电磁制动器研究设计

电磁制动器研究设计 作 者 : 颜珂 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械工程及自动化 2009 年 6 月 火箭 弹 等武器发射系统的高低 机和方向机快速、精确地随动调转，是实现瞄准和提高武器性能 的关键技术 。 在瞄准机瞄准过程中，当方向机和高低机转到目标位置后，需要抱闸和锁紧在当前位置；在火箭炮发射过程中，由于振动或是其他因素可能影响瞄准位置，需要抱闸装置以防止瞄准机的瞄准出现偏移。 电磁制动器适用于定向、定位和发射装置的转塔回转轴的制动功能，具有结构紧 凑、重量轻和安全可靠的特点，具有对高低机和方向机在任意位置抱闸和锁紧功能 。 关键词 火箭 弹发射 抱闸 锁紧 电磁制动器 Title Design of electromagnetic brake Abstract To transfer the elevating and direction mechanism of the rocket and other weapon s launch systems quickly and accurately is the key technology to realize aiming function and improve the weapon s performance. In the aiming process of the rocket s aiming mechanism, when the direction and elevating mechanism have turned to the goal position, they need to be braked and locked at current position. In the rocket launching process, there may be vibration or other factors that would affect aiming position, so brake equipment is needed to avoid excursion. Electromagnetic brake is used for orientation, positioning and turret launcher rotary axis. It is compact, light, safe and reliable, with the function of braking and locking the elevating and direction mechanism in any position. Keywords Rocket launch Brake Lock Electromagnetic brake 第 I 页 共 I 页 目 次 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景、目的和意义 . 1 1.2 论文主要研究工作及意义 . 3 2 电磁制动器设计 . 4 2.1 电动机选择 . 5 2.2 电磁制动器原理设计 . 6 2.3 本章小结 . 8 3 主要零件的分析与设计 . 9 3.1 摩擦元件设计 . 9 3.2 线圈设计 . 12 3.3 弹簧设计 . 14 3.4 其他零件的设计 . 16 3.5 本章小结 . 17 4 有限元分析 . 17 4.1 COSMOSWORKS 的线性静力分析假设 . 19 4.2 弹性力学假设 . 19 4.3 摩擦片的有限元分析 . 20 4.4 本章小结 . 23 结 论 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参 考 文 献 . 25 附 录 . 错误 !未定义书签。 第 1 页 共 28 页 1 绪论 1.1 课题研究背景、目的和意义 20世纪 60 年代以来，由于科学 技术的发展和生产工艺的改进，火炮在射程、射速、威力和机动性各方面都有明显提高。在增大火炮射程方面，主要采用高能发射药 ,加大装药量 ,加长身管，增大膛压，提高初速，相应采用自紧炮身以及发展新弹种（如底凹弹、底部喷气弹、火箭增程弹和枣核弹）等。 105 毫米榴弹炮射程从第二次世界大战时的 11 12公里增大到 15 17公里 ,155毫米榴弹炮射程从 14 15公里增大到 30公里以上，有的达 40余公里。在增大火炮射速方面，采用半自动炮闩，液压传动瞄准机构，可燃药筒和全自动装填机构等。瑞典 FH77-A式 155毫米榴弹炮，最大发 射速度 3发 6 8秒。美 M204式 105毫米榴弹炮利用前冲原理缩短后坐量 ， 后坐时间由 2.5秒降为 1.4秒 ， 后坐距离由 1184毫米降至 430毫米。在提高弹丸威力方面，采用增大弹体强度 ,减薄弹体壁厚，增大炸药装填量等措施，并改装高能炸药和采用预制破片弹等。美 105 毫米榴弹的杀伤效果 ,相当于第二次世界大战期间的 155毫米榴弹。 在提高火炮机动性方面，许多国家采取新结构、新原理、新材料等以减轻火炮重量 ,并重视发展新型自行火炮。美 M102式 105毫米榴弹炮，上架、下架和大架合一，高低机与平衡机合一，采用鸟胸骨闭架式大 架和迫击炮座盘，简化了结构，改善了受力条件，除后坐部分为钢制件外，其余大多为铝制件。火炮重量由原来的 2260千克减到 1400千克。美 M204式 105毫米榴弹炮利用前冲原理，重量由原来的 2260千克减到 2027 千克。美 M109A1式 155 毫米自行榴弹炮，采用专用铝合金车体，体积小，重量轻，机动性好 ； 采用密闭式旋转炮塔，具有浮渡能力；采用液压折叠式驻锄 ,方向射界为 360 。 瑞典的 FH77 式 155毫米榴弹炮和英国 、 联邦德国、意大利联合研制的 FH70 式 155毫米榴弹炮 ， 均附有辅助推进装置，进一步提高了火炮的机动 能力。 苏 -30式 122毫米榴弹炮采用具有 360 方向射界的炮架，提高了火炮的火力机动性。 火 炮在射击前必须先进行瞄准 。 所谓瞄准 ， 就是赋予炮膛轴线以射击所必须的正确位置 ， 使射击时的平均弹道通过预定射击点的动作过程 。 完成瞄准操作的装置称为瞄准机。 瞄准机的作用是按照瞄准装置所装定的设计诸元 ，赋予定向器轴线一定的高低角和方向角， 即赋予定向器轴线一定的空间位置。 瞄准机 分为高低机和方向机 。 通过高低机操纵起落部分绕耳轴旋转赋予炮膛轴线的高低角 ， 称为高低瞄准 。通过方向机操纵回转部分绕立轴旋转赋予炮膛轴线的方位角 ， 称为方 向瞄准 。 第 2 页 共 28 页 制动器是 使机械中的运动件停止或减速的机械 构件， 俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备 (如矿井提升机、电梯等 )则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。 最早的制动器为机械式，随着自动化的发展，出现了电磁式制动器，干式电磁制动器先是单片式，因为价格低，结构简单，在技术要求不搞的地方得到了广泛应用，不足之处是精度低，接通时间长，易磨损，在很大程度上限制了进一步的 应用。而干式多片式失电式电磁制动器以体积小，力矩值大，动作灵敏，寿命长等特点，迅速在各行业得到了广泛的应用。 图 1.1 制动器的分类 有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。 电磁制动器是现代工业中一种理想的自动化执行元件，在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用。具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等优点。 主要与系列电机配套。广泛应用于冶金、建筑、化工、食品、机床、舞台、电梯、轮船、包装等机械中，及在断电时（防险）制动等场合。 使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素 第 3 页 共 28 页 为工作温度和温升速度。摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。摩擦材料分金属和非金属两类。前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。 利用电磁效应实现制动的制动器，分为电磁粉末制动器和电磁涡流制动器，电磁摩擦式制动器等多种形式 。 电磁制动器主要分为： 电 磁粉末制动器：激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化 ,形成磁粉链 ,并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种制动器体积小，重量轻 ,激磁功率小 ,而且制动力矩与转动件转速无关，可通过调节电流来调节制动扭矩，但磁粉会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。 电磁涡流制动器：激磁线圈通电时形成磁场。制动轴上的电枢旋转切割磁力线而产生涡流。电枢内的涡流与磁场相互作用形成制动力矩。电磁涡流制动器坚固耐用、维修方便、调速范围大 ；但低速时效率低、温升高，必须采取散热措施。这种制动器常用于有垂直载荷的机械中。 电磁摩擦式制动器：激磁线圈通电产生磁场，通过磁轭吸合衔铁，衔铁通过联结件实现制动。 另外还细分为干式单片电磁制动器 、 干式多片电磁制动器 、 湿式多片电磁制动器等等 ； 根据 制动方式又可分为通电制动和断电制动。 电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器 ， 可以据需要自由的结合 ， 切离或制动 ， 因使用电磁力来作动 ， 称之 电磁 制动器 ， 具有响应速度快 ， 结构简单等优点。 电磁制动器是使机器在很短时间内停止运转并闸住不动的装置 ， 制动器 也可在短期内用来减低或调整机器的运转速度 。 1.2 论文主要研究工作 及意义 在瞄准机瞄准过程中，当方向机和高低机转到目标位置后，需要抱闸和锁紧在当前位置；在火箭炮发射过程中，由于振动或是其他因素可能影响瞄准位置，需要抱闸装置以防止瞄准机的瞄准出现偏移。因为即使微小的位置偏移都会使得火箭炮的目的地出现不可预计的偏差，所以抱闸装置的要求十分严格，锁紧不能出现任何问题。又由于瞄准机工作条件较差，传动运动受力较大，在行军或射击时受有动负 第 4 页 共 28 页 载荷的作用，因此制动器应有足够的强度和寿命，以保证不被破坏或产生变形。令一方 面，为提高火箭武器的运动机动性，不能做得太笨重，所以在保证可靠性的前提下，应使其结构简单，重量轻。 本文主要完成以下工作： （ 1） 查阅和检索火箭发射装置构造和发射原理文献； （ 2） 查阅和探索电磁制动器相关文献及资料 ； （ 3） 对电磁制动器的工作原理和结构进行设计 ； （ 4） 根据 已知条件对电磁制动器主要零件分析和设计计算 ； （ 5） 利用 SolidWorks和 CAXA软件完成 电磁制动器 的三维立体图和装配图 ； （ 6）利用 SolidWorks对电磁制动器进行有限元分析 和强度校核 。 2 电磁制动器设计 火箭发射装置 系统要求该电磁制动器直径小、制动转矩大、制动灵敏而平稳；并具备适应高低温、冲击、振动、湿热、雨淋等恶劣环境的能力。本电磁制动器就 第 5 页 共 28 页 是基于上述性能和多种功能要求进行研究和设计制造。 2.1 电动机选择 电动的选择主要考虑一下内容： （ 1） 类型的选择 技术性要求 ： 根据生产机械对电动机的机械特性 ， 起动性能 ， 调速性能 ， 制动方法 ，过载能力等要求考虑 ； 经济性要求 ： 节省初期投资 ， 减少运行费用 ； （ 2） 功率的选择 技术性要求 ： 额定功率过大 ， 电动机欠载运行 ,增加设备投资 ， 降低效率和功率因数 ；额定功率太小 ， 电 动机过载运行 ， 电动机过热 ， 降低使用寿命 ； 解决方法 ： a、 类比法 ： 参照同类生产机械来决定电动机的额定功率 。 b、 统计法 ：经统计分析找出电动机的额定功率与生产机械的主要参数之间的计算公式 。 c、 实验法 ： 用同类或者相进类型的生产机械进行试验 ， 测出功率大小 。 d、 计算法 ： 根据电动机的负载情况 ， 从发热 、 过载能力 、 起动能力等方面考虑 ， 通过计算求出所需功率 。 （ 3） 电压的选择 技术性要求 ： 根据电动机的额定功率和供电电压情况选择电动机的额定电压 。 本设计中 首先考虑到工作条件比较恶劣，所以选择密封结构， 又 因为需要固定，所以 安装方式选择 B35（带底脚带 凸缘）。 已知转速为 70 /s，则 70 2 1 . 2 2 1 7 3 /360 r a d s ， 可求得 60n = 1 1 . 6 7 r / m i n2 ， 取 n=12 / minr ， 额定转矩为 500Nm， 取 0.85， 所以 n 0 . 7 3 9 1 4 49550MP k w， 又电动机 承受冲击和振动，综上考虑选择 YH90s-6型电动机，该电动机结构和外形尺寸与基本系列相同，转子采用高电阻铝合金浇铸，适用于惯 性矩较大且具有冲击性负荷机械的传动 。 其主要参数： 极数 6 额定功率 （ kw） 0.75 第 6 页 共 28 页 转速 （ r/min） 870 电压 （ V） 380 额定电流 （ A） 2.48 效率 （ %） 66.5 功率因数 （ cos） 0.69 堵转电流 /额定电流 5 堵转转矩 /额定转矩 2.7 最大转矩 /额定转矩 2.7 转动惯量（ kg m2） 0.0029 噪声 （ dB(A)） 0 重量 （ kg） 23 最大长度 （ mm） 368 最大宽度 （ mm） 255 最大高度 （ mm） 200 2.2 电磁制动器原理设计 通过大量查阅资料后设计 工作原理图 如下 ： 图 2.1 工作原理图 1.外 摩擦片 2.内摩擦片 3.衔铁 4.线圈 5.弹簧 该电磁制动器的工作原理：当电磁制动器未通电时，在弹簧力的作用下衔铁将内外摩擦片加紧，产生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下，产 生制动作用，旋转负载立即停止转动；当电磁制动器通电时，电磁制动器上的电磁线圈产生磁场，衔铁受到电磁力作用向下运动，该力大于弹簧力并使衔铁向下压紧弹簧，使内外摩擦片分离，从而解除限制。 第 7 页 共 28 页 图 2.2 装配图 图 2.3 爆炸图 第 8 页 共 28 页 2.3 本章 小结 本章 主要讨论了 电动机的选择以及电磁制动器的工作原理 。 电动机的选择考虑的因素较多，火箭发射装置在野外工作时恶劣的条件成为电动机选择的主要考虑条件。电磁制动器的设计在参考多个方案后选择了失电式电磁制动器，该种电磁制动器体积较小，制动转矩大，由电磁力驱动可使制动器 反应迅速且工作平稳，工作寿命也较长。 第 9 页 共 28 页 3 主要零件的分析与设计 电磁制动器的设计计算是根据有关资料并考虑到该电磁制动器本身的特点而编制的。 主要零件包含内、外摩擦片，电磁线圈以及弹簧。 3.1 摩擦元件 设计 摩擦元件 为 电磁制动器的制动零件，包含一个内摩擦片和两个外摩擦片，内摩擦片含内花键与电动机输出轴的外花键连接，其性能直接影响制动能力和结合过程。主要分析设计其材料的选择、花键连接以及主要尺寸计算。 3.1.1 摩擦元件材料的选择 选择摩擦材料的时候，主要 考虑一下几点： a. 摩擦系数高而稳定，要求在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数和良好的恢复性能； b. 具有良好的耐磨性能，以提供制动器的寿命； c. 有一定的机械强度，如许用压强要大，这样可增加弹簧压力，从而增加制动转矩 。 查询相关资料后选用 QAl5，铝青铜， 为不含其它元素的铝青铜。有较高的强度、弹性和耐磨性；在大气、淡水、海水和某些酸中耐蚀性高，可电焊、气焊，不易钎焊 ，能很好地承受在冷态或热态下承受压力加工，不能淬火回火强化。 3.1.2 摩擦片主要尺寸设计 （ 1） 摩擦片外径 D 2el3i1 6 1 0f p kTD c m2(1+C)(1-C ) （ 3.1） 式中， -安全系数，其取值范围在（ 1.2-2）之间 ，取 1.2 f-动摩擦系数，对铜基烧结合金钢，其范围在（ 0.2-0.3）之间 ，取 f=0.3 i- 摩擦表面的数目， i=m-1， m为内、外摩擦片总数 ， i=3-1=2 p-单位面积压强，范围在 52( 3 6 ) 1 0 /Nm ，取 526 1 0 /p N m C-摩擦表面内、外径之比，即 C=d/D， d为内径，一般 C值在（ 0.84-0.90）之间 ，取 C=0.84 k-系数，其表达式为v m nk k k k 第 10 页 共 28 页 其中，vk速度系数，3 2.5vk v， v为摩擦外表面圆周速度（ m/s） mk-考虑到摩擦表面数目的系数，其求取方法见下表 表 3.1 系数mk nk-考虑到接通次数的系数，其求取方法见下表 表 3.2 系数nk 由 v=0.1m/s 可得3 2 . 5 2 . 9 2 4 0 1 80 . 1vk ，有条件取 1nk， 1mk ，则2 . 9 2 4 0 2v m nk k k k 又el 500T Nm，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+0.84)(1-0.84 ) 取 7D cm （ 2） 摩擦片内径 d d 7 0 . 8 4 5 . 8 8 c mDC ，取 d=6cm （ 3） 摩擦片径向宽度 b 11( ) 7 6 0 . 5 c m22b D d （ ） （ 4） 摩擦片厚度 H、 h 内摩擦片厚度 H取 5mm 外摩擦片厚度 h取 4mm 外摩擦片数 3 4 5 6 7 8 9 10 mk 1 0.97 0.94 0.91 0.88 0.85 0.82 0.79 接通次数 /小时 90 120 150 180 210 240 300 360 nk 1 0.94 0.88 0.82 0.76 0.70 0.58 0.5 第 11 页 共 28 页 图 3.1 摩擦片 3.1.3 花 键设计 （ 1） 花键选择 由于电动机输出轴参数为 24j6mm，查阅相关资料后选择花键参数为6 2 6 3 0 6 d （ N D B）和 1 0 7 2 7 8 1 2 两种花键， N为键数， 工作长度取 l=40mm。 图 3.2 矩形花键 （ 2） 花 键强度校核 ，校核内摩擦片花键强度 3pp2 1 0 z mT M P ah ld （ 3.2） 载荷分布不均系数， 0.7 0.8 ，取 =0.8； z 花键的键齿数 ， z=6； l 齿的工作长度 ， l=40mm； h 花键齿侧面的工作高度， mm，矩形花键 D-dh= 22 c， D为花键大径， d为花键小径， c为倒角尺寸而渐开线花键 = 3 0 h = m ； = 4 5 , h = 0 . 8 m， ， m为模数 ， h=2mm； 第 12 页 共 28 页 md 花键的平均直径， mm，矩形花键md 2Dd，渐开线花键mfdd，fd为分度圆直径 ，md=28mm； p 许用挤压应力， MPa，见下表 ，取p=80-120MPa； p 许用比压， MPa，见下表； 表 3.3 花键许用挤压应力和许用比压 许用挤压应力、许用比压 连接工 作方式 使用和 制造情况 齿面未经 热处理 齿面经 热处理 p（ Mpa） 静连接 不良 中等 良好 35-50 60-100 80-120 40-70 100-140 120-200 p （ Mpa） 空载下移动的动连接 不良 中等 良好 15-20 20-30 25-40 20-35 30-60 40-70 在载荷作用下移动的动连接 不良 中等 良好 3-10 5-15 10-20 则 3pp2 5 0 0 1 0 9 3 . 0 0 5 9 5 a 0 . 8 6 2 4 0 2 8 MP 合适。 三维效 果图如下。 图 3.3 内 、外 摩擦片 3.2 线圈设计 考虑到制动器定子体积小、结构紧凑，为使励磁线圈散热效果好，线圈骨架用 第 13 页 共 28 页 黄铜制造，同时也减少了动子铁心与线圈骨架孔相对运动时的摩擦阻力。对励磁线圈采用真空浸 F 级无溶剂漆，这样不仅有利于导热，还提高了线圈的绝缘性能、耐热耐湿性能，增强了抗冲击振动等机械性能。 （ 1） 线圈匝数 W 2e 102 cp xUWRJ （ 3.3） eU 线圈额定电压， 24V； x 电阻率，x按 75C 时电阻率计算，此时 20 . 0 2 1 7 m m /x M ； 14cpR 12（ D +D ） 线圈平均半径近似值， 1D 、 2D 分别为窗口内外径，则1 cm4cpR （ 6+7 ） =3.25； J 电流密度，一般 J在 mm 2（ 2 . 5 6 ） A/ 之间，取 mm2J=2.5A/ 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） 线规直径xd 2 2c p xxe2 1 0 2 1 6 2 1 6 7 3 . 2 5 0 . 0 2 1 7 1 0d 2 2 m m24I W RU = = 2 . 8 5 5 取xd 3mm。 （ 3） 励磁绕组尺寸确定 下图为励磁绕组示 意图，其中 b、 h 分别为绕组宽度和高度； 图 3.4 励磁绕组 绕组宽度：121b ( ) 8 . 52 D D m m ； 则绕组沿宽度方向排列层数b8 . 5 2 8 . 3 30 . 3xbS d ； 绕组沿高度方向排列层数h b2167 7 6 . 4 8 22 8 . 3 3WS S ，取 h 77S ； 第 14 页 共 28 页 则绕组高度：hxh d 2 6 . 5 m mS 。 工作气隙： 0.8mm 3.3 弹簧设计 3.3.1 弹簧材料选择 弹簧是在动载荷下工作，且要求在重载下也不产生塑性变形，因此，要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的热处理性能。常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、硅锰弹簧钢、不锈钢及青铜。 本设计中因为要求的制动扭矩较大，工作环境较恶劣，所以对弹簧的要求也较高，综合考虑后选用特殊用途碳素弹簧钢（甲组） 3.3.2 弹簧主要尺寸计算 取 8组弹簧圆周分布在衔铁下方 （ 1） 弹簧 最 大工作载荷计算 弹簧压力 pFS p 摩 擦面压强， 图 3.5 圆柱螺旋弹簧 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 mk D d D d S 受压面积， 2 2 2 2 221( ) ( 3 . 5 3 ) 1 0 . 2 1 0 1 8 c mS R R 则 p 5 1 . 5 3 1 6 1 0 . 2 1 0 1 8 5 2 6 . 1 4 6 4F S N 每个弹簧的最大工作载荷m a x 6 5 . 7 6 8 3 18FFN （ 2） 计算钢丝直径 d a、 有关参数选择 按照弹簧丝直径表 ，根据 1 ( 5 4 ) 12d m m ，假设弹簧直径 d=0.5mm 初选弹簧指数2 / d 6CD 弹簧中径2 d 1 6 3 m mDC 第 15 页 共 28 页 查表符合系列要求。 曲度系数 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 6CK CC b、 材料与许用压力 选用甲组特殊用途碳素弹簧钢丝。 强度极限按表查得 2 7 4 6 aB MP 扭转许用应力按表求得 1373 M P a B = 0 . 5 c、 钢丝直径，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 mm 按表取 d=0.5mm 计算 d值与假设值一致，故可用。 （ 3） 计算刚度，确定弹簧圈数 a、 初算刚度，由公式可得 m a xm a xF 6 5 . 7 6 8 3 1k = 8 . 2 1 0 3 8 / m m8 N b、 工作圈数 查表可得 8 1 4 0 0 aG M P 则338 1 4 0 0 0 . 5 2 . 8 6 48 8 6 8 . 2 1 0 3 8Gdn Ck 圈 取 n=3圈 （ 4） 实际刚度 338 1 4 0 0 0 . 5 7 . 8 5 1 0 8 / m m8 8 3 6GdkNnC （ 5） 弹簧的其他尺寸 弹簧内径12 d 3 0 . 5 2 . 5 m mDD 弹簧外径2 + d 3 0 . 5 3 . 5 m mDD 支承圈数2n1 一圈死圈 总圈数12n n n 3 1 4 圈 扭转极限c取 1.25倍 c a = 1 . 2 5 = 1 . 2 5 1 3 7 3 = 1 7 1 6 . 2 5 M P 第 16 页 共 28 页 自由间隙 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 mmK C n k 取 1mm 弹簧节距 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 mH 工作高度31( n 1 ) d 1 m mH （ 4 ） 1=5 螺旋升角2p2a r c t g a r c t g 9 2 3 5 3D 弹簧丝长度 21n 34 3 8 . 1 7 3 6c o s c o s 9 2 3 5 DL m m 3.4 其他零件的设计 3.4.1 衔铁设计 衔铁 的设计比较简单， 材料采用硅钢制造， 为了便于制造和简化计算，取其内外径与摩擦片相同，厚度为 10mm。 图 3.6 衔铁 3.4.2 外壳设计 外壳 与制动器定子连接在一起，设计其厚 度为 2mm。 第 17 页 共 28 页 图 3.7 外壳 3.4.3 制动器定子 制动器定子的设计以线圈尺寸为基础，考虑安装所需的螺纹孔后设计。 图 3.8 制动器定子 3.5 本章小结 本章对 电磁制动器的主要零件进行了设计，主要考虑的参数为 500Nm 额定制动扭矩，在满足该扭矩的条件下尽可能的小型化、轻量化制动器。摩擦片的尺寸设计是整个设计中的基础，在确定了摩擦片的尺寸后其他零件结构才能得以实现；线圈作为提过电磁力的部件，对其的设计将决定能否达到制动要求，过少或过多的线圈都会造成制动错误；弹簧提供的弹簧力也决定着 能否满足制动要求，弹簧力与电磁力之间必须保持平衡才能使电磁制动器 保持长时间的 正常 工作。其他零件的设计则在翻阅了大量资料后得以制定。 4 有限元分析 有限元分析与三维设计在现代机械设计中占有重要的一席之地，有限元分析大大缩短了机械设计的整个周期，在简化 手工运算量的同时提高了运算精度，使得结果更加的准确可信。在本次设计中，使用了 SolidWorks 对电磁制动器进行 有限元分析。 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是二十世纪五十年代首先在连续体力学领域 -飞机结构静、动态 特性分析中应用的 第 18 页 共 28 页 一种有效地数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元法，简单地说，就是把一个连续的求解域（连续体）离散化，即分割成彼此用节点（离散点）相互联系的有限个单元，在单元体内假设近似解得模式，用有限个节点上的未知参数表征单元的特征，然后用适当的方法，将各个单元的关系式组合成包含这些未知参数的代数方程，得出节点的位置参数，再利用插值函数求出近似解。这是一种使用有限的单元离散某连续体，然后进行求解的一种数值计算的近似方法。 由于单元可以被分割成各种形状和大小不同 的尺寸，所以他能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，再加上它有成熟的大型软件系统支持，使它成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。 有限元法发展到今天，已成为工程数值分析的有力工具。特别是在固体力学和结构分析的领域内，有限元法取得了巨大的进展，利用它已经成功地解决了一大批有重大意义的问题，很多通用程序和专用程序投入了实际应用。同时，有限元法又是仍在快速发展的一个科学领域，它的理论，特别是应用方面的文献已经大量地出现在各种刊物和文献中。 在有限元分析中，如何对模型进行网格划分，以及 网格的大小，都直接关系到有限元求解结果的正确性和精度。划分网格时主要考虑结构中对结果影响不大、但建模又十分复杂的特殊区域的简化处理。同时需要明确进行简化对计算结果带来的影响是有利还是不利的。对于装配体的有限元分析中，首先明确装配关系。对于装配后不出现较大装配应力，同时结构变形时装配处不发生相对位移的连接，可采用两者之间连为一体的处理方法，但连接处的应力是不准确的，这一结果并不影响远处的应力与位移。如果装配后出现较大应力或结构变形时，装配处发生相对位移的连接，需要按接触问题处理。 在本次设计 中， 采 用 了 COSMOSWORKS 来对 电磁制动器的内摩擦片 进行分析。 COSMOS是 SRAC（ Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套强大的有限元分析软件。 SRAC 位于加州的洛杉矶，从 1982 年成立至今， SRAC 一直致力于有限元 CAE 技术的研究和发展。 COSMOSWORKS使用 SRAC公司开发的当今世界上最快的有限元分析法 -快速有限元算法（ FFE），完全集成于 Window 环境并与 SolidWorks 软件无缝集成。从最近 第 19 页 共 28 页 的测试表明快速有限元法的解题速度比传统算法提升 了 50到 100 倍，并降低磁盘存储空间，只需原来的 5%就够了。更重要的是，它在微机上就可以解决复杂的分析问题，节省了使用者在硬件上的投资。 COSMOSWORKS 是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统。 COSMOSWORKS 提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。COSMOSWORKS 凭借着快速解算器的强有力支持，使得能够使用个人计算机快速解决大型问题。 COSMOSWORKS 具有以下优点： 1）使用软件仿真代替昂贵的实地测试（降低成本）； 2）减少产品开发 周期的次数（缩短产品开发时间和成本回收时间）； 3）设计多样与优化（可一次形成多种设计概念，方便从中挑选最好的）。 4.1 COSMOSWORKS 的线性静力分析假设 COSMOSWORKS 根据有限元法，使用线性静力分析来计算应力，线性静力分析需要在以下 3中假设下计算零件的应力。 （ 1） 线性假设 指所引起的响应与应用的载荷成正比。例如： 如果载荷量加倍，模型的响应（位移、应变和应力）也将加倍。如果满足了下列条件，就可以认定这是个线性假设。 最高应力位于“应力 -应变”曲线图的线性范围之内，同时该线是一条从原点开始的直 线 计算出的最大位移远远小于零件的特性尺寸。例如，板的最大位移必须远远小于其厚度，柱的最大位移也必须远远小于其横截面的最小尺寸。 如果未满足此假设，就需要用非线性分析。 （ 2） 弹性假设 如果移除载荷，零件将返回其原始形态（非永久变形）。如果未满足此假设，就需要用非线性分析。 （ 3） 静态假设 缓慢逐渐地加载载荷，知道全部完成为止。突然加载的载荷会导致额外的冲击位移、应变和应力。如果未满足此假设，就需要使用动态分析。 4.2 弹性力学假设 （ 1） 连续性假设 第 20 页 共 28 页 假设物体所占的空间被组成该物体的介质所充满，不留任何空隙。 不考虑介质的微观物质结构。物体内的物理量就能用空间坐标的连续函数来描述。 （ 2） 均匀性假设 认为物体由同一种材料组成，内部的物理性质处处完全相同。 （ 3） 各向同性假设 假设物体内每一点沿各不同方向的物理性质相同，如弹性常数，导热系数等。 （ 4） 完全弹性假设 假设物体在外加因素去除后能完全恢复原来形状，没有剩余变形。同时认为应力与应变呈线性关系，即服从虎克定律。 （ 5） 微小变形假设 假设物体在载荷作用下产生的位移远远小于物体的特征尺寸，应变分量和转角均远小于 1。 上述 5 项假设中，前四个属于物理假设，符合前四个基本假设的称为理想弹性体。第五个 假设属于几何假设，符合该假设的理想弹性体的问题称为线性弹性力学 。 4.3 摩擦片的有限元分析 （ 1） 选择研究类型 本次设计中的摩擦片受力属于线性静态力，在算例中选择选项“静态” 。 （ 2） 定义材料属性 本次设计的摩擦片材料选用铝青铜 QAl5，在 SolidWorks 的材料库中加载材料铝青铜 。 弹性模量是 110GPa， 泊松比为 0.3，抗剪模量 43GPa ， 质量密度为 7400kg m3 ， 屈服强度为 275.742MPa，比热为 380J/(kg.K)。 （ 3） 添加约束与载荷 在该摩擦片的力学模 型中，在花键内侧添加完全约束；在摩擦片两侧面添加力矩载荷，大小为 500Nm。 （ 4） 划分网格并进行运算 选择“实体网格”对摩擦片进行划分，参数选择中等 ，划分完成后进行运算。 （ 5） 得到分析结果并进行评估 第 21 页 共 28 页 图 4.1 网格图 图 4.2 应力云图 表 4.1 摩擦片受载时 最大与最小 应力 最大应力 （ 2/mN ） 最小应力 （ 2/mN ） 610576.1 210600.4 受 力位置 花键与摩擦片相交圆上 摩擦片外 圆 沿 上 由 图 4.2 和表 4.1 可看出，摩擦片受最大应力分布在花键与摩擦片 相交的 圆环上 为 26 /10576.1 mN ，此处为摩擦片受力的危险点， 向摩擦片外圆方向 逐渐减小至摩擦片外圆沿上达到最小， 而摩擦片最大所受最大应力小于材料屈服力28 /10757.2 mN ， 满足要求，故 合格。 第 22 页 共 28 页 图 4.3 位移云图 表 4.2 摩擦片受载时 最大与最小 位移 最大位移 （ m） 最小位移 （ m） 710962.2 3310000.1 位移位置 摩擦片外 圆 沿 上 花键与摩擦片相交圆 上 由图 4.3和表 4.2可看出，摩擦片在外沿位移最大为 710962.2 m， 向摩擦片内径方向逐渐减小，至花键上位移到达最小并保持不变， 摩擦片大径为 70mm，则可求得 8 7 2 7 9.00 0 0 2 4 2.01 8 007.0 109 6 2.27 o，满足要求，故合格。 图 4.4 应变云图 表 4.3 摩擦片受载时 最大与最小应变 第 23 页 共 28 页 最大应变 最小应变 510215.1 810696.3 应变位置 花键与摩擦片相交圆 附近 花键外圆沿上 由 图 4.4 和表 4.3 可看出，摩擦片在花键与摩擦片相交圆附近 应变 最大为510215.1 ，向着花键端部方向逐渐减小 至花键端部达到最小，由于应变与弹性模量的乘积应小于材料屈服强度。 而 M P aM P a 742.2753365.1101.110215.1 115 ，满足要求，故合格。 4.4 本章小结 本章 节主要是对摩擦片进行了 有限元分析，因为 传统的力学计算方法 计算量大、精度低、周期长 ， 故 用有限元法 代替传统力学计