目錄 前言.1 1 緒論.2 1.1 課題研究目的和意義2 1.2 國(guó)內(nèi)外二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展概況2 1.3 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用及特點(diǎn)3 1.3.1 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的的應(yīng)用3 1.3.2 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的特點(diǎn)4 1.4 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理5 1.5 減速器加載系統(tǒng)概述6 1.5.1 開放式加載系統(tǒng)6 1.5.2 封閉式加載系統(tǒng)7 1.6 論文主要研究?jī)?nèi)容9 2 減速器模擬加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.10 2.1 概述10 2.2 減速器模擬加載試驗(yàn)臺(tái)組成與原理10 2.2.1 試驗(yàn)臺(tái)各部分組成及其功用10 2.2.2 模擬加載系統(tǒng)原理10 2.3 模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型12 2.3.1 二次元件閥控缸的方塊圖模型12 2.3.2 驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制的方塊圖模型15 2.3.3 加載單元轉(zhuǎn)矩控制的方塊圖模型19 2.3.4 整個(gè)模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型22 2.4 本章小結(jié)23 3 減速器模擬加載系統(tǒng)特性分析.24 3.1 概述24 3.2 驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)剛度特性分析24 3.3 本章小結(jié)27 4 減速器加載試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)變速箱的設(shè)計(jì).28 4.1 概述28 4.2 驅(qū)動(dòng)變速箱的參數(shù)計(jì)算28 4.2.1 傳動(dòng)方案的確定29 4.2.2 最大扭矩的計(jì)算29 4.2.3 最大轉(zhuǎn)速的計(jì)算29 4.3 齒輪的設(shè)計(jì)30 4.3.1 選擇齒輪材料30 4.3.2 確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)30 4.3.3 齒輪傳動(dòng)幾何尺寸計(jì)算31 4.3.4 各軸齒輪中心距的計(jì)算35 4.3.5 齒輪齒寬的計(jì)算35 4.3.6 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核36 4.4 軸的設(shè)計(jì)39 4.4.1 軸的設(shè)計(jì)39 4.4.2 軸的設(shè)計(jì)41 4.4.3 軸的設(shè)計(jì)42 4.4.4 軸的設(shè)計(jì)43 4.4.5 軸的設(shè)計(jì)44 4.4.6 軸的設(shè)計(jì)45 4.4.7 軸的設(shè)計(jì)45 4.5 軸的強(qiáng)度校核47 4.5.1 軸的校核47 4.5.2 軸的校核48 4.6 本章小結(jié)50 5 結(jié)論.51 致謝.52 參考文獻(xiàn).53 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 摘 要 靜液驅(qū)動(dòng)二次調(diào)節(jié)技術(shù)是一項(xiàng)新型的液壓傳動(dòng)技術(shù)。它具有控制方便、容易組成類 似于電氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及液壓能回收與重新利用,甚至比電氣系統(tǒng)更為簡(jiǎn)便等一 系列突出的優(yōu)點(diǎn)。二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究將極大地提高液壓傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品的 競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)基于二次調(diào)節(jié)的減速器加載系統(tǒng)進(jìn)行深入的理論分析，建立減速器加載 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并繪制方框圖，由所建立的模型可以看出，該減速器模擬加載系統(tǒng)為 單輸入單輸出系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、二次輸出加載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；本文還 對(duì)驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行剛度特性分析。詳細(xì)介紹了減速器模擬加載試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)變 速箱及其變速器的軸和傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)及校核。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模擬加載系統(tǒng)具有 良好的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)功能，軸和齒輪具有較好的承受載荷能力，能滿足減速器模擬加 載要求，得出許多有參考價(jià)值的結(jié)論，為進(jìn)一步完善和提高二次調(diào)節(jié)加載技術(shù)提供了依 據(jù)。 關(guān)鍵詞：靜液驅(qū)動(dòng)；二次調(diào)節(jié)；加載；數(shù)學(xué)模型。 Abstract Static fluid-driven second- regulation technology is a new fluid drive technology. It has a lot of advantages, such as convenient control, network perform institution which can be easily formed like electrical system and recovery or reuse of the hydraulic pressure energy, especially much more convenience than electrical system. The research on second-regulation technology can greatly advance the application of the fluid drive technology and the competition of the product. This text bases on reducer load system of the second- regulation to make deep theoretic analyze, found mathematical model of the reducer load system, protract pane chart. We can see from the model founded, this reducer simulated load system is single input and single output system, including driven module rotational speed control module system, second export load torque control system,; the text also analyze the rigidity characteristics of the driven module rotational speed control module system., and also design or Check the drive gear-box, shift organ saxes and drive parts of the reducer simulate load test bed. The result of the text indicate that this simulate system has good function at rotate speed and torque regulation, the axes has good ability of enduring load, and it can achieve certain shift gears ability. This system has good efficiency, it can also satisfy the need of the reducer simulate load. We educe several conclusions with reference value. This text also provide there under about how to improve or advance second-regulation load technology. Keywords: Static fluid-driven; second- regulation; load; Mathematical model. 前言 靜液傳動(dòng)由于具有功率大、密度大、易于實(shí)現(xiàn)工作過程的自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地 應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。但由于靜液傳動(dòng)存在著漏油、噪聲大和效率低等缺點(diǎn)，以及來自于 機(jī)械傳動(dòng)、電器傳動(dòng)和交流伺服技術(shù)快速發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)等原因，進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來， 其增長(zhǎng)速度明顯減慢。因此，如何在發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，借鑒于其他傳動(dòng)技術(shù)的 優(yōu)點(diǎn)、克服自身的不足，從而設(shè)計(jì)出新型的靜液傳動(dòng)系統(tǒng)，并不斷地使其獲得進(jìn)一步地 發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問題。 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)是近年新發(fā)展起來的節(jié)能系統(tǒng)。它具有一系列的獨(dú)特特點(diǎn)， 越來越引起了人們的重視。二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)是工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)， 能在四個(gè)象限內(nèi)工作，回收與重新利用系統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)能和重物勢(shì)能；在系統(tǒng)中二次元件 能無損地從恒壓網(wǎng)絡(luò)取得能量，因而大大地提高了系統(tǒng)效率；系統(tǒng)中可以同時(shí)并聯(lián)多個(gè) 負(fù)載，在各負(fù)載端可分別實(shí)現(xiàn)互不相關(guān)的控制規(guī)律；擴(kuò)大了系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善了系 統(tǒng)的控制特性，減少了設(shè)備總投資，降低了工作過程中的能耗，節(jié)約冷卻費(fèi)用。在能源 日益緊缺的今天，基于能量回收與重新利用而提出的二次調(diào)節(jié)技術(shù)具有重要的理論研究 意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 國(guó)外從 70 年代末開始此項(xiàng)技術(shù)的研究，現(xiàn)已將它應(yīng)用于造船工業(yè)、車輛傳動(dòng)、大型 試驗(yàn)臺(tái)等領(lǐng)域，取得了顯著的節(jié)能效果。我國(guó)從 80 年代末從事二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究，目 前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。本文簡(jiǎn)要回顧了這一領(lǐng)域的發(fā)展過程及最新成就，并對(duì)基于 二次調(diào)節(jié)的減速器加載試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了詳細(xì)地設(shè)計(jì)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的系統(tǒng)剛度特 性進(jìn)行了分析。不當(dāng)之處希望得到老師的批評(píng)指正。 1 緒論 1.1 課題研究目的和意義 世界在發(fā)展，科技在進(jìn)步。對(duì)于新設(shè)計(jì)制造的減速器，需要利用專門的固定試驗(yàn)臺(tái) 對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)，檢測(cè)各項(xiàng)工作性能和可靠性指標(biāo)是否滿足要求。減速器是用于原動(dòng) 機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的封閉傳動(dòng)裝置。由于減速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng) 準(zhǔn)確可靠、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，故在各種機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用甚廣。以往對(duì)較簡(jiǎn)單的單項(xiàng) 試驗(yàn)如疲勞壽命試驗(yàn)等，可在傳統(tǒng)的液壓式加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，但其功率消耗很大，效 率很低。對(duì)稍復(fù)雜一些的綜合性能試驗(yàn)，可在電封閉加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，但在相同加載 功率下，所用電器設(shè)備龐大復(fù)雜，另外雖然可實(shí)現(xiàn)功率回收，提高了效率，可由于其回 收功率以電能形式回饋給電網(wǎng)，因而在動(dòng)載變化較大時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大，某些電器 元件被燒壞的情況時(shí)有發(fā)生，所以我們要盡量避免它的發(fā)生。這也成為了我們的主要任 務(wù)。由于近年來加載試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得許多試驗(yàn)都可以在具有高動(dòng)態(tài)性能的 固定試驗(yàn)臺(tái)上完成，而利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓伺服加載試驗(yàn)臺(tái)就是近年來為人們所重 視的一類加載試驗(yàn)臺(tái)。這種加載系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變量泵-定量馬達(dá)系統(tǒng)不同，它采用帶有儲(chǔ) 能器的恒壓中心油源（一次元件）實(shí)現(xiàn)與各個(gè)單獨(dú)調(diào)節(jié)回路（二次元件）之間的壓力藕 聯(lián)，該系統(tǒng)具有能量可回收利用，效率高，可以多用戶并行工作，遠(yuǎn)離動(dòng)力源，沖擊小， 噪聲底，系統(tǒng)控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是液壓領(lǐng)域的重大突破。 近年來我國(guó)開始利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)研制新型加載試驗(yàn)設(shè)備，在這種二次調(diào)節(jié)加載技 術(shù)的理論與應(yīng)用方面，取得了一定成果和進(jìn)展，但還存在許多需要進(jìn)一步解決的問題。 所以對(duì)此的研究有一定的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 1.2 國(guó)內(nèi)外二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展概況1 德國(guó)漢堡國(guó)防工業(yè)大學(xué)的 H.W.Nikolaus2教授于 1977 年首先提出了二次調(diào)節(jié)靜液傳 動(dòng)的概念。國(guó)外從事這方面研究的單位主要有德國(guó)漢堡國(guó)防工業(yè)大學(xué)靜液傳動(dòng)和控制實(shí) 驗(yàn)室（LHAS） 、亞琛工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)與控制研究所（RWTH）和曼內(nèi)斯曼力士樂有限公司 （Mannesm ann Rexroth GmbH） 。 1980 年 W.Backe 和 H.Murrenhoff 教授進(jìn)行了液壓直接轉(zhuǎn)速控制的二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng) 系統(tǒng)的研究，他們用的二次元件的變量油缸單出桿活塞缸。 1981 年至 1987 年間，R.Kordark、W.Backe、H.Murrenhoff、W.Nikolaus 和 F.Metzner 等人先后提出了液壓直接控制系統(tǒng)、液壓先導(dǎo)控制調(diào)速系統(tǒng)和機(jī)液調(diào)速系統(tǒng)。 但這些調(diào)速系統(tǒng)的控制性能不太理想，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較困難。 1982 年至 1987 年間，H.Murrenhoff、Backe 和 H.J.Haas 等人為提高系統(tǒng)的控制性 能，對(duì)二次調(diào)節(jié)電液轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和電液轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。這種系統(tǒng)可以是單 反饋控制回路，但其阻尼比較小，控制性能不太好。為提高系統(tǒng)的阻尼，改善系統(tǒng)的控 制性能，引入二次元件變量油缸位移反饋，組成雙反饋回路電液轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 1987 年 F.Metzner 提出了數(shù)字模擬混合轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)，將經(jīng)過電液力反饋轉(zhuǎn)速控制 的二次元件作為被控對(duì)象，控制算法采用數(shù)字 PID 控制，它能實(shí)現(xiàn)二次元件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn) 角、轉(zhuǎn)矩和功率控制。 1988 年 W.Holz 先生發(fā)表文章介紹此系統(tǒng)，并給出其應(yīng)用的可能性。 1993 年 W.Backe 教授和 Ch.Koegl 又研究了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)問題， 其中包括對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)中參數(shù)的解耦問題研究。1994 年 R.Kodak 研究了具有高動(dòng)態(tài)特性 的電液轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 近年來，德國(guó)漢堡國(guó)防工業(yè)大學(xué)與力士樂公司合作進(jìn)行了實(shí)用性研究，把二次調(diào)節(jié) 靜液傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到多種機(jī)械設(shè)備的液壓系統(tǒng)中，取得了顯著的節(jié)能效果。 我國(guó)從 80 年代末開始從事二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó) 農(nóng)機(jī)研究院以及同濟(jì)大學(xué)等單位都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了不同形式的研究。 1990 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝卓偉等用單片機(jī)組成數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，并用變結(jié)構(gòu) PID 控制算法來控制二次元件的輸出轉(zhuǎn)速；中國(guó)農(nóng)機(jī)研究所閻雨良等進(jìn)行過二次元件調(diào)速特 性的實(shí)驗(yàn)研究；同濟(jì)大學(xué)范基等進(jìn)行過二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制。 1.3 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用及特點(diǎn) 1.3.1 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的的應(yīng)用 由于二次調(diào)節(jié)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使它在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。第一套配備有二 次調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的產(chǎn)品是建在鹿特丹歐洲聯(lián)運(yùn)碼頭（ECT）的無人駕駛集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)車 CT40；德國(guó)的科那西山特號(hào)海上浮油及化學(xué)品清污船的液壓傳動(dòng)設(shè)備配備有二次調(diào)節(jié)反 饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使預(yù)選的撇沫泵和傳輸泵設(shè)備的轉(zhuǎn)速保持恒定，并使之不受由 于傳輸介質(zhì)黏度的變化而引起的外加轉(zhuǎn)矩變化的影響；德累斯頓工業(yè)大學(xué)通用試驗(yàn)臺(tái)應(yīng) 用了二次調(diào)節(jié)反饋控制的四象限運(yùn)轉(zhuǎn)、能量回收及高反饋控制精度等特點(diǎn)。該試驗(yàn)臺(tái)能 滿足實(shí)際中的嚴(yán)格要求；奔馳汽車公司也將二次調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于行駛模擬試驗(yàn)臺(tái)、以及 在無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的行駛驅(qū)動(dòng)。它還被用于近海起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)、油田用抽油機(jī)和精軋 機(jī)組的液壓系統(tǒng)中。德國(guó)在市區(qū)公共汽車上配備二次調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)后取得顯著的節(jié)能效 果。如圖 1-1 所示，改造后的市區(qū)公共汽車由恒壓變量泵 2 和二次元件 4 組成的軸向柱 塞單元驅(qū)動(dòng)。它在滿載啟動(dòng)時(shí)能給出大約 180Kw 的功率，由此可使汽車在 20s 內(nèi)加速到 它的最大速度 50km/h。而發(fā)動(dòng)機(jī) 1 的功率卻只有 30Kw，其中 150Kw 的差值是從液壓蓄能 器 3 中獲得的。液壓蓄能器的充壓是在制動(dòng)過程中進(jìn)行的，在這個(gè)過程中二次元件作為 泵來工作，而液壓蓄能器為下次的加速過程充壓。系統(tǒng)的損失由液壓泵來補(bǔ)償。 1. 發(fā)動(dòng)機(jī) 2. 恒壓變量泵 3. 蓄能器 4. 二次元件 5. 汽車后橋 圖 1-1 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)在公共汽車中應(yīng)用原理圖 Fig.1-1 second-quiet fluid drivetrain system in the application of principles of the bus 綜上所述，二次調(diào)節(jié)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量回收和重新利用，其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面： 1）位能回收 如液壓驅(qū)動(dòng)的卷?yè)P(yáng)起重機(jī)械。由于卷?yè)P(yáng)機(jī)械中有位能變化，采用二次 調(diào)節(jié)傳動(dòng)技術(shù)可以回收其位能。它可用于起重機(jī)械和礦井提升機(jī)械，纜索機(jī)械的索道傳 動(dòng)，船用甲板機(jī)械等； 2）慣性能回收 如液壓驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)械和實(shí)驗(yàn)裝置。應(yīng)用二次調(diào)節(jié)技術(shù)可對(duì)擺動(dòng)機(jī)械 在頻繁起動(dòng)、制動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性能進(jìn)行回收和再利用； 3）綜合節(jié)能 群控作業(yè)機(jī)械和實(shí)驗(yàn)裝置。對(duì)于多臺(tái)周期性工作設(shè)備可共用一個(gè)動(dòng)力 能源,這樣既節(jié)省了費(fèi)用,又節(jié)約了能源,這在流水作業(yè)的機(jī)械和液壓實(shí)驗(yàn)裝置中十分常見。 1.3.2 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的特點(diǎn)3 1）同傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)相比，二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)有如下一些特點(diǎn)： （1）通過改變二次元件的排量來改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn) 矩和功率的控制。通過改變二次元件斜盤擺角的方向（過零點(diǎn)）來改變二次元件的轉(zhuǎn)向； （2）由于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，所以二次元件的流量與其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘 積成比例； （3）它是壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的壓力基本保持不變。二次元件直接與恒壓油源相 連，因此在系統(tǒng)中沒有原理性節(jié)流損失，提高了系統(tǒng)效率； （4）二次元件（液壓馬達(dá)/泵）可在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行工作，既可以工作在液壓馬達(dá) 工況，也可以工作在液壓泵工況，為能量的回收和重新利用創(chuàng)造了條件； （5）蓄能器回收的液壓能可滿足間歇性大功率的需要，在設(shè)備的啟動(dòng)過程中能利用 蓄能器釋放出的能量來加速啟動(dòng)過程，由此來提高系統(tǒng)的工作效率； （6）由于蓄能器的存在使系統(tǒng)中不會(huì)形成壓力尖峰，可減少壓力限制元件的發(fā)熱， 從而降低用于系統(tǒng)冷卻的功率消耗； （7）與電力系統(tǒng)相似，二次元件工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)恒壓網(wǎng)絡(luò)中可以并聯(lián)多個(gè) 互不相關(guān)的負(fù)載，并可實(shí)現(xiàn)互不相關(guān)的控制規(guī)律，而液壓泵站只需按負(fù)載的平均功率之 和進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝； （8）二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了新的控制規(guī)律和控制結(jié)構(gòu)。 2）與電傳動(dòng)相比： （1）閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； （2）高功率密度，重量輕，安裝空間?。?（3）安裝功率小。 1.4 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理4 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)）一般由恒壓油源、二次元件（液壓 泵/馬達(dá)） 、工作機(jī)構(gòu)和控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力耦 聯(lián)系統(tǒng)，其工作原理是：在恒壓網(wǎng)絡(luò)中，通過調(diào)節(jié)二次元件斜盤傾角來改變二次元件排 量，以適應(yīng)負(fù)載（工作機(jī)構(gòu)）轉(zhuǎn)矩的變化，從而使負(fù)載按設(shè)定的規(guī)律變化。 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理如圖 1-2 所示?？赡媸奖?馬達(dá)元件與電液伺服閥、變量液壓 缸、位移傳感器等組合在一起，統(tǒng)稱為二次元件。電動(dòng)機(jī)、恒壓變量泵、蓄能器、安全 閥及相應(yīng)的管路等元件構(gòu)成恒壓網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)加載系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓動(dòng)力源。兩個(gè)可 逆式泵/馬達(dá)元件以壓力耦聯(lián)方式并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡(luò)上，兩元件機(jī)械端口之間通過轉(zhuǎn)速傳感 器和轉(zhuǎn)矩傳感器以及加載對(duì)象剛性地連接在一起。 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)為典型的電液伺服系統(tǒng)二者相互獨(dú)立，可分別進(jìn)行調(diào) 節(jié)，以滿足加載系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的不同要求。系統(tǒng)工作時(shí)，由控制器 11 和 14 分別向 電 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 E E 1 4 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 1電動(dòng)機(jī) 2恒壓變量泵 3蓄能器 4安全閥 5油箱 6,18位移傳感器 7,16變量液壓缸 8,17電液伺服閥 9,15可逆式泵/馬達(dá)元件 10轉(zhuǎn)速傳感器 11,14控制器 12加載對(duì)象 13轉(zhuǎn)矩傳感器 圖 1-2 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理 Fig.1-2 Principle diagram of loading system with secondary regulation 液伺服閥 8 和 17 發(fā)出電信號(hào)，通過閥控缸機(jī)構(gòu)（前置級(jí)排量控制）改變兩個(gè)可逆式泵/馬 達(dá)元件的斜盤擺角，從而使其排量發(fā)生變化，以適應(yīng)外負(fù)載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化。另外， 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，元件 9（馬達(dá)）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來驅(qū)動(dòng) 加載對(duì)象和元件 15（泵） ，實(shí)現(xiàn)加載，元件 15（泵）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能后又直接回 饋給恒壓網(wǎng)絡(luò)，重新用來驅(qū)動(dòng)元件 9（馬達(dá)） ，在兩個(gè)可逆式泵/馬達(dá)元件之間形成閉式循 環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補(bǔ)償系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械損失，而驅(qū)動(dòng) 元件 9（馬達(dá)）所需的大部分能量都來自元件 15（泵） 。此外，在該加載系統(tǒng)中，沒有節(jié) 流元件，因而避免了節(jié)流損失。由此可見，該加載系統(tǒng)在工作中不僅減少系統(tǒng)發(fā)熱，而 且還可以達(dá) 到節(jié)能目的。 從以上分析可以得出，實(shí)現(xiàn)各種控制目的的最終控制量是作用在變量液壓缸上，變 量液壓缸不同的位置使二次元件有不同的斜盤傾角，即有不同的排量。因此，二次調(diào)節(jié) 的最終控制是實(shí)現(xiàn)對(duì)變量液壓缸位置控制。 1.5 減速器加載系統(tǒng)概述5 減速器的種類很多、應(yīng)用范圍廣，用以滿足各種機(jī)械傳動(dòng)的不同要求。因此，減速 器加載試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)具備扭矩、轉(zhuǎn)速可變化的條件，且其扭矩、轉(zhuǎn)速的變化應(yīng)是可單獨(dú) 調(diào)節(jié)的。減速器試驗(yàn)加載系統(tǒng)主要分為開放式和封閉式兩大類。 1.5.1 開放式加載系統(tǒng) 開放式加載系統(tǒng)原理如圖 1-3 所示。驅(qū)動(dòng)單元由電動(dòng)機(jī)(或內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)等)、及 附屬裝置組成，它負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供動(dòng)力(功率)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由電機(jī)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn) 單元主要由被測(cè)裝置、減速器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置以及其它一些測(cè)量裝置組成；負(fù)載模 擬單元主要由測(cè)功機(jī)(或液壓加載器、磁粉制動(dòng)器等)及附屬裝置組成，加載轉(zhuǎn)矩由測(cè)功機(jī) (或液壓加載器、磁粉制動(dòng)器)調(diào)定。 功率 輸入 試驗(yàn) 單元 負(fù)載模 擬單元 功率 消耗 驅(qū)動(dòng) 單元 圖 1-3 開放式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-3 Principle diagram of open type loading system 開放式加載系統(tǒng)的工作原理及工作過程比較簡(jiǎn)單，整套設(shè)備的技術(shù)含量低，制造成 本相對(duì)較低，但它的致命弱點(diǎn)是需要大功率動(dòng)力，能量無法回收利用，效率低，因此其 試驗(yàn)成本相對(duì)于后面所述的封閉式加載系統(tǒng)來說較高。 1.5.2 封閉式加載系統(tǒng) 封閉式加載系統(tǒng)又分為電力封閉式、機(jī)械封閉式和液壓封閉式幾種。 1）電力封閉式加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理如圖 1-4 所示。驅(qū)動(dòng)單元由交流（或 直流）電動(dòng)機(jī)及附屬裝置組成，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由電機(jī)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)單元與開放式 相同；負(fù)載模擬單元由交流（或直流）發(fā)電機(jī)及附屬裝置組成，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由發(fā)電機(jī)形成。 負(fù)載發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過電網(wǎng)加以回收并反饋給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，形成封閉的功率流， 從而降低試驗(yàn)?zāi)芎模到y(tǒng)效率高。但由于功率回收技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的技術(shù)，整 套裝置的成本非常高，又由于回收過程的回收效率受加載負(fù)荷的影響較大，而且對(duì)于大 功率加載系統(tǒng)來說，試驗(yàn)臺(tái)及電動(dòng)機(jī)體積龐大，試驗(yàn)不同型號(hào)減速器時(shí)調(diào)整困難。另外， 在系統(tǒng)動(dòng)載變化較大時(shí)，可能對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。 2）機(jī)械封閉式加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理圖如圖 1-5 所示。它將原來單純由電 機(jī)提供功率（轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速） ，分解為由兩套裝置分別向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，由轉(zhuǎn)速提供 裝置(電動(dòng)機(jī))向系統(tǒng)提供所需要的轉(zhuǎn)速，同時(shí)由轉(zhuǎn)矩施加裝置（液壓加載器）向系統(tǒng)提供 試驗(yàn)所需要的轉(zhuǎn)矩。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)矩被封閉在一個(gè)由兩個(gè)變速傳動(dòng)裝置、兩個(gè)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置、一個(gè)轉(zhuǎn)矩施加裝置、被試件和陪試件所組成的封閉機(jī)械系統(tǒng)中，它不再 對(duì)轉(zhuǎn)速提供裝置(電動(dòng)機(jī))產(chǎn)生影響，電動(dòng)機(jī)所提供的動(dòng)力，僅僅是用來平衡系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程 中產(chǎn)生的機(jī)械損耗，從而降低了電動(dòng)機(jī)的功率消耗。這種加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速通過電機(jī)調(diào)速 進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩通過調(diào)節(jié)液壓加載器油源系統(tǒng)溢流閥的開啟壓力來設(shè)定，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 控制。因此，這種加載系統(tǒng)不適用于動(dòng)態(tài)模擬加載試驗(yàn)。 功率補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)單元試驗(yàn)單元 負(fù)載模擬 單元 電功率回 收 圖 1-4 電力封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-4 Principle diagram of closed type electric loading system 轉(zhuǎn)速提供 裝置(電 動(dòng)機(jī)、變 頻器) 變 速 傳 動(dòng) 裝 置 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 測(cè)量裝置 被試件 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 測(cè)量裝置 轉(zhuǎn) 矩 施 加 裝 置 (液壓加載器) 陪試件 變 速 傳 動(dòng) 裝 置 圖 1-5 機(jī)械封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-5 Principle diagram of closed type mechanical loading system 3）液壓封閉式加載系統(tǒng) 這種加載系統(tǒng)的原理如圖 1-6 所示。驅(qū)動(dòng)單元由油源、液 壓馬達(dá)及相關(guān)液壓元件組成，它負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供動(dòng)力(功率)，通過對(duì)液壓馬達(dá)流量和斜盤 擺角的調(diào)節(jié)，來滿足對(duì)不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的要求；試驗(yàn)單元與前述系統(tǒng)相同；負(fù)載模擬單元 由液壓泵及相關(guān)液壓元件等組成，通過控制液壓泵的斜盤擺角，可模擬各種工況下的負(fù) 載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載模擬單元產(chǎn)生的液壓能通過液壓網(wǎng)絡(luò)加以回收，并直接反饋給驅(qū)動(dòng)單元， 形成封閉的功率流，從而降低試驗(yàn)?zāi)芎模到y(tǒng)效率高。系統(tǒng)加載過程中所形成的動(dòng)載影 響，基本被限制在液壓系統(tǒng)內(nèi)部，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小。 如果將圖 1-6 中的液壓馬達(dá)和液壓泵換成二次元件，就構(gòu)成了二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)。由 于二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)可充分利用計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)越性，使加載參數(shù)（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速）的調(diào) 節(jié)非常靈活方便，所以系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能好，可對(duì)各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬。因此，將 這種二次調(diào)節(jié)式加載系統(tǒng)用于減速器加載試驗(yàn)，是十分理想的。 功率補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)單元試驗(yàn)單元 負(fù)載模擬 單元 液壓功率 回收 圖 1-6 液壓封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Fig.1-6 Principle diagram of closed type hydraulic loading system 1.6 論文主要研究?jī)?nèi)容 1）對(duì)基于二次調(diào)節(jié)的減速器加載系統(tǒng)進(jìn)行深入的理論分析，建立減速器加載系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型，并繪制方框圖； 2）對(duì)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行剛度特性分析； 3）對(duì)驅(qū)動(dòng)變速箱的軸及齒輪等傳動(dòng)零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其作校核。 2 減速器模擬加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 2.1 概述 減速器加載試驗(yàn)按減速器的重要性分為型式檢驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)、溫升檢驗(yàn)等幾種檢驗(yàn) 方式。型式檢驗(yàn)主要針對(duì)最新研制的減速器的一種檢驗(yàn)方式，包括裝配及連接尺寸檢驗(yàn)， 空載試驗(yàn)，效率試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)，噪聲試驗(yàn)，超載試驗(yàn)，耐久試驗(yàn)；出廠檢驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)有 成熟減速器進(jìn)行的出廠前檢驗(yàn)，包括裝配及連接尺寸檢驗(yàn)，出廠空載試驗(yàn)，出廠溫升試 驗(yàn)，出廠噪聲試驗(yàn)；溫聲試驗(yàn)主要針對(duì)檢修完畢的減速器進(jìn)行的性能測(cè)試。 本章針對(duì)減速器模擬加載系統(tǒng)，建立較為精確的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型包括有微分方 程、狀態(tài)方程及變量圖、傳遞函數(shù)及方塊圖等。 2.2 減速器模擬加載試驗(yàn)臺(tái)組成與原理 2.2.1 試驗(yàn)臺(tái)各部分組成及其功用 減速器加載試驗(yàn)臺(tái)如圖 2-1 所示，由恒壓油源及管路系統(tǒng)、模擬加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、 機(jī)械臺(tái)架四部分組成。恒壓油源為整個(gè)模擬加載單元提供恒定壓力，同各種液壓元件及 管路一起構(gòu)成恒壓網(wǎng)絡(luò)。恒壓油源主要由兩臺(tái) Rexroth公司的 A4VSO180DP 型軸向柱 塞式恒壓變量泵和一臺(tái)雙聯(lián)葉片式定量泵組成，柱塞泵為系統(tǒng)提供恒定的高壓油源，葉 片泵為二次元件及主泵提供背壓，并通過給系統(tǒng)補(bǔ)充冷油的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冷卻。當(dāng) 然，油源部分還包括高低壓溢流閥、卸荷閥、蓄能器、油液過濾器及風(fēng)冷卻器等。模擬 加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象減速器的驅(qū)動(dòng)和加載的模擬，它包括驅(qū)動(dòng)單元、二次輸出加載 單元。驅(qū)動(dòng)單元主要由兩個(gè) Rexroth 公司的 A4VSO250 型軸向柱塞元件串聯(lián)而成的雙聯(lián)二 次元件、兩個(gè)彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成，該單元用來模擬減速器的驅(qū)動(dòng)。二次 輸出加載單元主要由雙聯(lián)二次元件、兩個(gè)彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成，該單元用 來模擬傳感器二次輸出端的負(fù)載?？刂葡到y(tǒng)由 PC 計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、 數(shù)字顯示儀和用來控制油源啟停的 PLC 控制器等組成，該部分主要完成整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù) 量和開關(guān)量的控制、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)狀態(tài)超限保護(hù)等。機(jī)械支架和試驗(yàn) 平臺(tái)提供加載試驗(yàn)對(duì)象減速器、聯(lián)軸器及加載二次元件的支撐和連接。其中模擬加載系 統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，也是本課題的研究對(duì)象。 2.2.2 模擬加載系統(tǒng)原理 由圖 2-2 可見，二套二次元件的液壓端口共同并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡(luò)上，機(jī)械端口通過各轉(zhuǎn) 1 2 3 二次元件 雙聯(lián) 二次元件 雙聯(lián) 變速器 驅(qū)動(dòng) 變速器 二次輸出 減 速 器 恒壓油源 驅(qū)動(dòng)模擬單元二次輸出加載單元 低壓恒壓網(wǎng)絡(luò) 高壓恒壓網(wǎng)絡(luò) 564 1-PC 機(jī)（上位機(jī)） 2-工控機(jī)（下位機(jī)） 3-采集卡 4-彈性聯(lián)軸器（4 個(gè)） 5-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（2 個(gè)） 6-齒輪聯(lián)軸器（2 個(gè)） 圖 2-1 減速器加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成 Fig. 2-1 The reducer gear experiments composition 速轉(zhuǎn)矩傳感器、彈性聯(lián)軸器、變速器、加載試件等連接在一起。二次元件 1 工作于馬達(dá) 工況，用來模擬減速器發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器 1 等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速 控制系統(tǒng)；二次元件 2 工作于泵工況，用來對(duì)減速器二次輸出端加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式， 它同相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩傳感器 2、控制器 2，構(gòu)成二次輸出加載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，都包含有內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩種控制回路，由對(duì)應(yīng)于各二次元件的電液伺 服閥、變量液壓缸、位移傳感器 LVDT 構(gòu)成閥控缸回路（內(nèi)環(huán)） ，再加上相應(yīng)的二次元件、 轉(zhuǎn)速感器或轉(zhuǎn)矩傳感器，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速控制回路或轉(zhuǎn)矩控制回路（外環(huán)） 。 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，二次元件 1（馬達(dá)）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械 能來驅(qū)動(dòng)加載試件和二次元件 2（泵） ，實(shí)現(xiàn)模擬加載。同時(shí)，二次元件 2（泵）將機(jī)械 能轉(zhuǎn)換成液壓能后又直接回饋給恒壓網(wǎng)絡(luò)，重新用來驅(qū)動(dòng)二次元件 1（馬達(dá)） ，在二次元 件 1（馬達(dá)）和二次元件 2（泵）之間，功率流形成閉式循環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的 液壓能只是用來補(bǔ)償系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械損失，而驅(qū)動(dòng)二次元件 1（馬達(dá)）所需的大部 分能量都來自二次元件 2（泵） 。因此，該加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量回收與利用，系統(tǒng)效率高。 由于二套二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)同樣設(shè)置有轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以任意將其調(diào)整為 轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)（作為驅(qū)動(dòng)單元）和轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)（作為加載單元），因此可以按被試件 的要求，設(shè)置其中一套二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)單元，另外 1 套作為加載單元。 二次 元件2 驅(qū)動(dòng) 變速器 轉(zhuǎn)速 傳感器 二次輸出變 速器 轉(zhuǎn)矩 傳感器 U S U S 電液伺服閥2電液伺服閥1 恒壓網(wǎng)絡(luò) 恒壓 變量泵 蓄能器 控制 器1 二次 元件1 控制 器2 變量液 壓缸2 變量液 壓缸1 LVDT1LVDT2 減速器 圖 2-2 模擬加載系統(tǒng)原理圖 Fig.2-2 Principle diagram of simulation loading system 2.3 模擬加載系統(tǒng)的方塊圖模型 2.3.1 二次元件閥控缸的方塊圖模型 減速器模擬加載系統(tǒng)所用核心部件為 Rexroth 公司的 A4VS0250 DS 型二次元件，其 原理如圖 2-3 所示。它由可逆式軸向柱塞泵，馬達(dá)單元、電液伺服閥、變量油缸、安全保 護(hù)閥、位移傳感器(LVDT)、濾油器以及防氣蝕單向閥等組成。它具有快速的響應(yīng)特性， 能工作在四個(gè)象限，既可用做馬達(dá)也可用做泵，具有很好的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制特性，沒有 節(jié)流損失，功率損失小。 B 8 S 5 4 7 6 3 2 1 9 1-軸向柱塞單元 2-變量液壓缸 3-電液伺服閥 4-安全保護(hù)閥 5-濾油器 6-位移傳感器 7-碼盤 8-防氣蝕單向閥 9-二位三通電磁閥 B-高壓油口 S-低壓油口 圖 2-3 A4VSO250DS 型二次元件原理圖 Fig.2-3 Picture and principle diagram of A4VSO250DS type secondary unit 由上所說，二次元件用作馬達(dá)時(shí)，其控制方式為轉(zhuǎn)速控制；用作泵時(shí)，其控制方式 為轉(zhuǎn)矩控制，但兩種控制方式的閥控缸(內(nèi)環(huán))是相同的，都是由電液伺服閥、變量液壓缸、 位移傳感器 LVDT 構(gòu)成的。由圖 2-3 可見，閥控缸回路就是對(duì)稱伺服閥控制對(duì)稱液壓缸 回路，下面分別列寫出該回路各元件的數(shù)學(xué)模型5。 1）電液伺服閥 電液伺服閥的傳遞函數(shù)通常用二階振蕩環(huán)節(jié)表示，即 (2-1) 2 2 ( ) ( ) 2( ) 1 didi di didi didi QsK Es sVs s 如果系統(tǒng)的頻寬較低時(shí)，伺服閥的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，即 (2-2)( ) 1 di di di K Es T s 當(dāng)系統(tǒng)的頻寬遠(yuǎn)小于伺服閥的固有頻率時(shí)，伺服閥的傳遞函數(shù)可近似為比例環(huán)節(jié)，即 (2-3)( ) didi EsK 式中 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的輸出流量（m /s） ；( ) di Qsi 3 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的輸入電壓(v)；( ) di Vsi 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的固有頻率(rads)； di i 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的阻尼比(無因次)； di i 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的流量增益（m s）v） ； di Ki 3 第 個(gè)二次元件電液伺服閥的時(shí)問常數(shù)（s） ； di Ti 二次元件序號(hào)， =1，2，分別對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)、二次輸出加載二次元件。ii 2）變量液壓缸 變量液壓缸的流量連續(xù)性方程為 (2-4) 4 ibibi dibibibi e dyVd P qACP dtdt : : 式中 變量液壓缸的流量（m s） ； di q 3 變量液壓缸活塞的位移（m） ； i y 變量液壓缸的有效作用面積（m ） ； bi A 2 變量液壓缸的泄漏系數(shù)(m /s)/ Pa)； bi C 3 變量液壓缸兩腔的總?cè)莘e（m ） ； bi V 3 液壓油的體積彈性模量(N/m2)； e 第 i 個(gè)變量液壓缸的進(jìn)出口壓差（bar） 。 bi P: 變量液壓缸的力平衡方程為 (2-5) 2 2 ii bibiibiiii d ydy APmBK yF dtdt : 式中 變量液壓缸活塞與斜盤的等效質(zhì)量（kg） ； i m 變量液壓缸的阻尼系數(shù)(N/（m/s）)； bi B 作用于變量液壓缸活塞上的外負(fù)載力（N） ； i F 負(fù)載的彈簧剛度（N/m） ，沒有彈性負(fù)載時(shí)，=0； i K i K 第 i 個(gè)變量液壓缸的進(jìn)出口壓差（bar） 。 bi P: 3）位移傳感器 位移傳感器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 (2-6)( ) wi G sK 式中 位移傳感器的變換系數(shù)（V/m） ； wi K 對(duì)式(2-4)、式（2-5）進(jìn)行拉式變換得 (2-7)( ) 4 bi dibiibibibi e V QsA sYC Ps P : (2-8) 2 bibiiibiiiii APm s YB sYK YF: 由式(2-1)、式(2-6)、式(2-7)和式(2-8)，可畫出閥控缸的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 2-4 所示，輸入的是電壓量，輸出的是液壓缸的位移，經(jīng)過一套連桿機(jī)構(gòu)，將液壓缸的位移 轉(zhuǎn)換為可逆式泵馬達(dá)元件的斜盤擺角，因此將排量控制也稱為擺角控制。 - i Y i U i F - di V 2 2 2 1 di di didi K s s bi 4 bi bi e A V s C wi K bi A s 2 1 + ibii m sB sK di Q 圖 2-4 閥控缸方塊圖 Fig.2-4 Block diagram of prestage displacement control 1 S 2.3.2 驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制的方塊圖模型 減速器模擬加載系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元物理模型如圖 2-5 a)所示，驅(qū)動(dòng)單元的組成如圖 2-5 b) 所示，它包括雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)二次元件、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)變速器以及齒輪聯(lián)軸 器等。下面分別列出它們的有關(guān)方程。 1）二次元件排量方程為 (2-9) i i i i i i i V y y V V max max max max 且有如下關(guān)系式 (2-10) ii yK 式中 二次元件的排量（m /rad） ； i V 3 二次元件的最大排量（m /rad） ； maxi V 3 二次元件變量斜盤的擺角(deg)； i 二次元件變量斜盤的最大擺角（deg） ； maxi 二次元件變量液壓缸活塞的位移（m） ； i y 二次元件變量液壓缸活塞的最大位移（m） ； maxi y 變量液壓缸活塞位移對(duì)斜盤擺角的變換系數(shù)（degm） 。 K 腳標(biāo) 是二次元件的序號(hào)，此處指的是驅(qū)動(dòng)單元二次元件，故應(yīng)取扣 =1。ii 二 次 元 件 雙 聯(lián) 驅(qū) 動(dòng) 彈性聯(lián)軸器 轉(zhuǎn)速傳感器 彈性聯(lián)軸器 驅(qū)動(dòng)變速器 齒輪聯(lián)軸器 減 速 器 C1Z1 1 D 11 T 12 T 1 S 二 次 輸 出 a） 減速器 t M1 1 1 M 1 1Z 1Z J 1 M 1Z M 1j M 1j 2j M 2j K 1 J 1 R K 1Z M JR 1 D 11 T 12 T 1 S 1 S 1 S 1 S b） 圖 2-5 驅(qū)動(dòng)單元組成與物理模型 Fig.2-5 Constitution and physical model of drive unit 2）雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)二次元件的力矩平衡方程為 1 D (2-11) 1 1 1 2 1 1111 2M dt d R dt d JVPM t 式中 二次元件的理論輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)； t M1 二次元件的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩（Nm） ； 1 M 二次元件轉(zhuǎn)動(dòng)件和彈性聯(lián)軸器輸入軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2） ； 1 J 11 T 二次元件的等效阻尼系數(shù)(Nm/(rad/s)； 1 R 二次元件的轉(zhuǎn)角（rad） ； 1 二次元件的進(jìn)出油口壓差（N/m ） ； 1 P 2 二次元件的排量（m /rad） 。 1 V 3 3）彈性聯(lián)軸器的力矩平衡方程為 11 T (2-12) 11111 () TZ MK 式中 彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)(Nm/rad)； 11T K 11 T 彈性聯(lián)軸器的輸出軸轉(zhuǎn)角(rad)。 1Z 11 T 4）轉(zhuǎn)速傳感器的力矩平衡方程為 1 Z (2-13) 1 2 1 2 11Z Z Z M dt d JM 式中 轉(zhuǎn)速傳感器的輸出軸轉(zhuǎn)矩(Nm)； 1Z M 1 Z 彈性聯(lián)軸器輸出軸、轉(zhuǎn)速傳感器和彈性聯(lián)軸器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1Z J 11 T 12 T 之和（kgm2） 。 5）轉(zhuǎn)速傳感器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 (2-14) 1 )( S KsG 式中 轉(zhuǎn)速傳感器的變換系數(shù) V/（rads） 。 1S K 1 Z 6）彈性聯(lián)軸器的力矩平衡方程為 12 T (2-15) 111211 () ZSTzS MMK 式中 驅(qū)動(dòng)變速器的輸入軸轉(zhuǎn)矩（Nm）