论文总字数：23598字

摘 要

检定系统由水槽槽体、轨道组件、馈电系统、检定车及其控制系统组成。流速仪检定车是流速检定装置的重要组成部分，其速度控制精度是检验检定装置的主要指标。本次课题主要研究设计检定车的驱动系统。本文介绍了流速仪检定车的背景以及车辆驱动系统的各个构成部件和它们的工作原理。本人根据课题任务要求完成了检定车的驱动方案的设计，选择了适合的减速方案以及变档方案；然后预估算检定车的功率并进行验算，最终选出适合使用的驱动电机，设计出合适的减速器和差速器；最后，根据计算和查询得到的资料，使用相关作图软件进行制图，完成了检定车驱动系统的装配图以及驱动系统主要零部件的零件图。

关键词：检定车 驱动系统 差速器 无级调速 变频电机

THE DESIGN OF DRIVEN SYSTEM OF THE CALIBRATION CARRIAGE

Name: WANGJUNTING School Num: 02008338

Supervised by ZHANGZAOFA

The verification system

Abstract：The current meter calibration facility consists of tank body, rail assembly, feed system, calibration vehicle and the control system. The speed meter is an important part of the velocity detecting device, and its speed control accuracy is the main index of the inspection device.This paper introduces the background and the drive system of current meter calibration vehicle and and its working principle. In this thesis, I according to the task requirements completed designing the driving system and selected suitable drive motor; finally, I according to the data, using CAD and solidworks to draw the drive system of the Calibration Carriage.

Keywords: Calibration vehicle Drive system Differential mechanism Stepless speed regulation Variable frequency motor

第一章 绪论

1.1 选题的背景、目的及意义

近年来，随着经济、社会的发展，人类活动对水文环境，水文观测资料的依赖性越来越高，大量兴起的防洪、灌溉、交通工程和农业、林业乃至城市建设对水文观测又提出了更高的要求。我国有数以万计的河流湖泊，水资源极其丰富和复杂，更好地利用这些水资源为民造福，减少其危害是一项很重要且有意义的事情。对于水利治理来说，水的流量数据是一个很重要的参数，取得流量数据的仪器为流速仪。转子式流速仪，如图1-1所示，是水文测验中常规测速仪器，使用广泛，历史悠久。转子式流速仪是根据水流对流速仪转子的动量传递而进行工作。当水流过流速仪转子时，水流直线运动能量产生转子转矩。此转矩克服转子的惯量I、轴承等内摩阻，以及水流与转子之间相对运动引起的流体阻力等。从流体力学理论分析，上述各力本身运动机理十分复杂，而其综合作用结果使复杂程度深化，难以具体分析，但其作用结果却比较简单，即在一定的速度范围内，流速仪转子的转速与水流速度呈简单的近似线性关系。当使用流速仪对水流流速进行测量时，仪器会由于河流含沙量、仪器的磨损等因素导致流速仪内部的参数发生改变，由于水文信息的测量环境千差万别，使得流速仪的使用精度受到很大的影响，因此要求对流速仪定期进行标定和修理，以确保测量信息的准确性。

图1-1 转子式流速仪示意图

流速仪的检定与修理工作是由水文检测中心通过流速仪检测系统来完成的。方法是：在横断面均匀一致的直线静水槽中，检定车以各种稳定的速度来牵引流速仪，测定检定车车速和流速仪转子转速两组数据，通过方程式和图表来建立相应的关系。

长久以来，流速仪检定技术的发展一直缓慢。市场迫切需求一种高精度、高可靠、完全达到国家标准要求的流速仪检定系统。应该指出流速仪检定精度不仅与流速仪本身质量有关，而且与水槽槽体大小、长度、设备精度、检定规程、资料分析、计算方法等因素有密切的关系。目前这些因素对检定精度的影响程度，大部分还只能定性分析，且难以检测。如图1-2所示检定设备常有下列几部分组成：（1）横断面均匀一致的静水槽及给排水设备；（2）沿水槽长度方向平直的轨道；（3）牵引流速仪的检定车。流速仪检定车是流速仪检定装置的重要组成部分，其速度控制的精度是检验检定装置的主要指标。通常情况下，检定水槽的槽体长度在百米以上，并且水槽分为加速段、稳定段、检定段和制动段，同时为了安全，在水槽槽体的两端一般还设有缓冲段。水槽槽体的各个分段部分的长度、以及槽体的宽度则是由检定车的最大检定速度和被检定的流速仪的数量决定的。

1、铁轨 2、流速仪 3、操作台 4、控制柜 5、水槽 6、检定车

图1-2 检定设备示意图

在流速仪检定水槽这个检定系统中，检定车是整个系统中最为重要的部分。流速仪检定车又称为拖车，是流速仪检定水槽检定系统中用来检定各种水利系统的流速仪的标准水槽拖车。检定车有两种工作方式，分为牵引检定车和推进式检定车，推进式检定车在车上装有电动机，电机经过传动系统，使得检定车可以沿轨道运行，这种检定车结构质量大，所以惯性大稳定性好，因此推进式检定车被广泛的应用。检定车的工作速度的稳定性和速度调整的平滑性，将直接地影响流速仪参数的测量结果。同时，水槽槽体两侧的钢轨的加工精度与其安装的精度对检定车车速的稳定性有着直接的关系，因此，两侧轨道在安装时应沿着检定槽长度方向进行平行安置，各段钢轨间的接头处要求保证光滑而且平直，安置轨道的底座应要求有调整装置，以便可以定期地对轨道进行检测和调整。

根据相关的行业标准的相关规定，检定车在进入预定的检定段进行流速仪的转速的测量时，其测量的精度要精确到O．1％以内，检定车的检定方式要求采取连续加速行车并逐级采样的方式，在低速阶段对流速仪检定完成后，再对中、高速阶段的流速仪进行检定。流速仪参数与流速的关系在中、高速阶段表现为直线的形式，而在低速阶段表现为曲线，其曲线可以通过拟和方法，从而处理成某种数学模型的形式。

1.2 国内外研究状况

在国际上，许多国家的流速仪检定装置都与船模实验合用同一套设备，这虽然可以节省设备的投入成本，但也影响了流速仪枪定的准确度，因为进行船模实验的设备的速度要比流速仪检定的需求速度要大很多，而流速仪更多的是在速度平稳性方面有更多的要求。当近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。在越南，流速仪检定设备建在其首都河内市，是由我国南京水利水文自动化研究所向越方签订提供的，其精度、自动化程度及安全可靠性均较先进。

在我国，1995年水利部针对1985年颁布的行业标准进行了修订，新的国家标准对流速仪检定的适用标准、检定水槽的尺寸、检定车的轨道、检定速度点等方面做了详细的规定，该标准由南京水利水文自动化研究所、重庆水文仪器厂等起草。目前，全国有十几家检定中心，由于大多数检定中心建造年代较早，设备陈旧老化，系统故障日益增多，此外，随着计算机科学技术及自动控制技术的发展，检定装置自动化智能控制水平较低的缺点也日渐显露，因此，将新的控制技术应用于检定装置中势在必行。

1.3 课题分析

本课题研究的是流速仪检定车的驱动系统,驱动系统示意图如图1-3，该驱动系统对检定车的速度以及速度精度有一定的要求，其具体要实现的技术要求如下：

1. 检定车的速度范围为0.01m/s～6 m/s；
2. 为保证车速的稳定，检定车应采用分档无级的变速方式。
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。

整个检定系统分由水槽槽体、轨道组件、馈电系统、检定车及其控制系统组成。其中检定车在检定系统中有非常重要的作用，课题的主要工作的是根据检定车的质量、速度、变速等要求，设计流速仪检定车的驱动系统。主要包括驱动方案的确定、电机的选择、传动装置的设计。在设计过程中主要有如下三个难点：（1）检定车的车速范围在0.01～6 m/s之间，最高速和最低速间存在600倍的减速比，如何实现600倍的速度调控将是本课题最大的难点。（2）在检定车运行时，检定车在轨道上运行，由于轨道总是会存在平面度、平行度误差，如何消除车轮在两条轨道上可能存在的打滑现象也是本课题要解决的问题。（3）关于车身与轨道的导向间隙要可调的问题。

通过对课题的分析，本课题的设计思路可以分为以下几点：首先选择初始方案，接着选择各部分的结构型式；最后选择各零件的具体参数，设计出各主要尺寸。

1、发动机 2、离合器或转矩变换器 3、变速箱 4、末端传动齿轮 5、差速器 6、驱动轮 7、驱动轴

图1-3 驱动系统示意图

第二章 驱动系统方案设计和论证

在车辆的驱动系统中，动力源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，在这条动力传递的途径中，整个驱动系统的核心是电机这个车辆动力的发生源。为了保证检定车在检定阶段可以稳定的保持恒速的运行工作, 驱动电机类型的选择是十分重要的。电机产生的动力经过传动轴，减速器后进入差速器之后，将直接驱动差速器内的行星轮架，行星轮转动从而带动左、右两条半轴转动，分别驱动左、右车轮。

通过对课题的分析和思考，参考其他车型的驱动系统的方案设计方式，本设计给出如图2-1所示的驱动系统的设计方案。驱动系统的主要构成为,由电机传递动力，经变速机构变速之后，再经由差速器将动力传递给驱动轮。

1. 驱动轮 2、半轴 3、差速器 4、联轴器 5、电机

图2-1 双电机驱动系统示意图

2.1主驱动轮的位置

本文选择集中驱动方式，由电动机通过传动轴驱动两边的主动轮，因为驱动装置位于两边车轮之间，对车架刚性要求较高，所以适合水槽宽度较窄的检定车。驱动轮通常有对面布置、对角布置和四角布置三种方式（如图2-2所示，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。由于本设计会采用双电机驱动方式，即大功率电机驱动前轮，小功率电机驱动后轮，所以采用四角布置的驱动轮布置方式。这种集中驱动方式有以下优点：

1）驱动电机在检定车两驱动轮中间，使两驱动轮上所承受压力均等，利于检定车的直线行走。

2）结构比较紧凑，节省了传动装置，减轻了车重。

3）发动机靠近驱动轮，动力传递效率高；

4）发动机等总成前置，增加前轴的负荷，提高了检定车高速行驶时的操纵稳定性和制动时的方向稳定性； 

图2-2 驱动轮的布置方式

2.2变速及调速的实现方法

在驱动系统中，作为传动机构的齿轮变速箱起到转矩传递的作用，但是大多数的传动机构都具有变速的功能，变速的多少由传动比决定。方案中，检定车车速变化倍数范围为R=Vmax/Vmin=6/0.01=600，这个数据超过了变频调速器的调速范围，不能保证交流同步电动机有较好的输出特性，所以为了克服这一困难，实现车速大范围的变化，设计采用两档的变速器进行机械变速，车速变化为0.01m/s～6m/s，将其分为两档，即低速度档0.01m/s～0.25m/s，和高速档0.25m/s～6m/s。取驱动轮的半径为0.159m,则低速档与高速档阶段格子车速、车轮转速、总传动比、电机转速、以及变频器频率范围如表2-1所示。

表2-1 检定车高低速档的运动参数

	车速（m/s）	车轮转速(r/min)	总减速比i	电机转速(r/min)	变频器频率(Hz)
低速档	0.01～0.25	0.6～15	10:1	6～144	0.4～9.6
高速档	0.25～6	15～360	2.5:1	37.5～900	2.5～60

常用的机械变速方案有两种：一种是是单电机机械多档变速方案、另一种双电机变速方案。单电机机械多档变速方案，它由电机拖动一多档输出的减速器组成，对应于减速器的大中小三种传动比，输出低中高转速。多档减速器可由人工拨杆换挡或电磁离合器自动换挡。该方案的优点是低速时有较大的输出功率，对克服低速爬行大有好处，但减速器结构复杂。

本文选择后者由两组电机减速器组成，如图2-3。分别由两组电机驱动，当高速运行时，前轮为驱动轮，电机经差速器将动力传递给驱动轮，大功率电机工作，小功率电机不工作，减速比为；当中低速运行时，后为驱动轮，电机经差速器将动力传递给驱动轮，小功率电机工作，大功率电机不工作，减速比为，该变速方式的优点是能充分利用电机功率经济运行，减速器结构简单。

图2-3 变速方案示意图

本文选择交流变压变频（VVVF）调速，目前VVVF产品的工作原理大多属交-直-交脉宽调制（PWM）的变频方式。它将三相交流电整流为直流电，再经过三相脉宽调制（PWM）逆变器逆变，输出一个脉宽调制的三相可调频率可调电压的输出电压，送到交流电动机的定子绕组，由电机绕组的电感作用，将这个脉宽调制波整流为正弦波形的电机电流。通过调节脉冲宽度和脉冲序列的转换周期，便可改变输出电压的幅值和频率。

检定车调速通常选择他控变频。他控变频由独立变频装置给同步电动机提供变频变压电源。它不仅适用于单电机集中驱动的检定车调速，更适合于由多台电机分别驱动的检定车调速，因为它能保证多台电动机的精确同步。在这种变频调速方式中，必须选择具有较高频率稳定度的变频器。这样，在开环状态下系统才有较高的调速精度。另外，同步电机本身没有启动转矩，可以借助于变频器进行调频启动。

2.3直线行走的控制

检定车运行的直线性影响着流速仪的检定精度。检定车走偏，一方面使流速仪增加一个附加转速； 另一方面使检定车本身产生附加阻力， 当附加阻力达到一定值时， 就会影响其运行的速度精度。与运动直线性直接相关的主要因素是车轮偏斜，以及集中驱动方式中驱动轮直径制造误差，其他还有轨道的直线性、水平滚轮与轨道侧面的间隙等因素。假如这些主要因素未能满足要求，就会使主动轮始终处在走弯状态，检定车只能在水平滚轮的强迫下作直线运动。其结果必然产生侧向力，就可能造成检定车横向滑移，产生运行附加阻力，轻者引起速度波动，重者完全卡阻停车。因此，在轨道直线性控制好的前提下，车轮轴线与轨道踏面的垂直度，以及集中驱动车轮的直径差都要严格控制。本文通过差速器的设计设法使两侧驱动轮自动同步；又通过设置导向轮，从而避免检定车从导轨上滑下迫使检定车停止工作。

2.3.1差速器

首先本人对差速器保证检定车直线运行的可行性进行一定的分析。差速器具有两个自由度，且两半轴齿轮齿数相同时， 其运动特征方程为

①

1）当两个主动轮直径相同， 车轮踏面中心线与轨道中心线平行，轨道加工及铺设符合要求， 主动轮轮压一致时，两侧行进主动轮负载相等， 左右半轴受到相等的阻力， 行星齿轮的每对啮合齿_J二的压力左右两边也相等，故行星齿轮不能绕自身轴心自转，而只能绕通过主动轮中心的轴线公转，所以两侧主动轮作等速运行，即

代人①式，可得

，

此时检定车运行情况与无差速器时集中驱动情况相同。

2）当检定车正常运行时遇到突发性干扰( 如轨道局部缺陷)使得一侧主动轮阻力增加(如右侧)则右侧半轴阻力大于左侧半轴的阻力，行星齿轮(每对啮合齿) 上的压力右边大于左边，从而推动行星齿轮绕自身轴成自转，同时也绕主动轮中心线公转，两侧主动轮作差速运动，右侧车轮转速低于左侧车轮转速。设

为t时刻右车轮的转速

为t时刻右车轮瞬时减速

为t时刻左车轮的转速

为t时刻左车轮瞬时增速

②

③

④

将③式与④式相加， ① 式与② 式代入，可得

这表明右主动轮瞬时减速等于左主动轮瞬时增速， 此时检定车左侧超前于右侧，开始走偏，山于车架的刚性，被动轮必然横向滑动摩擦阻力，反抗扭矩增大，处在超前侧的左轮阻力增加，使得左主动轮转速降低，右侧主动轮转速增加，两侧主动轮最终平齐同步行走。

3）当车轮制造或磨损不均，使两侧主动轮直径不等；车轮安装误差超大，或运行一段时间后车架变形，车轮发生歪斜，这些情况出现时，检定车主动轮始终处在走弯状态，和上述情况一样由于车架的刚性，使超前侧带动落后侧，超前侧加载，落后侧处在减载状态，结果差速器作用，超前侧主动轮转速降低，落后侧转速增高，达到自动走直。

2.3.2导向轮

导向轮的作用是导向和承受偏斜运行时的水平侧向力。因为在实际运行过程中, 由于各种原因检定车可能会出现偏斜运行，致使车轮和轨道间产生磨损。磨损严重时， 有的检定车车轮工件寿命将大大缩短， 甚至需要提前更换检定车运行轨道的钢轨。另一方面, 偏斜运行时机构需克服更大的阻力， 在设计中传动机构的承载能力和电动机容量均需相应增大。为此, 需要寻求各种办法试图克服和改善上述现象。

如果采用水平导向轮，当偏斜运行到一定程度时， 水平导向轮承受水平侧向力，能阻止其进一步偏斜运行。另外，水平导向轮与轨道侧面之间是滚动摩擦，摩擦阻力大大减小，对运行传动机构承载能力和电动机容量的要求则相应降低。检定车水平导向轮的安装示意图如图2-4。

1、导向轮 2、车轮 3、车架 4、轨道

图2-4 导向轮分布示意图

2.4防止打滑

驱动轮的驱动力都依赖于车轮踏面与轨道之间的粘着力（摩擦力），因而加速度与减速度都受到限制，否则就会出现车轮打滑。通过增加车轮压或提高车轮与轨道间的静摩擦系数或者增加驱动轮数目，都可提高加速度或减速度，防止车轮打滑。本文通过提高车轮与轨道间静摩擦系数的方式防止车轮打滑，使车轮外层是一层高强度聚氨酯材料。

第三章 驱动电机的选型

3.1电机类型的确定

3.1.1电机选择简介

一直以来，直流调速被广泛应用于流速仪检定系统的工业领域，其最主要优点是调速性能好，控制灵活方便。但由于具有换向器及电刷部件(有刷电机)，容易出现磨损和打火现象，维护困难。且交流电机与直流电机比较，主要优点有：（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（2）定子绕组散热比较方便。（3）惯量小，易于提高系统的快速性。（4）适应于高速大力矩工作状态。（5）同功率下有较小的体积和重量。从各种电机的物理特性来看，交流异步电机和直流电机的转速都会随着负载转矩的变化而发生变化, 而交流同步电机的转速与负载转矩没有关系，不会发生变化； 而从各种电机的价格、可操作性和使用范围来看，交流异步电机明显比交流同步电机和直流电机更加有优势。所以本文选择交流电机作为检定车驱动系统的动力提供。

3.1.2变速机构简介

随着变频器等交流伺服驱动技术的日益成熟，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限可逆运行等良好的控制性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美，在简单位置控制、力控制、特别是速度控制中占有主导地位。因此，当检定车采用交流异步电机时，检定车车速控制系统可以采用交流变频器控制异步电动机的转速从而驱动检定车。通过安装在车轮处的旋转编码器以及之后的智能调节器可以构成检定车的速度闭环检测系统，由此在计算机的控制下可以实现无级调速。

检定车的速度变化范围比较宽，电器变速范围难以完全覆盖，运行机构中的减速器是电气变速的补充。在检定车驱动动系统中，电机轴可以通过制动器或者联轴器与变速箱（减速器）的输入轴相联，变速箱的输出轴继而与差速器输入轴相联。经过这样的传动机构使得电机输出的高转速转为可以驱动车辆车轮转动从而使车辆前进的低转速。

常用的机械变速方案有两种：一种是双电机变速方案、另一种是单电机机械多档变速方案，本文选择前者由两组电机减速器组成。它们之间由离合器相联。当高速运行时，大功率电机工作，小功率电机不工作，离合器脱开，减速比为；当中低速运行时，小功率电机工作，离合器接合，大功率电机仅作连接轴用，减速比为，该变速方式的优点是能充分利用电机功率经济运行，减速器结构简单。本设计选择双电机减速器方案。

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