【JX597】电磁离合器性能测试台设计【14张CAD图纸+论文+外文翻译】【机械毕业设计论文】【通过答辩】
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电磁离合器
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第一章 绪论 磁离合器概述 电磁离合器目前大多是运用于机械的传动系统中，离合器能够实现在机器运转过程中，使主动部分与从动部分随时结合和分离，电磁离合器顾名思义就是通过电磁线圈的驱动实现离合盘的分离与吸和，他有着响应高速，耐久性强，组装维护简单，动作确实，使用操作容易等优点， 按工作原理和是否吧离合器浸入润滑油中工作来分，电磁离合器 可分为干式多片电磁离合器，湿式多片电磁离合器，磁粉离合器，转差式电磁离合器等。电磁离合器的工作方式有分为断电结合和通电结合。 磁离合器试验台概述 电磁离合器是现代 办公机械 ，机床，印刷设备不可缺少的部件，作为传动系统的主打部件，具体工作状况多变，怎样去评估一个电磁离合器的性能特性是研究人员和生产厂家所必须解决的重要问题，而各种性能的分析，只能通过在特定的测试台上去实验，模拟，分析。通过测试台的分析实验后，可以及时发现离合器在运行过程的各种隐患，减少维修费用，降低事故损失，增加电磁离合器使用的可靠性，安全性，和经济效益，故而电磁离合器测试台的设计过程变得非常重要 ，他的性能优劣直接联系到被测的电磁离合器的各种性能指标的测试结果，如何进一步优化测试台的设计，是我们当前研究所 需要解决的重要问题 ，为了实时检测电磁离合器的操纵性能和安全性能，完成对转矩转速，温升等方面的测定，现代企业和研发部门都在研究离合器试验台，通过测试台对离合器进行探讨，以掌握离合器的各种性能。 磁离合器的 结构和 工作原理 电磁离合器的是借由其从动部分和主动部分接触面的摩擦作用，利用磁力传动来传递转矩，让主动部分与从动部分 既可以分离，又可以慢慢结合 。 构认识（摩擦片式电磁离合器）： 电磁离合器的结构图如图 1 所示。主要由激磁线圈、铁芯、衔铁、摩擦片及联接件等组成。一般采用直流 24V 作为供电电源 。 作原理分析： 主动轴 1 的花键轴端，装有主动摩擦片 2，它可以沿轴向自由移动，因系花键联接，将随主动轴一起转动。从动摩擦片 3 与主动摩擦片交替装叠，其外缘凸起部分卡在与从动齿轮 4 固定在一起的套筒 5 内，因而从动摩擦片可以随同从动齿轮，在主动轴转动时它可以不转。当线圈 6 通电后， 将摩擦片吸向铁芯 7，衔铁 8 也被吸住，紧紧压住各摩擦片。依靠主、从动摩擦片之间的摩擦力，使从动齿轮随主动轴转动。线圈断电时，装在内外摩擦片之间的圈状弹簧使衔铁和摩擦片复原，离合器即失去传递力矩的作用。线圈一端通过电刷和滑环 9 输入直流电，另一端可接地。 电磁离合器是一种自动化执行元件，它利用电磁力的作用来传递或中止机械传动中的扭矩。 证机床起步平稳： 机床由静止到行驶的过程，机床的速度由零慢慢变大，有了离合器后，在机床起步时离合器会逐渐参与接合，如此一 来，离合器所能传递的扭矩也就是一个逐渐增大的过程，于是发动机的转矩就可以从小 到大的传给传动系统，当驱动力足以克服生产阻力的时候，机床就有静止状态开始缓缓加速，从而实现平稳起步。 便换档 在机床运行过程中，为了适应工作条件的不同，变速器需要经常更换不一样的档位工作，而普通齿式变速器换挡时通过拨动换挡机构来实现，即在用档位的一对齿轮副退出啮合，待用档位 的一对齿轮副进入啮合，换挡时，如有没有离合器将发动机与变速器之间的动力暂时切断，在用档位的齿轮副之间将因压力很大而难以脱开，待用档位 的齿轮副将因两者的圆周速度不等而难以进入啮合，即使能进入啮合也会产生很大的冲击和噪声，损坏机件，装备了离合器后，换挡之前先使离合器分离，暂时切断传动系统的动力传动，然后进行换挡操作，以保证换挡操作的过程顺利进行，并减轻或消除换挡是的冲击。 止传动系统过载 当机床紧急制动是，转速紧急下降，若发动机与传动系统是刚性连接，将迫使发动机 也随着急剧下降，其所有运动件将产生很大的惯性力矩，这一力矩作用于传动系统，会造成传动系统的过载而使机件损坏，有了离合器，当传动系统承受载荷超过离合器所能传递的最大扭矩时，离合器会自动打滑以消除这一危险，从而起到过载保护的作用。 磁离合器试验台的研究概况 目前电磁离合器试验台的设计法主要是通过制动来实习转矩转速等各方面的测量。转矩、转速，空载、温升、寿命性能的测试是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容 随着科学技术的进步和生产力的发展，转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、交通、柴油机、化工机械、石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。在市场经济激烈的竞争下，许多机械新产品既要向更 大功率、更高速度、更高效率的方向发展，又要向更小的设计裕度方向加速发展，转矩、转速测量能为旋转机械的设计提供科学数据；转矩、转速测量应用在自适应控制系统中，可为自适应控制系统提供控制信号；转矩、转速测量是检验各类动力机械功率输出是否达到设计标准的必要手段；对于一些大型的、关键的、无储备的动力机械设备来说，由于他们的意外停车或故障将造成极大的危害。随着转矩、转速测量的广泛应用，市场对转矩、转速测量系统也提出了越来越高的要求：由静态测试转向动态在线检测；由间接测量转向直接测量；由单功能转向多功能，包括自补偿、自 修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆；要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化；要求转矩、转速的检测与动力装置的控制相结合，达到转速、转矩、输出功率的优化配置。 转矩的测量，按原理可分为：传递类 (扭轴类或转矩计类 )，平衡力类 (支反力类或测功机类 )，能量转换类 (间接测量法 )等三类。据统计，现代实验工作中，大多数都采用传递类转矩测量法。 转矩测量技术主要包括两方面：一是传感器，二是测量系统。现阶段应用最为广泛的传递类转矩测量手段是采用传感器测量。国外转矩、转速测量系统总体说来发展较早， 技术水平也较为先进。但近几年来，国内的转矩、转速测量系统经过广大科研技术人员的不断努力，也取得了迅速的发展。 课题研究的内容： 设计电磁离合器性能测试台，要求能完成电磁离合器大性能、小性能、空载、牙嵌、温升、寿命性能的测试。具体内容如下： 1电磁离合器性能测试台的总体方案设计 2动力元件的选择 3. 传动机构的设计 4传感器的选择 5其他零部件的设计 1 ) 能模拟产品的典型使用工况 ; 2 ) 满足一定的试验对象的规格范围 ; 3 ) 对被考核的参数能进行测 试及记录 ; 4 ) 不同形式的离合器在试验台上装拆方便 , 调整容易 , 5 ) 性能稳定 , 工作可靠 ; 6 ) 好修 , 好造。 制动法，转速转矩测量技术，传感器的选择，惯性负载模拟 第二章 电磁离合器性能测试台的 总体 设计 合器应该符合以下要求： 1)在任何行驶情况下都可以可靠地传递发动机的最大转矩，而且要求传递转矩的能力有适当的储备 ； 2)离合器分离时要彻底、迅速；接合时要平顺、柔和，以保证摩托车起步平稳没有抖动和冲击； 3)离合器从动部分转动惯 量要小，以减轻换挡时齿轮间的冲击并便于换挡 ； 4)应使传动系统避免危险的扭转共振，且有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力； 5)有足够的吸热能力，并保证有良好的散热条件，以保证离合器工作温度不至于过高；6)作用在摩擦片上的正压力和摩擦系数在离合器使用过程中变化要小，力求离合器工作能保持稳定； 7)操纵轻便、灵活；工作可靠，使用寿命长； 8)离合器结构简单、紧凑，质轻，制造容易并且维修方便。 个供研究和考核离合器总成的离合器试验台必需满足 ; 1 ) 能模拟产品的典型使用工况 ; 2 ) 满足一定的试 验对象的规格范围 ; 3 ) 对被考核的参数能进行测试及记录 ; 4 ) 不同形式的离合器在试验台上装拆方便 , 调整容易 , 5 ) 性能稳定 , 工作可靠 ; 6 ) 好修 , 好造。 键理论和技术：制动法，转速转矩测量技术，传感器的选择，惯性负载模拟 术指标：转矩 100速： 0 1000作电压： 24V，外形尺寸： 200* 300 电磁离合器起步过程中的能量转换关系可以归结为：原动机机械动能在离合器滑动摩擦的过程中，克服第一根轴上转动惯量为 需的惯性扭矩所做的功；克服转化到第一根轴上的生产阻力所做的功，此时，原动机的部分能量会由于摩擦的作用转化为热能，让电磁离合器的温度升高，这部分能量也成为滑磨功，有上述可得，惯性式电磁离合器试验台仅仅从能量的观点来看，就是可以满足上述能量转化关系的一个装置，而从机械的观点来看，它的基本构成是由代表了发动机的原动机，代表了机床 床身 质量的惯性飞轮 ，代表道路阻力的制动装置，和为了下一个循环做准备的惯性飞轮制动器，以及安装这些总成的支架，床身所组成，为了使上述装 置有机的联系在一起，按规定的程序动作，并对试样测量的结果进行记录，测量，和分析，也需要一套控制系统，而本文只对其中的机械部分加以说明。 电磁离合器性能测试台简图 磁离合器测试台结构特点： a） 两个离合器同 时实验，一个用来起步惯性飞轮，一个用来制动惯性飞轮，同时在惯性各种性能实验时，用来对第一个离合器施加生产阻力矩， 制动力矩由磁粉制动器产生， 这种布置方案将目前国内用被试离合器驱动惯性飞轮 , 以及日本试验台用被试离合器制动惯性飞轮的二种试验方法结合到一起来了。 b）这种测量数 据，如温升，扭矩，转速等 讯号均由 所布置的传感器所获得， 采用转矩转速传感器测量传递的摩擦力矩和从动部分的转速，采用集流环测量在离合器表面中径处埋装的热电偶所感应的摩擦表面温度，通过制动离合器制动并模拟汽车起步工况时的载荷， 并由置于 尾部的集流器 集中 输出 至控制系统进行分析控制 ; 验台的工作周期分析； 此处分析离合器试验过程中的一个工作周期，以便了解试验台测试的具体过程。工作周期步骤如下： 在第 0 3 机带动被试离合器主动部分部件升速至要求的试验转速 n。 在第 3 7 试离合器结合 ，电机同时带动主动部分、从动部分运转，转速首先下降至 点为主动部分和从动部分的转速达到同步时的转速。试验要求，同步转速 0%，这里按照试验转 1000r/然后，主动部分和从动部分的同步转速再上升至试验转速 n。 在第 7 9 个试验台在转速 n稳定运行。 在第 9 10 试离合器脱开，电机继续带动主动部分运行，而制动离合器对从动部分实施制动，使其停止。 第三章 电磁离合器性能测试的具体方案 度特 性 磁离合器温升试验的基本原理 电磁离合器温升试验的目的是为了绘制试品的温升曲线，以此来检测试品是否达到设计要求。这需要知道从试品通电到达稳定的温升标准这段时间内每一采样时刻的温升值。每一采样时刻的温升值是根据 填埋在离合器摩擦盘内的热电偶传感器获得的 。那么，如何判断试品是否达到稳定的温升标准呢？一般认为：若试品通电一小时，线圈温度上升值不超过1C ，则认定该试品达到稳定的温升标准。当试品达到稳定的温升标准后，便可以绘制试品的温升曲线，并以此来判 断该试品是否达到设计要求。 在控制系统中，可以对离合器每隔十五分钟采样一次温度，而温升差值则是每小时采样一次，所以，温升差值必须从第五个采样点开始进行计算 验的软件实现方法； 本试验的软件编程用 试验进程分为以下几个步骤： a） 试品通电，测试出试品初始时候的温度，及环境温度， b） 间隔 15分钟后，测 出时刻 1试品的温度和环境温度 c） 判断相邻环境温度的差值，若其差值大于 1 C ，说明不满足实验条件，则停止实验； d） 重复实 验的第 2步和第三步，依次计算出温升值 12 e） 若环境温度满足实验条件，则依次计算5 1 6 2 7 3_ , _ , _t t tt t t 的值，直至其小于 1（也就是达到了稳定温升） f） 绘制温升曲线。 在试验过程中如果环境温度变化过大，则会影响试验精度，因此，系统设计时要考虑环境温度变化的因素。其具体实现方法即为在每次进行温升比较之前先对此采样时刻与上一采样时刻的环境温度进 行比较。若相邻采样点的环境温度变化超过 1C ，则认为此条件下不适宜做温升试验，系统将自动终止试验。 矩特性 摩擦转矩有静摩擦转矩和动摩擦转矩 , 是选择离合器的基本参数。静转矩是离合器处于励磁状态 ,内、外摩擦片间无相对滑动 , 自主动侧传递到从动侧的最大转矩。动转矩是离合器处于励磁状态 , 内、外摩擦片间有相对滑动 , 自主动侧传递到从动侧的转矩。选择时应使机器运转的最大负载转矩乘以安全系数小于公称静转矩 ; 连接时的负载转矩加上加速转矩乘以安全系数小于公 称动转矩。湿式的静摩擦转矩约为动摩擦转矩的 2倍 , 而干式的大致相同。离合器处于非励磁状态 , 主动侧旋转 , 自主动侧传递到从动侧的转矩称为空转转矩。干式的空转转矩一般很小 , 可忽略不计。湿式由于存在润滑油 , 其黏度是引起空转转矩的主要原因。从切断电流到发生空转转矩的一段过渡状态中 , 离合器所传递的转矩称为残留转矩。无论是湿式还是干式离合器 , 在励磁电流切断后由于磁滞现象 , 磁力不能马上消失 , 是造成残留转矩的主要因素。润滑油的黏度和表面张力是另一因素。后一因素对干式的影响不太显著 , 湿式离合器残留转矩的持续时 间比干式离合器长得多 , 这段时间的长短将随离合器的构造、供油条件等因素而变化。转速愈低 , 残留时间愈长。空转转矩和残留转矩都将使离合器的负载不能脱开而引起发热 , 应当愈小愈好。 首先把离合器被动侧固定 , 通入额定励磁电流 ,使主动侧与被动侧在静止状态下完全连接。然后在主动侧缓慢施加扭矩载荷 ,测量并记录开始打滑是的扭矩， 即静摩擦力矩。测量次数不少于 5次， 其中任意两次的差值不应大于 3 ， 取算术平均值。 力矩的测定 在原动机输出轴上装上测定装置的离合器 , 该离合器被动部分的输出 轴装一飞轮 , 在同一输出轴的端部装被测离合器的联结或磁轭 , 被测离合器的被动侧与机架固定。力矩变换器和转速表均装在输出轴上 ,并将转速、力矩和被测离合器的电压飞电流等讯号接到示波器上。测定步骤如下 : 先接通试验装置用的离合器 , 然后起动原动机 , 此时飞轮和被测离合器的主动侧上升到规定转速 , 待稳定后测出转速。这时将试验装置用的离合器电源切断 , 同时接通被测离合器电源 , 产生制动力矩 , 并将试验装置用的离合器被动侧、飞轮、被测离合器的主动侧均制动停止。通过转矩转速传感器测取被测电磁离合器从动 部分转速为零、主动摩擦片瞬时转速为 1000r/及其以下各转速点的摩擦力矩，即为被试离合器从动部分固定，主动部分以不同转速强制滑摩时的动摩擦力矩，测量次数不小于 10次，取其算术平均值。 在试架中装上被测离合器 , 但不接通 , 使离合器从动侧与机架固定 , 其方法与测定动力矩的方法相同 作特性 当开关接通时 , 由于线圈中存在电阻和电感 , 电流随时间呈指数曲线上升 , 达到一定值时 , 衔铁被吸动。此时磁路中的间隙突然变小 , 阻抗随之降低 , 使电器回路中的电感急剧增加 , 电流相应有一波动。当衔铁 将摩擦片压紧时 , 开始传递转矩 , 转矩随电流增加而增大 , 当滑差为 0时转矩增至最大。连接过程终止时达到静摩擦转矩值。 电磁离合器的动作特性参数主要有 : 1、 衔铁吸引时间 , 即从离合器线圈通电开始到产生转矩所需的时间 ; 2、 接通时间 , 即从离合器线圈通电开始到转矩上升至 80%公称动转矩所需的时间 ;3、 断开时间 , 即从离合器线圈断电开始到转矩下降至 10%公称动转矩所需的时间。 先将离合器被动侧固定 , 接通电源 , 则主动侧与被动侧在静止状态下完全连结。然后在主动侧加上任意力矩 , 使离合器被动侧承受某一转矩 , 并 在示波器上示出。之后 , 切断离合器电源 , 离合器被动侧的力矩衰减过程由力矩变换器送到示波器上记录。 测定力矩消灭时间 : 在离合器主动侧加上 100%的额定力矩下切断电源后 , 其力矩衰减到 10% 的额定力矩所需的时间 , 即为力矩消灭时间。 电磁离合器的使用寿命是一个十分关键的性能指标。一般在成品中抽样进行离合器的寿命测试。将抽样试品反复通、断电，使离合器反复吸合、断开，从而带上、抛掉负载，直至离合器失效。记录离合器的有效使用次数，并检查是否符合标准，以判断器件的寿命 。有转矩转速传感器从寿命试验 台上读出主电机和离合器的转速变化情况，同时后台控制程序以此为数据为基础，判断离合器是否失效 离合器的可靠寿命与多种因素有关 , 它不仅与离合器本身的性能有关 , 而且还与现场使用条件有关离合器的本身性能包括摩擦片的结构、配对材料的选用加工工艺和摩擦片表面的处理工艺等等现场使用条件包括惯性负载的大小、转速的高低操作频率的多少、润滑条件的好坏 (对湿式离合器 )等等根据人们的公认看法 , 离合器的可靠寿命是由它工作时的连接次数来确定 , 而这种连接次数是在保证离合器所传递的扭矩能在规定的时间内起动 (或制动 )规定的负载 , 即 离合器的可靠寿命次数 , 是主动侧以某一转速 旋转 ,在规定的时间内起动规定的负载 , 使从动侧的转速 n2=使从动侧的转速由 n2= 设加速时间为 T，键入控制系统，再由系统测出 t，将测出的 相比，若 t 则认为离合器可靠的工作了一次，则寿命计数器自动加 1，若 t ，则认为离合器非可靠的工作了一次 ,，则故障计数器自动加 1，当故障计数器的次数啊等于 3时，则自动停止实验，可靠寿命计数器所记下的次数即为 离合器的可靠寿命次数。 第 四章 关键零部件的设计和选取 机的选择 机 类型选择 ： 生产单位一般用三相交流电源，如无特殊要求（如在较大范围内平稳的调速，经常启动或反转等） ，通常都采用三相交流异步电动机。我国已定制统一标准的 用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气味的气体和特殊要求的机械。 电少，噪声低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便等优点 ，适用于一般用途的电动机，本次试验台设计也采用 定电动机的功率和转速： 电动机的容量 选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证机器的正常工作，或电动机因为长期超载运行而早早损坏；容量过大则电动机价格过高，能量不能充分利用，且因经常不在满载下运行，其效率和工作因数都较低，造成浪费。 对于长期连续运转，载荷变化不大或很少辩护的，在常温下工作的电动机来说，选择容量时，只需使电动机的负载不超过其额定值，电动机就不会过热，这样可按电动机的 额定功率选择相应的电动机型号，而不必在做发热计算。 技术指标 中 转矩 1 00速： 1000电动机所需的功率为 1 0 0 1 0 0 0 / m i n( ) 1 0 . 5 ( )9 5 5 0 9 5 5 0 m rk w k （ 1） 查表 10391_2008,1最终选择电机为同步转速为 1000r/6极的 6， 其他技术参数如下表所示： 表 4 1 6三相异步电动机技术参数 电动机 型号 额定功率 /载转速 /(r/额定转矩堵转转矩额定转矩最大转矩同步转速 1 000r/6 极 1 970 ：电动机型号意义：以 例， Y 表示系列代号， 132 表示机座中心高， 示短机座和第二种铁心长度（ M 表示中机座， L 表示长机座）， 2 表示电动机的极数， 示安装形式。 表 机座带底脚、端盖无凸缘 座号 极数 A B C D E F G H K C D 132S 2,4,6,8 216 89 38 +0 10 33 132 280 270 210 315 200 475 132M 178 238 515 160M 254 210 108 42 110 12 37 160 15 330 325 255 385 270 600 160L 254 314 645 的设计 轴的材料种类很多，主要是根据轴的使用条件、刚度和其他的机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑加工工艺，并力求经济合理，通过设计计算来选择轴的材料 。 轴 的材料一般是经过 扎制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢。对于直径较小的轴，可用圆钢制造；有条件的可以直接用冷轧钢材；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以造成空心的，并且带有焊接的或锻造的凸缘。 轴的常用的材料是优质碳素结构钢，如 35、 45和 50，其中以 45号钢最为常见。不太重要及受载荷交小的轴可用 于受力较大，轴的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的轴可用合金机构钢。当采用合金钢时，应优先选用符合国家资源结构情况的硅锰钢、硼钢等。对于 结构复杂的轴（例花键轴、空心轴等），为保护尺寸稳定性和减小热处理变形可选用铬钢；对于大截面非常重要的轴可选用铬镍钢，对于高温或腐蚀条件下工作的轴可选用耐热钢或不锈钢。 曲轴和轮轴一般用球墨铸铁和一些高强度铸铁。（铸造性能好，容易铸成复杂的形状，吸振能力好，应力集中敏感性比较低，支点位移的影响小。） 而该电磁离合器实验台是直径较小，载荷不大的直轴，所以选择普通碳素钢 表 4用材料的力学机械性能 小轴径的确定 进行轴的强度计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取 相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力，对于仅仅或主要承受扭矩的轴，应按扭转强度条件计算，对于只承受弯矩的轴，应按弯矩强度计算，对于即承受弯矩又承受扭矩的轴，应按弯扭合成强度计算，该电磁离合器主要承受来自摩擦盘的扭矩，所以应按扭转强度条件计算，考虑到还有来自飞轮的重力，和轴承的支座反力，则应降低许用扭转切应力的办法予以解决，在做轴的结构设计时，通常用这种方法 初步估算轴径，也可作为最后的计算结果，轴的扭转强度条件为 395500000 . 2nW d （ 2） 式中：T 3n r/T表 4 1 表 4 4 轴常用材料的 T及 由上式可得轴的直径 333309 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 00 . 2 0 . 2 （ 3）式中，3095500000 . 2 （ 4） 本次设计中，轴的材料采用普通碳钢 上表查得T=15入（ 4）式，得0A=147，取 P=11n=1000r/入（ 2）式，得出 d 33。 应当指出，当轴截面开有 键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱，对于直径大于 100一个键槽时，轴径增大 3%，有两个键槽时，应增大 7%，对于直径小于 100一个键槽时，轴径增大 5% 7%，有两个键槽时，应增大 10% 15%。然后 将轴径圆整为标准直径。 而 该电磁离合器性能测试台的轴上将会有三个键槽，得出 1 ( 1 1 5 % ) 3 3 ( 1 1 5 % ) 3 8d d m m （ 5） 查表 81，将最小轴径最终确定为0d 轴的结构设计 轴的结构设计，包括轴的外形和全部结构尺寸 轴的机构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置级形式；轴上零件的零件类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法 ；载荷的性质，大小、方向、及分布情况；轴的加工工艺等；由于影响轴结构的因素较多，且其结构形式又要根据具体的实际情况的不同而不同，所以没有标准的结构形式，设计时，必须针对不同的情况进行具体分析，但是，不论何种具体条件，轴的结构都应该满足：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等。 拟定轴上零件的装配方案是进行轴结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案在本次轴的设计中就是指： 轴承，飞轮，轴承端盖，联轴器在轴上的安装，这样就对各轴段的相对粗细顺序有了初步 的安排。 轴上零件的定位：此次设计的轴的轴向定位主要是飞轮和轴承在轴上位置的定位，轴向定位方法有 :轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。考虑到轴肩定位方便可靠，套筒定位结构简单，且需要在轴上开槽，钻孔和切制螺纹，不影响轴的疲劳强度，所以分别采用轴肩、套筒和轴承端盖分别对飞轮和滚动进行轴向定位。周向定位均采用普通平键的方式以传递扭矩和防止周向滑动。 由电磁离合器性能测试台总体方案的设计可以确定在，轴的结构设计结果大致如下图所示： 轮的设计； 飞轮的动力学计算 (1) 飞 轮具有储能的功能，在速度下降时能够释放出能量，在速度上升时可以吸收能量，因而能够模拟 起步和制动时的工况。 在制动过程中， 制动器吸收的能量如公式（ 4 6）所示 21 w X d t （ 4 T 为制动力矩， 1t 为制动 开始时刻； 动力矩 （ 4 将（ 7）式代入（ 6）式得 24e h cd w G D d M Jd t g d t （ 4 式中 换算到制动轴上的等效转动惯量； 1w 为制动开始时制动轴的角速度； 2w 为制动结束时制动轴的角速度。 根据 (4，模拟大小为 转动惯量时，惯性飞轮 应有的力矩为 ( 4增设惯性飞轮后 增设惯性飞轮的转动惯量 )的增加将会使电动机的启动时间延长，严重时会造成启动困难为此。必须对厂家配套的电动机启动力矩进行复核计算，当启动困难或启动时间太长时，考虑更换启动力矩大的电动机。电动机带动的离合器，在启动过程中的力矩平衡方程式可用下式表示 24e h c d w G D d M J d t g d t （ 4 式中， 电动机启动过程中的转矩，单位为 m， 机床 启动过程中的阻转矩，单位为 m； 机组转动时的机械阻转矩，包括轴承摩擦力矩等，单位 m, 24GD 当电动机启动转矩地大于启动阻转矩和机械阻转矩眦时，就能把剩余转矩传给转子，使它加速。把 (4写为 224 3 0 3 7 5e h c d w G D d n G D d M J d t g d t d t （ 4 从电机样本中查得启动转矩与额定转速之比，利用下式计算出电机的额定力矩后，则可求得启动力矩 00975 （ 4 式中， 0N 为额定功率， 0n 为额定转速， r/ （ 2） 惯性飞轮尺寸计算确定 在电动机上增加 2，其成本会增加，是不经济的。为提高机组的 2，特意增设惯性飞轮。计算确定的惯性飞轮尺寸，必须与 机床 的结构尺寸相匹配，并由其安装条件确定，应尽可能减少飞轮所需的材料和投资 。 惯性飞轮的转动惯量可由下式计算 2 4 4218G D D D B （ 4 式中， 2增设飞轮的转动惯量， 2D 为飞轮外径， 1D 为飞轮内径， 为飞轮材料铸钢比重 ， 337 . 8 5 1 0 /k g m 轮的尺寸设计 选择电机型号为 的额定功率为 11定转速为 1000r/动转矩与额定转矩的转矩比为 大转矩与额定转矩的比为 根据（ 4，计算额定转矩 00975 9 7 5 1 1 0 . 0 0 3 8 3 0 0 1 0 0 0NM k g 启动转矩是 0 . 0 0 3 8 3 . 1 . 2 0 . 0 0 4 5 9 6 k g m k g m 设机床运转过程中的工作矩和机械阻转矩之和为 5w,则起始阻力矩为： 00975 9 7 5 5 0 . 0 0 1 7 42 8 0 0 1 0 0 0 启动转矩与阻力矩的差值是 以可取飞轮的 2 飞轮宽度 入（ 4，有 2 4 4218G D D D B 即 4 4 3210 . 0 0 2 8 0 . 0 1 5 7 . 8 5 1 08 可得 4 4 521 6 . 0 5 5 1 0 ，取1D=50得出2D=85轴器 轴器类型的选择 联轴器和离合器都是机械传动中常用的部件，他们主要连接轴与轴，以传递扭矩和运动，联轴器所连接的两轴，由于制造安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在某种程度的相对位移，根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力(即能否在发生相对位移时仍保持连接的功能 )，联轴器又可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类， 挠性联轴器又按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性 轴器两个。 膜片联轴器的典型结构如图 4弹性元件为一定数量的很薄的多边环形或圆环形金属膜片叠合而成的膜片组膜片上有沿着圆周均布的若干个螺栓孔，用绞制孔用螺栓交错间隔与两边的半联轴器相连接，这样将弹性元件上的弧段分为交错受压缩和受拉伸的两部分，拉伸部分传递转矩，压缩部分趋向皱折。当所连接的两轴存在轴向、径向、和角位移时，金属膜片便产生波状变形。 这种弹性联轴器结构比较简单，弹性元件的连接没有间隙，不需要润滑，维护方便，平衡容易，质量小，对环境的适应性强，发展前途广阔，但扭转弹性较低，缓冲减振性能稍差，主要用于载 荷比较平稳的高速传动。 图 4 膜片联轴器 基于膜片联轴器的这些优点，本次电磁离合器试验台的联轴器 就选用了膜片联轴器。 定联轴器的型号 根据联轴器的计算转矩选择联轴器的类型； 联轴器的计算转矩： 9550ww wc z t z t K K K K K K K K （ 4 式中 T 理论转矩， N.m 驱动功率， kW n 工作转速， r/ 动力机系数；电动机取 工况系数，查表可得取 启动频率，查表可得启动频率 120时，可取 1.0 表可得 ，取 1.0 公称转矩， 各联轴器参数表。 代入各数据可得： 9 5 5 0 1 3 1 . 3 1 wc z t z K K K K K K K K N 考虑到 2轴端部轴径为 40端的轴径不同，且必须满足cT 最终确定联轴器型号为 4 无沉孔基本型联轴器， 表 44 无沉孔基本型联轴器的基本参数 承的选择 动轴承的作用 支承转动的轴及轴上零件，并保持轴的正常工作位置和 旋转精度 ，滚动轴承使用维护方便，工作可靠， 起动性能 好 ，在中等速度下 承载能力 较高。与滑动轴承比较，滚动轴承的径向尺寸较大，减振能力较差，高速时寿命低，声响较大。 动轴承的分类 如果轴承用于承受的外载荷的不同来分类，滚动轴承可以概括 分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类向心轴承。主要承受径向力的轴承叫做向心轴承。主要承受轴向力的轴承叫推力轴承，能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承 动轴承类型 的选择 轴承所受载荷大大小、方向、和性质，是选择轴承类型的主要依据； 根据轴承的大小选择轴承类型是，由于滚子轴承中的主要元件是线接触，宜用于承受的载荷，承载后的变形也较小，而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷， 根据载荷选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力球轴承，较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承，较大的纯轴向载荷，可选用推力滚子轴承，对于纯 径向载荷，一般选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触 角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。 本次电磁离合器性能测试台设计中，载荷不大， 且球轴承与滚子相比，具有较高的极限转速， 可优先选用球轴承。又因为主要承受由重力产生的径向力为主，且其结构简单， 使用方便，对主机的制造安装精度较低， 所以初选深沟球轴承，作为主轴的支撑部件。 考虑到轴的转速较高， 在内径相同时，外径越小，滚动体就越小，运转时，滚动体加在外圈滚道上的离心力也就越小， 所以，外径不宜过大，又因为 5由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承 61809,其尺寸为 d D B=45587承左端采用套筒定位，右端采用轴承端盖定位。 磁 离合器 和制动器 的选择 电磁离合器分类： 干式单片电磁离合器 、 干式多片电磁离合器 、 湿式多片电磁离合器 、 磁粉 电磁 离合器 、 转差式电磁离合器 电磁离合器结构和 工作原理 干式单片电磁离合器：线圈通电时产生磁力吸合 “衔铁 ”片，离合器处于接合状态；线圈断电时 “衔铁 ”弹回，离合器处于分 离状态。 干式多片 /湿式多片电磁离合器：原理同上，另外增加几个摩擦付，同等体积转矩比干式单片电磁离合器大，湿式多片电磁离合器工作时必须有油液冷却和润滑。 磁粉离合器：在主动与从动件之间放置磁粉，不通电时磁粉处于松散状态，通电时磁粉结合，主动件与从动件同时转动。 转差式电磁离合器：离合器工作时，主、从部分必须存在某一转速差才有转矩传递。转矩大小取决于磁场强度和转速差。励磁电流保持不变，转速随转矩增加而剧烈下降；转矩保持不变，励磁电流减少，转速减少得更加严重。 选择 电磁离合器的类型 本次电磁 离合器性能测试台的设计背景为用于造纸机的电磁离合器，而磁粉离合器可以通过调节激磁电流控制传递转矩，具有恒转矩特性，能改变传递恒转矩的大小，允许较大滑差，调节范围宽，反应迅速等优点，故作为此次离合器的的选择类型 电磁离合器的型号及尺寸 通过选定离合器的类型后，可以通过查机械设计手册获得计算方法和尺寸，这位设计离合器性能测试台提供了依据。 磁离合器 外形尺寸 的基本参数见表 4 6和图 4 3 图 4 3 表 4 6 通过上表，我们可以比较一下，在实际测试过程中 ，我们的主要目的是检测试验台的性能指标，在实验台上的力矩大小由电动机控制，只要电磁离合器所能承受的扭矩 加载的扭矩即可，所以我们更多的考虑了设计 上的方便，所以输入输出轴径更有参考价值，考虑到主轴的大小和联轴器的型号，选择 体性能参数见表 4 7 表 4 7 电磁制动器的选择： 磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系 的特点。在同 滑差 无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的 自动控制元件 。现已被广泛应用于造纸、印刷、 塑料、橡胶、纺织、印染、电线电缆、冶金、 压片 机 以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收卷 张力控制 。磁粉制动器还经常被用于传动机械的测功加载和制动等。磁粉制动器和 磁粉离合器 经常配对使用 ，所以电磁制动器选为与 感器的选择 转矩转速传感器的选择： 采用转矩转速传感器测量传递的摩擦力矩和从动部分的转速，目前都是比较固定的型号，主要根据转矩转速或功率来选择，不需要很复杂的选型，我们选用型号为 不需要调零即可连续传递正负转扭矩信号，检测精度高，稳定性好，抗干扰性强， 没 有集流环等磨损件，可以长期高速运行，体积小，重量轻，可以任意位置位置、任意方向安装 。 温度传感器的选择： 温度传感器 按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为 热电阻 和热电偶两类。 热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，也是最便宜的 。 测量精度和温度测量范围的选择 使用温度在 13001800 ，要求精度又比较高时，一般选用 B 型热电偶 ;要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于 1800 一般选用钨铼热电偶 ;使用温度在 10001300 要求精度又比较高可用 S 型热电偶 和 N 型热电偶 ;在1000 以下一般用 K 型热电偶 和 N 型热电偶，低于 400 一般用 E 型热电偶 ;250 下以及负温测量一般用 T 型电偶，在低温时 T 型热电偶稳定而且精度高。 本次离合器温升测试的范 围大概为室温 450 C ，所以 的选择 键的选择包括类型的选择和尺寸选择两个方面，键的类型选择应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择，键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽 b*键高 h 表示）与长度 L。键的截面尺寸 b*h 按轴的尺寸 d 由标准中选定，键的长度 L 一般可按轮毂长度而定， 即键的长度等于或略短于轮毂长度。 键的类型选择： 半圆键：靠键的侧面传递扭矩，键在轴槽中能绕槽底圆弧曲率中心摆动，装配方便。但它槽较深，对轴的削弱较大。 一般用于锥形轴端，故不 选。 楔键：键的 上下两面是工作面。键的上表面和毂槽的底面各有 1:100 的斜度，装配时需打入靠楔紧作用传递扭矩，能轴向固定零件盒传递单向轴向力，但会对轴上零件的配合产生偏心和偏斜的作用，不宜用于高速场合，因主轴最高转速达 1000也不宜使用楔键 平键：靠侧面传递扭矩，对中良好，结构简单，拆装方便。应用最广，可用于高速度高精度，承受变载的场合。最适合本次设计对键的要求，故最终选定键的类型为普通平键。 其中，用于轴端的普通平键选 C 型，用于轴中部键选用 B 型。 键的尺寸选择 : 用于轴端的键所配合的轴径为 40据此查表可得1112 8 ， 所配合的联轴器毂长为 55键的长度系列，去 1L =45于飞轮配合的键所配合的轴径为 50，根据此查表可得 22=14 9，由于飞轮宽度为 15键的长度系列，去 2L =12 键的校
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