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電磁制動器研究設計 作 者 : 顏珂 學院 (系 ): 機械工程學院 專 業(yè) : 機械工程及自動化 2009 年 6 月 火箭 彈 等武器發(fā)射系統(tǒng)的高低 機和方向機快速、精確地隨動調(diào)轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)瞄準和提高武器性能 的關鍵技術 。 在瞄準機瞄準過程中，當方向機和高低機轉(zhuǎn)到目標位置后，需要抱閘和鎖緊在當前位置；在火箭炮發(fā)射過程中，由于振動或是其他因素可能影響瞄準位置，需要抱閘裝置以防止瞄準機的瞄準出現(xiàn)偏移。 電磁制動器適用于定向、定位和發(fā)射裝置的轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)軸的制動功能，具有結(jié)構(gòu)緊 湊、重量輕和安全可靠的特點，具有對高低機和方向機在任意位置抱閘和鎖緊功能 。 關鍵詞 火箭 彈發(fā)射 抱閘 鎖緊 電磁制動器 of o of s is to s In of s to to be at In be or so is to is It is of in 第 I 頁 共 I 頁 目 次 1 緒論 ................................................................ 1 課題研究背景、目的和意義 .......................................... 1 論文主要研究工作及意義 ............................................. 3 2 電磁制動器設計 ...................................................... 4 電動機選擇 ......................................................... 5 電磁制動器原理設計 ................................................. 6 本章小結(jié) ........................................................... 8 3 主要零件的分析與設計 ................................................ 9 摩擦元件設計 ....................................................... 9 線圈設計 .......................................................... 12 彈簧設計 .......................................................... 14 其他零件的設計 .................................................... 16 本章小結(jié) .......................................................... 17 4 有限元分析 ......................................................... 17 線性靜力分析假設 .................................... 19 彈性力學假設 ...................................................... 19 摩擦片的有限元分析 ................................................ 20 本章小結(jié) .......................................................... 23 結(jié) 論 ................................................................ 24 致 謝 ................................................. 錯誤 !未定義書簽。 參 考 文 獻 ........................................................... 25 附 錄 ................................................. 錯誤 !未定義書簽。 第 1 頁 共 28 頁 1 緒論 課題研究背景、目的和意義 20世紀 60 年代以來，由于科學 技術的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進，火炮在射程、射速、威力和機動性各方面都有明顯提高。在增大火炮射程方面，主要采用高能發(fā)射藥 ,加大裝藥量 ,加長身管，增大膛壓，提高初速，相應采用自緊炮身以及發(fā)展新彈種（如底凹彈、底部噴氣彈、火箭增程彈和棗核彈）等。 105 毫米榴彈炮射程從第二次世界大戰(zhàn)時的 11～ 12公里增大到 15～ 17公里 ,155毫米榴彈炮射程從 14～ 15公里增大到 30公里以上，有的達 40 余公里。在增大火炮射速方面，采用半自動炮閂，液壓傳動瞄準機構(gòu)，可燃藥筒和全自動裝填機構(gòu)等。瑞典 155 毫米榴彈炮，最大發(fā) 射速度 3 發(fā)／ 6～ 8秒。美 105 毫米榴彈炮利用前沖原理縮短后坐量 ， 后坐時間由 降為 ， 后坐距離由 1184 毫米降至 430 毫米。在提高彈丸威力方面，采用增大彈體強度 ,減薄彈體壁厚，增大炸藥裝填量等措施，并改裝高能炸藥和采用預制破片彈等。美 105 毫米榴彈的殺傷效果 ,相當于第二次世界大戰(zhàn)期間的 155 毫米榴彈。 在提高火炮機動性方面，許多國家采取新結(jié)構(gòu)、新原理、新材料等以減輕火炮重量 ,并重視發(fā)展新型自行火炮。美 105 毫米榴彈炮，上架、下架和大架合一，高低機與平衡機合一，采用鳥胸骨閉架式大 架和迫擊炮座盤，簡化了結(jié)構(gòu)，改善了受力條件，除后坐部分為鋼制件外，其余大多為鋁制件?；鹋谥亓坑稍瓉淼?2260 千克減到 1400 千克。美 105 毫米榴彈炮利用前沖原理，重量由原來的 2260 千克減到 2027 千克。美 155 毫米自行榴彈炮，采用專用鋁合金車體，體積小，重量輕，機動性好 ； 采用密閉式旋轉(zhuǎn)炮塔，具有浮渡能力；采用液壓折疊式駐鋤 ,方向射界為 360° 。 瑞典的 155 毫米榴彈炮和英國 、 聯(lián)邦德國、意大利聯(lián)合研制的 155 毫米榴彈炮 ， 均附有輔助推進裝置，進一步提高了火炮的機動 能力。 蘇 Д 122 毫米榴彈炮采用具有 360° 方向射界的炮架，提高了火炮的火力機動性。 火 炮在射擊前必須先進行瞄準 。 所謂瞄準 ， 就是賦予炮膛軸線以射擊所必須的正確位置 ， 使射擊時的平均彈道通過預定射擊點的動作過程 。 完成瞄準操作的裝置稱為瞄準機。 瞄準機的作用是按照瞄準裝置所裝定的設計諸元 ，賦予定向器軸線一定的高低角和方向角， 即賦予定向器軸線一定的空間位置。 瞄準機 分為高低機和方向機 。 通過高低機操縱起落部分繞耳軸旋轉(zhuǎn)賦予炮膛軸線的高低角 ， 稱為高低瞄準 。通過方向機操縱回轉(zhuǎn)部分繞立軸旋轉(zhuǎn)賦予炮膛軸線的方位角 ， 稱為方 向瞄準 。 第 2 頁 共 28 頁 制動器是 使機械中的運動件停止或減速的機械 構(gòu)件， 俗稱剎車、閘。制動器主要由制動架、制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間隙的自動調(diào)整裝置。為了減小制動力矩和結(jié)構(gòu)尺寸，制動器通常裝在設備的高速軸上，但對安全性要求較高的大型設備 (如礦井提升機、電梯等 )則應裝在靠近設備工作部分的低速軸上。 最早的制動器為機械式，隨著自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了電磁式制動器，干式電磁制動器先是單片式，因為價格低，結(jié)構(gòu)簡單，在技術要求不搞的地方得到了廣泛應用，不足之處是精度低，接通時間長，易磨損，在很大程度上限制了進一步的 應用。而干式多片式失電式電磁制動器以體積小，力矩值大，動作靈敏，壽命長等特點，迅速在各行業(yè)得到了廣泛的應用。 圖 制動器的分類 有些制動器已標準化和系列化，并由專業(yè)工廠制造以供選用。 電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動化執(zhí)行元件，在機械傳動系統(tǒng)中主要起傳遞動力和控制運動等作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，響應靈敏，壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠距離控制等優(yōu)點。 主要與系列電機配套。廣泛應用于冶金、建筑、化工、食品、機床、舞臺、電梯、輪船、包裝等機械中，及在斷電時（防險）制動等場合。 使機械運轉(zhuǎn)部件停止或減速所必須施加的阻力矩稱為制動力矩。制動力矩是設計、選用制動器的依據(jù)，其大小由機械的型式和工作要求決定。制動器上所用摩擦材料（制動件）的性能直接影響制動過程，而影響其性能的主要因素 第 3 頁 共 28 頁 為工作溫度和溫升速度。摩擦材料應具備高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。摩擦材料分金屬和非金屬兩類。前者常用的有鑄鐵、鋼、青銅和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡膠、木材和石棉等。 利用電磁效應實現(xiàn)制動的制動器，分為電磁粉末制動器和電磁渦流制動器，電磁摩擦式制動器等多種形式 。 電磁制動器主要分為： ① 電 磁粉末制動器：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化 ,形成磁粉鏈 ,并在固定的導磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實現(xiàn)制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕 ,激磁功率小 ,而且制動力矩與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關，可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)制動扭矩，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機器的驅(qū)動系統(tǒng)。 ② 電磁渦流制動器：激磁線圈通電時形成磁場。制動軸上的電樞旋轉(zhuǎn)切割磁力線而產(chǎn)生渦流。電樞內(nèi)的渦流與磁場相互作用形成制動力矩。電磁渦流制動器堅固耐用、維修方便、調(diào)速范圍大 ；但低速時效率低、溫升高，必須采取散熱措施。這種制動器常用于有垂直載荷的機械中。 ③ 電磁摩擦式制動器：激磁線圈通電產(chǎn)生磁場，通過磁軛吸合銜鐵，銜鐵通過聯(lián)結(jié)件實現(xiàn)制動。 另外還細分為干式單片電磁制動器 、 干式多片電磁制動器 、 濕式多片電磁制動器等等 ； 根據(jù) 制動方式又可分為通電制動和斷電制動。 電磁制動器是一種將主動側(cè)扭力傳達給被動側(cè)的連接器 ， 可以據(jù)需要自由的結(jié)合 ， 切離或制動 ， 因使用電磁力來作動 ， 稱之 電磁 制動器 ， 具有響應速度快 ， 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 電磁制動器是使機器在很短時間內(nèi)停止運轉(zhuǎn)并閘住不動的裝置 ， 制動器 也可在短期內(nèi)用來減低或調(diào)整機器的運轉(zhuǎn)速度 。 論文主要研究工作 及意義 在瞄準機瞄準過程中，當方向機和高低機轉(zhuǎn)到目標位置后，需要抱閘和鎖緊在當前位置；在火箭炮發(fā)射過程中，由于振動或是其他因素可能影響瞄準位置，需要抱閘裝置以防止瞄準機的瞄準出現(xiàn)偏移。因為即使微小的位置偏移都會使得火箭炮的目的地出現(xiàn)不可預計的偏差，所以抱閘裝置的要求十分嚴格，鎖緊不能出現(xiàn)任何問題。又由于瞄準機工作條件較差，傳動運動受力較大，在行軍或射擊時受有動負 第 4 頁 共 28 頁 載荷的作用，因此制動器應有足夠的強度和壽命，以保證不被破壞或產(chǎn)生變形。令一方 面，為提高火箭武器的運動機動性，不能做得太笨重，所以在保證可靠性的前提下，應使其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。 本文主要完成以下工作： （ 1） 查閱和檢索火箭發(fā)射裝置構(gòu)造和發(fā)射原理文獻； （ 2） 查閱和探索電磁制動器相關文獻及資料 ； （ 3） 對電磁制動器的工作原理和結(jié)構(gòu)進行設計 ； （ 4） 根據(jù) 已知條件對電磁制動器主要零件分析和設計計算 ； （ 5） 利用 件完成 電磁制動器 的三維立體圖和裝配圖 ； （ 6）利用 電磁制動器進行有限元分析 和強度校核 。 2 電磁制動器設計 火箭發(fā)射裝置 系統(tǒng)要求該電磁制動器直徑小、制動轉(zhuǎn)矩大、制動靈敏而平穩(wěn)；并具備適應高低溫、沖擊、振動、濕熱、雨淋等惡劣環(huán)境的能力。本電磁制動器就 第 5 頁 共 28 頁 是基于上述性能和多種功能要求進行研究和設計制造。 電動機選擇 電動的選擇主要考慮一下內(nèi)容： （ 1） 類型的選擇 技術性要求 ： 根據(jù)生產(chǎn)機械對電動機的機械特性 ， 起動性能 ， 調(diào)速性能 ， 制動方法 ，過載能力等要求考慮 ； 經(jīng)濟性要求 ： 節(jié)省初期投資 ， 減少運行費用 ； （ 2） 功率的選擇 技術性要求 ： 額定功率過大 ， 電動機欠載運行 ,增加設備投資 ， 降低效率和功率因數(shù) ；額定功率太小 ， 電 動機過載運行 ， 電動機過熱 ， 降低使用壽命 ； 解決方法 ： a、 類比法 ： 參照同類生產(chǎn)機械來決定電動機的額定功率 。 b、 統(tǒng)計法 ：經(jīng)統(tǒng)計分析找出電動機的額定功率與生產(chǎn)機械的主要參數(shù)之間的計算公式 。 c、 實驗法 ： 用同類或者相進類型的生產(chǎn)機械進行試驗 ， 測出功率大小 。 d、 計算法 ： 根據(jù)電動機的負載情況 ， 從發(fā)熱 、 過載能力 、 起動能力等方面考慮 ， 通過計算求出所需功率 。 （ 3） 電壓的選擇 技術性要求 ： 根據(jù)電動機的額定功率和供電電壓情況選擇電動機的額定電壓 。 本設計中 首先考慮到工作條件比較惡劣，所以選擇密封結(jié)構(gòu)， 又 因為需要固定，所以 安裝方式選擇 底腳帶 凸緣）。 已知轉(zhuǎn)速為 70° /s，則 70 2 1 . 2 2 1 7 3 /360 r a d s??? ? ?， 可求得 60n = 1 1 . 6 7 r / m i ?? ?， 取 n=12 / 額定轉(zhuǎn)矩為 500? 取 所以 n 0 . 7 3 9 1 4 49550MP k w???， 又電動機 承受沖擊和振動，綜上考慮選擇 電動機結(jié)構(gòu)和外形尺寸與基本系列相同，轉(zhuǎn)子采用高電阻鋁合金澆鑄，適用于慣 性矩較大且具有沖擊性負荷機械的傳動 。 其主要參數(shù)： 極數(shù) 6 額定功率 （ 第 6 頁 共 28 頁 轉(zhuǎn)速 （ r/ 870 電壓 （ V） 380 額定電流 （ A） 效率 （ %） 率因數(shù) （ 堵轉(zhuǎn)電流 /額定電流 5 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩 動慣量（ m^2） 噪聲 （ )） 0 重量 （ 23 最大長度 （ 368 最大寬度 （ 255 最大高度 （ 200 電磁制動器原理設計 通過大量查閱資料后設計 工作原理圖 如下 ： 圖 工作原理圖 擦片 該電磁制動器的工作原理：當電磁制動器未通電時，在彈簧力的作用下銜鐵將內(nèi)外摩擦片加緊，產(chǎn)生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下，產(chǎn) 生制動作用，旋轉(zhuǎn)負載立即停止轉(zhuǎn)動；當電磁制動器通電時，電磁制動器上的電磁線圈產(chǎn)生磁場，銜鐵受到電磁力作用向下運動，該力大于彈簧力并使銜鐵向下壓緊彈簧，使內(nèi)外摩擦片分離，從而解除限制。 第 7 頁 共 28 頁 圖 裝配圖 圖 爆炸圖 第 8 頁 共 28 頁 本章 小結(jié) 本章 主要討論了 電動機的選擇以及電磁制動器的工作原理 。 電動機的選擇考慮的因素較多，火箭發(fā)射裝置在野外工作時惡劣的條件成為電動機選擇的主要考慮條件。電磁制動器的設計在參考多個方案后選擇了失電式電磁制動器，該種電磁制動器體積較小，制動轉(zhuǎn)矩大，由電磁力驅(qū)動可使制動器 反應迅速且工作平穩(wěn)，工作壽命也較長。 第 9 頁 共 28 頁 3 主要零件的分析與設計 電磁制動器的設計計算是根據(jù)有關資料并考慮到該電磁制動器本身的特點而編制的。 主要零件包含內(nèi)、外摩擦片，電磁線圈以及彈簧。 摩擦元件 設計 摩擦元件 為 電磁制動器的制動零件，包含一個內(nèi)摩擦片和兩個外摩擦片，內(nèi)摩擦片含內(nèi)花鍵與電動機輸出軸的外花鍵連接，其性能直接影響制動能力和結(jié)合過程。主要分析設計其材料的選擇、花鍵連接以及主要尺寸計算。 摩擦元件材料的選擇 選擇摩擦材料的時候，主要 考慮一下幾點： a. 摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定，要求在一定的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的恢復性能； b. 具有良好的耐磨性能，以提供制動器的壽命； c. 有一定的機械強度，如許用壓強要大，這樣可增加彈簧壓力，從而增加制動轉(zhuǎn)矩 。 查詢相關資料后選用 青銅， 為不含其它元素的鋁青銅。有較高的強度、彈性和耐磨性；在大氣、淡水、海水和某些酸中耐蝕性高，可電焊、氣焊，不易釬焊 ，能很好地承受在冷態(tài)或熱態(tài)下承受壓力加工，不能淬火回火強化。 摩擦片主要尺寸設計 （ 1） 摩擦片外徑 D 2 1 0f p c m????2(1+C)(1（ 式中， ? 取值范圍在（ 間 ，取 銅基燒結(jié)合金鋼，其范圍在（ 間 ，取 f=0.3 擦表面的數(shù)目， i=摩擦片總數(shù) ， i=3 圍在 52( 3 6 ) 1 0 / ，取 526 1 0 /p N m?? 徑之比，即 C=d/D， d 為內(nèi)徑，一般 C 值在（ 間 ，取 C=表達式為v m nk k k k? 第 10 頁 共 28 頁 其中， v?， v 為摩擦外表面圓周速度（ m/s） 求取方法見下表 表 系數(shù)求取方法見下表 表 系數(shù)v=s 可得3 2 . 5 2 . 9 2 4 0 1 80 . 1?，有條件取 1 1，則2 . 9 2 4 0 2v m nk k k k?? 又00T 所以可求得 23 1 6 1 . 2 5 0 0 1 0 6 . 4 4 6 90 . 3 2 6 0 2 . 9 2 4 0 2D c m? ? ? ?? ? ? ? ? 2(1+取 7D （ 2） 摩擦片內(nèi)徑 d d 7 0 . 8 4 5 . 8 8 c ? ? ?，取 d=6（ 3） 摩擦片徑向?qū)挾?b 11( ) 7 6 0 . 5 c d? ? ? ? ?（ ） （ 4） 摩擦片厚度 H、 h 內(nèi)摩擦片厚度 H 取 5摩擦片厚度 h 取 4摩擦片數(shù) ? 3 4 5 6 7 8 9 10 通次數(shù) /小時 90 120 150 180 210 240 300 ? 360 第 11 頁 共 28 頁 圖 摩擦片 花 鍵設計 （ 1） 花鍵選擇 由于電動機輸出軸參數(shù)為 24閱相關資料后選擇花鍵參數(shù)為6 2 6 3 0 6 d? ? ? ? ? ?（ N D B ）和 1 0 7 2 7 8 1 2? ? ? 兩種花鍵， N 為鍵數(shù)， 工作長度取 l=40 圖 矩形花鍵 （ 2） 花 鍵強度校核 ，校核內(nèi)摩擦片花鍵強度 3 0 []z P ah ???? （ ? —— 載荷分布不均系數(shù)， ? ，取 ? = z—— 花鍵的鍵齒數(shù) ， z=6； l—— 齒的工作長度 ， l=40 h—— 花鍵齒側(cè)面的工作高度， 形花鍵 22 c?， D 為花鍵大徑， d 為花鍵小徑， c 為倒角尺寸而漸開線花鍵 = 3 0 h = m ; = 4 5 , h = 0 . 8 m????， ， h=2 第 12 頁 共 28 頁 花鍵的平均直徑， 形花鍵，漸開線花鍵8 p[]?—— 許用擠壓應力， 下表 ，取p[]?=80 [p] —— 許用比壓， 下表； 表 花鍵許用擠壓應力和許用比壓 許用擠壓應力、許用比壓 連接工 作方式 使用和 制造情況 齒面未經(jīng) 熱處理 齒面經(jīng) 熱處理 p[]?（ 靜連接 不良 中等 良好 350000020p] （ 空載下移動的動連接 不良 中等 良好 1505000載荷作用下移動的動連接 不良 中等 良好 — — — 30 3 0 0 1 0 9 3 . 0 0 5 9 5 a [ ]0 . 8 6 2 4 0 2 8 ??? ? ?? ? ? ? 合適。 三維效 果圖如下。 圖 內(nèi) 、外 摩擦片 線圈設計 考慮到制動器定子體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，為使勵磁線圈散熱效果好，線圈骨架用 第 13 頁 共 28 頁 黃銅制造，同時也減少了動子鐵心與線圈骨架孔相對運動時的摩擦阻力。對勵磁線圈采用真空浸 F 級無溶劑漆，這樣不僅有利于導熱，還提高了線圈的絕緣性能、耐熱耐濕性能，增強了抗沖擊振動等機械性能。 （ 1） 線圈匝數(shù) W 2e 102 cp ?? （ 線圈額定電壓， 24V； x?—— 電阻率，x?按 75C? 時電阻率計算，此時 20 . 0 2 1 7 m m /x M? ? ? ?； 14 12（ D +D ） —— 線圈平均半徑近似值， 1D 、 2D 分別為窗口內(nèi)外徑，則1 （ 6+7 ） = J—— 電流密度，一般 J在 （ 2 . 5 6 ） A/ 之間，取 可求得 22 4 1 0 2 1 6 6 . 4 4 82 3 . 2 5 0 . 0 2 1 7 2 . 5W ? ???? ? ?，取 2167W ? 匝。 （ 2） 線規(guī)直徑c p 0 2 1 6 2 1 6 7 3 . 2 5 0 . 0 2 1 7 1 0d 2 2 m ? ?? ? ? ? ? ??? = = 2 . 8 5 5 取 （ 3） 勵磁繞組尺寸確定 下圖為勵磁繞組示 意圖，其中 b、 圖 勵磁繞組 繞組寬度：121b ( ) 8 . 52 D D m m? ? ? ? ?； 則繞組沿寬度方向排列層數(shù) 5 2 8 . 3 30 . 3d? ? ?； 繞組沿高度方向排列層數(shù)h 6 . 4 8 22 8 . 3 3? ? ?，取 h 77S ? ； 第 14 頁 共 28 頁 則繞組高度：d 2 6 . 5 m ? ? ? ?。 工作氣隙： ? 彈簧設計 簧材料選擇 彈簧是在動載荷下工作，且要求在重載下也不產(chǎn)生塑性變形，因此，要求彈簧材料應具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應具有足夠的韌性和塑性，以及良好的熱處理性能。常用的彈簧材料有：碳素彈簧鋼、硅錳彈簧鋼、不銹鋼及青銅。 本設計中因為要求的制動扭矩較大，工作環(huán)境較惡劣，所以對彈簧的要求也較高，綜合考慮后選用特殊用途碳素彈簧鋼（甲組） 簧主要尺寸計算 取 8 組彈簧圓周分布在銜鐵下方 （ 1） 彈簧 最 大工作載荷計算 彈簧壓力 p—— 摩 擦面壓強， 圖 圓柱螺旋彈簧 22 22 2 2 28 1 0 8 1 . 2 5 0 0 1 0p 5 1 . 5 3 1 6 /f i p ( ) ( ) 0 . 3 2 2 . 9 2 4 0 2 ( 7 6 ) ( 7 6 )T N c d D d???? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?S—— 受壓面積， 2 2 2 2 221( ) ( 3 . 5 3 ) 1 0 . 2 1 0 1 8 c R??? ? ? ? ?則 p 5 1 . 5 3 1 6 1 0 . 2 1 0 1 8 5 2 6 . 1 4 6 4F S N? ? ? ? 每個彈簧的最大工作載荷m a x 6 5 . 7 6 8 3 18（ 2） 計算鋼絲直徑 d a、 有關參數(shù)選擇 按照彈簧絲直徑表 ，根據(jù) 1 ( 5 4 ) 12d m m? ? ?，假設彈簧直徑 d=選彈簧指數(shù)2 / d 6彈簧中徑2 d 1 6 3 m ? ? ? 第 15 頁 共 28 頁 查表符合系列要求。 曲度系數(shù) 4 1 0 . 6 1 5 4 6 1 0 . 6 1 5 1 . 2 5 2 5 1 . 2 54 4 4 6 4 6C? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?b、 材料與許用壓力 選用甲組特殊用途碳素彈簧鋼絲。 強度極限按表查得 2 7 4 6 P? ?扭轉(zhuǎn)許用應力按表求得 1373 M P a?? ?B[ ] = 0 . 5c、 鋼絲直徑，由公式可得 m a x 1 . 2 5 6 5 . 7 6 8 3 1 6d 1 . 6 1 . 6 0 . 4 5 9[ ] 1 3 7 3K F C ??? ? ?按表取 d=算 可用。 （ 3） 計算剛度，確定彈簧圈數(shù) a、 初算剛度，由公式可得 m a xm a 5 . 7 6 8 3 1k = 8 . 2 1 0 3 8 / m ? ?? b、 工作圈數(shù) 查表可得 8 1 4 0 0 P? 則338 1 4 0 0 0 . 5 2 . 8 6 48 8 6 8 . 2 1 0 3 8k ?? ? ???圈 取 n=3圈 （ 4） 實際剛度 338 1 4 0 0 0 . 5 7 . 8 5 1 0 8 / m 3 6? ? ??? （ 5） 彈簧的其他尺寸 彈簧內(nèi)徑12 d 3 0 . 5 2 . 5 m ? ? ? ?彈簧外徑2 + d 3 0 . 5 3 . 5 m ? ? ?支承圈數(shù)2圈死圈 總?cè)?shù)12n n n 3 1 4? ? ? ? ?圈 扭轉(zhuǎn)極限c?取 ?[] c a?? ?= 1 . 2 5 [ ] = 1 . 2 5 1 3 7 3 = 1 7 1 6 . 2 5 M P 第 16 頁 共 28 頁 自由間隙 2 21 1 7 1 6 . 2 5 0 . 9 5 3 88 8 1 . 2 5 6 3 7 . 8 5 1 0 8cd n k?? ?? ??? ? ?? ? ? ?取 1? 彈簧節(jié)距 p 1 0 . 5 1 . 5d m m?? ? ? ? ? 自由高度0 n p 2 d = 3 1 . 5 + 2 0 . 5 = 5 . 5 m ? ? ?工作高度31( n 1 ) d 1 m ? ? ? ?（ 4 ） 1=5螺旋升角2r c t g a r c t g 9 2 ' 3 5 "3D? ??? ? ? ?? 彈簧絲長度21n 34 3 8 . 1 7 3 6c o s c o s 9 2 ' 3 5 "DL m m? ?? ??? ? ??其他零件的設計 鐵設計 銜鐵 的設計比較簡單， 材料采用硅鋼制造， 為了便于制造和簡化計算，取其內(nèi)外徑與摩擦片相同，厚度為 10 圖 銜鐵 殼設計 外殼 與制動器定子連接在一起，設計其厚 度為 2 第 17 頁 共 28 頁 圖 外殼 動器定子 制動器定子的設計以線圈尺寸為基礎，考慮安裝所需的螺紋孔后設計。 圖 制動器定子 本章小結(jié) 本章對 電磁制動器的主要零件進行了設計，主要考慮的參數(shù)為 500定制動扭矩，在滿足該扭矩的條件下盡可能的小型化、輕量化制動器。摩擦片的尺寸設計是整個設計中的基礎，在確定了摩擦片的尺寸后其他零件結(jié)構(gòu)才能得以實現(xiàn)；線圈作為提過電磁力的部件，對其的設計將決定能否達到制動要求，過少或過多的線圈都會造成制動錯誤；彈簧提供的彈簧力也決定著 能否滿足制動要求，彈簧力與電磁力之間必須保持平衡才能使電磁制動器 保持長時間的 正常 工作。其他零件的設計則在翻閱了大量資料后得以制定。 4 有限元分析 有限元分析與三維設計在現(xiàn)代機械設計中占有重要的一席之地，有限元分析大大縮短了機械設計的整個周期，在簡化 手工運算量的同時提高了運算精度，使得結(jié)果更加的準確可信。在本次設計中，使用了 電磁制動器進行 有限元分析。 有限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。它是二十世紀五十年代首先在連續(xù)體力學領域 態(tài) 特性分析中應用的 第 18 頁 共 28 頁 一種有效地數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛地應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。 有限元法，簡單地說，就是把一個連續(xù)的求解域（連續(xù)體）離散化，即分割成彼此用節(jié)點（離散點）相互聯(lián)系的有限個單元，在單元體內(nèi)假設近似解得模式，用有限個節(jié)點上的未知參數(shù)表征單元的特征，然后用適當?shù)姆椒?，將各個單元的關系式組合成包含這些未知參數(shù)的代數(shù)方程，得出節(jié)點的位置參數(shù)，再利用插值函數(shù)求出近似解。這是一種使用有限的單元離散某連續(xù)體，然后進行求解的一種數(shù)值計算的近似方法。 由于單元可以被分割成各種形狀和大小不同 的尺寸，所以他能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件，再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使它成為一種非常受歡迎的、應用極廣的數(shù)值計算方法。 有限元法發(fā)展到今天，已成為工程數(shù)值分析的有力工具。特別是在固體力學和結(jié)構(gòu)分析的領域內(nèi)，有限元法取得了巨大的進展，利用它已經(jīng)成功地解決了一大批有重大意義的問題，很多通用程序和專用程序投入了實際應用。同時，有限元法又是仍在快速發(fā)展的一個科學領域，它的理論，特別是應用方面的文獻已經(jīng)大量地出現(xiàn)在各種刊物和文獻中。 在有限元分析中，如何對模型進行網(wǎng)格劃分，以及 網(wǎng)格的大小，都直接關系到有限元求解結(jié)果的正確性和精度。劃分網(wǎng)格時主要考慮結(jié)構(gòu)中對結(jié)果影響不大、但建模又十分復雜的特殊區(qū)域的簡化處理。同時需要明確進行簡化對計算結(jié)果帶來的影響是有利還是不利的。對于裝配體的有限元分析中，首先明確裝配關系。對于裝配后不出現(xiàn)較大裝配應力，同時結(jié)構(gòu)變形時裝配處不發(fā)生相對位移的連接，可采用兩者之間連為一體的處理方法，但連接處的應力是不準確的，這一結(jié)果并不影響遠處的應力與位移。如果裝配后出現(xiàn)較大應力或結(jié)構(gòu)變形時，裝配處發(fā)生相對位移的連接，需要按接觸問題處理。 在本次設計 中， 采 用 了 對 電磁制動器的內(nèi)摩擦片 進行分析。 出的一套強大的有限元分析軟件。 于加州的洛杉磯，從 1982 年成立至今， 直致力于有限元 術的研究和發(fā)展。 完全集成于 境并與 件無縫集成。從最近 第 19 頁 共 28 頁 的測試表明快速有限元法的解題速度比傳統(tǒng)算法提升 了 50 到 100 倍，并降低磁盤存儲空間，只需原來的 5%就夠了。更重要的是，它在微機上就可以解決復雜的分析問題，節(jié)省了使用者在硬件上的投資。 一個與 全集成的設計分析系統(tǒng)。 供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。借著快速解算器的強有力支持，使得能夠使用個人計算機快速解決大型問題。 有以下優(yōu)點： 1）使用軟件仿真代替昂貴的實地測試（降低成本）； 2）減少產(chǎn)品開發(fā) 周期的次數(shù)（縮短產(chǎn)品開發(fā)時間和成本回收時間）； 3）設計多樣與優(yōu)化（可一次形成多種設計概念，方便從中挑選最好的）。 線性靜力分析假設 據(jù)有限元法，使用線性靜力分析來計算應力，線性靜力分析需要在以下 3中假設下計算零件的應力。 （ 1） 線性假設 指所引起的響應與應用的載荷成正比。例如： 如果載荷量加倍，模型的響應（位移、應變和應力）也將加倍。如果滿足了下列條件，就可以認定這是個線性假設。 ? 最高應力位于“應力 線圖的線性范圍之內(nèi)，同時該線是一條從原點開始的直 線 ? 計算出的最大位移遠遠小于零件的特性尺寸。例如，板的最大位移必須遠遠小于其厚度，柱的最大位移也必須遠遠小于其橫截面的最小尺寸。 如果未滿足此假設，就需要用非線性分析。 （ 2） 彈性假設 如果移除載荷，零件將返回其原始形態(tài)（非永久變形）。如果未滿足此假設，就需要用非線性分析。 （ 3） 靜態(tài)假設 緩慢逐漸地加載載荷，知道全部完成為止。突然加載的載荷會導致額外的沖擊位移、應變和應力。如果未滿足此假設，就需要使用動態(tài)分析。 彈性力學假設 （ 1） 連續(xù)性假設 第 20 頁 共 28 頁 假設物體所占的空間被組成該物體的介質(zhì)所充滿，不留任何空隙。 不考慮介質(zhì)的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)。物體內(nèi)的物理量就能用空間坐標的連續(xù)函數(shù)來描述。 （ 2） 均勻性假設 認為物體由同一種材料組成，內(nèi)部的物理性質(zhì)處處完全相同。 （ 3） 各向同性假設 假設物體內(nèi)每一點沿各不同方向的物理性質(zhì)相同，如彈性常數(shù)，導熱系數(shù)等。 （ 4） 完全彈性假設 假設物體在外加因素去除后能完全恢復原來形狀，沒有剩余變形。同時認為應力與應變呈線性關系，即服從虎克定律。 （ 5） 微小變形假設 假設物體在載荷作用下產(chǎn)生的位移遠遠小于物體的特征尺寸，應變分量和轉(zhuǎn)角均遠小于 1。 上述 5項假設中，前四個屬于物理假設，符合前四個基本假設的稱為理想彈性體。第五個 假設屬于幾何假設，符合該假設的理想彈性體的問題稱為線性彈性力學 。 摩擦片的有限元分析 （ 1） 選擇研究類型 本次設計中的摩擦片受力屬于線性靜態(tài)力，在算例中選擇選項“靜態(tài)” 。 （ 2） 定義材料屬性 本次設計的摩擦片材料選用鋁青銅 材料庫中加載材料鋁青銅 。 彈性模量是 110泊松比為 剪模量 43 質(zhì)量密度為 7400 屈服強度為 熱為 380J/( （ 3） 添加約束與載荷 在該摩擦片的力學模 型中，在花鍵內(nèi)側(cè)添加完全約束；在摩擦片兩側(cè)面添加力矩載荷，大小為 500 （ 4） 劃分網(wǎng)格并進行運算 選擇“實體網(wǎng)格”對摩擦片進行劃分，參數(shù)選擇中等 ，劃分完成后進行運算。 （ 5） 得到分析結(jié)果并進行評估 第 21 頁 共 28 頁 圖 網(wǎng)格圖 圖 應力云圖 表 摩擦片受載時 最大與最小 應力 最大應力 （ 2/ 最小應力 （ 2/ 受 力位置 花鍵與摩擦片相交圓上 摩擦片外 圓 沿 上 由 圖 表 看出，摩擦片受最大應力分布在花鍵與摩擦片 相交的 圓環(huán)上 為 26 /10576.1 ，此處為摩擦片受力的危險點， 向摩擦片外圓方向 逐漸減小至摩擦片外圓沿上達到最小， 而摩擦片最大所受最大應力小于材料屈服力28 /10757.2 ， 滿足要求，故 合格。 第 22 頁 共 28 頁 圖 位移云圖 表 摩擦片受載時 最大與最小 位移 最大位移 （ m） 最小位移 （ m） ? ? 位移位置 摩擦片外 圓 沿 上 花鍵與摩擦片相交圓 上 由圖 表 看出，摩擦片在外沿位移最大為 ? m， 向摩擦片內(nèi)徑方向逐漸減小，至花鍵上位移到達最小并保持不變， 摩擦片大徑為 70可求得 '8 7 2 7 0 2 4 09 6 ?????? o?，滿足要求，故合格。 圖 應變云圖 表 摩擦片受載時 最大與最小應變 第 23 頁 共 28 頁 最大應變 最小應變 ? ? 應變位置 花鍵與摩擦片相交圓 附近 花鍵外圓沿上 由 圖 表 看出，摩擦片在花鍵與摩擦片相交圓附近 應變 ? ，向著花鍵端部方向逐漸減小 至花鍵端部達到最小，由于應變與彈性模量的乘積應小于材料屈服強度。 而 M P a 15 ????? ? ，滿足要求，故合格。 本章小結(jié) 本章 節(jié)主要是對摩擦片進行了 有限元分析，因為 傳統(tǒng)的力學計算方法 計算量大、精度低、周期長 ， 故 用有限元法 代替?zhèn)鹘y(tǒng)力學計算方法 很好 的解決了這個問 題，首先將摩擦片 網(wǎng)格化， 然后添加約束與載荷后分析并得出結(jié)論。 （ 1） 從上面的幾副云圖可以看出 摩擦片與花鍵相交圓上應力最大 ， 是結(jié)構(gòu)的危險處，因此在加工時應主語此處的強度，盡量提高此處的韌性。 （ 2） 理論 的 疲勞損傷壽命為 120 年，壽命 很長，經(jīng)久耐用。 應力幅對疲勞壽命 的影響最為顯著，應盡可能減少角向安裝偏差 。 （ 3） 雖然不同 材料的 摩擦片的 分析結(jié)果是不一樣的， 但最終目的都是為力滿足設計要求。 第 24 頁 共 28 頁 結(jié) 論 本次 設計 為 火箭發(fā)射裝置 方向機和高低機中的抱閘裝置 ， 采用了 失電式 電磁制動器方案，以實現(xiàn)抱閘迅速、 平 穩(wěn) 、尺寸小和制動轉(zhuǎn)矩大 等特點，工作條件的惡劣為結(jié)構(gòu)的設計帶來了一定的麻煩，但 最終還是得以解決，而摩擦片、線圈以及彈簧的設計則為本次課題的重點。 本文主要完成以下工作： （ 1）查閱和檢索火箭發(fā)射裝置構(gòu)造和發(fā)射原理文獻； （ 2） 查閱和探索電磁制動器相關文獻及資料 ； （ 3） 對電磁制動器的工作原理和結(jié)構(gòu)進行設計 ； （ 4）根據(jù) 已知條件對電磁制動器主要零件分析和設計計算 ； （ 5）利用 件完成 電磁制動器 的三維立體圖和裝配圖 ； （ 6）利用 電磁制動器進行有限元分析。 失電式 電磁制動器作為現(xiàn)今最先進的制動裝置 ， 大量廣泛的運用在各行各業(yè)，而對其的研究和改進從未停止過。制動器是火箭發(fā)射裝置精確定位的基礎，也是火箭發(fā)射裝置在多次連續(xù)發(fā)射中保持高精度的保證正是 這正是本實驗的開展目的，對火箭導彈的研究有著深遠的意義。 由于時間和條件有限，本次設計仍然有諸多缺陷，還難以在實際中得到應用，未能完成機械制造工藝方面的設計是最大的遺憾，如果能有更多的時間，本次設計將會更加完整，更加細致，也更加完善。 第 25 頁 共 28 頁 參 考 文 獻 [1] 賀北斗，林永明，曹聽榮 。 火箭發(fā)射裝置設計，北京：國 防工業(yè)出版社， 1988 [2] 姚昌仁 ， 波編著 。 火箭導彈發(fā)射裝置設計 ， 北京理工大學出版社 ， 1998 [3] 姚昌仁 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