機械電氣工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計( 論文)題 目： 院 （系）： 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 年 6 月 0摘 要牙刷是用于清潔牙齒的一種刷子。一般刷牙時都會在牙刷上加上牙膏清潔牙齒,牙刷是人們?nèi)粘Ｉ畹谋貍淦贰Ｈ祟愖嫦仍缬惺?，刷牙的?xí)慣。在公元前 3000 年蘇美人烏爾城邦的國王墓穴中就曾發(fā)現(xiàn)過清理口腔用的最早工具——牙棒，一支能用上兩個星期。在古希臘和羅馬時代人們用動物骨灰做牙粉清理口腔，還有些原始部落用木炭、鹽水、細(xì)砂、樹枝來清理牙齒。將一端搗碎，做成刷狀，用來清理牙縫及刷牙，稱之為Miswak，是一種天然牙刷，據(jù)科學(xué)家分析，這種樹枝含氟及皂素，可預(yù)防蛀牙，并有止痛作用。中國人在 2000 多年前就懂得保護牙齒的重要?！妒酚洝}公傳》中就批出引起齲齒的原因是 “食而不漱”。《禮記》中：“雞初鳴，咸盥嗽”就說明人們已有了漱口的習(xí)慣。古人清理口腔和牙齒用手指和柳枝。敦煌壁畫《勞度叉頭圣圖》中，畫有一和尚，蹲在地上，左手持漱口水瓶，用右手中指揩前齒。在唐代，人們用柳枝做成刷，蘸藥水揩齒。宋代，有人主張每日早晚用柳枝揩牙兩次，元代正式有 “牙刷”一詞，郭玉詩中云： “南洲牙刷寄頭日，去垢滌煩一金值?！痹鐣蠈尤宋镉醚浪?，一般人還是用柳枝，和中草藥研制成的揩齒粉末刷牙，另據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，我國 1000 多年前遼代古墓中出土了兩支骨制牙刷柄。1498 年，當(dāng)一個新的世紀(jì)就要出現(xiàn)在人類的地平線上的時候，中國的皇帝發(fā)明了牙刷。一查紀(jì)元表，1498 年是明孝宗治下，那就是說，是明朝孝宗皇帝發(fā)明了牙刷。那牙刷是用豬鬃鑲嵌在骨頭上制成的。牙刷一經(jīng)問世，久經(jīng)輾轉(zhuǎn)，傳到了歐洲，并在那里廣受歡迎。然而，牙刷造價昂貴，只有王公貴族才能消受，一般大眾只能一旁羨慕[2] 。之后一直到了 19 世紀(jì) 30 年代，杜邦公司開始制造合成纖維（尼龍），用尼龍做刷毛的新一代牙刷才開始誕生，牙刷這時候才成了大路貨，飛入尋常百姓家?？梢娢覈葰W洲要早 600 多年就有了類似現(xiàn)代的牙刷。在歐洲，牙刷是由英國皮匠威廉·艾利斯于 1780 年在倫敦首先發(fā)明的。威廉·艾利斯因犯煽動騷亂罪而被倫敦當(dāng)局逮捕，隨后又被投入臭名昭著的新門監(jiān)獄。他和大多數(shù)囚犯不同，善于用自己的腦子思考問題。一天清晨，他正按通常的方式用小布片擦洗自己的牙齒，一個念頭突然闖進了他的腦海：假如用一把小刷子來刷牙齒，是不是比用布擦牙齒更方便也更有效呢？吃晚飯時，他將一根肉骨頭偷偷裝入口袋帶回自己的囚室，又向一個挺友好的看守要了一些豬鬃。這天夜里，他把骨頭磨成一根細(xì)棒，在上面鉆了1些小孔，然后將豬鬃一束束地插進小孔，并將它們修剪整齊。就這樣，世界上的第一把牙刷在監(jiān)獄里誕生了。離開監(jiān)獄后，艾利斯辦起了自己的牙刷廠，他獲得了很大的成功，因為人們都愿意用牙刷來代替原先的小布片?，F(xiàn)在艾利斯創(chuàng)立的公司仍在生產(chǎn)牙刷。關(guān)鍵詞：電動 支架 有限元分析AbstractA toothbrush is a brush for cleaning teeth. Generally when brushing your teeth with toothpaste will clean the teeth on the toothbrush, the toothbrush is essential for daily life. Human ancestors had a habit of mouthwash, brush your teeth. In the 3000 BC Sumerian city-state king Uhl's tomb was found in the earliest use of oral cleaning tools -- threaded rods, one can use for two weeks. Oral cleaning dentifrice with animal ashes in the people of ancient Greece and Rome, some primitive tribes with charcoal, salt water, fine sand, the branch to clean teeth. One end of a brush to clean teeth, and to brush your teeth, called Miswak, is a kind of natural toothbrush, according to scientists, this branch of fluoride and saponin can prevent tooth decay, and the analgesic effect.People in China 2000 years ago to protect the teeth is important. “Records of the historian, Cang Gong biography“ in the group of the reasons for the cause dental caries is “fresh and not shu“. “The book of Rites“: “chicken early Ming, salty and cough“ that people have the habit of mouthwash. The ancients clean mouth and teeth with your fingers and willow. Dunhuang murals “work of the fork head Santo“, with a picture of a monk, squatting on the ground, the left hander mouthwash bottle, with the middle finger of the right hand to wipe the teeth. In the Tang Dynasty, people Panicum caused brush, dipped in syrup Kai teeth. The Song Dynasty, people sooner or later that day with two teeth Panicum, Yuan Dynasty official “toothbrush“, Guo Yushi says: “the South Island toothbrush send head, go wash out a gold value.“ Toothbrush with the social elites, most people still use switchgrass, 2brushing and Chinese herbal medicine developed his tooth powder, according to archaeological discoveries in China 1000 years ago, the Liao Dynasty tomb unearthed in two bone toothbrush.In 1498, when a new century will appear in the human on the horizon, China emperor invented toothbrush. Check the era, 1498 is the Hongzhi emperor governance, that is to say, is the emperor of the Ming Dynasty emperor Xiaozong invented toothbrush. The toothbrush with bristles embedded in the bone. The toothbrush by the advent of a well traveled, spread to Europe, where it is popular. However, the toothbrush is expensive, only the nobles to endure, the general public can only admiration [2]. Until after the 30's of the nineteenth Century, the DuPont Co began manufacturing synthetic fiber (nylon), as a new generation of toothbrush bristles of the toothbrush with nylon before birth, when it became popular, flying into the homes of ordinary people. Visible in China than in Europe as early as 600 years will have a similar modern toothbrush.In Europe, the toothbrush is by the British man William Ellis in London in 1780 invented the first. William Ellis guilty of sedition crime and was arrested in London, Newgate prison and was put into the infamous. He and most of the prisoners, is good at using his brain. One day early in the morning, he was in the usual manner with a piece of cloth and cleaning their teeth, an idea suddenly came into his mind: if you use a small brush to brush the teeth, cleaning teeth Shi Bushi than with more convenient and more effective? For dinner, he will be a meat bones secretly pocket back to his cell, but also to some bristles to a friendly guard. That night, he put the bones into a thin rod, drill some holes in it, then the bristle bundles inserted into the holes, and they will be trimmed. In this way, the first toothbrush in the world was born in prison. After leaving prison, Ellis set up his toothbrush factory, he achieved great success, because people are willing to use to replace the original toothbrush a piece of cloth. Now Ellis founded the company is still in production.3目 錄摘 要 1目 錄 3第一章 緒論 .51.1 牙刷的意義和特點 .51.2 便攜牙刷方案對比 51.3 便攜凈牙器主要部件介紹 .61.3.1 電機 71.3.2 按鈕 .81.3.3 電控部件 91.3.4 密封原件 .101.4 支架設(shè)計 111.4.1 支架的作用 .111.4.2 支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .121.4.3 支架力學(xué)分析 .121.6 電動工作原理和組成 19１.6.1 工作原理 191.6.2 電動系統(tǒng)的基本組成 .201.7 電動系統(tǒng)優(yōu)缺點 201.8 研究的內(nèi)容 21第二章 電動牙刷原理的設(shè)計 222.1 明確技術(shù)要求 222.2 執(zhí)行元件的配置確定及動作順序 .222.3 確定電動系統(tǒng)主要參數(shù) 232.3.1 計算和確定電動機主要結(jié)構(gòu)尺寸 232.3.2 計算電動機所需功率 242.4 電動系統(tǒng)圖的擬定 252.4.1 制定電動回路方案 .252.4.2 原理草圖的繪制 .262.5 元件的選型與設(shè)計 2642.5.1 電動機的選擇 272.5.2 電動按鈕的選擇 .282.5.3 電動輔助元件及工作介質(zhì)的選擇 .292.6 前景展望 29第三章 設(shè)計中的不足及要注意的問題 303.1 設(shè)計中的不足之處 303.2 使用電動系統(tǒng)要注意的問題 30參考文獻 .31設(shè)計總結(jié) .325第一章 緒論1.1 實驗系統(tǒng)平臺功能及其意義中國人在 2000 多年前就懂得保護牙齒的重要。《史記·倉公傳》中就批出引起齲齒的原因是 “食而不漱”?！抖Y記》中：“雞初鳴，咸盥嗽”就說明人們已有了漱口的習(xí)慣。古人清理口腔和牙齒用手指和柳枝。敦煌壁畫《勞度叉頭圣圖》中，畫有一和尚，蹲在地上，左手持漱口水瓶，用右手中指揩前齒。在唐代，人們用柳枝做成刷，蘸藥水揩齒。宋代，有人主張每日早晚用柳枝揩牙兩次，元代正式有 “牙刷”一詞，郭玉詩中云： “南洲牙刷寄頭日，去垢滌煩一金值?！痹鐣蠈尤宋镉醚浪ⅲ话闳诉€是用柳枝，和中草藥研制成的揩齒粉末刷牙，另據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，我國 1000 多年前遼代古墓中出土了兩支骨制牙刷柄。1498 年，當(dāng)一個新的世紀(jì)就要出現(xiàn)在人類的地平線上的時候，中國的皇帝發(fā)明了牙刷。一查紀(jì)元表，1498 年是明孝宗治下，那就是說，是明朝孝宗皇帝發(fā)明了牙刷。那牙刷是用豬鬃鑲嵌在骨頭上制成的。牙刷一經(jīng)問世，久經(jīng)輾轉(zhuǎn)，傳到了歐洲，并在那里廣受歡迎。然而，牙刷造價昂貴，只有王公貴族才能消受，一般大眾只能一旁羨慕[2] 。之后一直到了 19 世紀(jì) 30 年代，杜邦公司開始制造合成纖維（尼龍），用尼龍做刷毛的新一代牙刷才開始誕生，牙刷這時候才成了大路貨，飛入尋常百姓家?？梢娢覈葰W洲要早 600 多年就有了類似現(xiàn)代的牙刷。1.2 便攜牙刷方案對比1.2.1 牙刷的優(yōu)點式牙刷系統(tǒng)于二十世紀(jì) 90 年代中后期才正式進入實用化階段。這類電控系統(tǒng)可分為：蓄壓式電控系統(tǒng)、液力增壓式電控系統(tǒng)和式電控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)在傳統(tǒng)牙刷系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的功能，其優(yōu)點有： a. 系統(tǒng)中的牙刷壓力柔性可調(diào)，對不同工況可確定所需的最佳壓力，從而優(yōu)化柴油機綜合性能。 b. 可獨立地柔性控制牙刷正時，配合高的壓力（ 20N~80N ），可同時控制 NOx 和微6粒（ PM ）在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。 c. 柔性控制牙刷速率變化，實現(xiàn)理想牙刷規(guī)律，容易實現(xiàn)預(yù)和多次，既可降低柴油機 NOx ，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟性。 d. 由電磁閥控制牙刷，其控制精度較高，油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)牙刷量變動小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機的振動和降低排放。 由于系統(tǒng)具有以上的優(yōu)點，現(xiàn)在國內(nèi)外柴油機的研究機構(gòu)均投入了很大的精力對其進行研究。比較成熟的系統(tǒng)有：德國 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系統(tǒng)、日本電裝公司的 ECD-U2 系統(tǒng)、意大利的 FIAT 集團的 unijet 系統(tǒng)、英國的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系統(tǒng)等。 1.3 便攜凈牙器主要部件介紹圖 1 為電控系統(tǒng)的基本組成圖。它主要由電控單元、電機、按鈕、電控牙刷器以及各種傳感器等組成。低壓泵將輸入電機，電機將加壓送入油軌，油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調(diào)節(jié)，油軌內(nèi)的經(jīng)過密封件，根據(jù)機器的運行狀態(tài)，由電控單元從預(yù)設(shè)的 map 圖中確定合適的牙刷定時、牙刷持續(xù)期由電液控制的電子牙刷器將噴入氣缸。1.3.1 電機 電機的供油量的設(shè)計準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機的牙刷量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于系統(tǒng)中牙刷壓力的產(chǎn)生于過程無關(guān)，且牙刷正時也不由電機的凸輪來保證，因此電機的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接7觸應(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計原則來設(shè)計凸輪。 bosch 公司采用由柴油機驅(qū)動的三缸徑向柱塞泵來產(chǎn)生高達 135Mpa 的壓力。該電機在每個壓油單元中采用了多個壓油凸輪，使其峰值扭矩降低為傳統(tǒng)電機的 1/9 ，負(fù)荷也比較均勻，降低了運行噪聲。該系統(tǒng)中腔中的壓力的控制是通過對腔中的放泄來實現(xiàn)的，為了減小功率損耗，在牙刷量較小的情況下，將關(guān)閉三缸徑向柱塞泵中的一個壓油單元使供油量減少。 日電裝公司采用了一個三作用凸輪的直列泵來產(chǎn)生，如圖 2 所示。該電機對油量的控制采用了控制低壓有效進油量的方法，其基本原理如圖 3 所示。8a 柱塞下行，控制閥開啟，低壓經(jīng)控制閥流入柱塞腔； b 柱塞上行，但控制閥中尚未通電，處于開啟狀態(tài)，低壓經(jīng)控制閥流回低壓腔； c 在達到供油量定時時，控制閥通電，使之關(guān)閉，回流油路被切斷，柱塞腔中的被壓縮，經(jīng)出油閥進入油軌。利用控制閥關(guān)閉時間的不同，控制進入油軌的油量的多少，從而達到控制油軌壓力的目的； d 凸輪經(jīng)過最大升程后，柱塞進入下降行程，柱塞腔內(nèi)的壓力降低，出油閥關(guān)閉，停止供油，這時控制閥停止供電，處于開啟狀態(tài)，低壓進入柱塞腔進入下一個循環(huán)。 該方法使電機不產(chǎn)生額外的功率消耗，但需要確定控制脈沖的寬度和控制脈沖與電機凸輪的相位關(guān)系，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。 1.3.2 按鈕 按鈕將供電機提供的分配到各牙刷器中，起蓄壓器的作用， ECD-U2 系統(tǒng)的供軌按鈕如圖 4 所示。它的容積應(yīng)削減電機的供油壓力波動和每個牙刷器由牙刷過程引起的壓力震蕩，使油軌中的壓力波動控制在 5Mpa 之下。但其容積又不能太大，以保證有足夠的壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。 ECD-U2 系統(tǒng)的泵的最大循環(huán)供油量為 600 mm3 ，按鈕容積為 94000 mm3 。按鈕上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向 ECU 提供油軌的壓力信號；液流緩沖器（限流器）保證在牙刷器出現(xiàn)漏泄故障時切斷向牙刷器的供油，并可減小和密封件中的壓力波動；壓力限制器保證油軌在出現(xiàn)壓力異常時，迅速將油軌中的壓力進行放泄。 從上述分析可見，精確設(shè)計按鈕的容積和形狀適合確定的柴油機是并不容易的。 1.3.3 電控部件 9電控牙刷器是式系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù) ECU 發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將油軌中的以最佳的牙刷定時、牙刷量和牙刷率噴入柴油機的燃燒室。 BOSCH 和 ECD-U2 的電控牙刷器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)牙刷器相似的牙刷嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成，圖 5 為 BOSCH 的電控牙刷器結(jié)構(gòu)圖。在電磁閥不通電時，電磁閥關(guān)閉控制活塞頂部的量孔 A ，油軌的壓力通過量孔 Z 作用在控制活塞上，將噴嘴關(guān)閉；當(dāng)電磁閥通電時，量孔 A 被打開，控制室的壓力迅速降低，控制活塞升起，牙刷器開始牙刷；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，控制室的壓力上升，控制活塞下行關(guān)閉牙刷器完成牙刷過程。 控制了牙刷率的形狀，需對其進行合理的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)預(yù)定的牙刷形狀?？刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在牙刷結(jié)束時不能實現(xiàn)快速的斷油，使后期的霧化不良；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使過程的流動阻力加大，因此對控制室的容積也應(yīng)根據(jù)機型的最大牙刷量合理選擇?？刂屏靠?A 、 Z 的大小對牙刷嘴的開啟和關(guān)閉速度及牙刷過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)是進油量孔、回油量孔和控制室，它們的結(jié)構(gòu)尺寸對牙刷器的牙刷性能影響巨大?；赜土靠着c進油量孔的功率率之差及控制室的容積決定了牙刷嘴針閥的開啟速度，而牙刷嘴針閥的關(guān)閉速度由進油量孔的功率率和控制室的容積決定。進油量孔的設(shè)計應(yīng)使牙刷嘴針閥有足夠的關(guān)閉速度，以減少牙刷嘴后期霧化不良的部分。此外牙刷嘴的最小牙刷壓力取決于回油量孔和進油量孔的功率率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進油量孔、回油量孔和控制室的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了牙刷嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短牙刷過程，同時就確定了牙刷嘴的穩(wěn)定最小牙刷量?？刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更快，使溫度對牙刷嘴牙刷量的影響更小。 但控制室的容積不可能無限制減少，它應(yīng)能保證牙刷嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態(tài)壓力，從而決定了針閥的運動規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個量孔的功率系數(shù)，可以產(chǎn)生理想的牙刷規(guī)律。 由于系統(tǒng)的壓力非常高，因此其牙刷嘴的噴孔截面積很小，如 BOSCH 公司的牙刷嘴的噴孔直徑為 0.169mm × 6 ，在如此小的噴孔直徑和如此高的壓力下，流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，霧化更好，但貫穿距離變小，因此應(yīng)改變原柴油機10進氣的渦流強度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。 對于牙刷器電磁閥，由于系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)是改善柴油機性能的重要方式，控制電磁閥的響應(yīng)時間更應(yīng)縮短。關(guān)于電磁閥的研究已由較多的文獻報道，本文不再對此進行分析。 1.3.4 密封原件 密封件是連接按鈕和電控牙刷器的通道，它應(yīng)有足夠的功率減小流動時的壓降，并使按鈕路系統(tǒng)中的壓力波動較小，能承受的沖擊作用，且起動時中的壓力能很快建立。各缸密封件的長度應(yīng)盡量相等，使柴油機每一個牙刷器有相同的牙刷壓力，從而減少發(fā)動機各缸之間牙刷量的偏差。各密封件應(yīng)盡可能短，使從到牙刷嘴的壓力損失最小。 BOSCH 公司的密封件的外經(jīng)為 6mm ，內(nèi)徑為 2.4mm ，日本電裝公司的密封件的外經(jīng)為 8mm ，內(nèi)徑為 3mm 。1.4 支架設(shè)計1.4.1 支架的作用支架再本系統(tǒng)中有著很重要的作用。支撐著很多的按鈕路部件，要給這些部件提供稱重，和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是本系統(tǒng)的一個重要影響因素。按鈕路的穩(wěn)定性，能夠防止泄露，防止元器件在工作過程中發(fā)生震動而松弛。所有本系統(tǒng)中支架的設(shè)計至關(guān)重要。1.4.2 支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示為支架的設(shè)計結(jié)果11其主要功能為支撐按鈕路部件，防止工作過程中產(chǎn)生震動，固定按鈕路部件，使其在工作過程中穩(wěn)定。支架采用不銹鋼板，厚度為 10mm1.4.3 支架力學(xué)分析1.4.3.1 有限元介紹本設(shè)計使用有限元方法對支架進行力學(xué)分析在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時對整個問題區(qū)域進行分解，每個子區(qū)域都成為簡單的部分，這種簡單部分就稱作有限元。它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡單方程聯(lián)系起來，并用其去估計更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是 5012年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析。方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元法分析計算的思路和做法可歸納如下：物體離散化將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來；單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定（一般情況單元劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同新材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實際情況相符合。1.4.3.2 支架受力分析本設(shè)計使用 solidworks 的 simulation 模塊進行理學(xué)分析選擇不銹鋼材料，點擊應(yīng)用，賦予材料。材料的泊松比為 0.28。許用應(yīng)力為 2.1e11接下來需要對模型施加載荷，包括，約束和載荷。先選取，支架下面兩個螺絲空，固定，這樣就成功將模型進行了約束，模擬現(xiàn)實中，底部固定的結(jié)構(gòu)。13接下來需要對模型施加載荷，載荷分為壓力，力等支架在工作過程中主要收到如下力，1 支撐壓力表等部件2 油筆部分所有對支架進行如下載荷施加選取圓面向下施加載荷 10N，在油筆處向下施加力載荷，如下圖所示載荷施加完畢，進入解析模塊，首先需要對模型進行王哥劃分。如下圖，點擊網(wǎng)格，右擊進入設(shè)置界面，點擊生成網(wǎng)格。可以設(shè)置網(wǎng)格質(zhì)量。質(zhì)量越高所劃分的網(wǎng)格越細(xì)膩，但是更加耗費電腦配置。所有，在設(shè)置過程中，需要根據(jù)實際進行設(shè)計。14網(wǎng)格劃分效果如上圖所示。最后進入運算模式。點擊 solve，軟件進入解析狀態(tài)。最后得出應(yīng)力，應(yīng)變和位移三個結(jié)果。我們可以根據(jù)彩虹圖進行評定。圖中分別列出了支架在受力以后的最大應(yīng)力部位，最大位移部位。經(jīng)過評定，位移值和應(yīng)力值沒有超過許用范圍，支架能夠保證正常工作。151.6 電動傳動的工作原理和組成 １.6.1 工作原理電動傳動是以液體為工作介質(zhì)，利用壓力能來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的傳動方式。 該裝置工作臺的電動系統(tǒng)是由油箱、過濾器、電動泵、溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、電動機以及連接這些元件的密封件、接頭等組成。1）工作原理如下：電動機驅(qū)動電動泵經(jīng)濾油器從油箱中吸油，油液被加壓后,從泵的輸出口輸入按鈕路。油液經(jīng)開停閥、節(jié)流閥、換向閥進入電動機，推動活塞而使工作臺左右移動。電動機里的油液經(jīng)換向閥和回密封件排回油箱。2）工作臺的移動速度是通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的。當(dāng)節(jié)流閥開大時，進入電動機的油量增多，工作臺的移動速度增大；當(dāng)節(jié)流閥關(guān)小時，進入電動機的油量減少，工作臺的移動速度減少。由此可見，速度是由油量決定的。1.6.2 電動系統(tǒng)的基本組成1）能源裝置——電動泵。它將動力部分（電動機或其它遠動機）所輸出的機械能轉(zhuǎn)換成電動能，給系統(tǒng)提供壓力油液。2）執(zhí)行裝置——電動機（電動機、電動馬達）。通過它將電動能轉(zhuǎn)換成機械能，推動負(fù)載做功。3）控制裝置——電動閥（功率閥、壓力閥、方向閥等）。通過它們的控制和調(diào)節(jié)，使液流的壓力、流速和方向得以改變，從而改變執(zhí)行元件的力（或力矩）、速度和方向。4）輔助裝置——油箱、按鈕路、蓄能器、濾油器、按鈕接頭、壓力表開關(guān)等.通過這些元件把系統(tǒng)聯(lián)接起來，以實現(xiàn)各種工作循環(huán)。5）工作介質(zhì)——電動油。絕大多數(shù)電動油采用礦物油，系統(tǒng)用它來傳遞能量或信息。1.7 電動傳動的優(yōu)缺點電動傳動能得到如此迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，是由于它與機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動相比，具有以下優(yōu)點：161）單位功率的重量輕，即在輸出同等功率的條件下，體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)特性好等．如軸向柱塞泵的重量只是同功率直流發(fā)電機重量的10%～20%，前者的外形尺寸只有后者的12% ～13%。2）電動傳動能方便地實現(xiàn)無級調(diào)速，并且調(diào)速范圍大。3）電動傳動裝置工作平穩(wěn)、反應(yīng)快、沖擊小、能快速啟動制動和頻繁換向。4）電動傳動裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡單，操縱比較方便、省力，易于實現(xiàn)自動化。當(dāng)機、電、液配合使用時，易實現(xiàn)較復(fù)雜的自動工作循環(huán)。5）電動傳動易獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，可以使傳動結(jié)構(gòu)簡單。6）電動系統(tǒng)易于實現(xiàn)過載保護，同時，因采用油液作為傳動介質(zhì)，相對運動表面鍵能自行潤滑，故元件的使用壽命長。7）由于電動元件已實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，所以電動系統(tǒng)的設(shè)計、制造和使用都比較方便，電動元件排列布置以具有較大的機動性．電動傳動的主要缺點：1）電動傳動是以液體為工作介質(zhì)，在相對運動表面間不可避免要有泄漏，同時，液體又不是絕對不可壓縮的，因此不宜在傳動比要求嚴(yán)格的場合采用。2）電動傳動在工作過程中有較多的能量損失，如摩擦損失、泄漏損失等，故不宜于遠距離傳動。3）電動傳動對油溫的變化比較敏感，油溫變化會影響運動的穩(wěn)定性．因此，在低溫和高溫條件下，采用電動傳動有一定的困難。4）為了減少泄漏，電動元件的制造精度要求較高，因此，電動元件的制造成本較高，而且對油液的污染比較敏感。5）電動系統(tǒng)故障的診斷比較困難，因此對維修人員提出更高的要求，即需要系統(tǒng)的掌握電動傳動的理論知識，電動具有一定的實踐經(jīng)驗。6）隨之，、高速、高效率和大功率化，電動元件和系統(tǒng)的噪聲日益增大，這也是需要解決的問題。1.8 研究的內(nèi)容(1)確定整體方案及擬定電動系統(tǒng)圖(2)確定電動系統(tǒng)參數(shù)，選擇電動元件ⅰ電動泵的選擇17ⅱ電動機的選擇ⅲ電動控制閥的選擇ⅳ油箱及工作介質(zhì)的選擇第二章 電動系統(tǒng)功能原理的設(shè)計2.1 明確技術(shù)要求1）本機是通過電動傳動系統(tǒng)將棉花進行進而捆扎的機械，結(jié)構(gòu)布局是立式的，能夠在室內(nèi)或室外全天候的工作，對環(huán)境工作要求不高。2）本機的電動驅(qū)動機構(gòu)的運動形式是直線往復(fù)運動，能夠平穩(wěn)的工作。3）本機通過電動傳動系統(tǒng)的控制能夠平穩(wěn)的工作，通過手動控制能夠快速啟動制動。4）本機經(jīng)濟性好，投資費用小，運行耗能低，且維修費用較少，對防塵，防寒要求不高，安全性能好。捆扎機的技術(shù)要求式設(shè)計電動系統(tǒng)的依據(jù)和出發(fā)點，已知的數(shù)據(jù)如下表：參數(shù)名 數(shù)值壓縮后的棉花塊長度壓縮后的棉花塊寬度壓縮后的棉花塊厚度電動機主工作腔壓力350mm250mm150mm10MP18最大負(fù)載力電動機最大速度25KN0.02m/s2.2 執(zhí)行元件的配置確定及動作順序本機的執(zhí)行元件在運行過程中的運動形式是往復(fù)直線運動，尺寸和質(zhì)量比較小，安裝簡單，因此選用電動機中的單桿活塞缸。本機的動作順序是啟動時從原位先快進，然后達到工進，然后制動。往返時從停留位置快推到原位。 2.3 確定電動系統(tǒng)主要參數(shù)2.3.1 計算和確定電動機的主要結(jié)構(gòu)尺寸單桿活塞缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計如下：無桿腔為主工作腔，則，P1A1-P2A2=Fmax/η cmA1=πD 2/4A2=π(D 2-d2)/4式中 P 1 —— 主工作腔壓力，Pa;P2—— 回油腔壓力（背壓力），Pa;A1 —— 無桿腔的有效面積，m 2;A2 —— 電動機有桿腔活塞的有效面積，m 2;D．d —— 電動機活塞（缸筒）內(nèi)徑、活塞桿直徑，m;Fmax —— 電動機的最大負(fù)載力，N;η cm ——電動機機械效率，一般取 η cm=0.9~0.97。通常，電動機以無桿腔作為主工作腔，即活塞桿受壓工作，活塞面積為A1=1∕P 1(F∕η cm + P2 A2)運用此公式確定缸的尺寸時，須事先確定 A1 和 A2的關(guān)系或活塞桿徑 d 與活塞直徑 D的關(guān)系。桿徑比 Φ=d/D 可按壓力來取。19表 1 按壓力選取 Φ=d/D壓力/ Mpa ≤5.0 5.0~7.0 ≥7.0桿徑比 Φ=d/D 0.5~0.55 0.62~0.70 0.7而（m） ?)]1([42?????pFDcm因為設(shè)計壓力 10 Mpa5.0 Mpa，表 2 電動系統(tǒng)背壓力則根據(jù)表 2 可選桿徑比 Φ=d/D=0.5~0.55，取 Φ=d/D=0.7由于該系統(tǒng)比較簡單，屬于一般輕載節(jié)流調(diào)速，則背壓力 P2=0.2~0.5 Mpa，取 P2=0.5 Mpa，電動機機械效率 η cm取 0.9，代入式 ?，可得 D=60.26mm，則 d=42mm根據(jù)電動工程式設(shè)計手冊，查的可知，可選取 HSG※01-63/dE 型號的電動機，缸徑 D 為63mm，活塞桿直徑 d 為 45mm，最大行程為 750mm，符合要求。2.3.2 計算電動機所需功率電動機的最大功率 qmax qmax=Avmax式中 A—電動機的有效面積，m 2系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 情 況 背 壓 力 p b ( MPa)用節(jié)流閥的回路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.3~0.5用調(diào)速閥的回路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.5~0.8 回有路上有背壓閥的系統(tǒng) 0.5~1.5 采用輔助泵補油的閉式回路0.8~1.5對中電動系統(tǒng)背壓力數(shù)值應(yīng)放大 50%~100%20vmax—電動機的最大速度則，q max=Avmax=πd 2 *vmax=3.14× ×0.020315.=62.31×10-6m3/s=62.31ml/s2.4 電動系統(tǒng)圖的擬定2.4.1 制定電動回路方案1)方向控制與調(diào)速方式方案的擬定方向控制方案的擬定，此裝置是做簡單的往復(fù)直線運動，則采用標(biāo)準(zhǔn)的普通換向閥進行換向即可，此機構(gòu)采用三位四通手動換向閥。調(diào)速方式方案的擬定，此裝置功率較小，負(fù)載變換不大，速度變化小，因此，采用節(jié)流調(diào)速。2）油路的循環(huán)形式 由于此系統(tǒng)選用了節(jié)流調(diào)速方式，則系統(tǒng)必然為開始循環(huán)系統(tǒng)。3）動力源方案的擬定電動系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由電動源提供，電動源的核心是電動泵。電動源型式與調(diào)速方案有關(guān)，此系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速方案，則只能采用定量泵作為電動源。4）壓力控制方案的制定電動系統(tǒng)的工作壓力必須與所承受的負(fù)載相適應(yīng)。對于定量泵供油的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)采用溢流閥與電動泵相連進行恒壓控制。綜上所述，本系統(tǒng)的主要回路部分是進油路節(jié)流調(diào)速回路以及回油路的平衡回路。2.4.2 原理草圖的繪制由圖可知，當(dāng)換向閥處于（a）位置時，系統(tǒng)處于停車狀態(tài)，處于（b）位置時，系統(tǒng)啟動電動機帶動工作臺工作，處于（c）位置時電動機往回收縮。因此可見，通過換向閥，可以改變壓力油的通路，使電動機不斷換向以實現(xiàn)工作臺的往復(fù)直線運動。在回油路設(shè)置順序閥與單向順序閥，當(dāng)回油路的油電動力小于 H 型順序閥設(shè)定的壓力值時，順序閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)油電動力大于順序閥設(shè)定的壓力值時，順序閥才會打開，這種設(shè)21置可避免活塞桿在向下運動的過程中由于壓板重力而失控，增加了設(shè)備的安全系數(shù)。2.5 元件的選型與設(shè)計選擇電動元件時一般應(yīng)考慮以下問題：?應(yīng)用方面的問題，如主機的類型、原動機的特性、環(huán)境情況、安裝形式及外形連接尺寸、貨源情況及維護要求等。?系統(tǒng)要求，如壓力和功率的大小、工作介質(zhì)的種類、循環(huán)周期、操縱控制方式等。?經(jīng)濟性問題，如使用量，購置及更換成本，貨源情況及產(chǎn)品質(zhì)量和信譽等。?應(yīng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化，通用化及貨源條件較好的元件，以縮短制造周期，便于零部件的互換和維護。2.5.1 電動泵的選擇?計算電動泵的最大工作壓力 P（Pa） 電動泵的最大工作壓力 P 取決于執(zhí)行元件的最大工作壓力，即 P p≧P 1+∑△P式中 P 1—電動機的最大工作壓力，Pa∑△P—系統(tǒng)進油路上的總壓力損失，Pa，簡單系統(tǒng)取 ∑△P=（0.2~0.5）×10 6Pa,則pp≧P 1+∑△P=10×10 6Pa+0.5×106Pa =10.5×106Pa?計算電動泵的最大功率 qp（m 3/s） 取決于系統(tǒng)所需功率 qvqp≥q v=K（∑q） max式中，qv—系統(tǒng)所需功率；K—系統(tǒng)的泄漏系數(shù)；一般取 1.1~1.3（大功率取小值，小功率取大值）（∑q） max—同時動作時電動機的最大總功率，對于工作過程始終用功率閥節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還需加上溢流閥的最小溢功率，一般取（0.033~0.05）×10 -3 m3/s則 qp≥q v=K（∑q） max=1.3×(45×10-6 +62.31×10 )=139.503×10 m3/s6?6?其中 K 取 1.3；溢流閥的最小溢功率取 0.045×10-3 m3/s ?選擇電動泵的技術(shù)規(guī)格22為了保證系統(tǒng)不致因為過渡過程中過高的動態(tài)壓力作用被破壞，電動泵應(yīng)有一定的壓力儲備量，所選泵的壓力一般要比最大工作壓力 25%~60%。該系統(tǒng)選用齒輪泵，則根據(jù) CB-B 型齒輪泵技術(shù)規(guī)格，選擇產(chǎn)品型號 CBT-E308 的齒輪泵。 產(chǎn)品型號 排量（ml/r）轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 額 定 壓 力（Mpa）CBT-E308 8 800~3000 16?計算電動泵的驅(qū)動功率并選擇電動機a． 驅(qū)動功率的計算在工作循環(huán)中，泵的壓力和功率比較恒定，則電動泵驅(qū)動功率 Pp應(yīng)按下式計算Pp=pp qp∕η cm式中，P p 、q p為電動泵的最大工作壓力（Pa）和最大功率(m 3/s)，η cm為電動泵的總效率則 Pp= pp qp∕ηcm=(10×10 Pa×139.503×10 /s)/0.966?3m=1550W其中，p p取值 10×106Pa，q p取值 139.503×10-6m3/s，η cm取值 90%。b． 電機的選擇，固定設(shè)備的電動系統(tǒng)，其電動泵通常用電機驅(qū)動。根據(jù)上述算出的功率和電動泵的轉(zhuǎn)速及使用環(huán)境，根據(jù) G/T9616-1999，Y 系列（IP44）三相異步電動機主要技術(shù)參數(shù)可知，選用 Y801-4 型號的電動機比較合適。其技術(shù)參數(shù)如下表：型號 額定功率/kW 滿載轉(zhuǎn)速/(r/min) 最大轉(zhuǎn)矩/N?m 凈重/kgY100L1-4 2.2 1430 2.2 34此電機為一般用途的電動機，為全封閉結(jié)構(gòu)自扇冷式，能阻止灰塵、鐵屑、雜物侵入電動機內(nèi)部。具有體積小、重量輕、效率高、耗電小、振動小、運行可靠和維修方便的特點，適用于灰塵多、土揚水濺的場合。2.5.2 電動控制閥的選擇電動控制閥式電動技術(shù)中品種與規(guī)格最多，應(yīng)用最廣的元件。此系統(tǒng)為一般電動傳動系統(tǒng)，因此，所選用的都是標(biāo)準(zhǔn)的普通電動閥。23電動傳動中選擇合適的電動閥，使系統(tǒng)的設(shè)計合理，性能優(yōu)良，安裝、維修方便，并保證該系統(tǒng)正常工作的重要條件一個電動系統(tǒng)各部分回路通過的功率不可能都相同。因此，不能單純根據(jù)電動泵的額定輸出功率來選擇閥的功率參數(shù)，而應(yīng)該考慮到電動系統(tǒng)在所有設(shè)計工作狀態(tài)下各部分閥可能通過的最大功率。。除按系統(tǒng)功能需要選擇電動控制閥的類型以外，還要考慮各個閥的額定壓力、通過功率、安裝形式、動作方式、性能特點等。在回路設(shè)置平衡閥，防止電動機因壓板重力而失控。平衡閥屬于調(diào)節(jié)閥范疇，工作原理是通過改變閥芯與閥座的間隙（即開度），改變流體流經(jīng)閥門的流通阻力，達到調(diào)節(jié)功率的目的。平衡閥相當(dāng)于一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。溢流節(jié)流閥是節(jié)流閥與溢流閥并聯(lián)而成的組合閥，它能補償因負(fù)載變化而引起的功率變化。溢流節(jié)流閥能使系統(tǒng)壓力隨負(fù)載變化，沒有調(diào)速閥中減壓閥口的壓差損失，功率損失小，是一種較好的節(jié)能元件，但功率穩(wěn)定性較差一些，尤其在小功率工況下更為明顯。2.5.3 電動輔助元件及工作介質(zhì)的選擇?油箱容量的確定，本系統(tǒng)使用矩形的油箱油箱容量的經(jīng)驗公式為：V=αq p式中 V—油箱的有效容積，L；qp—電動泵的總額定功率，L∕min；α—與主機類型及系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，低壓系統(tǒng) α=2~4V=αqp=2.1*（8ml/r×1430r/min ）=2.1×11.44L/min=24.024L α=2.1 min根據(jù) JB/T 7938-2010，可選工稱容量為 25L 的油箱。?過濾器的選擇 本系統(tǒng)使用普通過濾器，過濾精度為 10~100μm，可防止環(huán)境污物侵入，同時還有足夠的流通能力，保證油箱中液位升降時通氣順暢。?密封件和按鈕接頭的確定密封件的作用是將電動元件連接起來組成電動系統(tǒng)，為進入系統(tǒng)及返回油箱的油液提供通路。本系統(tǒng)選擇硬按鈕，其尺寸由與它連接的電動元件的有口尺寸決定。24按鈕接頭用于密封件與密封件密封件與元件的連接。一般選擇耐壓能力高、流通能力大、裝卸方便、連接牢固、密封可靠、外形緊湊的尺寸合適的即可。?電動工作介質(zhì)的選定電動工作介質(zhì)的功用是載能和潤滑、冷卻?？紤]到其工作環(huán)境、工作條件、油液質(zhì)量、經(jīng)濟性等因素，可選用適用于低壓系統(tǒng)的精制礦物油。 2.6 前景展望本課題所設(shè)計的便攜自動凈牙器，為物理樣機的制作提供可靠的依據(jù)。如果通過物理樣機的制作與試驗，將會再次證明該捆扎裝置具有制作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、效率高、能耗小等特點，能在我區(qū)得到廣泛的推廣應(yīng)用，具有很廣闊的市場。在人民的日常生活中，會帶來巨大的便捷。尤其適合都市上班族，出差族。這一產(chǎn)品將有著很長的生命力。25第三章 設(shè)計中的不足及要注意的問題3.1 設(shè)計中的不足之處（1）鑒于相關(guān)條件以及個人能力的限制，沒有設(shè)計出的裝置。（2）由于作者的能力及相關(guān)知識的不足，未能將理論計算的數(shù)據(jù)與國內(nèi)先進的進行實驗所得數(shù)據(jù)進行對比優(yōu)化。（3）時間有限，難以繼續(xù)對該裝置進行深入的試驗研究。3.2 使用電動系統(tǒng)要注意的問題1）使用者應(yīng)明白電動系統(tǒng)的工作原理，熟悉各種操作和調(diào)整手柄的位置及旋向等。2）開車前應(yīng)檢查系統(tǒng)上各調(diào)整手柄、手輪是否被無關(guān)人員動過，電氣開關(guān)和行程開關(guān)的位置是否正常，主機上工具的安裝是否正確和牢固等，再對導(dǎo)軌和活塞桿的外露部分進行擦拭，而后才可開車。3）開車時，首先啟動控制油路的電動泵，無專用的控制油路電動泵時，可直接啟動主電動泵。4）電動油要定期檢查更換，對于新投入使用的電動設(shè)備，使用 3 個月左右即應(yīng)清洗油箱，更換新油。以后每隔半年至 1 年進行清洗和換油一次。5）工作中應(yīng)隨時注意油液，正常工作時，油箱中油液溫度應(yīng)不超過 60℃。油溫過高應(yīng)設(shè)法冷卻，并使用粘度較高的電動油。溫度過低時，應(yīng)進行預(yù)熱，或在運轉(zhuǎn)前進行間歇運轉(zhuǎn)，使油溫逐步升高后，再進入正式工作運轉(zhuǎn)狀態(tài)。6）檢查油面，保證系統(tǒng)有足夠的油量。7）油箱應(yīng)加蓋密封，油箱上面的通氣孔處應(yīng)設(shè)置空氣過濾器，防止污物和水分的侵入。加油時應(yīng)進行過濾，使油液清潔。8）系統(tǒng)中應(yīng)根據(jù)需要配置粗、精過濾器，對過濾器應(yīng)經(jīng)常地檢查、清洗和更換。9）對壓力控制元件的調(diào)整，一般首先調(diào)整系統(tǒng)壓力控制閥----溢流閥，從壓力為零時開調(diào)，逐步提力，使之達到規(guī)定壓力值；然后依次調(diào)整各回路的壓力控制閥。10）功率控制閥要從小功率調(diào)到大功率，并且應(yīng)逐步調(diào)整。同步運動執(zhí)行元件的功率控制閥應(yīng)同時調(diào)整，要保證運動的平穩(wěn)性。26參考文獻[1] 張浩,黨新安. 全機傳動系統(tǒng)設(shè)計[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報, 2006，20(08):54-56.[2] 張增林，關(guān)正，王志民等.MKJ 一 1 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