基于液壓驅動的傳動組合裝置的設計

黃象珊， 謝頌京

（浙江經濟職業技術學院汽車技術學院，浙江杭州 310018）

0 引言

高職汽車專業的專業定位與培養目標是具備良好的職業基本素質，嫻熟、規范專業基礎操作技能，清晰故障診斷思路與分析能力及可持續發展能力［1］。要實現這一目標必須制定科學合理的理論教學內容和實踐教學體系，實踐教學體系的實現，學生實踐技能的提高，必須向學生提供優質的實訓設備。比如，隨著汽車工業的高速發展，大量電子技術、計算機技術、信息技術等在汽車上的運用，汽車是集機械、液壓及電子控制系統的集成產品，但在汽車檢修過程中，還是離不開汽車專業基礎知識的應用和檢修基本工具使用。目前，國內不少教學設備生產廠家提供的機械傳動性能綜合測試實驗臺、機構運動創新實驗臺和液壓實驗臺，都不是從培養汽車類高職學生的目標來設計生產的教學設備［2］，缺乏針對性，開發的設備在原理、結構和控制等方面不能很好地體現汽車專業基礎類課程的實訓思路，教學效果不明顯。針對這一情況，我們自行開發設計，采用液壓驅動，具有數據采集功能的傳動組合裝置來滿足當前教學的需求。

1 實訓裝置設計

1.1 設計指導思想

（1）在實訓裝置中，能夠實現盡量多的汽車機械傳動方式和傳動功能。

（2）學生能動手操作裝置，可實現創意組合液壓傳動方案或機構傳動方案，有利于學生間的合作學習和動手創新能力。

（3）在設備盡量的覆蓋本專業各種基礎知識，有利于學生綜合應用能力的培養［3］。

1.2 總體結構設計

自行研發基于液壓驅動的傳動組合裝置，主要由驅動系統、傳動系統和測試系統等組成，圖1所示為基于液壓驅動的傳動組合裝置組成架構圖。以液壓系統作為動力源，由液壓回路構成了驅動裝置，液壓回路由學生實驗時設計，可以是方向控制回路、速度控制回路等。傳動系統由平面四桿機構、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、凸輪機構［4］等傳動模塊組成，學生實驗時，根據不同的傳動路線設計不同的傳動方案，并按所設計的傳動方案進行裝配組合，再測試檢驗其合理性。該實訓裝置把基本傳動裝置和基本的液壓回路進行有機組合，可以進行液壓系統控制傳動機構運動的實驗，運動機構單元上有相應的傳感器與外接設備相連，可以測試相應運動單元的直線位移、角位移和擺動速度等性能參數。這樣，既能滿足基于任務驅動的汽車機械基礎課程教學需求，又能使學生進一步掌握典型運動機構和液壓回路的特點，掌握測試與分析的方法，培養學生創新能力和提高手腦并用能力。

圖1 基于液壓驅動的傳動組合裝置組成架構圖

2 驅動系統設計

液壓回路構成該裝置的驅動系統，液壓回路是由若干液壓元件組成的用來完成特定功能的典型回路。液壓回路單元作為驅動裝置帶動傳動機構單元運動，根據傳動機構單元不同的運動要求，液壓元件可在實訓裝置臺上的滑槽快速、自由插接組合，實現新的液壓回路。在液壓回路中，執行元件是一種能量轉換裝置，將液壓系統提供的液壓能轉變為機械能輸出，從而驅動傳動機構單元的工作機構運動。根據組合裝置的實驗需求，執行元件采用低速液壓馬達。低速液壓馬達具有排量大、體積大、轉速低等特點［5］，不需要減速裝置，可以直接與傳動機構單元的工作機構連接，傳遞動力。以換向回路和定壓式節流調速回路為例進行設計［6］，以適用于傳動機構單元低速、輕載等特性。

2.1 換向回路的設計

換向回路由油箱、液壓泵、溢流閥、換向閥和液壓馬達等液壓元件組成，如圖2所示。為了使學生在實驗中，能清楚觀察傳動機構的正反轉情況，換向閥采用手動換向閥，通過手動控制換向回路中三位四通換向閥，改變油液流向，實現液壓馬達轉動方向的改變，從而改變傳動機構單元中與液壓馬達相連接的齒輪、曲柄、帶輪、鏈輪或槽輪等運動機構的運動方向。

圖2 換向回路

2.2 定壓式節流調速回路的設計

節流調速回路由油箱、液壓泵、溢流閥、節流閥和液壓馬達等液壓元件組成，具有結構簡單、工作可靠等特點，能獲得極低的運動速度。根據節流閥安裝的位置不同，分為進口節流調速回路、出口節流調速回路和進出口節流調速回路，如圖3所示。

圖3 定壓式節流調速回路

進口節流調速回路中定量泵輸出的流量qp是恒定的，一部分流量q1經節流閥輸入給液壓馬達，用于克服傳動機構單元的負載，實現液壓馬達轉動;另一部分泵輸出的多余流量Δq經溢流閥溢流回油箱，節流閥和溢流閥配合使用時，輸入液壓馬達的流量越少，從溢流閥溢回油箱的流量就越多，從而調節液壓馬達的轉速，滿足傳動系統運動速度的需要。流量關系式為

根據節流閥流量特性方程，通過節流閥的流量為

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

進口節流調速回路、出口節流調速回路和進出口節流調速回路的速度負載特性、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別是：出口節流式和進—出口節流式調速回路都承受“負方向”的負載，出口節流式調速回路中油液通過節流閥所產生的熱量直接排回油箱消散掉，進口節流式調速回路中的這部分熱量隨著油液進入液壓馬達［7］。

液壓回路單元中，學生可以進行壓力回路、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。

3 傳動系統設計

3.1 功能與傳動方案設計

分析汽車機械領域基礎類知識，以職業工作過程為導向，針對機械傳動的特點，在傳動系統單元上開發、設計機械傳動機構的創意組合、標準件和維修工具如何選取等，滿足不同標準件和機械傳動機構之間的差異，只需改變相應的標準件和傳動件位置與形式即可實現新的組合，完成對傳動系統單元不同傳動機構功能的設計與實現。根據各種傳動零部件運動方式不同，在傳動零部件上有相應的直線位移傳感器、角位移傳感器或擺動傳感器等，對線位移、角位移、角加速度等性能參數進行測試與數字化分析。

傳動方案有：①皮帶傳動→錐齒輪傳動→變速箱齒輪傳動→鏈輪傳動→聯軸器→槽輪傳動;②齒輪傳動→錐齒輪傳動→槽輪傳動→鏈輪傳動;③皮帶傳動→鏈輪傳動→槽輪傳動;④齒輪傳動→彈性連軸器→皮帶傳動→槽輪傳動;⑤皮帶傳動→錐齒輪傳動→槽輪傳動;⑥皮帶傳動→剛性連軸器→鏈輪傳動→槽輪傳動;⑦皮帶傳動→彈性連軸器→鏈輪傳動→槽輪傳動;⑧齒輪傳動→凸輪傳動;⑨ 曲柄滑塊機構;⑩ 曲柄搖桿機構等。

3.2 結構設計

為能實現對不同傳動機構進行正常拆裝和傳動系統的控制，達到創意創新組合的目的，分析了傳動機構單元的系統功能，擴展傳動機構單元的適用性，該傳動系統主要由立柱、基板、軸承座、傳動機構單元和立板組成;其中，基板固定在立柱上，軸承座和“L”型立板固定在基板上，傳動機構單元由軸承座和“L”型立板支承，傳動機構單元的相應零部件與驅動系統中的液壓馬達相連，作為驅動裝置，帶動整個傳動系統運動。

傳動系統單元的底座由立柱、基板和立板構成，基板上有相應圓孔，供軸承座與立板固定用，學生進行拆裝練習時，由于動作不當，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，兩立板間距根據不同的傳動方案需要進行調整。傳動機構單元采用模塊化結構，可以隨意更換硬件模塊，有帶傳動機構、鏈傳動機構、槽輪傳動機構、凸輪傳動機構、錐齒輪傳動機構、齒輪傳動機構、曲柄滑塊機構或曲柄搖桿機構等。學生可根據設計的實驗傳動方案，進行傳動系統搭接、裝配和調試，可充分展示多種傳動形式的組合［8-9］。

3 測試系統設計

測試系統由PC機、數據采集卡和測試與數字化分析軟件組成的。

3.1 硬件系統

測試系統硬件包括數據采集卡、直線位移傳感器、角位移傳感器、擺動傳感器和PC機。

（1）數據采集卡。數據采集卡使用中泰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選通電路、差分放大器電路、模數轉換電路、開關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，可根據實際需要選擇測量單極性信號或雙極性信號，其輸入的模擬信號由卡前端的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，脈沖數是200 P。

（4）擺動傳感器。擺動傳感器輸出電壓是0－5 V，量程是0－90。

（5）PC機。PC機由測試與數字化分析軟件控制上位機和硬件測控下位機組成。測試系統利用下位機將采集到的數據經串口傳送至上位機處理，并顯示在測試分析計算機界面上，上位機軟件主要實現對測試系統功能的要求。

3.2 軟件系統

測試與數字化分析軟件是在WindowsXP系統下，采用編譯型圖形化編程語言LabVIEW編寫應用程序。數據采集卡采集直線位移、角位移和角加速度等信號進PC機，由LabVIEW完成平滑、數字濾波、頻域轉換等分析處理。系統軟件總體上包括數據采集、分析處理、數據存儲、數據回放四大功能模塊，其結構組成如圖 4 所示［12-14］。

圖4 測試系統架構圖

4 結語

基于液壓驅動的傳動組合裝置，不僅能實現機械與液壓傳動功能和數據采集功能，而且考慮到汽車專業后續課程和職業崗位的實際需求，在組合裝置中采用不同的傳動系統，有很大的空間讓學生親自動手設計實驗，使學生更好地掌握液壓傳動的基本回路、機械傳動創意組合及計算機測試系統的運用，提升了學生的實踐能力［15］，同時鍛煉了教師的業務能力，滿足當前汽車機械基礎類課程基于工作過程的現場教學需要，取得較好的教學效果。

（References）：

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