（机械制造及其自动化专业论文）大扭矩电磁离合器优化设计与动态仿真分析.pdf

大扭矩电磁离合器优化设计及动态仿真 摘要 大扭矩电磁离合器是大型机械设备的重要传动部件，目前国内对该类型离合器理论 研究较少，设计过程大都遵循传统的设计方法。论文以大型科研项目一轴承试验台研制 为契机，在离合器传统设计经验的基础上采用数字化、参数化及数值模拟等先进设计方 法，对电磁离合器进行了详尽的技术设计，完成了工程应用设计。 根据试验台高速、重载的技术要求，确定了电磁离合器动摩擦转矩3 0 0 0 0 n m ，吸合 时间0 6 s 的性能参数，提出了电磁离合器关键部件、电磁场和整体结构的设计方案，对 摩擦转矩、滑摩功、发热及动作特性进行了理论分析，确定了工况系数、摩擦系数、磁 场强度等基本参数。针对离合器的衔铁、磁轭、摩擦片等关键部件进行了结构设计，并 根据各结构参数之间的约束关系，以转动惯量最小为目标，运用m a t l a b 优化工具箱 进行优化，得到了结构参数的最优组合，确定了离合器关键部件的基本尺寸。 建立了离合器的理论模型，对主要部件结构特征进行了分析。运用a n s y s 软件对 离合器的磁场部分进行仿真，分析了电磁力与电流、匝数、气隙及衔铁尺寸之间的关系， 得出电磁力随电流、匝数、气隙及衔铁尺寸变化的曲线，确定了最优化参数，满足了离 合器转动惯量达到最小要求。 运用u g n x n a s t r a n 对外壳、项杆、压盘等部件进行了强度校核，并以结构强度小 于许用应力为约束条件，以质量最小为目标，对其结构尺寸进行了优化，得到了离合器 的实体模型。 运用u gn x 6 软件运动仿真模块对离合器运动状态进行了数字仿真，分析了离合器 工作中的运动过程状态，得到了离合器在工作过程中的动态特性曲线。通过仿真分析得 到离合器优化设计满足试验台性能要求。 设计了电磁离合器控制电路，完成了样机研制，编写了试验程序，通过了现场性能 测试试验，得到了离合器实际使用中动特性曲线，验证了离合器结构优化设计和动态仿 真的合理性。 关键词：电磁离合器；优化；电场力；动态仿真；现场试验 大扭矩电磁离合器优化设计及动态仿真 a b s t r a c t h i g h - t o r q u e a ne l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hi s a l li m p o r t a n tt r a n s m i s s i o np a r to fl a r g e - s c a l e m e c h a n i c a ld e v i c e a tp r e s e n tt h i st y p eo fc l u t c hi sl a c ko ft h e o r i e sa th o m e t h ed e s i g n p r o c e s sf o l l o w st h et r a d i t i o n a lm e t h o d w eh a v ed e v e l o p e dt h em a j o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o g r a m sn a m e db e a r i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h i st h e s i st a k e st h e s en e wd e v e l o p m e n t a l c h a n c e s o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，w et a k ea d v a n c e dm e t h o dt od e s i g na n d c o m p l e t et h ee n g i n ea p p l i c a t i o n 1 1 1 em e t h o di n c l u d e sd i g i t i z a t i o n p a r a m e t e r i z a t i o na n d h u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds oo n i nt e r m so ft h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t st h a ti sh e a v yl o a da n dh i g hs p e e d ，w ed e f i n et h a t t h et o r q u eo fk i n e t i cf r i c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hi s3 0 0 0 0 n ma n do p e r a t et i m ei s 0 6 s t 1 1 i st h e s i sb r i n gu pt h ed e s i g np r o p o s a lo fc r i t i c a lc o m p o n e n t , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d e x t e n s i o n a lo r g a n i z a t i o n w em a k ea nt h e o r e t i c a la n a l y s i so nf r i c t i o nt o r q u e ，s l i p p i n gw o r k , f e v e ra n da c t i n gc h a r a c t e r i s t i c t h ee s s e n t i a lp a r a m e t e ri n c l u d i n ga p p l i c a t i o nf a c t o r , f r i c t i o n a l f a c t o ra n dm a g n e t i cd e n s i t ya r ed e t e r m i n e d 耽es t r u c t u r eo fa r m a t u r e ，f i e l dy o k e ，a n df r i c t i o n p l a t eo ft h ee u l t e hi sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h ec o n s t r a i n tr e l a t i o na m o n ge a c hs t r u c t u r e p a r a m e t e r , w h i c ha i m e d a tt h em i n i m i z a t i o no fm o m e n to fi n e r t i a , t h eb a s i cs i z eo ft h ec r i t i c a l c o m p o n e n to f t h ec l u t c hi sc o n f i r m e d m a t l a bo p t i m i z a t i o nt o o l b o xi sa p p l i e dt oo p t i m i z e t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dw eg e tt h e i ro p t i m u mc o m b i n a t i o n t h et h e o r e t i c a lm o d eo ft h ec l u t c hi sb u i l t t h i st h e s i sa n a l y s i st h es t r u c t u r eo fm a i n c o m p o n e n t w i t l lt h es o f t w a r ea n s y s ，w es i m u l a t i o nt h em a g n e t i cf i e l d ，a n da n a l y s i st h e r e l a t i o n s h i pa m o n ge l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，e l e c t r i c i t y ，n u m b e ro ft u r n s ，s p a c ea n dt h es i z eo f a r m a t u r e a sar e s u l t ，w ed r a wt h ec u r eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，b e s i d e s ，t h et h e s i sg e t s o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r i na l l ，t h ec o n c l u s i o n sm e e tt h er e q u i r e m e n t sw h i c hm o m e n to fi n e r t i a o f t h ec l u t c hi sm i n i m u m w ec h e c kt h es t r e n g t ho f s h e l l ，m a n d r e l ，p r e s s u r ep l a t ea n do t h e rp a r t sb yt h es o f t w a r eu g n xn a s t r a n o nt h eu n d e r s t a n d i n gt h a tt h es t r u c t u r es t r e n g t hi sl e s st h a na d m i s s i b l es t r e s s ， w h i c ha i m e da tt h em i n i m i z a t i o no fm a s s ，w eo p t i m i z et h es t r u c t u r es i z e sa n do b t a i nt h ef i n a l d e s i g nm o d e lo ft h ec l u t c h u s i n gu gn x 6m o t i o ns i m u l a t i o n st h em o t i o ns t a t eo ft h ec l u t c h ，a n s l y s i s e st h es t a t u so f t h ec l u t c hi nr u n n i n gp r o c e s sa n do b t a i nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h ec l u t c hi n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w o r kp r o c e s s f i n a l l y , t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i sw ec h e c ko u tt h a to p t i m a ld e s i g no f t h ed u t c hm e e tt h et e s t - b e dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ec l u t c hi s d e s i g n e d t l l i st h e s i sf i n i s h e st h ed e v e l o p m e n to fap a t t e mm a c h i n e , w r i t e st h et e s t i n g p r o g r a m a r e ri t , t h ed u t c hh a sp a s s e dt e s t i n gi ns i t e a sar e s u l t ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c c u r v eo ft h ec l u t c h i na c t u a lu s ei so b t a i n e d a n dt h er a t i o n a l i t yo fo p t i m a ls t r u c t u r e d e s i g n i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o ni st e s t e da n d v e r i f i e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h ；o p t i m i z a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ；d y n a m i c s i m u l a t i o n ；f i e l dt r i a l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 电磁离合器又名电磁联轴器，它利用电磁能的作用，使力矩从主动侧传向被动侧， 从而完成机械机构的连接，实现了机械传动系统的功能传递。与其它类型离合器相比， 电磁离合器不需要设置复杂的操纵机构或接合机构，更不需要像气压、液压离合器那样 需要空气压缩机，油泵和繁多的管路、阀件等设施【l 】。它可单独操纵，亦可集中控制和 远距离控制，同时，电磁离合器可方便地调节激磁电流来改变传递扭矩，亦可在主、从 动部分在转速差的情况下，保持恒定转矩，因此被广泛应用于各类机械中。 1 2 电磁离合器的发展及研究现状 1 2 1 电磁离合器的发展 离合器最初的设计主要用于汽车上，多片盘式离合器和干式单片离合器直到十九 世纪二十年代才出现，并逐渐的由汽车制造行业推广到了其他行业。随着西方工业革命 的深入，社会化大生产已成为当时的趋势，为了提高生产效率，人们不断对离合器进行 改进，随着磁性物理学对材料微观理化结构和相互作用机理的研究深入，磁性材料的设 计和加工方式也得到改善，设计制造高性能的磁性机械装置也成为可能。约在1 9 2 0 年， 干式单片型电磁离合器问世，以后逐渐发展了干式多片型、湿式多片型结构。起初这种 电磁离合被首先使用在自动雕刻机上 2 1 。1 9 4 0 年英国人c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 使用 磁力驱动泵成功解决了输送危险性化工介质的泄露问题，引发了一轮研究磁力传动技术 的热潮，从此电磁离合器的技术得到了充分发展【3 】。由于它具有反应迅速、调节容易和 操作简便等优点，能适应自动化和遥控技术的需要，大大提高了生产效率，所以后来被 广泛应用到各类生产机器上。 从1 8 8 9 年戴姆勒公司发明世界上第一台离合器到现在，离合器的发展经历了上百 年的历史，融合了几代人的智慧和心血【4 1 。如今的离合器，在结构上己由当初的单一的 锥形离合器发展到牙签式离合器、摩擦片式离合器、超越离合器等众多品种，其操纵机 构从当初的机械式发展到了电磁式、气压式、液压式等多种方式，其设计理论从传统的 机械、力学领域深入到热、电、磁、材料、控制等众多学科领域， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着人社会经济的不断发展，特别是在当代高速发展的世界经济，为电磁离合器的 快速发展与应用提供了一个契机，在亚洲地区，日本首先成为了国际电磁离合器生产大 国，从1 9 6 6 年年产1 0 万台左右，到1 9 7 0 年年产量就达到1 0 0 多万台，1 9 9 2 年年产量 超过5 0 0 万台。日本生产电磁离合器最大的几家企业是三木、小仑、大奇、神钢等株式 社会，神钢一家1 9 9 2 年就年产2 8 0 万台。台湾研新股分有限公司1 9 7 6 年开始生产电磁 离合器，目前年产量也超2 0 万台 4 1 。 我国的磁力机械及其传动技术的研究应用起步较晚，8 0 年代以后才开始产品的开发 和研究。各类磁力传动器、磁力离心泵、电磁轴承、电磁离合器等产品规格较小，功率 较大的还不能达到可靠使用【5 1 。电磁离合器的研发和生产也随着国内工业整体水平的提 高而提升，特别是航天、航空、国防工业对各类机械零部件要求的进一步提高，作为自 动化执行元件之一，被机械行业的广泛关注，同时也迎来一个快速发展的契机。我国最 早生产电磁离合器是北京、天津、上海，营口、济南等地。在生产规模上，1 9 8 6 年全国 年产量约1 0 万台，1 9 9 2 年年产约3 0 万台。现在专业化生产电磁离合器、制动器的厂家 仅有三家，天津机床电器总厂、河北三河电器厂和广德电器厂，这三家企业年产约3 0 万台。由于产量低，技术水平有限，质量还远远达不到国际先进水平，目前冶金、化工、 石油、纺织、食品、等行业所需的高质量、高性能电磁离合器大都依靠国外进口。 1 2 2 电磁离合器研究现状 电磁离合器是一个复杂的机械结构，它的研究涉及到摩擦学、传热学、机械传动理 论、磁力机械学和计算技术等多学科领域，长期以来国内外专家和工程技术人员及生产 商对电磁离合器进行了深入的研究与分析1 4 】。 国外电磁离合器目前研究方向是利用新设计、新技术、新材料减小电磁离合器尺寸， 增加扭矩，提高使用寿命。为了满足各种场合的需要又要考虑通用化系列化，许多公司产 品设计不断更新时有新产品推出，设计结构紧凑，便于拆卸安装成为了设计目标【6 】。如： 神钢电磁离合器正在研制轴向尺寸小的薄形离合器，三菱电机的u c u b 系列电磁离合 器轴向尺寸比原s f c 系列轴向尺寸大大缩小，起磁力减小6 0 ，传递扭矩增加了2 0 。 高频率的离合制动下操作需要快速响应，需要快速响应控制器与之配套，一些国外电磁 离合器采用闭环位置控制，如：w a r n e r 公司研制的c b c 型闭环控制器设有误差补偿 装置，内有电源装置，编码器产生近似的伺服精度，比伺服驱动大大减少成本。电磁离 合器工作相当长时间后，会产生磨损，到一定限度后必须进行调整，否则性能下降影响 使用，为了提高离合器的使用寿命，国外离合制动器研制出了带有气隙自动补偿的机构， 特别是组合件的电磁离合器，如w a r n e r 产品采用了销和花键传动式的补偿机构，s e l 2 第1 章绪论 c b 采用花键与弹簧销的气隙自动补偿机构【_ 7 1 。这些补偿机构结构的设计大大提高了电 磁离合器的使用寿命。 国外对电磁离合器的研究起步于上世纪二三十年代，通过几代人不断努力，离合器 的结构和理论不断完善，已从单一的摩擦片式电磁离合器发展到了牙嵌式电磁离合器、 磁粉式电磁离合器、磁力式电磁离合器等众多品种，到上世纪六十年代，国外电磁离合 器技术已经相当完善。我国电磁离合器的应用和生产已有4 0 年历史，电磁离合器的理 论研究直到上世纪八十年代才开始，胡企贤、田金铭是国内研究电磁离合器最早的专家。 随着电磁离合器越来越受到重视，目前已有许多多高校和研究机构致力于提高和改善各 类离合器性能的研究，如合肥工业大学机械与汽车工程学院赵韩、田杰等教授对磁力机 械的基本理论进行了深入的研究，为磁力机械的设计计算提供了指导方法；王勇副教授 对电磁离合器的温度场进行深入分析，详细给出了电磁离合器温度场的分布；顾庆昌对 永磁一电磁离合器的动作特性进行了研究，在数值上对电磁场进行了仿真和分析，哈尔 滨工业大学罗建伟对拖拉器电磁离合器的结构进行了优化，对其动态特性进行了研究； 重庆大学原教授张俊乾对磁流变液离合器进行了设计和研究。目前，我国常用电磁离合 器的制造已形成了一系列的国家标准。利用先进的计算机软件对离合器综合性能试验， 计算机建模和仿真，运动分析和动力分析，并与试验分析结果进行对比和进行优化设计 的才刚开始。 1 3 电磁离合器类型和特点 电磁离合器特点是：结构紧凑、响应快速、操作简单、使用与维护方便、寿命长久， 被广泛应用于纺织、印染、包装、食品、印刷、轻工、起重、汽车、精密机械、电机等 机械产品和装置中，是各类机械不可或缺的部分【5 】。电磁离合器按其结构分为：牙嵌式 电磁离合器、摩擦式电磁离合器、磁粉式电磁离合器和转差式电磁离合器。 牙嵌式电磁离合器借助通入磁轭内励磁线圈中的电流残生磁场吸引力，从而使两个 牙嵌半离合器结合。牙嵌式电磁离合器的优点是外形尺寸小、力矩大，无空转力矩，无 摩擦发热，缺点是只能用于静止或极低转速差的连接【2 】。 摩擦式电磁离合器利用电磁加压，弹簧释压；或是用弹簧加压，电磁释压，同过一 对或若干对摩擦片的摩擦力来传递扭矩的一种装置。其结构简单，价格低廉，是目前最 常用的一种型式。缺点是有空转力矩，需经常调整磨损和更换摩擦片。 磁粉离合器是通过磁粉间的结合力和磁粉与工作面间的摩擦力来传递转矩的，优点 是结合平稳，动作迅速，具有转矩特性和过载保护作用，缺点是价格昂贵，需要定时更 换粉末。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转差式电磁离合器也称涡流离合器，利用电枢切割磁场，产生涡流与主磁通联合 产生电磁力矩，驱动从动轴同向回转。优点是调速性好、传递扭矩大、寿命长、无磨损 部件，缺点是尺寸大、动作时间长、价格昂贵。 a ) 牙嵌式电磁离合器 c ) 磁粉式电磁离合器 图1 1 电磁离合器 b ) 摩擦片式电磁离合器 d ) 转差式电磁离合器 1 4 课题研究的来源及意义 本课题来源于某大型轴承试验台的研制项目，该项目是为测试高速、重载轴承而研 发，系统中需采用快速接合的大扭矩电磁离合器( 3 0 0 0 0 n m ) 传递动力。经过调研发现， 国内现有的电磁离合器都无法满足要求，因此需设计一台能够满足要求，且安全可靠的 电磁离合器。 大扭矩电磁离合器特点是体积小、重量轻、传递扭矩大、结构紧凑简单、反应迅速、 维修方便、适应不同恶劣的环境下工作，因此被大量应用在冶金轧机压下控制、卷取机、 压延、锻压、矿山、实验设备等需迅速传递及脱开驱动转矩的传动系统中。目前我国对 各种大型自动化机械需求量成倍增长。大扭矩电磁离合器作为大型机械重要的传动部件 需求也越来越大，而我国大扭矩摩擦片式电磁离合器技术还不是很完备，产品依旧落后 于国外同期的水平，因此，能够研发出性能优良的大扭矩电磁离合器，对我国制造业的 4 第1 章绪论 发展有很大的意义。 我国对电磁离合器的研究起步较晚，对小型、微型电磁离合器、如汽车离合器、机 床用电磁离合器等研究比较多，理论较为成熟。相反，对大扭矩电磁离合器的研究少， 特别是在离合器设计水平上，依旧停留在国外六七十年代的水平，虽然我国有自己研制 开发的d l m 2 系列的电磁离合器，但性能上比国外同档次电磁离合器还差很多。因此提 高运用先进的设计手段，提高离合器设计水平，就幂得十分重要。 图1 2d l m 2 型电磁离合器 1 5 论文完成的主要工作 依托某型轴承试验台项目，对大扭矩电磁离合器进行了设计和研究，并对其的动 作特性进行了动力学的仿真和实验的验证。具体完成的工作主要有如下几项： 1 、离合器的优化设计。传统的设计方法一般都依赖于经验公式和理论推导，这种 设计方法对机构设计误差大，一旦设计不符合应用实际，还得从新进行设计，工作量十 分庞大，且并不一定能够得到最优化结构。论文借助传统设计方法，结合优化理论对离 合器进行了优化设计。先运用m a t l a b 工具箱，优化了离合器结构参数，确定关键部 件结构尺寸；而后建立理论模型，在符合强度条件下，优化了设计结构，得到了最终设 计模型。 2 、电磁离合器电磁力有限元分析。运用a n a s y s 软件对电磁场进行了仿真，对影 响电磁力的因素进行分析，得到了电磁力与电流、匝数、气隙和衔铁尺寸的关系，确定 了离合器的电流、匝数大小和工作气隙。 3 、动力学仿真分析。运用u gn x 6 运动仿真模块对模型进行了动力学仿真，得出 了离合器的各部件的运动、力随时间变化的关系曲线，分析了各部件的运动过程，研究 了离合器的动态特性。 4 、样机试验。设计了控制电路，编写了试验程序，介绍了实验的过程，并且对实 验的结果进行分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 某型轴承试验台是为测试高速、重载轴承而设计的测试装置，为了达到试验目的， 在系统中需安装一台干式大扭矩摩擦片式电磁离合器，依据试验要求和试验台设计方 案，提出了离合器设计要求，确定了设计方案，并对性能参数进行了理论计算。 2 1 轴承试验台试验装置对电磁离合器的要求 2 1 1 轴承试验台试验要求 在轴承性能试验过程中，需要实时采集轴承外圈转速、加载力和轴承温升等数据 并记录。极限最大载荷误差不超过5 ，极限最大转速误差不超过5 。轴承工作环境为 2 2 0 。c 水蒸气环境。 在轴承性能实验过程中，轴承的加速与加载需要同时开始，轴承外圈转速需在轴承 升速o 6 s 左右之后达到最大值，同时加载力也应在加载开始o 6 s 左右之后达到最大值， 并保持大约1 4 s ，然后在大约o 5 s 后完全卸载，在保持载荷和载荷下降的过程中，轴承 转速也随之降低。本试验的重点是轴承在大约0 6 s 时，达到最大转速和最大载荷。被测 轴承的加速与加载曲线如图2 1 a ，2 1 b 所示。 a ) 被测轴承加速的速度一时间曲线b ) 被测轴承加载的载荷一时间曲线 图2 1 被测轴承加载的载荷一时间曲线 轴承在试验时，需要进行多个工况的试验，以逐步检测其性能，其工况见表2 1 。 6 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 表2 1 轴承试验工况 最高转速 最大载荷 试验工况 r p m l 澍 i 9 0 0 04 0 0 8 0 0 0 3 5 0 7 0 0 03 0 0 6 0 0 0 2 5 0 2 1 2 轴承试验台基本原理和设计结构 依据试验要求，轴承试验台的设计分为两个部分：一是轴承试验台的加载部分； 二是轴承试验台的增速部分。通过两条试验曲线可以看出，轴承的转速和载荷需在很短 的时间内达到峰值，由此可以得出普通的电机及加载设备根本无法满足要求。为了在瞬 间轴承转速和在载荷达到最高值，需要试验台能够瞬间释放能量，因此提出飞轮蓄能 和释能的设计方案。其加载部分和增速部分的原理图如图2 2 所示。 1 、飞轮i2 、变频电机i3 、离合器i 4 、制动器i5 、原系统增速齿轮组6 、增速系统第一轴及 齿轮7 、增速系统第二轴及齿轮8 、过渡齿轮及轴9 、增速机组第三轴及齿轮 1 0 、摩擦轮1 1 、被测轴承及其外套1 2 、加载臂 1 3 、凸轮加载机构和弹性加载单元 1 4 、减速齿轮箱1 5 、制动器1 7 、离合器1 8 、电机i i1 9 、飞轮 图2 2 轴承试验台原理图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图中可以看出在加载部分中使用了凸轮和弹簧的组合，可以保证被测轴承的加载 时间曲线，在整个传动系统中加入了减速器，通过设计计算，所需离合器传递扭矩 较小，可以使用的普通离合器。对于增速部分，除离合器以外都是刚性传动，而试验要 求的工况有多种，所以对于离合器有特定的要求，这也是本论文所设计的内容。 2 1 3 增速工况对离合器的基本要求 在试验的增速过程中，飞轮释放能前的能量与被测轴承达到目标后的能量相等，考 虑到系统传递效率，根据能量守恒，可得出以下方程： 兰。疗。2 刁= 三( 。+ 厶) 刀；+ 三l 疗：2 + 三( 厶+ ) 以，2 + 1 1 4 n 2 + 三t 悔2 ( 2 - 1 ) 式中：，f 飞轮转i 的动惯量， 五第一轴及齿轮的转动惯量； 厶第二轴齿轮轴及输入齿轮的转动惯量5 过渡齿轮的转动惯量； 厶第三轴齿轮轴的转动惯量； 摩擦轮的转动惯量； l 被测轴承外圈及其外套的转动惯量； 飞轮i 额定转速( 起始时的最高转速) ； ，l i 被测轴承转速； 增速齿轮组第二轴转速，刀，= ； 增速齿轮组第三轴转速，玎，= i 2 甩。 刀被测轴承的转速； 砍过度齿轮的转速，拧5 = 。毛。n a ； ，7 系统的传动效率，这里参考原试验台的轴承试验数据，取值r = 9 0 。 轴承试验台增速部分传动比见表2 2 。 表2 2 增速机构传动比 一级传动比二级传动比之三级传动比毛 总传动比f 22 6 73 9 22 0 9 轴承试验台设计部分转动惯量见表2 3 。 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 表2 3 轴承试验各部件转动惯量 k g m 2 部件转动惯量 飞轮。 1 9 4 5 第一轴及齿轮转动惯量 1 0 6 8 第二轴齿轮轴及输入齿轮转动惯量厶 5 9 8 过渡齿轮转动惯量 o 5 2 第三轴齿轮轴转动惯量厶 0 3 4 摩擦轮转动惯量 1 6 6 1 被测轴承及其外套转动惯量厶 o 0 6 将表2 1 ，表2 2 ，表2 3 的数据分别代入方程2 1 ，计算得飞轮在不同工况下的最高 转速见表2 4 。 表2 4 飞轮最高最低转速表 r p m 工况 飞轮最高转速 飞轮最低转速行l i 5 1 54 3 1 4 5 73 8 3 m4 0 0 3 3 5 3 4 32 8 7 在飞轮释能过程中，离合器的输入端与输出端有相对滑动。对于飞轮，离合器相当 于制动器；对于被测轴承端而言，离合器相当于驱动器；飞轮释能完毕，离合器两端速 度相等，此时离合器相当于联轴器。在整个过程中，离合器摩擦片之间的相对滑动产生 的摩擦扭矩可以由以下公式求出。 耻碑t 赫 ( 2 - 2 ) 式中：乃离合器摩擦扭矩 ，f ，飞轮转动惯量 知，被测轴承加速时间 根据表2 4 所计算出的飞轮最高速与最低速，代入式( 2 2 ) 可以求得离合器在不同 工况下的所需的动摩擦扭矩。见表2 5 表2 5 离合器不同工况输出扭矩n m 工况离合器摩擦扭矩 i2 8 4 3 1 i i2 5 4 8 4 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 2 9 9 1 9 1 1 3 由表2 5 可知，所需离合器动摩擦扭矩为m 一= 2 8 4 3 1n m ，最高转速 n n m = 5 1 5 r p m 。 轴承试验台对离合器其他性能要求是：通电反应迅速，开始通电到两端达到同步时 间为0 6 s ；在保证性能的基础上，转动惯量小，尽可能降低对系统能量的消耗；摩擦片 的结合次数大于5 0 0 0 0 次。 2 2 摩擦片式电磁离合器基本结构 摩擦片式电磁离合器主要由两大部分组成工作部分和操纵部分【s 】。工作部分由 电磁铁部分和摩擦片部分组成，电磁铁部分包括安装在轴上的磁轭铁芯( 内置励磁线圈) 以及能在轴上作轴向滑动的衔铁，衔铁本身与轴一起转动。摩擦片部分是由与轴一起啮 合的内摩擦片和与外侧被动轮一起啮合传动的外摩擦片交叉重叠嵌合而成。其基本结构 结构简图如图2 3 所示。电磁离合器的操作主要由电路来控制。离合器基本工作原理是， 当线圈通电后，在励磁线圈及磁轭中产生磁力线，形成闭合磁路，由此产生电磁吸引力 1 扭矩输出轴2 一内齿套3 衔铁4 一内摩擦片5 一外摩擦片 6 励磁线圈7 一磁场线8 磁轭9 滑环1 0 一扭矩输入轴 图2 3 电磁离合器结构简图 吸引衔铁使得内外摩擦片相互挤压，在传递扭矩中，形成摩擦力，使离合器联接成一个 整体回转体。当切断电流时，电磁力随着磁场消失，释放衔铁，在弹簧力或摩擦片自身 恢复力的作用下，使摩擦片松开。 1 0 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 2 3 电磁离合器设计方案 2 3 1 电磁离合器结构形式设计 多片摩擦式电磁离合器按磁路通过方式可分为磁力线通过摩擦片式( 图2 4 a ) 和 磁力线不通过摩擦片式【5 】【9 1 ( 图2 4 b ) 。 霾 囵 羹呖多 a ) 磁力线通过摩擦片式b ) 磁力线不通过摩擦片式 1 衔铁2 一摩擦片3 励磁线圈4 磁轭体 图2 4 电磁离合器结构形式 磁力线通过摩擦片式的电磁离合器结构紧凑，转动惯量小，因其衔铁与磁轭距离 相对较大，磁场通过摩擦片时磁导率低，因此如要获得额定的摩擦转矩，其线圈及励磁 电压比磁力线不通过摩擦式离合器要高。磁力线不通过摩擦片式电磁离合器由于磁路中 没有摩擦片的影响，设计时衔铁与磁轭之间气隙可以很小，因此离合器闭合响应时间快， 并且容易获得更大的摩擦转矩。但由于摩擦片不在磁路内，径向尺寸会增加，离合器的 转动惯量增大，在传动系统中消耗动能增加。 根据离合器性能要求，综合考虑两者优缺点，决定将磁力线不通过摩擦片的结构形 式进行改进，改进后的离合器径向尺寸与磁力线通过摩擦片式的离合器相近，如图2 5 所示。 为了保证离合器快速吸合，衔铁与磁轭之间不设置离合器的摩擦片，将摩擦片设置 于磁轭一端，增加顶杆和压力板，内外摩擦片通过渐开线花键与内齿套联接。当线圈通 电后，衔铁在电磁力的作用下向磁轭方向移动，此时衔铁将通过顶杆推动压力板将摩擦 片压紧，从而达到传递扭矩的目的。 翟笏 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 端部法兰盘2 衔铁3 顶杆4 一磁轭5 励磁线圈 6 一压力板7 摩擦片8 一间隙调整板9 恢复弹簧 图2 5 电磁离合器设计结构形式 2 3 2 电磁离合器结构设计方法和步骤 依据确定后的结构形式，设计步骤按照理论计算、关键部件设计、整体结构设计、 强度校核及优化、动态仿真的步骤进行。理论计算根据传统计算过程，对离合器摩擦扭 矩、滑摩功、发热量进行计算。关键部件设计通过设定离合器的关键部件参数间约束关 系，以转动惯量为最小为目标，对参数进行优化，确定其结构尺寸。整体结构设计在关 键部件结构基础上，对离合器的联接部件、传动部件等进行设计。强度校核运用有限元 方法对受力部件的受力进行分析求解，在强度允许范围内，对离合器的结构尺寸进行优 化，得到实体模型。运动仿真运用u gn x 运动仿真模块，对已设计离合器的运动过程 仿真，获取仿真图像并对照设计要求分析动态过程。整体设计过程如图2 6 所示。 性能参数理论计算一 建立实体模型一 关键部件尺寸优化一 有限元校核与优化一 图2 6 电磁离合器设计过程 1 2 基本参数选定一 整体结构设计一 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 2 4 电磁离合器性能参数理论计算和特性分析 2 4 1 摩擦转矩计算 摩擦离合器是靠外力压紧摩擦片，通过摩擦片间旋转产生的摩擦力来传递扭矩的， 对于电磁离合器而言，其外力是电磁力与弹簧恢复力的合力，在通电电流和线圈温度恒 定的情况下，电磁离合器所传递扭矩可以通过一对摩擦面上所产生的摩擦力矩确定 【l o 】 1 l 】 o m o = f l 其中：膨。一接触面上的摩擦转矩 f 一压紧力 三一摩擦力臂 ( 2 3 ) 图2 7 摩擦片上的摩擦转矩 摩擦力臂是分布在摩擦片的圆周上，其力臂是相对于圆周半径的积分，如图2 7 所示，在圆周的微分面上，摩擦转矩为： d m 。：“p r 嬲( 2 - 4 ) 式中：一摩擦系数； p 一单位面积上的压力，即比压：p = i 尺一微分环上的半径； 嬲一微分环面积，其值为d s = 2 ：r r d r 在单位面积电磁力恒定，且在整个环面上均匀的情况下，各微分面上摩擦转矩的叠 加即为整个摩擦面上的摩擦转矩 m 。= ，谢r = e 2 万a p r 2 d r = i 2 万缈p ( 碍一砰) 所以在一个对摩擦面上，所产生的摩擦力矩的公式为： 1 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 m o = 妻7 r p ( 砭一砰) ( 2 5 ) 多片摩擦片式离合器传递摩擦扭矩为： m r = 万z p ( 霹- r 1 ) 1 ( 2 6 ) ，、 式中：m ，离合器摩擦扭矩； z 为摩擦面数； k 复位弹簧刚度系数； x 复位弹簧移动距离； 在实际工程设计中，离合器的摩擦转矩m ，应大于或等于离合器器的计算转矩 膨。，即mr m c ，而离合器的计算转矩与理论转矩有如下关系1 2 】 膨。2 丽k m 1 1 1 8 z ( 2 7 ) 式中：m 一离合器理论转矩5 k 工况系数； 民离合器接合频率系数； 墨，滑动速度系数； 其中理论转矩为表2 5 中的最大转矩即m 一= 2 8 4 3 1 n m ，即代入数据解得： m c = 3 2 2 5 3 n m 2 4 2 滑摩功计算 电磁离合器通过摩擦片的摩擦作用传递扭矩的，摩擦片之间在传递转矩的过程中， 在从动部分与主动部分有转速差的情况下，会造成摩擦片的磨损及温度的升高，因此 对于电磁离合器而言，滑摩功直接影响着离合器的使用性能和寿命，是离合器设计中的 一个重要性能参数【1 3 】。 离合器接合后，负载端在离合器动摩擦转矩为乃的作用下加速，速度逐渐上升；对 于主动端，离合器相当于制动器，速度下降，直到两端速度相等为止【7 1 。如图2 8 、图 2 9 所示。 离合器在接合前的系统总动削刀： 1 w o = 寺砰+ i 1 ：2 ( 2 - 8 ) 式中：一系统总动能 根据动力学拉格朗日方程可得： 1 4 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 捌一和乃 优d _ 【- i a a w 玎o 鬲a w o = 卅 图2 8 离合器理论结合过程 气 f ，s 图2 9 离合器结合过程速度曲线 ( 2 9 ) 将2 4 式代入2 5 式，可得主动部分和从动部分的动力学方程： h = 掣 ( 2 1 0 ) 乃一r i 2 d a 优1 2 ( t ) 式中：t 一输入端力矩 毛一离合器摩擦力矩 r 。一负载力矩 滑摩功的计算公式为： 将式2 - 8 代入得： l l 矿= ，乃( q 一哆) 也 0 1 5 ( 2 1 1 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 儿罕出t 学司 仫 将轴承试验台数据代入可得电磁离合器的滑摩功：w = 1 1 4 1 8 9 0 j 2 4 3 发热计算 增速部分离合器，每进行一次实验接合脱开一次，因此其接合频率较低，其发热量 可以只计算次接合过程中温升。 离合器接合一次所产生的热量，传递给周围部件的瞬时温升，可以通过热力学基本 定理计算n 4 】。 f ：旦：堕f f 1 ( 2 1 3 ) m cm c 。 。 式中：缸瞬时温升o q 一次接合产生的热量，滑摩功全部转化为热量，故q = m 离合器吸收热量零件的重量； c 比热容，对钢c = 4 9 0 j 堙k 订许用温升，见表2 6 所示【”】； 代入离合器数据可得：a t = 2 8 3 4 ms a t l 表2 6 摩擦材料的许用温升 o c 工况 f 1 机床设备钢与钢或钢与其他摩擦材料 1 5 0 拖拉机干式离合器 3 5 推土机叉车干式离合器 3 履带车辆离合器 1 5 2 0 离心离合器 7 0 7 5 根据工况，选择许用温升为【a t 】= 1 5 0 0 c ，因此可以得到离合器吸收热量零件的重量 关系：m 2 1 瞎。 1 6 第2 章轴承试验台电磁离合器性能分析 2 4 4 电磁离合器动作特性分析 离合器的动作特性有两类，一类是静摩擦力矩动作特性，一类是动摩擦力矩动作特 性【1 6 1 。静力矩动作特性是指给线圈通入电流，在离合器完全接合状态下，在离合器器打 滑之前的，从输入端传递到输出端的力矩随时间的变化趋势。动摩擦力矩特性是指离合 器在通电接合过程中，输入端与输出端之间有相对滑动情况下，力矩随时间的变化趋势。 轴承试验台的工作是飞轮蓄能和释能的过程。在飞轮蓄能的过程中，离合器处于脱 开状态；当蓄能结束，释放能量时，离合器闭合。由此可以看出，轴承试验台所使用的 离合器主要是在主动侧与从动侧有转速差的情况下工作，故对于电磁离合器动作特性的 研究着重研究其动摩擦力矩的动作特性。 图2 1 0 为干式离合器的动作特性曲线，其详细的描述了电压、电流、力矩、转速随 时间的变化趋势。 l矗 ， t o 一j 飞 - 一i 一， 概， ?j t 1 1 i t t 1 2 ，一 l ，2 h 、 一 i 三一 f - b - ， 9 啷7 磁 陌一一吁锄 - j 毒 l | 五 一 一 一毒lif沥 j t 斟刊 丁 岛 一 刊k 6一， ，。y 2 ， 、 一 竹 一l h 一 一向 u 一励磁电压f 励磁电流s 一衔铁行程2 转矩刀转速j 稳定电流2 乙一动摩擦转矩 乃，一静摩擦转矩互载荷转矩z 残余转矩瓦一空转转矩岛一操作起点一指令传入时 间t l , 一衔铁触动时间乞衔铁吸合时间t 1 2 衔铁动作时间岛转矩上升时间 一无响应时 间岛一联接时间名一衔铁吸毕时间岛加速时间岛一启动时间岛一响应时间乞接通时间 气一脱开时间乙残留力矩时间l 主动侧2 从动侧 f 一线圈时间常数 图2 1 0 电磁离合器的动作过程【8 】 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图2 1 0 可以得知离合器接合过程传递扭矩随时间变化是一个复杂的过程，对于 轴承试验台使用的离合器，一方面希望其传递扭矩丁为近似线性增长，另一方面要求其 从动侧和主动侧在接合一刹那开始到速度完全一致所需时间符合要求，对于时间的要求 在工程中精确的实现相对较困难，通过对离合器在动摩擦特性的定性分析中可知，从动 侧的加速时间岛在整个闭合响应时间中所在比例较大，并且只与离合器电压、传递扭矩、 和负载大小有关，为实现轴承试验曲线，必须缩短衔铁触动、吸合和动作时间。 衔铁吸引时间与摩擦片的总气隙、作用质量和吸引力有关。衔铁移动距离可写成以 下公式 盯= 昙口吃 ( 2 1 4 ) - 式审仃衔铁距磁轭的总气隙 4 一加速度，口：三 公式变形，可得衔铁吸引时间： 铲挣 ( 2 - 1 5 ) 电磁离合器吸合动作总时间：t 9 = 。+ 2 + 气+ 岛 在