汽车起动机、发电机测试实验台设计【全套含9张CAD图纸+毕业论文】
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1第 1 章 绪 论1.1 汽车起动机发电机测试实验台设计的意义汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车起动机、发电机能能够为汽车提供启动动力和全车供电。对汽车能否正常行驶起到至关重要的作用。可视为最最重要的动力源。起动机和发电机能否正常工作将直接影响汽车的使用性能。所以对起动机和发电机的工作状况要严格要求，保证起动机和发电机的正常运转。必须对起动机和发电机的工作性能进行测试，所以本次设计的题目为汽车起动机、发电机测试实验台设计。通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定起动机、发电机测试实验台的设计方案，进行台架结构设计、部件选择和设计计算。使其达到以下要求：实验台结构简单、操作便捷，试验台架选用材料经济可靠。实验台选用部件器材操作简单实用，达到良好的测试效果的目的。同时用电设备具有安全性。起动机、发电机测试实验台研究现状：车 起 动 机 和 发 电 机 测 试 实 验 台 ， 用 于 对 发 电 机 和 起 动 机 的 参 数 测 试 与 性 能 试 验 。专 用 的 实 验 台 它 由 多 个 电 器 检 测 仪 器 组 装 构 成 的 整 体 仪 器 。 目 前 我 国 用 于 汽 车 工 业试 验 与 测 试 的 实 验 台 层 出 不 穷 。 不 断 地 改 进 与 更 新 。 逐 步 实 现 实 验 与 计 算 机 数 字 通信 技 术 数 字 化 和 网 路 化 。 真 正 实 现 了 人 工 智 能 的 水 平 。 实 验 数 据 和 结 果 的 传 输 和 控制 更 加 准 确 和 详 实 。 随 着 我 国 汽 车 工 业 的 发 展 ， 汽 车 技 术 的 成 熟 ， 专 门 用 于 发 电 机和 起 动 机 性 能 测 试 的 教 学 试 验 台 已 经 不 断 完 善 ， 在 教 学 领 域 中 研 制 了 专 门 用 于 教 学施 教 的 测 试 实 验 台 。 根 据 要 求 满 足 学 生 实 验 装 置 易 操 作 性 和 便 捷 性 进 行 教 学 器 材 和设 备 组 装 构 成 设 计 ， 由 于 试 验 装 置 只 是 模 拟 实 验 ， 学 生 的 重 点 在 于 验 证 .所 以 实验 台 重 点 针 对 起 动 机 和 发 电 机 结 构 特 点 性 能 特 点 进 行 测 试 。我 国 汽 车 实 起 动 机 、 发 电 机 测 试 实 验 台 主 要 为 传 统 汽 车 电 器 万 能 实 验 台 。 其 类型 例 如 ： TQD-2 型 汽 车 电 器 万 能 实 验 台 。 其 特 点 为 ： 实 验 台 由 驱 动 装 置 、 加 载 装 置 、测 量 装 置 、 被 测 装 置 等 四 部 分 组 成 。2（1）驱动装置驱动电机多用于转速可调的调速电动机或电力测功机。（2）加载装置加载装置种类很多，常见的有： 直流电机或电力测功机（作为负载装置用时是发电机） ； 电涡流测功机； 水力测功机；其负荷调节较为困难，不易稳定，所以在试验台中这些年已很少使用了。 磁粉制动器。这种负荷装置是近几年才用于汽车实验领域的，其主要特点是：负荷控制方便噪声小低速加载性能好但以为其滑差功率小（大扭距时允许的转速很低） 。（3）被测装置被测装置为待测发电机、起动机、磁电机、蓄电池等。实 验 台 外 形 和 主 要 参 数 如 下 ：图 1.1 TQD-2 型 汽 车 电 器 万 能 实 验 台表 1.1 技术参数电源 交流：50Hz、220，单项；直流：12V、24V3调速范围 转速调节范围（空载）：04000r/min;转向：正反转三针放电装置 组列：8 组并列；间隙调节范围：015mm起动机制动装置测试范围 最大制动转矩：60Nm；最大制动电流：1000A；电压 0-50V发电机测试装置范围 发电机功率在 750W 以下（除 750W14V）各种交直流发电机，硅整流发电机发电机测试装置范围 发电机功率在 750W 以下（除 750W14V）各种交直流发电机，硅整流发电机检测项目直流发电机检查：空载、负载、电枢；电子调节器检验；节压、节流、限流起动机检验：空载、制动扭矩；分电器检验；分电器点火均匀性及点火提前磁电机检验：点火性能、点火提前；点火线圈检验：点火性能蓄电池检验：电压；电喇叭检验：声响电动刮水器（雨刮）检验：动作状况；硅整流发电机检验：空载、负载1.2 实验台设计课题研究内容及技术路线1、 课题研究内容依据给定汽车汽车电器性能测试试验的标准，以及机械部分设计的成果，确定控制模式及参数，设计起动机、发电机性能实验台的电子控制系统，包括：动力部分、控制部分、执行部分和辅助部分。1.能够对起动机、发电机结构与原理分析；2.能够对起动机、发电机性能分析与测试；3.实验台电路连接设计，能够安全测试。2、 课题研究技术路线本次设计的技术路线可用以下步骤表示。教学研究实验台调查研究4图 1.2 技术路线1.3 实验台设计要求和总体方案本次设计主要针对汽车发电机和起动机进行综合测试实验台设计，系统的讲述汽起动机内部元件结构原理分析发电机内部元件结构原理分析发电机外形固定及夹具设计起动机外形固定及夹具设计发电机特性测试电路设计与设备选择实验台布局与设计起动机特性测试电路设计与设备选择现有实验设备试验与测试实验台测试完成5车发电机和起动机实验台的特点，工作原理及结构和组成、功能和特点。起动机和发电机结构及组成、特性分析、电路连接、工作原理，实验台布局 CAD 设计，测试电路、数据分析、功能开发等。具有实验台结构简单、操作便捷特性，试验台架选用材料经济可靠。实验台选用部件器材操作简单实用，达到良好的测试效果的目的。同时用电设备具有安全性。实验台包括起动机测试电路、发电机测试电路、控制面板箱、试验台架、实验台面五部分组成。6第 2 章 汽车起动机、发电机原理及特性分析起动机是将蓄电池电能转换成机械能、再通过传动机构带动发动机曲轴旋转、帮助发动机起动的装置。起动机的种类很多，电动机部分大致相同，而控制装置和传动机构则差异很大。因此起动机多是按控制装置和传动机构的不同来分类的。按磁场产生的方式分类：激磁式起动机、永磁式起动机。按控制装置分类：机械操纵式、电磁操纵式。按传动机构分类：强制啮合式、惯性啮合式、电枢移动式、齿轮移动式、同轴式起动机。发电机是汽车的主要电源，是将发动机产生的机械能转变为电能的装置。其功用是在发电机正常运转时，向所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。汽车用发电机可以分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机的性能在许多发面优于直流发电机，直流发电机已经被淘汰。目前汽车采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以，汽车交流发电机输出的是直流电。交流发电机按照不同分类方法可分为：1.按总体结构分：普通交流发电机 整体式交流发电机 带泵交流发电机 无刷交流发电机 永磁交流发电机。2.按整流器分：6 管交流发电机 8 管交流发电机 9 管交流发电机 11 管交流发电机。73.按励磁绕组搭铁形式分：内搭铁型交流发电机 外搭铁型交流发电机。2.1 起动机结构组成及其作用起动机一般由直流电动机、传动机构和电磁开关三部分组成。（1）直流电动机，其作用是将蓄电池中电能转变为机械能的装置。一般由电枢、磁极、外壳、电刷与电刷架等组成。电枢总成：电枢用来产生电磁转矩，它由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成。电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成；电枢电流一般为 200600A。磁极。磁极由铁心和激磁绕组构成，其作用是在电动机中产生磁场。电刷与电刷架，作用是将电流引入电枢，使电枢产生连续转动。电刷装在电刷架中，借弹簧压紧力压在换向器上。（2）传动机构（啮合机构） ，其作用是：在发动机起动时，使起动机驱动齿轮啮入飞轮齿环，将起动机转矩传给发动机曲轴；而在发动机起动后瞬间，使驱动齿轮打滑与飞轮齿环自动脱开。（3）电磁开关（即控制装置） ，用来接通和切断起动机与蓄电池之间电路。机构将发动机拖转起动。2.2 工作原理分析起动机的工作原理可以通过其主要部件直流电动机的工作原理来说明。直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据带电导体在磁场中受到电磁力作用的这一原理为基础而制成的。如图 2.1 所示。电动机的电刷与直流电源相接，电流由正电刷和换向片 A 流入，从换向片 B 和负电刷流出，此时绕组中的电流方向为 a-b,按左手定则可确定导线 ad 受到向左的电流力 F。导线 cd 受到向右的电磁力 F，从而使整个线圈受到逆时针方向的转矩而转动。当电枢转过半周时，换向片 B 与正电刷相接触，换向片 A 与负电刷相接触，线圈电流的方向改变为由 d-a，因而在 N 极和 S 极下面导体中的电流方向保持不变，电磁转矩的方向也就不变，使电枢仍按原来的逆时针方向继续转动。8图 2.1 直流电动机工作原理由此可见，直流电动机的换向器保证电枢所产生的电磁力矩的方向保持不变，使其产生定向转动。但实际的直流电动机为产生足够大且转速稳定的电磁力矩，其电枢由多匝线圈构成，换向器的铜片也相应增加。根据安培定律，可以推导出直流电动机通电后所产生的电磁转矩 M 与磁极的磁通量 及电枢电流 Is 之间的关系为:（2.1）=式中， 为电动机结构常数。根据上述与原理分析，电枢在电磁力矩 M 作用下产生转动，由于绕组在转动同时切割磁力线而产生感应电动势，并根据右手定则判定其方向与电枢电流 的方向相反，I故称反电动势。反电动势的大小与磁极的磁通量和电枢的转速 n 成正比。=（2.2）C系数（常数） ；n为发动机转数；为磁极磁通；由此可推出电枢回路的电压方程，即：9=+（+）（2.3）电枢绕组电阻；U 起动机外加电压；激磁绕组电阻；电枢电流。在直流电动机刚接通电源的瞬间，电枢转速 n 为 0，电枢反电动势 也为 0，此E时，电枢绕组中的电流达到最大值，电枢产生最大电磁转矩。若此时的电磁转矩大于发动机的阻力矩，电枢就开始加速转动起来。随着电枢转速的上升， 增大，电枢电E流下降，电磁转矩 M 也就随之下降，直至 M 与阻力矩相等为止。可见，当负载变化时，电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要，使之在新转速下稳定工作，因此直流电动机具有自动调节转矩功能。2.3 工作特性分析车用起动机多采用串激式直流电动机，其原理电路如图所示。图 2.2 起动机原理电路图2.3.1 转矩特性对于串激式直流电动机，其磁场电流 与电枢电流 相同，并且磁极未饱和时，I I10磁通 与电枢电流成正比,即 , 为常数 .串激式直流电动机的转矩可表示:=2I 2=CI（2.4）由此可知,在磁路未饱和时，直流串激式电动机的转矩与电枢电流的平方成正比。但是当此路饱和后磁极磁通量几乎不变，此时电磁转矩与电枢电流成直线关系。在发起动发动机的瞬间，由于发动机的阻力矩很大，发动机处于完全制动状态下，由于转速为零反电动势为零。此时电枢电流达到最大值(称为制动电流)，电动机产生最大转矩（称为制动转矩） ，从而使起动机易于发生起动发动机，这就是汽车上采用串激直流电动机的主要原因。图 2.3 直流串激式电动机转矩特性2.3.2 转速特性根据原理电路图可以列出:=+(+0)+=E+R+（2.5）式中 连接导线电阻；11蓄电池内电阻；0 电枢接触电压降。根据 ,可求得电动机的转速为E= =（ R） /由此可知，当电动机的电枢电流 增加时，电压降 R 随之增加。 在磁路未饱和的情况下，磁通 也随之增加，电动机的转速虽 R 和 的增加而急 剧下降。因此，直流串激电动机具有在轻载时，电枢电流 IS 小，转速高；而在重载时，电枢电流 大，转速低的软机械特性，能保证发动机既安全又可靠地起动，这是汽车上采用直流串激式电动机的主要原因之一。但由于其在轻载和空载时转速很高，容易造成“飞车”现象，因此对于功率较大的直流串激电动机来说不可在轻载或空载下长时间运转。图 2.4 直流串激式电动机转速特性2.3.3 功率特性起动机的输出功率 P 可以通过测量电枢轴上的输出转矩 M 和电枢的转速 n 来确定。=/9550()（2.6）起动机在全制动（ n=0）和空载（ M=0）时，其输出功率均为 0，而在 IS接近全制动电流一半时其输出功率最大。12起动机工作时间短暂，所以允许在最大功率状态下工作，起动机的额定功率一般也就是电动机的最大功率或接近与最大功率，其特性曲线由图可知：图 2.5 直流串激式电动机功率特性（1）完全制动时，相当于起动机刚刚接通的瞬间， n=0,电枢电流最大（称为制动电流） ，转矩也达到最大值（称为制动转矩） ，但输出功率为零。（2）起动机空载时电流最小（称为空载电流） ，但转速达到最大值（称为空载转速） ，输出功率亦为零。（3）在电流接近制动电流一半时，起动机的功率最大。生产中通过空载和全制动俩项实验来检查起动机的技术状况，以判定其制造或维修质量。 2.4 发电机的结构和组成交流发电机主要由转子总成、定子总成、硅整流器、前后端盖及电刷以及皮带轮、风扇等部件组成。1、转子总成转子是交流发电机的磁场部分，工作中产生旋转磁场，它由转子轴、滑环、爪极、磁轭、磁场绕组等组成。转子轴上压装着两块爪极，爪极被加工成鸟嘴形状，爪极空腔内装有励磁绕组和磁轭。滑环由两个彼此绝缘的铜环组成，压装在转子轴上并与轴绝缘，两个滑环分别与励磁绕组的两端相连。当给两滑环通入直流电时，励磁绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为 N 极，另一块被磁化为 S13极，从而形成六对相互交错的磁极，当转子转动时，就形成了旋转的磁场。2、定子定子的作用是产生交三项流电动势。定子安装在转子外面，与发电机的前、后端盖固定在一起，当转子在其内部转动时，引起定子绕组中磁通的变化，定子绕组中就产生交变的感应电动势。定子又叫电枢，定子由定子铁心和定子绕组（线圈）组成。 3、硅整流器整流器的作用是将定子绕组的三项交流电变为直流电。整流器由整流板和整流二极管组成。6 管交流发电机的整流器是由 6 只硅整流二极管分别压装在相互绝缘的两块板上组成的，其中一块为正极板，另一块为负极板，负极板和发电机外壳直接相连，也可以将发电机的后盖直接作为负极板。6 只整流二极管分为正极管和负极管两种，引出电极为正极的称为正极管，3 只正极管装在同一块板上，也可以直接安装在后盖上。 4、前后端盖交流发电机的前后端盖均由铝合金铸造而成，铝合金为非导磁材料，漏磁少、重量轻、散热性能好等优点。在后端盖内装有电刷组件，电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架用玻璃纤维模压而成。电刷安装在电刷架内，借助弹簧的压力与滑环保持接触。交流发电机磁场绕组的搭铁形式有内搭铁和外搭铁之分。磁场绕组的一端经电刷在发电机段盖上搭铁称为内搭铁式；磁场绕组的两端均与端盖绝缘，其中一端经调节器后搭铁成为外搭铁式。交流发电机前端装有皮带轮、风扇，工作时使发电机内部强行通风散热。后端盖后侧装有薄铝板冲压而成的防护罩，以保护整流器不被损坏。2.5 工作原理分析发电机的工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律，转子在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。2.5.1 发电原理14发电机的三项定子绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，彼此相差 120电角度。内部有一个转子，转子上安装着爪极和励磁绕组。当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便 3 产生磁场，使爪极被磁化为 N 极和 S 极。当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化，根据电磁感应原理可知，定子的三项绕组中便产生交变的感应电动势。三项绕组的末端连在一起，形成星形连接。当通电的转子旋转时，磁力线和三相绕组有相对运动，在三项绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差 120电角度的正弦交流电动势 、 、 ,其瞬时值方程式为：=Emsint（2.7）=Emsin(t-120）（2.8）=Emsin(t-240）（2.9）式中 最大值， ， E 为有效值；E E= 2E 为角频率（ ） ；=2f每组绕组所产生电动势的有效值为：E=KNf（2.10）式中 K绕组系数，对交流发电机，整距集中绕组 K=1；N每项绕组的匝数； 每极磁通量；f感应电动势频率， ；f=pn/60p磁极对数， n 为转数。2.5.2 整流原理硅二极管具有单向导电性，当给二极管加上正向电压时二级管导通，当给二极管15加上反向电压时二极管截止。利用这一特性，可组成各种形式的整流电路，把交流电变成直流电。在交流发电机中采用 6 只硅二极管组成三项桥式整流电路。如图所示图 2.6 三项桥式整流电路及电压波形如图 2.6 所示，其中 D1、D3、D5 负极连接在一起，在某一瞬时，正极具有最高电位的那个二极管导通。D2、D4、D6 的正极连在一起，在某一瞬时，负极具有最低电位的那个二极管导通。同一时刻只有两个二极管工作。通过 6 只二极管全波整流后，在负极得到一个比较平稳的直流电压。2.6 工作特性2.6.1 输出特性输出特性是研究发电机的输出电压保持一定时（12V 系列规定为 14V，24V 规定为 28V） ，其输出电流与转速的关系。即 U=常数， 的曲线，I=f(n)16图 2.7 交流发电机的输出特性交流发电机的输出特性有如下特点：1.发电机转速较低时，其电压低于蓄电池电压时，不能向外供电。当转速达到空载转速时发电机电压达到额定值；当转速高于空载转速 时，发电机才有能力向外n1供电， 可以作为选择发电机传动比的依据。n12.当转速超过 时，发电机的输出电流将随着转速 n 的升高而增大；当转速等于n1n2时，发电机输出额定功率，转速 叫做发电机的满载转速。n23.当转速达到一定值后，发电机的输出电流不再随着转速的升高负载电阻的减小而增大，这时的电流值称为发电机的最大输出电流（或限额电流值）可见交流发电机具有自身限制输出电流的能力。交流发电机定子绕组的阻抗限制输出电流。交流发电机的定子绕组具有一定的阻抗，对通过定子绕组的交流电流起着阻碍作用，阻抗 Z 由三项绕组的电阻值 R 和感抗组成，即：XL2=2+XL2（2.11）由上式可知，定子绕组的感抗 与发电机的转速成正比。当转速升高时，感抗增大，XL阻抗 Z 也增大，阻碍电流的作用也就越大。电枢反应使磁场减弱，感应电动势降低。所谓电枢反映就是指电枢绕组产生的磁场（电枢磁场）对磁极磁场的影响。在发电机空载时，其内部只有磁极磁场，当定子绕组中有电流输出时，定子绕组的电流将产生磁场，且电流越大，该磁场就会越强。工作中发电机内部的磁场就是上述两磁场的组合。当磁极磁场饱和后，电枢磁场的存在将削弱磁极磁场，使合成磁场减弱，感应电动势降低，输出电压降低，从而使输出电流减小。172.6.2 空载特性交流发电机的空载特性是研究发电机在空载运行时的端电压 U 随转速的变化关系(即 , 的曲线)。I=0U=f(n)图 2.8 交流发电机的空载特性1.蓄电池电压 2.空载转速 3.自励 4.他励从曲线可以看出，随着转速的升高，端电压上升较快，由他励转入自激发电时，即能向蓄电池充电；空载特性是判定充电性能的重要依据。2.6.3 外特性外特性是指发电机转速 n 一定时，其端电压随输出电流的变化关系，即 n=常数时， 的函数关系，如图所示：U=f(I)图 2.9 交流发电机的外特性2.7 本章小结18本章起动机、发电机主要介绍结构组成和工作原理，以及对工作特性的分析。起动机是汽车最主要的启动部分。通过起动机转动来带动发动机的旋转。发电机是汽车上电气设备的主要供电设备。通过发动机带动产生供给电气设备的电流。并且能够给蓄电池充电。掌握起动机、发电机的基本知识后，才能够对以后实验过程中的各种现象和数据进行分析计算，得出结论。 第 3 章 实验台传动系统设计实验台是由多个电器检测仪器组装构成的整体仪器。主要有工作台身、台面、调速电机、升降龙门夹具，起动机制动器、传感器、仪表等。通过线路连接构成一个测试整体系统。主要设计方案包括：实验台架设计、实验台布局。3.1 实验台架布局设计19实验台架的选材和结构设计：实验台架主要采用管口铁焊接而成。采用 45 方钢管（40mm40mm） ，具有抗弯曲、拉伸特点，能够进行焊接。工作台面采用热轧钢板材料为 20Mn， （主要用于制造心部力学性能较高的渗碳或液体碳氮共渗零件，如凸轮轴、曲柄轴等；在正火或热轧状态下用于制造韧性高而应力较小的零件，如螺钉、螺母、支架、铰链及铆焊结构件；还可以制成板件 4-10mm 等。试验台架主要通过焊接的方法进行连接，台架台面主要尺寸：表 3.1 实验台架主要尺寸参数 mm长 L/mm 宽 b/mm 高 h/mm 厚实验台 1200 580 850 10图 3.1 实验台总布置图3.1.1 实验台主要器材部件实验台主要包括：控制面板箱和实验测试设备。控制面板布置如图纸所示，选用主要原件包括：电压表、电流表、继电开关、调速电机控制器、转矩显示器和内部电源。20测试设备主要包括：主要原件有：起动机、传动齿轮轴、轴承、轴承座、联轴器、转矩传感器、磁粉制动器、变频调速电机、发电机等。3.2 起动机传动系统的设计起动机动力传动系统方案主要参考现有实验设备系统进行设计，如图：图 3.1 传动方案图传动系统中主要元件设备有：起动机、齿轮轴、联轴器、转矩传感器、轴承座、磁粉制动器。起动机的动力传动需要设计一段齿轮轴，能够起到和起动机小齿轮啮合并且能够传递转矩的作用。3.2.1 齿轮轴的设计系统中所需要的齿轮轴，主要作用是起到动力传递作用，所以根据起动机的参数进行数据计算。图 3.2 齿轮轴根据公式 ： ， 可以计算求出齿轮轴的最小直径。=31621由于在传动系统中齿轮轴需要与起动机启动齿轮啮合，所以齿轮轴承受转矩的大小由起动机输出转矩决定，现在选取一个最大起动转矩的起动机为例进行设计计算。一般最大起动转矩为; , 许用扭切应力 。=150. =40计算: ,取 =31626.7d=28=284对于一般轴，可用第三强度理论求出危险截面的当量应力：=2+42（3.1）为危险截面上弯矩 M 产生的弯曲应力； 为转矩 T 产生的扭切应力。对于直径 为 d 的圆轴 。= 3320.13（3.2）=2（3.3）( ， d 为轴径, G 为弹性模量 MPa, ) =2 =79.4103 =2其中 W 分别为轴的抗弯截面系数和抗扭界面系数。将 和 值代入式 3-1 得 疲劳强度公式：=10.132+（ )21.（3.4）当量弯矩 =2+（ )2a根据转矩性质而定的折合系数。对不变转矩 ，脉动变化时a=0.3a=0.6，对频繁正反转的轴，可作对称循环变应力， a=1.计算得： =663.2.2 齿轮段参数计算22齿轮轴的设计要求参数与起动机启动小齿轮的参数一样.现在选取以 11 齿小齿轮为参照。根据齿数可确定分度圆直径等参数，如下表：表 3.3 齿轮参数1 齿数 Z=122 中心距 =2（ 1+2） =303 啮合角 a=204 齿顶圆直径 d1=d1+(2+2)=37.355 齿根圆直径 1=d1(2.52)=22.656 断面模数 m=2.57 螺旋角 B=8208 分度圆直径 d=mz=309 齿顶高 h=2.510 齿根高 h=1.25=3.1253.2.3 联轴器的参数根据传动方案所示，齿轮轴段最小直径与联轴器相连接。根据 d=28mm 选取凸缘联轴器的参数如下表：表 3.4 凸缘联轴器（GB 584386）许用转速r/min轴孔长度L/mmD1 D2螺栓/mm0质量kg型号公称转矩N.m铁轴孔直径d（H7）/mmY 型 mm 数量 直径 Y 型转动惯量 kg. 2YL7 160 4800 28 62 120 95 4 M10 128 5.66 0.0293.2.4 轴承座的参数表 3.5 轴承参数型号 d 2 D g Amax 1 H 1 L J S 螺 1 N23栓SN206 30 35 62 30 77 52 50 22 185 150 M12 15 20经元件计算后，设计出总传动方案如图所示;图 3.3 起动机动力传动系统3.3 发电机传动系统设计根据发电机特性原理，传动方案主要通过调速电机控制发电机转速。所以要对调速电机的传动比、皮带轮参数进行计算。3.3.1 调速电动机的参数表 3.6 Y 系列（IPP44）电动机技术参数堵转转矩 最大转矩电动机型号 额定功率 KW 满载转矩额定转矩 额定转矩质量 kg同步转速 3000r/min，2 极Y802-2 1.1 2825 2.2 2.2 173.3.2 皮带轮的设计皮带轮的主要参数有：传动比， 、皮带长度、皮带的紧力。传动比是主动轮用皮带带动从动轮时，若皮带的直径分别为 和 ，转速为d1 d2 2和 1传动比 i 可以由下式表示：（3.5）=21=d1d2计算得：i=224皮带长度在带轮的轴间距为 a 时，皮带的长度 L 可以下式表示近似计算：（3.6）=2+2(d1+d2)(d1d2)24由于发电机皮带尺寸为固定型号，所以只需根据需要进行选取。皮带张紧力在皮带传动中，即使是不传递动力的静止状态下也需要张紧皮带，称此张力为初拉力，它与传递的载荷大小相对应。若皮带的紧边张力为 ,松边的张力,则出张力 可按下式近似计算： 00=+2（3.7）带动从动轮的圆周力成为有效张力。有效张力 由下式表示：=-（3.8）若皮带与带轮之间的摩擦系数为 （0.2 0.3） ，主动轮的皮带包角为 （rad） ， 自然对数的底为 e，则可导出下列关系：； =1 = 11（3.9）设皮带速度 V（m/s）,有效张力 （N）,则传递的动力 P(W)为：=1（3.10）经查表得：带传动的传动效率 ，摩擦系数 ，电机功率为 1.1kw，=0.98 f=0.3表 3.7 带轮参数基准线宽 b基准线上槽线 基准线下槽线 槽间距 e 槽边距 最小轮缘厚带轮宽 B 外径 轮槽角 255.3 1.6 4.7 8 6 5 23 117 32图 3.4 发电机动力传动系统3.4 本章小结为了能够对起动机发发电机测试实验台进行动态测试，要对实验台的发电机和起动机机械传动部分进行布局和设计。本章首先对试验台的总体布局进行设计，然后对对传动部分的方案选择和主要零件的参数计算，通过数据计算根据数据进行绘制图纸。26第 4 章 实验台测试系统设计实验台测试系统分为起动机测试系统和发电机测试系统。274.1 起动机测试元件选择和电路设计起动机的起动性能主要是通过起动机转距大小来表现出来，起动转矩大起动效果越好，针对起动转矩的测量，进行元件选择，主要元件是传感器和电流表。通过线路连接，组成完整的测量系统。4.1.1 测试设备原件的选择电流表：测量范围在 0 9999mA图 4.2 电流表转矩传感器图 4.3 JN338 型传感器显示器实物28转矩显示器图 4.4 转矩显示器实物图转矩传感器的工作原理：转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装载扭力轴测量段的两端；内齿轮转筒内,和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢，内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下，内齿轮随同转筒旋转。 内外齿轮是变位齿轮，并不啮合，齿顶六由工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交替相对，相对转动一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。 如果两组检测器的齿轮的投影互相重合时、两组电压讯号的相位差为零。安装时，两只内齿轮的投影是重合的。而扭力轴上的两只外齿轮是按错动半个齿安装的。因此，两个电压讯号具有半个周期的相位差，即初始相位差为 。若齿轮为 120 0=180齿，分度角为 3，相位差为 180时，相应外齿轮错动 1.5。 当扭力轴受到扭矩作用时，产生扭角 ，两只外齿轮的错位角变为 两个电压讯号的相差角1.5相应变为：。 =120（ 1.5） =180120（4.1）扭角和扭矩是成正比例的,因此扭角的变化和扭矩成正比,即相位差角的变化29M =0=120=1201=（4.2）式中 K1 为相位差角和扭矩的比例系数， ， “”另表示转动方向。 K=120K1设扭力轴测量段的直径为 d，长度为 L，扭力轴材料的剪切弹性模为 G，则K1=32L/dG。将传感器的两个电压讯号输入仪表将电压讯号进行放大、整形、 检相、变换成计数脉冲，然后计数和显示，便可直接读出扭矩和转速的测量结果。由于采用磁电转换、相位差原理和数字显示的转矩转速测量方法,因此能进行稳定、可靠、快速、 灵敏的高精度测量。转矩传感器工作特点（1） 可测量稳态旋转扭矩及动态过渡过程的旋转扭矩。（2） 测量正、反向扭矩时，不需调整零点。 （3） 信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强。（4） 输入电源极性、幅值保护，输出转矩、转速信号保护。 （5） 扭矩信号的提取方式为应变电测技术。 （6） 扭矩测量精度与旋转速度、方向无关。 （7） 可测量正反向扭矩、转速及功率。 （8） 输入、输出信号的传输为非接触的耦合方式。（9） 体积小、重量轻、安装方便。（10） 可靠性高、寿命长。表 4.1 JN338 转矩传感器技术参数转矩测量范围：0 200N.m 转矩准确度： 0.2% F.S过载能力：150% F.S 绝缘电阻：200M 工作温度：-20 60 重复性： 0.1% F.S滞后性： 0.1% F.S 相对湿度： 90% RH线性： 0.1% F.S 零转矩频率输出：10KHZ应变计动态响应时间：3.2 10-6S 正向转矩满载量程频率输出：15KHZ30转速输出信号：60-120 个脉冲/转 反向转矩满载量程频率输出：5KHZ传感信号输出：方波信号、幅值为 5V 负载电流 15MA标准值，n标准值，表明装配过紧或电枢绕组和励磁绕组内有短路或搭铁现象。电流值标准值，n标准值，表明内部电路有接触不良的地方。注意： 每次空载试验不要超过 1 分钟，以免起动机过热。2、全制动实验在空载试验后，通过测量起动机完全制动时的电流和转矩来检验其动机的性能良好与否，需进行全制动试验。说明：电流大，转矩小，表明此磁场绕组或电枢绕组有短路或搭铁的不良现象。电流小，转矩小，表明起动机接触内阻过大。注意：时间小于 5 秒，以免烧坏电动机，对蓄电池使用寿命造成不利影响。3、按标准和技术条件要求，起动机性能测试装置设置了以下性能试验项目 ：（1）吸合电压：测量起动机电磁开关主触点闭合时的始吸电压，自动加顶齿垫32块，电压自动调整测量。在起动机齿轮处加一垫块，接通起动机线圈，当电源电压连续升高时，电磁开关主触点在某一时刻闭合，采得的该时刻电压值若小于或等于标准值则合格，否则不合格。（2）释放电压：测量起动机电磁开关的主触点断开时的释放电压。当电源电压连续由高降低时，电磁开关触点在某一时刻由闭合至断开，采得的该时刻电压值若小于或等于标准值合格。否则不合格。 （3）空载性能：测量起动机完全空载状态下的电流、电压、转速。在起动机空载状态下，在给定的电压值时测得的电流小于或等于标准值，并且，测得的转速大于或等于标准值，则合格否则不合格。 （4）负载性能：进行起动机在额定负载时的电压、电流、转矩、转速测量。起动机在负载状态下运转，电源的放电特性符合起动机电源的模拟特性要求时。在转速大于或等于标准值，电流小于或等于标准值且转矩大于或等于标准值则合格，否则不合格。 （5）啮合性能：检查起动机单向器在额定负载下其啮合能力。起动机在负载状态下连续接通数次，检查其啮合性能。 （6）制动性能：进行起动机在制动状态下的电压、电流、转矩的测量。在起动机制动状态下，在给定的电压值时测得的电流小于或等于标准值，转矩大于或等于标准值则合格，否则不合格。 （7）超速性能：进行起动机的超常运转试验。先接通起动机的主回路和开关回路，接着接通负载，然后断开开关回路。 （8）断电性能：离合器在测试装置的齿圈作用下，保持其啮合位置，检查开关的断电能力。 （9）运转试验：起动机在进行完大电流试验后再次进行空载试验，检查其性能是否有变化。在起动机空载状态下，在给定的电压值时测得的电流小于或等于标准值，并且，测得的转速大于或等于标准值则合格，否则不合格。 通过测试出的数据，对数据与起动机的额定参数进行比较.数据对比后，检查故障发生的原因，进行下一步骤的检查。33从可以分析出起动机存在的故障问题，以便于下一步骤的检测。起动机的主要数据是通过给定的参数表格来比较的，可以根据国内一些起动机的主要参数标准和系列，主要见下表：表 4.3 起动机主要技术性能参考值规格 空载特性 全制动特性 电刷 驱动齿数型号额定电压/V额定功率/W电流不大于/A转速不低于/r.-1电压/V电流不大于/A扭矩不小于/N.m牌号弹簧压力/N齿数齿轮行程/mmQD124A 12 1.85 95 5000 8 600 24 Ts-29 20QD1215 12 1.85 90 5000 6 700 24QD124H 12 1.47 90 5000 8 650 29.4 2-15QD124F 12 1.47 90 5000 8 650 29.4 8-13 11QD1211 12 1.8 90 5000 7.5 750 34 12-15 11321 12 1.1 100 5000 6 525 15.7 Ts-412-15 9 20QD1225 12 0.96 45 6000 7 480 13 9QD142A 12 3 90 5000 7 650 25 12-15 9DW1.4 12 1.4 67 2900 9.6 160 13 9D6RA37 12 0.57 220 1000 350 85 94.1.3 起动机测试实验的操作步骤1.空载试验主要测量起动机的空载电流和空载转速。第一步：将待测起动机安装在龙门夹具上固定。第二步：将测试部分设备电流表、传感器显示器进行调零校正。第三步：将起动机进行控制线路连接，经检查后通电测试。34第四步：调整测试设备（转矩传感器） ，调整轴承座、齿轮轴位置（高度，中心距） ，使齿轮段与起动小齿轮啮合。第五步：经检查无误后通电，测试起动机额定空载电流、转速。2.全制动试验主要测量起动机的制动电流、制动转矩。第一步：将待测起动机安装在龙门夹具上固定。第二步：将测试部分设备电流表、传感器显示器进行调零校正。第三步：将起动机进行控制线路连接，经检查后通电测试。第四步：调整测试设备（转矩传感器、磁粉制动器） ，调整轴承座、齿轮轴位置（高度，中心距） ，使齿轮段与起动小齿轮啮合。第五步：经检查无误后通电测试，接通起动开关 5S 后，将磁粉制动器通电，记录起动机制动时的制动电流和制动转矩。图 4.7 起动机测试原理图4.2 发电机测试系统元件选择和电路设计发电机的主要功用是对汽车用电设备供电，同时对蓄电池充电。发电机的测试电路主要是针对发电机的特性进行设计。测试发电机的输出特性、空载特性、外特性。4.2.1 测试设备元件的选择35测试设备主要选择电压表或示波器动态监测发电机变化情况。下面将介绍测试设备的技术参数和特点：电压表：DP3A 三位半数特点：具有模拟变输出功能（4-20mA，0-20mA） ，采样速度 2.5 次/秒，外型尺寸48H96 显示范围1999。图 4.8 电压表表 4.4 技术参数最大显示 1999（AD 显示有效值）频率范围 40-200Hz（仅对交流）溢出显示 “-1”or“1”极性显示 只显示“-”仅对直流显示 红色数码管（14.2mmH）电源 AC 110/220V 10% 50/60HZ,功耗 5VA耐压 AC 1500V 1min绝缘电阻 DC 500V 100M重量 约 500g变频调速器36图 4.9 变频调速器实物图电动机图 4.10 三项异步电动机实物图表 4.5 选用三相异步电动机的主要参数型号 功率（KW）功率因数COS起动电流倍数起动转矩倍数额定电流（A）额定转速(r/min同步转速r/minY2-802-21.1 75 0.83 6.1 2.2 1.8 2825调速设备设计要求具有一定的转速变化范围、大功率的电机，故选用三相异步交流电机。37交流异步电动机（以下均指的是感应交流异步电动机）因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛的应用，与其他种类电动机相比.交流异歩电动机的市场占有量始终居第一位现在流行的交流异歩电动机调速控制方法可分为两种：变频变压法（VVVF）和矢量控制法，前者的原理相对比较简单，有 20 多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，目前市场出售的变频器多数都是釆用这种控制方法。由于使用这种控制方法对交流异步电动机进行调速时，可能会使电动机的机械特性变差.因此人们开始研究矢量控制技术。矢量控制的思路是：设法在三相交流异步电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。交流异步电动机变频调速原理根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由下式表示：n=60f(1-S)/P（4.3） 式中: n电动机转速；P动机磁数：f电源频率;S转差率。由式可知，影响电动机转速的因素有:电动机的磁极对数 P、转差率 S 和电源频率 f 其中,改变电源频率来实现交流异歩电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。主电路和逆变电路的工作原理变频凋速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交直交方式， 即先将交流电转变成直流电（整流、滤波）再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变） 。图 4.8 是主电路的原理图它是变频器常用的最基本的格式。38图 4.11 主电路原理图1、主电路各元件的功能主电路中各元件功能如下：1) 交直电路整流管 D1D6 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流，整流后的直流电压为：U1.35380V513V（4.4）滤波电容 Cr 滤除整流后的电压波形，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大,为了保护电路元件，加限流电阻 Ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关 JK 闭合，将限流电阻短路。Rc 是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放.使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路,使这部分再生电流消耗在电阻 Rc 上。制动时.通过控制电路使开关管Tc 导通，形成放电通路。直 交 电 路 逆变开关管 T1T6 组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 IGBT、功率场效应管 MOSFEI。续流二极管 D7D12 的作用是：当逆变开关管由通状态变为截止时，虽然电压突变降为零.但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始39释放,续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外.当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源 ： 电阻 R1R6、电容 C1C6、二极管 D13D18 组成的缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时要受集电极电流 Ic 和集电极与发射极间电压 VcE 的冲击，如图所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，VcE 迅速升高，Ic 迅速降低，过髙增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容 C1C6 来减小电压增长率，当逆变开关管开通时，VcE 迅速降低，而 Ic 则迅速升高，并联在逆变开关管两端的电容 C1C6 由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流 Ic 的增长率，造成逆变开关管的损坏。所以增加电阻 R1R6 限制电容的放电电流。可是当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管 D13D18，使电容在充电时.避开电阻,通过二极管充电，在放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。所以它只适用于中小功率变频器。2、三相逆变桥的工作原理三相逆变桥的电路简图如图 4.12（a）所示，图中 R、Y、B 为逆变桥的输出。4.12（b）是各逆变管的时序其中深色部分表示逆变管导通。从图 4.12(b)可以看出，每一时刻总有 3 只逆变管导通，另 3 只逆变管关断;并且，T1 与 T4、T2 与 T5、T3 与T6 每对逆变管不能同时导通图 4.12 三相逆变桥工作原理在 t1 时间段 ， T1、T3、T5 这 3 只逆变管导通 ， 电机线圈电流的方向
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