CLYY01-015@弹性轮胎转鼓试验台的设计
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机械毕业设计车辆工程全套
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CLYY01-015@弹性轮胎转鼓试验台的设计,机械毕业设计车辆工程全套
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本科学生毕业设计 弹性轮胎转鼓试验台 的 设计 院系 名称 ： 汽车与交通工程学院 专业班级 ： 车辆工程 学生姓名 ： 指导教师 ： 职 称 ： 副教授 nts The Graduation Design for Bachelors Degree Design of the Testbed for Elasticity Tyre Rotary Drum Candidate： Wu Zhong Specialty： Vehicle Engingeering Class： 07-1 Supervisor： Associate Prof. Ji Junling Heilongjiang Institute of Technology nts I 摘 要 汽车是人类社会重要的交通运输工具，在国民经济中发挥着举足轻重的作用，构成汽车的每一个部件是否正常工作是决定汽车行驶状态的影响因素，而汽车轮胎是汽车重要的部件之一。轮胎的性 能对汽车的牵引力、制动性、行驶的平稳性、平顺性、越野性和燃料经济性都有直接的影响，所以说轮胎的性能直接影响汽车的使用性能。 轮胎转鼓试验台是根据车轮的实际工作状态，开发可以模拟汽车实际使用状态的摩擦系数测定系统，探讨了转鼓试验台的结构特点，建立了车辆行驶阻力在道路上和转鼓试验台上等值转换的试验方法，阐述了转鼓试验台的总体设计。系统采用电动机输入动力，制动电机消耗功率，并能通过转速转矩传感器准确测量输入和输出的转矩参数，进而通过运算得到滚动阻力系数的准确值。为研制开发滚动阻力系数试验装置提供理论参考。 关键词 ： 轮胎；转鼓试验台；功率；传感器；滚动阻力 nts II ABSTRACT Automobile is an important means of transport in the human society.It plays a pivotal role in the national economy.Working of every vehicle component properly determines the driving statement .And the tyre is one of the important parts.Performance of the tyre impacts the traction,the braking,the driving stability,the ride comfort,the off-road and the fuel economy directly.So the performance of the tyre impacts the performance of the whole car. Turn roller tester is based on the actual working conditions,develops the measurement system which can simulate vehicle actually use statement of frition coefficient,investigates the structural characteristic of the drum test rig, sets up vehicle drive resistances equivalence chance test way on the road and the turn tyre tester, introduce totality plan of chassis measure power machine. The system adopt measure power machine come into power, brake system use up power, and can accurate measure revolution parameter of come into and output by speed torque sensor, and put through operation obtain the accurate numerical value of roll resistance coefficient. Its supply theory parameter with develop roll resistance coefficient test installation. Keywords： Tyre; Turn Roller Tester; Sensor; Roll Resistance nts 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的目的和意义 . 1 1.2 轮胎转鼓试验台的功用 . 1 1.3 轮胎转鼓 试验台的发展情况 . 2 1.4 研究内容 . 2 第 2 章 总体方案的确定 . 4 2.1 转鼓试验台的确定 . 4 2.1.1 轮胎滚动阻力力学特性 . 4 2.1.2 滚动阻力系数的测定方法 . 5 2.1.3 轮胎转鼓试验台的类型选择 . 6 2.1.4 滚动阻力系数的测量与计算 . 7 2.2 试验设备及技术条件 . 8 2.2.1 转鼓技术条件 . 8 2.2.2 试验步骤 . 9 2.3 滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响分析 . 10 2.4 本章小结 . 11 第 3 章 电机和传感器的选择 . 12 3.1 选择电动机 . 12 3.1.1 选择电动机应综合考虑的问题 . 12 3.1.2 驱动电机的选择 . 12 3.1.3 制动电机的选择 . 15 3.2 传感器的选择 . 15 3.2.1 传感器的基本原理 . 16 3.2.2 传感器尺寸结构的确定 . 18 nts 3.3 本章小结 . 18 第 4 章 加载机构设计 . 19 4.1 结构及工作原理 . 19 4.2 微机测控系统 . 20 4.3 技术特点 . 21 4.4 液压缸的设计 . 21 4.4.1 液压缸主要尺寸的设计计算 . 21 4.4.2 液压缸主要部分的校核 . 27 4.4.3 液压缸的材料和技术要求 . 31 4.5 油泵的选取 . 34 4.6 其他控制阀的选择 . 35 4.7 本章小结 . 36 第 5 章 传动机构设计 . 37 5.1 滚筒与轴的连接 . 37 5.2 轴的 设计 . 37 5.2.1 滚筒轴的设计 . 37 5.2.2 车轮轴的设计 . 39 5.3 轴的校核 . 40 5.3.1 滚筒轴的校核 . 41 5.3.2 车轮轴的校核 . 42 5.4 滚动轴承的选择及校核计算 . 43 5.5 键联接的选择及校核计算 . 43 5.6 联轴器的选择 . 44 5.6.1 联轴器类型的确定 . 44 5.6.2 联轴器尺寸型号的确定 . 44 5.7 机架轴承处的设计 . 45 5.8 本章小结 . 45 第 6 章 运动关系的分析与运算 . 46 6.1 轮胎在转鼓试验台上运转时的力学分析 . 46 6.2 试验结果与数据分析 . 47 6.3 本章小结 . 49 nts 结论 . 50 参考文献 . 51 致谢 . 52 附录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的目的和意义 汽车是人类社会重要的交通运输工具，在国民经济中发挥着举足轻重的作用，构成汽车的每一个部件是否正常工作是决定汽车行驶状态的影响因素。而汽车轮胎是汽车重要的部件之一，它的性能对汽车的牵引力、制动性、行驶的平稳性、平顺性、越野性和燃料经济性都有直接的影响，所以说轮胎的性能直接影响汽车的使用性能。如果没有出色的汽车轮 胎，汽车的发展必将受到严重阻碍，因此各国汽车生产企业都十分重视汽车轮胎的开发、选用和试验，改善轮胎设计、增强轮胎性能一直是汽车轮胎发展中的一个重要目标。 在轮胎滚动过程中，循环变化的应力应变导致能量损耗，形成轮胎滚动阻力，也称为轮胎滞后能量损耗。研究表明，克服轮胎滚动阻力消耗燃油占普通汽车总油耗的10%以上，减小轮胎滚动阻力可以降低汽车能耗，使汽车行驶的距离更远，效率更高。随着人们对环境保护的需要，轮胎滚动阻力的控制逐渐进入人们的研究范围。本文将从多个角度探讨和分析汽车轮胎滚动阻力以及测试技术。 1.2 轮 胎转鼓试验台的功用 由于轮胎是汽车性能的最终体现者 ,为了满足汽车的各项性能要求 ,几十年来对轮胎进行了多方面的试验研究 ,并不断完善试验方法和标准 ,满足了现代汽车高速、安全等使用要求。尤其是轮胎在行驶过程中产生的力和力矩对汽车的性能有很大影响。轮胎力学特性的测试分为室内试验和室外试验。室内外试验方法各有其优缺点。室外试验拖车车身不可避免地会由于路面、风的影响产生侧倾、俯仰运动 ,加之悬架往往选用现成的 ,轴转向、变形转向不可避免 ， 从而造成了室外试验数据的离散性比较大。然而室外试验是在真实路面上进行的 ,故研究不同性质 的路面对轮胎力学特性的影响时 ,室外试验更容易。而室内试验可避免过多的环境影响 ,可严格控制各种试验条件 ,可以比较容易地改变试验参数值的大小 ,如转速、轮胎外倾角及侧偏角等。需要注意的是 ,室内试验是单个车轮的试验 ,因此车辆悬架和转向系的侧倾转向以及悬架的变形转向对纯粹的轮胎弹性侧偏特性的影响可以控制到最小甚至不发生。 室内试验主要设备为转鼓式试验台，转鼓试验台也称底盘测功机，是车辆整车室内试验的大型关键设备之一，它主要用于车辆行驶阻力的模拟，以便用室内试验代替部分道路试验，因此被广泛地用于汽车、农用运输车的整车性 能试验、法规检测、装nts 2 配下线调整、新产品开发研究等领域。 本设计研究了我们在转鼓试验台开发研究中所做的一些工作，主要是车辆在转鼓试验台上行驶时力学特性的研究，以及控制系统的开发。 1.3 轮胎转鼓试验台的发展情况 80年代中期起，随着我国加速发展子午线轮胎的需要，少数轮胎生产企业从美国、日本和德国引进了带有滚动阻力试验工位的转鼓式轮胎试验机，结合开发新型子午线轮胎和剖析外国轮胎样品进行了一些轮胎滚动阻力试验。 20 世纪 70 年代起，在美国、日本和欧洲等经济发达国家，为了解决能源短缺和环境质量恶化问题，对汽车轮胎 滚动阻力进行了大量的实验和研究工作。与此同时，轮胎滚动阻力的测试技术也取得了长足的进步。 近年来，我国在轮胎试验机的设计研究方面也有了很大的进展，出现了多家自行研制和开发轮胎试验机的单位和企业，开发出多种类型的轮胎实验机，如广州市橡胶工业制品研究所的双二位轮胎耐久高速试验机，天津赛象科技股份有限公司的轮胎高速 /耐久试验机，国家轮胎质检中心及广东汕头橡塑机械所联合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。具有代表性的是天津久荣轮胎技术有限公司，它是目前我国专业研究车轮 /轮胎试验机的高科技企业，已经开发投资市场的产品有 多种轮胎耐久、高速性能试验机（分别适用于 TB、 LT、 PC、 MT、 BC轮胎）；弯曲疲劳试验机；冲击性能试验机；车轮 /轮胎不圆度试验机等。由于产品技术含量高、配置先进、质量可靠，除供应国内市场外，还得到了国际认可，日本的普利斯通和法国的米其林两大全球轮胎行业的巨头都曾批量购买过该公司的轮胎试验机。 1.4 研究内容 本设计采用的是单滚筒转鼓试验台，采用这个方法可以对新胎的滚动阻力进行比较，测试时轮胎垂直于转鼓外表面且以稳定的状态向前自由滚动，而车轮所受的垂直载荷则由液压加载机构进行控制。 轮胎转鼓试验台是根据 车轮的实际工作状态，开发可以模拟汽车实际使用状态的摩擦系数测定系统，探讨了转鼓试验台的结构特点，建立了车辆行驶阻力在道路上和转鼓试验台上等值转换的试验方法，阐述了转鼓试验台的总体设计。系统采用电动机输入动力，制动电机消耗功率，并能通过转速转矩传感器准确测量输入和输出的转矩参数，进而通过运算得到滚动阻力系数的准确值。为研制开发滚动阻力系数试验装置提供理论参考。 设计的主要具体内容包括 : nts 3 （ 1）滚动阻力系数测试系统的总体方案确定； （ 2）对驱动电机和制动电机的选择； （ 3）加载机构和传动机构的设计； （ 4）运动 关系的分析及试验结果的运算和处理。 nts 4 第 2 章 总体方案的确定 2.1 转鼓试验台的确定 2.1.1 轮胎滚动阻力力学特性 车轮滚动阻力是指滚动车轮产生的所有阻力之和，主要包括轮胎滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量。其中，道路阻力分量是指由不平路面、塑性路面和湿路面等道路情况引起的附加阻力；轮胎侧偏阻力分量是指由轮胎的侧向载荷使轮胎侧偏而产生的附加轮胎纵向阻力。此外，除了由轴承摩擦和轮胎与地面相对滑动造成的摩擦阻力外，胎内气流流动以及转动的轮胎对 外部空气造成的风扇效应都会引起轮胎的滚动阻力，但均为次要影响因素，因此通常它们包含于车轮阻力中，并不单独列出。 当充气轮胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直线滚动时，其外缘中心对称面与轮胎滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为本设计中所说的轮胎滚动阻力。 根据作用机理的不同，轮胎滚动阻力还可以进一步分解为弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力，分别介绍如下 1。 1弹性迟滞阻力 胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用是造成轮胎滚动阻力的主要原因。实际中充气轮胎在静态压缩作用 下会产生变形并且回弹，并 由于其内部的摩擦作用而引起能量损失。当车轮在力或力矩作用下滚动时，对轮胎胎面上的每一单元 而言，其压缩与回弹的过程将重复不断地进行。对这样一个过程，可用图 2.1 所示的轮胎等效系统模型来加以解释。在轮胎等效系统模型中，假定车轮的外圆周与轮辋之间由一些径向布置的线性弹簧和阻尼单元支撑；此外，车轮胎面也假定由一系列切向排列的弹簧和阻尼单元 就能充分作用，因而就生成附加的摩擦效应，将它称之为弹性迟滞阻力。轮胎胎面的弹簧和阻尼特性对路面附着力也有影响，选用低阻尼的胎面材料会导致附着摩擦力降低。 当 轮胎等效系统滚动时，对应的“弹簧 -阻尼单元”便开始做功，并将其转化为热，所产生的弹性 迟滞阻力等于消耗的阻尼与行驶距离之比。 2摩擦阻力 在图 2.1所示的轮胎等效系统模型中，由一系列弹簧 -阻尼组成的单元连续滚动进nts 5 入轮胎接触 印迹区，由此相应的轮胎外圆圆弧就被压成对应的弦长，即“轮胎接地长度” 。 在轮胎接触印迹内，路面与滚动单元带之间在哪纵向及横向将产生相对运动，即所谓的“部分滑动”。由于部分滑动引起轮胎磨损，其能量被转换成热，由此产生了车辆动力传动系统不得不克服的附加阻力。 图 2.1 轮胎等效系统模型 3.风扇效应阻力 像风扇一样，轮胎的旋转运动会导致气流损失，但可将其看做是对整个车辆气流影响的一部分。因此，通常将风扇效应阻力加到总的车辆空气阻力中。 4.滚动阻力系数 综上所述，车轮在干、硬的平路面行驶，其滚动阻力 RF 包括弹性迟滞阻力 FR,弹性迟滞 、摩擦阻力 FR,摩擦 和风扇阻力 FR,风扇 三部分，即： ，风扇摩擦弹性迟滞 RRRR FFFF ,（ 2.1） 试验表明，在 128152km/h 速度范围内， 90%95%轮胎的破坏是由内部迟滞作用引起的，而 2%10%则归咎于 轮胎与地面的摩擦，仅有 1.5%3.5%归咎于空气阻力。因此，轮胎在硬路面上的滚动阻力主要由胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用造成。实际上，式 2.1 表达的各个分量（如弹性分量与摩擦分量）均无法单独分开测量，因此有用的还是综合表达式。 2.1.2 滚动阻力系数的测定方法 一般可采用两种不同的方法测量轮胎的总滚动阻力，即整车道路测试和室内台架nts 6 测试。整车道路测试的优点是：道 路状况和基本条件是真实的，但由于轮胎重复试验所必要的外部环境，如天气、道路及交通条件等外在因素的干扰和不定性，测试中很难保证指定的试验参数。而以上问题在室内固定轮胎试验台测试中可以避免。在室内试验条件下，装有试验轮胎的车轮被放在可以动的滚动表面上，试验数据可由车轮连接杆系上的力传感器获得。 2.1.3 轮胎转鼓试验台的类型 选择 根据滚动面情况的不同，轮胎试验台基本上可分为三种类型 2（见表 2.1的说明） ： 1.外支撑试验台； 2.内支撑试验台； 3.平板试验台。 表 2.1 轮胎试验台的类型及特点 试 验类型 简图 优点 缺点 外支撑试验台 空间足够大， 轮胎易于安装 很难实现湿 路面测量 内支撑试验台 胎面可换，能实 现湿路面测量 空间有限，轮 胎不易安装 平板试验台 底座平坦，与实 际情况更吻合 导向困难，振 动引起腐蚀 最常用的是外支撑试验台，外支撑试验台的优点是成本相对较低，承载能力高，且结构紧凑，车轮周围留有较大的空间，不但可容纳各种不同的车轮导向元件，以保nts 7 证车轮定位 ，而且还可方便车轮的安装。但由于离心力的作用，很难在外转鼓上设置不同的道路条。 对内支撑试验台而言，离心力的作用可使车轮胎面很容易地固定于试验台面。因此，内支撑试验台特别适合于进行不同类型 路面的试验，比如确定轮胎湿胎面的滚动特性。然而，车轮上的有限空间不利于车轮的安装和控制。由于弧形支撑面的影响，所有的支撑试验台基本上都存在测量误差。与平板试验台相比，在车轮载荷相同的情况下，内支撑试验台使轮胎接触印迹和变形量增大，从而摩擦阻力和弹性迟滞阻力也相应增加。如果滚动卷筒半径与车轮半径相比较大，其测量误差就可控制在 较小范围内。必要时可引入校正因子，以保证其测量结果与平面测量结果相吻合。 平板试验台在最大程度上保证了轮胎的滚动表面，为车轮控制和车轮运动提供了宽阔的空间，同时也方便了轮胎的安装。通过变换不同滚板，可在一定条件下实现道路条件的改变，同样也适用于 湿道路条件，但由于支撑面振动可能会产生测量误差。为解决滚板的导向问题，需要的技术成本较高，另外，滚板的磨损也增加了运行成本。 本设计选用的就是外支撑试验台。 2.1.4 滚动阻力系数的测量与计算 在轮胎试验台上测量轮胎的滚动阻力系数 的方法 ， 是用 转鼓轮胎试验台 ，如 图 2.2所示 3。 图 2.2 转鼓轮胎试验台 工作原理是 由电力测功机驱动的试验轮胎放在转鼓上，轮胎上加载垂直载荷 W ，nts 8 转鼓轴连接着作为制动装置的测功器。实验中测出驱动轮胎的转矩tT和作用于转鼓的制动力矩dT，则滚动阻力系数 f 为 )( rRWrrTRTf dt （ 2.2） 式中 ：tT 驱动轮胎的转矩 ； dT 转鼓的制动力矩 ； R 转鼓的半径 ； r 轮胎的动力半径 ； W 作用于轮胎上的垂直载荷 。 2.2 试验设备及技术条件 2.2.1 转鼓技术条件 1.转鼓直径 由于钢带式试验机价格昂贵，目前在 室内进行轮胎滚动阻力试验的设备仍以转鼓式试验机为主。但是现用设备的转鼓直径不尽相同，有 1.2m、 1.6m、 1.7m、 2m、 2.1m、3m等。 ISO18164在考虑到各国设备情况和鼓面曲率对试验结果的影响后，一方面作出了转鼓直径应在 1.5 3m之间的规定；另一方面指出，在不同直径的转鼓上测得的轮胎滚动阻力值也不同，并给与了校正公式。但是该公式系一近似计算公式，轮胎与转鼓接触面上的力分布的改变并非一简单的几何形状的改变，还与轮胎各部件刚度等诸多因素有关 4。这里选择直径为 1.6m的转鼓。 2.转鼓表面 转鼓表 面应为光滑的钢制表面或有纹理的表面，转鼓表面应保持清洁。 汽车在干燥滚筒上的驱动过程是一个摩擦过程 5 ，总摩擦力由若干分力组成，如： 阻滞附着总 FFF （ 2.3） 式中： 附着F 接触面间的附着力； 阻滞F 轮胎在滚筒上滚动变形时，由于压缩与伸张作用之间能量的差别而消耗的能量，进而转化为阻止车轮滚动的作用力； 该两项分力取决于轮胎材料、结构和温度。 nts 9 附着系数随速度增加而下降的原因较为复杂，一方面是由于滚筒圆周速度提高，接触面的温升加快，很快在滚筒表面形成了一层橡胶膜，降低了附着系数。 3 转鼓宽度 转鼓测试面宽度应大于轮胎胎面的宽度， 选择试验 轮胎直径为 0.500.75m，宽约为 0.20m，所以转鼓宽度选为 0.6m。 4 温度环境 (1)标准条件 标准室温是指在距轮胎侧 1m处的轮胎旋转轴上测得的温度，应为 25C 。 (2)转鼓表面温度 注意确保测量开始时转鼓表面的温度与 室温大致相同。 5 试验条件 本项试验的内容为在一定的轮胎充气压力下测量轮胎的滚动阻力，在试验过程中，允许轮胎气压有所增大（封闭式气压） 。 6 试验速度 （ 1）载荷指数不小于 122的试验速度 速度级在 K到 M之间的轮胎转鼓速度为 80km/h，速度级在 F到 J之间的轮胎转鼓 速度为 60 km/h。 （ 2）载荷指数小于 122的试验速度 转鼓速度为 80km/h，如有需要，可采用 120km/h的 转鼓速度。 2.2.2 试验步骤 （ 1） 磨合 为了保证测量结果的重复性，早开始试验之前，应使轮胎有一个初始的磨合过程，然后再使之冷却。 （ 2） 温度调节 充气轮胎在试验场所的温度环境中放置一定时间，以便达到热平衡，通常在 6h后温度达到平衡。 （ 3） 压力调整 温度调节结束后，将充气压力调整到试验压力， 10min后再检查一遍。 （ 4） 初步确定试验方案 测量并记录的内容包括： 试验转鼓速度 v（ km/h）； 垂直于转鼓表面的轮胎载荷 W； nts 10 充气压力； 驱动轮胎的转矩tT，作用于转鼓的制动力矩dT； 试验转鼓半径 R（ m）； 选择的试验方法 6 。 2.3 滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响分析 车轮滚动时 ，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬质的钢制光滚筒上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变 形时对它做的功不能全部收回，此能量消耗在轮胎各组成分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化为热能而消失在大气中。这种损失即为弹性物质的迟滞损失。 因为滚动阻力系数与模拟路面的滚筒种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，所以，对其影响因素分析是非常必要的，具体分析如下： 1.钢制光滚筒对滚动阻力系数的影响 （ 1） 若滚筒的半径 r 越大，在车轮滚动时轮胎的变形量就越小，也就是说弹性迟滞损失就越小，故滚动阻力系数随滚筒半径的增大而减小。 （ 2） 在加工过程中滚筒的椭圆度、同轴度越小，轮胎 在滚筒上的运转就越平稳，当车速一定时滚动阻力系数的波动范围就越小，所以说，滚动阻力系数随滚筒加工精度的提高而减小。 （ 3） 目前我国在用的底盘测功机滚筒表面有两种，一种是常见的光滚筒即表面未经处理的滚筒，另一种是滚筒表面喷涂有耐磨硬质合金，前者由于滚筒表面较光滑，其附着系数约为 0.5，试验用的东风车在 50km/h 工况下检测最大底盘输出功率时，其滑移率约为 8%，也就是说，汽车车轮在行走时，除滚动阻力外还有滑拖，致使被检测车轮发热，增大了滚动阻力损失，同时由于速度的误差，引起了所测功率的误差。后者采用表面喷涂技 术，将滚筒表面的附着系数提高到 0.8 左右，接近于一般水泥路面的附着系数，则可避免滑拖现象。 （ 4） 滚筒中心距 L 是指底盘测功机前后两排滚筒支承轴线之间的距离，随着滚筒中心距的增加，汽车车轮的安置角随之增大，前后滚筒对车轮支承力也随之增大，这样将导致车辆在测功机台架上的运行滚动阻力增加。 综上所述滚筒直径、安置角、滚筒表面质量、滚筒中心距对滚动阻力有很大的影响，由于部分底盘测功机仅显示功率吸收装置的吸收功率，所以同一辆车在不同台架nts 11 上测得的数值不同。因此如果以底盘测功机作为法定计量设备，其滚简直径、中心距、表面处理以及加载方式必须标准化。 2.轮胎气压对滚动阻系数的影响 轮胎气压对滚动阻力系数影响很大，气压低时在硬路面上轮胎变形大，滚动时迟滞损失增加，为了减少该项所引起的检测误差，要求在动力性检测前必须将轮胎气压充至标准气压 7 。 2.4 本章小结 本章主要确定了转鼓试验台的总体设计方案 以及 测量方法， 详述了轮胎滚动阻力的力学特性 ,并对滚筒 装置和轮胎的尺寸参数 范围 进行了选择 ， 探讨 了试验设备以及技术条件 。同时也分析了滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响 。 nts 12 第 3 章 电机 和传感器 的选择 3.1 选择电动机 选择电动机的内容包括 :电动机类型、结构型式、容量和转速，要确定电动机具体型号。 3.1.1 选择电动机应综合考虑的问题 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速以及工作环境等要求，选择电动机类型及安装方式。 根据负载转矩、转速变化范围和启动频率程度等要求，并考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选 电动机功率应大于或等于计算所需的功率，按靠近的功率等级选择电动机，负荷率一般取 0.80.9。过大的备用功率会使电动机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。 根据企业的电网电压标准，确定电动机的电压等级和类型。 根据生产机械的最高转速和对电 力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。 除此之外，选择 电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前期与后期电动机功率变化关系等各种因素。 3.1.2 驱动电机的选择 1.选择电动机类型 电动机类型和结构型式要根据电源（交流和直流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择，没有特殊要求时均应选用交流电动机，并且由试验台的 试验条件限制电机需具有进行调速的能力。 交流电机包括异步电机和同步电机两类。对交流同步电动机而言，同步电机转速为pfn 601 (r/min),实际使用中同步电动机的极对数 p 固定，因此只有采用变压变频（ VVVF）调速。对于交流异步电动而言，其转速为pfn 60 （ 1-s） (r/min)。从转速公nts 13 式 可知改变电动机的极对数 p、改变定子供电频率 f 以及改变转差率 s 都可达到调速的 目的。 本试验采用 YVP(IP44)系列变频调速三相异步电动机，并辅助以变频器进行 调速控制。 2.选择电动机容量 标准电动机的容量由额定功率表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率，容量小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏，容量过大，则增加成本，并且由于功率和功率因数而造成浪费。 电动机的容量主要由运动时发热条件限定，再不变或变化很小的载荷下长期连续运动的机械，只要其电动机的载荷不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。 发动机转矩 T=120N m，转速 nw=3500r/min。 （ 1） 工作机 所需功率 kwkwTnPwww 4681.4596.09550 35001209550 （ 3.1） 式中： wP 工作机所需输入功率， kw； T 工作机的阻力钜， Nm； w 工作机的效率； wn 工作机的转速。 （ 2） 电动机的输出功率 总wd PP （ 3.2） 式中， 总效率总按下式计算： 867.096.097.098.0 2222 滚筒联轴器轴承总 其中 轴承 、 联轴器 、 滚筒 分别为传动装置中每一传动副，每对轴承、每个联轴器的效率，其概略值见机械设计课程设计手册表 1.7。选用此表数值时，一般取中间值，nts 14 如工作条件差，润滑维护不良时应取低值，反之取高值。 kw057.53867.0 46 总wd PP（ 3.3） 式中： Pd 工作机实际需要的电动机输出功率， kw； 总 电动机至工作机之间传动装置的总效率。 3.确定电动机转速 同一类型的电动机，相同的额定功率有多种转速可供选用。如选用低转速电动机，因极数较多而外廓尺寸及重量较大，故价格较高，但可使传动装置总传动比及尺寸减小。选用高转速电动机则相反。因此应全面分析比较其利弊来选定电动机转速。 按照工作机转速要求和传动机构的合理传动比范围，可以推算电动机转速的可选范围，如 wnd niiin )( 21 r/min 式中： nd 电动机可选 转速范围， r/min； niii 21 各级传动机构的合理传动比范围（见机械设计课程设计手册表1-8 或表 13-2） ； 对 YVP(IP44)电动机，通常多选用同步转速为 1500r/min、 1000r/min 或 750r/min的电动机，如无特殊需要，不选用低于 750r/min 的电动机。 这里初选同步转速为 1500r/min 的电动机。 4 估计电动机的转矩 发动机转矩 T=120N m,且 T， =T i0 ig/2 （ N m） 式中： i0 主减速器传动比，取 i0=4； ig 变速器传动比，取 ig=4 。 则 T， =960 N m。 5.电动机型号的确定 根据上述电动机类型、结构、容量、转速和转矩，由机械设计手册查出电动机型号为 YVP315L1-4，其额定功率为 160KW，同步转速为 1500r/min，额定转矩为1025N m,基本符合题目所需的要求。 查机械设计手册得电动机的技术参数，如表 3.1 所示，电动机的安装及外 形nts 15 尺寸，如图 3.1 及表 3.2 所示。 表 3.1 电动机的技术参数 电动机型号 同步转速r/min 标称功率 /KW 额定电流/A 额定转矩/N m 转子转动惯量/kg m2 质量 /kg YVP315L1-4 1500 160 290 1025 1.25 4.13 1095 图 3.1 YVP315L1-4 电动机的外形尺寸参数 表 3.2 YVP315L1-4 电动机的外形 及安装 尺寸参数 型号 安装尺寸 YVP315L1-4 H A B C D E F GD G K 315 508 508 216 80 170 22 14 71 28 型号 外形尺寸 YVP315L1-4 AB AC AD AA BB HD DA L 628 645 460 120 750 760 45 1450 3.1.3 制动电机的选择 因为输出和输入功率相差不大，所以制动电机应选用跟驱动电机型号相同的电机，因此制动电机的型号为 YVP315L1-4。 3.2 传感器的选择 根据试验的条件这里选择 NJ2 转矩转速传感器。 nts 16 3.2.1 传感器的基本原理 NJ型转矩转 速传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组电磁传感器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。 NJ 型转矩转速传感器的工作原理如图 3.2,在弹性轴的两端安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近似 正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，因此可以用来测量转速。这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的大小及方向有关。当弹性轴不受扭时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在 180 度左右。 图 3.3： 在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比。把这两组 交流电信号用专用屏蔽电缆线送入 NC型扭矩测量仪或具有其功能的扭矩卡送入计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值。 图 3.4：是 NJ 型转矩转速传感器机械结构图。其结构与图一的工作原理图差别是很大的，其中，为了提高测量精度及信号幅值， 两端的信号发生器是由安装在弹性轴上的外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的导磁环、磁钢、线圈及导磁支架组成封闭的磁路。其中，外齿轮、内齿轮是齿数相同互相脱开不相啮合的。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时，通过传感器顶部的小电动机及齿轮或皮带传
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