六自由度汽车驾驶运动模拟器设计

摘要

汽车驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人—车—环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。近年来，由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，研究开发驾驶模拟器已经成为国内外一个重要发展方向。

本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。本文主要进行机械机构的设计、液压伺服系统设计、液压泵站设计和液压缸的设计等。

通过模拟器的机构设计和驱动液压伺服系统设计，结合电气系统能够实现汽车在不同运行状态的模拟，当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台；本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。

关键词：汽车驾驶模拟器六自由度运动平台液压伺服系统运动姿态控制

Abstract

The Automobile-driving i an important tool which used for the development of auto mobile product and the study of the transportation characteristics of “man-car-environment”or the driver training .In recent years, the study of the automobile-driving simulator used for development has become an important development direction in the world because of the notable characteristics of high safety, well reappearance of scene, easy to develop and low cost.

This article is based on searching the large quantity of information about at home and abroad, and combines with the tea cher’s research task which mainly designs the part of 6-dof driving Simulator of hydraulic system .The 6-dof motion simulator adopts valves of hydraulic servo to control actuator to drive the movement of driving simulation platform, and to achieve the movement posture simulation of the automobile driving simulator. This article is mainly about the designing of machine, the system of hydraulic servo, hydraulic pump station, and actuator and so on.

According to the designing of agencies of simulator and hydraulic servo system, it can combines the electrical system which can bring out the imitation of cars in different movement conditions, when the driver simulating drive on the seat of cockpit system, you can feel the feeling of driving a true car, and it also offer the simulator platform which can be replaced for true driving training. At the same time, this designing is also establishes for the further researches and the practice extension and use.

Keywords:Driving-automobile simulator, 6-dof of motion platform, the system of hydraulic servo, the control of campaign attitude

目录

1绪论 (1)

引言 (1)

国内外发展现状 (2)

1.2.1国内外研究和发展概述 (2)

1.2.2驾驶模拟器的应用和发展 (3)

课题任务 (5)

论文的主要研究内容 (5)

2 运动学及力学分析 (6)

六自由度运动模拟器机构位置反解 (6)

2.1.1坐标系的建立 (6)

2.1.2广义坐标定义 (6)

2.1.3坐标变换矩阵 (7)

2.1.4液压缸铰支点坐标的确定 (8)

2.1.5位置反解 (10)

六自由度运动模拟器机构位置正解 (11)

静力学分析 (11)

3 机械及液压部分设计 (12)

运动模拟平台的设计 (12)

3.1.1液压缸内壁D活塞杆直径d的计算 (12)

3.1.2液压缸壁厚和外径的计算 (14)

3.1.3缸盖壁厚的确定 (14)

3.1.3液压缸工作行程的确定 (15)

3.1.4缸体长度的确定 (15)

3.1.5液压系统的计算 (15)

液压泵站 (17)

铰链的设计 (18)

执行机构单元组成 (21)

电液伺服控制单元与液压系统 (22)

反馈单元 (23)

4 电气部分设计 (24)

电气原理及接口设计 (24)

4.1.1MCS-51系列单片机的引脚及其功能 (24)

4.1.2单个电液伺服液压缸位置控制电路设计 (26)

4.1.3扩展电路 (26)

电气原理图 (27)

5 结论 (28)

本文结论 (28)

本文研究工作的不足 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

1绪论

引言

驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人－车－环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，近年来，研究开发型驾驶模拟器已成为国际上的一个重要发展方向。

驾驶模拟器一般由硬件和软件两部分组成。以计算机成像的大型模拟器为例，其硬件系统一般包括驾驶舱、计算机、投射仪、显示屏、运动液压系统等，软件系统包括道路环境的计算机实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，网络控制，操作平台等。基本原理是由安装在驾驶舱的传感器将驾驶员的操纵信号传递到主控计算机，由主控计算机中的汽车模型软件计算出车辆瞬间的运动位置及姿态，再将车辆运动参数不断地传到计算机图形工作站，由图像软件生成对应的连续变化的道路视景图，最后再由投射仪将视景图投射到驾驶舱正前方的屏幕上，以此同时，由主控计算机控制液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，并模拟汽车噪声，给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。这种模拟器规模大、造价高，主要用于汽车新产品的开发。如Daimler-Benz 公司80 年代建成的具有六个自由度的世界上规模最大的模拟器、美国交通部93 年在IOWA 大学建立的大型驾驶模拟器、我国吉林大学汽车动态模拟国家重点实验实97 年研制的我国第一台大型驾驶模拟器ADSL等。

另外一种模拟器规模比较小，有的采用了静止的驾驶舱，极大地降低了成本。这类模拟器主要用于道路交通的研究，在欧洲和日本应用比较多。如日本大板产业大学通过近30 年的研究、不断开发完善的用于驾驶员行为研究的小型液压式驾驶模拟器、瑞典VDI 80 年代投资建成的具有大的侧向位移的驾驶模拟器、日本汽车研究所（JARI）93 年建成的带有体感模拟系统的驾驶模拟器，英国利兹大学1997 年开发成功的固定式汽车驾驶模拟器等。

还有一种驾驶模拟器更为简单，只是用于驾驶培训。国内外都有较多产品。这种模拟器一般不能进行二次开发，因而不能用于研究。

研究型的汽车驾驶模拟器主要应用于汽车动力学研究和道路交通问题的研究两个方面。一般说来，大型模拟器主要用于汽车动力学性能的研究；而中小型模拟器，更多的是用于研究道路交通问题。

近年来，随着虚拟现实(VR)技术的迅速发展，在汽车驾驶模拟系统开发的过程中引入了虚拟

现实技术。虚拟现实技术自1989 年美国计算机科学家JaronLanier 提出后，发展十分迅速，并广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗康复、教育娱乐等各个领域。虚拟现实的本质是客观事物在计算机上的一种仿真实现，“是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物”，虚拟现实具有“沉浸(Immersion)－交互(Interaction)－构想(Imagination)”三个基本特征。

虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟系统中，就是通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉，驾驶员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员的操作状态，改变汽车在虚拟环境中的状态，其过程的不断循环，构成驾驶员－虚拟驾驶环境之间的交互作用，实现汽车的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶。基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统极大地提高了系统的主动性、交互性和沉浸感等性能，给驾驶员更逼真的驾驶环境，对驾驶模拟器的各种应用提供了更为逼真的效果。

国内外发展现状

1.2.1 国内外研究和发展概述

早在七十年代，美国等一些发达国家就把汽车驾驶仿真系统作为一种较为先进的汽车仿真工具广泛应用于产品设计开发、车辆和交通评价以及作为驾驶员培训工具应用于驾驶员培训中心。因此，不仅一些高等院校开发驾驶模拟系统，很多著名的汽车公司也投巨资开发驾驶模拟系统。这些模拟系统主要是面向产品开发和性能评价的，因而技术先进，造价也相对较高。例如，1985 年奔驰汽车公司首先建立了世界上规模最大的具有六个自由度的模拟器，并成功的应用于系列化高速轿车的开发中。瑞典的VDI 也投资建立了规模较小的驾驶模拟器，用于车辆和交通系统的评价和开发。位于美国盐湖城的I-Sim 公司开发了主要用于卡车和大型车辆司机驾驶训练的驾驶模拟器。美国的Hyperion公司开发了包括VRS(Vection Reality System)系统在内的可以应用于车辆交通研究和驾驶训练应用的多个系列的模拟器。

在国内，为改变我国驾驶训练的落后状况，我国曾先后引进了一些国外的驾驶模拟器，如由美国多轮公司进口的L-300 被动式汽车驾驶模拟系统是比较有代表性的设备。但由于早期设备大多为被动式，并且不太适合我国的实际情况。同时又由于设备价格较贵，难以在国内推广使用。

在这种情况下，我国也有一些公司开发了驾驶模拟系统，但大多数仍然是被动式的；有些产品虽然已经是主动式的，但由于早期选用的开发工具和开发环境落后，难以真正实现三维图形技术，有速度慢、真实感差、系统升级困难等难以克服的缺点，因而难以形成推广规模。

近年来，由于技术水平的发展，国内有许多家单位又开始了驾驶模拟器的研制和推广，主要集中在大专院校和科研院所。与此同时，与汽车驾驶模拟器的发展状况相似，国内对航海船舶模拟器、飞行模拟器、特种车辆（如坦克）驾驶模拟装置等的开发也都进入了一个新的阶段。而这些领域内的模拟装置在很多技术上都有共同点，可以相互借鉴，例如这些模拟装置都采用相同的开发技术和开发工具来实现其虚拟场景和控制的模拟；系统基本结构流程也都类似。在所有这些因素的带动下，越来越多的业内人士已经认识到模拟装置的重要性，并在此领域内作了很多卓有成效的工作。

在国内较早进行驾驶训练模拟器工程开发和商业应用的有中国航空精密机械研究所、吉林大学、南京大学、装甲兵工程学院、解放军汽车指挥学院、华中理工大学等。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室在郭孔辉院士的领导下，从八十年代开始进行汽车驾驶仿真相关领域的研究工作，建成并投入使用了国内首创、有世界先进水平的主要用于工程应用的驾驶模拟系统。南京大学计算机系、装甲兵工程学院、昆明理工大学等单位近几年在驾驶训练模拟器研究方面也取得了很大进步，已经能够满足基本的使用要求，并且开始应用于驾驶训练。

1.2.2 驾驶模拟器的应用和发展

驾驶模拟器装置根据其用途、性能、要求等方面的不同，基本上可以分为两类：一类用于产品开发和人-车-环境系统等基础研究的模拟装置（开发型驾驶模拟器或驾驶仿真器）；另一类是用于安全教育、交通规则教育和驾驶训练的模拟装置。它们都被用来模拟真实的车辆驾驶和运行过程，系统的基本组成原理也大致相同，但他们的应用领域、技术水平、成本以及由此产生的效果却有很大差别。

开发型驾驶模拟器

开发型驾驶模拟器（其系统组成及配置原理见图1）是利用计算机，在电子、液压、控制等技术支持下，从人-车-环境闭环系统的整体性能出发，对汽车的主动安全性、操纵性能等进行仿真研究和开发的大型试验装备。典型的开发型驾驶模拟器投资巨大，但功能组成却非常全面。它一般由运动模拟系统、视景模拟系统、控制操纵系统、音响模拟系统、触感模拟系统及性能评价

系统组成。模拟实验时，真实的汽车（或驾驶室）装入模拟舱，驾驶人员在车内根据提供的交通视景操纵汽车，计算机采集操作信息后，实时运算出汽车的瞬时运动状态，控制运动模拟系统驱动模拟舱生成运动感觉，控制视景系统生成模拟场景，控制声响系统产生各种汽车运动噪声，控制触感模拟系统产生各种操作部分的反力，预测或验证整个系统的性能，从而对其进行设计改进。其主要特点是：

无风险的试验在驾驶模拟器上不仅可以进行通常工矿下的测试试验，还可以进行危险、极限工矿下的试验，如侧滑、甩尾、高速失控等；通过无风险、低成本的实验方法获取其它方法难以取得的实验数据。

实验重复可用利用驾驶模拟器进行的实验过程可人为控制，可以重复相同的实验条件，从而提高了利用人进行主观评价的置信度，这是场地汽车性能试验难以实现的。

真实的人-车界面由于目前驾驶员及其动作、感觉、反应、判断还不能完全用数学的方法定量描述，在驾驶模拟器中，各个控制操作部件都被连接到计算机，对人的视觉、听觉、运动感觉进行模拟，真实的模拟人-车系统的性能。

目前，开发型驾驶模拟器主要用于：

车辆安全性能设计在开发型驾驶模拟器上，可以任意设定高速、临界的实验条件，无风险

进行全工矿仿真，成为当前高速安全性能设计必不可少的工具。车辆控制系统开发目前，世界上的开发型驾驶模拟器都在从事车辆控制系统的试验开发，利用模拟器研究新的控制规律和机理，或对新开发的系统进行检验和评价。

道路性能验证和设计通过人工设定道路场景，开发型驾驶模拟器可以用来分析道路曲线段和驶入驶出过渡路段的事故率，分析指示设施的位置等对路段事故率的影响，为道路设计和施工提供参考。

交通法规和理性的检验再现已发生的交通事故，对事故责任进行辅助分析，检验交通规则的合理性，为制定交通规则提供理论依据。

课题任务

本课题主要是设计汽车模拟驾驶系统及支撑它的运动模拟平台。使操作者有身临其境的驾驶感觉。

具体参数如下：

（1）6自由度运动模拟器运动幅度分别是：

①滚动和仰俯角度各为±15°；

②转动角度为±20°；

③垂直位移为±130mm；

④前后位移为±150mm；

⑤左右位移为±150mm。

（2）运动模拟器承重：1吨

（3）运动在线模拟及同步记录频带：～3Hz。

论文的主要研究内容

本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。

(1)系统总体结构的制定：其中包括系统要求，机械部分和电气部分的制定。

(2)机械机构设计：包括模拟驾驶系统的机械机构设计及运动模拟平台——主要是液压系统的设计。

(3)电气原理的设计：其中包括单片机及扩展芯片系统设计。

(4)总结：包括设计小结及参考文献等。

2 运动学及力学分析

六自由度运动模拟器机构位置反解

2.1.1 坐标系的建立

为了清楚地描述台体的运动，选取两个坐标系，即体坐标系OXYZ 和静坐标系O ′X ′Y ′Z ′，如图2-1 所示。

选取体坐标系(又称动坐标系)的坐标原点为载体和平台的综合质心，坐标固定在台体上，坐标轴的方向与台体的惯性主轴方向平行，载体的安放也使其惯性主轴与体坐标系的坐标轴相平行。将静坐标系(又称参考坐标)固定在大地上。在初始位置时，静坐标系O ′X ′Y ′Z ′与体坐标系完全重合。静坐标系实际上是体坐标系的参考对象，当平台运动时，以大地为参照物，静坐标系是不动的。对于体坐标系，相对于台体来说它是不动的，当以大地为参照物时，它随着平台位置的变化而变化。

2.1.2 广义坐标定义

体坐标相对于静坐标的位置可以用广义坐标来描述，q的分量为q i(i=1,2,….6)。其中q1,q2,q3为体坐标与静坐标的三个姿态角，q4,q5,q6为坐标原点O在静坐标系O ′X ′、O ′Y′、O ′Z ′三轴上的坐标。姿态角的定义如图2-2 所示。

图中

偏航角q3——体轴OX在平面X ′O ′Y ′上的投影OX1与O′X ′间的夹角；

纵摇角q2——OX 轴与平面X ′O ′Y ′的夹角；

横摇角q1——体坐标中XOZ 平面与通过OX 轴的铅垂面间的夹角。

2.1.3 坐标变换矩阵

在体坐标与静坐标之间，存在一个齐次变换矩阵。由静坐标系到体坐标系坐标变换的次序为：第一次沿O ′X ′向平移q4，变换矩阵为

(2-1) 第二次沿O ′Y ′向平移q5，变换矩阵为

(2-2) 第三次沿O ′Z ′向平移q6，变换矩阵为

(2-3)

三次平移后，坐标系O ′X ′Y ′Z ′平移到OX ′Y ′Z ′，接着进行三次旋转变换。

第一次绕OZ′轴旋转偏航角q3，变换矩阵为

(2-4)

上式中，sin(q i)简写为sq i，cos(q i)简写为cq i（i=1，2，…，6），以后分析中均如此简化。

第二次绕OY1轴旋转纵摇角q2，变换矩阵为

(2-5) 第三次绕OX 轴旋转横摇角q1，变换矩阵为

(2-6)

综合以上各个变换，即可以得到由静坐标系到体坐标系的坐标变换矩阵T 为

(2-7)

2.1.4 液压缸铰支点坐标的确定

六自由度运动模拟器结构参数示意图如图2-3 所示

图中

A1～A6——液压缸上铰点；

B1～B6——液压缸下铰点；

A1B1～A6B6——表示第一～第六号液压缸；

K0——台体上台面的中心点；

O m——负载质心；

O M——台体质心；

G0——系统(包括负载和台体)的质心；

l1’——液压缸上铰点A1A2、A3A4、A5A6之间的距离；

l1——液压缸下铰点B2B3、B4B5、B6B1之间的距离；

l3’——液压缸上铰支点A2A3、A4A5、A6A1之间的距离；

l3——液压缸下铰支点B1B2、B3B4、B5B6之间的距离；

l2——液压缸上下铰支点间初始长；

M ——台体质量；

m ——负载质量；

h a——台体上铰支点中心到台体质心的距离；

h0——系统质心到台体质心的距离；

h m0——负载质心到台体质心的距离；

h m——负载高度；

h M——台体高度

需要说明的是，图2-3 并不是严格的机械图，下面图并不是上面图的俯视图，之所以这么画，是为了清楚表达液压缸的铰支点与台面和底座的连接关系。用矩阵A来表示液压缸缸筒上端铰支点A i(i=1，2，…，6)在动坐标系中的坐标向量。矩阵A第一列的第一行至第三行元素分别表示A1点在动坐标系中的X轴、Y轴和Z轴的坐标，其余列的意义与第一列的意义类似。经过运算可得

（2-8）

式中h1 =h a +h0将矩阵A 写成齐次坐标的形式为

(2-9)

2.1.5 位置反解

液压缸活塞杆的伸缩量(即位移)可由液压缸的上下铰支点之间的距离减去铰支点初始长L2来确定。铰支点间距离的计算公式为

(2-10) 式中，g ki为A 矩阵变换到静坐标系后所得各点对应的坐标，其计算公式如(2-10)所示。液压缸活塞杆的伸缩量为

(2-11)

六自由度运动模拟器机构位置正解

六自由度运动模拟器机构的位置正解，是在已知六个液压缸的位置的情况下，求解运动平台的位置和姿态。结合式(2-10)和式(2-11)可得

(2-12) 令（2-13）

从而到一个线性方程组，解此非线性方程组，即可求出q i( i=1,2,...6)

静力学分析

静力学分析是指运动平台处于某一位姿时，各个主动关节所受的外力。对于六自由度运动模拟器来说，指的是当上平台处于某一位置和姿态时，个液压缸所需的输出力。因为当台体静止时，系统的惯性力为零。我们忽略液压缸自身的质量，所以各个液压缸所需的出力的合力就等于上平台的重力。即

(2-14)

其中f i为各个液压缸的出力。

3 机械及液压部分设计

运动模拟平台的设计

3.1.1 液压缸内壁D 活塞杆直径d 的计算

根据主机的要求，按机械设计手册（表）选择双作用液压缸。按机械设计手册（表）选择法

兰型。

液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不

同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可用类比法来确定。根据液压系统简明手册选取本设备的工作压力为：P=10~16MPa ,当液压缸工作压力选取d /D =，工作压力P=16时。根据经验算法， 液压缸的推力 1.56

m g m a m g m a F +++=?载载平台平台 （3-1） 1000101000101001010010 1.555006

F N ?+?+?+?=?= ①根据液压系统设计简明手册单活塞杆液压缸的计算过程。由图3-1可知

图3-1

222122222

1

1()444()()fc fc D P F D d P F F F p D D d P p π

π

π=+-++=+- （3-2） 式中1p ——液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力p p

2P ——液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可根据液压系统简明手册表2-2估计；

d /D ——活塞杆直径与液压缸内径之比，可按液压系统简明手册表2-3选取；

F ——工作循环中最大的外负载；

fc F ——液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，长用液压缸的机械效率cm η进行估算。

cm η——液压缸的机械效率，一般cm η=~。

将cm η带入（3-3），可求得D 为

D = （3-3） 活塞杆直径可由d /D 值算出。

②根据机械设计手册活塞杆长度小于或等于10倍的缸径D ，不能确定速比时，可按照下式计

算：

实心杆

310d = m (3-4)

s

p n σσ= （2-4）

本系统选用第二种作法，带入数值。

28d mm =≈ （3-5） 280.740D mm =÷= (3-6)

根据液压缸尺寸系列选取液压缸内径为40mm 。

3.1.2 液压缸壁厚和外径的计算

根据液压系统设计简明手册，液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。

液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其

内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。

液压缸的内径D 与其壁厚δ的比值/10D δ≥的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机

械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

2[]

D δσ≥

y p （3-7） 式中δ——液压缸壁厚（m ）; D ——液压缸内径（m ）;

y p ——试验压力，一般取最大工作压力的（~）倍（MPa ）;

[]σ——缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：[]σ=110~120MPa;铸钢：[]σ=100~110MP 无

缝钢管：[]σ=100~110MPa;高强度铸铁：[]σ=60MPa;灰铸铁：[]σ=25MPa 所以10 1.50.040.0032100MPa mm MPa

δ??==? 选取无缝钢管[]σ=100~110MPa 为保证液压缸壁厚达到要求，确定液压缸壁厚δ=7.5mm,液压缸壁厚算出后，即可求出缸体

的外径1D 为

12D D δ≥+ （3-8）

式中1D 值应按无缝钢管标准，或按有关标准圆整为标准值。

所以14027.555D mm =+?=

3.1.3 缸盖壁厚的确定

根据液压系统设计简明手册， 一般液压缸多为平底缸盖，当有孔时其有效厚度t 按强度要求

可用下式进行近似计算

0.443t D ≥ （3-9）

t ——缸盖有效厚度（m ）;

2D ——缸盖止口内径（m ）;

0d ——缸盖孔的直径（m ）。

0.44310t ≥?≈mm 3.1.3 液压缸工作行程的确定

液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照液压系统简明手

册中表2-6中的系列尺寸来选取标准值。为了满足本设计的要求，选取液压缸的工作行程为460mm 。

3.1.4 缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外型长度还要考虑到两端端

盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。本设计根据经验取液压缸缸体长度为687mm 。

3.1.5 液压系统的计算

（1）泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵工作压力为

1P P P P =+

?∑ （3-10）

式中P P ——液压泵最大工作压力 1P ——执行元件最大工作压力

P ? ——进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取~,复杂系统取~,本设计取1MPa 。

1(161)17P P P P MPa MPa =+?=+=∑ （3-11）

上述计算所得的P P 是系统的静态压力，考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此泵

的额定压力n P 应满足

(1.25~1.6)n P P P ≥ （3-12）

中低压系统取小值，高压系统取大值。本设计中 1.45n P P P MPa ==

(2)有杆腔工作面积及流量

液压缸有杆腔的工作面积为

22222()(4028)64044A D d mm π

π

=-=?-= （3-13）

当杆伸出时液压缸所需的流量

262/min 4q d v l π=

??= （3-14）

（3）泵的流量确定

液压泵的最大流量应为

max ()p l q k q ≥?∑ （3-15）

式中p q ——液压泵的最大流量；

max ()q ?∑——同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作，

尚须加溢流阀的最小流量2~3L/min ；

l k ——系统泄露系数，一般取l k =~,现取l k =

所以 max () 1.26274/min p l q k p l =?=?=∑

（4）选择液压缸的规格。

根据以上计算得到的p p 和p q 再查阅机械设计手册，现选用CBF —E100式齿轮泵。该泵的基

本参数为：每转排量0100/q l r =，泵的额定压力16n p MPa =，电动机的转速

2000/min H n r =，容积效率0.93V η=，总效率0.85η=。

（5）与液压泵匹配的电动机的选定。

首先分别算出活塞杆伸出和缩回两种情况下的功率，取两者较大值作为选择电动机

规格的依据。由于在慢进时泵的输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在~1 /min l 范围内时，可取0.03~0.14η=同时还应注意到，为了使所选择电动机在经过泵的流量特性曲线最

大功率点时不至于停转，需进行验算，即

2B p

n P q p η

≤ （3-16）

式中n p ——所选电动机额定功率； B P ——限压式变量泵的限定压力；

p q ——压力为B P 时，泵的输出流量。

首先计算活塞杆伸出时的功率，伸出时的外负载为2500N ，进油路的压力损失定为,由式（1-1）

可得：

62

5500

(100.5) 1.90.074P P MPa MPa π

-=?+=? （3-17） 杆伸出时所需电动机功率为 1.9745600.5P p P q P KW η

?===? （3-18） 查阅电动机产品样本，选取13212Y S -型电动机，其额定功率为,满载转2900/min r

（6）确定管道尺寸

油管内经尺寸一般可参照选用的液压元件接口而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统

主油路流量为差动流量40/min q l =，压油管的允许流速取4/V m s =，则内径d 为

14.5d mm === （3-19） 液压泵站

液压泵站是液压系统的重要组成部分（动力源）。它向液压系统提供一定压力、流量的工作

介质。在液压泵站上必须的液压阀可以直接控制液压执行元件工作

本设计方案选用液压伺服驱动。对比气压驱动、电气驱动等其他的驱动方式，液压驱动在动

力性能方面占有很大的优势。一个体积与能搬送 14～24kg 有效载荷的气动或电动系统相当的液压系统，可以搬送 120～140kg 的负载，而且还有气动和电气系统相当的精度和响应速度。另外，液压油能对运动部件起到润滑作用，并通过油液的流动把热量带走，实现统的自冷却，以延长元件的使用寿命。采用液压驱动机构还可以得到较大的速度范围，特别是在低速特性方面，比电机