论文总字数：13070字

摘 要

流速仪是用来实施流速测量的仪器，需定期校检。现今流速仪采用检定水槽进行检定。检定水槽是

用来对流速仪检定的大型测量设备，由水槽槽体，轨道组件，馈电系统，检定车及控制系统组成。本次

所做课题为流速仪检定车驱动系统设计，本次设计的检定车质量大、轮跨较大，所以驱动方式，传动装

置等设计需符合原始数据要求。本次设计采用交流伺服电机独立驱动四个车轮，将速度控制分为高低速

两档，达到 600 倍调速范围，实现分档无级调速。故需根据原始数据的要求选择合适的电机，设计适当的减速器。在实现走直过程中采用导向轮使车身与轨道间导向间隙可调。本次设计通过对检定车及传动装置三维建模，转化为二维整体装配图及零件图，从而完成本次设计任务。

关键词：流速仪检定车；驱动系统；分档无级变速；减速器

Design of Vehicle Drive System for Velocity Meter Verification

Abstract

Flowmeter is used to implement the flow measurement of the instrument, need regular inspection. The flow meter is now tested using a test tank. The test tank is a large measuring device used to calibrate the flow meter. It consists of a tank tank, a rail assembly, a feeding system, a test vehicle and a control system. This issue is the design of the tachometer test vehicle drive system, the design of the test vehicle quality, large rounds, so the drive, transmission and other design to meet the original data requirements. The design of the use of AC servo motor independent drive four wheels, the speed control is divided into high and low speed two files, to 600 times the speed range, to achieve sub-stepless speed regulation. It is necessary to select the appropriate motor according to the requirements of the original data, the design of the appropriate reducer. In the process of achieving straight through the use of guide wheel to guide the gap between the body and track adjustable. This design through the test vehicle and transmission three-dimensional modeling, into a two-dimensional assembly diagram and parts of the overall map, to complete the design task.

Key words：: Flow meter test car; drive system; sub-file stepless speed regulation; reducer

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2国内外研究状况 1

1.3 课题分析 2

第二章 检定车驱动系统方案设计及论证 3

2.1 设计路线和设计内容 3

2.1.1 驱动系统简介 3

2.1.2 电机简介 3

2.1.3 变速方案简介 3

2.2 总体方案设计 4

2.2.1 驱动轮的位置 4

2.2.2 变速、调速的实现 5

2.2.3 走直驱动的实行 5

2.3 检定车电机选型 6

2.3.1电机功率计算 6

2.3.2 电机的选型 7

2.3.3 电机功率、扭矩验算 8

第三章 检定车驱动系统结构设计 9

3.1 齿轮的设计 9

3.2 轴的设计 11

3.3 齿轮、轴的校核 12

3.4 导向轮设计 13

3.5 驱动轮打滑验算 14

第四章 总结与展望 16

致谢 17

参考资料 18

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

流速仪检定水槽是用来对流速仪进行率定和鉴定的大型测量设备，由水槽槽体、轨道组件、馈电系统、检定车及其控制系统组成。流速仪的悬挂装置是检定车系统的一个主要部件，用于悬挂流速仪测杆部件，在检定车运行中要保持流速仪的平稳性，也要保证流速仪与水面的垂直度、与检定车前进方向的一致性要求。流速仪的使用需要周期检定来进行校准，而检定车就是对流速仪进行检定的设备,如图1.1。所示检定车主要包括水槽、轨道、控制台、检定车等部件组成。

流速仪检定的方法是：在横断面均匀一致的直线静水槽中，在轨道上行驶的检定车以规定的若干稳定速度牵引流速仪，使固定安装在测杆上的流速仪在静水中行进，测定检定车的速度和流速仪转子的转速，对这两组数据用方程式以及图表建立相关关系实现对流速仪的检定。流速仪检定水槽是大型测量装备，与其他常用装备相比并不能批量生产。早期的流速仪检定车测量精度低，设备配置低。随着技术的发展，设计者们从测速装置，电机选择，控制单元，驱动单元等不同的方面入手，对检定设备不停的改进，使其融入水利有关生产发展的各个方面。

图1.1 检定车示意图

本课题的主要任务就是设计出高精度、高可靠性的智能化流速仪检定系统，满足行业需求。　

1.2国内外研究状况

在国际上，许多国家为了节省设备投入支出，将流速仪检定设备与船模实验合用同一设备，所以流速仪检定设备的精度大打折扣。只有少数国家拥有几部完整的流速仪检定设备。在美国，流速仪检定都是在密西西比州国家空间技术实验基地内的海湾水力科学中心水力实验室设备上进行，该检定车的速度可在0～4．5m/s范阐内调节。德国某公司流速仪检定设备(如图1.2)，长150m，宽4m，深3m，速度调节范围0.05～10m/s,重235kg。质量轻，速度可达10m/s。

图1.2 德国某公司流速仪检定设备

在我国，流速仪检定设备不可或缺，1997 年，水利水文自动化第 4 期提到，越南流速仪检定水槽是由我国南京水利水文自动化研究所研制的。越南流速仪检定水槽有效长度为 80m，宽 2m，其检定车的速度可在 0～3．5m/s 范阐内调节( 实际检定最高车速为 3 m / s )车速变化率达到中国水利部颁发标准 1s/t15-95中的一级精度。科技日益进步，随着机械电子技术及传感技术的发展，流速仪检定设备的发展正在向着,高精度，智能化，自动化发展。

1.3 课题分析

本次研究的课题为流速仪检定车驱动系统设计。

1、所给的原始条件和数据：

（1）检定车的质量约 10000kg。

（2）车身长约 8m，宽约 8m。

（3）检定车水槽总长1200m,启动加速阶段不超过50m。

2、技术要求：

（1）车速使用范围：0.01～6 m/s。

（2）变速方式：分档无级调。

（3）车身与轨道的导向间隙要可调，最大间隙为 5mm,最小间隙为 2mm。

3、关键及难点：

(1)检定车的功率计算，要选定适合检定车运行要求的电动机。

(2)检定车运行过程中收到人员载荷的变化、重心得偏移、轨道接缝等影响，要保证检定车运行 是直线，左右偏差小于等于3mm，即车身与轨道的导向间隙要可调，最大间隙为5mm,最小间隙为2mm。

(3)在检定车运行环境中，由于湿度大，检定车导轨存在打滑现象，要通过科学计算，合理的设计，避免打滑现象的发生。

第二章 检定车驱动系统方案设计及论证

2.1 设计路线和设计内容

2.1.1 驱动系统简介

检定车的驱动方式大多数用交流同步电机双轮驱动，利用变频调速，电机产生的动力通过离合器、变速器、传动轴，最后传递到车辆的驱动桥，之后再左右分配给左右半轴分别驱动车轮。但双电机驱动并不适用于车轮跨度大的检定车 现如今四轮驱动在汽车，电动车甚至于电动玩具中运用十分广泛。四台电动机驱动方式可分前驱、后驱、全驱。甚至于可以将电机嵌入到车轮中成为轮式电机。四轮驱动提高了对车的控制力、车运动的灵敏性以及传动效率。所以四轮驱动运用到检定车的驱动中也是可行的。

2.1.2 电机简介

电动机通常包括直流电动机和交流电动机两种。交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。在系统研究中，电动机的合理选择主要以电动机的种类、额定电压、额定转速和额定功率这几项指标为依据。同时最重要的是，应根据特定的生产机械选择合适的电动机。

流速仪检定车驱动系统是流速仪检定设备的动力，在过去技术相对落后，动力设备与如今相比过于老化，驱动系统几乎全都采用直流电机驱动，在当时交流电机的调速问题未能满意解决，而直流电机虽不及交流电机结构简单，维护方便，但它有良好的启动性能和调速性能，就质量和可靠性而言，直流电机仍具优势。随着技术的发展，动力设备不断更新，交流异步和同步电机驱动已被广泛使用。交流异步电机结构简单，运行可靠，具有良好的稳态和动态特性，在工业中使用最为广泛；同步电机也是交流电机的一种，既可以作发电机使用，也可作电动机使用。在各种驱动方式的对比下设计者们更倾向于交流同步电机与变频器结合使用。而交流伺服电机驱动作为最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，它最大的特点就是可控。与普通电机相比，交流伺服电机有以下特点：（1) 调速范围广，伺服电机的转速随控制电压的转速随着控制电压变化，能在宽广的范围内连续调节；（2）转子的惯性小，即能实现迅速启停，停转；（3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。所以用交流伺服电机驱动检定车也可作为可行方案。

2.1.3 变速方案简介

方案1：将速度0.01～6 m/s的无级变速分为两个档位，低速档0.01～0.24 m/s和高速档0.25～6 m/s两个档位。低速档设置两个伺服电机，高速档设置两个伺服电机，在加速是分别启动对应的伺服电机来完成加速要求。

方案2：只设置一个变频电机，需要通过一个变速箱来将600倍的无级变速分为两个档位，分别是低速档0.01～0.24 m/s和高速档0.25～6 m/s，通过变速箱的调节来实现变速要求。

方案3：设置一个直流电机来实现600的无级变速要求的检定车启动。

但当检定车质量大，车轮轴跨度较长，且自身受重力影响，如果一台电机同时驱动两车轮，在高速运行时两端易产生一定挠度，影响检定车平稳运行。所以对于轮跨大、车重较重以及车速控制要求较的流速仪检定设备，所以在检定车高速运行时有必要对其进行四轮驱动。选用交流同步伺服电机独立驱动四轮。高速时，交流同步伺服电机带减速器驱动独立驱动四轮，低速时两轮驱动，交流同步伺服电机带一档减速器通过与二档减速器联合驱动轮系。高低速的切换由离合器实现。该方案实现了电机功率合理高效运行的绿色理念。主要特点有恒扭矩输出，其自身是一个闭环系统，有速度环、电流环、位置环，在受到外部干涉时，可自动修正，其准确度、灵敏度较高。

2.2 总体方案设计

通过对课题的分析和思考，及在本章第一节中对变速机构的比较论证，本人给出下示的驱动系统的设计方案。四轮和两轮混合驱动方案（如图 2.1、2.2）。4 台交流伺服电机个分别驱动 4个车轮，检定车车速使用范围：0.01～6 m/s，速度跨度比达到 600 倍，为了保证速度控制精度，需要大幅降低速度跨度比，次设计的驱动方案将速度区间分为高速段和低速段两档，因此将 0.24 ～ 6 m/s设计为高速区间，0.01 ～ 0.24 m/s 设计为低速区间。本检定车在中高速段运行时，驱动方式为四轮独立驱动，交流同步伺服电机带减速器驱动轮系; 检定车在低速段运行时，驱动方式为两轮驱动，交流同步伺服电机带一档减速器通过与二档减速器联合驱动轮系 ，同时另外两轮的交流同步伺服电机与轮系通过离合器机械分离，作为随动轮。实现了电机功率合理高效运行的绿色理念。

图 2.1四轮和两轮混合驱动方案

1.电机 2.联轴器 3.减速器 4.离合器 5.车轮 6 变档减速器 7 联轴器

2.2.1 驱动轮的位置

驱动轮通常有对面布置、对角布置和四角布置三种方式（见图 2.3 驱动轮的布置方式），不过只有高速检定车才采用四角布置，通过增加驱动轮数目防止驱动轮打滑，使得加速段长度不致过长。本次设计的检定车质量大，检定车的车宽约 8 米，车轮轴跨度较长，且自身受重力影响，如果一台电机同时驱动两车轮，在高速运行时两端易产生一定挠度，影响检定车平稳运行。故一个车轮由一台电机驱，高速时故需四台电机独立驱动。低速运行时两轮驱动。实现了电机功率经济合理运行的绿色节能理念。

图 2.3驱动轮的布置方式

2.2.2 变速、调速的实现

检定车车速使用范围：0.01～6 m/s，速度跨度比达到 600 倍，变频电机调速比在 25 倍左右，为了保证速度控制精度，需要大幅降低速度跨度比，次设计的驱动方案将速度区间分为高速段和低速段两档，因此将 0.24～ 6 m/s 设计为高速区间，0.01 ～ 0.24 m/s 设计为低速区间。

取车轮周长为 1000mm，则车轮半径为 159mm。

由于得

（1）检定车在高速段运行时，速度为 0.24～ 6 m/s，驱动方式为四轮独立驱动。取 R=160mm，则车轮转速范围为 15～360rpm。 由交流同步伺服电机带动单级减速器（传动比）联合变频器驱动轮系，实现高速段无极变速。

（2）检定车在低速段运行时，速度为 0. 01 ～ 0.24 m/s，驱动方式为两轮驱动，R=160mm，则车轮转速范围在 0.6～15rpm，由交流同步伺服电机带单级减速器（传动比）通过与减速器（传动比 ）联合驱动轮系实现变速（总传动比），通过变频器实现调速 ，同时另外两轮的交流同步伺服电机与轮系通过离合器机械分离，作为随动轮。实现了电机功率合理高效运行的绿色理念。

本次驱动设计由电机提供动力，由减速器实现变速，由变频器实现调速。从而实现检定车在 0.01～6m/s 内无极变档调速的要求。

2.2.3 走直驱动的实行

检定车需要在水槽轨道上直线行驶，即保持车轮一直在轨道上水平方向行驶，是以保证流速仪的检定精度。但若车上两侧不平衡，其中一侧倾斜，或是水槽两导轨本就不是同一水平面上等，都会使检定车行驶方向与轨道方向偏移，很容易导致车轮走空，检定车被迫停车。所以检定车的走直驱动不可避免。

所以本次设计（如图 2.4）在车体一侧安装单轨导向轮导向走直装置，使导向轮与导轨两侧面接触，在车轮两侧。可以保证车轮始终在轨道上行驶，避免车轮走空。

图2.4 导向轮分布示意图

当然也可以采用火车走直的方法（如图 2.5）采用圆锥车轮结构省去导向轮，轮缘在导轨内侧且与轨道之间留有空隙，保障检定车走直，以及车身与轨道的导向间隙在 2mm 到 5mm 直接要可调。但但长久使用轮缘及轨道均会会受到磨损，使导向间隙变化，影响检定车走直行驶。

而采用偏心设计的导向轮,可以保障车身与轨道的导向间隙在 2mm 到 5mm 直接要可调，与圆锥车轮结构相比，与导轨摩擦减少。即使导向轮有磨损也可以周期更换。故采用单轨导向轮的导向方式更为合适。

图 2.5 采用圆锥车轮结构走直图

2.3 检定车电机选型

2.3.1电机功率计算

1、所给的原始条件和数据：

（1）检定车的质量约 10000kg。

（2）车身长约 8m，宽约 8m。

（3）检定车水槽总长1200m,启动加速阶段不超过50m。

2、技术要求：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：13070字