液压伺服无级变速器的设计.docx

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液压伺服无级变速器的设计

毕业设计论文

题目：

液压伺服无级变速器的设计

专业年级：

机电09-3班

学生姓名：

杜长见

学号：

0930130322

学校指导教师：

赵金涛

机械工程系

2012年6月24日

哈尔滨理工大学荣成学院

专科生毕业设计（论文）评语

学生姓名：

杜长见学号：

0930130322

学院：

荣成学院专业：

机电一体化

任务起止时间：

2012年2月27日至2012年6月24日

毕业设计（论文）题目：

液压伺服无级变速器的设计

指导教师对毕业设计（论文）的评语：

该生在毕业设计期间，态度认真，认真完成指导教师布置的各项工作。

针对课题查阅了大量相关文献，对课题有较深的认识。

论文图表清晰，格式符合学校对专科毕业论文要求。

同意该生参加毕业答辩。

指导教师签名：

指导教师职称：

评阅教师对毕业设计（论文）的评语：

查阅文献资料能力强，工作量满足设计要求，方案合理，图纸符合国家相关规定，综合运用知识能力强，完成了任务书要求的设计任务。

评阅教师签名：

评阅教师职称：

答辩委员会对毕业设计的评语：

选题合理，基础知识理论扎实，论文思路明确。

该生能在规定时间内谙练、扼重地陈述论文的内部实质意义，思路清楚，按照该生论文质量和答辩中的表现，该论文达到专科论文优秀程度。

答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：

答辩委员会主席签名：

职称：

年月日

哈尔滨理工大学荣成学院

专科生毕业设计（论文）任务书

学生姓名：

杜长见学号：

0930130322

学院：

荣成学院专业：

机电一体化

任务起止时间：

2012年2月27日至2012年6月24日

毕业设计（论文）题目：

液压伺服无级变速器的设计

毕业设计工作内容：

1．实际调研，收集相关资料；

2．液压伺服系统关键技术的研究；

3．液压伺服无级变速器的总体方案的研究；

4．撰写毕业设计论文。

注：

要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）。

资料：

1．姜佩东.液压与气动技术.北京：

高等教育出版社.

2．左健民.液压与气压传动（第2版）.北京：

机械工业出版社.

3．袁承训.液压与气压传动.北京：

机械工业出版社.

4．陆望龙.实用液压机械故障排除与修理大全.湖南：

湖南科学技术出版社.

5．刘延俊.液压与气压传动.北京：

高等教育出版社.

指导教师意见：

签名：

年月日

系主任意见：

签名：

年月日

液压伺服无级变速器的设计

摘要

本文主要阐述了液压伺服无级变速器，是在原有的液压无级变速器的基础上，增加了液压伺服控制系统，将原来纯机械式的调节控制改为液压伺服系统控制，可自动调整变速器中液压马达的输出速度，使之趋于稳定，不因负载发生波动而发生变化，将由于负载发生波动引起的马达输出速度变化反馈给伺服系统中的变量机构，使其自动调整泵输入参数，保持输出稳定，改变原来控制为纯机械式的调节方式，以适应自动化的趋势。

并能实现远距离操控，扩大了液压无级变速器的使用范围。

本文首先阐述了液压无级变速器的工作原理，对现有的变量泵的控制方法进行了分析，在此基础上确定了变速器的液压伺服控制系统的总体方案，设计了伺服控制系统的工作原理图，并对伺服控制系统中液压控制阀以及滑阀控液压缸系统进行了设计和研究，确定了系统中各主要元件的主要参数。

得出了阀控缸系统性能良好的结论，并对系统中的部分性能参数进行了优化，得出了较为理想的系统性能参数。

关键词液压传动；伺服控制系统；无级变速器

第1章绪论

1.1液压传动及伺服控制的概述

1.1.1液压传动的工作原理、特点及应用前景

液压传动是用液体作为工作介质，通过动力元件，将机械能转换为油液的压力能，通过管道、控制元件，借助执行元件，将油液的压力能转换成机械能，驱动负载，实现直线运动或回转运动。

与其它传动方式相比，液压传动具有以下独特的优点：

功率质量比大，运动惯性小，动作灵敏，制动迅速，运动平稳，调速范围大，易于实现无级变速，便于实现系统的远程操纵和制动控制以及元件寿命长，标准化、通用化高等。

液压传动技术独特的优点使其在各种机械装置中应用广泛，而作为最能体现液压传动技术独特特点的液压和夜力变速器也得到了广泛应用，如汽车、工程机械、金属切削机床、机器人等。

但传统的液压和夜力变速传动一般采用分体式结构，液压泵、液压马达、阀及液压管路等液压元件分立，结构庞大，不知复杂，可靠性差。

随着液压行业向集成化、小型化、机电一体化、节能、高效、多样化发展，将液压泵、液压马达与控制阀构成一体化无级变速器也应运而生，其结构紧凑，体积小，质量轻，布局灵活，操作使用方便，简化了传动装置的结构，改善了各种装备的质量，因此得到了广泛的认可和应用，在国外已广泛应用于汽车、农林业机械、环保机械、矿山机械、工业机器人驱动系统、太空探测机械等领域。

1.2三个关键词的解释

1.2.1液压传动

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。

液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。

如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

1.2.2伺服控制系统

图1-1伺服系统结构图位置

机电一体化的伺服控制系统的结构，类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象，执行环节,检测环节，比较环节等五部分：

1）比较环节

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。

2）控制器

控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

3）执行环节

执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。

机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等。

4）被控对象

机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。

5）检测环节

检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

1.2.3无级变速器

在一定速度范围内，能连续、任意的变换速度。

CVT即无级变速传动，其英文全称ContinuouslyVariableTransmission，简称CVT。

发明这种变速传动机构的是荷兰人，有其装置的变速器也称为无段变速箱或者无级变速器。

这种无级变速变速器和普通自动变速器的最大区别是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动。

通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径进行变速，其设计构思十分巧妙。

由于CVT可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，所以它是理想的汽车传动装置。

无段变速箱轿车一样有自己的档位，停车档P、倒车档R、空档N、前进档D等，只是汽车前进自动换档时十分平稳，没有突跳的感觉。

1.3液压伺服控制的基本原理、应用及发展

1.3.1液压伺服控制的基本原理

液压伺服控制具有以下优点：

易于实现直线运动的速度位移及力控制，驱动力、力矩和功率大，尺寸小重量轻，加速性能好，响应速度快，控制精度高，稳定性容易保证等。

液压伺服系统的工作原理可用图1-1表示

图1-2液压伺服系统工作原理图

可见，液压伺服控制系统的工作特点：

l）在系统的输出和输入之间存在反馈连接，从而组成闭环控制系统。

反馈介质可以是机械的，电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。

2）系统的主反馈是负反馈，即反馈信号与输入信号相反，两者相比较得偏差信号

，该偏差信号控制液压能源，输入到液压元件的能量，使其向减小偏差的方向移动，既以偏差来减小偏差。

3）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。

因此它是一个功率放大装置，功率放大所需的能量由液压能源供给，供给能量的控制是根据伺服系统偏差大小自动进行的。

综上所述，液压伺服控制系统的工作原理就是流体动力的反馈控制。

即利用反馈连接得到偏差信号，再利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符。

1.3.2液压伺服控制的组成和分类

液压伺服控制的组成和分类液压伺服控制系统由液压控制、反馈测量和液压执行元件组成。

一个典型的液压伺服系统有以下特征：

1）是一个跟随系统，液压缸位置由伺服阀阀芯位置确定；

2）是一个放大系统，执行元件输出的力或者功率远远大于输入信号输入的力或者功率；

3）是一个闭环系统，带反馈环节；

4）是一个有误差系统，误差随输入信产生，从而导致执行元件运动，系统通过反馈力图消除误差，如果误差消除不再产生，则系统也就停止工作了。

液压伺服控制系统有阀控（节流式控制）系统和变量泵或变量马达控（容积式控制）系统两大类。

阀控系统响应速度高，精度高，但效率低，适合于速度高、精度高的中小型系统。

变量泵或变量马达控系统的泵源压力由负载确定，效率高，但响应速度低，系统结构复杂，适合于大功率（20kw以上）和响应速度要求不高的液压系统。

在液压伺服控制系统中，控制信号的形式有机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统。

机液伺服系统中系统的给定、反馈和比较环节采用机械构件，常用于飞机舵面操纵系统、汽车转向装置和液压仿形机床及工程机械。

但反馈机构中的摩擦、间隙和惯性会对系统精度产生不利影响。

电液伺服系统中误差信号的检测、校正和初始放大采用电气和电子元件或计算机，形成模拟伺服系统、数字伺服系统或数字一模拟混合伺服系统。

电液伺服系统具有控制精度高、响应速度高、信号处理灵活和应用广泛等优点，可以组成位置、速度和力等方面的伺服系统。

气液伺服系统中误差信号的检测、校正和初始放大采用气动元件。

气动测量元件灵敏度高、可靠性强、结构简单，可以在高温、振动、易爆等条件下工作。

缺点是附属设备多，系统效率较低。

1.3.3液压伺服控制的应用及发展

国内外液压伺服控制技术发展很快。

液压伺服控制系统起源于舰船航海业，二战期间获得了快速发展，40年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究。

1940年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统。

50年代末，出现了喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀。

60年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，特别是干式力矩马达的出现，进一步提高了电液伺服阀的。

我国的液压伺服控制也有较快发展，自60年代开始研制电液伺服阀，70年代初开始批量生产QDY系列和DY系列电液伺服阀。

随着数控机床技术的发展，性能优良的电液步进马达业己批量生产。

液压伺服系统不仅在应用最早的军工方面如飞机、雷达、火炮等系统有新的快速的发展，而且在工业应用方面，也很快推广起来，如机床方面的仿形机床、数控机床、电火花加工机床；船舶上的舵机操纵和消摆系统;试验装置方面的振动实验台、材料试验机轮胎试验机等；动力设备中的燃气轮机转速自调系统、水轮机转速自调系统等。

近代液压伺服系统的特点主要表现在：

（1）环境和任务复杂，普遍存在参数变化、外干扰和交互作用；

（2）对频宽和跟踪精度均有较高的要求；

（3）由于电液伺服阀节流特性和流量饱和作用引起的非线性影响己显得至关重要；

（4）各种直接式数字电液元件的非线性采样特性使得基于传统的离散系统理论的稳定性判据和控制器设计方法难于奏效。

第2章液压伺服无级变速器的总体方案的研究

2.1液压伺服无级变速器的国内外的研究情况

液压伺服无级变速器主要包括液压无级变速器和液压伺服系统两部分，液压无级变液压速器其最基本的工作原理为液压传动的容积式调速，但我