的工作原理是拖動單元與負載單元都采用交流變頻的調速器和交流變頻電動機，從而拖動電機能夠處于電動運行的狀態(tài)，負載電機能夠處于交流發(fā)電運行的狀態(tài)。整流器能夠將從交流電網(wǎng)吸收的交流電能轉化成直流電能，拖動單元能夠將從直流母排吸收的直流電能逆變成交流電，然后送給拖動電機，拖動電機將電能轉化成機械能拖動被試變速器，負載電機從被試變速器的輸出軸吸收機械能并轉化成交流電能，由負載單元的變頻器將交流電能轉化成直流電能送到直流母排，從而實現(xiàn)交流電封閉加載，綜合考慮以上因素，交流電封閉的優(yōu)點是很明顯的，尤其在工作現(xiàn)場條件差的情況下，宜采用交流發(fā)電機作為加載裝置。2.3 試驗臺的工作原理和組成工作原理：裝載機變速箱綜合試驗臺是對裝載機變速箱性能臺架實驗和故障分析的系統(tǒng)。變速箱實驗臺的基本工作原理是通過測量變速箱的輸入、輸出功率，然后得到變速箱的傳動效率。實現(xiàn)這測量過程的是，通過輸入端安裝轉速轉矩傳感器，測量輸入轉矩和轉速。在變速箱的輸出端連接升速箱、加載裝置，實現(xiàn)變速箱的制動。在加載裝置和變速箱之間安裝轉速轉矩傳感器，測量輸出轉矩和輸出轉速。經(jīng)過計算就可以得到變速箱的輸入功率和傳動效率。本課題的實驗對象為裝載機變速箱，試驗臺為電封閉式試驗臺，試驗臺用于對裝載機變速箱各項性能的檢測和評價，模擬真實使用下變速箱的運行狀態(tài)。綜合試驗臺設計包括變速箱試驗臺設計和測控系統(tǒng)設計。其中試驗臺的設計包括試驗臺的尺寸設計、各器件的布置位置、各器件參數(shù)的選取、變速箱的裝夾（裝夾過程中，滑臺用于不同規(guī)格的變速箱總成的軸向尺寸的調整，以便實現(xiàn)快速裝夾）等。2.3.1 試驗臺臺體的機械結構形式變速箱綜合試驗臺是一個集機、電為一體的設備，試驗臺主要由基本底座，驅動電機，驅動調整機構，升速箱，加載電機，加載裝置，加載調整機構、變速箱裝夾機構等組成。圖2-1 為裝載機變速箱綜合試驗臺的機械結構圖。圖中1為驅動電機，2為輸入轉速轉矩傳感器，3為離合器，4是聯(lián)軸器，5是變速箱裝夾機構，6是被測變速箱，8是聯(lián)軸器，9是輸出轉速轉矩傳感器，10是升速箱，11是加載電機，12是底座。圖2-1 裝載機變速箱試驗臺機械結構圖2.4 電機的選取2.4.1 選擇電機的容量電機類型和結構形式主要是根據(jù)電源、載荷特點和工作條件（溫度、空間尺寸、環(huán)境等）來選擇。沒有特殊要求時都應選擇交流電動機。標準電動機的容量都是由額定功率來表示的。所選電動機的額定功率應當?shù)扔诨蛏源笥诠ぷ魉蟮念~定功率。當電機容量小于工作要求的額定功率時，則不能保證試驗臺正常工作，或著使電動機處于長期過載狀態(tài)，電機因為發(fā)熱過大而過早損壞；而容量過大就會增加試驗臺成本，并且因為功率和功率因數(shù)過低而造成能量浪費。由于變速箱試驗臺運行時載荷變化很小，只要電動機的負載不超過電機的額定值，電動機就不會發(fā)熱，通常不必校核啟動力矩和發(fā)熱。所需電動機的功率為： pd=pnKw （2-1）工作機所需功率Pw應由機器工作阻力和運動參數(shù)計算求的， Pw=Fv1000w Kw （2-2）或 Pw=Tnw9550wKw （2-3）總效率按式（2-4）計算 =1234n （2-4）其中各值分別是傳動裝置中每一傳動副，每對軸承，每個聯(lián)軸器的效率。2.4.2 電機轉速的選取同一類型的電機，相同的額定功率有多種可供選擇的轉速，如果選用轉速比較低的電機，則會因級數(shù)較多而外廓尺寸及重量比較大，價格比較高，但可以使傳動裝置總傳動比及尺寸變小，選用轉速高的電機則恰恰相反。故應全面分析優(yōu)缺點來選定電機轉速。按照試驗臺的轉速要求和傳動機構的合理傳動比范圍?？梢酝扑愠鲭妱訖C的可選范圍： n=(i1i2i3i4in)nw （2-5）本試驗臺要求輸入轉矩為：85Nm；輸入轉速為0-3000r/min；加載電機功率為：3kw；輸入扭矩為小于1000Nm。取總效率為0.86將原始數(shù)據(jù)帶入下式 Pw=Tnw9550wKw=85300095500.86=31.05Kw （2-6）主電機與輸入軸傳動比定為3/10，加載電機與輸入軸傳動比定為1。其他各級總傳動比設為0.9，帶入下式 n=i1i2i3i4innw=1111r/min （2-7）根據(jù)以上數(shù)據(jù)查機械設計手冊表12.1，主電機選用Y225M-2型，加載電機選用Y132M1-6型。查機械設計手冊表12.3可查得電機的外形尺寸、軸伸尺寸、中心高、鍵連接尺寸、地腳尺寸等參數(shù)。電機的技術數(shù)據(jù)如下表2.2.表2-2 電機技術參數(shù)電機型號額定功率Kw額定轉速r/min最高轉速r/min額定轉矩Y225M-24529703000Y132M1-6396010002.5 本章小結本章主要介紹了裝載機變速箱綜合性能檢測的實驗種類和目的，對比了幾種驅動和加載方案，確定了本試驗臺加載和驅動的方案。簡單介紹了本試驗臺的機械結構形式，最后對試驗臺的驅動系統(tǒng)的主要部件交流異步變頻電機進行了選型，對電機的容量，轉速范圍和電機的外形尺寸進行了確定，對試驗臺的各部件提出以下要求：（1）試驗臺應體現(xiàn)驅動裝置的整體性并兼顧個系統(tǒng)的獨立性。（2）試驗臺應具有可調整性和可替換性。（3）試驗臺應保持一定的先進性。第三章 加載部分主要部件的設計計算3.1 升速箱的設計計算由于一般電機額定轉速比較高，而實驗輸出軸的轉速都比較低，所以設計人員都會在加載電機前增加一個升速裝置，例如調速箱。升速箱有增大輸出轉速范圍的作用，一般三相異步電機的額定轉速為一到兩千轉左右，而試驗臺要求的轉速有時會達三千轉甚至更高。有的變速箱試驗臺是由兩個皮帶輪進行升速的，其缺點是占地面積大，臺架高速運行時噪音大，而且改變傳動速比時操作比較麻煩。而近期開發(fā)的變速箱試驗臺都沒有采用這種升速方式，而改用了齒輪箱進行升速。這樣的結果是試驗臺的體積小，高速運行時噪音也小，而且改變傳動速比是操作簡單。故選用齒輪箱進行升速。3.1.1 升速箱傳動方案的確定由于升速箱傳動比較小，故選用一級齒輪傳動。采用圓柱齒輪傳動。（1）升速箱傳動總效率 （3-1）（2）齒輪材料的選擇 小齒輪選用45#鋼，調質處理，查機械設計手冊平均硬度280HB 大齒輪選用45#鋼，調質處理，查機械設計手冊平均硬度240HB （3）確定齒輪精度等級 選擇8級精度（4）選齒數(shù)小齒輪齒數(shù)選取z1=21，根據(jù)傳動比可得大齒輪齒數(shù)為z2=63，模數(shù)選mn=3。齒寬小齒輪選為b1=65mm，大齒輪選為b2=60mm。（5）確定齒輪主要尺寸 a)中心距a mm （3-2） b)分度圓直徑d （3-3）3.1.2 升速箱主要零件的校核輸出軸的設計及校核，輸出軸上的功率P轉速N及轉矩T T=9550000PN （3-4）T=1000000N.mmn=3000r/min P=TN9550000=100000030009550000314.136kw （3-5）（1）軸的材料選用45#鋼，調質處理，查機械設計手冊抗彎強度其結構如下3-1圖所示圖3-1 齒輪軸結構圖（2）查機械零件表16.3得，許用彎曲應力（3）畫出軸的空間及垂直和水平面內的受力圖，如下圖3-2所示圖3-2 齒輪軸受力圖垂直面內的支座反力為： （3-6）得 水平面內的支座反力為： （3-7） 得 （4）做合成彎矩圖如下圖3-3所示圖3-3 齒輪軸和成彎矩圖 （3-8）（5）畫出轉矩圖，圖3-4。圖3-4 齒輪軸轉矩圖其中T=47300Nmm（6）做當量彎矩圖，圖3-5。圖3-6 齒輪軸當量彎矩圖 （3-9） （3-9）（7）計算危險截面軸徑判斷危險截面：連接聯(lián)軸器處，齒輪處和左側軸承處 （3-10） （3-11） （3-12）故該齒輪軸滿足強度要求。3.2 聯(lián)軸器的選擇與校核在負載與傳感器，負載與輸出軸，驅動電機與離合器，加載電機與升速箱等處都需要安裝聯(lián)軸器。由于材料和結構的不同，用于各個傳動系統(tǒng)的聯(lián)軸器也不盡相同，其載荷能力差異很大。載荷類別主要是針對電動機的工作載荷的沖擊。正反轉、震動、頻繁啟動、制動等原因而形成不同類別的載荷。聯(lián)軸器選擇的依據(jù)就是傳動系統(tǒng)的載荷類別。聯(lián)軸器的種類優(yōu)缺點和用途見下表表3-1 聯(lián)軸器的類別及應用聯(lián)軸器類別凸緣式聯(lián)軸器滑塊聯(lián)軸器彈性聯(lián)軸器安全聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器撓性聯(lián)軸器優(yōu)點構造簡單，成本低，可傳遞較大轉矩有移動副，可以補償兩軸偏移緩沖吸振，可補償較大的軸向位移具有過載保護作用，電機帶載啟動轉變?yōu)榻瓶蛰d啟動價格便宜，結構簡單具有一定的補償被連兩軸軸線相對偏移的能力缺點不允許兩軸有相對位移，無緩沖無緩沖，移動副應加潤滑有微量的徑向位移和角位移只能承受限定載荷不具有減震性能不具有緩沖減震性能用途在轉速低，無沖擊，軸的剛性大的場合用于低速轉動場合正反向變化多，啟動頻繁的高速軸用于載荷變化很小或需要過載保護的場合用于兩軸軸線相對偏移極小的情況下適用于低速、重載、轉速平穩(wěn)的場合由以上比較，試驗臺選用彈性聯(lián)軸器。 根據(jù)設計手冊表6-4 選擇聯(lián)軸器的型號為HL2取載荷系數(shù)K為K=1.4 而聯(lián)軸器所連接的軸 T=436000Nmm KT=1.4425217=610404Nmm （3-13） 則軸孔直徑d=38mm，L1=60mm。3.3 鍵的選擇計算現(xiàn)以升速箱大齒輪與升速箱輸入軸連接的鍵為例。圖3-7 齒輪軸上的鍵選擇A型普通平鍵根據(jù)d=40mm查課程設計課本表5-1取 b=12mm, h=8mm根據(jù)輪轂長度65mm，查課程設計課本表5-1取鍵的標準長度60mm取鍵的材料 45#3.4 升速箱機械結構設計 升速箱的機械結構如下圖3-8所示圖3-8 升速箱內部結構此升速箱為一級傳動，升速比為3，輸入軸為大齒輪，齒數(shù)為63，因為小齒輪齒數(shù)為21，直徑很小，故輸出軸做成齒輪軸，所用軸承均為角接觸球軸承，所用齒輪為圓柱斜齒輪，圖中1為大齒輪，3為輸入軸，5為軸承端蓋，7為齒輪軸，9為軸承，16、18均為軸承端蓋，19為密封圈。3.5 本章小結本章為升速箱的設計，升速箱為一級圓柱齒輪傳動，升速比為3，重點研究了變速箱綜合試驗臺中加載部分關鍵部件的設計及動力連接部件聯(lián)軸器的選定，并對不同類別的聯(lián)軸器做了比較，重點對升速箱齒輪輸出軸進行了校核，對連接件的尺寸和校核進行了說明。設計了升速箱的整體機械結構，最后給出了升速箱的結構圖。第四章 驅動調整機構和加載調整機構的設計計算4.1 驅動調整機構的設計由于裝載機變速箱綜合試驗臺要求測試多種型號的變速箱，故需要調整機構，驅動調整機構可以調整驅動電機及夾具的上下位置，調整范圍不需要很大，但要求精確，故選用絲杠來做調整機構的精確調整。滾珠絲杠的組成包括螺桿、螺母和滾珠。它可以將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展具有將軸承從滾動動作變成滑動動作的重要意義。由于滾珠絲杠具有很小的摩擦阻力，正被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器中。 滾珠絲杠是精密機械上最常用的傳動元件之一，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆的作用力，同時具有精度高、可逆性好和效率高的優(yōu)點。滾珠絲杠有以下具體優(yōu)點：與滑動絲杠相比驅動力矩小，能夠保證精度高，微進給的實現(xiàn)，沒有側隙、剛性好，進給速度高 4.1.1 驅動調整機構方案的確定驅動調整方案是由電機傳遞動力，由帶傳動帶動軸的轉動，通過錐齒輪將運動傳遞到絲杠。驅動調整機構滾珠絲杠的選擇絲杠的安裝有四種安裝方式，一端固定，一端自由的安裝方式適用于轉速較低、滾珠絲杠較短的情況。兩端游動是一種常見的安裝方法，適用于中等轉速的情況。一端固定、一端游動則適用于中等轉速，需要高精度運行的場合，而兩端固定的安裝擇適用于高速運轉、需要高精度運行的場合。故選用兩端固定的安裝方式。4.1.2 驅動調整機構滾珠絲杠的選擇絲杠工作長度l=1m，平均轉速nm100r/min，最大轉速nmax10000r/min，絲杠材料選用CrWMn鋼。 （4-1）根據(jù)壽命條件計算額定動載荷 （4-2）按照滿足Ca的原則選擇絲杠副尺寸。查表可得如下規(guī)格，表4-1 滾珠絲杠的技術參數(shù)規(guī)格型號 D0公稱導程 p 絲杠外徑 d 鋼球直徑 d0 絲杠內徑 d1 動負荷 Ca(KN) FFZD3210-3 32 10 32.5 7.144 27.3 25.7 FFZD5006-5 50 6 48.9 3.969 45.76 26.4 考慮各種因素，選FFZD5006-5，其中： 公稱直徑：D0=50mm 導程：p=6mm 螺旋角：=arctan(6/(50)=211 滾珠直徑：d0=3.969mm 絲杠內徑：d1 =45.76mm臨界轉速驗證高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠最高轉速nmaxnc （4-3） 故選用FFZD5006-5絲杠合適。4.1.2 帶傳動的設計帶傳動的特點為：結構簡單、能緩沖吸振、傳動平穩(wěn)、造價低廉、不需潤滑、維護容易，并且可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，在近代機械傳動中應用十分廣泛。在帶傳動中，常用的有平帶、同步帶傳動、V帶傳動等。V帶傳動與平帶傳動相比較,其主要優(yōu)點是傳動功率大、張緊力小。V型帶與帶輪的V型槽，由于有楔形增力的緣故，帶與帶輪的正壓力大，摩擦力就大，傳動能力就大。驅動調整機構的電機選用1500r/min的電動機。即nD=1500r/min 電機的輸出功率 （4-4）確定計算功率Pc 取工況系數(shù)KA=1.2 （4-5）2）選取V帶型號 查機械設計手冊，根據(jù)Pc=4.553KW , n=1440r/min得選用A型普通B帶3）確定帶輪基準直徑（1）查機械設計手冊 確定小帶輪直徑D1=125mm （2）確定大帶輪直徑D2 考慮滑動率：取=0.01 D2=mm （4-6）取D2=184mm（3）驗證從動論的轉速誤差率 （4-7） 所以從動輪的轉速誤差率為1.5%，在允許范圍內4）驗算帶速v m/s （4-8） 在允許速度范圍525m/s內5）確定帶的基準長度Ld和實際中心距a 按結構設計要求機械設計手冊11.4 初步確定中心距ao=200mm （4-9）查表取得帶的基準長度Ld=1250mm則實際中心距 （4-10）6）校驗小帶輪包角1 （4-11）7）計算V帶的根數(shù)z查機械設計手冊 根據(jù)D1=90mm , n1=1440r/min得Po=1.07kw查機械設計手冊 根據(jù) i=，n=1440r/min （4-12）得Po=0.162KW查機械設計手冊 得包角系數(shù) k=0.975查機械設計手冊 得長度系數(shù) kl=0.93 （4-13） 所以取z=48）求初拉力Fo 查機械設計手冊11.4 得q=0.1kg/m （4-14）9）求帶輪軸上的壓力FQ （4-15）4.1.3 驅動調整機構結構設計驅動調整機構結構如下圖4-1所示，三相異步電機通過帶傳動帶動兩端安裝有齒輪的軸轉動，再通過齒輪傳動帶動絲杠轉動，而安裝有加載電機的電機支撐板和絲杠螺母通過螺紋連接固定在電機支撐板的上支撐板，從而絲杠的圓周運動就可以轉化為電機支撐板的直線運動，其中電機支撐板的上支撐板和下支撐板通過四根截面為正方形的立柱焊在一起，而電機安裝在下支撐板上，這樣上支撐板的運動就可以帶動下支撐板運動，從而達到調節(jié)驅動電機的高度的目的。由于絲杠可以精確調節(jié)上支撐板的高度，那么電機的高度也就可以精確調節(jié)了。三相異步電機的支撐板是和支架焊接在一塊的。 圖4-1 驅動調整機構機械結構4.2