彈性輪胎轉鼓試驗臺設計,彈性輪胎轉鼓試驗臺設計,彈性,輪胎,試驗臺,設計 SY-025-BY-5 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 填表日期 2009年 4月28 日 迄今已進行 8 周剩余 8 周 學生姓名 于佳瑩 系部 汽車系 專業(yè)、班級 車輛工程BW05-9 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 學 生 填 寫 畢業(yè)設計（論文）工作進度 已完成主要內容 待完成主要內容 　 　 存在問題及努力方向 　 學生簽字： 指導教師 意 見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室 意 見 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-2 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 于佳瑩 系部 汽車系 專業(yè)、班級 車輛工程BW05-9 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 一、設計（論文）目的、意義 設計目的：為模擬車輛實際行駛狀態(tài)，準確測定車輛滾動阻力系數(shù)，為確定滾動阻力系數(shù)的大小、分析滾動阻力系數(shù)的影響因素提供參考。 設計意義：汽車行駛阻力直接影響汽車的動力性、經濟性和操縱穩(wěn)定性等幾大使用性能，而滾動阻力是汽車行駛阻力中的常有阻力的一種，其大小主要取決于滾動阻力系數(shù)，而滾動阻力的大小與輪胎和道路有較大的關系，因此對與道路有密切關系的滾動阻力系數(shù)的測定具有十分重要的意義。 二、設計（論文）內容、技術要求（研究方法） 1、主要設計內容 根據(jù)車輪的實際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，要求設計的系統(tǒng)采用測功機輸入動力，制動系消耗功率，并能準確測量輸入和輸出的轉矩參數(shù)，進而通過運算得到滾動阻力系數(shù)的準確值。具體設計內容包括：滾動阻力系數(shù)測試系統(tǒng)的總體方案，驅動電機和制動電機的選擇，加載機構和傳動機構的設計，運動關系的分析及試驗結果的運算和處理。 2、主要技術指標、要求 1）確定汽車驅動車輪的輸入功率； 2）確定汽車驅動車輪的輸出功率； 3）驅動車輪的加載情況； 4）測試結果及數(shù)據(jù)分析的準確性。 三、設計（論文）完成后應提交的成果 1、設計說明書一份，1.5萬字以上； 2、試驗臺圖紙一套。 3、設計的電子稿件一份。 四、設計（論文）進度安排 1、進行文獻檢索查，查看相關資料。 第1-2周（3月2～3月13） 2、初步確定設計的總體方案，對系統(tǒng)進行初步設計。 第3-6周（3月16～4月10） 3、提交設計草稿，進行討論，修定。 第7周（4月13～4月17） 4、對電機進行選取，對傳動系統(tǒng)進行設計，繪制圖紙。 第8-12周（4月20～5月22） 5、提交設計，教師審核。 第13-14周（5月25～6月5） 6、設計修改。 第15周（6月8～6月12） 7、裝訂設計，準備答辯。 第16周（6月15～6月19） 8、設計答辯。 第17周（6月22～6月26） 五、主要參考資料 [1]張利平.測功機原理.北京：化學工業(yè)出版社，2005 [2]黃緯綱，王旭永，王顯正等.摩擦系數(shù)產生的機理研究.上海交通大學學報，1998,(12) [3]付百學.汽車試驗學.北京；機械工業(yè)出版社，2008 [4]馮晉祥.機械設計.北京：人民交通出版社， [5]汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊.北京：人民交通出版社，2001 [6]黃聲顯.汽車試驗與檢測技術。北京：人民交通出版社，2005 [7]謝金元.輪胎摩擦理論的研究.，北京；機械工業(yè)出版社，2006（4） 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 于佳瑩 系部 汽車系 專業(yè)、 班 級 車輛工程BW05-9 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、研究現(xiàn)狀 汽車輪胎在滾動過程中，其滾動阻力約占汽車總阻力的20%，如果按照每減少10%的輪胎滾動阻力，降低2%-3%燃油的話，加強對輪胎滾動阻力水平的控制，對汽車燃油經濟性的貢獻將是顯著的，而且可以在較大范圍內得以實現(xiàn)。因此，如何有效地控制輪胎的滾動阻力是行業(yè)面臨的一個關鍵問題。本文將從多個角度探討和分析汽車輪胎滾動阻力以及測試技術。 轉鼓試驗臺也稱底盤測功機，是車輛整車室內試驗的大型關鍵設備之一，它主要用于車輛行駛阻力的模擬，以便用室內試驗代替部分道路試驗，因此被廣泛地用于汽車、農用運輸車的整車性能試驗、法規(guī)檢測、裝配下線調整、新產品開發(fā)研究等領域。 本文介紹我們在轉鼓試驗臺開發(fā)研究中所做的一些工作，主要是車輛在轉鼓試驗臺上行駛時力學特性的研究，以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。 2、目的、依據(jù)和意義 采用本方法可以對新胎的滾動阻力進行比較，測試時輪胎垂直于轉鼓外表面且以穩(wěn)定的狀態(tài)向前自由滾動。測量輪胎滾動阻力時，還必須測量在存在大得多的作用力下的各種小作用力。這就要求設備和儀表有很高的精度。 汽車行駛阻力直接影響汽車的動力性、經濟性和操縱穩(wěn)定性等幾大使用性能，而滾動阻力是汽車行駛阻力中的常有阻力的一種，其大小主要取決于滾動阻力系數(shù)，而滾動阻力的大小與輪胎和道路有較大的關系，因此對與道路有密切關系的滾動阻力系數(shù)的測定具有十分重要的意義。 根據(jù)車輪的實際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，要求設計的系統(tǒng)采用測功機輸入動力，制動系消耗功率，并能準確測量輸入和輸出的轉矩參數(shù)，進而通過運算得到滾動阻力系數(shù)的準確值。為研制開發(fā)滾動阻力系數(shù)試驗裝置提供理論參考。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內容 （1）滾動阻力系數(shù)測試系統(tǒng)的總體方案； （2）驅動電機和制動電機的選擇； （3）加載機構和傳動機構的設計； （4）運動關系的分析及試驗結果的運算和處理。 2、擬解決的主要問題 （1）確定合適的汽車驅動車輪的輸入功率； （2）確定合適的汽車驅動車輪的輸出功率； （3）驅動車輪的加載情況； （4）測試結果及數(shù)據(jù)分析的準確性。 三、技術路線（研究方法） 四、進度安排 1、進行文獻檢索查，查看相關資料。 第1-2周（3月2～3月13） 2、初步確定設計的總體方案，對系統(tǒng)進行初步設計。 第3-6周（3月16～4月10） 3、提交設計草稿，進行討論，修定。 第7周（4月13～4月17） 4、對電機進行選取，對傳動系統(tǒng)進行設計，繪制圖紙。 第8-12周（4月20～5月22） 5、提交設計，教師審核。 第13-14周（5月25～6月5） 6、設計修改。 第15周（6月8～6月12） 7、裝訂設計，準備答辯。 第16周（6月15～6月19） 8、設計答辯。 第17周（6月22～6月26） 五、參考文獻 [1]張利平.測功機原理.北京：化學工業(yè)出版社，2005年3月 [2]王昆，何小柏，汪信遠.機械設計基礎課程設計.高等教育出版社，1995年12月第一版； [3]成大先.機械設計手冊.化學工業(yè)出版社，1994年4月第三版 [4]馮晉祥.機械設計.北京：人民交通出版社，2006年7月 [5]黃聲顯.汽車試驗與檢測技術.北京：人民交通出版社，2005年10月 [6]謝金元.輪胎摩擦理論的研究.北京：機械工業(yè)出版社，2006年4月 [7]喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學.北京：機械工業(yè)出版社，2005年7月 [8]郭應時，袁偉.汽車試驗學.北京：人民交通出版社，2006年6月 [9]莊繼德.汽車輪胎學.北京：北京理工大學出版社，1995年6月 [11]馮健璋.汽車發(fā)動機原理與汽車理論.北京機械工業(yè)出版社，2005月1日 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 SY-025-BY-9 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 學生姓名 于佳瑩 性別 女 系部 汽車系 專業(yè) 車輛工程 班級 車輛工程BW05-9 設計（論文）題目 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 指導教師 評分（X） 評閱教師姓名 職稱 評閱教師 評分（Y） 答辯組組長 職稱 答辯組 評分（Z） 畢業(yè)設計（論文）成績 百分制 五級分制 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 注：1、指導教師、評閱教師、答辯組評分按百分制填寫，畢業(yè)設計（論文）成績百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、評語中應當包括學生畢業(yè)設計（論文）選題質量、能力水平、設計（論文）水平、設計（論文）撰寫質量、學生在畢業(yè)設計（論文）實施或寫作過程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內容的評價。 SY-025-BY-6 畢業(yè)設計指導教師評分表 學生姓名 于佳瑩 系部 汽車系 專業(yè)、班級 車輛工程BW05-9 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 20 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經濟分析能力） 10 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 8 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現(xiàn)；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　　 指導教師簽字： 年 月 日 SY-025-BY-10 優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）推薦表 題 目 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 類別 設計 學生姓名 于佳瑩 系、專業(yè)、班級 汽車系車輛工程BW05-9 指導教師 紀峻嶺 職 稱 副教授 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 SY-025-BY-8 畢業(yè)設計答辯評分表 學生 姓名 于佳瑩 專業(yè) 班級 車輛工程 指導 教師 紀峻嶺 職 稱 副教授 題目 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 出席 人數(shù) 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、與實際的結合程度 10 2 設計（實驗）能力、對實驗結果的分析能力、計算能力、綜合運用知識能力 10 3 應用文獻資料、計算機、外文的能力 10 4 設計說明書撰寫水平、圖紙質量，設計的規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等）、實用性、科學性和創(chuàng)新性 15 5 畢業(yè)設計答辯準備情況 5 6 畢業(yè)設計自述情況 20 7 畢業(yè)設計答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 答辯組長簽字： 年 月 日 SY-025-BY-7 畢業(yè)設計評閱人評分表 學生 姓名 于佳瑩 專業(yè) 班級 車輛工程BW05-9 指導教 師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 題目 　彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 25 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經濟分析能力） 15 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　　 　 　 　 　 　　 　 　 　　 　 　 評閱人簽字 ： 年 月 日 本科學生畢業(yè)設計 彈性輪胎轉鼓試驗臺設計 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 BW05-9班 學生姓名： 于佳瑩 指導教師： 紀峻嶺 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學 院 二○○九年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Elasticity Tyre Rotary Drum Design on The Testbed Candidate：Yu Jiaying Specialty：Vehicle Engingeering Class：BW05-9 Supervisor：Associate Prof. Ji Junling Heilongjiang Institute of Technology 2009-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 汽車的動力性能是汽車的主要性能之一,是指汽車在驅動力作用下,克服各種阻力前進的能力。許多汽車性能試驗均在底盤測功機上進行，而輪胎滾動阻力是影響準確測試精度的重要原因。輪胎測功機是檢測汽車動力性能的重要設備。本設計根據(jù)車輪的實際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，探討了轉鼓試驗臺的結構特點，建立了車輛行駛阻力在道路上和轉鼓試驗臺上等值轉換的試驗方法，闡述了底盤測功機的總體設計，系統(tǒng)采用測功機輸入動力，制動系消耗功率，并能準確測量輸入和輸出的轉矩參數(shù)，進而通過運算得到滾動阻力系數(shù)的準確值。為研制開發(fā)滾動阻力系數(shù)試驗裝置提供理論參考。 關鍵詞：轉鼓試驗臺；測功機；輪胎；滾動阻力；功率  ABSTRACT Automobile’s power function is one of important function of automobile. It’s main automobile on the drive force role, overcome different kind’s of resistance to go forward’s capacity. Most of automobile function tab all carryout on the tyre measure power machine, however, tyre roll resistance is important reason of affect accuracy test precision. Chassis measure power machine is important equipment of automobile power function coefficient test system , go deeper into turn tyre tester’s structure feature, set up vehicle drive resistance’s equivalence chance test way on the road and the turn tyre tester, introduce 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, and put through operation obtain the accurate numerical value of roll resistance coefficient. It’s supply theory parameter with develop roll resistance coefficient test installation. Keywords：Turn Roller Tester；Measure Power Machin；Tyre；Roll Resistance；Power I 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1課題的目的和意義 1 1.2輪胎轉鼓試驗臺的功用 1 1.3輪胎轉鼓試驗臺的發(fā)展情況 2 1.4研究內容 2 第2章 總體方案的確定 4 2.1轉鼓試驗臺的確定 4 2.1.2輪胎滾動阻力力學特性 4 2.1.2滾動阻力系數(shù)的測定方法 5 2.1.3輪胎轉鼓試驗臺的類型選擇 6 2.1.4滾動阻力系數(shù)的測量與計算 7 2.2 試驗設備及技術條件 8 2.2.1轉鼓技術條件 8 2.2.2試驗步驟 9 2.3滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響分析 10 2.4本章小結 11 第3章 電機的選擇 12 3.1電力測功機的功用 12 3.1.1電力測功機的應用情況 12 3.1.2電力測功機的結構原理 12 3.2選擇電動機 13 3.2.1驅動電機的選擇 13 3.2.2制動電機的選擇 15 3.3傳感器的選擇 16 3.4本章小結 17 第4章 加載機構設計 18 4.1結構及工作原理 18 4.2步進電機的選用 18 4.3液壓傳動概論 20 4.4液壓缸的類型及其特點和應用 21 4.5液壓缸的設計計算 22 4.5.1液壓缸主要尺寸的確定 22 4.5.2單桿活塞缸原理及計算 24 4.5.3液壓缸的材料及技術條件 27 4.6蝸輪蝸桿的設計計算 30 4.6.1蝸桿傳動的特性 30 4.6.2選擇蝸輪蝸桿材料 31 4.6.3確定蝸桿頭數(shù)Z1及蝸輪齒數(shù)Z2 31 4.6.4確定模數(shù)m、蝸桿分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q 32 4.6.5通圓柱蝸桿傳動的主要幾何尺寸計算 32 4.7滾動軸承的選擇及校核計算 34 4.8本章小結 34 第5章 傳動機構設計 35 5.1軸的設計計算 35 5.1.1選擇軸的材料 35 5.1.2軸的結構設計 35 5.1.3軸的校核計算 35 5.2滾動軸承的選擇及校核計算 38 5.3鍵聯(lián)接的選擇及校核計算 39 5.4聯(lián)軸器的選擇 39 5.5本章小結 40 第6章 運動關系的分析與運算 41 6.1輪胎在轉鼓試驗臺上運轉時的力學分析 41 6.2試驗結果與數(shù)據(jù)分析 42 6.3本章小結 44 結論 45 參考文獻 46 致謝 47 第1章 緒 論 1.1課題的目的和意義 汽車輪胎在滾動過程中，其滾動阻力約占汽車總阻力的20%，如果按照每減少10%的輪胎滾動阻力，降低2%-3%燃油的話，加強對輪胎滾動阻力水平的控制，對汽車燃油經濟性的貢獻將是顯著的，而且可以在較大范圍內得以實現(xiàn)。因此，如何有效地控制輪胎的滾動阻力是行業(yè)面臨的一個關鍵問題。本文將從多個角度探討和分析汽車輪胎滾動阻力以及測試技術。 在輪胎滾動過程中，循環(huán)變化的應力應變導致能量損耗，形成輪胎滾動阻力，也稱為輪胎滯后能量損耗。研究表明，克服輪胎滾動阻力消耗燃油占普通汽車總油耗的10%以上，減小輪胎滾動阻力可以降低汽車能耗，使汽車行駛的距離更遠，效率更高。隨著人們對環(huán)境保護的需要，輪胎滾動阻力的控制逐漸進入人們的研究范圍。 1.2輪胎轉鼓試驗臺的功用 轉鼓試驗臺也稱底盤測功機，是車輛整車室內試驗的大型關鍵設備之一，它主要用于車輛行駛阻力的模擬，以便用室內試驗代替部分道路試驗，因此被廣泛地用于汽車、農用運輸車的整車性能試驗、法規(guī)檢測、裝配下線調整、新產品開發(fā)研究等領域。 本設計研究了我們在轉鼓試驗臺開發(fā)研究中所做的一些工作，主要是車輛在轉鼓試驗臺上行駛時力學特性的研究，以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。 底盤測功機是一種不解體檢驗汽車性能的檢測設備，它是通過在室內臺架上汽車模擬道路行駛工況的方法來檢測汽車的動力性，而且還可以測量多工況排放指標及油耗。同時能方便地進行汽車的加載調試和診斷汽車在負載條件下出現(xiàn)的故障等。由于汽車底盤測功機在試驗時能通過控制試驗條件，使周圍環(huán)境影響減至最小，同時通過功率吸收加載裝置來模擬道路行駛阻力，控制行駛狀況，故能進行符合實際的復雜循環(huán)試驗，因而得到廣泛應用。底盤測功機分為兩類，單滾筒底盤測功機，其滾筒直徑大(1500-2500mm），制造和安裝費用大，但其測試精度高，一般用于制造廠和科研單位；雙滾筒式底盤測功機的滾筒直徑小(180-500mm），設備成本低，使用方便，但測試精度較差，一般用于汽車使用、維修行業(yè)及汽車檢測線、站。近年來因電子計算機技術的高度發(fā)展，為數(shù)據(jù)的采集、處理及試驗數(shù)據(jù)分析提供了有效的手段，同時為模擬道路狀態(tài)準備了條件，加速了底盤測功機的發(fā)展，加之各類專用軟件的開發(fā)和應用，使汽車底盤測功機得到了廣泛的推廣。 1.3輪胎轉鼓試驗臺的發(fā)展情況 80年代中期起，隨著我國加速發(fā)展子午線輪胎的需要，少數(shù)輪胎生產企業(yè)從美國、日本和德國引進了帶有滾動阻力試驗工位的轉鼓式輪胎試驗機，結合開發(fā)新型子午線輪胎和剖析外國輪胎樣品進行了一些輪胎滾動阻力試驗。 20世紀70年代起，在美國、日本和歐洲等經濟發(fā)達國家，為了解決能源短缺和環(huán)境質量惡化問題，對汽車輪胎滾動阻力進行了大量的實驗和研究工作。與此同時，輪胎滾動阻力的測試技術也取得了長足的進步。 目前我國建立了以室內試驗為主，室外試驗為輔的方向。在室內穩(wěn)態(tài)條件即恒定的負荷和速度下，輪胎行駛達到熱平衡時測量汽車輪胎滾動阻力的方法，已實現(xiàn)了標準化。 室內試驗設備方面，經過幾十年的努力，先后出現(xiàn)了多種類型的輪胎滾動阻力測試機。我們按照模擬路面的形式來分，有鋼帶式和轉鼓式兩大類。鋼帶式試驗機模擬了平的連續(xù)路面，是目前價格昂貴的輪胎試驗設備。目前應用最廣的是轉鼓式試驗機，尤其是直徑為1.7米的轉鼓式。這些設備按測量輪胎滾動阻力的方法來分，又有測力法、扭矩法、功率法和減速度法4種。現(xiàn)有的設備以采用測力法和扭矩法者居多。在近二十年內，試驗設備的精度大大提高，測量誤差成倍減少，已形成了一套確保試驗數(shù)據(jù)可重復性所必需的設備精度要求。 1.4研究內容 本設計采用的是單滾筒底盤測功機，采用這個方法可以對新胎的滾動阻力進行比較，測試時輪胎垂直于轉鼓外表面且以穩(wěn)定的狀態(tài)向前自由滾動。測量輪胎滾動阻力時，還必須測量在存在大得多的作用力下的各種小作用力。這就要求設備和儀表有很高的精度。 汽車行駛阻力直接影響汽車的動力性、經濟性和操縱穩(wěn)定性等幾大使用性能，而滾動阻力是汽車行駛阻力中的常有阻力的一種，其大小主要取決于滾動阻力系數(shù)，而滾動阻力的大小與輪胎和道路有較大的關系，因此對與道路有密切關系的滾動阻力系數(shù)的測定具有十分重要的意義。 根據(jù)車輪的實際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，要求設計的系統(tǒng)采用測功機輸入動力，制動系消耗功率，并能準確測量輸入和輸出的轉矩參數(shù)，進而通過運算得到滾動阻力系數(shù)的準確值。為研制開發(fā)滾動阻力系數(shù)試驗裝置提供理論參考。 設計的主要具體內容包括： （1）滾動阻力系數(shù)測試系統(tǒng)的總體方案確定； （2）對驅動電機和制動電機的選擇； （3）加載機構和傳動機構的設計； （4）運動關系的分析及試驗結果的運算和處理。 第2章 總體方案的確定 2.1轉鼓試驗臺的確定 2.1.2輪胎滾動阻力力學特性 滾動車輪產生的所有阻力被定義為車輪滾動阻力，主要包括輪胎滾動阻力分量、道路阻力分量和輪胎側偏阻力分量。其中，輪胎側偏阻力分量是由輪胎的側向載荷使輪胎側偏而產生的附加輪胎縱向阻力。由不平路面、塑性路面和濕路面等道路情況引起的附加阻力稱為道路阻力分量。此外，除了由軸承摩擦和輪胎與地面相對滑動造成的摩擦阻力外，胎內氣流流動以及轉動的輪胎對外部空氣造成的風扇效應都會引起輪胎的滾動阻力，但均為次要影響因素，因此通常它們包含于車輪阻力中，并不單獨列出。 當充氣輪胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直線滾動時，其外緣中心對稱面與輪胎滾動方向一致，所受到的與滾動方向相反的阻力即為本設計中所說的輪胎滾動阻力。 根據(jù)作用機理的不同，輪胎滾動阻力還可以進一步分解為彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風扇效應阻力，分別介紹如下。 1．彈性遲滯阻力 胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用是造成輪胎滾動阻力的主要原因。實際中充氣輪胎在靜態(tài)壓縮作用下會產生變形并且回彈，并由于其內部的摩擦作用而引起能量損失。當車輪在力或力矩作用下滾動時，對輪胎胎面上的每一單元而言，其壓縮與回彈的過程將重復不斷地進行。對這樣一個過程，可用圖2.1所示的輪胎等效系統(tǒng)模型來加以解釋。在輪胎等效系統(tǒng)模型中，假定車輪的外圓周與輪輞之間由一些徑向布置的線性彈簧和阻尼單元支撐；此外，車輪胎面也假定由一系列切向排列的彈簧和阻尼單元就能充分作用，因而就生成附加的摩擦效應，將它稱之為彈性遲滯阻力。輪胎胎面的彈簧和阻尼特性對路面附著力也有影響，選用低阻尼的胎面材料會導致附著摩擦力降低。 當輪胎等效系統(tǒng)滾動時，對應的“彈簧-阻尼單元”便開始做功，并將其轉化為熱，所產生的彈性遲滯阻力等于消耗的阻尼與行駛距離之比。 2．摩擦阻力 在圖2.1所示的輪胎等效系統(tǒng)模型中，由一系列彈簧-阻尼組成的單元連續(xù)滾動進入輪胎接觸印跡區(qū)，由此相應的輪胎外圓圓弧就被壓成對應的弦長，即“輪胎接地長度” 。在輪胎接觸印跡內，路面與滾動單元帶之間在哪縱向及橫向將產生相對運動，即所謂的“部分滑動”。由于部分滑動引起輪胎磨損，其能量被轉換成熱，由此產生了車輛動力傳動系統(tǒng)不得不克服的附加阻力。 圖2.1 輪胎等效系統(tǒng)模型 3.風扇效應阻力 像風扇一樣，輪胎的旋轉運動會導致氣流損失，但可將其看做是對整個車輛氣流影響的一部分。因此，通常將風扇效應阻力加到總的車輛空氣阻力中。 4.滾動阻力系數(shù) 綜上所述，車輪在干、硬的平路面行駛，其滾動阻力包括彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風扇阻力三部分，即： （2.1） 試驗表明，在128-152km/h速度范圍內，90%-95%輪胎的破壞是由內部遲滯作用引起的，而2%-10%則歸咎于輪胎與地面的摩擦，僅有1.5%-3.5%歸咎于空氣阻力。因此，輪胎在硬路面上的滾動阻力主要由胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用造成。實際上，式（2-1）表達的各個分量（如彈性分量與摩擦分量）均無法單獨分開測量，因此有用的還是綜合表達式。 2.1.2滾動阻力系數(shù)的測定方法 一般可采用兩種不同的方法測量輪胎的總滾動阻力，即整車道路測試和室內臺架測試。整車道路測試的優(yōu)點是：道路狀況和基本條件是真實的，但由于輪胎重復試驗所必要的外部環(huán)境，如天氣、道路及交通條件等外在因素的干擾和不定性，測試中很難保證指定的試驗參數(shù)。而以上問題在室內固定輪胎試驗臺測試中可以避免。在室內試驗條件下，裝有試驗輪胎的車輪被放在可以動的滾動表面上，試驗數(shù)據(jù)可由車輪連接桿系上的力傳感器獲得。 2.1.3輪胎轉鼓試驗臺的類型選擇 根據(jù)滾動面情況的不同，輪胎試驗臺基本上可分為三種類型（見表2.1的說明）： （1）外支撐試驗臺； （2）內支撐試驗臺； （3）平板試驗臺。 表2.1 輪胎試驗臺的類型及特點 試驗類型 簡圖 優(yōu)點 缺點 外支撐試驗臺 空間足夠大， 輪胎易于安裝 很難實現(xiàn)濕 路面測量 內支撐試驗臺 胎面可換，能實 現(xiàn)濕路面測量 空間有限，輪 胎不易安裝 平板試驗臺 底座平坦，與實 際情況更吻合 導向困難，振 動引起腐蝕 最常用的是外支撐試驗臺，外支撐試驗臺的優(yōu)點是成本相對較低，承載能力高，且結構緊湊，車輪周圍留有較大的空間，不但可容納各種不同的車輪導向元件，以保證車輪定位，而且還可方便車輪的安裝。但由于離心力的作用，很難在外轉鼓上設置不同的道路條。 對內支撐試驗臺而言，離心力的作用可使車輪胎面很容易地固定于試驗臺面。因此，內支撐試驗臺特別適合于進行不同類型路面的試驗，比如確定輪胎濕胎面的滾動特性。然而，車輪上的有限空間不利于車輪的安裝和控制。由于弧形支撐面的影響，所有的支撐試驗臺基本上都存在測量誤差。與平板試驗臺相比，在車輪載荷相同的情況下，內支撐試驗臺使輪胎接觸印跡和變形量增大，從而摩擦阻力和彈性遲滯阻力也相應增加。如果滾動卷筒半徑與車輪半徑相比較大，其測量誤差就可控制在較小范圍內。必要時可引入校正因子，以保證其測量結果與平面測量結果相吻合。 平板試驗臺在最大程度上保證了輪胎的滾動表面，為車輪控制和車輪運動提供了寬闊的空間，同時也方便了輪胎的安裝。通過變換不同滾板，可在一定條件下實現(xiàn)道路條件的改變，同樣也適用于濕道路條件，但由于支撐面振動可能會產生測量誤差。為解決滾板的導向問題，需要的技術成本較高，另外，滾板的磨損也增加了運行成本。 本設計選用的就是外支撐試驗臺。 2.1.4滾動阻力系數(shù)的測量與計算 在輪胎試驗臺上測量輪胎的滾動阻力系數(shù)的方法，是用轉鼓輪胎試驗臺，如圖2.2所示。 圖2.2 轉鼓輪胎試驗臺 工作原理是由電力測功機驅動的試驗輪胎放在轉鼓上，輪胎上加載垂直載荷，轉鼓軸連接著作為制動裝置的測功器。實驗中測出驅動輪胎的轉矩和作用于轉鼓的制動力矩，則滾動阻力系數(shù)為 （2.2） 式中：—驅動輪胎的轉矩 —轉鼓的制動力矩 —轉鼓的半徑 —輪胎的動力半徑 —作用于輪胎上的垂直載荷 2.2 試驗設備及技術條件 2.2.1轉鼓技術條件 1.轉鼓直徑 由于鋼帶式試驗機價格昂貴，目前在室內進行輪胎滾動阻力試驗的設備仍以轉鼓式試驗機為主。但是現(xiàn)用設備的轉鼓直徑不盡相同，有1.2m、1.6m、1.7m、2m、2.1m、3m等。ISO18164在考慮到各國設備情況和鼓面曲率對試驗結果的影響后，一方面作出了轉鼓直徑應在1.5～3m之間的規(guī)定；另一方面指出，在不同直徑的轉鼓上測得的輪胎滾動阻力值也不同，并給與了校正公式。但是該公式系一近似計算公式，輪胎與轉鼓接觸面上的力分布的改變并非一簡單的幾何形狀的改變，還與輪胎各部件剛度等諸多因素有關。這里選擇直徑為1.6m的轉鼓。 2.轉鼓表面 轉鼓表面應為光滑的鋼制表面或有紋理的表面，轉鼓表面應保持清潔。 汽車在干燥滾筒上的驅動過程是一個摩擦過程，總摩擦力由若干分力組成，如： （2.3） 式中：——接觸面間的附著力； ——輪胎在滾筒上滾動變形時，由于壓縮與伸張作用之間能量的差別而消耗的能量，進而轉化為阻止車輪滾動的作用力； 該兩項分力取決于輪胎材料、結構和溫度。 附著系數(shù)隨速度增加而下降的原因較為復雜，一方面是由于滾筒圓周速度提高，接觸面的溫升加快，很快在滾筒表面形成了一層橡膠膜，降低了附著系數(shù)。 (3)轉鼓寬度 轉鼓測試面寬度應大于輪胎胎面的寬度，輪胎直徑為0.76m，寬為0.24m，所以轉鼓寬度選為0.6m。 3．溫度環(huán)境 (1)標準條件 標準室溫是指在距輪胎側1m處的輪胎旋轉軸上測得的溫度，應為25°C。 (2) 轉鼓表面溫度 注意確保測量開始時轉鼓表面的溫度與室溫大致相同。 4．試驗條件 本項試驗的內容為在一定的輪胎充氣壓力下測量輪胎的滾動阻力，在試驗過程中，允許輪胎氣壓有所增大（封閉式氣壓）。 5．試驗速度 （1）載荷指數(shù)不小于122的試驗速度 速度級在K到M之間的輪胎轉鼓速度為80km/h，速度級在F到J之間的輪胎轉鼓速度為60 km/h。 （2）載荷指數(shù)小于122的試驗速度 轉鼓速度為80km/h，如有需要，可采用120km/h的轉鼓速度。 2.2.2試驗步驟 （1）磨合 為了保證測量結果的重復性，早開始試驗之前，應使輪胎有一個初始的磨合過程，然后再使之冷卻。 （2）溫度調節(jié) 充氣輪胎在試驗場所的溫度環(huán)境中放置一定時間，以便達到熱平衡，通常在6h后溫度達到平衡。 （3）壓力調整 溫度調節(jié)結束后，將充氣壓力調整到試驗壓力，10min后再檢查一遍。 （4）初步確定試驗方案 測量并記錄的內容包括： 1）試驗轉鼓速度 v（km/h）； 2）垂直于轉鼓表面的輪胎載荷W； 3）充氣壓力； 4）驅動輪胎的轉矩，作用于轉鼓的制動力矩； 5）試驗轉鼓半徑R（m）； 6）選擇的試驗方法。 2.3滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響分析 車輪滾動時，輪胎與路面的接觸區(qū)域產生法向、切向的相互作用力以及相應的輪胎和支承路面的相對剛度決定了變形的特點。當彈性輪胎在硬質的鋼制光滾筒上滾動時，輪胎的變形是主要的，此時由于輪胎內部摩擦產生彈性遲滯損失，使輪胎變形時對它做的功不能全部收回，此能量消耗在輪胎各組成分相互間的摩擦以及橡膠、簾線等物質的分子間的摩擦，最后轉化為熱能而消失在大氣中。這種損失即為彈性物質的遲滯損失。 因為滾動阻力系數(shù)與模擬路面的滾筒種類、行駛車速以及輪胎的構造、材料、氣壓等有關，所以，對其影響因素分析是非常必要的，具體分析如下： 1.鋼制光滾筒對滾動阻力系數(shù)的影響 (1)若滾筒的半徑r越大，在車輪滾動時輪胎的變形量就越小，也就是說彈性遲滯損失就越小，故滾動阻力系數(shù)隨滾筒半徑的增大而減小。 (2)在加工過程中滾筒的橢圓度、同軸度越小，輪胎在滾筒上的運轉就越平穩(wěn)，當車速一定時滾動阻力系數(shù)的波動范圍就越小，所以說，滾動阻力系數(shù)隨滾筒加工精度的提高而減小。 (3)目前我國在用的底盤測功機滾筒表面有兩種，一種是常見的光滾筒即表面未經處理的滾筒，另一種是滾筒表面噴涂有耐磨硬質合金，前者由于滾筒表面較光滑，其附著系數(shù)約為0.5，試驗用的東風車在50km/h工況下檢測最大底盤輸出功率時，其滑移率約為8%，也就是說，汽車車輪在行走時，除滾動阻力外還有滑拖，致使被檢測車輪發(fā)熱，增大了滾動阻力損失，同時由于速度的誤差，引起了所測功率的誤差。后者采用表面噴涂技術，將滾筒表面的附著系數(shù)提高到0.8左右，接近于一般水泥路面的附著系數(shù)，則可避免滑拖現(xiàn)象。 (4)滾筒中心距L是指底盤測功機前后兩排滾筒支承軸線之間的距離，隨著滾筒中心距的增加，汽車車輪的安置角隨之增大，前后滾筒對車輪支承力也隨之增大，這樣將導致車輛在測功機臺架上的運行滾動阻力增加。 綜上所述滾筒直徑、安置角、滾筒表面質量、滾筒中心距對滾動阻力有很大的影響，由于部分底盤測功機僅顯示功率吸收裝置的吸收功率，所以同一輛車在不同臺架上測得的數(shù)值不同。因此如果以底盤測功機作為法定計量設備，其滾簡直徑、中心距、表面處理以及加載方式必須標準化。 2.輪胎氣壓對滾動阻系數(shù)的影響 輪胎氣壓對滾動阻力系數(shù)影響很大，氣壓低時在硬路面上輪胎變形大，滾動時遲滯損失增加，為了減少該項所引起的檢測誤差，要求在動力性檢測前必須將輪胎氣壓充至標準氣壓。 2.4本章小結 本章主要確定了轉鼓試驗臺的總體設計方案的目的和測量方法，詳述了輪胎滾動阻力的力學特性,并對滾筒裝置和輪胎的尺寸參數(shù)進行了選擇，探討了試驗設備以及技術條件。同時也分析了滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響。 第3章 電機的選擇 3.1電力測功機的功用 3.1.1電力測功機的應用情況 電力測功機是測功機家族中比較有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€分支。電力測功機就是利用直流電機或者交流電機作為轉換元件，將電能轉換成電機轉子的機械能，以轉矩形式為軸承電機加載；并通過對輸出功率的測試，是一種全功能（有電動工況又有發(fā)電工況）、高性能的重要檢測設備。在這些功能中，很大一部分是針對電機的。它是被測電機的加載設備，是電機制造和產品研發(fā)過程中重要的性能測試和檢測設備之一。它通過軸連接器與被測電機同軸對接，用于模擬和控制被測電機的負載，以測量電機的轉矩、轉速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以及其他特殊的動力試驗測試項目，如安全性試驗、動平衡試驗等。 國內通常把直流測功機和交流測功機統(tǒng)稱為電力測功機。電力測功機目前大都采用直流測功機，這是因為直流電機的調速性能好，控制簡單。但直流電機由于換向器的影響，不能適用于高速運行，因此在轉速很高的情況下，往往采用機械減速裝置。 3.1.2電力測功機的結構原理 電力測功機利用電機測量各種動力機械軸上輸出的轉矩，并結合轉速以確定功率的設備。因為被測量的動力機械可能有不同轉速，所以用作電力測功機的電機必須是可以平滑調速的電機。目前用得較多的是直流測功機、交流測功機和渦流測功機。 直流測功機由直流電機、測力計和測速發(fā)電機組合而成。直流電機的定子由獨立的軸承座支承，它可以在某一角度范圍內自由擺動。機殼上帶有測力臂，它與測力計配合，可以檢測定子所受到的轉矩。根據(jù)直流電機原理，電機的電磁轉矩同時施加于定子和轉子。定子所受到的轉矩與轉子所受到的轉矩大小相等，方向相反，所以轉軸上的轉矩可以由定子上量測。運行中軸承、電刷和風致摩擦等引起的機械轉矩，會使定子和轉子所受的轉矩不完全相等，這給測量所帶來的誤差需要加以考慮。 直流測功機可作為直流發(fā)電機運行，作為被測動力機械的負載，以測量被測機械的軸上輸出轉矩；也可以作直流發(fā)電機運行，拖動其他機械，以測量其軸上輸入轉矩。轉矩與測速發(fā)電機測得的轉速之積即軸功率。這就是測功機一名的由來。本文采用的就是直流測功機。 3.2選擇電動機 選擇電動機的內容包括:電動機類型、結構型式、容量和轉速，要確定電動機具體型號。 3.2.1驅動電機的選擇 1．選擇電動機類型和結構型式 電動機類型和結構型式要根據(jù)電源（交流和直流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸等）和載荷特點（性質、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。 沒有特殊要求時均應選用交流電動機，其中以三相鼠籠式異步電動機用得最多?！稒C械設計課程設計手冊》表12-1所列Y系列電動機為我國推廣采用的新設計產品，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的場合，以及要求具有較好啟動性能的機械。在經常啟動、制動和反轉的場合(如起重機),要求電動機具有轉動慣量小和過載能力大，則應選用起重及冶金用三相異步電動機YZ型（籠型）或YZR型（繞線型）。 電動機結構有開啟式、防護式、封閉式和防爆式等，可根據(jù)防護要求選擇。同一類型的電動機又具有幾種安裝型式，應根據(jù)安裝條件確定。 因為本傳動的工作狀況是：載荷平穩(wěn)、單向旋轉，所以選用常用的封閉式Y（IP44）系列的電動機。發(fā)動機轉矩，轉速=3500r/min。 2．選擇電動機容量 標準電動機的容量由額定功率表示，所選電動機的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率，容量小于工作要求，則不能保證工作機正常工作，或使電動機長期過載，發(fā)熱大而過早損壞，容量過大，則增加成本，并且由于功率和功率因數(shù)而造成浪費。 電動機的容量主要由運動時發(fā)熱條件限定，再不變或變化很小的載荷下長期連續(xù)運動的機械，只要其電動機的載荷不超過額定值，電動機便不會過熱，通常不必校驗發(fā)熱和啟動力矩。 （1）工作機所需功率 式中：—工作機所需輸入功率，kw； —工作機的阻力鉅，N?m； —工作機的效率； —工作機的轉速。 （2）電動機的輸出功率 （3.1） 式（3.1）中，總效率按下式計算： 其中、、、、分別為傳動裝置中每一傳動副（齒輪、蝸桿、帶或鏈）、每對軸承、每個聯(lián)軸器的效率，其概略值見《機械設計課程設計手冊》表1-7。選用此表數(shù)值時，一般取中間值，如工作條件差，潤滑維護不良時應取低值，反之取高值。 式中：Pd—工作機實際需要的電動機輸出功率，kw； η總—電動機至工作機之間傳動裝置的總效率。 3．確定電動機轉速 同一類型的電動機，相同的額定功率有多種轉速可供選用。如選用低轉速電動機，因極數(shù)較多而外廓尺寸及重量較大，故價格較高，但可使傳動裝置總傳動比及尺寸減小。選用高轉速電動機則相反。因此應全面分析比較其利弊來選定電動機轉速。 按照工作機轉速要求和傳動機構的合理傳動比范圍，可以推算電動機轉速的可選范圍，如 r/min 式中：nd—電動機可選轉速范圍，r/min； —各級傳動機構的合理傳動比范圍（見《機械設計課程設計手冊》表1-8或表13-2） 對Y系列電動機，通常多選用同步轉速為1500r/min或1000r/min的電動機，如無特殊需要，不選用低于750r/min的電動機。 這里初選同步轉速為1500r/min的電動機。 4．電動機型號的確定 由表12－1查出電動機型號為Y250M-4 ,其額定功率為 55 kW，滿載轉速為 1480r/min，基本符合題目所需的要求。 根據(jù)選定的電動機類型、結構、容量和轉速，由《機械設計課程設計手冊》表12-1和表12-11查出電動機型號，并記錄其型號、額定功率、滿載轉速，見表3.1，以及電動機的外形尺寸、中心高、軸伸尺寸、鏈連接尺寸、地腳尺寸等參數(shù)備用，如圖3.1為Y250M-4型號的電動機安裝及外形尺寸。 表3.1 電動機的技術數(shù)據(jù) 電動機型號 額定功率 kW 滿載轉速 r/min 堵轉轉矩 額定轉矩 最大轉矩 額定轉矩 質量kg Y250M-4 55 1480 2.0 2.2 427 圖3.1 Y250M-4電動機安裝及外形尺寸 下表3.1為Y250M-4電動機的外形尺寸參數(shù)。 表3.1 Y250M-4電動機的外形尺寸參數(shù) 型號 A B C D E F G H K AB AC AD HD BB L Y250M-4 406 349 169 65 140 18 58 250 24 490 495 385 575 455 930 3.2.2制動電機的選擇 因為輸出和輸入功率相差不大，所以制動電機應選用跟驅動電機型號相同的電機，因此制動電機的型號為Y250M-4。 3.3傳感器的選擇 根據(jù)試驗的條件這里選擇CYB-803S轉矩轉速傳感器。CYB-803S用于測量旋轉轉矩值，由于輸出為方波頻率信號或4-20mA電流信號，抗干擾能力強，使用方便。轉矩轉速傳感器由于是變壓器感應供電，可以長期工作，廣泛應用于電機、發(fā)電機、減速機、柴油機的轉矩、轉速和功率的檢測。CYB-803S轉矩轉速傳感器的選型對照表和外形尺寸如表3.1和圖3.1所示。 表3.1 CYB-803S轉矩轉速傳感器的選型對照表 Nm D d L E H h B G F 鍵（長×寬×深） 鍵 重量 5-100 92 18 188 30 128 57 65 88 79 20×6×6 單鍵 6kg 200-500 96 33 229 47 133 60 65 8 79 30×10×8 單鍵 7.5kg 700-3000 124 45 306 70 168 85 65 8 100 36×14×9 單鍵 16kg 2000-3000 124 45 300 70 168 85 65 8 100 36×14×9 單鍵 16kg 4000-6000 160 70 354 90 212 100 100 11 120 70×20×12 單鍵 26kg 7000-10000 160 70 395 98 212 100 100 11 120 70×20×12 單鍵 27kg 這里選擇范圍為5-100Nm的尺寸。 圖3.1 CYB-803S轉矩轉速傳感器的外形尺寸 1—測試傳動軸；2—扭矩儀殼體；3—電器盒；4—底座；5—調整螺孔 3.4本章小結 本章介紹了電力測功機的組成、原理及應用，然后通過運算對電動機的類型、容量、轉速進行了確定，從而確定了電動機的型號，并選擇了一個合適的傳感器用來測驅動輪胎的轉矩和作用于轉鼓的制動力矩。 第4章 加載機構設計 4.1結構及工作原理 傳統(tǒng)軸承試驗機所使用的加載裝置均為手動加載，只能提供一種恒定的油壓，使試驗軸承只能獲得恒定的壓力。雖然可以由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)壓力的變化，但液壓系統(tǒng)體積大、造價高、耗能大?；谝陨显?，設計了以下加載裝置。 加載裝置結構如圖4.1，主要由步進電機、壓力變送器、液壓系統(tǒng)及蝸輪、蝸桿組成。 加載裝置工作時，缸體下部預先充入液壓油，步進電機進給，通過蝸桿蝸輪帶動軸5轉動，軸5通過花鍵帶動軸3轉動。由于軸3和蓋4之間是螺紋連接，軸3在轉動的過程中下移，從而推動活塞下移，使液壓油進入試驗機加載油缸。 壓力變送器能測得系統(tǒng)油壓，并把它變?yōu)殡娦盘柗答伣o控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)試驗機所需油壓控制步進電機進或退，以達到試驗機所需油壓。 4.2步進電機的選用 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 圖4.1 加載裝置 1—缸體；2—活塞；3—軸；4—蓋；5—軸；6—蝸輪蝸桿；7—步進電機；8—壓力變送器 總的來說，選擇步進電機應該按照以下步驟進行，如圖4.2所示。 圖4.2 選擇步進電機步驟 選擇步進電機需要進行以下計算： 加載力 軸和蓋間為M16螺紋，其中徑， 螺距L=2mm，牙形斜角=30°， 中徑處螺旋升角， 若取摩擦系數(shù)，當量摩擦系數(shù)為， 則當量摩擦角為， 根據(jù)系統(tǒng)所需最高油壓，算得活塞的最大推力為， 則蝸輪軸所需最大扭矩為， 蝸輪蝸桿傳動比設為， 取蝸輪蝸桿傳動效率， 取軸承效率， 則蝸桿軸所需最大扭矩為， VRDM368型步進電機額定扭矩為1.5，能滿足要求。 4.3液壓傳動概論 液壓傳動是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運動和動力的一種傳動方式。液壓傳動與機械傳動相比具有許多優(yōu)點，所以在機械設備中，液壓傳動是被廣泛采用的傳動方式之一。 液壓傳動與機械、電力等傳動相比，有以下有點： （1）能方便地進行無級調速，調速范圍大。 （2）體積小、質量輕、功率大，即功率重量比大。一方面，在相同輸出功率前提 下，其體積小、重量輕、慣性小、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(tǒng)具有重要意義。 另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力。 （3）控制和調節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。 （4）因傳動介質為油液，故液壓元件有自我潤滑作用，使壽命長。 （5）可實現(xiàn)無間隙傳動，運轉平穩(wěn)。 （6）液壓元件實現(xiàn)了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和推廣使用。 （7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達直接帶動負載，從而省去了中間的減速裝置，使傳動簡化。 液壓傳動的主要缺點是： （1）漏。由于作為傳動介質的液體是在一定的壓力下、有時是在較高的壓力下工作的，因此在有相對運動的表面間不可避免地要產生漏油。同時，由于油液并不是絕對不可以壓縮的，油管等也會產生彈性變形，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求較嚴格的場合。 （2）振。液壓傳動中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產生很大的振動和噪聲。 （3）熱。在能量轉換和傳遞過程中，由于存在機械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動不宜用于遠距離傳動。 （4）液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫或低溫下工作。液壓傳動裝置對油液的污染亦較敏感，故要求有良好的過濾設施。 （5）液壓元件加工精度要求高，一般情況下又要求有獨立的能源，這些可能使產品成本提高。 （6）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不易追查原因，不易迅速排出。 綜上所述，液壓傳動由于其優(yōu)點比較突出，故在工農業(yè)各個部門獲得廣泛應用。它的某些缺點隨著生產技術的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。 為了迅速趕超世界先進水平，我國已瞄準世界發(fā)展主流的液壓元件系列型譜，有計劃地引進、消化、吸收國外最先進的液壓技術和產品，并對我國現(xiàn)正生產的液壓產品進行整頓，合理調整產品結構，大力開展產品國產化工作?？梢灶A見，我國的液壓技術在21世紀必將獲得更快的發(fā)展。 4.4液壓缸的類型及其特點和應用 液壓缸是把液體的壓力能轉換成直線式機械能的能量轉換裝置（執(zhí)行元件）。液壓缸輸出的是力和位移。液壓缸結構簡單、工作可靠，廣泛地應用于工業(yè)生產各個部門。 液壓缸按其作用方式，分為單作用式和雙作用式兩大類。單作用式液壓缸只利用 液壓力推動活塞向著一個方向運動，而反向運動則依靠重力或彈簧力等實現(xiàn)。雙作用式液壓缸，其正、反兩個方向的運動都依靠液壓力來實現(xiàn)。本設計選用的是雙作用式液壓缸。 液壓缸按不同的使用壓力，又可分為中低壓，中高壓和高壓液壓缸。對于機床類機械一般采用中低壓液壓缸，其額定壓力為2.5～6.3MPa；對于要求體積小、重量輕、出力大的建筑車輛和飛機用液壓缸缸多采用中高壓液壓缸，其額定壓力為10～16MPa；對于油壓機一類機械，大多數(shù)采用高壓液壓缸，其額定壓力為25～31.5MPa。 液壓缸按結構型式的不同，又有活塞式、柱塞式、擺動式、伸縮式等形式，其中以活塞式液壓缸應用最多?；钊缀椭子靡詫崿F(xiàn)直線運動，輸出推力和速度；擺動缸用以實現(xiàn)小于360°的轉動，輸出轉矩和角速度。本設計選用的是活塞式液壓缸。 活塞液壓缸有雙桿活塞缸和單桿活塞缸兩種，本設計選用的是單桿活塞缸。 4.5液壓缸的設計計算 4.5.1液壓缸主要尺寸的確定 液壓缸主要尺寸包括缸的內徑、長度、活塞桿的直徑及長度。確定上述尺寸的原始依據(jù)是液壓缸的負載、運動速度、行程長度和結構形式等。通常，液壓缸需要自行設計。 1．液壓缸內徑和活塞桿直徑 動力較大的設備（如拉床、刨床、車床、組合機床、液壓壓力機等）液壓缸的內徑通常是先根據(jù)設備類型及缸所受負載F參照表4.1和表4.2確定出缸的工作壓力P，再按表4.4確定出比值（），然后根據(jù)承載情況按下面的公式計算得出。 表4.1 各類液壓設備常用工作壓力 設備類型 磨床 車床、銑床、鉆床、鏜床 組合機床 龍門刨床拉床 注塑機、農業(yè)機械、小工程機械 液壓壓力機、重型機械、起重運輸機 工作壓力 0.8～2 2～4 3～5 8～10 10～16 20～32 表4.2 液壓缸工作壓力與負載之間的關系 負載 ＜5 5～10 10～20 20～30 30～50 ＞50 工作壓力 ＜0.8～1.0 1.5～2.0 2.5～3.0 3.0～4.0 4.0～5.0 5～10 表4.3 系數(shù)的推薦值 工作壓力 ＜5 5～7 ＞7 活塞桿受拉力 0.3～0.45 活塞桿受壓力 0.50～0.55 0.6～0.7 0.7 綜合上表選負載F為90，工作壓力P為20，活塞桿受壓力=0.7。 當有桿腔壓力油驅動負載時，由于 故 （4.1） 當無桿腔壓力油驅動負載時，由于 故 （4.2） 由式（4.1）、式（4.2）算出的值及選定的值即可求出活塞桿的直徑來。、的取值應按標準進行圓整。 因為是由有桿槍壓力驅動負載，所以由式（4.1） 。 2．液壓缸壁厚 在中低壓系統(tǒng)中，液壓缸壁厚根據(jù)結構和工藝上的需要確定，一般不進行計算。當液壓缸工作壓力較高或直徑較大時，才有必要對其最薄弱部位的壁厚進行強度校核。 當時，按以下薄壁筒公式校核 （4.3） 當時，按以下厚壁筒公式校核 （4.4） 式中：—缸筒壁厚； —缸筒直徑； —試驗壓力，當液壓缸的的額定壓力時，；當額定壓力時，； —缸筒材料的許用應力。，為抗拉強度，為安全系數(shù)，一般取。 因為 所以按公式（4.4）進行校核，結果符合要求。 3．液壓缸其它尺寸的確定 液壓缸的長度按其最大行程確定，一般不大于（20～30）。活塞的寬寧國市度按缸的工作壓力和活塞的密封方式確定，一般為（0.6～1）。導向套滑動面的長度，當＜80mm時，?。?.6～1）；當時,取（0.6～1）?；钊麠U的長度按缸的長度、活塞的寬度、導向套的長度、端蓋的有關尺寸及它與工作臺連接方式確定。對長度與直徑之比大于15的受壓活塞桿，應按材料力學公式進行穩(wěn)定性校核計算。當壓力不高時，端蓋的尺寸、緊固螺釘?shù)膫€數(shù)和尺寸可由結構決定；高壓系統(tǒng)則必須進行螺釘強度的校核。 4.5.2單桿活塞缸原理及計算 圖4.3為單桿活塞缸原理圖。其活塞的一側有伸出桿，兩腔的有效工作面積不相等。當向缸兩腔分別供油，且供油壓力和流量相同時，活塞（或缸體）在兩個方向的推力和運動速度不相等。 當無桿腔進壓力油，有桿腔回油（圖4.3a）時，活塞推力和運動速度分別為 （4.5） （4.6） （a） （b） 圖4.3單桿活塞缸 當桿腔進壓力油，無桿腔回油（圖4.3b）時，活塞推力和運動速度分別為 （4.7） （4.8） 式中： —缸無桿腔有效工作面積； —缸無桿腔有效工作面積； —進油壓力； —進入液壓缸的流量表； —液壓缸內徑； —活塞桿直徑； 比較上面公式可知：，。即無桿腔進壓力油工作時，推力大，速度低；有桿腔進壓力油工作時，推力小，速度高。因此，單桿活塞缸常用于一個方向有較大負載但運行速度較低，另一個方向為空載快速退回運動的設備。例如，各種金屬切削機床、壓力機、注射機、起重機的液壓系統(tǒng)即常用單桿活塞缸。 單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，如圖4.4所示，由于無桿腔工作面積大，活塞像右的推力大于向左的推力，故其向右移動。液壓缸的這種連接稱為差動連接。 差動連接時，活塞的推力為 （4.9） 若活塞的速度為，則無桿腔的進油量為，有桿腔的出油量為，因而有下式 （4.10） 圖4.4 單桿活塞缸的差動連接 比較（4.6）和（4.10）式可知，；比較（4.5）和（4.9）式可知，。這說明單桿活塞缸差動連接時，能使運動部件獲得較高的速度和較小的推力。因此，單桿活塞缸還常用在需要實現(xiàn)“快進（差動連接）→工進（無桿腔進壓力油）→快退（有桿腔進壓力油）”工作循環(huán)的組合機床等設備的液壓系統(tǒng)中。這時，通常要求“快進”和“快退”的速度相等，即。由式（4.10）、式（4.8）、知，，即（或）。 單桿活塞缸不論是缸體固定，還是活塞桿固定，工作臺的活動范圍都略大于缸有效行程的兩倍。 4.5.3液壓缸的材料及技術條件 1.缸筒 (1) 缸筒材料（如圖4.5所示） 工程機械、鍛壓機械等工作壓力較高的場合，常用20、35、45號鋼的無縫鋼管。其中，20號鋼用得較少，因其較軟，機械強度也低，加工粗糙度不易保證。須與缸蓋、管接頭、耳軸等零件焊接的缸筒用35號鋼，并在粗加工后調質。不與其它零件焊接的缸筒，常用45號鋼調質，調制處理的目的是保證強度高、加工性好，一般調質到HB241～285。 圖4.5 缸筒 （2）技術條件 1)缸筒內徑孔采用H9配合。內孔表面的粗糙度：當活塞采用橡膠密封圈時，取～；當活塞用活塞環(huán)密封時，取～，且均需要研磨或衍磨。比較加工方法是在鏜孔之后進行滾壓。這樣既可降低表面粗糙度，又可提高表面硬度（表面硬度可達HRC35～40）。 2)內控表面的圓柱度公差為內徑公差之半。 3)孔軸心線的直線度公差在500mm長度上為0.03。 4)端面對軸心線的垂直度公差在直徑100mm上為0.04mm。 5)當缸筒與端蓋用螺紋聯(lián)接時，螺紋采用6g級精度的工制螺紋。 6)為了防止缸筒腐蝕和提高其壽命，可以在缸筒內表面鍍0.03～0.05mm厚的硬鉻，再進行研磨拋光，缸筒外表面涂耐油油漆。 2.活塞(如圖4.6所示) （1）活塞材料 活塞材料常用耐磨鑄鐵、鋁合金或鋼外面覆蓋一層青銅、黃銅和尼龍等耐磨套。 （2）技術條件 1)外徑對的徑向跳動公差為公差之半。 2)端面對活塞軸線的垂直度公差在直徑100mm直徑上的公差為0.04mm。 3)外徑的 圓柱度公差為外徑公差之半。 圖4.6 活塞 3.缸蓋(如圖4.7所示) （