毕业设计说明书毕业设计(论文) 等速万向节周期寿命试验台垂直运动模块及 PLC 控制设计

学号10110108203毕 业 设 计（论 文）等速万向节周期寿命试验台垂直运动模块及PLC控制设计教 学 系：机 电 工 程 系 指导教师： 专业班级：机制1082班 学生姓名： 二零一二年五月毕业设计(论文)任务书学生姓名曾超专业班级机制1082指导教师赵燕工作单位武汉理工大学设计(论文)题目: 等速万向节周期寿命试验台垂直运动模块及PLC控制设计设计（论文）主要内容：1. 汽车等速万向节性能试验台主要由工件装夹及传送装置；扭矩、转速、压力、温度检测及其加载调节装置；万向节液压摆动装置等部分组成，其主要技术特征、动作顺序要求见附件； 2对汽车等速万向节性能试验台组成部分及其主要技术特征进行分析；3分析汽车等速万向节性能试验台的垂直运动模块工作原理及动作顺序及其驱动、检测等部件的技术特征，完成以PLC为核心的电气自动控制系统设计。要求完成的主要任务:1拟定以PLC为控制器核心的控制方案，使得垂直运动模块能完成上下20mm的运动作业（第34周）；2设计控制系统电气原理图（第57周）；3设计控制系统的硬件和软件（第810周）；4设计垂直运动模块的三维造型设计图，其中有一张以上的手工绘图，图纸量为3张12#图纸（第1112周）。5. 撰写毕业设计（论文）说明书，字数1万字以上。参考文献不少于10篇，其中不少于2篇外文资料，全部设计必须提交电子文档（第1315周）。必读参考资料：1.赵燕. 可编程序控制器原理与应用.北京: 北京大学出版社,20092.廖常初.FX系列PLC编程及应用.北京:机械工业出版社,2010.43.张运刚,宋小春,郭武强.从入门到精通三菱FX2N PLC技术与应用.北京:人民邮电出版社,2007.2指导教师签名： 教研室主任签名： 1.目的和意义：题目等速万向节周期寿命试验台垂直运动模块及PLC控制设计 我国汽车制造及零部件的制造商一直对产品的准静态与动态的使用寿命，疲劳及磨损极限的试验感到困扰。因为国外公司如美国的MTS，德国的GAT等一直将其试验台技术实行对华禁运。我国汽车制造及零部件的制造公司的产品要做试验，要么送到国外的机构去做，这种试验费用很高，时间周期很长；要么花很大的费用，引用国外公司的整套试验设备但得不到设备的技术。随着经济的快速发展，汽车制造及零部件的制造公司的用户越来越追求更高的动力输出,机械效率和耐用性 ，同时他恩还追求一种能被固定记录成检测数据的价值，现在许多企业已经把检验作为一项标准，因此对试验设备的需求愈加强烈。自主研发设计等速万向节周期寿命试验台不仅突破了美德公司的技术壁垒，填补了国内空白，而且使用户大大节约了费用和时间，也极大的促进了我国试验技术的发展。等速万向节，英文名称：CV Joint (Constant Velocity Joint)是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构。是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动。驱动轿车高速行驶。 前轮驱动汽车的动力，要从由发动机、变速器和主减速器组成的动力总成直接传送到前轮。而前轮既是驱动轮，又是转向轮，转向时偏转的角度很大，最大可达40以上。这时，就不能采用传统的、偏转角很小的普通万向传动轴了。因为，普通万向节在偏转角大时，会产生转速和扭矩的较大波动。所以，必须应用偏转角大、角速度均匀的等速万向节传动轴才行。等速万向节的原理和圆锥齿轮啮合的道理相似，由于传力点的位置总是处于两轴夹角的平分面上，因而保证了等速运动。等速万向节的缺点是结构比较复杂，制造工艺精密，成本较高，因此还不能完全代替普通万向节。等速万向节的出现，大大推动了前轮驱动汽车和全轮驱动汽车的发展。由于等速万向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大。 根据中国科学院查新咨询检索中心提供的查新报告，从检出的文献看，有可对汽车等速万向节传动轴进行静扭断裂度测试实验的试验台，机械封闭功率流齿轮试验台，封闭直流电功率型机械传动试验台，电液比例控制加载机械闭式变速器试验台等多种试验台装置的报道，未见采用了功率流机械封闭式试验方式，电液比例液压连续加载，静音滑台设计及楔式倍压锁紧设计的，可进行周期寿命性能试验的汽车等速万向节周期循环寿命试验台的报道。将本课题项目的研究成果与国内外同类技术的主要性能参数进行比较，我们在汽车等速万向节的封闭式周期循环寿命试验台中的以下创新设计属于国内外首创：（1）旋转式叶片液压加载器，具有体积小扭矩大，可在工件旋转中使用的特点。（2）先进的静音滑台设计，解决了重型滑台的无摩擦，静音运动与增大锁紧加紧面问题。(3)楔式倍压锁紧机构，可提供11倍的液压推力的安全锁紧力。（4）先进的电液比例调压技术，实现了用计算机电子信号控制调节液压加载系统的扭矩载荷压力。(5)许用摆角，许用滑移量的微分检测技术。本设备的功能，技术指标均达到和超过了国家标准的要求，属于重大技术集成创新成果，由于采用了多项先进技术集成，使得试验台具有功率低，性能优越，性价比高的特点，更适合我国的企业，意义重大。2.基本内容和设计方案： 设计的基本内容 等速万向节是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构。是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动。汽车等速万向节性能试验台主要由工件装夹及传送装置；扭矩，转速，压力，温度检测及加载调节装置；万向节液压摆动装置等部分组成，其主要技术特征，动作顺序要求见附件；对汽车等速万向节性能试验台组成部分及其主要技术特征进行分析； 分析汽车等速万向节性能试验台的垂直运动模块工作原理及动作顺序及其驱动，检测等部件的技术特征，完成以PLC为核心的电气自动控制系统设计。技术方案： 熟悉试验台的运行环境，分析试验台的结构和功能，依据试验台的技术要求和技术指标，可知左、右传动箱、扭矩传感器、液压加载器和两件供试件组成了一个总传动比为1的封闭式传动链，液压加载器实质上是一个双叶片摆动缸，缸体通过支架、轴与右边的供试件相连、叶片转子与左边的传动箱连接，向液压加载器传输压力油，则叶片转子相对摆动缸体产生扭矩，改变油液压力则可改变加载扭矩；变频调速电机用于驱动整个封闭传动链运转，同时补偿封闭传动链运转中产生的功率损失。 回转工作台由推拉液压缸驱动，可偏转450；回转工作台转动的两终端安装有死挡铁，可以调整最大回转角度；回转角度由与回转轴连接的转角传感器检测。回转工作台用于周期疲劳试验和固定式球笼许用摆角检测。进行周期疲劳试验时，工作台回转相应角度后，由锁紧液压缸锁紧。 右传动箱安装在立式液压在滑台上，立式滑台向上运动时，用于检测滑动球笼的摆角和滑移量。立式滑台向上移动的位移用位移传感器检测，根据几何关系可以间接获得滑动球笼的摆角和滑移量。为保证立式液压滑台运动平稳，设置了平衡重。体积小。电液比例液压连续加载，计算机控制，价格适中。总体结构采用功率流封闭式：低功耗，其动率只有开放式结构的1/41/5,本台采用22kw。外球笼摆角滑台采用静音滑台：驱动力大，驱动平稳，无噪音易锁紧。摆角滑台锁紧机构采用楔式倍压锁紧结构：液压倍增式加楔式机构，锁紧力达到液压驱动的11倍，结构紧凑。传动轴驱动方式采用变频电机：可由计算机控制，可无极调速。加载方式采用电液比例连续双向旋转液压加载器：专利液压加载器，无泄漏。 图1 控制系统框图 3.进度安排(1).拟定以PLC为控制器核心的控制方案，使得垂直运动模块能完成上下20mm的运动作业（第34周）；(2).设计控制系统电气原理图（第57周）；(3).设计控制系统的硬件和软件（第810周；(4).设计垂直运动模块的三维造型设计图，其中有一张以上的手工绘图，图纸量为3张12#图纸（第1112周）；(5).撰写毕业设计说明书，字数1万字以上。参考文献不上于10篇，其中不少于2篇外文资料，全部设计必须提交电子文档（第1315周）。4.指导老师意见： 指导老师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。郑 重 声 明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目 录摘 要1Abstract21 绪论31.1 研究背景及意义31.2 汽车等速万向节的概括及重要性41.3 课题研究的意义51.4 本课题的主要研究内容62 周期寿命试验台的要求72.1 运行环境72.2 试验台的结构与功能72.3 试验台的技术要求和技术指标73 周期寿命试验台的设计分析93.1 等速万向节试验台的组成部分93.2 等速万向节试验台的结构设计93.3封闭式试验台的功率补偿机理103.3.1 闭式试验台的封闭功率103.3.2 功率封闭系统内功率流的流动方向113.3.3 封闭系统的损耗功率124 液压系统的技术特征及其分析134.1 液压传动系统134.2 液压加载系统144.2.1 扭矩传感器的作用154.2.2 试验台液压加载装置155 液压缸设计175.1 确定液压缸的参数175.2 液压泵及其驱动电机18 5.2.1 液压泵的最高工作压力计算 18 5.2.2 液压泵的流量计算 18 5.2.3 确定液压泵及其驱动电机的规格185.3 联轴器的选定 195.4 液压控制阀及压力表19 5.4.1 液压阀的类型与性能 19 5.4.2 液压阀的主要工作尺寸 205.5 确定油管尺寸参数 215.6 油箱的设计 23 5.6.1 油箱的设计要点 23 5.6.2 油箱的容量计算 236 PLC控制系统设计256.1 总体方案设计 256.2 PLC控制系统的硬件设计256.2.1 PLC型号的选择256.2.2 PLC外围电路设计 266.3 PLC控制系统程序设计 27结束语29参考文献30致谢31摘 要 伴随着中国经济的快速发展，人们生活水平的日益提高，汽车不再是人们可望而不可及的目标，中国每年对汽车的需求量也在以惊人的速度增长。2010年我国也正式成为世界第一的汽车消费国。汽车发展生产方面也取得了巨大的进步，但是汽车零部件的质量却有许多不尽人意之外。等速万向节是汽车行驶过程中保证安全性，可靠性和稳定性的关键零部件，其质量直接影响汽车在行驶中的安全性和可靠性。而汽车的安全与否又直接影响到人们的生命安全和切身利益。 为了对汽车等速万向节的综合性能进行评估，需要有一台性能可靠，先进的性能试验台。本试验台主要是完成周期循环寿命试验。 本论文首先介绍了论文研究的目的和意义、国内外研究现状。其中介绍了汽车等速万向节的性能试验台组成部分及其主要技术特征。分析了性能试验台的工作原理及动作顺序及其驱动、检测等部件的技术特征，完成了以PLC为核心的电气自动控制系统设计。关键词：汽车等速万向节，周期寿命，试验台，控制系统ABSTRACT Along with Chinas rapid economic development, increasing peoples standard of living, the car is no longer miles away goal, Chinas annual demand for cars is growing at an alarming rate. In 2010 China has officially become the worlds first automobile consumption country. Development of automobile production has also made great progress, but the quality of auto parts has many unsatisfactory. Constant velocity universal joint is in the running process of the automobile to guarantee the safety, reliability and stability of the key component, its quality directly affects the running vehicle safety and reliability. The safety of car and has a direct influence to the safety of peoples life and interests. For constant velocity universal joint of automobile comprehensive performance evaluation, needs to have a reliable performance, advanced performance test bench. The test stand is mainly to complete the cycle life test. This paper introduces the purpose and significance of research, research status at home and abroad. Which introduced a constant velocity universal joint of automobile performance test rig components and its main technical features. Analysis of the performance test bench working principle and action sequences and their driver, testing and other parts of the technical features, complete with PLC control as the core of the electrical control system design.Key words: automobile constant velocity universal joint; the cycle life; bedstand , control system 1 绪论 汽车工业的发展，及用户对汽车使用，转向的更高追求，要求汽车有更好的动力性，操纵性，及舒适性，促使了对等速万向节更高的要求。前轮必须具有转向和驱动两种功能，作为转向轮，要求车轮能在一定的转角范围内任意偏转某一角度，作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中以相同的角速度不断地把动力从主减速器传递到车轮。在这样俩个不重合，且位置还经常变化的两轴间传递动力的机构就是等速万向节。在现代汽车上，等速万向节传动装置是由等速万向节，传动轴，和支承组成。等速万向节把两轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递动力。 等速万向节，英文名称：CV Joint (Constant Velocity Joint)是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构。是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动。驱动轿车高速行驶。 前轮驱动汽车的动力，要从由发动机、变速器和主减速器组成的动力总成直接传送到前轮。而前轮既是驱动轮，又是转向轮，转向时偏转的角度很大，最大可达40以上。这时，就不能采用传统的、偏转角很小的普通万向传动轴了。因为，普通万向节在偏转角大时，会产生转速和扭矩的较大波动。所以，必须应用偏转角大、角速度均匀的等速万向节传动轴才行。等速万向节的原理和圆锥齿轮啮合的道理相似，由于传力点的位置总是处于两轴夹角的平分面上，因而保证了等速运动。等速万向节的缺点是结构比较复杂，制造工艺精密，成本较高，因此还不能完全代替普通万向节。等速万向节的出现，大大推动了前轮驱动汽车和全轮驱动汽车的发展。由于等速万向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大。1.1 研究背景及意义 一个国家汽车工业和一个汽车企业的国际竞争力取决于装备的先进性和制造成本。反之，汽车产品的发展，必然伴随着制造装备的发展。近年大量先进数控设备的采用，使我国轿车装备整体上进入柔性化时代，支撑着我国汽车工业的不断发展。按照发展总战略，2020年，我国汽车产量将达到14001800万辆，居世界第一，并迈向世界汽车产业强国，其标志之一是，拥有先进制造技术和先进制造装备。现在汽车的发展方向是向更舒适、安全、适用方向；发展环保、节能型汽车的发展方向。但是最基本最重要的还是安全性能。而汽车零部件的性能直接影响和决定了汽车整车的性能（包括安全性能）。而万向节装置就是汽车中非常重要的一个部件。在汽车的传动系统或其他系统中，经常采用万向节传动装置来实现一对轴线相交且相对位置经常变化的转轴之间的动力传递。万向传动装置一般主要由万向节和传动轴组成，有时还有中间支承。汽车传动系统中，万向节是一个比较重要的组成部分，它直接影响汽车传动系统的工作状况，从而影响到汽车驾驶的安全，因此对汽车万向节的检测是非常重要的。汽车万向节需要检测的主要参数包括扭转疲劳强度、磨损、寿命、摆角和轴向滑移量等。我国汽车制造及零部件的制造商一直对产品的准静态与动态的使用寿命，疲劳及磨损极限的试验感到困扰。因为国外公司如美国的MTS，德国的GAT等一直将其试验台技术实行对华禁运。我国汽车制造及零部件的制造公司的产品要做试验，要么送到国外的机构去做，这种试验费用很高，时间周期很长；要么花很大的费用，引用国外公司的整套试验设备但得不到设备的技术。随着经济的快速发展，汽车制造及零部件的制造公司的用户越来越追求更高的动力输出,机械效率和耐用性 ，同时他恩还追求一种能被固定记录成检测数据的价值，现在许多企业已经把检验作为一项标准，因此对试验设备的需求愈加强烈。自主研发设计等速万向节周期寿命试验台不仅突破了美德公司的技术壁垒，填补了国内空白，而且使用户大大节约了费用和时间，也极大的促进了我国试验技术的发展。 1.2 汽车等速万向节的概括及重要性以汽车等速万向节为例，等速万向节，英文名称：CV Joint (Constant Velocity Joint) 等速万向节，是主动轴与从动轴的转速（角速度）相等的万向节。在前轮驱动的汽车上，其前桥都装有等速万向节传动轴（驱动兼转向）。原因是节约能源的需求促进了汽车轻量化发展，前轮驱动和四轮驱动的汽车无需传统汽车的传动轴，直接把发动机的动力由变速器通过等速万向节传递到驱动轮，减少了传动的功率损失。现在，世界上约有85%的轿车和轻型货车装有等速万向节。下图是球笼式等速万向节的结构组成图11。 图1-1 球笼式汽车等速万向节1-主动轴； 5-钢带箍； 3-外罩； 4- 钢球； 6-体质架（球笼）； 8- 球形壳（外壳道）。前轮驱动汽车的动力，要从由发动机、变速器和主减速器组成的动力总成直接传送到前轮。而前轮既是驱动轮，又是转向轮，转向时偏转的角度很大，最大可达400以上。这时，就不能采用传统的、偏转角很小的普通万向传动轴了。因为，普通万向节在偏转角大时，会产生转速和扭矩的较大波动。所以，必须应用偏转角大、角速度均匀的等速万向节传动轴才行。 等速万向节的原理和圆锥齿轮啮合的道理相似，由于传力点的位置总是处于两轴夹角的平分面上，因而保证了等速运动。等速万向节的缺点是结构比较复杂，制造工艺精密，成本较高，因此还不能完全代替普通万向节。 等速万向节是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构。是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动。驱动轿车高速行驶。 由于等速万向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量大，又是安全件，因此其主要零件均采用精锻加工面成。由此可见，等速万向节是汽车行驶过程中保证安全性、可靠性和稳定性能的关键部件，其质量直接影响汽车在行驶中的安全性和可靠性，而汽车的安全与否又直接影响到人们的生命安全和切身利益。所以汽车万向节相关性能的检测显得尤为重要。 图1-2 汽车等速万向节在汽车上的安装位置1.3 汽车万向节检测的研究现状和发展趋势 汽车转向系统中，万向节是一个比较重要的组成部分，它直接影响汽车转向系统的工作状况，从而影响到汽车驾驶的安全。传动轴一端是固定式球笼万向节（简称节），另端式伸缩式球笼万向节（简称节），中间是轴身。汽车万向节需要检测的主要参数有轴向间隙、扭转间隙、摆角、摆动力矩、转动力矩、轴向滑移量、滑移特性等，目前国内的汽车传动轴，测试效率和测试自动化程度都比较底。尚无一次安装可完成多项性能检测的试验台。在年代，德国的设计制造了测验上述八项参数的等速万向节传动轴八功能试验机，一次安装可以连续测试，这种设备由于设计精巧，至今还在使用。该试验台的显著特点是一次装夹可以进行八项功能的测试，但是八项功能的测试必须经过八次手工操作分别完成，而且数据需人工记录，限制了测试效率的进一步提高。随着电子计算机的出现，测试技术得到了飞速的发展。国内出现了一些应用机械、力学原理、传感器技术及计算机辅助测试技术而研制出的智能化程度较高的万向节传动轴综合测试设备。刘温增在气液转换器在汽车万向节检测仪上的应用一文中论述到：利用气液转换器来检测汽车万向节，气液转器是将空气压力转换成相同大小的液压力的元件。作为推动执行器的有压力流体，使用气压力比液压力简便，但空气有压缩性，不能达到定速运动和低速平稳运动，中停时的准确度也不高。气液转换器是一个油面处于静压状态的垂直放置的油筒，上部接气源，部与摆动缸相连。试验机主要由主机、电控柜和夹具三部分组成。主机由主机箱加载系统、测量系统、夹紧系统及变频调速系统组成。试验时将万向节外圈通过气动夹紧系统固定，加载杆一端置于其内圈，气液转换器与摆动缸组成的加载系统驱动摆臂摆动，摆臂与加载杆刚性连接，给万向节内圈施加垂直于轴线的负载，同时电机带动万向节外圈旋转，此时通过转矩传感器测量试件在旋转状态下的最大摆矩，同时通过光电编码器测量其最大摆角，并分别在电控柜面板上显示出来。目前虽然存在一些对万向节检测的试验台，但是其检测能力的自动化程度很低。有些甚至要手工操作来测量。1.4 本课题的主要研究内容根据中国科学院查新咨询检索中心提供的查新报告，从检出的文献看，有可对汽车等速万向节传动轴进行静扭断裂度测试实验的试验台，机械封闭功率流齿轮试验台，封闭直流电功率型机械传动试验台，电液比例控制加载机械闭式变速器试验台等多种试验台装置的报道，未见采用了功率流机械封闭式试验方式，电液比例液压连续加载，静音滑台设计及楔式倍压锁紧设计的，可进行周期寿命性能试验的汽车等速万向节周期循环寿命试验台的报道。将本课题项目的研究成果与国内外同类技术的主要性能参数进行比较，我们在汽车等速万向节的封闭式周期循环寿命试验台中的以下创新设计属于国内外首创：（1）旋转式叶片液压加载器，具有体积小扭矩大，可在工件旋转中使用的特点。（2）先进的静音滑台设计，解决了重型滑台的无摩擦，静音运动与增大锁紧加紧面问题。(3)楔式倍压锁紧机构，可提供11倍的液压推力的安全锁紧力。（4）先进的电液比例调压技术，实现了用计算机电子信号控制调节液压加载系统的扭矩载荷压力。(5)许用摆角，许用滑移量的微分检测技术。本设备的功能，技术指标均达到和超过了国家标准的要求，属于重大技术集成创新成果，由于采用了多项先进技术集成，使得试验台具有功率低，性能优越，性价比高的特点，更适合我国的企业，意义重大。 2 周期寿命试验台的要求2.1 运行环境 （1）供电电源要求：交流380V+5%-5%,50kw (2) 控制柜接地要求：接地电阻=4 （3）环境湿度=85% (4) 环境温度-5C60C （5）液压油：46号或以上，润滑油：20号或以上 （6）传感器，变频器等仪器仪表依照相关的说明书的要求使用2.2 试验台的结构与功能本实验台可以进行周期寿命性能试验，试验台的主体结构：左、右传动箱、扭矩传感器、液压加载器和两件供试件组成了一个总传动比为1的封闭式传动链，液压加载器实质上是一个双叶片摆动缸，缸体通过支架、轴与右边的供试件相连、叶片转子与左边的传动箱连接，向液压加载器传输压力油，则叶片转子相对摆动缸体产生扭矩，改变油液压力则可改变加载扭矩；变频调速电机用于驱动整个封闭传动链运转，同时补偿封闭传动链运转中产生的功率损失。回转工作台由推拉液压缸驱动，可偏转450；回转工作台转动的两终端安装有死挡铁，可以调整最大回转角度；回转角度由与回转轴连接的转角传感器检测。回转工作台用于周期疲劳试验和固定式球笼许用摆角检测。进行周期疲劳试验时，工作台回转相应角度后，由锁紧液压缸锁紧。右传动箱安装在立式液压在滑台上，立式滑台向上运动时，用于检测滑动球笼的摆角和滑移量。立式滑台向上移动的位移用位移传感器检测，根据几何关系可以间接获得滑动球笼的摆角和滑移量。为保证立式液压滑台运动平稳，设置了平衡重。立柱安装在机械滑台上。在安装不同型号的等速万向节传动轴试件时，用机械滑台来调整距离。用位移传感器测试防尘罩的外径差。位移传感器用磁性座安装于防尘罩的外部。2.3 试验台的技术要求和技术指标（1） 试件长度范围：5001200mm（2） 工件安装角度:外球笼偏摆角度045，内球笼偏摆角度022，试验时摆角可在此角度范围内调整（3）内球笼升程:=400mm（4）转速01200Nm；扭矩测量精度：+-1%（5）扭矩范围：01200r/min范围内可调，转速控制精度：+-1%（6）最高转速：01200转/min(扭矩值=500Nm)；最低200转/min(扭矩值=1200Nm),最大试验功率=60KW（7）红外传感器实现即时测量传动轴外球笼处升温状况，温度达到120C时停机（8）根据实验项目的不同，可以显示温度，转速，转矩等参数。检测报告可以打印输出，检测数据和实验结果可存入数据库。（9）测试台应配有过压，过流，缺相保护和紧急停机装置。（10）测试台工作方式：连续200小时以上或循环计数107次。3 周期寿命试验台的设计分析3.1等速万向节试验台组成部分 如图3一1所示，汽车等速万向节封闭式试验台主要由变频调速电机、传动箱、加载系统、支撑箱、升降工作台等部分组成。试验台中沿封闭环形布置的液压加载器、支撑箱、右传动箱(1:1传动比)、扭矩转速传感器、左传动箱(1:1传动比)及两件被试件一起组成了一个总传动比为1的封闭式传动链。其中，液压加载器是给传动链提供扭矩动力的设备，它是双叶片的液压摆动缸，通过支架、联轴器与右边的试件相连接;液压摆缸中的叶片转子则与左边的传动箱连接。当向液压加载器中输入压力油时，叶片转子相对摆动缸体产生扭矩，改变油液的压力就可改变加载扭矩的大小。变频调速电机的作用是用于驱动整个封闭式传动链按给定的转速运转，并补偿封闭式传动链运转时产生的功率损失。图2一1中的支撑箱(包括支撑箱本身)及其左半部分固定安装在一个回转工作台上，回转工作台由推拉液压缸驱动，可以让外球笼实现摆动角度0一45度(水平方向);回转工作台转动时，其两个端点处安装有挡铁，用以调整最大回转角度;回转角度由安装在回转轴上的转角传感器检测，并将信号传送到工控机。在安装不同型号的等速万向传动轴试件时，由于传动轴的长度不一，可用机械滑台来调整安装距离。右传动箱由升降工作台带动在垂直滑轨上做垂直上下运动，用于实现万向节的内球笼的偏摆运动(最大角度22度)。 图3-1 等速万向节性能试验台示意图3.2 等速万向节试验台的结构设计 汽车等速万向节的产品规格很丰富，尺寸分布也较大。由于等速万向节要求做的是产品性能试验，检测项目较多，试验时间长，主要参数为扭矩和转速。根据国家标准可以得到万向节在试验台上的安装要求和试验时的动作要求，根据扭矩和转速的大小，可以估算封闭式试验台所需的最低功率，从而得到驱动电机的功率和调速范围，以及传感器的类型和技术要求。由此可设计试验台的总体结构。 根据汽车等速万向节产品的规格和性能试验的国家标准的要求，周期循环试验台的技术要求如下:(1)试验台采用封闭式结构，可连续循环加载的方式;(2)工件安装角度:内球笼偏摆角范围22度，外球笼摆动角范围0一45度，试验时在此角度范围内的摆动、旋转可自动调整，升降工作台用于调整内球笼的摆角，可产生相应的滑移量。图3-2 封闭式等速万向节周期循环试验台原理框图3.3 封闭式试验台的功率补偿机理 封闭式试验台结构简单、投资小、耗能少、使用经济，所以在齿轮及其传动装置试验研究中得到广泛的应用。它所采用的加载装置能将换能器所消耗的能量一部分转换为其它形式的能量再回输给系统，功能装置只需要提供试验台系统回转时所消耗的功率，从而减少了能量的浪费。按封闭功率流的性质有电封闭式、液压封闭式和机械封闭式试验台。 本试验台以齿轮及其传动装置为例，研究用机械方法构成的功率流封闭式试验台的工作原理及有关问题。3.3.1 闭式试验台的封闭功率 单对齿轮闭式试验台的结构如图2一1所示。图中，齿轮1和2是被试的一对齿轮。同时，设置另一对齿轮3和4，然后用轴I把齿轮1和4连接起来，用轴II、III，通过加载装置5把齿轮2和3连接起来，6为驱动装置如电动机。这样，齿轮1、2、3、4和轴I、n、m就构成了一个机械式封闭系统。显然，这个封闭系统正常运转的条件是系统的总传动比为1，即:图3-3 单对齿轮闭式实验台工作原理图为给被试的一对齿轮加上载荷，可通过加载装置设法在轴II和轴III上施加一个大小相等、方向相反的力矩T。显然，通过封闭传动链，同时也使轴I发生了扭转。这就是说，齿轮1、2、3、4和轴I、II、III同时处于内扭矩T的作用下，亦即在整个封闭系统中保留了扭矩T的作用，即加上了载荷。此内扭矩T称为封闭扭矩(亦即加载扭矩)。若使封闭传动系统以角速度w运转，则上述加了载荷的封闭系统的运转将伴随着功率的传递，即在封闭系统中就有Tw的功率在用而复始地循环传递。必须指出:Tw是封闭扭矩T与封闭系统转速w的乘积，它具有功率的量纲，但它不是由外力所产生的功率提供的;此外，Tw也不可能输出到封闭系统之外。所以， Tw叫做循环功率或封闭功率(功率流)。显然，循环功率不是由驱动装置提供的;驱动装置只是使系统能够以w的速度运转而已。 封闭系统运转时，不可避免地会产生因摩擦、搅油等引起的功率损失。这部分功率损失由驱动装置来补偿。这就是说，驱动装置输入到封闭系统的功率仅是使封闭系统运转起来的功率，即用于补偿封闭系统内的摩擦损耗的功率。由于摩擦损耗功率很小，因此需要的驱动装置的功率也就很小。根据经验，一般仅为封闭功率的十分之一到五分之一左右，它与被试装置的传动效率及传递功率大小、试验台传动箱传动效率等有关。 这样，封闭系统内可以有很大的循环功率以满足试验功率的要求，而完成试验所消耗的能量则相对很小，这是闭式试验台的最大优点。总之，通过加载装置可以改变封闭扭矩T的大小，通过驱动装置可以改变封闭系统的转动速度。，从而获得不同的封闭功率，即试验功率。驱动装置只需提供补偿封闭系统内摩擦损耗的功率。采用控制技术，可以很方便地实现自动加载与自动调速。3.3.2 功率封闭系统内功率流的流动方向封闭系统中功率流的流动方向取决于加载方向和驱动装置的旋转方向。功率流总是从主动齿轮开始，依啮合次序从主动齿轮流向从动齿轮。所谓主动齿轮是旋转方向与作用在该齿轮上的力矩方向相反的齿轮。反之，称为从功齿轮。 汽车等速万向节周期寿命试验台的液压系统分为独立的传动系统和加载系统两部分，各自承担不同的任务。 轴I、II的转速以w1、w2的方向如图2一3所示。图中，Z2对Z1的外力矩，即齿轮Z1受到的外力矩为T21，其方向与转速w1方向相反，故Z1为主动齿轮;Z1对Z2的外力矩，即齿轮Z2受到的外力矩为T12.其方向与转速方向相同，故Z2为从动齿轮。图3-4 功率流方向按上述规定，图3-4封闭功率流按Z1Z2-轴IIZ3Z4轴IZ1的方向流动，即封闭功率Nf按顺时针方向流动。当力矩方向不变而改变转动方向，或转动方向不变而改变力矩方向时，封闭功率Nf的流动方向将随之改变。但同时改变转动方向和力矩方向，则主动齿轮不变，封闭功率流动方向不变。3.3.3 封闭系统的损耗功率 如前所述，封闭系统中封闭功率Nf是不会损失的，损耗的只是摩擦功率。如图3-5所示，设功率流按Z4-一Z3一轴III、II一Z2一Z1一轴I一Z4的方向流动，那么，由驱动装置提供给封闭系统的损耗功率，将随着功率流的流动而逐渐消耗在各摩擦副中。在图2一4所示情况下，齿轮4右端为电动机功率NS输入端，加上封闭循环功率Nf，功率为最大，即Nf+Ns。该功率经过传动齿轮副4、3的传递，损耗Nb后，从齿轮3左端输出时，功率己减为(Nf十Ns一Nb)。该功率经由轴III、11输入传动齿轮2，而传动齿轮副2、1又有损耗Na，所以，该功率传给轴I时，已经减至Nf+Ns一(Na+Nb)。总损耗的功率Na+Nb 由电机功率Ns来弥补，即Ns=Na+Nb。不言而喻，通过轴I传至齿轮4左端的功率又恢复为Nf。图3-5 封闭系统的损耗功率原理图如果将齿轮l、2、3、4看成是两个传动箱，将两个被试的汽车等速万向节总成(可视为一种传动装置)背靠背(为了保证总传动比为1)串联在图2一5的轴I或轴II中，就可以对它们进行寿命等试验。4 液压系统的技术特征及其分析 汽车等速万向节综合性能试验台的液压系统有两套:液压加载系统和液压传动系统。4.1 液压传动系统 液压传动系统主要用于驱动试验台的运动部件运动。包括回转工作台的回转，回转工作台的锁紧以及立式液压滑台的上下运动。液压传动系统原理图如下图4-1所示 图4-1 回转工作台和立式滑台液压传动系统原理图1-电磁溢流阀； 2-压力表开关 ；3-压力表； 4-液控单向阀； 5-叠加式双向节流阀； 6-电磁换向阀；7-双液压阀； 8-推拉液压缸；9-电磁换向阀 ；10-压力传感器； 11-锁紧液压缸 ；12-压力继电器； 13-立式液压缸； 14-行程阀； 15-叠加式双向节流阀；16-电磁换向阀 ；17-电动机 ；18-高压液压泵； 19-过滤器 ；20-液压油箱。 系统有三个执行元件：推拉缸8负责回转工作台的回转，锁紧缸11负责工作台的锁紧、放松、立式缸13负责立式液压滑台的上下运动。 为使液压传动系统电机17在空载下启动，应使电磁铁7YA得电，此时电磁溢流阀1处于卸荷状态。系统工作时，电磁铁7YA应失电。 当电磁铁2YA得电时，液压油进入推拉缸有杆腔，无杆腔回油，推拉缸拉动工作台顺时针回转；当电磁铁1YA得电时，液压油进入推拉缸无杆腔，有杆腔回油，推拉缸推动工作台逆时针回转，回到原位。 当电磁铁3YA得电时，液压油进入锁紧缸无杆腔，有杆腔回油，锁紧缸驱动夹紧工作台顺时针回转；当电磁铁4YA得电时，液压油进入锁紧缸有杆腔，无杆腔回油，锁紧缸松夹。 回转工作台液压回路和锁紧回路之间设置了互锁回路，只有当锁紧缸正处于松夹状态时，油路压力升高，液控顺序阀4才会接通通向推拉缸的进油路，回转工作台才能运动。元件11和13是两个压力继电器，利用或松夹后，压力升高，使电器触点闭合而发出锁紧缸已经夹紧或已经松夹的信号，便于计算机控制试验台后续的试验程序。元件10是压力传感器，其作用是：在进行固定式笼摆角检测时，若出现实际摆角小于许用摆角的情况，防止损坏试件。不需要使用压力传感器时，电磁阀9切断油路，保护压力传感器。 当电磁铁5YA得电时，液压进入立式缸下腔，上腔回油，立式液压滑台上行；当电磁铁6YA得电时，液压油进入立式缸上腔，下腔回油，立式液压滑台下午。与下腔油路连接的压力传感器18的作用是：在进行滑动式球笼摆角和滑移量检测时，若出现实际小于许用摆的情况，此时压力会出现突然升高现象，计算机捕捉到此信号后，会控制立式液压滑以换向，防止损坏试件。不需要使用压力传感器时，电磁阀19切断油路，保护压力传感器。4.2 液压加载系统 本试验台的加载装置的动力采用液压系统驱动。液压扭矩加载器是一种新型的扭矩加载装置，相对于机械加载器而言，它具有更好的工作平稳性和过载保护能力。液压扭矩加载系统原理图如图2-7所示。在装卸试件时，加载系统用于调整液压加载器缸体和叶片转子的相对位置，便于试件的装卸。当电磁铁1YA得电时，加载器正转，电磁铁2YA复电时，加载器反转，调速阀4用地调节加载器摆动的速度，同时减小加载压力的脉动。阀7是背压阀，使得加载器摆动平稳。 在进行周期疲劳寿命试验时，加载器缸体和叶片转子是同步旋转的。加载系统用于控制加载压力，从而控制加载扭矩。加载方向与封闭传动链的转向有关，加载时就根据方向保持电磁铁1YA或2YA得电；计算机通过模拟通道控制施加在比例溢流阀3的比例电磁铁上的电流，即可控制系统压力，改变加载扭矩的大小。 液压扭矩加载由液压源和电液比例控制液压加载器组成。液压源将油泵电机的机械能转换为液体压力能，液压加载器将压力能转换为对传动系施加的转矩机械能。液压加载方案与其它机械加载比较，有一些突出优点:体积小，机械结构简单，液压元件标准化程度高，加载平稳。扭矩加载液压系统原理图如图2一7所示。扭矩加载控制方法:扭矩传感器将检测的扭矩信号送给工控机，工控机将此信号与设定的扭矩数据比较，将比较信息进行处理，进而对液压加载系统进行控制，直到扭矩传感器所检测的信号与设定的数据相同，液压系统不再加载和卸载。试验中采用交流变频调速电机进行万向节的速度控制。通过需控制调速电机的速度即可控制万向节工件的转速。 图4-2 液压加载系统原理图1、5-电磁换向阀；2-精过滤器；3-电业比例溢流阀；4-调速阀；6-液压加载器；7-单向阀；8-压力表；9-压力表开关；10-高压液压泵；11-电动机；12-过滤器；13-列管式油冷却器；14-回油油箱。 加载扭矩大小的控制采用恒值闭环控制方式。计算机是控制器，比例溢流阀和液压加载器是执行器，而扭矩传感器是检测器。控制器将实测的扭矩值与希望恒定的扭矩值进行比较得出偏差，然后根据偏差的大小和方向，产生控制信号去控制比例溢流阀改变系统压力，最后使输出扭矩尽可能接近希望的扭矩。这个动态的调整过程是迅速、可靠的。4.2.1扭矩传感器的作用 由于系统要在特定的转矩和转速下运作，故对扭矩转速精确检测是必须的，其目的主要是让计算机控制电液比例溢流阀和补偿电动机，使试验扭矩和转速为规定的数值。4.2.2 试验台液压加载装置 试验台的液压扭矩加载器采用外置式2叶片摆动液压缸结构，结构见图2-9。试验台中沿封闭环形布置的液压加载器、支撑箱、右传动箱(1:1传动比)、扭矩转速传感器、左传动箱(1:1传动比)及两件被试件一起组成了一个总传动比为1的封闭式传动链。其中，液压加载器是给传动链提供扭矩动力的设备，它是双叶片的液压摆动缸，通过支架、联轴器与右边的试件相连接;液压摆缸中的叶片转子则与左边的传动箱连接。当向液压加载器中输入压力油时，叶片转子相对摆动缸体产生扭矩，改变油液的压力就可改变加载扭矩的大小为了实现加载液压系统的自动连续加载和卸载，系统的压力必须连续可调。为此采用电液比例溢流阀来调整系统压力，这样就可以用计算机实现对试验扭矩的调节与控制。 由于加载液压系统在试验台工作过程中一直处于运行状态，油温高，因此装备了冷却装置。同时配有油温继电器以监控油温，该信号接入计算机。由于加载器叶片的为2片，在加载和换向时会由于这种非线性而对整个液压系统产生液压脉冲冲击。要实现加载器这种液压冲击机械系统的自动平稳控制，从简化系统结构的角度考虑，冲击系统压力应该在数字信号控制下无级变化输出;同时，系统压力和叶片转子流量也必须能在数字信号控制下无级变化输出，为此在液压系统中采用电液伺服阀控制、电液比例阀控制来调整液压系统的压力，实现对这些量的无级变化输出，这样就可以用计算机实现试验扭矩的调节与控制。 图4-3 叶片式摆动液压缸结构示意图5 液压缸设计5.1 确定液压缸的参数 对于夹紧缸，预选夹紧缸的工作压力为4，最大负载为。为了满足工作台上升下降的速度相等，并减小液压泵的流量，今将液压缸的无干腔作为主工作腔，考虑到工作台下降时，工作台自重采用液压方式平衡。根据受力情况，取活塞杆的外径d和液压缸的内径D之比为1：2。回油背压力为，则有动力平衡方程 式（1）式中 D-液压缸的内径， ； d-活塞杆的外径，； -液压缸的机械效率，估算为0.97； -液压缸工作压力，； -液压缸回油腔背压力，； -负载压力，。可求出夹紧液压缸的内径D为 按GB/T2348-1993，取标准值，则据此，可计算得液压缸的有效作用面积 A和实际工作压力为 液压缸的最小工进速度为，二位四通电磁阀24Z-10B的最小稳定流量为0.05L/min，则，液压缸能达到所需转速。 对于定位缸和回转缸，经受力分析及考虑到液压缸的刚性及美观，将其活塞杆直径取为 根据其受力情况及其工作性质，夹紧液压缸工作时所需流量最大。5.2 液压泵及其驱动电机5.2.1 液压泵的最高工作压力计算 液压缸的工作压力为4，而压力继电器的调整压力应比液压缸的最高压力大0.5，因油路简单，进油路元件较少，故进油路压力损失估取为0.5 。 则小流量泵的最高压力P=4+0.5+0.5=5。 泵的额定压力（1.251.6）P=1.255=6.255.2.2 液压泵的流量计算 液压泵的额定流量为25L/min。5.2.3 确定液压泵及其驱动电机的规格 根据以上计算结果，选用规格相近的YBX-B*N变量叶片泵。该泵的输出流量可根据载荷变化自行调节，记载调压弹簧的压力调定情况下，出口压力升到一定值以后，流量随压力增加而减少，直至零。根据这一特性，它特别适用于作容积调速的液压系统中的动力源。 它的主要参数是：最大排量25mL/r, 压力调节范围2.07.0 ，额定转速时1500r/m 即其流量是251500=37.5 L/min.用下式计算其驱动功率： 式（2） 式中 -液压泵的额定压力，； -液压泵的额定流量，； -液压泵的总效率，从规格表中查出； -转换系数：一般液压泵，；恒功率变量液压泵， =0.4；限压式变量叶片泵， ； -液压泵实际工作的最大压力，。 选总效率为0.7， 则求出查表得，选用Y100L2-4型电动机，其额定功率为3，转速1420r/min.5.3 联轴器的选定根据选定的电动机和液压泵的型号及其相应的尺寸规格（见参考文献8）选取 , 联轴器：主动端：J型轴孔，A型键槽，从动端：型轴孔，B型键槽，5.4 液压控制阀及压力表 5.4.1 液压阀的类型与性能液压控制阀是液压技术中品种与规格最多、应用最广泛、最活跃的元件，常用液压控制阀的类型与性能见下表。 表 5.1性能类