基于液压驱动的传动组合装置的设计

2013-05-16黄象珊谢颂京

实验室研究与探索 2013年2期

黄象珊，谢颂京

（浙江经济职业技术学院汽车技术学院，浙江杭州 310018）

0 引言

高职汽车专业的专业定位与培养目标是具备良好的职业基本素质，娴熟、规范专业基础操作技能，清晰故障诊断思路与分析能力及可持续发展能力［1］。要实现这一目标必须制定科学合理的理论教学内容和实践教学体系，实践教学体系的实现，学生实践技能的提高，必须向学生提供优质的实训设备。比如，随着汽车工业的高速发展，大量电子技术、计算机技术、信息技术等在汽车上的运用，汽车是集机械、液压及电子控制系统的集成产品，但在汽车检修过程中，还是离不开汽车专业基础知识的应用和检修基本工具使用。目前，国内不少教学设备生产厂家提供的机械传动性能综合测试实验台、机构运动创新实验台和液压实验台，都不是从培养汽车类高职学生的目标来设计生产的教学设备［2］，缺乏针对性，开发的设备在原理、结构和控制等方面不能很好地体现汽车专业基础类课程的实训思路，教学效果不明显。针对这一情况，我们自行开发设计，采用液压驱动，具有数据采集功能的传动组合装置来满足当前教学的需求。

1 实训装置设计

1.1 设计指导思想

（1）在实训装置中，能够实现尽量多的汽车机械传动方式和传动功能。

（2）学生能动手操作装置，可实现创意组合液压传动方案或机构传动方案，有利于学生间的合作学习和动手创新能力。

（3）在设备尽量的覆盖本专业各种基础知识，有利于学生综合应用能力的培养［3］。

1.2 总体结构设计

自行研发基于液压驱动的传动组合装置，主要由驱动系统、传动系统和测试系统等组成，图1所示为基于液压驱动的传动组合装置组成架构图。以液压系统作为动力源，由液压回路构成了驱动装置，液压回路由学生实验时设计，可以是方向控制回路、速度控制回路等。传动系统由平面四杆机构、带传动、链传动、齿轮传动、凸轮机构［4］等传动模块组成，学生实验时，根据不同的传动路线设计不同的传动方案，并按所设计的传动方案进行装配组合，再测试检验其合理性。该实训装置把基本传动装置和基本的液压回路进行有机组合，可以进行液压系统控制传动机构运动的实验，运动机构单元上有相应的传感器与外接设备相连，可以测试相应运动单元的直线位移、角位移和摆动速度等性能参数。这样，既能满足基于任务驱动的汽车机械基础课程教学需求，又能使学生进一步掌握典型运动机构和液压回路的特点，掌握测试与分析的方法，培养学生创新能力和提高手脑并用能力。

图1 基于液压驱动的传动组合装置组成架构图

2 驱动系统设计

液压回路构成该装置的驱动系统，液压回路是由若干液压元件组成的用来完成特定功能的典型回路。液压回路单元作为驱动装置带动传动机构单元运动，根据传动机构单元不同的运动要求，液压元件可在实训装置台上的滑槽快速、自由插接组合，实现新的液压回路。在液压回路中，执行元件是一种能量转换装置，将液压系统提供的液压能转变为机械能输出，从而驱动传动机构单元的工作机构运动。根据组合装置的实验需求，执行元件采用低速液压马达。低速液压马达具有排量大、体积大、转速低等特点［5］，不需要减速装置，可以直接与传动机构单元的工作机构连接，传递动力。以换向回路和定压式节流调速回路为例进行设计［6］，以适用于传动机构单元低速、轻载等特性。

2.1 换向回路的设计

换向回路由油箱、液压泵、溢流阀、换向阀和液压马达等液压元件组成，如图2所示。为了使学生在实验中，能清楚观察传动机构的正反转情况，换向阀采用手动换向阀，通过手动控制换向回路中三位四通换向阀，改变油液流向，实现液压马达转动方向的改变，从而改变传动机构单元中与液压马达相连接的齿轮、曲柄、带轮、链轮或槽轮等运动机构的运动方向。

图2 换向回路

2.2 定压式节流调速回路的设计

节流调速回路由油箱、液压泵、溢流阀、节流阀和液压马达等液压元件组成，具有结构简单、工作可靠等特点，能获得极低的运动速度。根据节流阀安装的位置不同，分为进口节流调速回路、出口节流调速回路和进出口节流调速回路，如图3所示。

图3 定压式节流调速回路

进口节流调速回路中定量泵输出的流量qp是恒定的，一部分流量q1经节流阀输入给液压马达，用于克服传动机构单元的负载，实现液压马达转动;另一部分泵输出的多余流量Δq经溢流阀溢流回油箱，节流阀和溢流阀配合使用时，输入液压马达的流量越少，从溢流阀溢回油箱的流量就越多，从而调节液压马达的转速，满足传动系统运动速度的需要。流量关系式为

根据节流阀流量特性方程，通过节流阀的流量为

液压马达的输入流量等于通过节流阀的流量q1及公式（2）、（3），液压马达的转速为0.5

进口节流调速回路、出口节流调速回路和进出口节流调速回路的速度负载特性、承载能力、功率特性和效率等基本性能相似，在使用性能方面的主要区别是：出口节流式和进—出口节流式调速回路都承受“负方向”的负载，出口节流式调速回路中油液通过节流阀所产生的热量直接排回油箱消散掉，进口节流式调速回路中的这部分热量随着油液进入液压马达［7］。

液压回路单元中，学生可以进行压力回路、快速回路、速度换接回路或锁紧回路等基本回路的连接练习。

3 传动系统设计

3.1 功能与传动方案设计

分析汽车机械领域基础类知识，以职业工作过程为导向，针对机械传动的特点，在传动系统单元上开发、设计机械传动机构的创意组合、标准件和维修工具如何选取等，满足不同标准件和机械传动机构之间的差异，只需改变相应的标准件和传动件位置与形式即可实现新的组合，完成对传动系统单元不同传动机构功能的设计与实现。根据各种传动零部件运动方式不同，在传动零部件上有相应的直线位移传感器、角位移传感器或摆动传感器等，对线位移、角位移、角加速度等性能参数进行测试与数字化分析。

传动方案有：①皮带传动→锥齿轮传动→变速箱齿轮传动→链轮传动→联轴器→槽轮传动;②齿轮传动→锥齿轮传动→槽轮传动→链轮传动;③皮带传动→链轮传动→槽轮传动;④齿轮传动→弹性连轴器→皮带传动→槽轮传动;⑤皮带传动→锥齿轮传动→槽轮传动;⑥皮带传动→刚性连轴器→链轮传动→槽轮传动;⑦皮带传动→弹性连轴器→链轮传动→槽轮传动;⑧齿轮传动→凸轮传动;⑨ 曲柄滑块机构;⑩ 曲柄摇杆机构等。

3.2 结构设计

为能实现对不同传动机构进行正常拆装和传动系统的控制，达到创意创新组合的目的，分析了传动机构单元的系统功能，扩展传动机构单元的适用性，该传动系统主要由立柱、基板、轴承座、传动机构单元和立板组成;其中，基板固定在立柱上，轴承座和“L”型立板固定在基板上，传动机构单元由轴承座和“L”型立板支承，传动机构单元的相应零部件与驱动系统中的液压马达相连，作为驱动装置，带动整个传动系统运动。

传动系统单元的底座由立柱、基板和立板构成，基板上有相应圆孔，供轴承座与立板固定用，学生进行拆装练习时，由于动作不当，使螺纹乱牙后，更换螺栓和螺母即可，不用更换整块基板。立板用螺栓与螺母固定在基板上，两立板间距根据不同的传动方案需要进行调整。传动机构单元采用模块化结构，可以随意更换硬件模块，有带传动机构、链传动机构、槽轮传动机构、凸轮传动机构、锥齿轮传动机构、齿轮传动机构、曲柄滑块机构或曲柄摇杆机构等。学生可根据设计的实验传动方案，进行传动系统搭接、装配和调试，可充分展示多种传动形式的组合［8-9］。

3 测试系统设计

测试系统由PC机、数据采集卡和测试与数字化分析软件组成的。

3.1 硬件系统

测试系统硬件包括数据采集卡、直线位移传感器、角位移传感器、摆动传感器和PC机。

（1）数据采集卡。数据采集卡使用中泰PCI-8310，12位PCI总线的多功能模入接口卡，主要由模拟多路开关选通电路、差分放大器电路、模数转换电路、开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成，，允许采用32路单端输入方式或16路双端输入方式，可根据实际需要选择测量单极性信号或双极性信号，其输入的模拟信号由卡前端的37芯D型插头直接接入［10-11］。

（2）直线位移传感器。直线位移传感器输出电压是0－5 V，量程是80 L。

（3）角位移传感器。角位移传感器输出电压是0－5 V，脉冲数是200 P。

（4）摆动传感器。摆动传感器输出电压是0－5 V，量程是0－90。

（5）PC机。PC机由测试与数字化分析软件控制上位机和硬件测控下位机组成。测试系统利用下位机将采集到的数据经串口传送至上位机处理，并显示在测试分析计算机界面上，上位机软件主要实现对测试系统功能的要求。

3.2 软件系统

测试与数字化分析软件是在WindowsXP系统下，采用编译型图形化编程语言LabVIEW编写应用程序。数据采集卡采集直线位移、角位移和角加速度等信号进PC机，由LabVIEW完成平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。系统软件总体上包括数据采集、分析处理、数据存储、数据回放四大功能模块，其结构组成如图 4 所示［12-14］。

图4 测试系统架构图

4 结语

基于液压驱动的传动组合装置，不仅能实现机械与液压传动功能和数据采集功能，而且考虑到汽车专业后续课程和职业岗位的实际需求，在组合装置中采用不同的传动系统，有很大的空间让学生亲自动手设计实验，使学生更好地掌握液压传动的基本回路、机械传动创意组合及计算机测试系统的运用，提升了学生的实践能力［15］，同时锻炼了教师的业务能力，满足当前汽车机械基础类课程基于工作过程的现场教学需要，取得较好的教学效果。

（References）：

［1］浙江经济职业技术学院高职教育研究所.高职院校职业素养与技能研究型教学理论与实践［M］.杭州：浙江大学出版社，2011.

［2］訾贵昌.自行研制教学实训装置的探索与实践［J］.辽宁高职学报，2008，10（3）：72-73.

［3］诸小鹏.“电机及拖动控制技术”教学改革的实践与体会［J］.中国电力教育，2009，5（3）：71-72.

［4］何克祥.机械传动系统性能综合测试实验台研究与开发［J］.工艺与装备，2007（9）：90-91，95.

［5］邱国庆.液压技术与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［6］张利平.液压传动系统设计与使用［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［7］王积伟，章宏甲，黄谊.液压传动［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［8］黄象珊.汽车机械系统拆装工艺组合体的研究与设计［J］.硅谷，2011（27）：57.

［9］粟武洪，姚红春.机械传动性能测试试验台的结构设计分析［J］.邵阳学院学报，2009，6（3）：57-61.

［10］高运广，刘顺波，张振仁.基于PCI-8310数采卡的除湿机监测系统［J］.微计算机信息化，2008，24（10）：145-146，314.

［11］向中凡，陈卫泽.机械传动实验台数据采集的研究［J］.机械科学与技术，2003，22（11）：201-203.