汽车制动实验台动力系统设计毕业论文.doc

1 汽车制动实验台动力系统设计汽车制动实验台动力系统设计毕业论文毕业论文 目目 录录 第一章 绪论 3 1 1 选题背景 3 1 1 1 选题的目的和意义 4 1 1 2 国内外汽车试验制动台的发展的现状 5 1 1 3 台架制动实验台的特点及发展前景 8 1 2 本课题的研究工作 8 第二章 传动方案选择及论证 9 2 1 传动方案的设计与论证 9 2 1 1 传动方案的要求 9 2 1 2 传动方案的拟定 10 2 2 传动方案的内容与工作制动试验台原理 10 2 2 1 传动方案的内容 10 2 2 2 制动实验台的工作原理 11 第三章 制动实验台结构设计计算 12 3 1 引言 12 3 2 滚筒选择 12 3 2 1 滚筒直径的选择 12 3 2 2 滚筒长度的选择 12 3 2 3 滚简转速的选择 13 3 2 4 车轮与滚筒间附着系数的选择 13 3 2 5 安置角对测试车轮稳定性的影响 13 3 2 6 滚筒中心距 L 的选择 14 3 3 车轮的选择与计算 14 3 3 1 车轮直径计算 14 3 3 2 车轮所需转速计算 15 2 3 4 滚筒的计算 15 3 4 1 滚筒质量计算 15 3 4 2 滚筒转动惯量计算 15 3 4 3 滚筒功率计算 15 3 5 电动机的选择 16 3 6 齿轮传动计算 18 3 6 1 车速为 100km h 时的齿轮传动 18 3 6 2 齿轮传动分析 26 3 7 轴设计 27 3 7 1 确定轴的最小直径 28 3 7 2 从动轴设计 29 3 7 3 主动轴设计 30 3 8 轴承和轴承座设计 30 3 81 选择轴承型号 31 3 82 轴承座型号 31 3 9 主从滚筒间齿轮传动设计 31 3 10 汽车制动实验台框架参数设计 32 3 10 1 槽钢的选择 32 3 10 2 制动试验台框架结构参数 33 3 11 带传动设计 33 3 12 电磁离合器地选择 34 3 12 1 按计算扭矩选择电磁离合器 34 3 12 2 牙嵌式电磁离合器的结构与工作原理 34 3 13 本章小结 35 第四章 结论和建议 36 4 1 本论文的结论 36 致 谢 37 参考文献 38 3 附 录 39 制动器和制动测试试验的概况 39 A PRIMER ON BRAKES AND BRAKE TESTING 45 4 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 选题背景选题背景 汽车制动性能的检测 作为机动车安全检测中最重要项目之一 一直是大家关注 的焦点 制动检测设备怎样才能客观准确地检测出汽车的制动性能 使其更好地服务 于社会 造福于人民 与我们的被检对象机动车的现状是分不开的 近几年来 我国 机动车保有量急剧增加 机动车安全运行的问题越来越突出 加强机动车的管理 重 视机动车辆的安全技术检测 成为整个社会 特别是公安 交通部门有待研究解决的 重要课题 汽车行驶速度的不断提高和道路行车密度的增大 对汽车行驶安全性提出了越来 越高的要求 汽车防抱死制动系统 ABS Anti Lock Braking System 就是在这种要求下 产生和发展的 ABS 装置通过控制和调节车轮的制动力 防止车轮在制动时的滑转 最大限度的利用路面附着系数以缩短制动距离 防止侧滑 提高制动时的方向稳定性 从而大大改善汽车的制动性能 提高汽车的安全性 目前 由防抱死制动系统 ABS 和 防滑驱动系统 ASR 共同组成的防滑控制系统已经成为汽车向电子化发展的一个重要方 面 由于国家强制规定采用 ABS 后 各汽修厂和汽车综合性能检测站都会遇到 对带 ABS 汽车的制动综合性检测的问题 如果要建立 ABS 制动性能测试场则需要大量资金和 场地 典型的 ABS 制动性能测试场仅路面占地就需 10 亩地 一般企业难以承受 汽车 制动能测试台由于占地面积小 投入少 同时台试法检验制动性能的优点是迅速 准 确 安全 不受外界条件的限制 重复性较好 能测得各车轮的制动全过程 制动力随 时间增长的过程 受到汽修厂和汽车综合性能检测站青睐 但现有的汽车制动性能检 测的设备不能适应带 ABS 的汽车的要求 因此研究开发新的制动性能测试台 应该是 解决带 ABS 汽车制动性能检测问题较理想的方法 本文将在理论和技术上对此检测台进行研究 如果可行将为汽车检测技术提供新 装备的设计思路 将节省大量资金和场地 5 1 1 1 选题的目的和意义 汽车制动性能的检验是机动车安全技术检验的重要内容之一 也是汽车保修企业 进行故障和调试修理的科学依据 近年来 随着不解体检在线检测技术的发展 汽车 制动性能的检测与诊断已由经验定性型向仪器化的定量与定性相结合方向发展 由路 试向台架检测发展 汽车制动的开发研究主要以试验与仿真相结合的方式进行 实车试验成本高 周 期长 重复性差 因此仿真技术越来越成为研究 ABS 的重要手段 GB7258 2004 机 动车运行安全国家标准规定 ABS 为大型车辆的标准配置 这使得国内汽车对 ABS 的 需求急剧增加 为提高 ABS 产品的品质 降低开发成本 缩短开发周期 室内试验 台和计算机仿真将成为汽车 ABS 试验研究的重要手段之一 采用 ABS 室内试验存在的主要问题是试验误差 试验误差与许多因素有关 如 简化模型与真实对象的差异 试验装置的系统误差 试验数据的误差 试验操作的误 差 计算误差 如截断误差 等 因此开发一个好的实验台对汽车制动系统的研究有很 大作用 ABS 技术在世界上属于尖端技术 ABS 产品还属于高利润 高附加值产品 装配 ABS 装置会直接增加车辆的制造成本 因此不论是汽车生产厂商还是车辆用户 都非常 关心装配在车上的 ABS 系统的使用性能 想要确切知道 ABS 装置装配到汽车上以后的 实际使用性能 必须通过全面的检测 目前国内对 ABS 性能的检测主要是采用电气性 能测试和道路试验这两种方法 第一种方法 采用模拟装置代替车辆向 ABS 装置发送 轮速信号和车身信号 通过观察 ABS 的输出信号来判断 ABS 是否工作正常 这种方法 由于是对 ABS 进行装车前的单独检测 即使 ABS 的各项参数都在正常值范围内 仍然 无法保证 ABS 装配到车辆后 仍然能充分发挥其功效 对于第二种方法 虽然能较全 面地检测装配 ABS 的车辆在各种路面上的制动性能 但是试验费用高 周期长 精度 低 受环境及道路条件的影响大 为了克服以上方法中存在的缺陷 实现对 ABS 工作 性能检测的精确化和台架化无疑是最佳途径 国内现阶段普遍采用的反力式制动台无法对装配 ABS 的车辆的制动性能进行检测 目前国外少数厂家已经开发出惯性式转鼓制动试验台来检测 ABS 制动性能 但这种设 备价格昂贵 而且只能完成单一路面附着系数情况下的制动效能试验 根本无法完成 国内外 ABS 试验标准中规定的不同路面组合工况下对 ABS 系统性能的考核 6 随着 ABS 装置的广泛应用 检测 ABS 性能也显得越来越重要 但是到目前为止 还没有出现真正能全面检测 ABS 综合性能的试验台 而随着对车辆制动性能检测要求 的提高 实行 ABS 性能检测的台架化日益重要 所以 国内急需开发出一种价格适中 功能齐全 测试精度较高 并且完全拥有知识产权的对装车后的 ABS 制动性能进行全 面检测的设备 以满足国内整个汽车检测行业的需要 本课题是集 机 电 气 于一体的新产品开发项目 其目的是根据国家有关 ABS 性能标准要求 在深入研究汽车 ABS 工作性能的室内台架试验方法的基础上 开发研 制出能够对安装 ABS 装置的车辆的制动性能进行动态检测和评价的试验台及其计算机 测试分析系统 该试验台根据 ABS 的工作原理 能够模拟出汽车在不同附着系数路面 上进行制动时的动态制动过程 测试出汽车的各个车轮在路面附着系数发生变化时 ABS 的工作状态 从而全面地检测出安装 ABS 的车辆在各种路面上的制动性能并进行综合 评价 该试验台及测试分析系统的研制成功 可以有效地解决我国现有各种试验台架无 法对装有 ABS 的车辆的制动性能进行测试的这一困扰我国汽车检测行业多年的技术难 题 从而填补我国在汽车 ABS 不解体室内台架试验方面的空白 该项目的研制成功 对于推动我国汽车检测技术及设备的发展 促进整个汽车检测行业的技术进步将起到 重要作用 对于满足我国汽车检测市场的迫切需要 改善我国车辆安全技术状况 降低 交通事故的发生也将具有十分重要的现实意义 1 1 2 国内外汽车试验制动台的发展的现状 我国使用的反力滚筒式制动试验台有两大类 其一是引进日本弥荣公司 日产公 司的 其二是引入西欧国家的 如德国马哈公司 申克公司 英国克雷普顿公司 意 大利的钻石公司等 日本式试验台的特点是摩擦滚筒直径小 一般直径为 12Omm 左右 且滚筒表面刻 有矩形槽 制动时线速度低 两滚筒之间有举重器 一般没有智能程序 数值显示多 为指针式 西欧式试验台的特点是摩擦滚筒直径大 一般直径在 265mm 左右 且筒表面涂敷 摩擦材料 摩擦系数较高 可达 0 8 一 0 9 制动时线速度高 在两滚筒之间有两个 第三滚筒 数值显示为指针式 7 吉林大学等利用计算机模拟仿真技术来建立 ABS 虚拟检测系统 该方面研究成果有 一些报道 主要应用在 ABS 产品开发中 尚未见应用于产品生产检测中 实现计算机 模拟仿真首先是要建立车辆动力学模型 然后利用计算机技术进行仿真 目前 检测设备制造业已形成一定规模 市场竞争十分激烈 反力式汽车动试验 台型式变得多样化 并在不断改进和提高 传感器都己从机械式的或机电式的进化为 电子式的 控制方式也由继电器控制变成计算机控制 世界汽车工业迅猛发展的同时 人们对于汽车的安全性能的关注日益提高 ABS 系 统的装车率也随着汽车工业的发展及其自身技术的进步逐年提高 是否装有 ABS 装置 已经成为车辆性能评价时的一个重要依据 自 90 年代开始 一些知名汽车公司 如通 用 奔驰 宝马等 己在其生产的轿车上 100 地装备了防抱死制动系统 ABS 到 90 年 代末 美 日 欧等发达国家及地区基本上每一辆新生产的汽车都装有 ABS 近年来 ABS 在我国也得到快速推广和应用 如一汽大众 二汽富康 上汽通用 奇瑞 重庆长 安 陕西汉江等汽车生产厂家 均早己在其生产的汽车上加装了 ABS 机械工业部在 九五期间重点发展的 60 种零部件及被推荐的生产企业 目录中 将制动系统的防抱 死装置和防滑装置列在第二项 第一项是汽油机电控系统 且该项是仅有的三项无被 推荐的生产企业的产品之一 由此 我国的 ABS 产品开始进入重点发展时期 随着 ABS 装置的快速发展和广泛应用 如何对其工作性能进行全面的检测就显得越来越重要 我国从 80 年代以来就开始实施对在用汽车的整车性能进行定期强制性检测 90 年 代以来开始对汽车制造企业也要求进行整车出厂性能的全面综合测试 为此 在国内 的公安 交通及汽车制造部门分别建立了大量的汽车安全性能 综合性能以及出厂质 量检测线 在这些检测线中 对汽车的制动性能检测是最为重要的检测项目 虽然经 过了近 20 年的发展 目前在国内各种汽车检测线中 对汽车制动性能的检测方法 仍 然都是利用反力式制动试验台来测试汽车的最大制动力 制动协调时间 制动力过程 差 驻车制动力 制动拖滞力等参数以评价汽车的制动性能 但是 对于目前大量的 安装有 ABS 的车辆 这些参数的测量根本不能反映其实际的制动效果 因为装有 ABS 的汽车 其制动过程与未装 ABS 的汽车有较大区别 装有 ABS 的汽车在进行制动时 其制动力上升到一定程度后 ABS 装置开始自动调节制动缸的制动压力 使车轮始终保 持在一定的滑移率范围之内 从而获得最大地面制动力 在这一过程中 制动缸中的 液压处于不停的变化之中 汽车车轮的减速度也随之不断变化 反力式制动试验台只 能对未装 ABS 的车辆的制动性能进行检测 其滚筒转速较低 制动测试时的车速较低 8 如果对装有 ABS 的车辆进行制动性能检测 在此低速下 ABS 根本不可能工作 同时轮 胎与滚筒之间的附着系数也是一个固定值 不能模拟测试在路面附着系数发生变化时 ABS 的工作性能 因此 如何实现对装有 ABS 车辆的制动性能进行不解体台架测试的问题就成为我 国汽车安全和综合性能检测行业以及汽车制造企业急需解决的问题 目前国内一些研 究院所及大专院校的相关研究部门虽然针对该问题在理论上进行了一些探讨 但还没 有真正地进行相关设备的研究与开发 国外像日本弥荣以及德国的少数企业虽然己生 产出成套的 ABS 检测台 但是其检测台只能完成某种单一路面情况下的制动效能模拟 试验 不能完成国内外 ABS 试验标准中规定的不同路面组合工况下对 ABS 系统性能的 全面测试 并且价格昂贵 像日本弥荣每套产品约人民币 400 万元 显然不适合中国 国情 国内对汽车 ABS 工作性能的检测广泛采用的方法是路试 路面虽然能较全面地检 测装配 ABS 的车辆在各种路面上的制动性能 但是该方法试验费用高 周期长 精度 低 受环境及道路条件的影响大 难以实现对所有车辆的定期测试 为了有效克服 ABS 装车路试过程中存在的缺陷 实现对 ABS 工作性能检测的精确化与台架化无疑是最佳 途径 目前国内对 ABS 试验台架的研究 多是利用计算机对其中的某一或某些部分进 行仿真 并不能如实反应 ABS 系统在汽车制动时的动态控制情况 现阶段对 ABS 检测 台的理论研究方法大体类似 主要在模拟汽车的平动惯性和路面的附着系数变化上有 一些区别 具体提出了三种形式 1 以飞轮组的转动惯量模拟汽车的平动惯量 采用补偿电贯量的方案实现连续模 拟 通过专门的控制电路及模拟施加不同的车轮制动力实现对道路附着系数的有效模拟 2 直接用电机驱动汽车车轮 采用自藕变压器来调整电机工作电压 从而调整电 机与车轮转速来模拟各种行驶车速 通过调节带传动中皮带的松紧来调整摩擦力的大小 以模拟汽车在不同附着系数路面上的制动情况 3 以飞轮组的转动惯量模拟汽车的平动惯量 通过调节变频调速电机输入电流的 频率实现连续模拟 用扭矩控制器控制滚筒实现对道路附着系数的有效模拟 据初步调查统计 目前国内还没有真正进行汽车 ABS 试验台及测试分析系统的产 品化开发研制 也没有相关的专利问世 9 1 1 3 台架制动实验台的特点及发展前景 相对于道路试验检测来说 台架检测方法具有许多突出的优点 1 检测过程简单 时间短 针对制动系统制动性能的检测 每辆车只需要 3 5 分钟 因此 如果将制动检测试验台安装到目前国内的汽车性能检测线上使用 对整 条检测线的检测速度影响很小 2 设备占地面积小 可以作为一个单独的工位加装在目前我国正在普遍使用的 汽车性能检测线上 从而能够在汽车年检中完成对汽车制动系统的性能检测 3 检测过程受环境因素影响较小 由于台架检测是在室内进行 所以不会受到 天气 侧向风等自然条件的影响 4 设备耗资低 根据市场需求可实行产业化生产 台架检测法有许多道路检测 法所不具备的优点 但是也存在一些不足 由于台架检测法所采用的方法是模拟路面 制动状况并进行检测 不能反映出路面制动时的轴荷转移对制动过程的影响 同时受 到电子器件精度 汽车当量模拟精度等因素的限制 所以测试结果在一定程度上存在 偏差 通过不断改进台架设计 充分减小台架自身不足 可能选用高精度电子测试器 件等措施 可以将台架测试的精度逐步提高 目前 随着我国汽车保有量的逐年增长以及人们对道路交通安全关注程度的提高 在用车辆的常规检测项目中增加制动系统制动性能检测的必要性也随之日益提高 台 架检测必随之广泛应用 1 21 2 本课题的研究工作本课题的研究工作 对汽车制动试验台的研究主要集中在以下几方面 1 了解汽车制动试验台的用途 功能 并就当前汽车制动试验台技术现状以及性能 进行综合论述 2 进行汽车制动试验台动力系统方案设计 并通过分析论证 确定最终实验方案 3 制动试验台结构设计的研究 对制动试验台动力系统方案进行结构设计 绘制零件 图及装配图 4 在实验台制造完成的情况下 进行必要的性能试验和试验数据分析 10 第二章第二章 传动方案选择及论证传动方案选择及论证 2 12 1 传动方案的设计与论证传动方案的设计与论证 2 1 1 传动方案的 要求 合理的传动方案 首先要满足工作机的功能要求 其次还应满足工作可靠 传动 效率高 结构简单 尺寸紧凑 重量轻 成本低廉 工艺性好 使用和维护方便等要 求 但是任何一个方案 要满足上述所有要求是十分困难的 要统筹兼顾 满足最主 要和最基本的要求 对机器使用功能方面的要求 实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求 好 的使用性能指标是设计的主要目标 另外操作使用方便 工作安全可靠 体积小 重 量轻 效率高 外形美观 噪声低等往往也是机械设计时所要求的 对机器经济性的要求 机器的经济性体现在设计 制造和使用的全过程中 在设计机器 时要全面综的进行考虑 设计的经济性体现为合理的功能定位 实现使用功能要求的 最简单的技术途径和最简单合理的结构 机械零件是组成机器的基本单元 对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现 的 所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引伸出来的 即也应从保证 满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作 从而保证机器的各种功能的正常实现 这 就要求零件在预定的寿命期内不会产生各种可能的失效 即要求零件在强度 刚度 振动稳定性 耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件 这些条件就是判定零件工作 能力的准则 要尽量降低零件的生产制造成本 这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑 设计时应合理地选择材料和毛坯的形式 设计简单合理的零件结构 合理规定零件加 11 工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等 另外要尽量采用标准 化 系列化和通用化的零部件 任何一种机器都有动力机 传动装置和工作机组成 动力机是机器工作的能量来 源 可以直接利用自然资源 也称为一次资源 或二次资源转变为机械能 工作机是机 器的执行机构 用来实现机器的动力和运动功能 如机器人的末端执行器就是工作机 传动装置则是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置 满足同一工作机功能要求 往往可采用不同的传动机构 不同的组合和布局 从 而可得出不同的传动方案 我在拟定传动方案时 了解了各种传动机构的性能及适用 条件 结合工作机所传递的载荷性质和大小 运动方式和速度以及工作条件等 对各 种传动方案进行比较 并进行了合理的选择 2 1 2 传动方案的 拟定 满足同一工作机功能要求 往往可采用不同的传动机构 不同的组合和布局 从 而可得出不同的传动方案 我在拟定传动方案时 了解了各种传动机构的性能及适用 条件 结合工作机所传递的载荷性质和大小 运动方式和速度以及工作条件等 对各 种传动方案进行比较 并进行了合理的选择 由于考虑到电机的输出转速 还有要实现不同车速之间的转换问题 经过综合考 虑 我选用了齿轮传动 这是根据它的特点决定的 因为它是传动平稳 且结构尺寸 较小 传动易于实现 2 22 2 传动方案的内容与工作制动试验台原理传动方案的内容与工作制动试验台原理 2 2 1 传动方案的内容 传动方案的具体内容为电机开启 电机转速通过齿轮减速装置减速为滚筒所需转 速后传递给主动滚筒 主动滚筒通过齿轮传动把动力和转速传递给从动滚筒 车轮胎 与滚筒接触 从而滚筒带动车轮旋转 于是车轮达到预定的测试速度 我的设计为预 定三种车速 分别为 100km h 80km h 60km h 选定发动机后 根据其满载转速与为达到 所设三种车速滚筒素虚的转速算出传动比 根据传动比确定传动类型 经过考虑我选 择的是齿轮传动 为了实现不同齿轮传动间的速度传动比的切换 我在每个主动齿轮 上安装了电磁离合器 通过电磁离合器控制齿轮传动 从而把转速降为设计要求的转 速 并传给滚筒 带动车轮 汽车制动实验台的示意图如下 12 图 2 1 制动实验台传动示意图 2 2 2 制动实验台的工作原理 汽车制动实验台的工作原理是当车轮在滚筒式制动试验台上测试时 利用滚筒模 拟一定道路状况 即将被测车轮置于两滚筒上 用电机驱动滚筒旋转 滚筒带动车轮 转动 并达到预定测试速度 然后踏下制动踏板 车轮停止转动 而滚筒依靠惯性轮 的作用继续旋转 滚筒相当于活动路面 从而测得所需各项数据 其中利用齿轮传动 实现三种要求的车速 利用电磁离合器实现不同车速之间的转换 齿轮传动的作用 是将电动机的转速分别降为所需的三种转速 即所需的三种车速 不同的转速切换是 通过电磁离合器来控制的 主动轴上的三个主动齿轮分别与三个电磁离合器相连 且 与从动齿轮分别啮合 电磁离合器通过电磁圈控制齿轮与轴的啮合 当电磁离合器发 挥作用时 主动齿轮的转速便经过减速后传给从动轴 当电磁离合器不发挥作用时 齿轮虽然啮合 但不把动力传递给从动轴 因此是空转 通过电磁离合器的作用 完 成不同转速车速之间的切换 图 2 2 汽车制动试验台结构原理示意图 13 第三章第三章 制动实验台结构设计计算制动实验台结构设计计算 3 13 1 引言 引言 汽车制动试验台的结构参数对制动性能的测量结果有着重要关系 只有合理选择 制动试验台的设计参数 才能提高试验台测试的准确性与可靠性 以及耐用性和使用 经济性 本章将分析汽车制动试验台主要结构参数选择方法 制动试验台主要结构有 车轮 滚筒 电动机 齿轮等 3 2 滚筒选择 3 2 1 滚筒直径的选择 目前制动试验台多采用滚筒中心距不可调式 由此 减小滚筒直径 可使车轮在 试验台上的安置角增大 增加试验台的稳定性 提高车轮与滚筒间的蹬着力 节省驱 动电机功率 但滚筒直径不能过小 否则车轮的滚动损耗将明显增加 本制动试验台选 取滚筒直径为420mm 3 2 2 滚筒长度的选择 它取决于受检车辆的结构参数及试验台的通用性 本制动试验台选取滚筒长度为220mm 3 2 3 滚简转速的选择 滚筒转速决定测试车速的高低 为使汽车测试时的条件最大限度地与使用条件一 致 必须保证滚筒的线速度不致过低 否则 将使测试结果失真 但随着测试车速的提 高 试验台的驱动功率也随之增加 因此还要考虑使用经济性 滚筒线速度即测试车速 可由公式 2nR确定 本制动试验台滚筒转速选取了三种转速 分别为 100km h 80km h 60km h 14 3 2 4 车轮与滚筒间附着系数的选择 车辆在试验台上测试时 车轮与滚筒的接触面积小于车轮与地面的接触面积 且 比压增大 引起滚动阻力增加 附着系数下降 因此只有提高车轮与滚筒间的附着系 数 才能在滚筒式制动试验台上较真实地再现汽车在路面上的制动状况 但附着系数 的提高受到滚筒表层结构和材料的限制 目前采用较多的是表面带有沟槽的钢制滚筒 其表面附着系数在0 6 0 8之间 3 2 5 安置角对测试车轮稳定性的影响 车轮安置角是指汽车车轮与滚筒接触点的切线方向与水平方向的夹角 安置角的 大小直接影响到车轮的滚动阻力 车轮在试验台上测试时的受力情况如图所示 分析时 忽略了非测试车轮约束反力的影响 并假设测试车轮为刚性 车轮有向后移动的趋势 若车轮在两滚筒上的安置角过小 车轮将离开前滚筒沿后滚筒滑移 若安置角足够大 则水平力平衡 使车轮在两滚筒上稳定而不脱离前滚筒 由以上分析可知 车轮在滚 筒上的安置角越小 获得的测试能力越大 安置角越大则测试过程中的工作稳定性越好 所以应综合两方面的影咱来选择a角 但最大测试能力的获得是以测试车轮工作稳定为 前提的 本实验台选择的是38度 图 3 1 车轮受力分析 15 3 2 6 滚筒中心距 L 的选择 当测试车轮置于前 后两滚筒间时 测试车轮半径R与前后两滚筒中心距L 车轮 在滚筒上安置角的关系由以下公式确定 即L 2 R r sina 对应于不同的车轮半径R 其L也应不一样 但目前使用的滚筒式制动试验台大都是 滚筒中心距不能调整的 不能保证所有尺寸的车轮到处于测试的最佳状态 从而使许 多制动力合格的车辆在试验台上测试时达不到规范要求 本实验台通过以上公式计算 选定中心距为 L 577 5 420 sin38 602mm 3 3 车轮的选择与计算 3 3 1 车轮直径计算 轮胎直径 胎面宽度 扁平比 2 轮圈直径 25 4 我选用的 185 60R14 轮胎 其轮胎直径可以如下计算 D 14 25 4 185 0 6 2 577 6 毫米 3 3 2 车轮所需转速计算 设车速为 100km h 取滚筒的直径为 420mm 根据公式dvn 得出要达到车速为 100km h 滚筒需要的转速为 n 1264 r min 设车速为 80km h 取滚筒的直径为 420mm 根据公式dvn 得出车速为 80km h 滚筒需要的转速为 n 1011 r min 设车速为 60km h 取滚筒的直径为 420mm 根据公式dvn 得出车速为 60km h 滚筒需要的转速为 n 758r min 3 4 滚筒的计算 3 4 1 滚筒质量计算 前面所选滚筒直径为 420mm 长度为 220mm 密度为 7 8 1000kg m2 同时我们 16 令滚筒的壁厚为 20mm 由此可得滚筒质量为 43kg 3 4 2 滚筒转动惯量计算 滚筒转动惯量由公式 J MRR 可得 J 1 5523kg mm 因此所有 8 个滚筒的转动惯量为 12 4184kg mm 3 4 3 滚筒功率计算 车速为 100km h 时滚筒的角速度为 w 2 3 14n 即 w 132 3rad s 由 T Jw 得出滚筒功率为 1 643kw 设电动机功率传递因数为 0 8 则电动机的功率为 W T 0 8 2 054kw 车速为 80km h 时滚筒的角速度为 w 2 3 14n 即 w 105 8rad s 由 T Jw 得出滚筒功率为 1 314kw 设电动机功率传递因数为 0 8 则电动机的功率为 W T 0 8 1 642kw 车速为 60km h 时滚筒的角速度为 w 2 3 14n 即 w 79rad s 由 T Jw 得出滚筒功率为 0 986kw 设电动机功率传递因数为 0 8 则电动机的功率为 W T 0 8 1 231kw 3 5 电动机的选择 当车速为 100km h 滚筒功率为 1 643kw 设电动机功率传递因数为 0 8 则所需电动机的功率最少为 W T 0 8 2 054kw 考虑到整车的平动惯量和所需功率与惯性论等所需功率 我决定求出整车所需功率 以此来确定发动机功率 设整车质量为 2000kg 当他速度达到 100km h 时 动力从电机传到滚筒大概需要 200s 由此根据公式 得出整车所需功率为 p 3 858kwtmvp 5 0 2 考虑到传递功率问题 本实验台经过两次齿轮传动 传动效率查书得 0 98 经过 一次皮带轮传动 传动效率查书得为 0 92 经过三次轴承传动 传动效率查书得 0 99 本实验台综合传动效率为他们的乘积 总传动效率 0 855 99 0 99 0 99 092 098 098 0 综合上述情况 还有各种可能的传动消耗 经过计算查阅资料与设计手册 我决定选 17 取额定功率为 7 5kw 同步转速为 1500r min 的电机 查机械设计手册 选择电机的具体参数为 电机名称 Y 系列三相异步电动机 类别代号 Y 型号规格 Y132M 4 防护等级 IP44 安装形式 B3 极数 4 额定功率 kw 7 5 转速 r min 1440 电压 V 380 额定电流 A 7 效率 87 功率因数 cos 85 堵转电流 额定电流 7 堵转转矩 额定转矩 2 最大转矩 额定转矩 2 2 转动惯量 kg m 2 0296 噪声 dB A 78 重量 kg 81 机座号 132M 国际标准机座号 132M38 最大长度 mm 515 最大宽度 mm 350 最大高度 mm 315 18 3 6 齿轮传动计算 齿轮传动是机械传动中最重要的转动之一 形式很多 传递的功率可达数十万千 瓦 圆周速度可达 200m s 齿轮传动在农林机械 建筑机械 冶炼机械 挖掘机械等 各个领域都有着较广的应用 齿轮传动有以下几个特点 1 效率高 在常用的机械传动中 以齿轮转动效率最高 如一级圆柱齿轮转动的效 率可达 99 这对大功率传动十分重要 因为即使效率提高 1 也有很大的经济意 义 2 结构紧凑 在同样的使用条件下 齿轮传动所需空间尺寸一般较小 3 工作可靠 寿命长 设计正确合理 使用维护良好的齿轮传动 工作十分可靠 寿命可长达一 二十年 这也是其他机械传动无法比拟的 这对车辆及在矿井内工作 的机器尤为重要 4 传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求 齿轮转动获得广泛的应 用 也就是由于这一特点 但是 齿轮传动的制造及安装精度要求高 价格较贵 且不宜用于传动距离过大的 19 场合 因此根据设计需要我们选择了齿轮传动 主要考虑到传动距离近 传动平稳 符合设 计要求 3 6 1 车速为 100km h 时的齿轮传动 1 由电动机的额定功率 可假设小齿轮的转速为n1 1440r min 大齿轮的 转速可由电机与滚筒的传动比确定 即i 1500 1264 1 2 2 设齿轮工作寿命为 15 年 每年工作 300 天 单班制 传动机为一般工作机 故 选用 7 级精度材料选择 选择齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 初选小齿轮齿数 Z 为 20 3 齿面接触强度设计 3 2 1 1 1 32 2 H E t Z i i d KT d 确定公式内的个计算数值 载荷系数3 1 t K 小齿轮传递的功率转矩 4 974N mm 1 1 5 1 10 5 95 n P T 4 10 查书得齿宽系数 0 3 d 查得材料的弹性影响系数 e Z 1 2 189 8MPa 由图查出齿轮接触疲劳强度极限 550Mpa Him 20 图 3 2 接触疲劳强度极限 由公式计算应力循环次数 N 60nj h l N 应力循环次数 n 齿轮的转速 单位为 r min j 齿轮每转一周时 同一齿面啮合次数 齿轮的工作寿命 单位为 h h l N 60nj 60 1440 8 300 15 3 11 h l 9 10 由图查得接触疲劳寿命系数 1 00 HN K 21 图 3 3 接触疲劳寿命图 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由公式 H HNHim K S S 疲劳强度安全系数 考虑应力循环次数影响的系数 称为寿命系数 HN K 齿轮的疲劳极限 Him 得 1 00 550 550MPa H HNHim K S 4 计算小齿轮分度园圆径 83 76mm 3 2 1 1 1 32 2 H E t Z i i d KT d 5 计算圆周速度 6 31m s 100060 11 nd v t 6 计算齿宽 b b d 25mm d 7 计算齿宽与齿高之比 b h 22 确定齿轮模数 m 初定齿轮齿数 Z 20 m 4 2mmd z 齿高 h 2 25m 2 25 4 2mm 9 423mm b h 25mm 9 423mm 2 653mm 8 计算载荷系数 根据 4 23 7 级精度 由图算得动载荷系数 1 13 V K 动载系数KV 计算公式 式中K1 K2系数按下表选取 K1K2 齿轮 II 组精度 齿轮种类 56789 各种精 度等级 直齿轮 7 514 926 839 152 80 0193 斜齿轮 6 713 323 934 847 00 0087 表 1 精度表 因齿轮直齿轮 假设KAFt b 100 N mm 由表 4 4 查得 1 F K H K 影响KH KF 的主要因素有 轮齿啮合刚度 基节偏差 重合度 载荷 跑合情况及 齿向修形等 23 KH KF 可按下表选取 KAFt b 100 N mm 100 N mm 精度等级 II 组 56789 5 级以下 KH 经表面硬化的 直齿轮 KF 1 01 01 11 2 KH 经表面硬化的 斜齿轮 KF 1 01 1 1 21 4 KH 未经表面硬化 的直齿轮 KF 1 01 01 01 11 2 KH 未经表面硬化 的斜齿轮 KF 1 01 01 11 21 4 表 2 系数选择表 若 则取 对修形齿轮 取KH KF 1 查表得实用系数 1 A K 24 表 3 使用系数表 查得 7 级精度 齿轮相对支撑对称时 1 12 0 18 0 23 b H K 2 d 3 10 将数代入后得 1 12 0 18 0 23 25 1 14 H K 2 3 0 3 10 查得 1 35 F K K 1 1 13 1 0 1 14 1 29 A K V K H K H K 9 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 d 83 55mm 3 tt dK K 10 计算模数 m m d z 83 55 20 4 177 11 按齿根弯曲强度计算 使用系数KA 工作机工作特性原动机工作 特性 均匀平稳轻微振动中等振动强烈振动 均匀平稳 1 001 251 501 75 轻微振动 1 101 351 601 85 中等振动 1 251 501 752 00 强烈振动 1 501 752 002 25 注 对于增速传动 建议取表中值的 1 1 倍 25 由公式 M 3 2 2 FaSa dF Y YKT z 确定公式内的各计算数值 查弯曲疲劳强度 380Mpa FE FE的计算公式为 式中YST为试验齿轮的应力修正系数 YST 2 0 Flim可按图 4 6 查取 对于循环载荷 下工作的齿轮 如行星齿轮 中间齿轮等 应将查取数据乘以 0 7 图 3 4 调质钢 含碳量 0 32 由表查弯曲疲劳寿命系数 0 88 FN Y 26 图 3 5 表查弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 由公式得 0 88 380 1 4 238 86 F FNFE K S 计算载荷系数 K 1 1 13 1 0 1 35 1 5255 A K V K F K F K 查取齿形系数 2 226 Fa Y 查取应力校正系数 1 764 Sa Y 2 226 1 764 238 86 0 01644 Fa Y Sa Y F 设计计算 2 75mm 3 2 4 01644 0 2013 0 1097 4 5255 1 2 m 由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 可取由弯曲强度算得的 模数 就近取整数 m 3 z d m 83 55 3 27 85 z 28 大齿轮齿数为 1 2 27 85 33 42 取 34 2 z 2 z 12 几何尺寸计算 分度圆直径 84mm mzd 11 27 102mm mzd 22 中心距 93mm 2 21 dd a 齿轮宽度 b 25mm d 1 d 3 6 2 齿轮传动分析 齿轮传动的作用是将电动机的转速分别降为所需的三种转速 即所需的三种车速 不同的转速切换是通过电磁离合器来控制的 主动轴上的三个主动齿轮分别与三个电 磁离合器相连 且与从动齿轮分别啮合 电磁离合器通过电磁圈控制齿轮与轴的啮合 当电磁离合器发挥作用时 主动齿轮的转速便经过减速后传给从动轴 当电磁离合器 不发挥作用时 齿轮虽然啮合 但不把动力传递给从动轴 因此是空转 通过电磁离 合器的作用 完成不同转速车速之间的切换 因为三个主动齿轮与三个从动齿轮分别作用在俩个轴上 且分别啮合 因此 三 个齿轮传动中 主动滚筒与从动滚筒的中心距必须相同 否则设计要求无法实现 因此根据上节的计算 我们知道当车速为 100km h 传动比为 1 2 时 计算 出的齿轮中心距为 93mm 由此我们必须使当车速为 80km h 传动比为 1 5 时和 当 2 21 dd a 车速为 60km h 传动比为 1 98 时的齿轮中心距为93mm 由公式和 2 21 dd a 12 iZZ 当车速为 80km h 传动比为 1 5 时 可算出 主动齿轮直径为74 4mm 从动齿轮直径为111 6mm 齿宽 b d 22 32mm d 当车速为 60km h 传动比为 1 98 时 可算出 主动齿轮直径为 62 4mm 从动齿轮直径为123 58mm 齿宽 b d 18 72mm d 传动示意图如下 28 3 6 齿轮传动示意图 3 73 7 轴设计轴设计 轴是组成机器的主要零件之一 一切做回转运动的传动零件 例如齿轮 涡轮等 都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递 因此轴的主要功用是支承回转零件及 传递运动和动力 按照承受载荷的不同 轴可分为转轴 心轴和传动轴三类 工作重既承受弯矩又 承受扭矩的轴称为转轴 这类轴在各种机器中最为常见 只承受弯矩而不承受扭矩的 轴称为心轴 心轴又分为转动心轴和固定心轴 只承受扭矩而不承受弯矩 或弯矩很 小 的轴称为传动轴 轴还可按照轴线形状的不同 分为曲轴和直轴两大类 曲轴通过连杆可以将旋转运动 改变为往复直线运动 或做相反的运动改变 直轴根据外形的不同 可分为光轴和阶 梯轴两种 光轴形状简单 加工容易 应力集中源少 但轴上的零件不易装配及定位 阶梯轴则正好与光轴相反 因此光轴主要用于心轴和传动轴 阶梯轴则常用于转轴 轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容 轴的结构设计是根据轴上零件的安装 定位以及轴的制造工艺等方面的要求 合 29 理地确定轴的结构形式和尺寸 轴的结构设计不合理 会影响轴的工作能力和轴上零 件的工作可靠性 还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等 因此轴的结构设 计是轴设计中的重要内容 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸 轴的结构主要取决于以下 因素 轴在机器中的安装位置及形式 轴上安装零件的类型 尺寸 数量以及和轴联 接的方法 载荷的性质 大小 方向及分布情况 轴的加工工艺等 由于影响轴的结 构的因素较多 且其结构形式又要随着具体情况的不同而异 所以轴没有标准的结构 形式 但是 不论何种具体条件 轴的结构都应满足 轴和装在轴上的零件要有准确 的工作位置 轴上的零件应便于拆装和调整 轴应具有良好的制造工艺性等 轴的工作能力计算指的是轴的强度 刚度和振动稳定性等方面的计算 多数情况 下 轴的工作能力主要取决于轴的强度 这时只需对轴进行强度计算 以防止断裂或 塑性变形 而对刚度要求高的轴 如车床主轴 和受力大的细长轴 还应进行刚度计 算 以防止工作时产生过大的弹性变形 对高速运转的轴 还应进行振动稳定性计算 以防止发生共振而破坏 3 7 1 确定轴的最小直径 根据轴所受的扭矩 轴的强度计算公式为 4 1 3 9550000 0 2 TT T p T n Wd 式中 扭转切应力 T T 轴所受的扭矩 轴的抗扭截面系数 T W n 轴的转速 p 轴传递的功率 d 计算截面处轴的直径 许用扭转切应力 T 由上式可得轴的直径 4 2 33 33 0 95500009550000 0 20 2 TT PPP dA nnn 30 式中 具体数值见表 3 7 3 0 95500000 2 T AP 轴的材料Q235 A 20 Q275 35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr 35SiMn 38SiMnMo MPa T 15 2520 3525 4535 55 0 A 149 126135 112126 103112 97 表 4 轴常用几种材料的及值 T 0 A 轴的材料主要是碳钢和合金钢 钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件 有的则直接 用圆钢 由于碳钢比合金钢价廉 对应力集中的敏感性较低 同时也可以用热处理或化学 热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度 故采用碳钢制造轴 选用 45 钢 由于此轴的材料为 45 号钢 调制处理所以选取 126 则 0 A 根据设计要求 有 P 7 5kw n 758 r min 则 d 27 05mm 3 0 N P A 此直径为轴段的最小直径 其他轴段的直径按照轴上零件的装配方案和定位要求 从最小直径处逐一确定 3 7 2 从动轴设计 从动轴连接的是从动滚筒 经过我的设计计算 根据下图 我把从动轴的结构参 数逐步确定 图 3 7 从动轴设计 31 mmLL80 71 mmLL20 62 4 mmLL220 53 mmL200 4 mmD40 1 mmD45 2 3 7 3 主动轴设计 主动轴主要连接主动滚筒 皮带轮 轴承 齿轮等 经过计算分析 结构参数如 下 图 3 8 主动轴设计 Ll L2 L8 80 L3 L7 20 L4 L6 220 L5 200 L9 100 D1 D5 35 D2 D4 40 D3 45 3 83 8 轴承和轴承座设计轴承和轴承座设计 以 2000kg 为最大车重 则每个车轮轴承承受约为 250kg 受力为 2500N 车速 100km h 则滚筒为 1264r min 32 3 81 选择轴承型号 根据制动试验台的工作条件和试验要求 经过验证计算后选择了轴承型号与类型 具体参数为 轴承类型 BType 深沟球轴承 轴承型号 BCode 6208 轴承内径 d 40 mm 轴承外径 D 80 mm 轴承宽度 B 18 mm 基本额定动载荷 C 22800 N 基本额定静载荷 Co 15800 N 极限转速 脂 nlimz 10000 r min 润滑方式 脂润滑 3 82 轴承座型号 经过查阅资料确定轴承座的型号为 SN208 3 93 9 主从滚筒间齿轮传动设计主从滚筒间齿轮传动设计 动力经电机传给齿轮减速 之后经皮带轮传给主动滚筒 主动滚筒与从动滚筒之 间的动力传递我选择的是齿轮等比传动 具体传动设计为选择三个完全相同的齿轮 这样的话 主动滚筒与从动滚筒将同向旋转 符合设计要求 因为其间距离为 400 则 每个分度圆的直径为 200 确定齿轮模数 m 初定齿轮齿数 Z 50 则根据下列公式可知 m 4mmd z 模数 M 4 齿轮齿数 Z1 50 齿轮齿宽 B1 52 mm 齿轮齿宽系数 d1 0 260 33 齿顶高系数 ha 1 00 顶隙系数 c 0 25 压力角 20 度 标准中心距 A0 200 00000 mm 实际中心距 A 200 00000 mm 分度圆直径 d1 200 00000 mm 3 103 10 汽车制动实验台框架参数设计汽车制动实验台框架参数设计 根据汽车制动台设计需要和以上设计内容 经过综合考虑和计算 可以设计出汽 车制动试验台框架的材料与结构参数 3 10 1 槽钢的选择 图 3 9 槽钢 型号 8 尺寸 mm h 80 尺寸 mm b 3 尺寸 mm d 5 0 尺寸 mm t 8 0 尺寸 mm r 8 0 尺寸 mm r1 4 0 34 3 10 2 制动试验台框架结构参数 图 3 10 制动试验台框架结构 经过计算和综合考虑 制动实验台的底架结构参数如下 总长为 L 2194mm 宽为 B 840mm 总高为 H 1258mm 地面与支撑滚筒面的距离为 H1 340mm 地面与滚筒轴之间的距离为 400mm 3 11 带传动设计 带传动主要负责把齿轮减速后的动力传递给主动滚筒 具体设计参数如下 KA 1 1 kwPKP Aca 25 8 5 7