实验轨道小车机械系统设计【含CAD图纸和说明书】
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摘 要 轨道车作为铁路设备维修、大修、基建等施工部门执行任务的主要工具，是铁路运输工作中重要的组成部分。机械传动式轨道车传动系统试验装置的研制是一项具有现实意义的研究，其主要应用于车辆段大修完成后的轨道车机械传动系统的变速箱、换向箱和动力轮对进行空载试验。 然而，我国轨道车串供系统试验装置的使用权仅限于金鹰、秦岭两大轨道车生产厂家。而在各地轨道车检修车辆段中的应用几乎没有。论文首先对国内外轨道车实验装置的研发现状和发展趋势作出了分析，结合了智能试验的功能要求，对测控系统的各个单元进行设计开发。 根据轨道车传动系统中变速箱、换向箱和动力轮对的组成原理、结构特点和运转要求，提出测试实验的内容和方法。 关键词：轨道车；机械传动系统；试验装置；控制系统 The Design of the Rail cars mechanical systemAbstract Rail cars,as the main means of conveyance in the mission of the construction sector such as the railway equipment maintenance,overhaul and infrastructure construction,are an important part of the rail transportation. The research and manufacture of the test device of transmission system of mechanical driving rail cars is of practical significance,the results which are mainly used in no-load test of transmission,reversing box and power wheel of the mechanical transmission system after the completion of the rail car overhaul.However, there has been no use of rail transmission system test equipment in the overhaul of rail car depot.In this thesis, the research and development status and developing trend of the domestic and international rail car testing device are first analysed, and then each unit of control system are designed and developed, for the functional requirements of the intelligent test.According to the composition principle, structural features,operating requiremen-ts of the transmission,reversing box,power wheels,test content and methods are prop-osed. Keywords: rail car; mechanical transmission system; test equipment, control system; 目 录摘 要1Abstract21 绪论41.1前言和意义41.2实验用轨道小车概述51.3实验用轨道小车发展现状与趋势51.4设计题目61.5本章小结62 轨道小车运动学分析设计72.1运动学分析计算72.2运动方案小结102.3主要运动参数102.4本章小结103 实验用轨道小车各部分设计方案的选择113.1驱动机构的选择113.2传动装置的选择123.3本章小结144 实验用轨道小车机械结构设计计算154.1电机的选择154.2传动转置参数164.3减速装置的设计174.3.1斜齿圆柱齿轮设计174.3.2减速齿轮几何尺寸参数214.4换向装置设计校核224.5防撞缓冲装置的选择254.6本章小结275 轨道小车车体零部件的设计选择及三维造型285.1中间轴的设计与校核285.2车轮的结构设计325.3轴4的设计与校核335.4主要轴承和键的校核345.5电池选型及固定375.5.1电池型号的选择375.5.2电池固定架的设计395.5.3轨道小车总体质量计算校核416 实验轨道小车实体展示42总结43致 谢44参考文献45本科毕业设计说明书 实验轨道小车机械系统设计1 绪论1.1前言和意义随着社会的发展进步，人工作业已慢慢被智能机械所取代，各行各业每年都会投入大量的人力、物力用于智能机械的研究，从而减少人力操作，减少劳动力，降低劳务支出，实现经济利润的最大化。 轨道小车的应用广泛，现阶段在大多数工厂中轨道小车主要用于运输传送物品。广泛应用于机械加工厂轨道式物流传输；用做医疗机械，用来传送输液袋、血液、小型手术包，各病区治疗包，消毒物品、大量药品、实验组织样本、X光片、各类文件等；用于铁路轨道检测，用于校准轨道参数，获取和整理现有的轨道数据等。轨道小车传送的出现，使运输变得更加安全，可靠，且节省时间，减少运输过程的财务支出。轨道式传送的一次性投资较大，但就日常营运情况和实际使用情况，轨道式物流传输系统存在着极大的优越性，更能满足和切合我国在相应领域的实际需求并真正解决问题。1.2实验用轨道小车概述该课题实验用轨道小车运用于中南大学高速铁路工程实验室在进行高速列车轨道的检测项目，通过控制轨道小车的速度来检测轨道数据参数。使实验用轨道小车不仅能稳定的在固定轨道上运行，而且要保证车身重量不得大于350kg。通过PLC调节电机电压实现在一定长度的轨道上的自由调速。 轨道小车的优势： (1)轨道式系统属于高端的传输系统，长期使用可靠性强。 (2)由于传输小车的体积较大，系统单次传输的传输量较大，可容纳量大，且可承载高负荷，避免了人工搬运过程中的危险事故，简单便捷的实现了大载荷的运输，传送。 (3)系统的传输效率高，小车可同时运输，系统的运力扩展性强，且可以根据需要调节传输速度。 (4)系统的整体故障率低，故障定位和故障排除都非常方便，维护成本低。 (5)系统传输的稳定性和安全性好，国内外成功的使用经验已完全能证明轨道系统在应用中的可靠性和必要性。1.3实验用轨道小车发展现状与趋势目前，轨道小车的控制系统的发展状况，最早被应用的技术是基于单片机的控制系统。在单片机的基础上，通过研发实现了一种以光电传感器为敏感元件以AT89C51单片机为控制核心的电动循迹小车的智能控制系统；在基于单片机的基础上，使小车的电动机采用PID算法闭环调速，形成了对小车调速的另一种控制系统。随着智能控制的不断发展，继而又有人提出了模糊-PID控制算法19，使控制系统的性能又有了进一步的提升；当然，还有在工业中被普遍应用的PLC控制系统。针对控制系统，PLC 系统在工业控制中有着非常重要的作用，由于PLC 的功能非常强大，能够抵抗较强的干扰，可靠性比较高，同时编程简单，操作方便，因此，在工业控制中的应用越来越广泛。目前，随着科技的不断进步，自动控制技术已经越来越多的被应用于各行各业中，西门子控制电机， 基于PLC 系统的电机自动控制采用国际标准PROFIBUS 现场总线标准，保证了系统的高效性与实时性，不但能够实现对设备数据采集的独立完成，同时其抗干扰的能力比较强，可靠性高，具有非常高的控制精度。1.4设计题目（1） 整车外形尺寸：取7级精度减速器2有机械设计选择小齿轮材料为40Cr，调质硬度为280HBS；大齿轮的材料为 45钢（调质）硬度为240HBS；两者硬度差为40HBS。3选择小齿轮的齿数 闭式齿轮为提高传动平稳性，减小冲击振动小齿轮的齿数可取,取大齿轮的齿数4选取螺旋角，初选螺旋角2、 按齿面接触疲劳强度设计 由设计公式（4-1） （1） 确定公式内的计算数值 1试选载荷系数 2计算小齿轮传递的扭矩 3由机械设计表10-7选取齿宽系数 4由机械设计表10-6查的材料的弹性影响系数 5由机械设计图10-21查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限 6计算应力循环次数 7由机械设计图10-19取接触疲劳寿命系数 8计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1由式（10-12）得 9选取区域系数： 10由图10-26查得则 11许用接触应力 （2） 计算1试算小齿轮的分度圆直径，由计算公式得 2计算圆周速度 3计算齿宽b及模数 4计算纵向重合度 5计算载荷系数K查表得；根据，七级精度由图10-8查；由表10-4查得；由图10-13查的； 6按实际的载荷系数纠正所算得的分度圆直径 7计算模数 3、 按齿轮弯曲强度设计 （4-2） （1） 确定计算参数 1计算载荷系数 2根据纵向重合度； 从图10-28查得螺旋角影响系数 3计算当量齿数 4查取齿形系数 由表10-5查得 5由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数取弯曲疲劳安全系数S=1.47计算大小齿轮的并加以比较大齿轮的数值较大（2） 设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数取；可满足弯曲疲劳强度的同时满足接触疲劳强度，因此需按接触疲劳强度算得的分分度圆直径来计算齿数 则取；4.3.2减速齿轮几何尺寸参数(1)计算中心距mm 将中心距圆整为112mm(2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 误差小于，所以不用修正参数（3） 计算大小齿轮的分度圆直径 齿轮宽度： 圆整后 齿顶圆直径： 小齿轮小齿轮做成实心结构； 大齿轮大齿轮做成腹板式结构。4.4换向装置设计校核 选用直齿圆锥齿轮换向，换向锥齿轮的传动比为1:1；1选择直齿圆锥齿轮材料为40Cr，并经过调质及表面淬火处理齿面硬度为48-55HRC。2精度为7级3初步设定两个锥齿轮的齿数相同；;齿顶高 齿根高 锥距 平均模数：当量齿数： 如图所示：图4-1 换向直齿锥齿轮齿轮齿根弯曲疲劳强度较核： 齿根弯曲疲劳强度校核公式： (1)各参数值的计算 直锥齿轮的载荷系数； 查表10-2得； 动载荷系数 齿间载荷分配系数 齿向载荷分布系数 查表10-9可得 分别为齿型系数及应力校正系数。按当量齿数查表10-5得 取，查表10-20d得（2） 将参数引入式 所选齿轮满足齿轮齿根弯曲疲劳强度。齿轮齿面接触疲劳强度校核：（4-3）校核公式：查表10-6得,查表10-21e得已知： ；取, 代入公式： 所选齿轮满足齿面接触疲劳强度的要求。4.5防撞缓冲装置的选择常用的缓冲装置有：盘形缓冲器、弹簧摩擦式缓冲器、橡胶缓冲器、液压缓冲器。 综合考虑缓冲装置的缓冲性能，安装简易程度以及性价比这里选用聚氨脂缓冲器。 在车子钢板的一端上下放两个角钢用螺定固定，将聚氨脂缓冲器固定到角钢上。图4-2 聚酯氨缓冲器选用JHQ-C-5 100100 型号的聚酯氨缓冲器； 行程75mm,缓冲力66kN缓冲做功： 运动做功: 缓冲做功大于运动做功，所以可以实现缓冲防撞的作用。4-5-1选择参数见下图4-3：图4-3 缓冲器选型参数购买淘宝链接：/item.htm?spm=2013.1.w7340967-5689418124.10.eor7eN&id=35746834352图4-4 缓冲器安装方式4.6本章小结 本章主要讲述了减速装置、换向装置、缓冲装置的设计选用计算过程，将选择方案具体化。5 轨道小车车体零部件的设计选择及三维造型5.1中间轴的设计与校核1、 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调制处理根据表15-3取于是得（5-1） 轴的两端与联轴器相连，取轴I的轴径为，则与之相连的联轴器选用尼龙联轴器NL4，；2、 轴的结构设计图5-1 中间轴结构简图采用轴用弹性挡圈30，实现定位。，选用角接触球轴承，根据轴承的标准选用71807C。, ; 根据轴承定位原则，。 ；根据减速大齿轮的结构尺寸参数选取，；结构设计，将齿轮置于箱体中间位置，即两轴承中间，从而取得，；根据车身要求长宽高1700700670mm，故选取，；3、 中间轴的校核T图5-2 中间轴运动示意图齿轮中心到两轴承支撑点的距离水平面内：FaFrFNV2FNV1图5-3水平面受力图 MV1 MV2 图5-4 水平面弯矩图垂直面内：FtFNH2FNH1图5-5 垂直面受力图图5-6 垂直面弯矩图T3图5-7 扭矩图按弯拒合成应力校核轴的强度：只校核轴上承受最大弯距和扭矩的截面（即危险截面）的强度，取,轴的计算应力 轴的材料为45钢调制处理，查表15-1知 故所设计轴满足要求。5.2车轮的结构设计 实验轨道小车在8kg*30m轻轨轨道钢上运动，根据轨道钢的结构尺寸参数选取车轮直径，厚度，总厚度 为减轻车身重量，设计车轮为轮辐式结构。具体见图纸LX-007图5-8 车轮三维结构图5.3轴4的设计与校核图5-9 轴4结构简图选取轴的材料为45钢，调质处理根据表15-3取于是得 轴的两端与联轴器相连，取轴I的轴径为根据车轮厚度和车轨间距575mm，选；采用轴用弹性挡圈25，实现定位。为便于安装轴承，选用角接触球轴承，根据轴承的标准选用71806C。, ; 根据轴承定位原则，。 ；根据换向齿轮的结构尺寸参数选取，；使与该齿轮上的锥齿轮处于轴心线上，结构设计，从而取得;根据车身要求长宽高前进过程加速段：加速度 加速段功率且， 电量 匀速段：滑动摩擦力 匀速段电量 （较小可以忽略不计）减速段近似等于加速段 前进过程总时间 总电量 2返回阶段若以1m/s的速度返回经过加速、匀速、减速后停在出发点，计算过程同上，经计算得返回阶段总时间 小车一个往返过程总时长 总耗电量 ： 实验半个小时，即运动： 个往返，耗电总量： ；实验1个小时往返70次，耗电量9AH；在此过程中通过电流的最大值： 2、根据上述参数，参照下表选取电池规格松下的电池串联（单个12V)24AH定电流放电时间表38AH定电流放电时间表选择电池型号参考参数表5-1 电池选型参数表 所选电池参数：电池型号容量个数电流放电时间总质量LC-PD122424AH 827.1A30min68kg表5-2 选取电池参数5.5.2电池固定架的设计电池保持架由3030角钢焊接而成。下部固定电池,单个电池（lbh=18177175)，电池的摆放方式如下 图5-12 电池摆放方式 图5-13 电池固定架三维图 其上部嵌入式下沉槽用于固定控制柜。 5.5.3轨道小车总体质量计算校核 数控小车总体质量计算数量质量(kg)T6转向器2M=212=42NL4尼龙联轴器2对M=12=2十字滑块联轴器1对M=0.318减速器1M=1390卧式电动机1M=16轴承4M=40.8=3.2车轮4M20.744=83（碳钢）承载钢板1M23.4（铝合金）68（碳钢）振动仪2M=2150=300支撑钢板5M=4M支撑架+M支撑板=2.484+2.07=12车轮端盖4M=0.8574=3.43轴1M=4.27蓄电池24AH8M=78=56JHQC型聚氨酯缓冲器2M=20.85=1.7总计M=571+1.7=571.7 M=607.3(底板选碳钢的情况）表5-3 小车质量计算表 6 实验轨道小车实体展示实体展示： 图6-1 小车实体展示 总结 毕业设计是学生在校期间十分重要的综合型实践教学环节，是学生全面运用所学的基础理论、专业知识和技能，对实际问题进行研究或设计的综合训练。毕业设计旨在检验学生的工作能力、创新能力和科学精神，促使学生学习综合理论知识、实践技能来解决专业问题，在设计过程中锻炼对资料的信息的获取和独立分析能力，提高对本专业外文的阅读能力，使所学的理论知识得到巩固，将所学的知识和技能应用到实际当中解决问题，同时培养创新意识和精神，使综合素质得到一定的提高。 致 谢 本次设计是在尊敬的龚中良老师的悉心指导下完成的，老师严瑾的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢！本次毕业设计是大学三年间所学知识的综合运用，通过这次设计把三年所学的基础理论和专业课程作了一个总结和回顾，加深了对理论的理解，能够掌握机械设计的全套思路，为以后的发展大下了一定的基础。 在设计过程中，我查阅了大量的的图书资料以及网路资料，尤其是在对各类设计手册的查阅中，我的知识面得到了很大的提高；通过对该课题的独立设计，在遇到问题，解决问题的过程中，使我对机械知识有了一个更加深入的了解，对机械这门学科有了进一步的理解。也使我独立设计的能力有了极大的提高。在课题的设计中，我得到了老师和同学们给我的很大支持和帮助，在此我向他们表示衷心的感谢。在设计过程中遇到不懂得地方，及时与老师，同学讨论，解决难题。同时，感谢大学四年来各科老师对我的教育，感谢学院给予的良好学习环境使我避免了很多弯路，感谢中南林业科技大学给我提供的良好学习平台。 当然，由于我的设计水平有限，实践经验不足，在设计中难免存在一些错误。恳请老师们给予批评指正。 参考文献 1 濮良贵、纪名刚 ， 机械设计（第八版）.高等教育出版社, 2012. 2 朱辉等，画法几何及工程制图（第六版）.上海科技技术出版社，2009. 3 潘存云等，机械原理.中南大学出版社，2011. 4 成大先，机械设计手册（第五版).化学工业出版社，2008. 5 杨黎明，机械设计简明手册.国防工业出版社，2008. 6 王少怀，机械设计师手册.电子工业出版社，2006. 7 黄靖远等，机械设计学（第三版）.机械工业出版社，2011. 8 理论力学（I）（第七版
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