车辆工程毕业设计论文弹性轮胎转鼓试验台的设计【全套图纸】

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1、本科学生毕业设计弹性轮胎转鼓试验台的设计 院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 07-1班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of the Testbed for Elasticity Tyre Rotary DrumCandidate：Specialty：Vehicle EngingeeringClass： 07-1Supervisor：Associate Prof.Heilongjiang Institute of Technolo

2、gy2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要汽车是人类社会重要的交通运输工具，在国民经济中发挥着举足轻重的作用，构成汽车的每一个部件是否正常工作是决定汽车行驶状态的影响因素，而汽车轮胎是汽车重要的部件之一。轮胎的性能对汽车的牵引力、制动性、行驶的平稳性、平顺性、越野性和燃料经济性都有直接的影响，所以说轮胎的性能直接影响汽车的使用性能。轮胎转鼓试验台是根据车轮的实际工作状态，开发可以模拟汽车实际使用状态的摩擦系数测定系统，探讨了转鼓试验台的结构特点，建立了车辆行驶阻力在道路上和转鼓试验台上等值转换的试验方法，阐述了转鼓试验台的总体设计。系统采用电动机输入动力，制动电机消耗功率，

3、并能通过转速转矩传感器准确测量输入和输出的转矩参数，进而通过运算得到滚动阻力系数的准确值。为研制开发滚动阻力系数试验装置提供理论参考。全套图纸，加153893706关键词：轮胎；转鼓试验台；功率；传感器；滚动阻力ABSTRACTAutomobile is an important means of transport in the human society.It plays a pivotal role in the national economy.Working of every vehicle component properly determines the driving stat

4、ement .And the tyre is one of the important parts.Performance of the tyre impacts the traction,the braking,the driving stability,the ride comfort,the off-road and the fuel economy directly.So the performance of the tyre impacts the performance of the whole car. Turn roller tester is based on the act

5、ual working conditions,develops the measurement system which can simulate vehicle actually use statement of frition coefficient,investigates the structural characteristic of the drum test rig, sets up vehicle drive resistances equivalence chance test way on the road and the turn tyre tester, introdu

6、ce totality plan of chassis measure power machine. The system adopt measure power machine come into power, brake system use up power, and can accurate measure revolution parameter of come into and output by speed torque sensor, and put through operation obtain the accurate numerical value of roll re

7、sistance coefficient. Its supply theory parameter with develop roll resistance coefficient test installation.Keywords：Tyre; Turn Roller Tester; Sensor; Roll ResistanceII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的目的和意义11.2 轮胎转鼓试验台的功用11.3 轮胎转鼓试验台的发展情况21.4 研究内容2第2章 总体方案的确定42.1 转鼓试验台的确定42.1.1 轮胎滚动阻力力学特性42.1.2 滚动阻力系数的

8、测定方法52.1.3 轮胎转鼓试验台的类型选择62.1.4 滚动阻力系数的测量与计算72.2 试验设备及技术条件82.2.1 转鼓技术条件82.2.2 试验步骤92.3 滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响分析102.4 本章小结11第3章 电机和传感器的选择123.1 选择电动机123.1.1 选择电动机应综合考虑的问题123.1.2 驱动电机的选择123.1.3 制动电机的选择153.2 传感器的选择153.2.1 传感器的基本原理163.2.2 传感器尺寸结构的确定183.3 本章小结18第4章 加载机构设计194.1 结构及工作原理194.2 微机测控系统204.3 技术特点214.

9、4 液压缸的设计214.4.1 液压缸主要尺寸的设计计算214.4.2 液压缸主要部分的校核274.4.3 液压缸的材料和技术要求314.5 油泵的选取344.6 其他控制阀的选择354.7 本章小结35第5章 传动机构设计375.1 滚筒与轴的连接375.2 轴的设计375.2.1 滚筒轴的设计375.2.2 车轮轴的设计395.3 轴的校核405.3.1 滚筒轴的校核415.3.2 车轮轴的校核425.4 滚动轴承的选择及校核计算435.5 键联接的选择及校核计算435.6 联轴器的选择445.6.1 联轴器类型的确定445.6.2 联轴器尺寸型号的确定445.7 机架轴承处的设计455.

10、8 本章小结45第6章 运动关系的分析与运算466.1 轮胎在转鼓试验台上运转时的力学分析466.2 试验结果与数据分析476.3 本章小结49结论50参考文献51致谢52附录53第1章 绪论1.1 课题的目的和意义汽车是人类社会重要的交通运输工具，在国民经济中发挥着举足轻重的作用，构成汽车的每一个部件是否正常工作是决定汽车行驶状态的影响因素。而汽车轮胎是汽车重要的部件之一，它的性能对汽车的牵引力、制动性、行驶的平稳性、平顺性、越野性和燃料经济性都有直接的影响，所以说轮胎的性能直接影响汽车的使用性能。如果没有出色的汽车轮胎，汽车的发展必将受到严重阻碍，因此各国汽车生产企业都十分重视汽车轮胎的开

11、发、选用和试验，改善轮胎设计、增强轮胎性能一直是汽车轮胎发展中的一个重要目标。在轮胎滚动过程中，循环变化的应力应变导致能量损耗，形成轮胎滚动阻力，也称为轮胎滞后能量损耗。研究表明，克服轮胎滚动阻力消耗燃油占普通汽车总油耗的10%以上，减小轮胎滚动阻力可以降低汽车能耗，使汽车行驶的距离更远，效率更高。随着人们对环境保护的需要，轮胎滚动阻力的控制逐渐进入人们的研究范围。本文将从多个角度探讨和分析汽车轮胎滚动阻力以及测试技术。1.2 轮胎转鼓试验台的功用由于轮胎是汽车性能的最终体现者,为了满足汽车的各项性能要求,几十年来对轮胎进行了多方面的试验研究,并不断完善试验方法和标准,满足了现代汽车高速、安全

12、等使用要求。尤其是轮胎在行驶过程中产生的力和力矩对汽车的性能有很大影响。轮胎力学特性的测试分为室内试验和室外试验。室内外试验方法各有其优缺点。室外试验拖车车身不可避免地会由于路面、风的影响产生侧倾、俯仰运动,加之悬架往往选用现成的,轴转向、变形转向不可避免，从而造成了室外试验数据的离散性比较大。然而室外试验是在真实路面上进行的,故研究不同性质的路面对轮胎力学特性的影响时,室外试验更容易。而室内试验可避免过多的环境影响,可严格控制各种试验条件,可以比较容易地改变试验参数值的大小,如转速、轮胎外倾角及侧偏角等。需要注意的是,室内试验是单个车轮的试验,因此车辆悬架和转向系的侧倾转向以及悬架的变形转向

13、对纯粹的轮胎弹性侧偏特性的影响可以控制到最小甚至不发生。室内试验主要设备为转鼓式试验台，转鼓试验台也称底盘测功机，是车辆整车室内试验的大型关键设备之一，它主要用于车辆行驶阻力的模拟，以便用室内试验代替部分道路试验，因此被广泛地用于汽车、农用运输车的整车性能试验、法规检测、装配下线调整、新产品开发研究等领域。本设计研究了我们在转鼓试验台开发研究中所做的一些工作，主要是车辆在转鼓试验台上行驶时力学特性的研究，以及控制系统的开发。1.3 轮胎转鼓试验台的发展情况80年代中期起，随着我国加速发展子午线轮胎的需要，少数轮胎生产企业从美国、日本和德国引进了带有滚动阻力试验工位的转鼓式轮胎试验机，结合开发新

14、型子午线轮胎和剖析外国轮胎样品进行了一些轮胎滚动阻力试验。20世纪70年代起，在美国、日本和欧洲等经济发达国家，为了解决能源短缺和环境质量恶化问题，对汽车轮胎滚动阻力进行了大量的实验和研究工作。与此同时，轮胎滚动阻力的测试技术也取得了长足的进步。近年来，我国在轮胎试验机的设计研究方面也有了很大的进展，出现了多家自行研制和开发轮胎试验机的单位和企业，开发出多种类型的轮胎实验机，如广州市橡胶工业制品研究所的双二位轮胎耐久高速试验机，天津赛象科技股份有限公司的轮胎高速/耐久试验机，国家轮胎质检中心及广东汕头橡塑机械所联合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。具有代表性的是天津久荣轮胎技术有限公司，它是目

15、前我国专业研究车轮/轮胎试验机的高科技企业，已经开发投资市场的产品有多种轮胎耐久、高速性能试验机（分别适用于TB、LT、PC、MT、BC轮胎）；弯曲疲劳试验机；冲击性能试验机；车轮/轮胎不圆度试验机等。由于产品技术含量高、配置先进、质量可靠，除供应国内市场外，还得到了国际认可，日本的普利斯通和法国的米其林两大全球轮胎行业的巨头都曾批量购买过该公司的轮胎试验机。1.4 研究内容 本设计采用的是单滚筒转鼓试验台，采用这个方法可以对新胎的滚动阻力进行比较，测试时轮胎垂直于转鼓外表面且以稳定的状态向前自由滚动，而车轮所受的垂直载荷则由液压加载机构进行控制。轮胎转鼓试验台是根据车轮的实际工作状态，开发可

16、以模拟汽车实际使用状态的摩擦系数测定系统，探讨了转鼓试验台的结构特点，建立了车辆行驶阻力在道路上和转鼓试验台上等值转换的试验方法，阐述了转鼓试验台的总体设计。系统采用电动机输入动力，制动电机消耗功率，并能通过转速转矩传感器准确测量输入和输出的转矩参数，进而通过运算得到滚动阻力系数的准确值。为研制开发滚动阻力系数试验装置提供理论参考。设计的主要具体内容包括:（1）滚动阻力系数测试系统的总体方案确定；（2）对驱动电机和制动电机的选择；（3）加载机构和传动机构的设计；（4）运动关系的分析及试验结果的运算和处理。第2章 总体方案的确定2.1 转鼓试验台的确定 2.1.1 轮胎滚动阻力力学特性 车轮滚动

17、阻力是指滚动车轮产生的所有阻力之和，主要包括轮胎滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量。其中，道路阻力分量是指由不平路面、塑性路面和湿路面等道路情况引起的附加阻力；轮胎侧偏阻力分量是指由轮胎的侧向载荷使轮胎侧偏而产生的附加轮胎纵向阻力。此外，除了由轴承摩擦和轮胎与地面相对滑动造成的摩擦阻力外，胎内气流流动以及转动的轮胎对外部空气造成的风扇效应都会引起轮胎的滚动阻力，但均为次要影响因素，因此通常它们包含于车轮阻力中，并不单独列出。 当充气轮胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直线滚动时，其外缘中心对称面与轮胎滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为本设计中所说的轮胎滚动阻力。 根

18、据作用机理的不同，轮胎滚动阻力还可以进一步分解为弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力，分别介绍如下1。1弹性迟滞阻力 胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用是造成轮胎滚动阻力的主要原因。实际中充气轮胎在静态压缩作用下会产生变形并且回弹，并由于其内部的摩擦作用而引起能量损失。当车轮在力或力矩作用下滚动时，对轮胎胎面上的每一单元而言，其压缩与回弹的过程将重复不断地进行。对这样一个过程，可用图2.1所示的轮胎等效系统模型来加以解释。在轮胎等效系统模型中，假定车轮的外圆周与轮辋之间由一些径向布置的线性弹簧和阻尼单元支撑；此外，车轮胎面也假定由一系列切向排列的弹簧和阻尼单元就能充分作用，因而就生成附加的摩擦效

19、应，将它称之为弹性迟滞阻力。轮胎胎面的弹簧和阻尼特性对路面附着力也有影响，选用低阻尼的胎面材料会导致附着摩擦力降低。当轮胎等效系统滚动时，对应的“弹簧-阻尼单元”便开始做功，并将其转化为热，所产生的弹性迟滞阻力等于消耗的阻尼与行驶距离之比。2摩擦阻力 在图2.1所示的轮胎等效系统模型中，由一系列弹簧-阻尼组成的单元连续滚动进入轮胎接触印迹区，由此相应的轮胎外圆圆弧就被压成对应的弦长，即“轮胎接地长度”。在轮胎接触印迹内，路面与滚动单元带之间在哪纵向及横向将产生相对运动，即所谓的“部分滑动”。由于部分滑动引起轮胎磨损，其能量被转换成热，由此产生了车辆动力传动系统不得不克服的附加阻力。 图2.1

20、轮胎等效系统模型3.风扇效应阻力 像风扇一样，轮胎的旋转运动会导致气流损失，但可将其看做是对整个车辆气流影响的一部分。因此，通常将风扇效应阻力加到总的车辆空气阻力中。4.滚动阻力系数 综上所述，车轮在干、硬的平路面行驶，其滚动阻力包括弹性迟滞阻力FR,弹性迟滞、摩擦阻力FR,摩擦和风扇阻力FR,风扇三部分，即： （2.1） 试验表明，在128152km/h速度范围内，90%95%轮胎的破坏是由内部迟滞作用引起的，而2%10%则归咎于轮胎与地面的摩擦，仅有1.5%3.5%归咎于空气阻力。因此，轮胎在硬路面上的滚动阻力主要由胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用造成。实际上，式2.1表达的各个分量（如弹

21、性分量与摩擦分量）均无法单独分开测量，因此有用的还是综合表达式。2.1.2 滚动阻力系数的测定方法 一般可采用两种不同的方法测量轮胎的总滚动阻力，即整车道路测试和室内台架测试。整车道路测试的优点是：道路状况和基本条件是真实的，但由于轮胎重复试验所必要的外部环境，如天气、道路及交通条件等外在因素的干扰和不定性，测试中很难保证指定的试验参数。而以上问题在室内固定轮胎试验台测试中可以避免。在室内试验条件下，装有试验轮胎的车轮被放在可以动的滚动表面上，试验数据可由车轮连接杆系上的力传感器获得。2.1.3 轮胎转鼓试验台的类型选择 根据滚动面情况的不同，轮胎试验台基本上可分为三种类型2（见表2.1的说明

22、）：1.外支撑试验台； 2.内支撑试验台；3.平板试验台。表2.1 轮胎试验台的类型及特点试验类型简图优点缺点外支撑试验台空间足够大，轮胎易于安装很难实现湿路面测量内支撑试验台胎面可换，能实现湿路面测量空间有限，轮胎不易安装平板试验台底座平坦，与实际情况更吻合导向困难，振动引起腐蚀最常用的是外支撑试验台，外支撑试验台的优点是成本相对较低，承载能力高，且结构紧凑，车轮周围留有较大的空间，不但可容纳各种不同的车轮导向元件，以保证车轮定位，而且还可方便车轮的安装。但由于离心力的作用，很难在外转鼓上设置不同的道路条。对内支撑试验台而言，离心力的作用可使车轮胎面很容易地固定于试验台面。因此，内支撑试验台

23、特别适合于进行不同类型路面的试验，比如确定轮胎湿胎面的滚动特性。然而，车轮上的有限空间不利于车轮的安装和控制。由于弧形支撑面的影响，所有的支撑试验台基本上都存在测量误差。与平板试验台相比，在车轮载荷相同的情况下，内支撑试验台使轮胎接触印迹和变形量增大，从而摩擦阻力和弹性迟滞阻力也相应增加。如果滚动卷筒半径与车轮半径相比较大，其测量误差就可控制在较小范围内。必要时可引入校正因子，以保证其测量结果与平面测量结果相吻合。平板试验台在最大程度上保证了轮胎的滚动表面，为车轮控制和车轮运动提供了宽阔的空间，同时也方便了轮胎的安装。通过变换不同滚板，可在一定条件下实现道路条件的改变，同样也适用于湿道路条件，

24、但由于支撑面振动可能会产生测量误差。为解决滚板的导向问题，需要的技术成本较高，另外，滚板的磨损也增加了运行成本。本设计选用的就是外支撑试验台。2.1.4 滚动阻力系数的测量与计算在轮胎试验台上测量轮胎的滚动阻力系数的方法，是用转鼓轮胎试验台，如图2.2所示3。图2.2 转鼓轮胎试验台工作原理是由电力测功机驱动的试验轮胎放在转鼓上，轮胎上加载垂直载荷，转鼓轴连接着作为制动装置的测功器。实验中测出驱动轮胎的转矩和作用于转鼓的制动力矩，则滚动阻力系数为 （2.2）式中：驱动轮胎的转矩； 转鼓的制动力矩； 转鼓的半径； 轮胎的动力半径； 作用于轮胎上的垂直载荷。2.2 试验设备及技术条件2.2.1 转

25、鼓技术条件1.转鼓直径由于钢带式试验机价格昂贵，目前在室内进行轮胎滚动阻力试验的设备仍以转鼓式试验机为主。但是现用设备的转鼓直径不尽相同，有1.2m、1.6m、1.7m、2m、2.1m、3m等。ISO18164在考虑到各国设备情况和鼓面曲率对试验结果的影响后，一方面作出了转鼓直径应在1.53m之间的规定；另一方面指出，在不同直径的转鼓上测得的轮胎滚动阻力值也不同，并给与了校正公式。但是该公式系一近似计算公式，轮胎与转鼓接触面上的力分布的改变并非一简单的几何形状的改变，还与轮胎各部件刚度等诸多因素有关4。这里选择直径为1.6m的转鼓。2.转鼓表面转鼓表面应为光滑的钢制表面或有纹理的表面，转鼓表面

26、应保持清洁。汽车在干燥滚筒上的驱动过程是一个摩擦过程，总摩擦力由若干分力组成，如： （2.3）式中：接触面间的附着力；轮胎在滚筒上滚动变形时，由于压缩与伸张作用之间能量的差别而消耗的能量，进而转化为阻止车轮滚动的作用力；该两项分力取决于轮胎材料、结构和温度。附着系数随速度增加而下降的原因较为复杂，一方面是由于滚筒圆周速度提高，接触面的温升加快，很快在滚筒表面形成了一层橡胶膜，降低了附着系数。3转鼓宽度 转鼓测试面宽度应大于轮胎胎面的宽度，选择试验轮胎直径为0.500.75m，宽约为0.20m，所以转鼓宽度选为0.6m。4温度环境(1)标准条件标准室温是指在距轮胎侧1m处的轮胎旋转轴上测得的温度

27、，应为25C。(2)转鼓表面温度注意确保测量开始时转鼓表面的温度与室温大致相同。5试验条件本项试验的内容为在一定的轮胎充气压力下测量轮胎的滚动阻力，在试验过程中，允许轮胎气压有所增大（封闭式气压）。6试验速度（1）载荷指数不小于122的试验速度速度级在K到M之间的轮胎转鼓速度为80km/h，速度级在F到J之间的轮胎转鼓速度为60 km/h。（2）载荷指数小于122的试验速度转鼓速度为80km/h，如有需要，可采用120km/h的转鼓速度。2.2.2 试验步骤（1）磨合 为了保证测量结果的重复性，早开始试验之前，应使轮胎有一个初始的磨合过程，然后再使之冷却。（2）温度调节 充气轮胎在试验场所的温

28、度环境中放置一定时间，以便达到热平衡，通常在6h后温度达到平衡。（3）压力调整 温度调节结束后，将充气压力调整到试验压力，10min后再检查一遍。（4）初步确定试验方案测量并记录的内容包括：试验转鼓速度 v（km/h）；垂直于转鼓表面的轮胎载荷W；充气压力；驱动轮胎的转矩，作用于转鼓的制动力矩；试验转鼓半径R（m）；选择的试验方法。2.3 滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响分析 车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬质的钢制光滚筒上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变

29、形时对它做的功不能全部收回，此能量消耗在轮胎各组成分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化为热能而消失在大气中。这种损失即为弹性物质的迟滞损失。因为滚动阻力系数与模拟路面的滚筒种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，所以，对其影响因素分析是非常必要的，具体分析如下： 1.钢制光滚筒对滚动阻力系数的影响 （1）若滚筒的半径r越大，在车轮滚动时轮胎的变形量就越小，也就是说弹性迟滞损失就越小，故滚动阻力系数随滚筒半径的增大而减小。 （2）在加工过程中滚筒的椭圆度、同轴度越小，轮胎在滚筒上的运转就越平稳，当车速一定时滚动阻力系数的波动范围就越小，所以说，滚动阻力系数随滚筒加工

30、精度的提高而减小。 （3）目前我国在用的底盘测功机滚筒表面有两种，一种是常见的光滚筒即表面未经处理的滚筒，另一种是滚筒表面喷涂有耐磨硬质合金，前者由于滚筒表面较光滑，其附着系数约为0.5，试验用的东风车在50km/h工况下检测最大底盘输出功率时，其滑移率约为8%，也就是说，汽车车轮在行走时，除滚动阻力外还有滑拖，致使被检测车轮发热，增大了滚动阻力损失，同时由于速度的误差，引起了所测功率的误差。后者采用表面喷涂技术，将滚筒表面的附着系数提高到0.8左右，接近于一般水泥路面的附着系数，则可避免滑拖现象。 （4）滚筒中心距L是指底盘测功机前后两排滚筒支承轴线之间的距离，随着滚筒中心距的增加，汽车车轮

31、的安置角随之增大，前后滚筒对车轮支承力也随之增大，这样将导致车辆在测功机台架上的运行滚动阻力增加。 综上所述滚筒直径、安置角、滚筒表面质量、滚筒中心距对滚动阻力有很大的影响，由于部分底盘测功机仅显示功率吸收装置的吸收功率，所以同一辆车在不同台架上测得的数值不同。因此如果以底盘测功机作为法定计量设备，其滚简直径、中心距、表面处理以及加载方式必须标准化。 2.轮胎气压对滚动阻系数的影响 轮胎气压对滚动阻力系数影响很大，气压低时在硬路面上轮胎变形大，滚动时迟滞损失增加，为了减少该项所引起的检测误差，要求在动力性检测前必须将轮胎气压充至标准气压。2.4 本章小结 本章主要确定了转鼓试验台的总体设计方案

32、以及测量方法，详述了轮胎滚动阻力的力学特性,并对滚筒装置和轮胎的尺寸参数范围进行了选择，探讨了试验设备以及技术条件。同时也分析了滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响。第3章 电机和传感器的选择3.1 选择电动机 选择电动机的内容包括:电动机类型、结构型式、容量和转速，要确定电动机具体型号。3.1.1 选择电动机应综合考虑的问题根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速以及工作环境等要求，选择电动机类型及安装方式。 根据负载转矩、转速变化范围和启动频率程度等要求，并考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应大于或等于计算所需

33、的功率，按靠近的功率等级选择电动机，负荷率一般取0.80.9。过大的备用功率会使电动机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。根据企业的电网电压标准，确定电动机的电压等级和类型。根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维

34、修费用、生产过程中前期与后期电动机功率变化关系等各种因素。3.1.2 驱动电机的选择1.选择电动机类型电动机类型和结构型式要根据电源（交流和直流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择，没有特殊要求时均应选用交流电动机，并且由试验台的试验条件限制电机需具有进行调速的能力。交流电机包括异步电机和同步电机两类。对交流同步电动机而言，同步电机转速为(r/min),实际使用中同步电动机的极对数p固定，因此只有采用变压变频（VVVF）调速。对于交流异步电动而言，其转速为（1-s）(r/min)。从转速公式可知改变电动机的极对数p、改变定子供电频率f以及改变

35、转差率s都可达到调速的目的。本试验采用YVP(IP44)系列变频调速三相异步电动机，并辅助以变频器进行调速控制。2.选择电动机容量标准电动机的容量由额定功率表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率，容量小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏，容量过大，则增加成本，并且由于功率和功率因数而造成浪费。电动机的容量主要由运动时发热条件限定，再不变或变化很小的载荷下长期连续运动的机械，只要其电动机的载荷不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。发动机转矩T=120Nm，转速nw=3500r/min。（1）工作机所需功率 （3.1）式

36、中：工作机所需输入功率，kw；工作机的阻力钜，Nm；工作机的效率；工作机的转速。（2）电动机的输出功率 （3.2）式中，总效率按下式计算：其中、分别为传动装置中每一传动副，每对轴承、每个联轴器的效率，其概略值见机械设计课程设计手册表1.7。选用此表数值时，一般取中间值，如工作条件差，润滑维护不良时应取低值，反之取高值。 （3.3）式中：Pd工作机实际需要的电动机输出功率，kw； 总电动机至工作机之间传动装置的总效率。3.确定电动机转速同一类型的电动机，相同的额定功率有多种转速可供选用。如选用低转速电动机，因极数较多而外廓尺寸及重量较大，故价格较高，但可使传动装置总传动比及尺寸减小。选用高转速电

37、动机则相反。因此应全面分析比较其利弊来选定电动机转速。按照工作机转速要求和传动机构的合理传动比范围，可以推算电动机转速的可选范围，如 r/min式中：nd电动机可选转速范围，r/min；各级传动机构的合理传动比范围（见机械设计课程设计手册表1-8或表13-2）；对YVP(IP44)电动机，通常多选用同步转速为1500r/min、1000r/min或750r/min的电动机，如无特殊需要，不选用低于750r/min的电动机。这里初选同步转速为1500r/min的电动机。4估计电动机的转矩 发动机转矩T=120Nm,且T，=Ti0ig/2 （Nm）式中：i0主减速器传动比，取i0=4； ig变速器

38、传动比，取ig=4 。则T，=960 Nm。5.电动机型号的确定根据上述电动机类型、结构、容量、转速和转矩，由机械设计手册查出电动机型号为YVP315L1-4，其额定功率为160KW，同步转速为1500r/min，额定转矩为1025Nm,基本符合题目所需的要求。查机械设计手册得电动机的技术参数，如表3.1所示，电动机的安装及外形尺寸，如图3.1及表3.2所示。表3.1 电动机的技术参数电动机型号同步转速r/min标称功率 /KW额定电流/A额定转矩/Nm转子转动惯量/kgm2质量/kgYVP315L1-4150016029010251.254.131095图3.1 YVP315L1-4电动机的

39、外形尺寸参数表3.2 YVP315L1-4电动机的外形及安装尺寸参数型号安装尺寸YVP315L1-4HABCDEFGDGK3155085082168017022147128型号外形尺寸YVP315L1-4ABACADAABBHDDAL6286454601207507604514503.1.3 制动电机的选择因为输出和输入功率相差不大，所以制动电机应选用跟驱动电机型号相同的电机，因此制动电机的型号为YVP315L1-4。3.2 传感器的选择根据试验的条件这里选择NJ2转矩转速传感器。3.2.1 传感器的基本原理NJ型转矩转速传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组电磁传感器，把被测转矩、转速转换成具

40、有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。NJ 型转矩转速传感器的工作原理如图3.2,在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，因此可以用来测量转速。这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有

41、关。当弹性轴不受扭时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在180 度左右。图3.3：在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比。把这两组交流电信号用专用屏蔽电缆线送入NC型扭矩测量仪或具有其功能的扭矩卡送入计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值。图 3.4：是NJ 型转矩转速传感器机械结构图。其结构与图一的工作原理图差别是很大的，其中，为了提高测量精度及信号幅值， 两端的信号发生器是由

42、安装在弹性轴上的外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。其中，外齿轮、内齿轮是齿数相同互相脱开不相啮合的。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时，通过传感器顶部的小电动机及齿轮或皮带传动链带动套筒，使内齿轮反向转动，提高了内、外齿轮之间的相对转速，保证了转矩测量精度。但是，此时输出信号的频率不能用来测量转速。解决的办法是建议用户另外增加转速传感器（如NJ0、NJ1D、NJ2等）或者在传感器上增加一个转速传感器（如NJ3、NJ4 等），因为是磁电式传感器，在转速过低时仍然不能保证转速的正确测量。为此，又派生了NJ*D 型低速系列转矩转速传感器产品

43、。NJ*D 型低速转矩转速传感器的解决方法是增加了套筒测速头及安装在套筒上的测速齿轮，其测速头的信号送入NC 系列扭矩测量仪进行数据处理，不论套筒是否转动，其输出的转速信号始终是弹性轴的实际转速，即使转速为零也是如此。图3.2 NJ型转矩转速传感器工作原理图3.3 NJ型转矩转速传感器电信号输出图3.4 NJ 型转矩转速传感器机械结构图3.2.2 传感器尺寸结构的确定选定NJ型转矩转速传感器的外形及安装尺寸见表3.3、图3.5和图3.6。表3.3 传感器外形及安装尺寸型号额定转矩ABDGLHhISKNJ21000170200461449034011010640.218图3.5 NJ型转矩转速传

44、感器安装尺寸图3.6 NJ2轴端视图3.3 本章小结本章介绍了交流变频调速电机的原理，然后通过运算对电动机的类型、容量、转速和转矩进行了估算，从而确定了电动机的型号，并选择了一个合适的传感器用来测驱动轮胎的转矩和作用于转鼓的制动力矩，并介绍了所选传感器的工作原理。第4章 加载机构设计4.1 结构及工作原理1-加载液压缸 ； 2-压力传感器 ； 3-二位四通电磁换向阀 ； 4-液控单向阀 ； 5-三位四通电磁换向阀 ； 6-单向阀 ； 7-油箱 ； 8-先导式溢流阀 ； 9-定量液压泵 ； 10-电液比例溢流阀图4.1 电液比例加载系统原理图本试验的加载机构主要是用以模拟汽车行驶过程中轮胎所受负

45、载的加载装置，由主机、电液比例加载系统和微机测控系统三部分组成。这里主要对电液比例加载系统进行设计、分析。电液比例加载系统的原理图如图4.1所示。系统的油源为定量液压泵9，其最高工作压力由先导式溢流阀8设定，试验时的加载荷速度（实质为升压速度）由电液比例溢流阀10进行远程遥控调节。系统的执行器为三腔（a、b、c腔，作用面积分别为Aa、Ab、Ac）加载液压缸1，通过三位四通电磁换向阀5和二位四通电磁换向阀3改变油液的循环方式及缸在各工况的作用面积，实现快慢速及运动方向的转换；单向阀6作背压阀用，以防止缸在上下端点及换向时产生冲击。液控单向阀4用以防止立置缸在系统卸荷及不工作时活塞（杆）及压头因自

46、重而自行下落。液压泵可以通过三位四通电磁换向阀5的H型中位机能实现低压卸荷。车轮放好后，电磁铁1YA通电使换向阀5切换至左位，液压泵9的压力油经阀5进入液压缸1的小腔a，同时导通液压控单向阀4，压力油的作用面积Aa较小，因而活塞（杆）及压头快速下行接近试件，缸的大腔c在经阀4和3向中腔b中补油的同时，将少量油液通过阀5和6排回油箱。快速下行结束时，电磁铁3YA通电使换向阀3切换至右位置，b腔与a腔连通，缸的作用面积由Aa增大为Aa+Ab,液压泵的压力油同时进入缸的a腔与b腔，故系统自动转入慢速加压过程（加载试验），c腔经阀5和阀6向油箱排油。试验完成后，电磁铁2YA通电使换向阀5切换至右位，液

47、压泵9经阀4向大腔c供油，同时，3YA断电使换向阀3复至左位，腔b与c连通为差动回路，因此，活塞（杆）及压头快速上升（回程）。装卸试件期间，所有电磁铁断电，液压泵通过阀5的中位实现低压卸荷。系统的电磁铁动作顺序如表4.1所列。表4.1 液压系统电磁铁动作顺序工况1YA2YA3YA快速下行+慢速加压+快速上升+4.2 微机测控系统程序和数据存储器LED显示器电磁铁等单片微机D/A转换器A/D转换器压力传感器比例控制器图4.2 微机测控系统原理图试验机对试件的加载必须缓慢进行，由于负载条件及安装空间的限制，直接测力不易实现。因此，根据载荷-油压-电压的模拟关系：载荷=油压活塞面积=电压模拟系数活塞

48、面积，间接测力。即通过电液比例溢流阀控制液压系统工作油压的变化率，通过图4.1中设置的两个压力传感器2，将检测的油压转换为电信号，送入计算机并按有关算法进行处理，即可间接得到要求的加载荷大小。图4.2是微机测控系统的原理方块图。系统的功能有：向比例溢流阀的比例控制器、液压泵的驱动电机、换向阀的电磁铁发出控制信号，使液压系统按既定要求循环；将压力传感器检测油压输出的电信号按照一定关系转换为所需载荷量8。 4.3 技术特点加载液压系统采用定量泵供油，复合缸加载，通过液压缸的面积变化实现快慢速自动转换，减小了液压泵的流量规格，减小了试验期间的能耗。通过微机测控系统对液压系统进行控制，检测系统油压，输

49、入输出试件的机和参数和试验结果，加载均匀平稳、间接测力，操纵简便、易于维护。试验机结构简单，制造公益性好，成本低；自动化程度高，运行能耗低，测量精度较高。4.4 液压缸的设计4.4.1 液压缸主要尺寸的设计计算液压缸主要尺寸包括缸的内径、长度、活塞杆的直径及长度。确定上述尺寸的原始依据是液压缸的负载、运动速度、行程长度和结构形式等。本试验台设计所需要的液压缸需要自行设计。1加载的最大载荷由所查资料常用轿车轮胎的承载指数范围多为450kg540kg，其中奔驰A级高达750kg，即 Fmg750kg9.8N/kg7350N2确定系统的工作压力表4.2 液压缸工作压力与负载之间的关系负载 F/KN5

50、51010202030305050工作压力P/MPa0.81.01.52.02.53.03.04.04.55.0510根据表4.2液压缸工作压力与负载之间的关系及负载F=7350N，取本设计的液压缸工作压力P=2.0MPa。3液压缸的内径计算本试验液压缸的设计按慢下加载过程计算设计。由于高度差及作用面积相差不大，故加载面积可近似看作,则 （4.1）式中： 系统压力差P0，其中P0为回油背压，按一般执行元件背压力推荐取P0=0.4Mpa，故P02-0.41.6Mpa； 液压缸效率，对于橡胶密封圈=0.95。代入得：= 78.58mm经查机械设计手册如下表4.3液压缸内径尺寸系列，取D280mm。

51、表4.3 液压缸内径尺寸系列（摘自GB/T2348-1993） (mm)840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）25100（220）50032（110）2504液压缸壁厚和外径的确定表4.4 工程机械用液压缸外径系列缸径/mm液压缸外径/mmp16MPa202531.540505050545060606063.5637676838380959510210290108108108114100121121121127110133133133140125146146152152由上表确定外径D=95mm,则壁厚7.5m

52、m5液压缸缸底厚度确定选择缸底为平面型，则厚度1可以按照四周镶住的圆盘强度进行近似计算,则 10.433D2 (4.2)式中：D2近似认为为液压缸内径D ，m ； P筒内最大工作压力，MPa ,取P1.5p ； p筒底材料许用压力，MPa ,取； b缸筒材料的抗拉强度，MPa ； n安全系数，取n=5 ；即代入mm ,取1=9mm 。6液压缸缸底其他尺寸的确定如下图4.2所示液压缸缸底的主要尺寸图4.2 液压缸缸底示意图7液压缸缸盖的设计计算如图4.3所示，各部分尺寸确定如下：活塞长度B=（0.61.0）D=（0.61.0）80=4680 mm ,这里取B=70mm 。导向套长度LA=（0.6

53、1.5）D=48120 mm ,这里取LA=50mm 。必要时可在导向套和活塞之间安装一个隔套K，其长度 C=H - （LA+B） （4.3）式中:H活塞杆导向长度；LA全部外伸时从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离。如果导向长度过小将使液压缸的初始挠度增大（间隙引起的挠度），影响液压缸的稳定性，一般满足H+ 。8导向套结构的确定 活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可装设导向环，用作活塞杆的导向。导向套的典型结

54、构形式有轴套式和端盖是两种。图4.3 液压缸导向套示意图9液压缸活塞行程L的确定液压缸行程L主要依据机构的运动要求而定，且为了简化工艺和降低成本取表4.5中标值，现取L=250mm 。表4.5 液压缸活塞行程第一系列 （mm）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000故由H+ = 52.5mm , B=70mm , H=60mm ,则C=60-(50+70)=010液压缸活塞（如图4.4所示）：图4.4活塞（1）活塞与活塞杆的联接方式本试验液压缸活塞与活塞杆的联接选用螺纹联接。（2）活塞与缸体的密封结构活塞与

55、缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸各腔之间不漏油，因此在结构上应慎重考虑。本试验采用O形密封圈加挡圈结构。11.液压缸活塞杆的确定（1）活塞杆直径的确定查机械设计手册由表4.6系数的推荐值，取，故d=40mm(且符合GB/T321-1980)，此时，液压缸活塞往复运动时的速比，符合表4.5要求规定。计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和是否需要设置缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。表4.6 p的关系工作压力p/MPa1012.52020速度比1.331.46；22（2）活塞杆结构的确定活塞杆有实心杆和空心杆两种，如图4.5所示，本试验台液压缸活塞

56、杆采用实心结构，一端经螺母与活塞相联接，另一端由螺钉与法兰盘联接。图4.5 活塞杆12.缓冲装置缓冲装置是为了防止或减小液压缸活塞在运动到两个端点时，因惯性力造成的冲撞。通常是通过节流作用，使液压缸运动到端点附近时形成足够的内压，降低液压缸的运动速度，以减少冲击。液压缸活塞运动速度在0.1m/s以下时，不必采用缓冲装置；在0.2m/s以上时必须设置缓冲装置。故本设计不需要缓冲装置。13.排气阀为使液压缸运动稳定，在新装上液压缸以后，必须将缸内的空气排出。其中较可靠的方法是在液压缸上设置排气塞（排气阀），排气塞的位置一般放在液压缸的端部，双作用液压缸则应设置两个排气塞。由于本试验液压缸工作压力较

57、小且速度等要求不高故可采用使液压缸反复运动，直到运动平稳的方法进行排气。14.液压缸油口的确定油口包括油口孔和油口连接螺纹。液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上。油口孔大多数属于薄壁孔（指孔的长度与直径之比l/d0.5的孔）。通过薄壁孔的流量按下式计算 Q=CA=CA m3/s (4.4)式中：C流量系数，接头处大孔与小孔之比大于7时C=0.60.62，小于7时C=0.70.8； A油孔的截面积，m2；液压油的密度，kg/m3；P1油孔前腔压力，Pa；P2油孔后腔压力，Pa；P油孔前、后腔压力差。代入上式得：d=1.25mm油口连接螺纹尺寸应符合国标规定，由GB/T2878-1995选取M5

58、0.8，精度为6H。4.4.2 液压缸主要部分的校核1.缸筒壁厚的校核对最终采用的缸筒壁厚应进行四方面的验算：额定压力PN应低于一定极限值，以保证工作安全则， PN0.35MPa （4.5） 或 PN0.5MPa （4.6）同时，额定压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生，即 PN0.350.42）PRl MPa （4.7）此外，尚需验算缸筒径向变形D应处在允许范围内 D= m （4.8）式中，变形量D不应超过密封圈允许范围。最后，还应验算缸筒的爆裂压力 MPa （4.9）式中：缸筒材料屈服点，MPa ； PN缸筒发生完全塑性变形的压力，MPa ； Pr缸筒耐压试验压力，MPa ； E缸筒材料弹性模量，MPa ； 缸筒材料泊松比，钢材=0.3 ； D缸筒外径，m 。 代入得： 由式（4.5）得： 20.35=3.09 MPa 故符合强度条件； 由式（4.6）得：20.5=