毕业设计（论文）-微机测控汽车轮毂轴承油封性能试验台设计.doc

学号 毕 业 设 计（论 文） 微机测控汽车轮毂轴承油封性能试验台设计 教 学 系： 指导教师： 专业班级： 学生姓名： 二零一四年六月毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位设计(论文)题目微机测控汽车轮毂轴承油封性能试验台设计设计论文主要内容：设计采用微机测控的汽车轮毂轴承总成油封性能试验台。设计要求：1. 设计的试验台满足汽车轮毂轴承总成油封性能实验要求，实验台符合经济适用原则；2. 试验台应具有自动循环工作和手动调整功能；3. 按试验规范的要求加载力、转速应能调节控制；4. 试验数据采集和数据处理有较高的精度：2%试验台设计的依据为日本轮毂轴承试验标准，见附件。要去完成的主要任务及其时间安排：1. 提出设计方案并写出开题报告。2. 完成试验台总图（装配图）设计；3. 完成驱动装置及关键零部件的设计；4. 完成加载装置及关键零部件的设计；5. 拟定以单片机（或PLC）为核心的测控方案，进行电气控制设计；6. 编写设计说明书。必读参考资料：1 容一鸣撰写，机械式封闭功率流试验台原理简介2 黎启柏主编，液压原件手册 北京：冶金工业出版社，机械工业出版社3 雷天觉主编，液压工程手册 北京：机械工业出版社4 机械设计手册（新版） 北京：机械工业出版社5 王福瑞等编著，单片机微机测控系统设计大全 北京：北京航空航天大学出版社，2001年10月5日第5次印刷； 指导老师签名： 教研室主任签名：毕业设计（论文）开题报告题目微机测控汽车轮毂轴承油封性能试验台设计近几年，我国汽车行业处于高速发展时期，产销量不断提高，从长远发展考虑，各个制造商和用户对整车质量提出了更高的要求。这就要求轮毂轴承要有良好的性能，因而提高其使用寿命，制造 高品质的轴承已经成为国各个汽车轮毂轴承生产加工企业共同的努力目标。汽车轮毂轴承的密封结构在轴承所在的空间和成本中占有量很小，但是对于轴承使用过程中起到的重要性作用是众 所周知的。如果轴承密封能力不好，会导致外界泥沙、灰尘和水汽等侵入，使其发生异响，加重沟道和钢球的磨损，使钢球、沟道表面疲劳剥落，严重的影响其使用命，有些情况下甚至会导致车轮突然卡死造成严重的事故。可见长寿命轴承必然离开优良的密封结构，优良的轴承密封能力是长寿命轴承有利的保障和可靠的支持。我国汽车工业起步较晚，汽车轮毂轴承密封在技术能力、制造水平上均与国外存在一定的差距。为此，了解轴承密封结构的发展过程，分析和学习国外的先进技术，借鉴一些有用的先进经验，对促进我国行业的发展、提高技术水平，将会起到积极的作用。一、国内外轴承密封差异国外和国内轴承密封的剖面形状分别如图1和图2所示。它们都采用了三唇密封，但是结构型式不同。 图 2（国内） 图 1（国外） 其不同点是： 、三个密封唇与甩油环的接触过盈量或间隙量不同。 国外轴承2唇的密封过盈量较小，3唇则为间隙密封，1唇的过盈量与国内轴承相等。从总体看，国外轴承为低扭矩式密封，摩擦力矩、过盈量、接触力都较小，轴承温升应比国内轴承温升低。 、密封件3唇的结构差异。 国外和国内轴承密封件3唇的方向是相反的，而且国外轴承密封件3唇与甩油环之间为间隙。当轴承旋转，温度升高时，轴承内部空间的气体压力必然升高。在图1中，由于3唇与甩油环之间为间隙，形不成阻碍，在压力比较小时，就会经由2唇和1唇形成外泄通道；这样由于内外压差比较小，润滑脂的泄漏将是缓慢的。在图2中，当压力比较小时，3唇的密封过盈量会随着压力的升高而加大；当压力上升到足够高时，3唇将在瞬间被推开，经由2唇和1唇形成一条压力的外泄通道，压力和润滑脂将瞬时局部集中外泄。 、密封件1唇的结构差异 国外轴承密封件的1唇与轴承轴心线的夹角比较大，虽然接触过盈量和国内轴承相等，但接触面积比较大，接触力较小。一方面减小了摩擦力矩，另一方面加强了密封效果。 、密封件2唇的结构差异 国外轴承密封件2唇根部较薄、端部较厚，而且端部轮廓线向上倾斜。在2唇和3唇之间形成了存储空间。国内轴承2唇厚度比较均匀，2唇和3唇之间的区域则起不到存储外来泥水、灰尘的作用。 、抵御外来泥浆、灰尘的能力 外来泥浆、灰尘将通过间隙4进入，首先滞留于空间，空间存满后，经由空间、进入轴承内部。国外轴承空间、都有储存的功能，国内轴承只有空间、有储存的功能。因此国外轴承有较好的抵御外来泥浆、灰尘的能力。结论 1、国外轴承轴向游隙比较小，旋转精度高，对提高密封效果很有利。 2、国外轴承的填脂量和填脂率至少比国内轴承低27%，国内轴承填脂量偏多。 3、国外和国内轴承都采用了三唇密封加甩油环的型式，但三唇的结构存在比较明显的差异。国外轴承密封属低扭矩密封，摩擦力矩较小，发热少，有优异的抵御外来泥浆、灰尘的能力，也有比较好的防止润滑脂泄漏的能力。国内轴承的密封结构在抵御外来泥浆、灰尘的能力上比国外差，在防止润滑脂泄漏方面比较好，但是由于摩擦力矩大、温升高，使润滑脂变稀、轴承内外压差增大，再加上润滑脂装填过多，从而削弱了防止润滑脂泄漏的效果。二、基本内容和技术方案根据日本轮毂轴承试验标准实验所需项目如下 1.汽车轮毂轴承油封性能试验台需满足油封实验的项目：1油封耐久性泥水应符合JIS Z8901 8级 湿度比为 5%向油封喷泥水1h,转速为300r/min 停止喷泥水1h转速为1000r/min室温100h不应有泥水通过油封进轴承2油封耐久性泥水应符合JIS Z8901 的1级和8级，重量比为1:1向油封喷灰尘20h ，1500r/min停止喷灰4h，0 r/min1075循环5次不应有灰尘进轴承总体技术框图：异步电机离合器密封箱轴承高温箱轴承水泵泥水鼓风机灰尘PLC变频器 试验台主要包括两个部分：加载部分和驱动部分。PLC控制变频器控制异步电机最后传动到轴承上，这部分是驱动部分。PLC控制电机使实验用的灰尘或泥水喷射到轴承上，这部分是加载部分。在驱动部分中，可以使用步进电机、伺服电机或变频器控制异步电机调整转速，但步进电机、伺服电机的价格都比较贵，而且实验所需转速的调整不是很频繁，故采用变频器控制异步电机来控制转速，这样比较经济。异步电机与离合器用联轴器相连，离合器的作用是为了选择控制实验类型，有两个档位，分别控制高温箱轴承或密封箱轴承转动（如图1）。实验用轴承装配在离合器箱上，与轴配合。 图1 离合器采用的是滑移齿轮换挡。滑移齿轮换挡方式如图所示。齿轮1主动齿轮，齿轮2和齿轮3为从动齿轮.图示状态为空挡状态。主动齿轮1(双联齿轮)处于中间位置，与主动齿轮2,3没有接触，主动轴与双联齿轮花键联结，可以在轴上移动。这时，转动的从动齿轮2,3不能够使从动轴转动。需要挂挡时，向左移动双联齿轮，齿轮3与主动齿轮1啮合，转动的齿轮1带动齿轮3转动，齿轮3带动从动轴轴转动，实现一个档位.向右移动双联齿轮，齿轮2与主动齿轮4啮合，转动的齿轮4带动齿轮2转动，齿轮2带动从动轴轴转动，实现另一个档位。2.试验台控制系统对于油封性能的实验控制，采用PLC来实现自动循环功能和转速控制，用PLC控制电机和变频器来达到要求转速进行实验。首先，试验台驱动是由电机驱动，电机带动轮毂轴承转动，满足实验所需转速。实验所需的灰尘和泥水由事先配给好后放入单独储存箱，由液压泵和真空泵实行喷射，实验后的灰尘和泥水和流入各自储存箱循环使用。喷射灰尘的油封耐久性实验所需温度为100度，定做一个高温箱来达到规定温度，喷射泥水时在密封箱内。实验原理： 进行泥水油封耐久实验时，装夹好轴承，开始实验后，离合器打到泥水实验档，PLC控制变频器控制异步电机转速，异步电机带动离合器转动， 离合器带动密封轴承箱内的轴承轴转动，轴承装夹在轴承轴上，一起转动，转速为300r/h。同时，PLC控制水泵转动，水泵可以自搅拌实验用泥水，把泥水抽到实验密封轴承箱喷射。达到1h后，电机1停止，同时PLC控制变频器控制异步电机升速到1000r/h，运行1h。如此循环，直至实验100h。停止实验，拆下检测。 进行灰尘油封耐久实验时，装夹好轴承，开始实验后，离合器打到灰尘实验档，高温箱调到100恒定温度。PLC控制变频器控制异步电机转速，异步电机带动离合器转动， 离合器带动高温轴承箱内的轴承轴转动，轴承装夹在轴承轴上，一起转动，转速为1500r/h.。同时PLC控制鼓风机启动，实验用灰尘在被鼓风机吹动的时候在空气中混合，鼓风机把灰尘吹到实验密封轴承箱喷射。达到20h后，PLC控制所有电机停止转动4h。如此进行5次循环。结束实验，待轴承冷却后拆下，进行检测。实验方法： 进行泥水油封耐久性实验时，装上实验轴承，把泥水配比材料放入泥水储存箱，开始实验。 首先打开试验台电源，将离合器档位打到泥水档，按下开始泥水油封性实验按钮，变频器控制异步电机先动动，达到要求转速300r/min，电机1开始控制搅拌器开始搅拌，同时电机1带动水泵开始喷射泥水，计时器满1h后，电机1停止，泥水喷射停止。然后PLC控制变频器控制异步电机使转速达到1000r/min，转动1h。这样实验100h。PLC控制停止实验。拆下轴承，进行检验，看泥水是否进入轴承。3进度安排：进度安排：第47周：初步拟定试验台设计方案第89周：设计试验台，并完成总体装配图第1012周完成电气连线图，完成plc I/O接线图以及离合器相关轴零件图第1314周整理相关的材料，完成毕业设计（论文）4指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目录摘 要10第1章 绪论111.1设计背景111.2 汽车轮毂轴承的发展111.3汽车轮毂轴承密封的重要意义121.4 汽车轴承油封性能试验台研制的必要性13第2章 试验台总体方案设计132.1试验台总体设计132.2驱动装置方案的论证与选择142.2.1驱动源的选择142.2.2 传动方式选择152.2.3轴承夹具的选择162.3 加载装置方案的论证与选择162.3.1 加载源的选型162.3.2 输送装置选择172.3.3 回流装置的设计172.4 轴承装夹装置17第3章 零件的选型与计算193.1电机的选型计算193.2 联轴器的选择203.3 传动齿轮的设计203.4传动轴的设计与校核233.5轴承的选型253.6 轴承盖的设计253.7试验台架的设计26第4章 试验台的控制系统设计264.1控制系统设计总体说明264.2 控制模块264.2.1 PLC简介264.2.2 变频器简介274.3主电路设计图294.4控制电路设计图304.4.1 PLC输入输出接口表304.4.2 PLC输出接口表304.5控制程序流程314.5.1泥浆实验程序流程314.5.2灰尘实验程序流程图32结束语33参考文献34摘 要汽车轮毂轴承的工作环境非常恶劣，工作温度的变化范围很大，不断地伴随着轴向载荷和巨大的冲击载荷，并且在振动的工况下运转，轴承内外存在着剧烈的热变换，很多汽车轮毂轴承失效都是由于润滑脂干涸和密封失效，泥水和尘埃进入轴承造成的，大大的缩短了轴承使用寿命，这是汽车轮毂轴承耐久性的一大技术难题。国外的大型轴承生产企业一向是很重视产品的密封结构和密封性能的技术研发，把密封性能试验与使用寿命试验视为同样重要，投入了相多的资金和技术力量到轮毂轴承的密封性能升级、结构开发、新材料研发等工作上，坚持不懈地提升产品质量。关键词: 轮毂轴承；密封性能 试验台ABSTRACT The work environment of the automobile is wicked, the variation scope of the bearings work temperature is very great, and while operating under the vibrating work condition, bearings inside exist the violent hot commutation. A lot of invalidations of the automobile wheel bearings come from the dried up of the lubricant, the invalidation of the seal and the water and dusts enter the bearings. And the three causes shorten the bearings service life consumedly. This is a big technique hard nut to crack of the automobile wheel bearings. The more well-known and large bearings of abroad produces the business enterprise to always attach importance to the product to seal completely the structure and seal completely the technique development of the function, for example the well-known business enterprise have taken out a nice bit of funds and the technique powers to throw in the product to seal completely the function upgrade annually, the structure development, the development of the new material etc.Key words: Automotive wheel hub bearing Sealing performance Test bench第1章 绪论1.1设计背景汽车自上个世纪诞生至今，已经走过了一百多年。从卡尔本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时18公里的速度，跑到现在，已经诞生了从速度为零到加速到100公里小时只需要三秒多一点的超级跑车。这一百年，汽车的发展速度是如此惊人！同时，汽车工业也造就了多位巨人，他们一手创建了通用、福特、丰田、本田这样一些在各国经济中举足轻重的著名公司。让我们一起来回望这段历史，品味其中的辛酸与喜悦，体会汽车给我们带来的种种欢乐与梦想 进入21世纪以后，中国的汽车工业在中国加入WTO后，进入一个市场规模、生产规模迅速扩大，全面融入世界汽车工业体。但是20多年了，中国汽车工业的企图“以市场换技术”的合资合作，始终没能实现初衷，拿出了市场，结果变成了没有技术含量的“用散件件换市场”和“用引进车型换市场”。随着汽车工的快速发展，我国汽车零配件行业加工技术得到了快速发展，但和工业发达国家相比，还有相当大的差距。组织开展专项研究和开发，提高自主研发能力，这是现在我国需要大力发展的。1.2 汽车轮毂轴承的发展汽车轮毂轴承的发展方向是紧凑结构的单元化设计发展方向。轴承的单元化大大降低了轴承安装维护时间和费用，同时也提高了产品的可靠度，降低了整体成本。国外的轮毅轴承单元的开艘已经进入了第四代（等逮万向节和轴承做成整体）。国内很多汽车轮毂企业也已成功开发、批量生产第三代轮毂轴承单元。统观未米轴承产品的发展，将趋势向于高速便捷、体积小、精度高、性能好、重量轻、单元化、智能化、无需维修、低成本、高可靠性、高性能和耐受特殊环境功能强等特点。汽车轮毂轴承是汽车驱动的重要零部件之一，它的主要作用是承载重量和为轮毂的转动提供精确引导，这要求它不仅能承受轴向载荷还要承受径向载荷，是一个非常重要的安全件。现在国产车辆大多仍采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或角接触球轴承的结构，这种结构在汽车装配时要经过调整游隙、预紧和加脂等诸多工序，参杂较多认为控制因素，装配难度较大，从而造成汽车装配线加长和成本过高且可靠性差，难以适应激烈的市场竞争。近年来，随着前置前驱动轿车的飞速发展，轮毂轴承发生了很大变化，尤其是国外知名的汽车生产厂家与轴承制造商联合研发的新型轮毂轴承单元不断涌现，目前已经进入第四代产品。第一代轮毂轴承是外圈整体型双列角接触球轴承或圆锥滚子轴承。它由一个外圈和两个内圈组成。其主要优点是可靠性高、有效载荷间距短、易安装、无需调整以及结构紧凑。这种轴承已经相当实用，我国引进车型大多采用此类轴承。第二代轮毂单元是将与轴承相配合的零件即轮毂或转向节与轴承套圈制成一体的结构形式。该产品的研发重点是保证产品质量和尽可能缩短生产周期，因此，与第一代产品相比，其采用了流水线生产，且各工艺得以优化，缩短了生产周期。第三代产品采用预紧力的技术，既能提高汽车悬架所需的车轮稳定性，又能提高轴承寿命。该技术已经能加工出满足刚度和寿命的最佳间隙和结构变形，但其装配极其困难。第四代产品是把等速万向节与轴承做成一个整体，这种形式最引人注目的是废除了轮毂花键轴，更加小型化，安装更合理。目前，已经有成熟应用的最先进的轮毂轴承为第三代产品，SKF推出的带有ABS传感器的第三代轮毂轴承单元和NSK研发的施压成型第三轮毂轴承就是其中的代表性产品。SKF提出的整体环状传感器是基于感应原理的被动ABS传感器。而NSK开发的产品则采用了新的结构形式，即通过轴端的施压成形，轴向力使带凸缘的内圈产生塑性变化，与小内圈压紧。去掉螺母有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，提高可靠性，驱动轮和非驱动轮都适用。现汽车轮毂轴承已经从传统的分离式轴承发展到轴承单元。轮毂轴承正逐步成为与车轮支承总成连为一体的内部部件，第四代轮毂轴承产品目前已经研制成功，距离实用化也不会遥远。这些单元产品的特点是：不需要调整轴承组装间隙，轴承组装工艺合理化、轻量化和小型化，提高了可靠性，一次性装脂，可免维护，降低了整体成本。1.3汽车轮毂轴承密封的重要意义汽车工业尤其是轿车工业是世界很多国家的支柱产业之一。汽车工业的发展对轴承工业有很强的带动作用。汽车的轻量化、成本化、集成化，安全性和高速化，对汽车轴承的发展和改进提出了挑战，带动了汽车轴承的发展。汽车的工作环境恶劣，工作温度变化范围大，不断的伴随轴向载荷和巨大的冲击载荷，并在振动工况下运转并在振动工况下运转，轴承内外存在剧烈的热交换，根多汽车轮毂轴承的失效都源于润滑脂的干涸和密封失效，泥水和尘埃进入轴承造成的，大大缩短了轴承使用寿命，这是汽车轮毂轴承的一大技术难题。国外比较知名的大型轴承生产企业一向都比较重视产品密封结构和窑封性能的技术研发。例如SKF、INA/FAG、NSK等知名企业每年都拿出相当多的资金和技术力量投入到产品的密封性能升级，结构开发，新材料的研发等工作上，坚持不懈的提升产品质量。众所周知，汽车轮毂轴承的密封结构在轴承所在的空间和成本占有量中都是很小的，但是对于轴承使用过程中起到的作用是非常重要的，如果密封能力不好，会导致轴承被外界铌沙、灰尘和水汽等侵入轴承内部，使轴承发生异响，加重沟道和滚动体的磨损，使滚动体、淘道表面疲劳剥落，严重的影响轴承的使用寿命，有些情况下甚至会导致车轮突然卡死造成严重的事故发生。对于汽车轮毅轴承系列产品，其密封性能的品质可以说直接影响了轴承的适用寿命，密封是其使用寿命的基本能力保障，由长期的生产和使用经验分析，绝大部分轴承的失效都与其密封结构失效相关联，可以说汽车轮毂轴承的使用寿命的长短与其轴承的密封结构的优略保持了高度的一致性。密封结构、密封件的加工精度、生产装配工艺，密封材料性能等方面的差异。国外轴承密封结构的启动摩擦力矩较小，发热少，密封能力衰减慢，有优异的抵御外来泥浆、灰尘的能力，也有较好的防止润滑脂泄漏的能力；国内轴承的密封结构在抵御外来泥浆、灰尘的髓力上较差，密封憎口磨损迅速、轴承温升快且高、密封能力衰减迅速，部分轴承出现润滑脂泄漏的情况。1.4 汽车轴承油封性能试验台研制的必要性 现在国内对于轮毂轴承的油封试验台的研制还是处于初始阶段，而此试验台可以对轮毂轴承进行检测，国内外汽车轮毂轴承产品质量状况在寿命可靠性和密封能力方面上的对比；(1)、寿命可靠性：日本对轮数轴承的寿命要求为15万公里，欧洲则要求为30万公里。尚没有完整的数据评价国内轴承产品的寿命（试验数据少）。因为尚缺少足够的质量控制设备（如100%无损探伤检测）及钢材、外购件质量不理想等，国内轴承产品的整体寿命可靠性尚不能满足中、高级轿车主机厂的要求：另外，过程制造自动化程度低、过程能力不足阱及订单驱动的生产管理经验不足等原因，国内企业产品质量一致性离高端市场的要求还有一定距离。(2)、密封能力：从众多样品的分析以及国外技术资料来看，国外轮毂轴承以来用组合式（两片密封圈或密封圈十防尘盖，密封圈均设计有轴向密封唇）密封结构为主。据NTN资料介绍，一般工况下的汽车轮毂轴承的密封圈橡胶为丁晴橡胶(NBR)，高温场合下使用氢化丁晴橡胶（HNBR）或氟化橡胶(FKM)。FAG公司亦是使用丁睛橡胶。退货产品分析显示，国内企业产品的密封性能差，是造成早期非预期失效的主要原因之一。所以研究国内的轮毂轴承油封性能试验台势在必行。第2章 试验台总体方案设计2.1试验台总体设计 由于国内目前没有规范的检测标准，所以本试验台采用的是日本轮毂轴承油封试验标准。4油封耐久性泥水应符合JIS Z8901 8级 湿度比为 5%向油封喷泥水1h,转速为300r/min 停止喷泥水1h转速为1000r/min室温100h不应有泥水通过油封进轴承5油封耐久性泥水应符合JIS Z8901 的1级和8级，重量比为1:1向油封喷灰尘20h ，1500r/min停止喷灰4h，0 r/min1075循环5次不应有灰尘进轴承试验台总体设计主要包括试验台驱动系统设计，加载系统设计以及控制系统设计。基于试验要求，驱动系统须符合驱动要求，需达到规定转速，且能自动控制以及运行规定循环。加载系统能按试验要求加载所需实验材料。控制系统能自动控制与循环。异步电机离合器密封箱轴承高温箱轴承水泵泥水鼓风机灰尘PLC变频器2.2驱动装置方案的论证与选择2.2.1驱动源的选择由于实验需求在实验一定时间后轴承转速改变，这就需求能控制轴承转速。控制转速可以用液压驱动，也可以用电机驱动。由于实验不需要很频繁的变速，且液压驱动比较复杂，在这里我们就采用电机驱动。电机驱动控制转速可以采用两种方法：方案一：采用伺服电机，配合PLC控制伺服电机来控制转速。伺服电机具有以下优点：1精度:实现了位置，速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题; 2、转速:高速性能好，一般额定转速能达到20003000转;3、适应性:抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用; 4、稳定:低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合; 5、及时性:电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内; 6、舒适性:发热和噪音明显降低方案二：采用PLC控制变频器控制异步电机来控制转速。目前变频调速器已全部采用了数字化技术,并且日趋小型化、高可靠性和高精度。从应用角度看，其不仅具有显著的节电性能，而且还具有如下的优良性能： 1）高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速； 2）体积小、重量轻、可挂墙安装，占地面积小； 3）保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便； 4）操作方便、简单； 5）内设功能多，可满足不同工艺要求； 6）具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制； 7）软起动、软停机，具有电流限定和转差补偿控制； 8）电动机直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置； 9）功率因数高，节省电容补偿装置； 10）与鼠笼式；转子电动机结合，使调速系统维护更加简单经济。本实验所需转速没有频繁变速，综合本实验台需要和考虑到经济实用性等方面，我们选择方案二。 2.2.2 传动方式选择方案一 实验可以直接把电机和轴承夹具装配在一起传动，这样对于两种不同的实验，就需要两个电机驱动。而且电机与轴承夹具装配，考虑到电机轴不能受到太大径向力，就需要追加制造支撑装置。方案二实验也可以采用一个离合器来分别控制实验类型。控制离合器中齿轮的啮合来控制实验中哪个轴承转动，从而进行不同实验。对于这两种方案，方案一的传动链短，故而简单，但是成本比较高。方案二传动链长但是成本低，控制也方便。这里我们采用方案二。2.2.3轴承夹具的选择 轴承装夹方案很多样，我们选取两种可行性高的来比较。方案一直接把轴承装在相配合的轴上，这种装夹简单，但是装夹麻烦，不利于拆装。方案二把轴承用三爪卡盘装夹，三爪卡盘转动带动轴承转动，这样装夹方便，比较适用于进行多次试验。本实验台会被频繁使用，轴承也要经常拆装，这样我们选择方案二比较好。2.3 加载装置方案的论证与选择2.3.1 加载源的选型 本实验台要进行两种不同负荷的加载，一种是泥浆，一种是灰尘。对于泥浆的加载我们输送的泥浆由于不是没有杂质的清水，而是具有一定粘性与小颗粒的介质，加载的要求也比较简单，这样我们就选择水泵来进行加载。一般的水泵不适用与输送这种介质，而污水泵则可以，所以我们选用污水泵来做输送装置。污水泵需把泥浆从储存箱运送到密封箱，其功率必须满足把泥浆输送到密封箱，我们选择污水泵型号：JYWQ50-12-15-1200-1.5，其体积小，还带有自搅拌功能，能把输送介质搅拌均匀。水泵扬程 15m 流量12 功率 1.5kw对于灰尘的加载灰尘的加载方式目前而言不多，而符合实验目的，接近现实状况的加载方式选用鼓风机比较适合。鼓风机加载简单，而且把灰尘吹入高温箱加载到轴承的过程中还可以使灰尘在空气中充分混合，免去了搅拌装置。鼓风机需把灰尘储存箱里的灰尘吹到高温箱中，我们选择ZY-80型小型鼓风机。转速2800r/min 配套电机功率 0.08kw 流量127 全压321Pa2.3.2 输送装置选择 选择了加载源，还要把载荷输送到轴承，这途中可以采用不同的输送装置。方案一实验的输送可以采用定制铁质管道来输送，其优点是经久耐用，不易出问题，且外形美观，缺点是成本比较高，且拆装复杂，更换麻烦。方案二实验也可以采用塑料管来输送，其优点是拆装更换方便，成本低，缺点是限制比较多，不能耐高低温。综合考虑到两种方案优缺点，实验温度也在塑料管的许用范围内，我们选择方案二，采用塑料管来输送。2.3.3 回流装置的设计 由于两种不同的实验类型都需要长时间进行加载，那设计一个负荷回流装置就非常必要了。这里回流装置可以设计的很简单。轴承是装夹在密封箱中的，而密封箱安装在工作台上，泥浆储存箱和灰尘储存箱都是安装在工作台下的，那我们可以直接在密封箱底部开上小孔，用塑料管接住回流到储存箱中进行循环使用，这样避免了试验台的过于庞大，而且经济实用，节约成本。2.4 轴承装夹装置 由于本实验台要求灰尘实验在107工况下运行，采用鼓风机加载后，考虑到这样加载如果不在密封环境里，灰尘会飞入空气中造成环境的污染，我们就需要一个密封的能恒温的装置，我们选择了高温箱，但是一般的高温箱不具有一些我们需要的功能，于是我们选择了定制一个具有我们需要功能的高温箱。箱且高温箱还应具有能安装灰尘喷嘴，灰尘回流装置的特殊功能，而市面上没有这种高温箱。高温箱需要我们定制。定制高温箱需满足下列条件：1.温度能控制恒定高温。2.高温箱上必须开启能使气体流出的且灰尘不能飞出的小孔，小孔上可以装上过滤装置。3.高温箱必须带有装夹三爪卡盘的轴孔。4.高温箱还应具有能安装灰尘喷嘴的螺纹孔。5. 高温箱应具有灰尘回流口，能使灰尘通过试验台要求的泥浆实验中，轴承一直是在转动的，泥浆加载上之后容易被甩飞的到处都是，这样我们就需要一个密封箱，来避免污染其他实验设备。密封箱不需要太复杂，但是要满足以下条件：1.密封箱上具有安装泥浆喷嘴的螺纹孔。2.密封箱底具有泥浆回流口，可以使泥浆通过塑料管回流到储存箱。第3章 零件的选型与计算3.1电机的选型计算实验用的驱动电机通过离合器带动三爪卡盘转动，轴承夹持在三爪卡盘上一起转动。轴承上承受加载系统加载的载荷，主要是喷射泥浆引起的转矩。泥浆喷射压力：水压： 其中 g=9.8 N/kg h=15 m：泥浆密度g：重力加速度 h : 液压泵扬程 S：出水口面积泥浆的冲击转矩： 这里我们设电机的加速度总飞轮惯量：负载惯量：负载转矩电机的启动转矩：由 我们选择电机的启动转矩作为最大转矩来选择电机型号，查机械设计手册选出电机转矩从而选出电机，这里我们选择电机型号为Y80M1-2额定功率0.75Kw 额定转速2830r/min3.2 联轴器的选择 电机传动出来后要与离合器相连，我们选用联轴器来进行连接，由于整体实验的负载转矩不大，由机械设计手册，且考虑到安装方便和对中，根据电机轴径及传动所需转矩选择弹性套柱销联轴器，型号 其公称转矩为31.5N*m,完全 可以满足实验要求。3.3 传动齿轮的设计1. 选择齿轮材料及精度等级由于不需要减速，只需要离合器换向，离合器齿轮选择一样材料，两齿轮选用45钢表面淬火，硬度为45HRC，选择7级精度2. 确定齿轮许用应力通过查机械设计手册，查得和=570MPa, =570MPa=200MPa, =200MPa查机械设计手册，查表3-1得S和S S=1，S=1.3根据设计要求，齿轮工作年限为20年，每年52周，每周工作日为5天，单班制，每天工作8小时，所以应力循环数： L=205258h=416000h N=60njL=605001416000=1.24810通过查机械设计手册，查得Z和Y Z=1，Z=1.07 Y= Y=1求得许用应力 =MPa=570MPa =MPa=154MPa 3. 按齿面接触疲劳强度设计1)小齿轮所传递的转矩 T=9.5510=9.5510Nmm=76400Nmm2)载荷因数K 选取K=1.13）齿数z和齿宽因数 选择双齿轮的齿数z=24，则大齿轮的齿数z=24，选取=0.54）齿数比 = z/ z=15）材料弹性系数 因为两齿轮材料均为钢，查得Z=189.86）计算小齿轮直径d及模数m 因为是软齿面，由齿面接触强度公式计算 d=mm=53.9mm m=2.16mm见表取标准模数m=2.5mm4. 计算大、小齿轮的几何尺寸 d=mz=2.524mm=60mm d=m(z2h)=2.5(2421)mm=65mm d=m(z2h2c)=2.5(242120.25)mm=53.75mm d=mz=2.524mm=60mm d= m(z2h)=2.5(2421)mm=65mm d=m(z2h2c)=2.5(242120.25)mm=53.75mmh=h=m(2hc)=2.5（210.25）mm=5.625mma=mm=60mmb=d=165mm=65mm取b=70mm,b=65mm5. 校核齿根弯曲疲劳强度查得 Y=2.65,Y=2.215 Y=1.59,Y=1.785 =70.9MPa =70.9MP故齿轮弯曲疲劳强度足够表3.1 安全因数、安全因数软齿面（350HBW）硬齿面（350HBW）重要的传动、渗碳淬火或铸造齿轮1.0-1.11.3-1.41.1-1.21.4-1.61.31.6-2.2表3.2 渐开线圆柱齿轮标准模数（摘自GB/T1357-19870）第一系列0.1, 0.12, 0.15, 0.2, 0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1，1.25， 1.5， 2， 2.5， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40， 50 表3.3 载荷因数原动机工作情况工作机械的载荷特性平稳、轻微冲击中等冲击严重冲击工作平稳（如电动机、汽轮机）1-1.21.2-1.61.6-1.8轻度冲击（如多缸内燃机）1.2-1.61.6-1.81.9-2.1中等冲击（如单缸内燃机）1.6-1.81.8-2.02.2-2.4表3.4 正常齿轮准外齿轮的齿形修正因数Y与应力修正因数Yz1214161718192022252830Y3.473.223.032.972.912.852.812.752.652.582.54Y1.441.471.511.531.541.551.561.581.591.611.63 表3.5 常用齿轮材料的性能及应用范围材料牌号热处理硬度应用范围优质碳素钢45钢正火调质表面淬火169-217HBW217-255HBW48-55HRC低速轻载低速中载高速中载或低速重载，冲击很小50钢正火180-220HBW低速轻载3.4传动轴的设计与校核1.轴的设计轴径的逐步估算：按扭转强度估算轴径这种估算方法视轴只受转矩，根据轴上所受转矩估算轴的最小直径，并且降低需用扭剪应力的方法考虑弯矩的影响。由材料力学已知，受转矩作用的圆剖面轴，其强度条件为 由上式，经整理得满足扭转强度条件的轴径估算式为式中：C是由轴的材料和承载情况确定的常数轴选用45钢 C=110 算出 取d=20mm2.轴的校核1，弯矩受力计算（1） 轴上的扭矩=3 （2） 作用在齿轮上的圆周力 Ft（3） 作用在齿轮上的径向力FaFr=Ft=300N2,计算作用于轴上的支反力，弯矩。（1） 求水平面的支承反力（2） 绘水平面的弯矩图（3） 合成弯矩6.1922mNMMM21a=+=2，校核轴的强度由轴的扭距、弯距图可知，齿轮轴的轮齿处存在危险截面，因此在该处计算应力 （因扭转切应力不是对称循环应力，故引入折合系数）取抗弯截面系数 截面上的弯曲应力 a.4.95MPWMa=s截面上的扭转切应力 38.242=WTWTTt 轴的弯扭强度条件为 查表15-1得 MPa所以 符合弯扭强度条件。3.5轴承的选型 为了方便对中和考虑到轴承承受力径向力不大，结合轴径选型，选用深沟球轴承92233外径32mm，内径20mm 宽7mm3.6 轴承盖的设计 为了方便安装与密封，且能固定轴承，对于轴上的轴承盖选用凸缘式轴承盖，其利用螺丝固定在箱体上，装拆和调整轴承轴向游隙比较方便。只需在端盖的中心铸造相同于轴径的小孔即可。3.7试验台架的设计 试验台架的面板选用10mm钢板，焊接在空心型钢架上，加工时需在钢板上攻出固定零件所需螺丝孔。这样方便固定各个零件，工艺也比较简单，且成本较低，比较具有经济性。第4章 试验台的控制系统设计4.1控制系统设计总体说明1.试验台由PLC控制变频器控制驱动电机的启停。电机内部设有熔断器过载保护。2.PLC通过控制变频器来改变电机转速。3.鼓风机、水泵由PLC控制继电器来控制启停。4.2 控制模块 4.2.1 PLC简介 试验台采用PLC控制，由于本实验的内容不多，循环比较简单，故采用了西门子S7-200型PLC。SIMATIC S7-200 Micro 自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力特别是有关它的实时性能它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。SIMATIC S7-200的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。其优点有：SIMATIC S7-200发挥统一而经济的解决方案。整个系统的系列特点强大的性能，最优模块化和开放式通讯。结构紧凑小巧狭小空间处任何应用的理想选择在所有CPU型号中的基本和高级功能，大容量程序和数据存储器杰出的实时响应在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件初学者和专家的理想选择集成的 R-S 485接口或者作为系统总线使用极其快速和精确的操作顺序和过程控制通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程4.2.2 变频器简介MICROMASTER 440 是专门针对与通常相比需要更加广泛的功能和更高动态响应的应用而设计的。这些高级矢量控制系统可确保一致的高驱动性能，即使发生突然负载变化时也是如此。由于具有快速响应输入和定位减速斜坡，因此，甚至在不使用编码器的情况下也可以移动至目标位置。该变频器带有一个集成制动斩波器，即使在制动和短减速斜坡期间，也能以突出的精度工作。所有这些均可在 0.12 kW (0.16 HP) 直至 250 kW (350 HP) 的功率范围内实现。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。是由由主电路和控制带电路组成的。主电路是给异步电动机提供可控电源的电力转换部分，变频器的主电路分为两类，其中电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波部分是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波部分是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流部分，吸收在转变中产生的电压脉动的平波回路部分，将直流功率变换为交流功率的逆变部分。控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它有决定频率和电压的运算电路，检测主电路数值的电压、电流检测电路，检测电动机速度的的速度检测电路，将运算电路的控制信号放大的驱动电路，以及对逆变器和电动机进行保护的保护电路组成。现在大多数的变频器基本都采用交直交方式(VVVF变频或矢量控制)，将工频交流电源通过整流器转换为直流电源，再把直流电源转换成近似于正弦波可控的交流电以供给电动机。三相交流电经过VD1VD6整流后，正极经过RL，R