基于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)組合裝置的設(shè)計(jì)

黃象珊， 謝頌京

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

高職汽車專業(yè)的專業(yè)定位與培養(yǎng)目標(biāo)是具備良好的職業(yè)基本素質(zhì)，嫻熟、規(guī)范專業(yè)基礎(chǔ)操作技能，清晰故障診斷思路與分析能力及可持續(xù)發(fā)展能力［1］。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須制定科學(xué)合理的理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)現(xiàn)，學(xué)生實(shí)踐技能的提高，必須向?qū)W生提供優(yōu)質(zhì)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。比如，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，大量電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等在汽車上的運(yùn)用，汽車是集機(jī)械、液壓及電子控制系統(tǒng)的集成產(chǎn)品，但在汽車檢修過程中，還是離不開汽車專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用和檢修基本工具使用。目前，國(guó)內(nèi)不少教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的機(jī)械傳動(dòng)性能綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)和液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，都不是從培養(yǎng)汽車類高職學(xué)生的目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的教學(xué)設(shè)備［2］，缺乏針對(duì)性，開發(fā)的設(shè)備在原理、結(jié)構(gòu)和控制等方面不能很好地體現(xiàn)汽車專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實(shí)訓(xùn)思路，教學(xué)效果不明顯。針對(duì)這一情況，我們自行開發(fā)設(shè)計(jì)，采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有數(shù)據(jù)采集功能的傳動(dòng)組合裝置來(lái)滿足當(dāng)前教學(xué)的需求。

1 實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

（1）在實(shí)訓(xùn)裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)盡量多的汽車機(jī)械傳動(dòng)方式和傳動(dòng)功能。

（2）學(xué)生能動(dòng)手操作裝置，可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意組合液壓傳動(dòng)方案或機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案，有利于學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)和動(dòng)手創(chuàng)新能力。

（3）在設(shè)備盡量的覆蓋本專業(yè)各種基礎(chǔ)知識(shí)，有利于學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)［3］。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自行研發(fā)基于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)組合裝置，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等組成，圖1所示為基于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)組合裝置組成架構(gòu)圖。以液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源，由液壓回路構(gòu)成了驅(qū)動(dòng)裝置，液壓回路由學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)，可以是方向控制回路、速度控制回路等。傳動(dòng)系統(tǒng)由平面四桿機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、凸輪機(jī)構(gòu)［4］等傳動(dòng)模塊組成，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)不同的傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)方案，并按所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案進(jìn)行裝配組合，再測(cè)試檢驗(yàn)其合理性。該實(shí)訓(xùn)裝置把基本傳動(dòng)裝置和基本的液壓回路進(jìn)行有機(jī)組合，可以進(jìn)行液壓系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)單元上有相應(yīng)的傳感器與外接設(shè)備相連，可以測(cè)試相應(yīng)運(yùn)動(dòng)單元的直線位移、角位移和擺動(dòng)速度等性能參數(shù)。這樣，既能滿足基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的汽車機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)需求，又能使學(xué)生進(jìn)一步掌握典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓回路的特點(diǎn)，掌握測(cè)試與分析的方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高手腦并用能力。

圖1 基于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)組合裝置組成架構(gòu)圖

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓回路構(gòu)成該裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，液壓回路是由若干液壓元件組成的用來(lái)完成特定功能的典型回路。液壓回路單元作為驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元運(yùn)動(dòng)，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元不同的運(yùn)動(dòng)要求，液壓元件可在實(shí)訓(xùn)裝置臺(tái)上的滑槽快速、自由插接組合，實(shí)現(xiàn)新的液壓回路。在液壓回路中，執(zhí)行元件是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，將液壓系統(tǒng)提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能輸出，從而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)組合裝置的實(shí)驗(yàn)需求，執(zhí)行元件采用低速液壓馬達(dá)。低速液壓馬達(dá)具有排量大、體積大、轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)［5］，不需要減速裝置，可以直接與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的工作機(jī)構(gòu)連接，傳遞動(dòng)力。以換向回路和定壓式節(jié)流調(diào)速回路為例進(jìn)行設(shè)計(jì)［6］，以適用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元低速、輕載等特性。

2.1 換向回路的設(shè)計(jì)

換向回路由油箱、液壓泵、溢流閥、換向閥和液壓馬達(dá)等液壓元件組成，如圖2所示。為了使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，能清楚觀察傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)情況，換向閥采用手動(dòng)換向閥，通過手動(dòng)控制換向回路中三位四通換向閥，改變油液流向，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變，從而改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元中與液壓馬達(dá)相連接的齒輪、曲柄、帶輪、鏈輪或槽輪等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向。

圖2 換向回路

2.2 定壓式節(jié)流調(diào)速回路的設(shè)計(jì)

節(jié)流調(diào)速回路由油箱、液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥和液壓馬達(dá)等液壓元件組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等特點(diǎn)，能獲得極低的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)節(jié)流閥安裝的位置不同，分為進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路、出口節(jié)流調(diào)速回路和進(jìn)出口節(jié)流調(diào)速回路，如圖3所示。

圖3 定壓式節(jié)流調(diào)速回路

進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中定量泵輸出的流量qp是恒定的，一部分流量q1經(jīng)節(jié)流閥輸入給液壓馬達(dá)，用于克服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng);另一部分泵輸出的多余流量Δq經(jīng)溢流閥溢流回油箱，節(jié)流閥和溢流閥配合使用時(shí)，輸入液壓馬達(dá)的流量越少，從溢流閥溢回油箱的流量就越多，從而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，滿足傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的需要。流量關(guān)系式為

根據(jù)節(jié)流閥流量特性方程，通過節(jié)流閥的流量為

液壓馬達(dá)的輸入流量等于通過節(jié)流閥的流量q1及公式（2）、（3），液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為0.5

進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路、出口節(jié)流調(diào)速回路和進(jìn)出口節(jié)流調(diào)速回路的速度負(fù)載特性、承載能力、功率特性和效率等基本性能相似，在使用性能方面的主要區(qū)別是：出口節(jié)流式和進(jìn)—出口節(jié)流式調(diào)速回路都承受“負(fù)方向”的負(fù)載，出口節(jié)流式調(diào)速回路中油液通過節(jié)流閥所產(chǎn)生的熱量直接排回油箱消散掉，進(jìn)口節(jié)流式調(diào)速回路中的這部分熱量隨著油液進(jìn)入液壓馬達(dá)［7］。

液壓回路單元中，學(xué)生可以進(jìn)行壓力回路、快速回路、速度換接回路或鎖緊回路等基本回路的連接練習(xí)。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能與傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

分析汽車機(jī)械領(lǐng)域基礎(chǔ)類知識(shí)，以職業(yè)工作過程為導(dǎo)向，針對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)，在傳動(dòng)系統(tǒng)單元上開發(fā)、設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)意組合、標(biāo)準(zhǔn)件和維修工具如何選取等，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)件和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的差異，只需改變相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件和傳動(dòng)件位置與形式即可實(shí)現(xiàn)新的組合，完成對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)單元不同傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)各種傳動(dòng)零部件運(yùn)動(dòng)方式不同，在傳動(dòng)零部件上有相應(yīng)的直線位移傳感器、角位移傳感器或擺動(dòng)傳感器等，對(duì)線位移、角位移、角加速度等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與數(shù)字化分析。

傳動(dòng)方案有：①皮帶傳動(dòng)→錐齒輪傳動(dòng)→變速箱齒輪傳動(dòng)→鏈輪傳動(dòng)→聯(lián)軸器→槽輪傳動(dòng);②齒輪傳動(dòng)→錐齒輪傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng)→鏈輪傳動(dòng);③皮帶傳動(dòng)→鏈輪傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng);④齒輪傳動(dòng)→彈性連軸器→皮帶傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng);⑤皮帶傳動(dòng)→錐齒輪傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng);⑥皮帶傳動(dòng)→剛性連軸器→鏈輪傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng);⑦皮帶傳動(dòng)→彈性連軸器→鏈輪傳動(dòng)→槽輪傳動(dòng);⑧齒輪傳動(dòng)→凸輪傳動(dòng);⑨ 曲柄滑塊機(jī)構(gòu);⑩ 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行正常拆裝和傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，達(dá)到創(chuàng)意創(chuàng)新組合的目的，分析了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的系統(tǒng)功能，擴(kuò)展傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的適用性，該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由立柱、基板、軸承座、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元和立板組成;其中，基板固定在立柱上，軸承座和“L”型立板固定在基板上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元由軸承座和“L”型立板支承，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元的相應(yīng)零部件與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)相連，作為驅(qū)動(dòng)裝置，帶動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)系統(tǒng)單元的底座由立柱、基板和立板構(gòu)成，基板上有相應(yīng)圓孔，供軸承座與立板固定用，學(xué)生進(jìn)行拆裝練習(xí)時(shí)，由于動(dòng)作不當(dāng)，使螺紋亂牙后，更換螺栓和螺母即可，不用更換整塊基板。立板用螺栓與螺母固定在基板上，兩立板間距根據(jù)不同的傳動(dòng)方案需要進(jìn)行調(diào)整。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以隨意更換硬件模塊，有帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等。學(xué)生可根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)傳動(dòng)方案，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)搭接、裝配和調(diào)試，可充分展示多種傳動(dòng)形式的組合［8-9］。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和測(cè)試與數(shù)字化分析軟件組成的。

3.1 硬件系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)采集卡、直線位移傳感器、角位移傳感器、擺動(dòng)傳感器和PC機(jī)。

（1）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡使用中泰PCI-8310，12位PCI總線的多功能模入接口卡，主要由模擬多路開關(guān)選通電路、差分放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出電路和接口控制邏輯電路組成，，允許采用32路單端輸入方式或16路雙端輸入方式，可根據(jù)實(shí)際需要選擇測(cè)量單極性信號(hào)或雙極性信號(hào)，其輸入的模擬信號(hào)由卡前端的37芯D型插頭直接接入［10-11］。

（2）直線位移傳感器。直線位移傳感器輸出電壓是0－5 V，量程是80 L。

（3）角位移傳感器。角位移傳感器輸出電壓是0－5 V，脈沖數(shù)是200 P。

（4）擺動(dòng)傳感器。擺動(dòng)傳感器輸出電壓是0－5 V，量程是0－90。

（5）PC機(jī)。PC機(jī)由測(cè)試與數(shù)字化分析軟件控制上位機(jī)和硬件測(cè)控下位機(jī)組成。測(cè)試系統(tǒng)利用下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳送至上位機(jī)處理，并顯示在測(cè)試分析計(jì)算機(jī)界面上，上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)功能的要求。

3.2 軟件系統(tǒng)

測(cè)試與數(shù)字化分析軟件是在WindowsXP系統(tǒng)下，采用編譯型圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)采集卡采集直線位移、角位移和角加速度等信號(hào)進(jìn)PC機(jī)，由LabVIEW完成平滑、數(shù)字濾波、頻域轉(zhuǎn)換等分析處理。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放四大功能模塊，其結(jié)構(gòu)組成如圖 4 所示［12-14］。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于液壓驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)組合裝置，不僅能實(shí)現(xiàn)機(jī)械與液壓傳動(dòng)功能和數(shù)據(jù)采集功能，而且考慮到汽車專業(yè)后續(xù)課程和職業(yè)崗位的實(shí)際需求，在組合裝置中采用不同的傳動(dòng)系統(tǒng)，有很大的空間讓學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更好地掌握液壓傳動(dòng)的基本回路、機(jī)械傳動(dòng)創(chuàng)意組合及計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)用，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力［15］，同時(shí)鍛煉了教師的業(yè)務(wù)能力，滿足當(dāng)前汽車機(jī)械基礎(chǔ)類課程基于工作過程的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)需要，取得較好的教學(xué)效果。

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