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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
裝載機(jī)變速箱綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
姓 名 裴彥華
學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
年 級(jí) 2009級(jí)
指導(dǎo)教師 張進(jìn)生 王志
2013 年 6 月 6 日
目 錄
摘要 III
Abstract IV
第一章 緒論 5
1.1課題背景及意義 5
1.1.1 我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀 5
1.1.2 裝載機(jī)變速箱概述 6
1.1.3裝載機(jī)變速箱分類 7
1.2 裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)分類 8
1.2.1 開放式變速箱試驗(yàn)臺(tái) 8
1.2.2 封閉式試驗(yàn)臺(tái) 9
1.3 國(guó)內(nèi)外變速箱試驗(yàn)臺(tái)研究的現(xiàn)狀 11
1.3.1國(guó)外變速箱試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀 11
1.3.2國(guó)內(nèi)變速箱試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀 11
1.4 本章小結(jié) 12
第二章 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理 13
2.1 變速箱綜合性能試驗(yàn)方法 13
2.2 試驗(yàn)臺(tái)方案的確定 14
2.2.1 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 14
2.2.2 加載方案設(shè)計(jì) 14
2.3 試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和組成 17
2.3.1 試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式 18
2.4 電機(jī)的選取 19
2.4.1 選擇電機(jī)的容量 19
2.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的選取 19
2.5 本章小結(jié) 20
第三章 加載部分主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1 升速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1.1 升速箱傳動(dòng)方案的確定 21
3.1.2 升速箱主要零件的校核 22
3.2 聯(lián)軸器的選擇與校核 25
3.3 鍵的選擇計(jì)算 27
3.4 升速箱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
3.5 本章小結(jié) 28
第四章 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和加載調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 29
4.1 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 29
4.1.1 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)方案的確定 29
4.1.2 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的選擇 29
4.1.2 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 31
4.1.3 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
4.2 加載調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 34
4.2.1 加載調(diào)整機(jī)構(gòu)方案確定 34
4.2.2 加載調(diào)整機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
4.3 本章小結(jié) 35
總結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
附錄 39
原文 39
譯文 52
69
山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
摘要
變速箱作為裝載機(jī)的一部分，控制著裝載機(jī)行駛時(shí)在各種路況時(shí)的車速，可以說變速箱的性能直接作為這輛裝載機(jī)好壞的評(píng)價(jià)。而研究變速箱的與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合工作特性，就需要對(duì)變速箱的性能進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，因此變速箱的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是非常有必要的。本文先介紹了變速箱試驗(yàn)臺(tái)的分類，及其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上完成了裝載機(jī)變速箱綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的原理性設(shè)計(jì)，確定了變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)的整體方案，介紹了各部分的結(jié)構(gòu)和原理，并給出了關(guān)鍵零部件的計(jì)算及校核，如升速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算、帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算等。試驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置、升速箱、臺(tái)架、加緊裝置、驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、加載調(diào)整機(jī)構(gòu)及一些附屬設(shè)備組成。加緊裝置可以利用定位板實(shí)現(xiàn)變速箱的定位及夾緊。由于驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的上下位移，加載調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)加載電機(jī)的左右位移，故可以在同一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上多種型號(hào)的變速箱進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)的測(cè)試。
關(guān)鍵詞 裝載機(jī)；變速箱；綜合試驗(yàn)臺(tái)；性能檢測(cè)
Abstract
As a part of the loader, gearbox controls the speed of gearbox when driving in a variety of road conditions, it can be said that the performance of transmission is directly evaluated the loader. When studied the gearbox’s 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
第一章 緒論
1.1課題背景及意義
1.1.1 我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀
裝載機(jī)作為工程機(jī)械的一種重要的設(shè)備，它在電力、建筑、水利、交通和國(guó)防等部門工程施工中應(yīng)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(dāng)然也可以對(duì)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(duì)起重、推土以及其他物料的裝卸進(jìn)行作業(yè)。在道路施工特別是在高等級(jí)公路施工中，很多作業(yè)都會(huì)用到裝載機(jī)，如路基工程的填挖、水泥混凝土料場(chǎng)和瀝青混合料的集料與裝料等。此外在進(jìn)行刮平地面、推運(yùn)土壤和牽引其他機(jī)械等方面裝載機(jī)也起到了很大的作用。由于裝載機(jī)具有作業(yè)效率高、速度快、操作輕便、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此它成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一。裝載機(jī)是循環(huán)作業(yè)，工作時(shí)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(yīng)外載荷變化的能力，裝載機(jī)一般采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。
而變速箱作為裝載機(jī)的一部分，控制著裝載機(jī)在各種路況上行駛時(shí)的車速，可以說變速箱的性能可以直接作為這輛裝載機(jī)好壞的評(píng)價(jià)。變速箱是裝載機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到變速力矩。裝載機(jī)變速箱主要有兩個(gè)功能：改變傳動(dòng)比和在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變的情況下，使裝載機(jī)能夠倒退行駛。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越好，市場(chǎng)對(duì)裝載機(jī)的性能要求也越來越高。變速箱技術(shù)是裝載機(jī)的核心技術(shù)，變速箱性能的高低會(huì)直接影響裝載機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等性能。因此，變速箱的高性能可以直接體現(xiàn)裝載機(jī)的水平。
變速箱的性能對(duì)裝載機(jī)整車的性能有重要影響，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的結(jié)合可視為一種新的動(dòng)力裝置，具了有新的性能特性，這種新的性能特性會(huì)直接影響到裝載機(jī)的工作效率及牽引性能。從另一方面來說，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的共同工作情況在很大程度上決定了裝載機(jī)的牽引性能和經(jīng)濟(jì)性。整車牽引特性計(jì)算的基礎(chǔ)包括發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的合理匹配，另外，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的合理配合也是傳動(dòng)車輛優(yōu)化設(shè)計(jì)以及動(dòng)力傳動(dòng)系匹配的前提。裝載機(jī)主要組成部分之一就是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，改善裝載機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要途徑是對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配。整車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的好壞在很大程度上是由裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配決定的。如果沒有一個(gè)與它合理匹配的傳動(dòng)系統(tǒng)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的性能，也不能充分發(fā)揮其性能。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配合理時(shí)，能使發(fā)動(dòng)機(jī)在其理想工作區(qū)附近工作，這樣的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，減少燃料消耗，還能減少尾氣排放、提高裝載機(jī)的使用壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)和整車參數(shù)確定以后，就應(yīng)當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)也選擇正確的參數(shù)，只有這樣達(dá)到裝載機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的合理匹配。綜上所述，對(duì)裝載機(jī)變速箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.1.2 裝載機(jī)變速箱概述
裝載機(jī)變速箱的作用是改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，是裝載機(jī)的傳動(dòng)部件。目前國(guó)內(nèi)裝載機(jī)采用的傳動(dòng)形式基本上都是采用變速箱和液力變矩器組合的傳動(dòng)形式。在變速箱的內(nèi)部采用齒輪傳動(dòng)，離合器的結(jié)合和分離由液壓動(dòng)力控制，從而達(dá)到實(shí)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(dòng)力換擋，也有個(gè)別變速箱采用部分動(dòng)力換擋，是通過在部分檔位上利用嚙合套和撥叉進(jìn)行的。
圖1-1 變速箱實(shí)物圖
變速箱的主要功能就是將柴油機(jī)的動(dòng)力，完成裝載機(jī)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(qū)動(dòng)車輪、驅(qū)動(dòng)橋等。主要是由渦輪四元件中的變矩器將兩個(gè)渦輪的動(dòng)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(jié)構(gòu)的主要組成部分是：倒檔行星變速機(jī)構(gòu)及直接檔總成、一檔行星變速機(jī)構(gòu)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(shí)物圖見圖1-1。
1.1.3裝載機(jī)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(gè)時(shí)期，這三個(gè)時(shí)期為：傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱、自動(dòng)變速箱和手自一體變速箱。傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃油經(jīng)濟(jì)性好，制造成本低，但是缺點(diǎn)是操作復(fù)雜；自動(dòng)變速箱的優(yōu)點(diǎn)是：駕駛輕松，但是缺點(diǎn)是燃油經(jīng)濟(jì)性差：手自一體變速箱存在同樣燃油經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)。另外自動(dòng)變速箱從自動(dòng)換擋原理上分類，又可分為電控機(jī)械式自動(dòng)變速器 （ATM）、無級(jí)自動(dòng)變速器（CVT）、液力自動(dòng)變速器（AT）和雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）。而液力自動(dòng)變速器又可分為電子控制液力自動(dòng)變速箱和液壓控制液力自動(dòng)變速箱兩種。
從變速箱的結(jié)構(gòu)形式來分類，目前裝載機(jī)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(guó)使用最多的產(chǎn)品；另一類是定軸式箱，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、工作可靠，如美國(guó)德納變速箱和德國(guó)采埃孚（簡(jiǎn)稱ZF公司）的變速箱。從結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)程度上行星式變速箱又可分為復(fù)雜式的變速箱和簡(jiǎn)單式的變速箱兩種，我國(guó)目前所采用的行星式變速箱簡(jiǎn)單式結(jié)構(gòu)，這種簡(jiǎn)單式結(jié)構(gòu)的變速箱一般為具有兩個(gè)行星排，在制造和維護(hù)上都相對(duì)與復(fù)雜式的變速箱比較容易。復(fù)雜行星式變速箱的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，這就大大增加了變速箱的制造難度。就中國(guó)目前的實(shí)際情況來說，中國(guó)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(diǎn)和缺點(diǎn)，因此兩種流派的變速箱一直在世界上并存。
我國(guó)中小型裝載機(jī)的變速箱目前普遍采用雙變集成技術(shù)。這種變速箱主要有三種結(jié)構(gòu)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(jī)械式半動(dòng)力換擋的變速器的組合（這種液壓機(jī)械式變速器具有4進(jìn)2退、3進(jìn)3退或者4進(jìn)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(dòng)力換擋的變速器（2進(jìn)1退）的組合。
第三種變速箱可以適應(yīng)負(fù)荷的變化，通過多檔位的切換，這樣降低了變速箱對(duì)變矩器結(jié)構(gòu)的要求，但缺點(diǎn)是操作頻繁，目前只有少數(shù)的30系列裝載機(jī)上還在使用。第一類變速箱應(yīng)用比較廣泛，目前主要在50系列的裝載機(jī)上應(yīng)用，因?yàn)槠錂n位較少，具有完全可實(shí)現(xiàn)單桿操縱的優(yōu)點(diǎn)；第二種變速箱除了輸出軸和輸入軸在轉(zhuǎn)動(dòng)外，其他軸都是固定不動(dòng)的，但固定與軸上的齒輪是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的部件，因此此類變速箱擴(kuò)大了檔位的選擇性，最多時(shí)可達(dá)到6進(jìn)3退共9個(gè)檔位的切換。
1.2 裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)分類
當(dāng)前國(guó)內(nèi)的裝載機(jī)變速箱的加載試驗(yàn)臺(tái)按能量傳遞方式分類通常可分為兩類：開放式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)和封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)，其中封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)又可以分為機(jī)械封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)以及電封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)。
1.2.1 開放式變速箱試驗(yàn)臺(tái)
圖1-2 開式變速箱試驗(yàn)臺(tái)原理圖
開放式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)是一種最早出現(xiàn)的試驗(yàn)臺(tái)，它的主要組成部件主要有主電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的傳動(dòng)裝置、帶動(dòng)加載裝置。試驗(yàn)臺(tái)的組成包括動(dòng)力區(qū)、試驗(yàn)區(qū)和模擬負(fù)載區(qū)。動(dòng)力區(qū)又由驅(qū)動(dòng)動(dòng)機(jī)、變速器及其附屬裝置組成，動(dòng)力區(qū)有向變速器試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力源的作用。試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)區(qū)主要組成包括被測(cè)件， 輸入輸出傳感器等裝置；試驗(yàn)臺(tái)模擬負(fù)載區(qū)的主要組成包括負(fù)載電機(jī)或發(fā)電機(jī)制動(dòng)器及附屬裝置。圖1-2為開式裝載機(jī)變速箱原理圖
開放式變速器試驗(yàn)臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作過程也簡(jiǎn)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(diǎn)是系統(tǒng)輸入的試驗(yàn)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(duì)于大功率并且時(shí)間長(zhǎng)的試驗(yàn)項(xiàng)目（如裝載機(jī)變速箱的疲勞壽命試驗(yàn)），它的試驗(yàn)成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后面將要敘述的封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái) 。
1.2.2 封閉式試驗(yàn)臺(tái)
封閉式的裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)在加載過程中產(chǎn)生的能量可以被驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dá)到節(jié)能的目的。與開放式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)相比，它可以節(jié)約大量能量，從而大大降低了試驗(yàn)成本。封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)又可以分為兩大類：機(jī)械封閉式的試驗(yàn)臺(tái)和電封閉式的試驗(yàn)臺(tái)。圖1-3為閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)原理圖。
圖1-3 閉式裝載機(jī)變速箱原理圖
（1） 機(jī)械封閉式的試驗(yàn)臺(tái)
機(jī)械封閉式的試驗(yàn)臺(tái)的工作原理是在一個(gè)封閉的傳動(dòng)系統(tǒng)中由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)為被測(cè)變的速箱提供動(dòng)力，使被測(cè)變速箱轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械封閉式的變速箱試驗(yàn)臺(tái)可以看作是有一個(gè)封閉的功率環(huán)流在一個(gè)封閉的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行，所以被之為機(jī)械封閉式的試驗(yàn)臺(tái)。由于這種類型試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)不高、能夠減少能量消耗，但是其缺點(diǎn)是加載裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，試件的轉(zhuǎn)速不能太高，而且設(shè)備龐大。所以在要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越來越高的現(xiàn)代，這種試驗(yàn)臺(tái)也逐漸被淘汰。
機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)通常的加載方式是液壓加載，工作原理是油缸在試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部發(fā)生彈性偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)加載。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以在試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)外部進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一方面補(bǔ)充試驗(yàn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)部的功率消耗，另一方面為試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)提供動(dòng)力源，從而使試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)正常運(yùn)行，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)一方面可以對(duì)測(cè)試件的輸入扭矩進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，另外，也可以改變對(duì)測(cè)試件的輸入扭矩，這種改變是通過調(diào)整液壓油缸的偏轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)的。
機(jī)械封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，被測(cè)試的變速箱的轉(zhuǎn)速不能超過某一確定的數(shù)值，需要定期的維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用比較高。特別是要求變速器的輸入轉(zhuǎn)速也逐漸變大，是因?yàn)楝F(xiàn)在隨著汽車使用的發(fā)動(dòng)機(jī)排量增大專速增高，故而機(jī)械封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)的缺點(diǎn)逐漸明顯。
（2） 電封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)
電封閉式的試驗(yàn)臺(tái)的組成部件是：控制部件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸入傳感器、被試變速箱、加載電機(jī)等，它的工作原理和機(jī)械閉式的試驗(yàn)臺(tái)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(gè)封閉的系統(tǒng)中運(yùn)行，所以被稱之為電封閉。電封閉試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，能源利用率和效率都很高，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的加載，但是缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴。這在一定程度上使電封閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展和應(yīng)用受到了限制。電封閉試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)應(yīng)用更加的成熟，因?yàn)榻蛔兗夹g(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了電封閉式試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)改變了原來效率低，加載慢，噪聲大的缺點(diǎn)得到很大改觀，不僅能還能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，而且源利用率大大提高，這種靜止變流技術(shù)還大大提高了加載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，將會(huì)被更多的人所應(yīng)用。
常規(guī)的電封閉式試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式如圖2.3所示。電封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)和開放式變速器試驗(yàn)臺(tái)在結(jié)構(gòu)上很類似，加載電機(jī)在對(duì)被測(cè)變速箱的進(jìn)行加載的同時(shí)，可以具有發(fā)電的功能，加載電機(jī)產(chǎn)生的電能可以通過試驗(yàn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)反饋給電網(wǎng)或者向被測(cè)試變速箱的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能。
電封閉式變速器試驗(yàn)臺(tái)不僅結(jié)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，節(jié)能效果很好，傳動(dòng)效率比較高，而且能夠方便的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載。
1.3 國(guó)內(nèi)外變速箱試驗(yàn)臺(tái)研究的現(xiàn)狀
1.3.1國(guó)外變速箱試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀
機(jī)械閉式試驗(yàn)臺(tái)已被國(guó)外的傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)和變速箱試驗(yàn)臺(tái)淘汰了，國(guó)外的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)改用為電封閉式試驗(yàn)臺(tái)和機(jī)械開式試驗(yàn)臺(tái)。因?yàn)闄C(jī)械開式試驗(yàn)臺(tái)不僅不需要陪試變速箱，而且能夠?qū)崿F(xiàn)變扭矩加載，這種加載的實(shí)現(xiàn)是通過使用相應(yīng)的部件與控制方式來實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，但是進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)需要重點(diǎn)考慮減少能源消耗的問題。電封閉試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行各種道路工況的負(fù)載模擬，電能重復(fù)利用。目前國(guó)外關(guān)于裝載機(jī)變速箱性能檢測(cè)方面的實(shí)驗(yàn)還是比較先進(jìn)的，能夠有對(duì)變速箱的性能進(jìn)行詳細(xì)研究的實(shí)驗(yàn)，各種測(cè)試變速箱的設(shè)備和器材也很先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)也比較高。
1.3.2國(guó)內(nèi)變速箱試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)裝載機(jī)變速箱的企業(yè)主要有：杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)有限公司，柳州采埃孚機(jī)械有限公司，廈門廈工橋箱有限公司，長(zhǎng)沙中南傳動(dòng)機(jī)械廠，三明齒輪箱有限公司，徐工集團(tuán)徐州齒輪廠，徐工特工義車驅(qū)動(dòng)橋廠等。另外，吉林大學(xué)對(duì)裝載機(jī)變速器相關(guān)技術(shù)的研究比較成熟。
因?yàn)閲?guó)外技術(shù)的壟斷現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)很多生產(chǎn)變速箱的廠家來對(duì)自己生產(chǎn)的變速箱進(jìn)行測(cè)試時(shí)不得不使用那些測(cè)試功能簡(jiǎn)單、測(cè)試功率低、精度和可靠性都不高的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。這樣往往得不到可信度高的數(shù)據(jù)，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的處理和分析。因此我國(guó)的變速箱產(chǎn)品的質(zhì)量往往得不到提高。因此，有必要設(shè)計(jì)出一種變速箱測(cè)控系統(tǒng)，可以使得測(cè)試的可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)還要控制簡(jiǎn)單、操作靈活，只有這樣才能以改變我國(guó)在變速箱試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)方面落后的現(xiàn)狀。
我國(guó)目前大多數(shù)變速箱生產(chǎn)廠家只進(jìn)行空載換擋試驗(yàn)，無法檢測(cè)裝載機(jī)變速器的性能。變速箱加載試驗(yàn)臺(tái)普遍存在可靠性能比較差，測(cè)試精度比較低，而且試驗(yàn)臺(tái)重量大，耗能大等缺點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)關(guān)于裝載機(jī)變速箱性能檢測(cè)方面的實(shí)驗(yàn)還是比較落后的，不能夠有對(duì)變速箱的性能進(jìn)行詳細(xì)研究的實(shí)驗(yàn)，各種測(cè)試變速箱的設(shè)備和器材也比較落后，實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)很低。但是因?yàn)樽兯傧涫茄b載機(jī)的關(guān)鍵部件，變速箱的性能直接影響了裝載機(jī)的性能，因此，在變速箱裝配完成后，很有必要對(duì)其進(jìn)行全面的檢測(cè)。
目前，國(guó)內(nèi)變速箱試驗(yàn)臺(tái)絕大部分為機(jī)械閉式試驗(yàn)臺(tái)，這種試驗(yàn)臺(tái)有很大的不足之處，具體體現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大而連接部分較多，目前僅僅能做定轉(zhuǎn)速，定扭矩排擋循環(huán)試驗(yàn)。
1.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)的分類及現(xiàn)狀，變速箱試驗(yàn)臺(tái)可分為兩類：開放式變速箱試驗(yàn)臺(tái)和封閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)，其中封閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)又包括機(jī)械封閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)和電封閉式變速箱試驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)也對(duì)機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)和電封閉式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比和分析。介紹了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)狀，以及國(guó)內(nèi)裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)的問題及缺點(diǎn)，提出了研究裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)的必要性。
第二章 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1 變速箱綜合性能試驗(yàn)方法
變速器試驗(yàn)項(xiàng)目通常包括有換擋性能試驗(yàn)、空載損失試驗(yàn)、傳動(dòng)效率試驗(yàn)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞測(cè)試、油壓試驗(yàn) 、可靠性試驗(yàn)、噪聲和振動(dòng)等。
1. 換擋性能試驗(yàn)
試驗(yàn)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(shí)的工作狀況，通過不同轉(zhuǎn)速和扭矩情況下的換擋操作來對(duì)換擋性能進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試參數(shù)主要包括：輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、離合器操縱油壓的動(dòng)態(tài)變化曲線及進(jìn)口油溫、出口油溫、工作油流量等。
2. 空載損失試驗(yàn)
測(cè)試參數(shù)主要包括：輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（或輸入轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)速）的關(guān)系曲線PK=f( n1 )或 T1=f(n1)。
3. 傳動(dòng)效率試驗(yàn)
測(cè)試參數(shù)主要包括：輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、變矩器進(jìn)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(zhuǎn)速關(guān)系曲線，輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。
4. 靜強(qiáng)度試驗(yàn)
強(qiáng)度測(cè)試主要是指對(duì)變速箱和傳動(dòng)軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)要將被測(cè)變速箱安裝在試驗(yàn)裝置上，然后將其輸出端固定，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)輸入端慢慢轉(zhuǎn)動(dòng), 同時(shí)要測(cè)量被測(cè)變速箱輸入端的扭矩、輸出端的扭矩以及輸入軸的扭轉(zhuǎn)角度，直到扭矩達(dá)到某設(shè)定值時(shí)加載停止，或者到變速箱損壞時(shí)停止加載，進(jìn)而可以判斷變速箱的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度性能。
5. 疲勞壽命試驗(yàn)
變速箱疲勞耐久性測(cè)試是指在一定的輸入轉(zhuǎn)速和油溫下對(duì)變速箱各個(gè)擋位按照額定的輸入扭矩進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到完成額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間或者變速箱發(fā)生損壞，試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)方案的確定
2.2.1 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
動(dòng)力裝置又稱為自動(dòng)變速器的性能試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，它可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，并且驅(qū)動(dòng)液力變矩器泵輪工作。動(dòng)力裝置應(yīng)滿足變速箱試驗(yàn)輸入動(dòng)力的要求，能調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩按一定的規(guī)律變化，如轉(zhuǎn)速恒定或恒轉(zhuǎn)矩控制。
常見的驅(qū)動(dòng)裝置有電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)或測(cè)功機(jī)。電動(dòng)機(jī)又有交流電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)等。
如果動(dòng)力裝置是發(fā)動(dòng)機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地模擬與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的變速器在裝載機(jī)上的真實(shí)使用的工況，與裝載機(jī)上的實(shí)際特性相吻合。但發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其缺點(diǎn)有：輸入動(dòng)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(diào)節(jié)到要求的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與扭矩等。 另外在實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)不同型號(hào)的變速箱進(jìn)行檢測(cè)，頻繁的更換不同型號(hào)的變速箱，這要求發(fā)動(dòng)機(jī)要不斷的啟動(dòng)和停止，這樣很不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，而且會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成一定程度的損壞，不利于實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。
目前，最為廣泛使用的動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其優(yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到合適的值?？梢赃x擇的電動(dòng)機(jī)有交流變頻控制電機(jī)。交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是變矩器的輸入轉(zhuǎn)速可調(diào)，可滿足比較廣泛的試驗(yàn)要求，并且具備啟動(dòng)功能，可以適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速的要求。缺點(diǎn)是變頻器造價(jià)比較高，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)較大時(shí)，需要提供較大的電量，同時(shí)操作也比較為復(fù)雜。裝載機(jī)變速箱性能試驗(yàn)可選用低于普通發(fā)動(dòng)機(jī)功率的交流變頻電機(jī)。
2.2.2 加載方案設(shè)計(jì)
對(duì)于變速箱的加載試驗(yàn)，因?yàn)樾盘?hào)的檢測(cè)與運(yùn)行控制已經(jīng)十分成熟，所以關(guān)鍵是負(fù)載的施加和控制。尤其是對(duì)大功率設(shè)備的負(fù)載試驗(yàn)來說，負(fù)載較大，這就導(dǎo)致能耗增加，所以負(fù)載的施加方式不僅會(huì)影響到試驗(yàn)效果，還可能造成設(shè)備的占地面積比較大，并產(chǎn)生很大的能量浪費(fèi)，因此負(fù)載施加方式的選擇對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的正常穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的作用。目前，加載試驗(yàn)臺(tái)通常采用的加載方式主要有：渦流測(cè)功機(jī)、磁粉制動(dòng)器、磁滯測(cè)功機(jī)、液力測(cè)功機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)等，各種加載方式各有其特點(diǎn)和不足，如表2-1所示
表2-1 各種加載方式的優(yōu)缺點(diǎn)
序號(hào)
加載裝置
功率流向
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
1
渦流測(cè)功機(jī)
輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失掉
控制電路簡(jiǎn)單、造價(jià)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(jìn)行冷卻
2
磁粉制動(dòng)器或皮囊抱閘
輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失掉
控制電路簡(jiǎn)單、造價(jià)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(jìn)行冷卻，加載功率小
3
磁滯測(cè)功機(jī)
輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失掉
控制電路簡(jiǎn)單、造價(jià)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(jī)帶阻性負(fù)載
輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失掉
控制電路簡(jiǎn)單、造價(jià)較低
在速度變化較大場(chǎng)合無法控制負(fù)載的施加
5
機(jī)械封閉
輸出機(jī)械能再回饋到驅(qū)動(dòng)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(yàn)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)具有離合器或變矩器等存在滑差的被試設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)加載
6
液力測(cè)功機(jī)
輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)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(shè)備占地較大
7
直流發(fā)電機(jī)
輸出機(jī)械能再回饋到驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)加載和反拖加載
電機(jī)可靠性較低，尤其在高速運(yùn)行時(shí)，容易產(chǎn)生故障
8
交流發(fā)電機(jī)變頻矢量控制
輸出機(jī)械能在轉(zhuǎn)化為電能回饋到驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)加載和反拖加載，對(duì)具有離合器或變矩器等存在滑差的被試設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高精度加載
造價(jià)相對(duì)較高，在同等功率容量時(shí)交流電封閉式比直流電封閉式造價(jià)高些
在液力變速箱的臺(tái)架試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺(tái)所用的主要加載方法包括：水力測(cè)功法、電渦流測(cè)功法和電封閉測(cè)功法3種方法。其中，水力測(cè)功法因?yàn)槠浼夹g(shù)的落后、操作的復(fù)雜，現(xiàn)已基本被淘汰；電渦流測(cè)功機(jī)則在部分的廠家的加載設(shè)備中有還應(yīng)用，但電渦流測(cè)功機(jī)存在缺點(diǎn)：需要水冷卻、能耗比較大、控制精度比較差、不能進(jìn)行反拖試驗(yàn)、響應(yīng)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(diǎn)是：技術(shù)比較先進(jìn)、能夠高效節(jié)能，能夠完成反拖試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、程序加載試驗(yàn)、隨機(jī)加載實(shí)驗(yàn)、路譜加載試驗(yàn)等試驗(yàn)。
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(diǎn)封閉加栽方案大多數(shù)采用直流電動(dòng)機(jī)的方案，而近幾年隨著交流技術(shù)的發(fā)展，使得電封閉加載方式得到了廣泛應(yīng)用，這種電封閉加載是由交流發(fā)電機(jī)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(diǎn)是：功率因數(shù)比較低，對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，系統(tǒng)造價(jià)低，可靠性比較低；而交流電封閉式的特點(diǎn)是：功率因數(shù)比較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，控制精度也比較高，適合很寬的速度范圍，對(duì)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(jià)比較高等。目前，國(guó)際國(guó)內(nèi)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(dòng)單元與負(fù)載單元都采用直流可逆的調(diào)速器和直流電動(dòng)機(jī)，從交流電網(wǎng)吸收交流電能經(jīng)過拖動(dòng)單元送給拖動(dòng)電機(jī)，達(dá)到將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的目的，然后拖動(dòng)被試變速箱的負(fù)載電機(jī)從被試變速箱的輸出軸吸收機(jī)械能并把其轉(zhuǎn)化成直流電能，由負(fù)載單元的可逆直流調(diào)速器將直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能回送到交流電網(wǎng)，從而能夠?qū)崿F(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(dòng)單元與負(fù)載單元都采用交流變頻的調(diào)速器和交流變頻電動(dòng)機(jī)，從而拖動(dòng)電機(jī)能夠處于電動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)能夠處于交流發(fā)電運(yùn)行的狀態(tài)。整流器能夠?qū)慕涣麟娋W(wǎng)吸收的交流電能轉(zhuǎn)化成直流電能，拖動(dòng)單元能夠?qū)闹绷髂概盼盏闹绷麟娔苣孀兂山涣麟?，然后送給拖動(dòng)電機(jī)，拖動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能拖動(dòng)被試變速器，負(fù)載電機(jī)從被試變速器的輸出軸吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化成交流電能，由負(fù)載單元的變頻器將交流電能轉(zhuǎn)化成直流電能送到直流母排，從而實(shí)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(diǎn)是很明顯的，尤其在工作現(xiàn)場(chǎng)條件差的情況下，宜采用交流發(fā)電機(jī)作為加載裝置。
2.3 試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和組成
工作原理：裝載機(jī)變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)裝載機(jī)變速箱性能臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和故障分析的系統(tǒng)。變速箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本工作原理是通過測(cè)量變速箱的輸入、輸出功率，然后得到變速箱的傳動(dòng)效率。實(shí)現(xiàn)這測(cè)量過程的是，通過輸入端安裝轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在變速箱的輸出端連接升速箱、加載裝置，實(shí)現(xiàn)變速箱的制動(dòng)。在加載裝置和變速箱之間安裝轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算就可以得到變速箱的輸入功率和傳動(dòng)效率。
本課題的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為裝載機(jī)變速箱，試驗(yàn)臺(tái)為電封閉式試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)裝載機(jī)變速箱各項(xiàng)性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，模擬真實(shí)使用下變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)包括變速箱試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)、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(tái)用于不同規(guī)格的變速箱總成的軸向尺寸的調(diào)整，以便實(shí)現(xiàn)快速裝夾）等。
2.3.1 試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式
變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)集機(jī)、電為一體的設(shè)備，試驗(yàn)臺(tái)主要由基本底座，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，升速箱，加載電機(jī)，加載裝置，加載調(diào)整機(jī)構(gòu)、變速箱裝夾機(jī)構(gòu)等組成。圖2-1 為裝載機(jī)變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。圖中1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2為輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，3為離合器，4是聯(lián)軸器，5是變速箱裝夾機(jī)構(gòu)，6是被測(cè)變速箱，8是聯(lián)軸器，9是輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，10是升速箱，11是加載電機(jī)，12是底座。
圖2-1 裝載機(jī)變速箱試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
2.4 電機(jī)的選取
2.4.1 選擇電機(jī)的容量
電機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)電源、載荷特點(diǎn)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(shí)都應(yīng)選擇交流電動(dòng)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量都是由額定功率來表示的。所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛏源笥诠ぷ魉蟮念~定功率。當(dāng)電機(jī)容量小于工作要求的額定功率時(shí)，則不能保證試驗(yàn)臺(tái)正常工作，或著使電動(dòng)機(jī)處于長(zhǎng)期過載狀態(tài)，電機(jī)因?yàn)榘l(fā)熱過大而過早損壞；而容量過大就會(huì)增加試驗(yàn)臺(tái)成本，并且因?yàn)楣β屎凸β室驍?shù)過低而造成能量浪費(fèi)。
由于變速箱試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)載荷變化很小，只要電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不超過電機(jī)的額定值，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)發(fā)熱，通常不必校核啟動(dòng)力矩和發(fā)熱。所需電動(dòng)機(jī)的功率為：
pd=pnηKw （2-1）
工作機(jī)所需功率Pw應(yīng)由機(jī)器工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算求的，
Pw=Fv1000ηw Kw （2-2）
或
Pw=Tnw9550ηwKw （2-3）
總效率η按式（2-4）計(jì)算
η=η1η2η3η4?ηn （2-4）
其中各值分別是傳動(dòng)裝置中每一傳動(dòng)副，每對(duì)軸承，每個(gè)聯(lián)軸器的效率。
2.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的選取
同一類型的電機(jī)，相同的額定功率有多種可供選擇的轉(zhuǎn)速，如果選用轉(zhuǎn)速比較低的電機(jī)，則會(huì)因級(jí)數(shù)較多而外廓尺寸及重量比較大，價(jià)格比較高，但可以使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比及尺寸變小，選用轉(zhuǎn)速高的電機(jī)則恰恰相反。故應(yīng)全面分析優(yōu)缺點(diǎn)來選定電機(jī)轉(zhuǎn)速。
按照試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速要求和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理傳動(dòng)比范圍?？梢酝扑愠鲭妱?dòng)機(jī)的可選范圍：
n=(i1i2i3i4?in)nw （2-5）
本試驗(yàn)臺(tái)要求輸入轉(zhuǎn)矩為：85Nm；輸入轉(zhuǎn)速為0-3000r/min；加載電機(jī)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=Tnw9550ηwKw=85×30009550×0.86=31.05Kw （2-6）
主電機(jī)與輸入軸傳動(dòng)比定為3/10，加載電機(jī)與輸入軸傳動(dòng)比定為1。其他各級(jí)總傳動(dòng)比設(shè)為0.9，帶入下式
n=i1i2i3i4?innw=1111r/min （2-7）
根據(jù)以上數(shù)據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12.1，主電機(jī)選用Y225M-2型，加載電機(jī)選用Y132M1-6型。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12.3可查得電機(jī)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(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下表2.2.
表2-2 電機(jī)技術(shù)參數(shù)
電機(jī)型號(hào)
額定功率Kw
額定轉(zhuǎn)速r/min
最高轉(zhuǎn)速r/min
額定轉(zhuǎn)矩
Y225M-2
45
2970
3000
Y132M1-6
3
960
1000
2.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了裝載機(jī)變速箱綜合性能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)種類和目的，對(duì)比了幾種驅(qū)動(dòng)和加載方案，確定了本試驗(yàn)臺(tái)加載和驅(qū)動(dòng)的方案。簡(jiǎn)單介紹了本試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，最后對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件交流異步變頻電機(jī)進(jìn)行了選型，對(duì)電機(jī)的容量，轉(zhuǎn)速范圍和電機(jī)的外形尺寸進(jìn)行了確定，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的各部件提出以下要求：
（1）試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置的整體性并兼顧個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性。
（2）試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具有可調(diào)整性和可替換性。
（3）試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)保持一定的先進(jìn)性。
第三章 加載部分主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 升速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于一般電機(jī)額定轉(zhuǎn)速比較高，而實(shí)驗(yàn)輸出軸的轉(zhuǎn)速都比較低，所以設(shè)計(jì)人員都會(huì)在加載電機(jī)前增加一個(gè)升速裝置，例如調(diào)速箱。升速箱有增大輸出轉(zhuǎn)速范圍的作用，一般三相異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為一到兩千轉(zhuǎn)左右，而試驗(yàn)臺(tái)要求的轉(zhuǎn)速有時(shí)會(huì)達(dá)三千轉(zhuǎn)甚至更高。有的變速箱試驗(yàn)臺(tái)是由兩個(gè)皮帶輪進(jìn)行升速的，其缺點(diǎn)是占地面積大，臺(tái)架高速運(yùn)行時(shí)噪音大，而且改變傳動(dòng)速比時(shí)操作比較麻煩。而近期開發(fā)的變速箱試驗(yàn)臺(tái)都沒有采用這種升速方式，而改用了齒輪箱進(jìn)行升速。這樣的結(jié)果是試驗(yàn)臺(tái)的體積小，高速運(yùn)行時(shí)噪音也小，而且改變傳動(dòng)速比是操作簡(jiǎn)單。故選用齒輪箱進(jìn)行升速。
3.1.1 升速箱傳動(dòng)方案的確定
由于升速箱傳動(dòng)比較小，故選用一級(jí)齒輪傳動(dòng)。采用圓柱齒輪傳動(dòng)。
（1）升速箱傳動(dòng)總效率
（3-1）
（2）齒輪材料的選擇
小齒輪選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)平均硬度280HB
大齒輪選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)平均硬度240HB
（3）確定齒輪精度等級(jí)
選擇8級(jí)精度
（4）選齒數(shù)
小齒輪齒數(shù)選取z1=21，根據(jù)傳動(dòng)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(shè)計(jì)及校核，輸出軸上的功率P轉(zhuǎn)速N及轉(zhuǎn)矩T
T=9550000PN （3-4）
T=1000000N.mm
n=3000r/min
P=T×N9550000=1000000×30009550000314.136kw （3-5）
（1）軸的材料選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)抗彎強(qiáng)度
其結(jié)構(gòu)如下3-1圖所示
圖3-1 齒輪軸結(jié)構(gòu)圖
（2）查機(jī)械零件表16.3得，許用彎曲應(yīng)力
（3）畫出軸的空間及垂直和水平面內(nèi)的受力圖，如下圖3-2所示
圖3-2 齒輪軸受力圖
垂直面內(nèi)的支座反力為：
（3-6）
得
水平面內(nèi)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(zhuǎn)矩圖，圖3-4。
圖3-4 齒輪軸轉(zhuǎn)矩圖
其中T=47300N·mm
（6）做當(dāng)量彎矩圖，圖3-5。
圖3-6 齒輪軸當(dāng)量彎矩圖
（3-9）
（3-9）
（7）計(jì)算危險(xiǎn)截面軸徑
判斷危險(xiǎn)截面：連接聯(lián)軸器處，齒輪處和左側(cè)軸承處
（3-10）
（3-11）
（3-12）
故該齒輪軸滿足強(qiáng)度要求。
3.2 聯(lián)軸器的選擇與校核
在負(fù)載與傳感器，負(fù)載與輸出軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器，加載電機(jī)與升速箱等處都需要安裝聯(lián)軸器。由于材料和結(jié)構(gòu)的不同，用于各個(gè)傳動(dòng)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(duì)電動(dòng)機(jī)的工作載荷的沖擊。正反轉(zhuǎn)、震動(dòng)、頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的載荷類別。
聯(lián)軸器的種類優(yōu)缺點(diǎn)和用途見下表
表3-1 聯(lián)軸器的類別及應(yīng)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(diǎn)
構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩
有移動(dòng)副，可以補(bǔ)償兩軸偏移
緩沖吸振，可補(bǔ)償較大的軸向位移
具有過載保護(hù)作用，電機(jī)帶載啟動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瓶蛰d啟動(dòng)
價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
具有一定的補(bǔ)償被連兩軸軸線相對(duì)偏移的能力
缺點(diǎn)
不允許兩軸有相對(duì)位移，無緩沖
無緩沖，移動(dòng)副應(yīng)加潤(rùn)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(zhuǎn)速低，無沖擊，軸的剛性大的場(chǎng)合
用于低速轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)合
正反向變化多，啟動(dòng)頻繁的高速軸
用于載荷變化很小或需要過載保護(hù)的場(chǎng)合
用于兩軸軸線相對(duì)偏移極小的情況下
適用于低速、重載、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的場(chǎng)合
由以上比較，試驗(yàn)臺(tái)選用彈性聯(lián)軸器。
根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-4 選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為HL2
取載荷系數(shù)K為K=1.4
而聯(lián)軸器所連接的軸 T=436000N·mm
KT=1.4×425217=610404N·mm （3-13）
則軸孔直徑d=38mm，L1=60mm。
3.3 鍵的選擇計(jì)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
①選擇A型普通平鍵
②根據(jù)d=40mm查課程設(shè)計(jì)課本表5-1取 b=12mm, h=8mm
③根據(jù)輪轂長(zhǎng)度65mm，查課程設(shè)計(jì)課本表5-1取鍵的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度60mm
④取鍵的材料 45#
3.4 升速箱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
升速箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖3-8所示
圖3-8 升速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)
此升速箱為一級(jí)傳動(dòng)，升速比為3，輸入軸為大齒輪，齒數(shù)為63，因?yàn)樾↓X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(jié)
本章為升速箱的設(shè)計(jì)，升速箱為一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，升速比為3，重點(diǎn)研究了變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)中加載部分關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及動(dòng)力連接部件聯(lián)軸器的選定，并對(duì)不同類別的聯(lián)軸器做了比較，重點(diǎn)對(duì)升速箱齒輪輸出軸進(jìn)行了校核，對(duì)連接件的尺寸和校核進(jìn)行了說明。設(shè)計(jì)了升速箱的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，最后給出了升速箱的結(jié)構(gòu)圖。
第四章 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和加載調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于裝載機(jī)變速箱綜合試驗(yàn)臺(tái)要求測(cè)試多種型號(hào)的變速箱，故需要調(diào)整機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)及夾具的上下位置，調(diào)整范圍不需要很大，但要求精確，故選用絲杠來做調(diào)整機(jī)構(gòu)的精確調(diào)整。
滾珠絲杠的組成包括螺桿、螺母和滾珠。它可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展具有將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)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(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中。
滾珠絲杠是精密機(jī)械上最常用的傳動(dòng)元件之一，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆的作用力，同時(shí)具有精度高、可逆性好和效率高的優(yōu)點(diǎn)。滾珠絲杠有以下具體優(yōu)點(diǎn)：與滑動(dòng)絲杠相比驅(qū)動(dòng)力矩小，能夠保證精度高，微進(jìn)給的實(shí)現(xiàn)，沒有側(cè)隙、剛性好，進(jìn)給速度高
4.1.1 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)方案的確定
驅(qū)動(dòng)調(diào)整方案是由電機(jī)傳遞動(dòng)力，由帶傳動(dòng)帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過錐齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到絲杠。驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)速較低、滾珠絲杠較短的情況。兩端游動(dòng)是一種常見的安裝方法，適用于中等轉(zhuǎn)速的情況。一端固定、一端游動(dòng)則適用于中等轉(zhuǎn)速，需要高精度運(yùn)行的場(chǎng)合，而兩端固定的安裝擇適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)、需要高精度運(yùn)行的場(chǎng)合。故選用兩端固定的安裝方式。
4.1.2 驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的選擇
絲杠工作長(zhǎng)度l=1m，平均轉(zhuǎn)速nm＝100r/min，最大轉(zhuǎn)速nmax＝10000r/min，絲杠材料選用CrWMn鋼。
（4-1）
根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)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(shù)參數(shù)
規(guī)格型號(hào)
D0
公稱導(dǎo)程 p
絲杠外徑 d
鋼球直徑 d0
絲杠內(nèi)徑 d1
動(dòng)負(fù)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(dǎo)程：p=6mm
螺旋角：λ=arctan(6/(50π))=2°11′
滾珠直徑：d0=3.969mm
絲杠內(nèi)徑：d1 =45.76mm
臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速nmax
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