黃象珊， 謝頌京

（浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

高職汽車專業(yè)的專業(yè)定位與培養(yǎng)目標(biāo)是具備良好的職業(yè)基本素質(zhì)，嫻熟、規(guī)范專業(yè)基礎(chǔ)操作技能，清晰故障診斷思路與分析能力及可持續(xù)發(fā)展能力［1］。要實現(xiàn)這一目標(biāo)必須制定科學(xué)合理的理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)體系，實踐教學(xué)體系的實現(xiàn)，學(xué)生實踐技能的提高，必須向?qū)W生提供優(yōu)質(zhì)的實訓(xùn)設(shè)備。比如，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，大量電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)等在汽車上的運用，汽車是集機械、液壓及電子控制系統(tǒng)的集成產(chǎn)品，但在汽車檢修過程中，還是離不開汽車專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用和檢修基本工具使用。目前，國內(nèi)不少教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的機械傳動性能綜合測試實驗臺、機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺和液壓實驗臺，都不是從培養(yǎng)汽車類高職學(xué)生的目標(biāo)來設(shè)計生產(chǎn)的教學(xué)設(shè)備［2］，缺乏針對性，開發(fā)的設(shè)備在原理、結(jié)構(gòu)和控制等方面不能很好地體現(xiàn)汽車專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實訓(xùn)思路，教學(xué)效果不明顯。針對這一情況，我們自行開發(fā)設(shè)計，采用液壓驅(qū)動，具有數(shù)據(jù)采集功能的傳動組合裝置來滿足當(dāng)前教學(xué)的需求。

1 實訓(xùn)裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計指導(dǎo)思想

（1）在實訓(xùn)裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)盡量多的汽車機械傳動方式和傳動功能。

（2）學(xué)生能動手操作裝置，可實現(xiàn)創(chuàng)意組合液壓傳動方案或機構(gòu)傳動方案，有利于學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)和動手創(chuàng)新能力。

（3）在設(shè)備盡量的覆蓋本專業(yè)各種基礎(chǔ)知識，有利于學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)［3］。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自行研發(fā)基于液壓驅(qū)動的傳動組合裝置，主要由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等組成，圖1所示為基于液壓驅(qū)動的傳動組合裝置組成架構(gòu)圖。以液壓系統(tǒng)作為動力源，由液壓回路構(gòu)成了驅(qū)動裝置，液壓回路由學(xué)生實驗時設(shè)計，可以是方向控制回路、速度控制回路等。傳動系統(tǒng)由平面四桿機構(gòu)、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、凸輪機構(gòu)［4］等傳動模塊組成，學(xué)生實驗時，根據(jù)不同的傳動路線設(shè)計不同的傳動方案，并按所設(shè)計的傳動方案進行裝配組合，再測試檢驗其合理性。該實訓(xùn)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(tǒng)控制傳動機構(gòu)運動的實驗，運動機構(gòu)單元上有相應(yīng)的傳感器與外接設(shè)備相連，可以測試相應(yīng)運動單元的直線位移、角位移和擺動速度等性能參數(shù)。這樣，既能滿足基于任務(wù)驅(qū)動的汽車機械基礎(chǔ)課程教學(xué)需求，又能使學(xué)生進一步掌握典型運動機構(gòu)和液壓回路的特點，掌握測試與分析的方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高手腦并用能力。

圖1 基于液壓驅(qū)動的傳動組合裝置組成架構(gòu)圖

2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

液壓回路構(gòu)成該裝置的驅(qū)動系統(tǒng)，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(qū)動裝置帶動傳動機構(gòu)單元運動，根據(jù)傳動機構(gòu)單元不同的運動要求，液壓元件可在實訓(xùn)裝置臺上的滑槽快速、自由插接組合，實現(xiàn)新的液壓回路。在液壓回路中，執(zhí)行元件是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，將液壓系統(tǒng)提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能輸出，從而驅(qū)動傳動機構(gòu)單元的工作機構(gòu)運動。根據(jù)組合裝置的實驗需求，執(zhí)行元件采用低速液壓馬達(dá)。低速液壓馬達(dá)具有排量大、體積大、轉(zhuǎn)速低等特點［5］，不需要減速裝置，可以直接與傳動機構(gòu)單元的工作機構(gòu)連接，傳遞動力。以換向回路和定壓式節(jié)流調(diào)速回路為例進行設(shè)計［6］，以適用于傳動機構(gòu)單元低速、輕載等特性。

2.1 換向回路的設(shè)計

換向回路由油箱、液壓泵、溢流閥、換向閥和液壓馬達(dá)等液壓元件組成，如圖2所示。為了使學(xué)生在實驗中，能清楚觀察傳動機構(gòu)的正反轉(zhuǎn)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(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向的改變，從而改變傳動機構(gòu)單元中與液壓馬達(dá)相連接的齒輪、曲柄、帶輪、鏈輪或槽輪等運動機構(gòu)的運動方向。

圖2 換向回路

2.2 定壓式節(jié)流調(diào)速回路的設(shè)計

節(jié)流調(diào)速回路由油箱、液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥和液壓馬達(dá)等液壓元件組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等特點，能獲得極低的運動速度。根據(jù)節(jié)流閥安裝的位置不同，分為進口節(jié)流調(diào)速回路、出口節(jié)流調(diào)速回路和進出口節(jié)流調(diào)速回路，如圖3所示。

圖3 定壓式節(jié)流調(diào)速回路

進口節(jié)流調(diào)速回路中定量泵輸出的流量qp是恒定的，一部分流量q1經(jīng)節(jié)流閥輸入給液壓馬達(dá)，用于克服傳動機構(gòu)單元的負(fù)載，實現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動;另一部分泵輸出的多余流量Δq經(jīng)溢流閥溢流回油箱，節(jié)流閥和溢流閥配合使用時，輸入液壓馬達(dá)的流量越少，從溢流閥溢回油箱的流量就越多，從而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，滿足傳動系統(tǒng)運動速度的需要。流量關(guān)系式為

根據(jù)節(jié)流閥流量特性方程，通過節(jié)流閥的流量為

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

進口節(jié)流調(diào)速回路、出口節(jié)流調(diào)速回路和進出口節(jié)流調(diào)速回路的速度負(fù)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(qū)別是：出口節(jié)流式和進—出口節(jié)流式調(diào)速回路都承受“負(fù)方向”的負(fù)載，出口節(jié)流式調(diào)速回路中油液通過節(jié)流閥所產(chǎn)生的熱量直接排回油箱消散掉，進口節(jié)流式調(diào)速回路中的這部分熱量隨著油液進入液壓馬達(dá)［7］。

液壓回路單元中，學(xué)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(xí)。

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能與傳動方案設(shè)計

分析汽車機械領(lǐng)域基礎(chǔ)類知識，以職業(yè)工作過程為導(dǎo)向，針對機械傳動的特點，在傳動系統(tǒng)單元上開發(fā)、設(shè)計機械傳動機構(gòu)的創(chuàng)意組合、標(biāo)準(zhǔn)件和維修工具如何選取等，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)件和機械傳動機構(gòu)之間的差異，只需改變相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件和傳動件位置與形式即可實現(xiàn)新的組合，完成對傳動系統(tǒng)單元不同傳動機構(gòu)功能的設(shè)計與實現(xiàn)。根據(jù)各種傳動零部件運動方式不同，在傳動零部件上有相應(yīng)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(shù)進行測試與數(shù)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(lián)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(gòu);⑩ 曲柄搖桿機構(gòu)等。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為能實現(xiàn)對不同傳動機構(gòu)進行正常拆裝和傳動系統(tǒng)的控制，達(dá)到創(chuàng)意創(chuàng)新組合的目的，分析了傳動機構(gòu)單元的系統(tǒng)功能，擴展傳動機構(gòu)單元的適用性，該傳動系統(tǒng)主要由立柱、基板、軸承座、傳動機構(gòu)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(gòu)單元由軸承座和“L”型立板支承，傳動機構(gòu)單元的相應(yīng)零部件與驅(qū)動系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)相連，作為驅(qū)動裝置，帶動整個傳動系統(tǒng)運動。

傳動系統(tǒng)單元的底座由立柱、基板和立板構(gòu)成，基板上有相應(yīng)圓孔，供軸承座與立板固定用，學(xué)生進行拆裝練習(xí)時，由于動作不當(dāng)，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(jù)不同的傳動方案需要進行調(diào)整。傳動機構(gòu)單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以隨意更換硬件模塊，有帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、槽輪傳動機構(gòu)、凸輪傳動機構(gòu)、錐齒輪傳動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)或曲柄搖桿機構(gòu)等。學(xué)生可根據(jù)設(shè)計的實驗傳動方案，進行傳動系統(tǒng)搭接、裝配和調(diào)試，可充分展示多種傳動形式的組合［8-9］。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)由PC機、數(shù)據(jù)采集卡和測試與數(shù)字化分析軟件組成的。

3.1 硬件系統(tǒng)

測試系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)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(guān)選通電路、差分放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)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(jù)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(shù)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(shù)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(tǒng)利用下位機將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)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(xiàn)對測試系統(tǒng)功能的要求。

3.2 軟件系統(tǒng)

測試與數(shù)字化分析軟件是在WindowsXP系統(tǒng)下，采用編譯型圖形化編程語言LabVIEW編寫應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)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(shù)字濾波、頻域轉(zhuǎn)換等分析處理。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、分析處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放四大功能模塊，其結(jié)構(gòu)組成如圖 4 所示［12-14］。

圖4 測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)語

基于液壓驅(qū)動的傳動組合裝置，不僅能實現(xiàn)機械與液壓傳動功能和數(shù)據(jù)采集功能，而且考慮到汽車專業(yè)后續(xù)課程和職業(yè)崗位的實際需求，在組合裝置中采用不同的傳動系統(tǒng)，有很大的空間讓學(xué)生親自動手設(shè)計實驗，使學(xué)生更好地掌握液壓傳動的基本回路、機械傳動創(chuàng)意組合及計算機測試系統(tǒng)的運用，提升了學(xué)生的實踐能力［15］，同時鍛煉了教師的業(yè)務(wù)能力，滿足當(dāng)前汽車機械基礎(chǔ)類課程基于工作過程的現(xiàn)場教學(xué)需要，取得較好的教學(xué)效果。

（References）：

［1］ 浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院高職教育研究所.高職院校職業(yè)素養(yǎng)與技能研究型教學(xué)理論與實踐［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2011.

［2］ 訾貴昌.自行研制教學(xué)實訓(xùn)裝置的探索與實踐［J］.遼寧高職學(xué)報，2008，10（3）：72-73.

［3］ 諸小鵬.“電機及拖動控制技術(shù)”教學(xué)改革的實踐與體會［J］.中國電力教育，2009，5（3）：71-72.

［4］ 何克祥.機械傳動系統(tǒng)性能綜合測試實驗臺研究與開發(fā)［J］.工藝與裝備，2007（9）：90-91，95.

［5］ 邱國慶.液壓技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［6］ 張利平.液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與使用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［7］ 王積偉，章宏甲，黃 誼.液壓傳動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［8］ 黃象珊.汽車機械系統(tǒng)拆裝工藝組合體的研究與設(shè)計［J］.硅谷，2011（27）：57.

［9］ 粟武洪，姚紅春.機械傳動性能測試試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］.邵陽學(xué)院學(xué)報，2009，6（3）：57-61.

［10］ 高運廣，劉順波，張振仁.基于PCI-8310數(shù)采卡的除濕機監(jiān)測系統(tǒng)［J］.微計算機信息化，2008，24（10）：145-146，314.

［11］ 向中凡，陳衛(wèi)澤.機械傳動實驗臺數(shù)據(jù)采集的研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2003，22（11）：201-203.

［12］ 魏宏波.基于虛擬儀器的機械傳動綜合實驗系統(tǒng)的研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2009，26（7）：84-87.

［13］ 余忠華，劉亞斌，李 軍，等.傳動機構(gòu)測試系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息化，2005，21（1）：87-88.

［14］ 王葉蘭.基于虛擬儀器的多通道壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

［15］ 諸小鵬，朱志明.自動化流水線實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計［J］.實驗室研究與探索，2010，29（11）：193-197.