机械传动综合实验台传动系统结构设计正文.doc
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黄河科技学院毕业设计（论文）第9页
1绪论
1.1机械传动综合试验台的发展现状及趋势
机械制造业是现代工业的主体，是装备工业的支柱产业。
在工业化中期，国民经济增长主要依赖制造业的高速增长，机械制造业对整个工业的发展起到基础和支撑作用。
机械工业是国家工业现代化的基础和经济实力的集中表现，也是实现军事现代化和保障国家安全的基础。
因此，尽管当今世界上发达国家向以服务业为重心的工业化社会和知识经济方向发展，但仍然高度重视机械工业的发展，其主导产业和战略产业地位依然牢固，美国、日本、德国拥有世界上最发达的机械工业，包括这三大国在内的许多发达国家都积极采取对策，重塑机械工业以迎接世界新一轮的产业结构调整和更加激烈的竞争。
当今世界机械工业的发展呈现全球化、集群化、信息化、服务化、产品高技术化的趋势。
一是全球化战略已成为机械工业跨国公司抢占世界市场的首选战略，跨国公司为克服全球性生产能力过剩和产品生产成本不断上升的困难，加快了机械工业结构调整的步伐，纷纷将重心转向国外，掀起了新的兼并浪潮，规模越来越大，规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强[1]。
二是集群化趋势不断增强，同种产业或相关产业的制造企业在同一区域有机地集聚，通过不断创新而赢得竞争优势，具有特色的中小企业发挥着重要作用。
三是机械工业正向信息化方向迈进，新趋势主要表现为柔性制造系统、计算机集成制造系统的开发与推广应用，并向制造智能化方向发展，特别是网络技术的应用，进一步加速了机械工业全球化的进程，并正在改变机械工业的生产和流通方式。
四是服务个性化，为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。
五是产品高技术化，先进的机械工业是高新技术的重要组成部分，是促进相关产业技术升级和发展的重要依托，随着信息技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量已成为市场竞争取胜的关键。
在机械系统中，工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量才能工作。
但是把原动机和工作机直接连接的情况很少，通常需要在二者之间加入传递动力或改变运动状态的传动方式。
机械传动系统是应用最为普遍的传动装置及机器中的重要部件之一，随着科学的发展、技术的进步,机械传动系统的传动方式、方法、承载能力都有了迅速的发展，人们对产品性能和产品质量提出了更高更严格的要求。
为了对机械传动系统的性能、寿命进行测试和分析,为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量，适应产品小批量、多品种的发展趋势。
1.2国内外对传动实验台研究的差距
国外较早地开始了这方面的研究，如美国Gleason公司在五十年代就设计出了用轮系作为加载系统的传动实验台的方案。
比较著名的还有美国国家航空航天局（NASA）下属的Lewis研究中心、前苏联中央机械制造与设计研究院、美国通用动力公司、德国RENK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、法国Skoda公司等。
从试验台方案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模式。
与国外相比，国内对于传动实验台的研究起步相对较晚。
研究工作始于八十年代初期。
国内较早从事这方面研究工作的主要单位有重庆大学、郑州机械研究所、长春汽车研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学、合肥工业大学、四川工业学院、西安减速机厂、西安公路交通大学等单位。
他们先后建立起了各种形式的传动试验台，这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了丰富的经验，代表着我国机械传动试验设备的发展水平。
因此,对机械传动系统多功能试验台的研究具有特别重要的意义。
1.3现代机械传动实验台的发展方向
现代的机械传动实验台正朝着电封闭功率流式的方向深入发展。
采用电封闭功率流的试验台易于控制，易于设计制造，各组成部分之间逐渐模块化、单元化，以便于使用和维护。
在其组成上，原动机采用电动机，负载装置采用发电机。
由于直流电动机具有易于控制、运行平稳和机械特性硬等优点，因此在电封闭试验台中处于主导地位，作为负载的发电机也多采用直流发电机，直流发电机发出的电能可以直接回馈给电动机，不需要逆变环节。
这样就可以大大地简化试验台的组成，降低系统的复杂程度。
在控制系统上，早期建立的试验台没有专门的控制系统，仅靠机构组合及传动零件间的啮合作用来实现特定的加载功能。
随着加载技术的不断发展，逐渐开始采用继电器控制来完成简单的控制操作。
现代传动试验台已经广泛地应用电子技术和现代控制理论来实现试验过程的自动控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的自动监测、保护等功能。
在数据测量系统上，大多采用计算机自动测量技术来实现数据的自动采集，如湘仪动力测试仪器厂生产的以Z80计算机为核心的JXW-l型机械效率仪，其它还有用Apple计算机、单板机、单片机为核心的数据采集系统。
1.4课题研究的内容
机械传动试验台是对常见的传动部件和装置如:
链传动、带传动、减速器、变速箱等进行综合性能测试的试验设备。
通过试验来检验传动装置设计的合理性，加工、制造、装配和调试的工艺性。
对试验结果的深入分析将有助于了解和评定传动部件和装置的综合机械性能同时也为工程设计人员提供实践的参考资料和设计依据。
随着机械工业向着高速比、大功率、低噪声等方向飞速发展，人们对于机器传动系统的性能提出了更高的要求，因此，本文对于传动试验台的深入研究将具有重要的实际应用意义。
机械传动是利用机械方式传递动力和运动的传动。
机械传动在机械工程中应用非常广泛,有多种形式，主要可分为两类：
一是靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动和摩擦轮传动等。
摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。
二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。
啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。
由于机械传动在其结构和运动形式上的复杂性和多样性，使得学生在理解和掌握机械传动部分的内容时非常困难。
机械传动件的性能是工程界十分重视的一个问题,它直接影响产品成本及能源消耗,每个设计师都希望自己设计的机器是一台高效率,噪声低,振动小,温升低的机械。
但是,由于机器结构等因素的影响,实际机器很难达到理想的计算效率及其它设计参数,其原因是计算值是在理想状态下（包括轴承预紧润滑受力及加工精度）给出的。
实际机器效率受加工精度和装配精度及使用条件等因素影响将低于计算效率。
这就需要测量实际机器的效率值和与其相关的参数,给传动装置的选择及改进设计提供数据。
随着机械传动实验台的不断更新和改进，现在用于教学的实验台大多都是多功能实验台，即一个实验台上有多种机械传动的方式，这样可以减少实验台的数量，使学生对机械传动各种不同的传动方式有了解，也可以让学生了解传动之间的连接，为以后复杂的机械系统的设计打下基础。
为了让学生对机械传动有更实质上的了解，许多针对机械传动的实验台被应用于教学当中。
目前，国内先后有多所大学建立了各自的传动试验台。
机械传动试验台是用来对传动装置进行综合性能测试的实验平台，利用它可以模拟出被试传动装置的工作环境，评估和验证其综合性能。
本文就是设计一个机械传动综合实验台的传动系统。
设计的重点是利用在传动系统的输入和输出两端加转矩转速传感器，利用该转速转矩传感器测量出机械传动系统的输入和输出的功率，转矩，转速以及效率等动力参数。
设计的实验台要求机械传动性能综合测试实验台的方便性、实用性，同时也保证了实验教学功能和科研辅助功能。
能快速组装多种组合机械传动,测试各种传动的速比、转矩、效率，可恒定加载、恒转速、恒转矩，同步适时或连续采样，能自由进行数据采集处理、工况控制与实验结果自动输出。
2总体设计方案拟定
2.1实验台设计要求
2.1.1实验台特点
本实验装置为模块化结构，由四大模块组成，分别为：
Ⅰ—动力源模块（电动机部分）；
Ⅱ—传动装置模块（减速器及其他传动部件组成传动系统）；
Ⅲ—加载模块（磁粉加载器、控制箱）；
Ⅳ—测试模块（转矩转速传感器，扭矩测试卡，转矩、转速、效率等测试软件）。
本实验台基本组成见图2.1。
驱动装置
qoi
测量装置
被试装置
测量装置
加载装置
图2.1试验台的基本组成
从图2.1可以看出，实验动力由驱动装置发出，经测量装置、被试装置传递
到加载装置。
测量装置用来测量出动力传递过程中的一些基本机械参量，主要有转速、扭矩、功率、效率等。
通常用作驱动装置的有发动机、电动机等;用作测量装置的为转速转矩传感器;用作加载装置的有齿轮箱、发电机、液压缸、磁粉制动器、电涡流测功机等。
机械传动实验台从工作原理上可以分为开放功率流式实验台和封闭功率流式实验台。
下面分别对它们的组成及特点作简要介绍。
1）开放功率流式
开放功率流式实验台组成原理如图2.2所示
原动机
传感器
被试装置
传感器
负载装置
测量装置
测控台
图2.2开放功率流式原理
实验台的输入功率由原动机提供，经过被试装置传递至负载装置。
负载装置采用纯粹的耗能部件，如磁粉制动器、电涡流测功机等，传递到负载装置的功率被负载装置完全消耗掉，同时给被试装置施加了载荷。
由于整个实验台的功率流向未形成回路，故称其为开放功率流式。
开放式功率流式实验台的主要优点是:
结构简单、制造安装方便、加载稳定可靠、能够方便地进行不同功率和各种形式的被试装置的测试实验，但是，由于功率流开放使得动力消耗大，造成能量的巨大浪费，实验费用较高，这类实验大多用于中小功率、非长期运转的实验。
2）封闭功率流式
封闭功率流式实验台的组成原理如图2.3。
该种类型的实验台在结构上与开放功率流式相似，不同之处在于负载装置具有功率回收功能。
从原动机发出的功率可以部分地反馈回原动机，既达到了加载的目的，又实现了节能。
封闭功率流式实验台除了具有开放功率流式的优点外，还具有节能的优点，节能效果可达50%左右，因而它适用于较大功率的被试装置进行长期的运转实验。
原动机
传感器
被试装置
传感器
负载装置
测量装置
控制台
能量控制
图2.3封闭功率流式原理
实验台的负载装置是用来对被试装置进行加载的，是实验台重要的组成部分。
加载方式的不同对于实验台的性能有着重要的影响。
常见的机械传动实验台的加载方式主要有机械加载、液压加载、电力加载。
在传动试验台发展的初期阶段，大多采用机械加载方式。
常见的机械式加载装置主要有摇摆齿轮箱、轮系、弹性扭力杆等。
机械式加载具有较大的力矩放大能力，适用于大功率和大扭矩的场合。
其缺点是结构复杂，加载装置中的受力零件易被磨损而引起功率的损失，易产生振动和噪声，且在加载器的设计与制造时对于零件的材料和热处理有较高的要求，制造成本高。
随着生产的不断发展，机械加载方式已逐渐被其它的加载方式所取代。
液压加载方式是指采用液压泵、旋转液压伺服器等作为负载装置。
液压加载可以实现较大的加载功率，利用液压加载控制系统可以在加载过程中改变载荷。
液压加载的缺点就是加载过程中载荷是脉动性的，液压缸油路系统的泄漏也易造成加载不平稳，而且由于液体会被压缩，因而在小功率条件下的试验结果不准确。
目前，试验台采用液压加载方式的单位有:
西安重型机械研究所、广西汽车拖拉机研究所、山东科技大学等单位。
电力加载的方式是指利用电涡流测功机、磁粉制动器、发电机等作为负载装置。
电力加载具有运行平稳、易于控制、加载精度高等优点，特别是利用发电机作为加载装置，可以将机械能转化为电能并回馈给原动机，实现了能量的回收。
目前电力加载的方式得到了广泛采用，国内采用电力加载方式的单位有:
重庆大学、郑州机械研究所、吉林工业大学合肥业大学、西安理大学等单位。
另外，机械传动试验台的传动系的布置方案有垂直和平行两种。
平行传动是指对于整个传动系来说，输入轴和输出轴是平行布置的。
平行机械传动方案如图2.4所示。
图2.4平行轴式机械传动
而垂直轴式机械传动指传动系统的输入轴和输出轴是垂直布置的图2.5和图2.6是
垂直机械传动方案的简图。
图2.5垂直轴式机械传动
图2.6垂直轴式机械传动
综合上面介绍的实验台的各个组成模块的优缺点，本次设计选用如图2.7的机械传动综合实验台方案。
图上简要给出了实验台的结构示意图，其中传动部分可以根据需要选择不同的传动方式进行组合，共同组装成传动系统。
图2.7中所示的带传动和链传动只是示意图，设计时可根据需要进行选择别的传动方式。
图2.7传动实验台的组成示意图
1-磁粉加载器2-传感器3-链传动（带传动）4-输出减速器5-带传动
6-输入传感器7-电动机8-计算机及测试软件9-加载器控制
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