0407024江兵汽车万向节力矩性能试验台的设计

1、毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 汽车万向节力矩性能试验台的设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 工业工程 班班 级级 工程 0702 学学 生生 江兵 学学 号号 20070407024 指导教师指导教师 杨可森 二一 一 年 五 月 三十 日 摘 要 汽车万向节力矩性能试验台是一种等速万向节力学性能检测设备。它代替人力 劳动实现了检测过程的自动化。 本设计给出了试验台的技术参数、测试原理、结构组成、工作特点。该试验台 的动力驱动部分采用气动系统和电机。电气控制部分，设计者用可编程控制器 （plc）代替传统的继电控制系统，来控制电磁阀、三相交流电机、步进电机。 plc 系统避免了继电

2、控制系统速度慢、可靠性差、接线复杂等缺点，是实现自动化 的一种十分经济的设备。夹头采用组合式弹性夹头，耐磨且结构性好，尺寸参数变 化适应性好，可将夹头寿命提高数倍。该试验台可检测多种型号的万向节，自动化 程度高，通用性强，工作节拍短，检测误差小。 本设计主要利用气动系统、电机作为动力驱动装置来完成各个检测动作，整个 试验台是一个机、电结合的产品。完成汽车万向节力矩性能实验台的设计，产品能 够高效率高精度地达到使用要求，从而使得整机的工作性能安全可靠。 关键词：试验台；万向节；转矩；摆矩；气动 abstract the testing machinery of testing the salon

3、 car universal joints torque and swing moment is a kind of testing equipment of testing equal-speed universal joints mechanical performance. it takes the place of mans labor and makes automatization to come true. the design introduce the technique parameter, measuring principle, system construction

4、and design feature of testing apparatus. the drive part of testing apparatus is pneumatic system and electromotor. electrical control designers to use programmable logic controller (plc) instead of the traditional relay control system to control the solenoid valve, three-phase ac motor and stepper m

5、otor. plc control system avoid the slow, unreliable, complicated wiring and other shortcomings of relay control system, is an economical automated equipment. the collet use modular collet chuck, wearable and structural good size parameters change adaptation, and can improve the lifetime of the colle

6、t several times. the testing apparatus can detect many types of universal joints, high automatic level, working a short beat and detect error is small. the design make main use of the pneumatic system and electromotor as the driving force to complete each test action, the whole testing apparatus is

7、a mechanical and electrical products. complete the design of moment performance of automotive universal joint test apparatus, the product can achieve high efficiency and high accuracy requirements, making the machine work safe and reliable performance. key words：testing machinery；universal joint；tor

8、que；swing moment；pneumatic 目 录 摘要. i abstract.ii 1 前 言.1 2 总体方案设计.2 2.1 设计任务.3 2.2 方案选择.3 2.2.1 联轴节原理.3 2.2.2 等速万向节转矩摆矩的检测方法.6 3 结构设计.8 3.1 零件设计.8 3.1.1 配重块.8 3.1.2 提升气缸与摆杆的联接靠轴承套和轴承联接.9 3.1.3 夹头设计. .9 3.1.4 阻挡缸（薄型气缸）与舌形伸缩板(杆 1 提升时用来定位)的联接采用 一 个接头和销轴联接.10 3.1.5 标尺.11 3.1.6 联轴器设计.11 3.1.7 电控柜设计.11 3.

9、2 零件的计算及其校核.11 3.2.1 轴的设计计算.11 3.2.2 轴承的选型.14 3.2.3 键的设计及校核.14 4 气压传动系统设计.16 4.1 气压传动概论.16 4.1.1 气压元件的分类. .16 4.1.2 气压传动的特点.16 4.2 气压传动设计.17 4.2.1 提升气缸.17 4.2.2 阻挡气缸.17 4.2.3 扣压气缸.17 5 电气控制部分设计.19 5.1 电气原理.19 5.2 元件选择.19 5.21 一般三级电源开源 qk.19 5.2.2 熔断器 fu.19 5.2.3 低压断路器.19 5.2.4 继电器 fr.19 5.2.5 电磁阀. .

10、20 5.2.6 行程开关.21 5.2.7 电机的选择.22 5.2.8 传感器的选择.23 6 结论.25 参考文献.26 致谢.27 附录. . . . .28 1 前言 试验机是在各种条件、环境测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构 等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡的仪器。在研究 探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，试验机是一种不可缺少的重要的 测试仪器。它广泛应用于机械、冶金、石油、化工、建筑、航空、造船、交通运输 等工业部门及大专院校等，对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、 保证产品安全可靠等都有重要作用。 工业生产中各种材料、

11、零部件、构件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验 才能确定它们的力学性能。在了解这些性能以后才能使设计合理、使用可靠。经过 试验才能确定产品性能的优劣。因此，试验机在国民经济中占有相当重要的地位， 它的发展在某种程度上反映了一个国家工业发展的水平。 汽车的万向节是汽车零部件中较为重要的零件，它联接汽车变速箱和后桥主传 动器，其力学性能指标主要是转动力矩和摆动力矩。汽车生产都是大批量生产，检 测等速万向节这两项力学性能是一项频繁重复的工作，仅靠人力完成，其工作强度 太大。所以需要设计一台检测设备，代替人工检测，即减轻了工人劳动强度，也提 高了检测的精确度。本次毕业设计就是设计一台汽车万向节力矩性

12、能试验台。此试 验台可实现汽车固定端与滑移端万向节转动力矩与摆动力矩力学性能的检测，检测 过程全部实现自动化，其技术条件具体如下： 1. 最大转动力矩 20nm，显示值精度 20%fs1%。 2. 转速 0100rpm。 3. 摆动角度 024，示值精度 30。 4. 最大摆动力矩：30nm，显示值精度 20%fs1%。 5. 摆动角范围 24 ，示值精度 30。 6. 工作节拍 50 秒一件。 7. 有安全保护、过载保护及报警功能。 8. 最大滑移力 220n。 本设计主要是利用气动系统、电机作为动力驱动装置来完成各个动作，通过传 感器测量处转矩和摆矩。整个系统由可编程控制器控制，可实现整个

13、检测过程中连 续动作准确无误。整个系统是一个机电结合的整体。 由于没有工作经验，单凭理论设计出来的试验机可能在实际应用中遇到很多问题， 敬请各位老师多多指正 2 总体方案设计 2.1 设计任务 本设计主要是完成汽车万向节转矩、摆矩试验台本体及其附属机构的设计，包 括机械结构设计、气动系统设计、电气控制线路。 2.2 方案选择 2.2.1 万向联轴节原理 万向铰链机构又称万向联轴节。可用以传递两相交轴间的动力和运动。它与锥 齿轮传动相比，其特点是在传动过程中，两轴之间的夹角可以变动，故万向节是一 种常用的变角传动机构，它广泛应用于汽车、机床等机械的传动系统中。 图 2.1 如上图 2.1 所示为

14、单万向联轴节的结构简图。主动轴 1 和从动轴 3 端部带有叉， 两叉与十字头 2 组成转动副 b、c。轴 1 和轴 3 与机架 4 组成转动副 a、d。转动副 a 和 b、b 和 c 及 c 和 d 的轴线分别互相垂直，并均相交于十字头的中心点 o，轴 1 与轴 3 所夹的锐角为 。当主动轴 1 回转一周时，从动轴 2 也随着回转一周。但两 轴的瞬时角速度并不时时相等，即当轴 1 以等角速度 1回转时，轴 3 作变角速度 3回转。若取坐标系 xyz，其中 x 轴与轴 1 重合，十字头中心 o 为坐标原点，并以 轴 1 的叉平面位于 xoy 平面上；ob 与 y 轴重合，作为轴 1 转角 1的初

15、始位置；这 时轴 3 的叉平面垂直 xoy 平面，oc 与 z 轴重合，作为轴 3 转角 3的初始位置。万 向节的主动轴与从动轴转角间关系式： （2-1） 13 tantancos 式中，1为主动轴（即主动叉）转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节 主、从动轴所在平面的夹角；3为从动轴（即从动叉）转角， 为主动轴与从动轴 之间的夹角。 设万向节夹角 保持不变，将式对时间求导，并且把 3用 1表示，则得 （2-2） 3 22 11 cos 1 sincos 由上式可知，角速度比是两轴夹角 和主动轴转角 1的函数。由于 cos21是周 期为 180的周期性函数，所以在 保持不变的条件下，转速比

16、3/1也是个周期为 180的周期性函数。当 =0 时，角速比恒为 1，它相当两轴刚性联接；当 =90时， 角速比恒为零，即两轴不能进行传动。又若两轴夹角 值不变，则当 1=0或 180 时，角速比最大，即 3max=1/cos；当 1=90或 270时，角速比最小，即 3max=1cos。如果认为 1保持不变，则 1每一转变化两次。因此当主动轴以等角 速度转动时，从动轴时快、时慢，此即万向节传动的不等速性。下图 2.2 所示为 =45时，角速比随 1的变化曲线： 图 2.3 万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数 k 来表示： （2-3） 12 3max1min 3m1 1 cos sinco

17、s k= cos （） 式中 3m表示轴 3 的平均角速度，因为两轴的平均角速比为 1 所以 3m=1。 下图 2.3 表示轴 3 转动的不均匀系数 k 随两轴夹角 的变化曲线。从中可以看 出， 角增大时，k 增大的很快，因此在实际使用中， 一般不超过 3545。 图 2.3 由于单万向联轴节从动轴 3 的角速度 3作周期性变化，因而在传动中将引起的 动载荷，使轴产生振动。为消除这一缺点可采用双万向联轴节，即用一个中间轴 m 和两个单单万向联轴节将主动轴 1 和从动轴 3 连接起来，如下图 2.4 所示： 图 2.4 在传递运动中，由于主、从从轴的相对位置发生变化，两万向节之间距离也相 对发生

18、变化，因此中间轴做成两部分用滑键联接，以自动调节中间轴长度的变化。 对于联接相交的或平行的两轴的双万向节，如果使主、从动轴的角速度相等， 即角速比恒等于 1，则必须满足下列两个条件： 1）主动轴与中间轴的夹角必须等于从动轴与中间轴的夹角，即 1=3； 2）中间轴两端的叉面必须位于同一平面内。 证明如下： 先分析图 2.4（a）所示的双万向联轴节的左半部分，因中间轴 m 左端得叉位于 轴 m 与轴 1 的平面内，所以它的初始位置与图 1 的单万向联轴节初始位置相同，不 过这时双万向联轴节的轴 m 相当于单万向联轴节的轴 1，双万向联轴节的轴 1 相当 于单万向节的轴 3。因此有公式 2-1 得

19、11 22 m1m cos = 1 sincos 式中 m与 m表示中间轴 m 的角速度和转角。 再分析图 2.4（a）所示的双万向联轴节的右半部分，根据第二个条件，中间轴 两端叉面位于同一平面内，因此中间轴右边叉位于轴 1、3 及轴 m 的平面内，它的 初始位置与单万向联轴节初始位置相同，这时轴 m 相当于单万向联轴节的轴 1，双 万向联轴节的轴 3 相当于单万向联轴节的轴 3，因此由公式 1-1，得 33 22 m3m cos = 1 sincos 又根据第一个条件 1=3，所以 1=3。 双万向联轴节常用来传递平行轴或相交轴的转动，它的特点是：当两轴间的夹 角变化时，不但可以继续工作，而

20、且在上述两条件下，还能保证等角速比，因此在 机械中得到广泛应用。例如：在汽车变速箱和后桥主传动器之间用等速万向节连接， 当汽车行驶时，由于各种原因引起变速箱输出轴和后桥输入轴相对位置的变化，这 时联轴节的中间轴与它们的倾角虽然也有相应的变动，但是传动并不中断，汽车仍 能继续行驶。 此次设计的试验机就是用来检测汽车等速万向节的转矩和摆矩。 2.2.2 等速万向节转矩摆矩的检测方法 图 2.5 摆动力矩、转动力矩的测量原理如图 2.5 所示。摆动力矩的测量方法是：摆杆 插入万向节内圈中，固定 2 轴，万向节外圈以角速度 1旋转，摆杆带动内圈在一定 的平面摆角（24）范围内左右对称摆动，由于内圈与外

21、圈之间存在摩擦，所以 存在摆动力矩，摆杆所受的弯矩即为万向节的摆动力矩。转动力矩的测量方法是： 万向节内圈先摆动到一定的角度 （24）后保持此角度固定不变，万向节外圈以角 速度 1旋转，同样因为内圈与外圈的摩擦而产生转矩，外圈所受的扭矩即为万向节 的转动力矩。最大摆角是在测量基准面上，由万向节内外圈几何尺寸所决定的内圈 轴线所允许的最大偏转角度，通过传感器测出最大摆矩、转矩及摆角。 若用人力来完成此等速万向节摆矩和转矩的测试，因为摆杆的插入和拔出力都 很大，只靠人力效率很低，且工人的劳动强度也很大。为了提高工作效率和减轻工 人的劳动强度，以及提高检测的精确度，设计该试验机以实现等速万向节摆矩、

22、转 矩检测过程的自动化。 1）试验机的动力驱动部分包括气动系统和电机。选用气动系统的原因有： a与液压传动相比，气动动作迅速，反应快，维护简单，无污染。 b成本低。 c本试验机所需的输出力不是太大。 摆杆的插入提升以及拔出靠一个气缸来完成，大大提高了工作效率。摆杆的提升高 度的定位靠一个由气缸带动的舌形伸缩板来实现。当摆杆插入内圈向上提升时，舌 形伸缩板的伸出阻挡了摆杆的继续向上，从而起到了定位作用，摆杆的左右摆动由 步进电机驱动，若用气缸来实现摆动，气缸的定位精度不如步进电机高，且有轻微 冲击。用步进电机定位精度高，步进电机的角位移量和输入脉冲的数量和输入脉冲 的个数严格成正比。在时间上与输

23、入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、频 率和电机绕组的相序即可获得所需转角的转速和转动方向，控制方便且能锁定角度。 在步进电机带动摆杆摆动（24）时，通过扭矩传感器测出摆杆的摆矩。摆杆摆动 定位由限位开关完成。摆矩测完，由步进电机锁定摆杆摆 24，由三相交流电机带 动杆 2 转动，同样通过转矩传感器测出转矩。测完转矩后，摆杆摆回到中间位置， 并从内圈中拔出。 2）整个试验机的自动控制由可编程控制器 plc 完成。传统的继电接触控制系 统体积大，全为机械式触点，动作慢，且可靠性差，接线复杂，维护也相当复杂。 plc 控制系统结构紧凑，体积小，plc 内部全为“软接点” ，动作快。plc 控制

24、功能 改变，一般仅修改程序即可，极其方便，且 plc 的可靠性比继电接触控制的高。 3）传感器都有与之配套的显示仪表，可直接读出所测转矩、摆矩。显示仪表具 有输出具有输出超量程报警信号的功能。 3 结构设计 本试验机具体工作过程如下： 工人把被测试样等速万向联轴节装入试验机台上，按下起动按钮，气源打开， 试验机开始自动进行一系列动作。提升气缸下降将弹性夹头挤入内圈中，扣压缸外 伸将压板翻转成水平，阻挡缸缩回压板翻转成垂直，主电机转动，步进电机驱动摆 臂往复摆动两次来测摆角和摆矩，摆臂复位垂直，将转矩清零，摆臂摆动 并保持 8s 来测转矩，后摆臂复位，将主电机停止，扣压缸外伸将压板翻转成水平，阻

25、挡缸 缩回，提升缸上升则弹性夹头与内圈分离，扣压缸缩回则压板翻转成垂直，截断气 路，读显示结果根据结果来判断试样是否是合格品，将显示仪复位，卸载试件，整 个测试过程结束。 3.1.零件设计 3.1.1 配重块： 如图 3.1 所示提升气缸与阻挡气缸都固定在一个可摆动的平板 m 上，平板竖直 放置，与步进电机带动的轴相配合，因此可前后摆动，从而带动摆杆摆动。平板 m 下半部分明显比上半部分轻，若摆动起来，平板 m 自身就有摆矩，此时测出的摆杆 的摆矩带有附加力矩。具体方法：把平板 m（提升气缸、阻挡气缸等都全部安装完 毕）摆到水平位置，调节配重块，使其静止在水平位置即可，此外，再通过大量的 试验

26、或是先前积累的经验数据来调节配重块，从而消除过重现象，这样就可把附加 力矩去掉了。 图 3.1 3.1.2 提升气缸与摆杆的联接靠轴承套和轴承联接： 此处轴承受力主要是轴向力，选用一对正装的角接触球轴承，此种轴承可以同 时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。承受径向和轴向负荷的能 力为良，低噪音，使用寿命长，价格也低，能在较高转速下正常工作。由于一个轴 承只能承受单向的轴承力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力由接触角 决定。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。该对角接触球轴承一端由轴肩固定， 另一端由圆螺母及止动垫圈固定。止动垫圈与圆螺母配合使用，主要用于滚动轴承 的固定。若

27、没有止动垫圈，使用时间长了后圆螺母容易松动，使用止动垫圈锁住圆 螺母就可以防止此种情况发生。 3.1.3 夹头设计： 夹头的作用是对万向节的内圈组件提升定位，与轴杆一起对万向节施加转动力矩。因此夹 头与内圈间的夹紧力应至少能克服 220n 的最大滑移阻力，并能承受 20nm 的最大转动力矩。 采用图 5 所示结构。这种由钢件作骨芯，聚氨酯作外套的组合式夹头，耐磨且 结构非常简单，对尺寸参数变化适应性好，夹头使用寿命提高了数倍。 图 3.2 摆杆的下端带有夹头，此夹头用来挤压入等速万向节的内圈中以带动内圈在万 向节中滑移和转动，此夹头用聚氨酯制成。在实际使用过程中，若夹头与内圈配合 的过盈量大了

28、，则说明挤入内圈中的力过大，可把夹头在车床上打磨一下，减小挤 入内圈所需的力。此零件属于易损件，需配数个备用。 3.1.4 阻挡缸（薄型气缸）与舌形伸缩板(杆 1 提升时用来定位)的联接采用一个接头 和销轴联接： 图 3.3 图 3.2 为接头，接头右端与薄型气缸相连，右端通过销轴与舌形伸缩板联接。 若没有此接头和销轴作为气缸与舌形伸缩板的中间过度联接，而采用直接相连，则 每次提升缸提升摆杆碰到舌形伸缩板时，不仅给舌形伸缩板很大冲击，给薄型气缸 也带来冲击，并且使气缸受到向上的力，与气缸内壁产生摩擦，不能正常工作，且 减少使用寿命。而采用了此种结构就避免了此类现象的发生。 3.1.5 标尺：

29、固定在试验台的扇形块上，其作用是:在安装左右限位开关时，确定去位置的。 标尺上的死挡铁在平板 m 左右摆动摆到最大位置（24）时，起阻挡作用。 3.1.6 联轴器设计: 该试验台所涉及的轴与轴的联接，均采用套筒联轴器（利用一公用套筒以销、 键联接方式与两轴相连） 。此种联轴器的结构最简单，零件数量少，重量轻，制造容 易，成本低廉。虽然这类联轴器不具有补偿两轴相对位移的能力，但是如果装配时 能保持两轴精确对中，则工作中会有比较满意的传动性能，因此，在一些转速不高， 载荷平稳的场合，仍得到广泛应用。该试验台各轴的转速都不太高，载荷也较平稳， 因此采用套筒联轴器即经济又方便。 3.1.7 电控柜设计

30、： 装有与转矩传感器和摆矩传感器配套的显示仪表、驱动三相交流电机的驱动马 达以及各按钮。其安装在试验台的右侧，以便工人操作。 3.2 零件的计算及其校核 3.2.1 轴的设计计算： 轴的材料主要是碳钢和合金钢。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 用碳钢制造轴尤为广泛其中最常用的是 45#钢。本试验台所设计的轴全部采用 45#钢。 (1)摆杆的设计： 先按轴所传递的功率、转速和转矩初步估算直径： 按扭转强度的条件计算： 轴的扭转强度条件为： （3-1） 3 9550000 0.2 tt t p t n wd 式中：

31、t扭转切应力，mpa； t轴所受的扭矩，nmm； wt轴的抗扭截面系数，mm3； n轴的转速，r/min； p轴传递的功率，kw d计算截面处轴的直径，mm； t许用扭转切应力，mpa。 表 3.1 轴常用几种材料的 a0值 轴的材料q235-a、20 q275、35（1cr 18ni9ti） 45 40cr、35simn 38simnmo、30cr 13 a014912613511212610311297 由上式可得轴的直径 （3-2） 33 33 0 95500009550000 0.20.2 tt ppp da nnn 式中 a0按轴的许用转应力t确定的系数， 。3 0 9550000

32、0.2 t a 根据所选电机 p=0.4kw，n=100r/min，轴的材料选为 45#钢。根据上表，取 a0=110，于是由上式（2-1）得 （mm） 33 min0 0.4 =105=16.67 100 p da n 此直径即为按功率输入处得轴端直径，取 d=17mm。其它处直径可按照结构的 需要来改变。 图 3.4 此轴只受轴向力（插入内圈中所产生的力） ，故不受弯矩也不受扭矩，其强度满 足要求。 (2）带动整个摆动部分摆动的轴的设计： 轴的结构设计：包括定出轴的外形和全部结构尺寸。此轴一端联接静扭传感器， 另一端通过平键与摆动平板相连，传递扭矩，带动整个摆动部分摆动，因静扭传感 器的联

33、接轴尺寸为 30mm，它与此轴通过联轴套联接，故初步也把此轴的端部尺 寸定为 30mm。轴承的轴向定位靠轴肩和轴承端盖。定位轴肩的高度 h=（0.070.1）d，d 为与零件相配处的轴径尺寸。取 h=0.1d=0.130=3mm，所以 d=30+32=36mm，此轴与套筒、摆动平板皆通过平键联接。 轴的强度校核计算：（按弯扭合成强度条件计算） 此轴只受扭矩，不受弯矩，所以所受弯矩 m=0。 图 3.5 是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数（亦即 可 将循环特性 折算为 ） 。因通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环的变应力， 而扭矩所产生的扭切应力常常不是对称循环的变应力，故

34、在计算弯矩时，必须考虑 这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时，取 =0.3；扭转切应力为脉 动循环变应力时，取 =0.6；若扭转切应力变为对称循环变应力时，则取 =1.此轴 的 取 0.6。t=30nm=30000nmm 计算弯矩 2222 ()0(0.6 30000)18000() ca mmtn mm 校核危险截面 c，按第三强度理论，计算弯曲应力： 13 33 18000 3.33()60() 0.20.2 30 16 cacaca ca mmm mpampa dwd -1轴的许用弯曲应力 故此轴安全。 3.2.2 轴承的选型: 与转矩传感器伸出轴相配合的轴承，因要承受较大的

35、轴向力，因此选用一对反 装（背靠背）的角接触球轴承。此种方式安装的角接触球轴承通过预紧力可提高轴 承刚性。外圈宽端面相对具有较大的抗弯刚性，且轴向限位能力为双向。d内径 =30mm，选 7006c 型角接触球轴承。与摆杆相配合的轴承，也要承受较大的轴向力， 选用一对正装（面对面）的角接触球轴承。 3.2.3 键的设计及校核： 普通平键的主要尺寸见下表： 表 3.2 普通平键的主要尺寸 mm 轴的直径101212171722223030383844 键宽 b键高 h44556687108128 键的长度系列10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45 平键联接传递

36、转矩时，工作面被挤压，因此，通常只按工作面上的挤压应力进 行强度校核，并假定在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为 （3-2） 3 210 () pp t mpa kld 式中， t传递的转矩，nm； k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，这里 h 为键的高度，mm； l键的工作长度，mm，圆头平键 l=l-b，此处 l 为键的公称长度， mm；b 为键的宽度，mm； d轴的直径，mm； p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，mpa，见下表。 表 3.3 键连接的许用挤压应力 mpa 载荷性质许用挤压 应力 连接工作 方式 键或毂、轴 的材料静载荷轻微载荷冲击 p静连接钢12

37、01501001206090 铸铁708050603045 1.选择键的连接类型和尺寸： 三相交流电机、转矩传感器与联轴套的联接由定心精度要求，应选用平键连接。 由于该键在轴端连接，所以选用单圆头普通平键（c 型） 。 根据 d=24mm，d=30mm 从上表中查得键的截面尺寸为：宽度 b=8mm，高度 h=12mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长 l=20mm，l=36mm。 2.校核键连接的强度： 键、轴和轮毂的材料都是钢，联接方式为静联接，载荷性质为轻微冲击，由上 表查得许用挤压应力p =100120mpa，取其平均值，p =110mpa。校核工作长 度最短的键，即键的工作长度 l

38、=l-b=20-6=14mm，键与轮毂键槽的接触高度 k=0.5h=0.56=3mm，并且 t=20nm，d=18mm。由式（3-2）得： 33 2102 20 10 74.1()110() 3 14 18 pp t mpampa kld 故满足要求，键的标记为：键 c820 gb1096-79，键 c836gb1096-79。 4 气压传动系统设计 4.1 气压传动概论 4.1.1 气压元件的分类： 气压元件按功能可以分成以下几类： (1)气压发生装置：是获得能源的发生装置。由空气压缩机（或真空泵）及其附 件（后冷却器、油水分离器和气罐等）所组成。它将原动机供给的机械能转 变成气体的压力能，

39、为系统提供压缩空气，作为气压传动系统的动力源。 (2)气源处理元件：清除压缩空气的水分、灰尘和油污，以输出干燥洁净的空气 供后续元件使用。如各种过滤器和干燥器等。 (3)执行元件：是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体压力能转换为 机械能的能量转换装置，以驱动执行机构作往复运动（如气缸）或旋转运动 （如气马达） 。 (4)气动控制元件：是控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向的阀类，以 保证气动执行元件按预订的程序正常地进行工作。如各种气动压力阀、流量 阀、方向阀和比例阀、逻辑元件等。 (5)辅助元件：是解决元件内部润滑、排气噪声、元件间的连接及信号转换、显 示、放大、检测等所需要的各

40、种辅件。如各种过滤器、油雾器、消声器、管 接头及连接管、转换器、显示器、传感器、放大器和程序器等。 4.1.2 气压传动的特点： 气压传动作为一种动力发生、驱动装置，得到了迅速发展和广泛被应用，由自 己独特的优点： (1)以空气为工作介质，工作介质的获得比较容易，使用后的空气排到大气中理 方便，与液压传动相比不必设置回收油箱和管道。 (2)因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一） ，其损失也很小，所 以便于集中供气，远距离输送。泄露不会像液压传动那样污染环境。 (3)与液压传动相比，气动动作迅速，反应快，维护简单，工作介质清洁，不存 在介质变质等问题。 (4)工作环境适应性好，特别是在

41、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶 劣工作环境中，比电子、电气控制、液压优越。 (5)成本低、过载能自动保护。 同时，气压传动与其它传动相比也具有一些缺点： (1)由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性差，不易实现准确的速度控制 和很高的定位精度。 (2)因工作压力低（一般为 0.1-1mpa） ，又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜 大于 10-40kn。 (3)排气噪声较大，高速排气时应加消声器，以降低排气噪声。 本次设计的试验台输出力不大，动作平稳性、控制精度不要求太高，使用气动 控制不仅动作快、能减轻单调或繁重的体力劳动，提高劳动生产率，而且成本低。 4.2 气压传动设计 气缸的

42、选择计算： 4.2.1 提升气缸： 选用缓冲气缸，当活塞杆运动到接近行程末端时，安装于气缸内部的缓冲装置 开始起作用，使活塞运动速度降低，运动平稳，避免发生现象。 提升气缸的选择计算是按照负载力设计的，所以又公式 （3-1） 2 4 s fd p 因技术要求中内圈的最大滑移力为 220n，气缸杆带动的活塞压入内圈的挤压力约为 最大滑移力的 45 倍，设定挤压力 f=1100n，工作压力 ps=0.6mpa，载荷率 =0.85，根据上式（3-1） ，得 6 44 1100 0.048( )48() 3.14 0.6 100.85 s f dmmm p 所以提升气缸应选缸径大于 48mm 的气缸，

43、又因去安装形式为前法兰式，所以选用 上海新益气动元件有限公司生产的 qgb 系列缓冲气缸的 qgb80-160-f 气缸。其中 “80”表示气缸内径， “160”表示气缸行程， “f”表示前法兰式。 4.2.2 阻挡气缸： 此气缸的作用只是阻挡定位，无太大的负载力，又因其安装在摆动部件上为了减轻 重量和安装方便选用新益气动元件公司的 qgb系列薄型气缸：32-30。 4.2.3 扣压气缸： 图 4.1 当活塞从内圈中往上拔出时，压板受的负载力 f2约为内圈最大滑移力的 23 倍， 即 400500n，设定 f2为 500n，见上图，根据力臂平衡，得： f145=f240 2 1 40500 4

44、0 444() 4545 f fn 根据前面提升气缸的选择，此扣压气缸也选 80，满足要求。选为 qgb80-200-s， 其中 s 表示安装形式为尾部悬挂式，气缸可绕尾部轴稍摆动，以适应运动的要求。 5 电气控制部分设计 5.1 电气原理 主要由 plc 控制各电器，包括三个电磁阀、一个三相交流电机、一个步进电机。 plc 控制各电磁阀的动作、电机的启起动、停止、转向。传感器的电源由其配套的 显示仪表提供。 5.2 元件选择 5.2.1 一般三级电源开关 qk： 选用 hk1 系列胶壳刀开关，额定电流值 60a，极数 3 极，额定电压值 380v。胶 壳刀开关是一种结构最简单、应用最广泛的手

45、动电器。用作电路的电源开关和小容 量电动机非频繁起动的操作开关。胶壳刀开关由操作手柄、熔丝、触刀、触头座和 底座组成、胶壳使电弧不致飞出灼伤操作人员，防止极间电弧造成的电源短路；熔 丝起短路保护作用。 5.2.2 熔断器 fu： 熔断器是一种简单而有效的保护电器，在电路中主要起短路保护作用，是一种 过电流保护器。熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管（绝缘座）以及外加填料等 部分组成。其工作原理是利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流 通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单， 使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。使用时， 将

46、熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电 路，起到保护作用。选用无填料密闭管式熔断器，此种熔断器常用于低压电力网或 成套配电设备中。选用 rm10-15，熔断器额定电压 220v，额定电流 15a，熔体额定 电流有 6a，10a，15a 可以选择，选择时可以先用电表测量出总支路上的电流在正 常工作时有多大，再选取相应的熔丝或熔断体的额定电流。 5.2.3 低压断路器： 压断路器也称为自动开关，俗称“空气开关” ，多用于补频繁地转换及起动电动 机，对线路、电器设备及电动机实行保护，当它们发生严重过载、短路及欠压电路 等故障时能自动切断电器，有保护线路和电源的能力。因

47、此，低压断路器是低压配 电网中一种重要的保护电器。低压断路由操作机构、触头、保护装置（各种脱扣器） 、 灭弧系统等组成。qf1选用型号为 dz5-10 单极塑料外壳式自动开关，开关额定电压 为交流 220v，额定电流为 10a，脱扣器型号为复式，无辅助触头。qf2选用 dz5- 25。 5.2.4 继电器 fr： 热继电器是利用电流的热效应原理工作的电器，广泛应用于三相异步电动机的 长期过载保护，热继电器主要由热元件、双金属片、触头及一套传动和调整机构组 成。在三相异步电动机电路中，一般采用两相结构的热继电器，即在两相主电路中 串接热元件。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。图中所示

48、的双金 属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电 流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触 点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从 而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。热继电器动作后， 双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。 图 5.1 热继电器的电路符号 热继电器的选择主要根据电动机的额定电流来确定其型号及热元件的额定电流 等级。 该试验台所用减速机的额定功率为 0.4kw，根据三相交流电动机额定电流的公 式 （5-1） 1000 1.73cos e e e p i

49、 u 式中 pe额定功率（kw） ；pe=0.4kw ue额定电压（v） ；ue=380v cos功率因数；cos=0.9 电动机效率；=85% 1000把 kw 换算为 w 的系数。 计算得 ie0.8a 热继电器的整定电流等于或稍大于电动机的额定电流，所以 fr1 选 t 系列热继 电器，型号为 t16，整定电流的调节范围为 0.901.3a。步进电机的额定电流为 13a，所以 fr2 选为 t45，整定电流调节范围为 1321a。 5.2.5 电磁阀： 电磁阀是用电磁效应进行控制的，主要的控制方式由继电器控制。驱动气缸的 电磁换向阀线圈的电压可以是直流 24v，36v，48v，110v，

50、也可以是交流 220v，380v，本控制回路无需大功率电磁阀，可选择小功率的直流电磁换向阀线圈， 所以气压缸的电磁换向阀线圈选择直流 24v。同时电路中药配置 24v 的直流稳压电 源，同时 plc 也需要直流 24v 的电源。 5.2.6 行程开关： 行程开关是位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。 利用运动部件的碰撞使其触头动作来接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。 通常，这种开关被用来限制机械运动的位置或行程，使机械运动到一定位置或行程 自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。摆杆摆动角度的左右限位是由 行程开关来实现的。行程开关将机械信号转换为电气信号，

51、作为行程限位之用。因 摆杆需左右各摆 24，所以需两个行程开关来限位。可考虑选用 lx19 系列行程开关， 该系列限位开关的主要技术参数如下： 型号 额定电 压/v 额定 电流 /a 结构形式 触头 对数 常开 触头 对数 常闭 工作 行程 超行 程 lx19k 交流 380 直流 220 5 元件 113mm1mm lx19-001 交流 380 直流 220 5 无滚轮，仅用传动杆， 能自复位 11 4m m 3m m lx19-111 交流 380 直流 220 5 单轮，滚轮装在传动 杆内侧，能自动复位 11 30 度 20 度 lx19-121 交流 380 直流 220 5 单轮，

52、滚轮装在传动 杆外侧，能自动复位 11 30 度 20 度 lx19-131 交流 380 直流 220 5 单轮，滚轮装在传动 杆凹槽内 11 30 度 20 度 lx19-212 交流 380 直流 220 5 双轮，滚轮装在 u 形 传动杆内侧，不能自 动复位 11 30 度 15 度 lx19-222 交流 380 直流 220 5 双轮，滚轮装在 u 形 传动杆外侧，不能自 11 30 度 15 度 动复位 lx19-232 交流 380 直流 220 5 双轮，滚轮装在 u 形 传动杆内外侧各一， 不能自动复位 11 30 度 15 度 根据所用开关的结构形式及工作行程，选用型号为

53、 lx19-111 的行程开关。 5.2.7 电机的选择： （1）三相交流电机：选用住友重机械工业株式会社的摆线减速机。 低速轴实际需用转矩：tl=20nm 负载性质：u（均匀负载） 运转时间：10hr/天 负载系数:1.0 电机容量： 2 1 20 1000 0.209 95509550 tln pkw p1=0.4kw，n2=100，i=15，t2=35.4，tl（20）t2（35.5） 负载系数（1.0）sfg（1.00） 机型号选为 05-4085-15 与所驱动设备连接方式：轴套（无轴向力） 低速轴方向：立式向上 安装方式：wh 地脚安装 w 表示垂直向上 h 表示地脚 电机连接方式

54、：直联型 型号：cwhm05-4085-15 （2）步进电机：步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，不会引起 误差的积累。角位移量在时间上与输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、 频率的电机绕组的相序，即可获得所需转角的转速和转动方向。 步进电机大致分成三类： 第一种类型为可变磁阻式（vr）步进电机，也称反应式步进电机，转子无绕组， 步进运行时由定子绕组通电励磁产生的反应力矩作用来实现的。因而也称反应式步 进电机。这类电机结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角角小（0.759） 。 第二种为永磁型（pm）步进电机，转子采用永磁铁，在圆周上进行多极磁化， 它的转动靠与定子绕组所产生的

55、电磁力相互吸引或相斥来实现的，这类电机控制功 率小、效率高、造价低。转子为永磁铁，因而无励磁时也具有保持力，但由于转子 极对数受磁钢加工限制因而步距角较大（7.518） ，电机频率响应较低。 第三种为混合型（hb）步进电机，也称永磁反应式步进电机。这类电机即具有 vr 型步距角小，工作频率高的特点，又有 pm 型控制功率小，无励磁时具有转矩定 位的优点，但其结构复杂，成本相对也高。 本设计所选用的步进电机是常州微特电机总厂生产的磁阻式步进电机，其各项 参数如下表所示： 型号相数 步距角 （deg.） 电压 （v） 电流 （a） 保持转矩 （） 最高空 载起动 频率 （hz） 运行频 率 （hz

56、） 106bc380a30.75/1.5 8030 0 133090012000 5.2.8 传感器的选择： （1）转矩转速传感器 因要测量旋转轴的转矩，若用接触式（电刷）传感器，电刷易磨损且严重影响 电阻大小，不太稳定。哟啊选用无接触测量的传感器，才能避免上述问题。因此选 用北京三晶现代科技集团生产的 jn388-a 型转矩转速传感器。jn338 系列采用的检 测手段为应变电测技术。具有精度高、频响性可靠性好、寿命长等优点。jn338 系 列产品设计了两组旋转变压器实现能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的 传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。 此种传感器的特点: 1）检

57、测精度高，稳定性好； 2）体积小，重量轻，易于安装； 3）不需反复调零即可连续测量正反转扭矩； 4）没有集流环等磨损件，可以高转速长时间运行； 5）测量弹性体强度大，可承受 100%过载； 6）抗干扰型强。 jn338 系列扭矩测量原理： 检测的敏感元件是电阻应变桥：将精密电阻应变片组成的电桥附着在弹性应变 轴上，则可以检测出该弹性轴受扭是 mv 级轴应变点信号，将该应变信号放大后， 经过压频转换，变换成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号的输 出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担，因此实现了无接触的能源及信号传递功 能。 图 5.3 （2）静扭传感器： 万向节摆矩的测量，通过测量

58、与步进电机相连的轴的扭矩而得到。因此选用北 京 的 akc 扭矩传感器系列的 akc-17 静扭式扭矩传感器。 （3）显示仪表： jn338 型转矩转速仪表是专为 jn338 系列转矩转速传感器配套的显示仪表，具 有以下特点： 1）向传感器提供工作电源； 2）接受并处理传感器输出的信号； 3）显示被测参数的量值； 4）打印被测参数； 5）输出超量程报警信号。 xst 系列数字显示告警仪是与 ack-17 配套的显示仪表，其功能有：内装微计 算机，00.2%fs 的高精度，防止误操作功能，设定值和显示值无相对误差，告警 灵敏度设定功能。电源电压：ac220v，50hz。 6 结 论 由于万向节是大批量生产的，对它的精度及使用要求又很高，所以，对其各项 检测指标要求也很高，这样对于检测人员来说工作量就会很大，检测精度也会出现 不稳定现象，所以针对工作人员的劳动强度大，人工检测时动作的不稳定性造成的 检测精度低，工作效率低等特点，设计一种新的汽车万向节力矩性