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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 彈性輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 BW05-9班 學(xué)生姓名： 于佳瑩 指導(dǎo)教師： 紀(jì)峻嶺 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 汽車的動(dòng)力性能是汽車的主要性能之一,是指汽車在驅(qū)動(dòng)力作用下,克服各種阻力前進(jìn)的能力。許多汽車性能試驗(yàn)均在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，而輪胎滾動(dòng)阻力是影響準(zhǔn)確測(cè)試精度的重要原因。輪胎測(cè)功機(jī)是檢測(cè)汽車動(dòng)力性能的重要設(shè)備。本設(shè)計(jì)根據(jù)車輪的實(shí)際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實(shí)際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，探討了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了車輛行駛阻力在道路上和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上等值轉(zhuǎn)換的試驗(yàn)方法，闡述了底盤測(cè)功機(jī)的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用測(cè)功機(jī)輸入動(dòng)力，制動(dòng)系消耗功率，并能準(zhǔn)確測(cè)量輸入和輸出的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而通過運(yùn)算得到滾動(dòng)阻力系數(shù)的準(zhǔn)確值。為研制開發(fā)滾動(dòng)阻力系數(shù)試驗(yàn)裝置提供理論參考。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)功機(jī)；輪胎；滾動(dòng)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(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的功用 1 1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展情況 2 1.4研究?jī)?nèi)容 2 第2章 總體方案的確定 4 2.1轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的確定 4 2.1.2輪胎滾動(dòng)阻力力學(xué)特性 4 2.1.2滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)定方法 5 2.1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的類型選擇 6 2.1.4滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)量與計(jì)算 7 2.2 試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)條件 8 2.2.1轉(zhuǎn)鼓技術(shù)條件 8 2.2.2試驗(yàn)步驟 9 2.3滾動(dòng)阻力對(duì)汽車底盤輸出功率測(cè)定值的影響分析 10 2.4本章小結(jié) 11 第3章 電機(jī)的選擇 12 3.1電力測(cè)功機(jī)的功用 12 3.1.1電力測(cè)功機(jī)的應(yīng)用情況 12 3.1.2電力測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 12 3.2選擇電動(dòng)機(jī) 13 3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 13 3.2.2制動(dòng)電機(jī)的選擇 15 3.3傳感器的選擇 16 3.4本章小結(jié) 17 第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 4.1結(jié)構(gòu)及工作原理 18 4.2步進(jìn)電機(jī)的選用 18 4.3液壓傳動(dòng)概論 20 4.4液壓缸的類型及其特點(diǎn)和應(yīng)用 21 4.5液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算 24 4.5.3液壓缸的材料及技術(shù)條件 27 4.6蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 30 4.6.1蝸桿傳動(dòng)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(dòng)的主要幾何尺寸計(jì)算 32 4.7滾動(dòng)軸承的選擇及校核計(jì)算 34 4.8本章小結(jié) 34 第5章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 5.1軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 35 5.1.1選擇軸的材料 35 5.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 5.1.3軸的校核計(jì)算 35 5.2滾動(dòng)軸承的選擇及校核計(jì)算 38 5.3鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算 39 5.4聯(lián)軸器的選擇 39 5.5本章小結(jié) 40 第6章 運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析與運(yùn)算 41 6.1輪胎在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)分析 41 6.2試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 42 6.3本章小結(jié) 44 結(jié)論 45 參考文獻(xiàn) 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(dòng)過程中，其滾動(dòng)阻力約占汽車總阻力的20%，如果按照每減少10%的輪胎滾動(dòng)阻力，降低2%-3%燃油的話，加強(qiáng)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力水平的控制，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)將是顯著的，而且可以在較大范圍內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。因此，如何有效地控制輪胎的滾動(dòng)阻力是行業(yè)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文將從多個(gè)角度探討和分析汽車輪胎滾動(dòng)阻力以及測(cè)試技術(shù)。 在輪胎滾動(dòng)過程中，循環(huán)變化的應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致能量損耗，形成輪胎滾動(dòng)阻力，也稱為輪胎滯后能量損耗。研究表明，克服輪胎滾動(dòng)阻力消耗燃油占普通汽車總油耗的10%以上，減小輪胎滾動(dòng)阻力可以降低汽車能耗，使汽車行駛的距離更遠(yuǎn)，效率更高。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的需要，輪胎滾動(dòng)阻力的控制逐漸進(jìn)入人們的研究范圍。 1.2輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的功用 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)也稱底盤測(cè)功機(jī)，是車輛整車室內(nèi)試驗(yàn)的大型關(guān)鍵設(shè)備之一，它主要用于車輛行駛阻力的模擬，以便用室內(nèi)試驗(yàn)代替部分道路試驗(yàn)，因此被廣泛地用于汽車、農(nóng)用運(yùn)輸車的整車性能試驗(yàn)、法規(guī)檢測(cè)、裝配下線調(diào)整、新產(chǎn)品開發(fā)研究等領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)研究了我們?cè)谵D(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)研究中所做的一些工作，主要是車輛在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上行駛時(shí)力學(xué)特性的研究，以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。 底盤測(cè)功機(jī)是一種不解體檢驗(yàn)汽車性能的檢測(cè)設(shè)備，它是通過在室內(nèi)臺(tái)架上汽車模擬道路行駛工況的方法來檢測(cè)汽車的動(dòng)力性，而且還可以測(cè)量多工況排放指標(biāo)及油耗。同時(shí)能方便地進(jìn)行汽車的加載調(diào)試和診斷汽車在負(fù)載條件下出現(xiàn)的故障等。由于汽車底盤測(cè)功機(jī)在試驗(yàn)時(shí)能通過控制試驗(yàn)條件，使周圍環(huán)境影響減至最小，同時(shí)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(jìn)行符合實(shí)際的復(fù)雜循環(huán)試驗(yàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。底盤測(cè)功機(jī)分為兩類，單滾筒底盤測(cè)功機(jī)，其滾筒直徑大(1500-2500mm），制造和安裝費(fèi)用大，但其測(cè)試精度高，一般用于制造廠和科研單位；雙滾筒式底盤測(cè)功機(jī)的滾筒直徑小(180-500mm），設(shè)備成本低，使用方便，但測(cè)試精度較差，一般用于汽車使用、維修行業(yè)及汽車檢測(cè)線、站。近年來因電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，為數(shù)據(jù)的采集、處理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了有效的手段，同時(shí)為模擬道路狀態(tài)準(zhǔn)備了條件，加速了底盤測(cè)功機(jī)的發(fā)展，加之各類專用軟件的開發(fā)和應(yīng)用，使汽車底盤測(cè)功機(jī)得到了廣泛的推廣。 1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展情況 80年代中期起，隨著我國(guó)加速發(fā)展子午線輪胎的需要，少數(shù)輪胎生產(chǎn)企業(yè)從美國(guó)、日本和德國(guó)引進(jìn)了帶有滾動(dòng)阻力試驗(yàn)工位的轉(zhuǎn)鼓式輪胎試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合開發(fā)新型子午線輪胎和剖析外國(guó)輪胎樣品進(jìn)行了一些輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)。 20世紀(jì)70年代起，在美國(guó)、日本和歐洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，為了解決能源短缺和環(huán)境質(zhì)量惡化問題，對(duì)汽車輪胎滾動(dòng)阻力進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究工作。與此同時(shí)，輪胎滾動(dòng)阻力的測(cè)試技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 目前我國(guó)建立了以室內(nèi)試驗(yàn)為主，室外試驗(yàn)為輔的方向。在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)條件即恒定的負(fù)荷和速度下，輪胎行駛達(dá)到熱平衡時(shí)測(cè)量汽車輪胎滾動(dòng)阻力的方法，已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備方面，經(jīng)過幾十年的努力，先后出現(xiàn)了多種類型的輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試機(jī)。我們按照模擬路面的形式來分，有鋼帶式和轉(zhuǎn)鼓式兩大類。鋼帶式試驗(yàn)機(jī)模擬了平的連續(xù)路面，是目前價(jià)格昂貴的輪胎試驗(yàn)設(shè)備。目前應(yīng)用最廣的是轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)，尤其是直徑為1.7米的轉(zhuǎn)鼓式。這些設(shè)備按測(cè)量輪胎滾動(dòng)阻力的方法來分，又有測(cè)力法、扭矩法、功率法和減速度法4種。現(xiàn)有的設(shè)備以采用測(cè)力法和扭矩法者居多。在近二十年內(nèi)，試驗(yàn)設(shè)備的精度大大提高，測(cè)量誤差成倍減少，已形成了一套確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)可重復(fù)性所必需的設(shè)備精度要求。 1.4研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)采用的是單滾筒底盤測(cè)功機(jī)，采用這個(gè)方法可以對(duì)新胎的滾動(dòng)阻力進(jìn)行比較，測(cè)試時(shí)輪胎垂直于轉(zhuǎn)鼓外表面且以穩(wěn)定的狀態(tài)向前自由滾動(dòng)。測(cè)量輪胎滾動(dòng)阻力時(shí)，還必須測(cè)量在存在大得多的作用力下的各種小作用力。這就要求設(shè)備和儀表有很高的精度。 汽車行駛阻力直接影響汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性等幾大使用性能，而滾動(dòng)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(dòng)阻力系數(shù)，而滾動(dòng)阻力的大小與輪胎和道路有較大的關(guān)系，因此對(duì)與道路有密切關(guān)系的滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)定具有十分重要的意義。 根據(jù)車輪的實(shí)際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實(shí)際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用測(cè)功機(jī)輸入動(dòng)力，制動(dòng)系消耗功率，并能準(zhǔn)確測(cè)量輸入和輸出的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而通過運(yùn)算得到滾動(dòng)阻力系數(shù)的準(zhǔn)確值。為研制開發(fā)滾動(dòng)阻力系數(shù)試驗(yàn)裝置提供理論參考。 設(shè)計(jì)的主要具體內(nèi)容包括： （1）滾動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的總體方案確定； （2）對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和制動(dòng)電機(jī)的選擇； （3）加載機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； （4）運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析及試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)算和處理。 第2章 總體方案的確定 2.1轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的確定 2.1.2輪胎滾動(dòng)阻力力學(xué)特性 滾動(dòng)車輪產(chǎn)生的所有阻力被定義為車輪滾動(dòng)阻力，主要包括輪胎滾動(dòng)阻力分量、道路阻力分量和輪胎側(cè)偏阻力分量。其中，輪胎側(cè)偏阻力分量是由輪胎的側(cè)向載荷使輪胎側(cè)偏而產(chǎn)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(duì)滑動(dòng)造成的摩擦阻力外，胎內(nèi)氣流流動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的輪胎對(duì)外部空氣造成的風(fēng)扇效應(yīng)都會(huì)引起輪胎的滾動(dòng)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(dú)列出。 當(dāng)充氣輪胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直線滾動(dòng)時(shí)，其外緣中心對(duì)稱面與輪胎滾動(dòng)方向一致，所受到的與滾動(dòng)方向相反的阻力即為本設(shè)計(jì)中所說的輪胎滾動(dòng)阻力。 根據(jù)作用機(jī)理的不同，輪胎滾動(dòng)阻力還可以進(jìn)一步分解為彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇效應(yīng)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(dòng)阻力的主要原因。實(shí)際中充氣輪胎在靜態(tài)壓縮作用下會(huì)產(chǎn)生變形并且回彈，并由于其內(nèi)部的摩擦作用而引起能量損失。當(dāng)車輪在力或力矩作用下滾動(dòng)時(shí)，對(duì)輪胎胎面上的每一單元而言，其壓縮與回彈的過程將重復(fù)不斷地進(jìn)行。對(duì)這樣一個(gè)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(yīng)，將它稱之為彈性遲滯阻力。輪胎胎面的彈簧和阻尼特性對(duì)路面附著力也有影響，選用低阻尼的胎面材料會(huì)導(dǎo)致附著摩擦力降低。 當(dāng)輪胎等效系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的“彈簧-阻尼單元”便開始做功，并將其轉(zhuǎn)化為熱，所產(chǎn)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(dòng)進(jìn)入輪胎接觸印跡區(qū)，由此相應(yīng)的輪胎外圓圓弧就被壓成對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，即“輪胎接地長(zhǎng)度” 。在輪胎接觸印跡內(nèi)，路面與滾動(dòng)單元帶之間在哪縱向及橫向?qū)a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即所謂的“部分滑動(dòng)”。由于部分滑動(dòng)引起輪胎磨損，其能量被轉(zhuǎn)換成熱，由此產(chǎn)生了車輛動(dòng)力傳動(dòng)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(fēng)扇效應(yīng)阻力 像風(fēng)扇一樣，輪胎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣流損失，但可將其看做是對(duì)整個(gè)車輛氣流影響的一部分。因此，通常將風(fēng)扇效應(yīng)阻力加到總的車輛空氣阻力中。 4.滾動(dòng)阻力系數(shù) 綜上所述，車輪在干、硬的平路面行駛，其滾動(dòng)阻力包括彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇阻力三部分，即： （2.1） 試驗(yàn)表明，在128-152km/h速度范圍內(nèi)，90%-95%輪胎的破壞是由內(nèi)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(dòng)阻力主要由胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用造成。實(shí)際上，式（2-1）表達(dá)的各個(gè)分量（如彈性分量與摩擦分量）均無法單獨(dú)分開測(cè)量，因此有用的還是綜合表達(dá)式。 2.1.2滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)定方法 一般可采用兩種不同的方法測(cè)量輪胎的總滾動(dòng)阻力，即整車道路測(cè)試和室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試。整車道路測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是：道路狀況和基本條件是真實(shí)的，但由于輪胎重復(fù)試驗(yàn)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(cè)試中很難保證指定的試驗(yàn)參數(shù)。而以上問題在室內(nèi)固定輪胎試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試中可以避免。在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，裝有試驗(yàn)輪胎的車輪被放在可以動(dòng)的滾動(dòng)表面上，試驗(yàn)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(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的類型選擇 根據(jù)滾動(dòng)面情況的不同，輪胎試驗(yàn)臺(tái)基本上可分為三種類型（見表2.1的說明）： （1）外支撐試驗(yàn)臺(tái)； （2）內(nèi)支撐試驗(yàn)臺(tái)； （3）平板試驗(yàn)臺(tái)。 表2.1 輪胎試驗(yàn)臺(tái)的類型及特點(diǎn) 試驗(yàn)類型 簡(jiǎn)圖 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 外支撐試驗(yàn)臺(tái) 空間足夠大， 輪胎易于安裝 很難實(shí)現(xiàn)濕 路面測(cè)量 內(nèi)支撐試驗(yàn)臺(tái) 胎面可換，能實(shí) 現(xiàn)濕路面測(cè)量 空間有限，輪 胎不易安裝 平板試驗(yàn)臺(tái) 底座平坦，與實(shí) 際情況更吻合 導(dǎo)向困難，振 動(dòng)引起腐蝕 最常用的是外支撐試驗(yàn)臺(tái)，外支撐試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低，承載能力高，且結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)鼓上設(shè)置不同的道路條。 對(duì)內(nèi)支撐試驗(yàn)臺(tái)而言，離心力的作用可使車輪胎面很容易地固定于試驗(yàn)臺(tái)面。因此，內(nèi)支撐試驗(yàn)臺(tái)特別適合于進(jìn)行不同類型路面的試驗(yàn)，比如確定輪胎濕胎面的滾動(dòng)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(yàn)臺(tái)基本上都存在測(cè)量誤差。與平板試驗(yàn)臺(tái)相比，在車輪載荷相同的情況下，內(nèi)支撐試驗(yàn)臺(tái)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(yīng)增加。如果滾動(dòng)卷筒半徑與車輪半徑相比較大，其測(cè)量誤差就可控制在較小范圍內(nèi)。必要時(shí)可引入校正因子，以保證其測(cè)量結(jié)果與平面測(cè)量結(jié)果相吻合。 平板試驗(yàn)臺(tái)在最大程度上保證了輪胎的滾動(dòng)表面，為車輪控制和車輪運(yùn)動(dòng)提供了寬闊的空間，同時(shí)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(shí)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(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為解決滾板的導(dǎo)向問題，需要的技術(shù)成本較高，另外，滾板的磨損也增加了運(yùn)行成本。 本設(shè)計(jì)選用的就是外支撐試驗(yàn)臺(tái)。 2.1.4滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)量與計(jì)算 在輪胎試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)的方法，是用轉(zhuǎn)鼓輪胎試驗(yàn)臺(tái)，如圖2.2所示。 圖2.2 轉(zhuǎn)鼓輪胎試驗(yàn)臺(tái) 工作原理是由電力測(cè)功機(jī)驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)輪胎放在轉(zhuǎn)鼓上，輪胎上加載垂直載荷，轉(zhuǎn)鼓軸連接著作為制動(dòng)裝置的測(cè)功器。實(shí)驗(yàn)中測(cè)出驅(qū)動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)矩和作用于轉(zhuǎn)鼓的制動(dòng)力矩，則滾動(dòng)阻力系數(shù)為 （2.2） 式中：—驅(qū)動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)矩 —轉(zhuǎn)鼓的制動(dòng)力矩 —轉(zhuǎn)鼓的半徑 —輪胎的動(dòng)力半徑 —作用于輪胎上的垂直載荷 2.2 試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)條件 2.2.1轉(zhuǎn)鼓技術(shù)條件 1.轉(zhuǎn)鼓直徑 由于鋼帶式試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴，目前在室內(nèi)進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)的設(shè)備仍以轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)為主。但是現(xiàn)用設(shè)備的轉(zhuǎn)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(guó)設(shè)備情況和鼓面曲率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響后，一方面作出了轉(zhuǎn)鼓直徑應(yīng)在1.5～3m之間的規(guī)定；另一方面指出，在不同直徑的轉(zhuǎn)鼓上測(cè)得的輪胎滾動(dòng)阻力值也不同，并給與了校正公式。但是該公式系一近似計(jì)算公式，輪胎與轉(zhuǎn)鼓接觸面上的力分布的改變并非一簡(jiǎn)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(guān)。這里選擇直徑為1.6m的轉(zhuǎn)鼓。 2.轉(zhuǎn)鼓表面 轉(zhuǎn)鼓表面應(yīng)為光滑的鋼制表面或有紋理的表面，轉(zhuǎn)鼓表面應(yīng)保持清潔。 汽車在干燥滾筒上的驅(qū)動(dòng)過程是一個(gè)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(dòng)變形時(shí)，由于壓縮與伸張作用之間能量的差別而消耗的能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為阻止車輪滾動(dòng)的作用力； 該兩項(xiàng)分力取決于輪胎材料、結(jié)構(gòu)和溫度。 附著系數(shù)隨速度增加而下降的原因較為復(fù)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(zhuǎn)鼓寬度 轉(zhuǎn)鼓測(cè)試面寬度應(yīng)大于輪胎胎面的寬度，輪胎直徑為0.76m，寬為0.24m，所以轉(zhuǎn)鼓寬度選為0.6m。 3．溫度環(huán)境 (1)標(biāo)準(zhǔn)條件 標(biāo)準(zhǔn)室溫是指在距輪胎側(cè)1m處的輪胎旋轉(zhuǎn)軸上測(cè)得的溫度，應(yīng)為25°C。 (2) 轉(zhuǎn)鼓表面溫度 注意確保測(cè)量開始時(shí)轉(zhuǎn)鼓表面的溫度與室溫大致相同。 4．試驗(yàn)條件 本項(xiàng)試驗(yàn)的內(nèi)容為在一定的輪胎充氣壓力下測(cè)量輪胎的滾動(dòng)阻力，在試驗(yàn)過程中，允許輪胎氣壓有所增大（封閉式氣壓）。 5．試驗(yàn)速度 （1）載荷指數(shù)不小于122的試驗(yàn)速度 速度級(jí)在K到M之間的輪胎轉(zhuǎn)鼓速度為80km/h，速度級(jí)在F到J之間的輪胎轉(zhuǎn)鼓速度為60 km/h。 （2）載荷指數(shù)小于122的試驗(yàn)速度 轉(zhuǎn)鼓速度為80km/h，如有需要，可采用120km/h的轉(zhuǎn)鼓速度。 2.2.2試驗(yàn)步驟 （1）磨合 為了保證測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，早開始試驗(yàn)之前，應(yīng)使輪胎有一個(gè)初始的磨合過程，然后再使之冷卻。 （2）溫度調(diào)節(jié) 充氣輪胎在試驗(yàn)場(chǎng)所的溫度環(huán)境中放置一定時(shí)間，以便達(dá)到熱平衡，通常在6h后溫度達(dá)到平衡。 （3）壓力調(diào)整 溫度調(diào)節(jié)結(jié)束后，將充氣壓力調(diào)整到試驗(yàn)壓力，10min后再檢查一遍。 （4）初步確定試驗(yàn)方案 測(cè)量并記錄的內(nèi)容包括： 1）試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓速度 v（km/h）； 2）垂直于轉(zhuǎn)鼓表面的輪胎載荷W； 3）充氣壓力； 4）驅(qū)動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)矩，作用于轉(zhuǎn)鼓的制動(dòng)力矩； 5）試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓半徑R（m）； 6）選擇的試驗(yàn)方法。 2.3滾動(dòng)阻力對(duì)汽車底盤輸出功率測(cè)定值的影響分析 車輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的相對(duì)剛度決定了變形的特點(diǎn)。當(dāng)彈性輪胎在硬質(zhì)的鋼制光滾筒上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的，此時(shí)由于輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使輪胎變形時(shí)對(duì)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(zhì)的分子間的摩擦，最后轉(zhuǎn)化為熱能而消失在大氣中。這種損失即為彈性物質(zhì)的遲滯損失。 因?yàn)闈L動(dòng)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(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)，所以，對(duì)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(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響 (1)若滾筒的半徑r越大，在車輪滾動(dòng)時(shí)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)，當(dāng)車速一定時(shí)滾動(dòng)阻力系數(shù)的波動(dòng)范圍就越小，所以說，滾動(dòng)阻力系數(shù)隨滾筒加工精度的提高而減小。 (3)目前我國(guó)在用的底盤測(cè)功機(jī)滾筒表面有兩種，一種是常見的光滾筒即表面未經(jīng)處理的滾筒，另一種是滾筒表面噴涂有耐磨硬質(zhì)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(yàn)用的東風(fēng)車在50km/h工況下檢測(cè)最大底盤輸出功率時(shí)，其滑移率約為8%，也就是說，汽車車輪在行走時(shí)，除滾動(dòng)阻力外還有滑拖，致使被檢測(cè)車輪發(fā)熱，增大了滾動(dòng)阻力損失，同時(shí)由于速度的誤差，引起了所測(cè)功率的誤差。后者采用表面噴涂技術(shù)，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(cè)功機(jī)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(duì)車輪支承力也隨之增大，這樣將導(dǎo)致車輛在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上的運(yùn)行滾動(dòng)阻力增加。 綜上所述滾筒直徑、安置角、滾筒表面質(zhì)量、滾筒中心距對(duì)滾動(dòng)阻力有很大的影響，由于部分底盤測(cè)功機(jī)僅顯示功率吸收裝置的吸收功率，所以同一輛車在不同臺(tái)架上測(cè)得的數(shù)值不同。因此如果以底盤測(cè)功機(jī)作為法定計(jì)量設(shè)備，其滾簡(jiǎn)直徑、中心距、表面處理以及加載方式必須標(biāo)準(zhǔn)化。 2.輪胎氣壓對(duì)滾動(dòng)阻系數(shù)的影響 輪胎氣壓對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)影響很大，氣壓低時(shí)在硬路面上輪胎變形大，滾動(dòng)時(shí)遲滯損失增加，為了減少該項(xiàng)所引起的檢測(cè)誤差，要求在動(dòng)力性檢測(cè)前必須將輪胎氣壓充至標(biāo)準(zhǔn)氣壓。 2.4本章小結(jié) 本章主要確定了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案的目的和測(cè)量方法，詳述了輪胎滾動(dòng)阻力的力學(xué)特性,并對(duì)滾筒裝置和輪胎的尺寸參數(shù)進(jìn)行了選擇，探討了試驗(yàn)設(shè)備以及技術(shù)條件。同時(shí)也分析了滾動(dòng)阻力對(duì)汽車底盤輸出功率測(cè)定值的影響。 第3章 電機(jī)的選擇 3.1電力測(cè)功機(jī)的功用 3.1.1電力測(cè)功機(jī)的應(yīng)用情況 電力測(cè)功機(jī)是測(cè)功機(jī)家族中比較有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€(gè)分支。電力測(cè)功機(jī)就是利用直流電機(jī)或者交流電機(jī)作為轉(zhuǎn)換元件，將電能轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，以轉(zhuǎn)矩形式為軸承電機(jī)加載；并通過對(duì)輸出功率的測(cè)試，是一種全功能（有電動(dòng)工況又有發(fā)電工況）、高性能的重要檢測(cè)設(shè)備。在這些功能中，很大一部分是針對(duì)電機(jī)的。它是被測(cè)電機(jī)的加載設(shè)備，是電機(jī)制造和產(chǎn)品研發(fā)過程中重要的性能測(cè)試和檢測(cè)設(shè)備之一。它通過軸連接器與被測(cè)電機(jī)同軸對(duì)接，用于模擬和控制被測(cè)電機(jī)的負(fù)載，以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以及其他特殊的動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，如安全性試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)等。 國(guó)內(nèi)通常把直流測(cè)功機(jī)和交流測(cè)功機(jī)統(tǒng)稱為電力測(cè)功機(jī)。電力測(cè)功機(jī)目前大都采用直流測(cè)功機(jī)，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的調(diào)速性能好，控制簡(jiǎn)單。但直流電機(jī)由于換向器的影響，不能適用于高速運(yùn)行，因此在轉(zhuǎn)速很高的情況下，往往采用機(jī)械減速裝置。 3.1.2電力測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 電力測(cè)功機(jī)利用電機(jī)測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合轉(zhuǎn)速以確定功率的設(shè)備。因?yàn)楸粶y(cè)量的動(dòng)力機(jī)械可能有不同轉(zhuǎn)速，所以用作電力測(cè)功機(jī)的電機(jī)必須是可以平滑調(diào)速的電機(jī)。目前用得較多的是直流測(cè)功機(jī)、交流測(cè)功機(jī)和渦流測(cè)功機(jī)。 直流測(cè)功機(jī)由直流電機(jī)、測(cè)力計(jì)和測(cè)速發(fā)電機(jī)組合而成。直流電機(jī)的定子由獨(dú)立的軸承座支承，它可以在某一角度范圍內(nèi)自由擺動(dòng)。機(jī)殼上帶有測(cè)力臂，它與測(cè)力計(jì)配合，可以檢測(cè)定子所受到的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)直流電機(jī)原理，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)施加于定子和轉(zhuǎn)子。定子所受到的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子所受到的轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，所以轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩可以由定子上量測(cè)。運(yùn)行中軸承、電刷和風(fēng)致摩擦等引起的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，會(huì)使定子和轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)矩不完全相等，這給測(cè)量所帶來的誤差需要加以考慮。 直流測(cè)功機(jī)可作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，作為被測(cè)動(dòng)力機(jī)械的負(fù)載，以測(cè)量被測(cè)機(jī)械的軸上輸出轉(zhuǎn)矩；也可以作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，拖動(dòng)其他機(jī)械，以測(cè)量其軸上輸入轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩與測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得的轉(zhuǎn)速之積即軸功率。這就是測(cè)功機(jī)一名的由來。本文采用的就是直流測(cè)功機(jī)。 3.2選擇電動(dòng)機(jī) 選擇電動(dòng)機(jī)的內(nèi)容包括:電動(dòng)機(jī)類型、結(jié)構(gòu)型式、容量和轉(zhuǎn)速，要確定電動(dòng)機(jī)具體型號(hào)。 3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 1．選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)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(diǎn)（性質(zhì)、大小、啟動(dòng)性能和過載情況）來選擇。 沒有特殊要求時(shí)均應(yīng)選用交流電動(dòng)機(jī)，其中以三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)用得最多。《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-1所列Y系列電動(dòng)機(jī)為我國(guó)推廣采用的新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的場(chǎng)合，以及要求具有較好啟動(dòng)性能的機(jī)械。在經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合(如起重機(jī)),要求電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小和過載能力大，則應(yīng)選用起重及冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)YZ型（籠型）或YZR型（繞線型）。 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有開啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式等，可根據(jù)防護(hù)要求選擇。同一類型的電動(dòng)機(jī)又具有幾種安裝型式，應(yīng)根據(jù)安裝條件確定。 因?yàn)楸緜鲃?dòng)的工作狀況是：載荷平穩(wěn)、單向旋轉(zhuǎn)，所以選用常用的封閉式Y(jié)（IP44）系列的電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速=3500r/min。 2．選擇電動(dòng)機(jī)容量 標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量由額定功率表示，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)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(jī)正常工作，或使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)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(fèi)。 電動(dòng)機(jī)的容量主要由運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱條件限定，再不變或變化很小的載荷下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，只要其電動(dòng)機(jī)的載荷不超過額定值，電動(dòng)機(jī)便不會(huì)過熱，通常不必校驗(yàn)發(fā)熱和啟動(dòng)力矩。 （1）工作機(jī)所需功率 式中：—工作機(jī)所需輸入功率，kw； —工作機(jī)的阻力鉅，N?m； —工作機(jī)的效率； —工作機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （2）電動(dòng)機(jī)的輸出功率 （3.1） 式（3.1）中，總效率按下式計(jì)算： 其中、、、、分別為傳動(dòng)裝置中每一傳動(dòng)副（齒輪、蝸桿、帶或鏈）、每對(duì)軸承、每個(gè)聯(lián)軸器的效率，其概略值見《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-7。選用此表數(shù)值時(shí)，一般取中間值，如工作條件差，潤(rùn)滑維護(hù)不良時(shí)應(yīng)取低值，反之取高值。 式中：Pd—工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率，kw； η總—電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率。 3．確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 同一類型的電動(dòng)機(jī)，相同的額定功率有多種轉(zhuǎn)速可供選用。如選用低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，因極數(shù)較多而外廓尺寸及重量較大，故價(jià)格較高，但可使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比及尺寸減小。選用高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)則相反。因此應(yīng)全面分析比較其利弊來選定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 按照工作機(jī)轉(zhuǎn)速要求和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理傳動(dòng)比范圍，可以推算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍，如 r/min 式中：nd—電動(dòng)機(jī)可選轉(zhuǎn)速范圍，r/min； —各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理傳動(dòng)比范圍（見《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-8或表13-2） 對(duì)Y系列電動(dòng)機(jī)，通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動(dòng)機(jī)，如無特殊需要，不選用低于750r/min的電動(dòng)機(jī)。 這里初選同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動(dòng)機(jī)。 4．電動(dòng)機(jī)型號(hào)的確定 由表12－1查出電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y250M-4 ,其額定功率為 55 kW，滿載轉(zhuǎn)速為 1480r/min，基本符合題目所需的要求。 根據(jù)選定的電動(dòng)機(jī)類型、結(jié)構(gòu)、容量和轉(zhuǎn)速，由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-1和表12-11查出電動(dòng)機(jī)型號(hào)，并記錄其型號(hào)、額定功率、滿載轉(zhuǎn)速，見表3.1，以及電動(dòng)機(jī)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(hào)的電動(dòng)機(jī)安裝及外形尺寸。 表3.1 電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率 kW 滿載轉(zhuǎn)速 r/min 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量kg Y250M-4 55 1480 2.0 2.2 427 圖3.1 Y250M-4電動(dòng)機(jī)安裝及外形尺寸 下表3.1為Y250M-4電動(dòng)機(jī)的外形尺寸參數(shù)。 表3.1 Y250M-4電動(dòng)機(jī)的外形尺寸參數(shù) 型號(hào) 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(dòng)電機(jī)的選擇 因?yàn)檩敵龊洼斎牍β氏嗖畈淮?，所以制?dòng)電機(jī)應(yīng)選用跟驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)相同的電機(jī)，因此制動(dòng)電機(jī)的型號(hào)為Y250M-4。 3.3傳感器的選擇 根據(jù)試驗(yàn)的條件這里選擇CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。CYB-803S用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值，由于輸出為方波頻率信號(hào)或4-20mA電流信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器由于是變壓器感應(yīng)供電，可以長(zhǎng)期工作，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、發(fā)電機(jī)、減速機(jī)、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的檢測(cè)。CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型對(duì)照表和外形尺寸如表3.1和圖3.1所示。 表3.1 CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型對(duì)照表 Nm D d L E H h B G F 鍵（長(zhǎng)×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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的外形尺寸 1—測(cè)試傳動(dòng)軸；2—扭矩儀殼體；3—電器盒；4—底座；5—調(diào)整螺孔 3.4本章小結(jié) 本章介紹了電力測(cè)功機(jī)的組成、原理及應(yīng)用，然后通過運(yùn)算對(duì)電動(dòng)機(jī)的類型、容量、轉(zhuǎn)速進(jìn)行了確定，從而確定了電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，并選擇了一個(gè)合適的傳感器用來測(cè)驅(qū)動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)矩和作用于轉(zhuǎn)鼓的制動(dòng)力矩。 第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1結(jié)構(gòu)及工作原理 傳統(tǒng)軸承試驗(yàn)機(jī)所使用的加載裝置均為手動(dòng)加載，只能提供一種恒定的油壓，使試驗(yàn)軸承只能獲得恒定的壓力。雖然可以由液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)壓力的變化，但液壓系統(tǒng)體積大、造價(jià)高、耗能大。基于以上原因，設(shè)計(jì)了以下加載裝置。 加載裝置結(jié)構(gòu)如圖4.1，主要由步進(jìn)電機(jī)、壓力變送器、液壓系統(tǒng)及蝸輪、蝸桿組成。 加載裝置工作時(shí)，缸體下部預(yù)先充入液壓油，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給，通過蝸桿蝸輪帶動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，軸5通過花鍵帶動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)。由于軸3和蓋4之間是螺紋連接，軸3在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中下移，從而推動(dòng)活塞下移，使液壓油進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)加載油缸。 壓力變送器能測(cè)得系統(tǒng)油壓，并把它變?yōu)殡娦盘?hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)所需油壓控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)或退，以達(dá)到試驗(yàn)機(jī)所需油壓。 4.2步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)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(jī)床快速移動(dòng)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(jìn)電機(jī)；8—壓力變送器 總的來說，選擇步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行，如圖4.2所示。 圖4.2 選擇步進(jìn)電機(jī)步驟 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)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(dāng)量摩擦系數(shù)為， 則當(dāng)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(dòng)比設(shè)為， 取蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率， 取軸承效率， 則蝸桿軸所需最大扭矩為， VRDM368型步進(jìn)電機(jī)額定扭矩為1.5，能滿足要求。 4.3液壓傳動(dòng)概論 液壓傳動(dòng)是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械設(shè)備中，液壓傳動(dòng)是被廣泛采用的傳動(dòng)方式之一。 液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)相比，有以下有點(diǎn)： （1）能方便地進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。 （2）體積小、質(zhì)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(dòng)作靈敏，這對(duì)于液壓自動(dòng)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(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和過載保護(hù)。 （4）因傳動(dòng)介質(zhì)為油液，故液壓元件有自我潤(rùn)滑作用，使壽命長(zhǎng)。 （5）可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 （6）液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，便于設(shè)計(jì)、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(dá)直接帶動(dòng)負(fù)載，從而省去了中間的減速裝置，使傳動(dòng)簡(jiǎn)化。 液壓傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是： （1）漏。由于作為傳動(dòng)介質(zhì)的液體是在一定的壓力下、有時(shí)是在較高的壓力下工作的，因此在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面間不可避免地要產(chǎn)生漏油。同時(shí)，由于油液并不是絕對(duì)不可以壓縮的，油管等也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，所以液壓傳動(dòng)不宜用在傳動(dòng)比要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合。 （2）振。液壓傳動(dòng)中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪聲。 （3）熱。在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，由于存在機(jī)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(dòng)不宜用于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。 （4）液壓傳動(dòng)性能對(duì)溫度比較敏感，故不宜在高溫或低溫下工作。液壓傳動(dòng)裝置對(duì)油液的污染亦較敏感，故要求有良好的過濾設(shè)施。 （5）液壓元件加工精度要求高，一般情況下又要求有獨(dú)立的能源，這些可能使產(chǎn)品成本提高。 （6）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，不易迅速排出。 綜上所述，液壓傳動(dòng)由于其優(yōu)點(diǎn)比較突出，故在工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門獲得廣泛應(yīng)用。它的某些缺點(diǎn)隨著生產(chǎn)技術(shù)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(jìn)水平，我國(guó)已瞄準(zhǔn)世界發(fā)展主流的液壓元件系列型譜，有計(jì)劃地引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外最先進(jìn)的液壓技術(shù)和產(chǎn)品，并對(duì)我國(guó)現(xiàn)正生產(chǎn)的液壓產(chǎn)品進(jìn)行整頓，合理調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大力開展產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作?？梢灶A(yù)見，我國(guó)的液壓技術(shù)在21世紀(jì)必將獲得更快的發(fā)展。 4.4液壓缸的類型及其特點(diǎn)和應(yīng)用 液壓缸是把液體的壓力能轉(zhuǎn)換成直線式機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置（執(zhí)行元件）。液壓缸輸出的是力和位移。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)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(dòng)活塞向著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而反向運(yùn)動(dòng)則依靠重力或彈簧力等實(shí)現(xiàn)。雙作用式液壓缸，其正、反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓力來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)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(duì)于機(jī)床類機(jī)械一般采用中低壓液壓缸，其額定壓力為2.5～6.3MPa；對(duì)于要求體積小、重量輕、出力大的建筑車輛和飛機(jī)用液壓缸缸多采用中高壓液壓缸，其額定壓力為10～16MPa；對(duì)于油壓機(jī)一類機(jī)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(jié)構(gòu)型式的不同，又有活塞式、柱塞式、擺動(dòng)式、伸縮式等形式，其中以活塞式液壓缸應(yīng)用最多。活塞缸和柱塞缸用以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度；擺動(dòng)缸用以實(shí)現(xiàn)小于360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)選用的是單桿活塞缸。 4.5液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)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(nèi)徑、長(zhǎng)度、活塞桿的直徑及長(zhǎng)度。確定上述尺寸的原始依據(jù)是液壓缸的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)速度、行程長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)形式等。通常，液壓缸需要自行設(shè)計(jì)。 1．液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑 動(dòng)力較大的設(shè)備（如拉床、刨床、車床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)等）液壓缸的內(nèi)徑通常是先根據(jù)設(shè)備類型及缸所受負(fù)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(jì)算得出。 表4.1 各類液壓設(shè)備常用工作壓力 設(shè)備類型 磨床 車床、銑床、鉆床、鏜床 組合機(jī)床 龍門刨床拉床 注塑機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、小工程機(jī)械 液壓壓力機(jī)、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī) 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(fù)載之間的關(guān)系 負(fù)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(fù)載F為90，工作壓力P為20，活塞桿受壓力=0.7。 當(dāng)有桿腔壓力油驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，由于 故 （4.1） 當(dāng)無桿腔壓力油驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，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(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。 因?yàn)槭怯捎袟U槍壓力驅(qū)動(dòng)負(fù)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(jié)構(gòu)和工藝上的需要確定，一般不進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)液壓缸工作壓力較高或直徑較大時(shí)，才有必要對(duì)其最薄弱部位的壁厚進(jìn)行強(qiáng)度校核。 當(dāng)時(shí)，按以下薄壁筒公式校核 （4.3） 當(dāng)時(shí)，按以下厚壁筒公式校核 （4.4） 式中：—缸筒壁厚； —缸筒直徑； —試驗(yàn)壓力，當(dāng)液壓缸的的額定壓力時(shí)，；當(dāng)額定壓力時(shí)，； —缸筒材料的許用應(yīng)力。，為抗拉強(qiáng)度，為安全系數(shù)，一般取。 因?yàn)? 所以按公式（4.4）進(jìn)行校核，結(jié)果符合要求。 3．液壓缸其它尺寸的確定 液壓缸的長(zhǎng)度按其最大行程確定，一般不大于（20～30）。活塞的寬寧國(guó)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(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度，當(dāng)＜80mm時(shí)，取（0.6～1）；當(dāng)時(shí),取（0.6～1）?；钊麠U的長(zhǎng)度按缸的長(zhǎng)度、活塞的寬度、導(dǎo)向套的長(zhǎng)度、端蓋的有關(guān)尺寸及它與工作臺(tái)連接方式確定。對(duì)長(zhǎng)度與直徑之比大于15的受壓活塞桿，應(yīng)按材料力學(xué)公式進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算。當(dāng)壓力不高時(shí)，端蓋的尺寸、緊固螺釘?shù)膫€(gè)數(shù)和尺寸可由結(jié)構(gòu)決定；高壓系統(tǒng)則必須進(jìn)行螺釘強(qiáng)度的校核。 4.5.2單桿活塞缸原理及計(jì)算 圖4.3為單桿活塞缸原理圖。其活塞的一側(cè)有伸出桿，兩腔的有效工作面積不相等。當(dāng)向缸兩腔分別供油，且供油壓力和流量相同時(shí)，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向的推力和運(yùn)動(dòng)速度不相等。 當(dāng)無桿腔進(jìn)壓力油，有桿腔回油（圖4.3a）時(shí)，活塞推力和運(yùn)動(dòng)速度分別為 （4.5） （4.6） （a） （b） 圖4.3單桿活塞缸 當(dāng)桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油（圖4.3b）時(shí)，活塞推力和運(yùn)動(dòng)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(jìn)油壓力； —進(jìn)入液壓缸的流量表； —液壓缸內(nèi)徑； —活塞桿直徑； 比較上面公式可知：，。即無桿腔進(jìn)壓力油工作時(shí)，推力大，速度低；有桿腔進(jìn)壓力油工作時(shí)，推力小，速度高。因此，單桿活塞缸常用于一個(gè)方向有較大負(fù)載但運(yùn)行速度較低，另一個(gè)方向?yàn)榭蛰d快速退回運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。例如，各種金屬切削機(jī)床、壓力機(jī)、注射機(jī)、起重機(jī)的液壓系統(tǒng)即常用單桿活塞缸。 單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，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(dòng)。液壓缸的這種連接稱為差動(dòng)連接。 差動(dòng)連接時(shí)，活塞的推力為 （4.9） 若活塞的速度為，則無桿腔的進(jìn)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(dòng)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(dòng)連接時(shí)，能使運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)“快進(jìn)（差動(dòng)連接）→工進(jìn)（無桿腔進(jìn)壓力油）→快退（有桿腔進(jìn)壓力油）”工作循環(huán)的組合機(jī)床等設(shè)備的液壓系統(tǒng)中。這時(shí)，通常要求“快進(jìn)”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(tái)的活動(dòng)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(shù)條件 1.缸筒 (1) 缸筒材料（如圖4.5所示） 工程機(jī)械、鍛壓機(jī)械等工作壓力較高的場(chǎng)合，常用20、35、45號(hào)鋼的無縫鋼管。其中，20號(hào)鋼用得較少，因其較軟，機(jī)械強(qiáng)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(hào)鋼，并在粗加工后調(diào)質(zhì)。不與其它零件焊接的缸筒，常用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，調(diào)制處理的目的是保證強(qiáng)度高、加工性好，一般調(diào)質(zhì)到HB241～285。 圖4.5 缸筒 （2）技術(shù)條件 1)缸筒內(nèi)徑孔采用H9配合。內(nèi)孔表面的粗糙度：當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時(shí)，取～；當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時(shí)，取～，且均需要研磨或衍磨。比較加工方法是在鏜孔之后進(jìn)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(dá)HRC35～40）。 2)內(nèi)控表面的圓柱度公差為內(nèi)徑公差之半。 3)孔軸心線的直線度公差在500mm長(zhǎng)度上為0.03。 4)端面對(duì)軸心線的垂直度公差在直徑100mm上為0.04mm。 5)當(dāng)缸筒與端蓋用螺紋聯(lián)接時(shí)，螺紋采用6g級(jí)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(nèi)表面鍍0.03～0.05mm厚的硬鉻，再進(jìn)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(shù)條件 1)外徑對(duì)的徑向跳動(dòng)公差為公差之半。 2)端面對(duì)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) （