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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
彈性輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
系部名稱： 汽車工程系
專業(yè)班級： 車輛工程 BW05-9班
學(xué)生姓名： 于佳瑩
指導(dǎo)教師： 紀(jì)峻嶺
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○九年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Elasticity Tyre Rotary Drum Design
on The Testbed
Candidate：Yu Jiaying
Specialty：Vehicle Engingeering
Class：BW05-9
Supervisor：Associate Prof. Ji Junling
Heilongjiang Institute of Technology
2009-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車的動力性能是汽車的主要性能之一,是指汽車在驅(qū)動力作用下,克服各種阻力前進(jìn)的能力。許多汽車性能試驗(yàn)均在底盤測功機(jī)上進(jìn)行，而輪胎滾動阻力是影響準(zhǔn)確測試精度的重要原因。輪胎測功機(jī)是檢測汽車動力性能的重要設(shè)備。本設(shè)計(jì)根據(jù)車輪的實(shí)際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實(shí)際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，探討了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了車輛行駛阻力在道路上和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上等值轉(zhuǎn)換的試驗(yàn)方法，闡述了底盤測功機(jī)的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用測功機(jī)輸入動力，制動系消耗功率，并能準(zhǔn)確測量輸入和輸出的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而通過運(yùn)算得到滾動阻力系數(shù)的準(zhǔn)確值。為研制開發(fā)滾動阻力系數(shù)試驗(yàn)裝置提供理論參考。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺；測功機(jī)；輪胎；滾動阻力；功率
ABSTRACT
Automobile’s power function is one of important function of automobile. It’s main automobile on the drive force role, overcome different kind’s of resistance to go forward’s capacity. Most of automobile function tab all carryout on the tyre measure power machine, however, tyre roll resistance is important reason of affect accuracy test precision. Chassis measure power machine is important equipment of automobile power function coefficient test system , go deeper into turn tyre tester’s structure feature, set up vehicle drive resistance’s 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, and put through operation obtain the accurate numerical value of roll resistance coefficient. It’s supply theory parameter with develop roll resistance coefficient test installation.
Keywords：Turn Roller Tester；Measure Power Machin；Tyre；Roll Resistance；Power
I
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題的目的和意義 1
1.2輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的功用 1
1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的發(fā)展情況 2
1.4研究內(nèi)容 2
第2章 總體方案的確定 4
2.1轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的確定 4
2.1.2輪胎滾動阻力力學(xué)特性 4
2.1.2滾動阻力系數(shù)的測定方法 5
2.1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的類型選擇 6
2.1.4滾動阻力系數(shù)的測量與計(jì)算 7
2.2 試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)條件 8
2.2.1轉(zhuǎn)鼓技術(shù)條件 8
2.2.2試驗(yàn)步驟 9
2.3滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響分析 10
2.4本章小結(jié) 11
第3章 電機(jī)的選擇 12
3.1電力測功機(jī)的功用 12
3.1.1電力測功機(jī)的應(yīng)用情況 12
3.1.2電力測功機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 12
3.2選擇電動機(jī) 13
3.2.1驅(qū)動電機(jī)的選擇 13
3.2.2制動電機(jī)的選擇 15
3.3傳感器的選擇 16
3.4本章小結(jié) 17
第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.1結(jié)構(gòu)及工作原理 18
4.2步進(jìn)電機(jī)的選用 18
4.3液壓傳動概論 20
4.4液壓缸的類型及其特點(diǎn)和應(yīng)用 21
4.5液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 22
4.5.1液壓缸主要尺寸的確定 22
4.5.2單桿活塞缸原理及計(jì)算 24
4.5.3液壓缸的材料及技術(shù)條件 27
4.6蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 30
4.6.1蝸桿傳動的特性 30
4.6.2選擇蝸輪蝸桿材料 31
4.6.3確定蝸桿頭數(shù)Z1及蝸輪齒數(shù)Z2 31
4.6.4確定模數(shù)m、蝸桿分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q 32
4.6.5通圓柱蝸桿傳動的主要幾何尺寸計(jì)算 32
4.7滾動軸承的選擇及校核計(jì)算 34
4.8本章小結(jié) 34
第5章 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
5.1軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 35
5.1.1選擇軸的材料 35
5.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
5.1.3軸的校核計(jì)算 35
5.2滾動軸承的選擇及校核計(jì)算 38
5.3鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算 39
5.4聯(lián)軸器的選擇 39
5.5本章小結(jié) 40
第6章 運(yùn)動關(guān)系的分析與運(yùn)算 41
6.1輪胎在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)分析 41
6.2試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 42
6.3本章小結(jié) 44
結(jié)論 45
參考文獻(xiàn) 46
致謝 47
第1章 緒 論
1.1課題的目的和意義
汽車輪胎在滾動過程中，其滾動阻力約占汽車總阻力的20%，如果按照每減少10%的輪胎滾動阻力，降低2%-3%燃油的話，加強(qiáng)對輪胎滾動阻力水平的控制，對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)將是顯著的，而且可以在較大范圍內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。因此，如何有效地控制輪胎的滾動阻力是行業(yè)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文將從多個(gè)角度探討和分析汽車輪胎滾動阻力以及測試技術(shù)。
在輪胎滾動過程中，循環(huán)變化的應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致能量損耗，形成輪胎滾動阻力，也稱為輪胎滯后能量損耗。研究表明，克服輪胎滾動阻力消耗燃油占普通汽車總油耗的10%以上，減小輪胎滾動阻力可以降低汽車能耗，使汽車行駛的距離更遠(yuǎn)，效率更高。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的需要，輪胎滾動阻力的控制逐漸進(jìn)入人們的研究范圍。
1.2輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的功用
轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺也稱底盤測功機(jī)，是車輛整車室內(nèi)試驗(yàn)的大型關(guān)鍵設(shè)備之一，它主要用于車輛行駛阻力的模擬，以便用室內(nèi)試驗(yàn)代替部分道路試驗(yàn)，因此被廣泛地用于汽車、農(nóng)用運(yùn)輸車的整車性能試驗(yàn)、法規(guī)檢測、裝配下線調(diào)整、新產(chǎn)品開發(fā)研究等領(lǐng)域。
本設(shè)計(jì)研究了我們在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺開發(fā)研究中所做的一些工作，主要是車輛在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上行駛時(shí)力學(xué)特性的研究，以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。
底盤測功機(jī)是一種不解體檢驗(yàn)汽車性能的檢測設(shè)備，它是通過在室內(nèi)臺架上汽車模擬道路行駛工況的方法來檢測汽車的動力性，而且還可以測量多工況排放指標(biāo)及油耗。同時(shí)能方便地進(jìn)行汽車的加載調(diào)試和診斷汽車在負(fù)載條件下出現(xiàn)的故障等。由于汽車底盤測功機(jī)在試驗(yàn)時(shí)能通過控制試驗(yàn)條件，使周圍環(huán)境影響減至最小，同時(shí)通過功率吸收加載裝置來模擬道路行駛阻力，控制行駛狀況，故能進(jìn)行符合實(shí)際的復(fù)雜循環(huán)試驗(yàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。底盤測功機(jī)分為兩類，單滾筒底盤測功機(jī)，其滾筒直徑大(1500-2500mm），制造和安裝費(fèi)用大，但其測試精度高，一般用于制造廠和科研單位；雙滾筒式底盤測功機(jī)的滾筒直徑小(180-500mm），設(shè)備成本低，使用方便，但測試精度較差，一般用于汽車使用、維修行業(yè)及汽車檢測線、站。近年來因電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，為數(shù)據(jù)的采集、處理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了有效的手段，同時(shí)為模擬道路狀態(tài)準(zhǔn)備了條件，加速了底盤測功機(jī)的發(fā)展，加之各類專用軟件的開發(fā)和應(yīng)用，使汽車底盤測功機(jī)得到了廣泛的推廣。
1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的發(fā)展情況
80年代中期起，隨著我國加速發(fā)展子午線輪胎的需要，少數(shù)輪胎生產(chǎn)企業(yè)從美國、日本和德國引進(jìn)了帶有滾動阻力試驗(yàn)工位的轉(zhuǎn)鼓式輪胎試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合開發(fā)新型子午線輪胎和剖析外國輪胎樣品進(jìn)行了一些輪胎滾動阻力試驗(yàn)。
20世紀(jì)70年代起，在美國、日本和歐洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，為了解決能源短缺和環(huán)境質(zhì)量惡化問題，對汽車輪胎滾動阻力進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究工作。與此同時(shí)，輪胎滾動阻力的測試技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。
目前我國建立了以室內(nèi)試驗(yàn)為主，室外試驗(yàn)為輔的方向。在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)條件即恒定的負(fù)荷和速度下，輪胎行駛達(dá)到熱平衡時(shí)測量汽車輪胎滾動阻力的方法，已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。
室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備方面，經(jīng)過幾十年的努力，先后出現(xiàn)了多種類型的輪胎滾動阻力測試機(jī)。我們按照模擬路面的形式來分，有鋼帶式和轉(zhuǎn)鼓式兩大類。鋼帶式試驗(yàn)機(jī)模擬了平的連續(xù)路面，是目前價(jià)格昂貴的輪胎試驗(yàn)設(shè)備。目前應(yīng)用最廣的是轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)，尤其是直徑為1.7米的轉(zhuǎn)鼓式。這些設(shè)備按測量輪胎滾動阻力的方法來分，又有測力法、扭矩法、功率法和減速度法4種?，F(xiàn)有的設(shè)備以采用測力法和扭矩法者居多。在近二十年內(nèi)，試驗(yàn)設(shè)備的精度大大提高，測量誤差成倍減少，已形成了一套確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)可重復(fù)性所必需的設(shè)備精度要求。
1.4研究內(nèi)容
本設(shè)計(jì)采用的是單滾筒底盤測功機(jī)，采用這個(gè)方法可以對新胎的滾動阻力進(jìn)行比較，測試時(shí)輪胎垂直于轉(zhuǎn)鼓外表面且以穩(wěn)定的狀態(tài)向前自由滾動。測量輪胎滾動阻力時(shí)，還必須測量在存在大得多的作用力下的各種小作用力。這就要求設(shè)備和儀表有很高的精度。
汽車行駛阻力直接影響汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性等幾大使用性能，而滾動阻力是汽車行駛阻力中的常有阻力的一種，其大小主要取決于滾動阻力系數(shù)，而滾動阻力的大小與輪胎和道路有較大的關(guān)系，因此對與道路有密切關(guān)系的滾動阻力系數(shù)的測定具有十分重要的意義。
根據(jù)車輪的實(shí)際工作狀態(tài)，開發(fā)可以模擬汽車實(shí)際使用狀態(tài)的摩擦系數(shù)測定系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用測功機(jī)輸入動力，制動系消耗功率，并能準(zhǔn)確測量輸入和輸出的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，進(jìn)而通過運(yùn)算得到滾動阻力系數(shù)的準(zhǔn)確值。為研制開發(fā)滾動阻力系數(shù)試驗(yàn)裝置提供理論參考。
設(shè)計(jì)的主要具體內(nèi)容包括：
（1）滾動阻力系數(shù)測試系統(tǒng)的總體方案確定；
（2）對驅(qū)動電機(jī)和制動電機(jī)的選擇；
（3）加載機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
（4）運(yùn)動關(guān)系的分析及試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)算和處理。
第2章 總體方案的確定
2.1轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的確定
2.1.2輪胎滾動阻力力學(xué)特性
滾動車輪產(chǎn)生的所有阻力被定義為車輪滾動阻力，主要包括輪胎滾動阻力分量、道路阻力分量和輪胎側(cè)偏阻力分量。其中，輪胎側(cè)偏阻力分量是由輪胎的側(cè)向載荷使輪胎側(cè)偏而產(chǎn)生的附加輪胎縱向阻力。由不平路面、塑性路面和濕路面等道路情況引起的附加阻力稱為道路阻力分量。此外，除了由軸承摩擦和輪胎與地面相對滑動造成的摩擦阻力外，胎內(nèi)氣流流動以及轉(zhuǎn)動的輪胎對外部空氣造成的風(fēng)扇效應(yīng)都會引起輪胎的滾動阻力，但均為次要影響因素，因此通常它們包含于車輪阻力中，并不單獨(dú)列出。
當(dāng)充氣輪胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直線滾動時(shí)，其外緣中心對稱面與輪胎滾動方向一致，所受到的與滾動方向相反的阻力即為本設(shè)計(jì)中所說的輪胎滾動阻力。
根據(jù)作用機(jī)理的不同，輪胎滾動阻力還可以進(jìn)一步分解為彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇效應(yīng)阻力，分別介紹如下。
1．彈性遲滯阻力
胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用是造成輪胎滾動阻力的主要原因。實(shí)際中充氣輪胎在靜態(tài)壓縮作用下會產(chǎn)生變形并且回彈，并由于其內(nèi)部的摩擦作用而引起能量損失。當(dāng)車輪在力或力矩作用下滾動時(shí)，對輪胎胎面上的每一單元而言，其壓縮與回彈的過程將重復(fù)不斷地進(jìn)行。對這樣一個(gè)過程，可用圖2.1所示的輪胎等效系統(tǒng)模型來加以解釋。在輪胎等效系統(tǒng)模型中，假定車輪的外圓周與輪輞之間由一些徑向布置的線性彈簧和阻尼單元支撐；此外，車輪胎面也假定由一系列切向排列的彈簧和阻尼單元就能充分作用，因而就生成附加的摩擦效應(yīng)，將它稱之為彈性遲滯阻力。輪胎胎面的彈簧和阻尼特性對路面附著力也有影響，選用低阻尼的胎面材料會導(dǎo)致附著摩擦力降低。
當(dāng)輪胎等效系統(tǒng)滾動時(shí)，對應(yīng)的“彈簧-阻尼單元”便開始做功，并將其轉(zhuǎn)化為熱，所產(chǎn)生的彈性遲滯阻力等于消耗的阻尼與行駛距離之比。
2．摩擦阻力
在圖2.1所示的輪胎等效系統(tǒng)模型中，由一系列彈簧-阻尼組成的單元連續(xù)滾動進(jìn)入輪胎接觸印跡區(qū)，由此相應(yīng)的輪胎外圓圓弧就被壓成對應(yīng)的弦長，即“輪胎接地長度” 。在輪胎接觸印跡內(nèi)，路面與滾動單元帶之間在哪縱向及橫向?qū)a(chǎn)生相對運(yùn)動，即所謂的“部分滑動”。由于部分滑動引起輪胎磨損，其能量被轉(zhuǎn)換成熱，由此產(chǎn)生了車輛動力傳動系統(tǒng)不得不克服的附加阻力。
圖2.1 輪胎等效系統(tǒng)模型
3.風(fēng)扇效應(yīng)阻力
像風(fēng)扇一樣，輪胎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會導(dǎo)致氣流損失，但可將其看做是對整個(gè)車輛氣流影響的一部分。因此，通常將風(fēng)扇效應(yīng)阻力加到總的車輛空氣阻力中。
4.滾動阻力系數(shù)
綜上所述，車輪在干、硬的平路面行駛，其滾動阻力包括彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇阻力三部分，即：
（2.1）
試驗(yàn)表明，在128-152km/h速度范圍內(nèi)，90%-95%輪胎的破壞是由內(nèi)部遲滯作用引起的，而2%-10%則歸咎于輪胎與地面的摩擦，僅有1.5%-3.5%歸咎于空氣阻力。因此，輪胎在硬路面上的滾動阻力主要由胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用造成。實(shí)際上，式（2-1）表達(dá)的各個(gè)分量（如彈性分量與摩擦分量）均無法單獨(dú)分開測量，因此有用的還是綜合表達(dá)式。
2.1.2滾動阻力系數(shù)的測定方法
一般可采用兩種不同的方法測量輪胎的總滾動阻力，即整車道路測試和室內(nèi)臺架測試。整車道路測試的優(yōu)點(diǎn)是：道路狀況和基本條件是真實(shí)的，但由于輪胎重復(fù)試驗(yàn)所必要的外部環(huán)境，如天氣、道路及交通條件等外在因素的干擾和不定性，測試中很難保證指定的試驗(yàn)參數(shù)。而以上問題在室內(nèi)固定輪胎試驗(yàn)臺測試中可以避免。在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，裝有試驗(yàn)輪胎的車輪被放在可以動的滾動表面上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可由車輪連接桿系上的力傳感器獲得。
2.1.3輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的類型選擇
根據(jù)滾動面情況的不同，輪胎試驗(yàn)臺基本上可分為三種類型（見表2.1的說明）：
（1）外支撐試驗(yàn)臺；
（2）內(nèi)支撐試驗(yàn)臺；
（3）平板試驗(yàn)臺。
表2.1 輪胎試驗(yàn)臺的類型及特點(diǎn)
試驗(yàn)類型
簡圖
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
外支撐試驗(yàn)臺
空間足夠大，
輪胎易于安裝
很難實(shí)現(xiàn)濕
路面測量
內(nèi)支撐試驗(yàn)臺
胎面可換，能實(shí)
現(xiàn)濕路面測量
空間有限，輪
胎不易安裝
平板試驗(yàn)臺
底座平坦，與實(shí)
際情況更吻合
導(dǎo)向困難，振
動引起腐蝕
最常用的是外支撐試驗(yàn)臺，外支撐試驗(yàn)臺的優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低，承載能力高，且結(jié)構(gòu)緊湊，車輪周圍留有較大的空間，不但可容納各種不同的車輪導(dǎo)向元件，以保證車輪定位，而且還可方便車輪的安裝。但由于離心力的作用，很難在外轉(zhuǎn)鼓上設(shè)置不同的道路條。
對內(nèi)支撐試驗(yàn)臺而言，離心力的作用可使車輪胎面很容易地固定于試驗(yàn)臺面。因此，內(nèi)支撐試驗(yàn)臺特別適合于進(jìn)行不同類型路面的試驗(yàn)，比如確定輪胎濕胎面的滾動特性。然而，車輪上的有限空間不利于車輪的安裝和控制。由于弧形支撐面的影響，所有的支撐試驗(yàn)臺基本上都存在測量誤差。與平板試驗(yàn)臺相比，在車輪載荷相同的情況下，內(nèi)支撐試驗(yàn)臺使輪胎接觸印跡和變形量增大，從而摩擦阻力和彈性遲滯阻力也相應(yīng)增加。如果滾動卷筒半徑與車輪半徑相比較大，其測量誤差就可控制在較小范圍內(nèi)。必要時(shí)可引入校正因子，以保證其測量結(jié)果與平面測量結(jié)果相吻合。
平板試驗(yàn)臺在最大程度上保證了輪胎的滾動表面，為車輪控制和車輪運(yùn)動提供了寬闊的空間，同時(shí)也方便了輪胎的安裝。通過變換不同滾板，可在一定條件下實(shí)現(xiàn)道路條件的改變，同樣也適用于濕道路條件，但由于支撐面振動可能會產(chǎn)生測量誤差。為解決滾板的導(dǎo)向問題，需要的技術(shù)成本較高，另外，滾板的磨損也增加了運(yùn)行成本。
本設(shè)計(jì)選用的就是外支撐試驗(yàn)臺。
2.1.4滾動阻力系數(shù)的測量與計(jì)算
在輪胎試驗(yàn)臺上測量輪胎的滾動阻力系數(shù)的方法，是用轉(zhuǎn)鼓輪胎試驗(yàn)臺，如圖2.2所示。
圖2.2 轉(zhuǎn)鼓輪胎試驗(yàn)臺
工作原理是由電力測功機(jī)驅(qū)動的試驗(yàn)輪胎放在轉(zhuǎn)鼓上，輪胎上加載垂直載荷，轉(zhuǎn)鼓軸連接著作為制動裝置的測功器。實(shí)驗(yàn)中測出驅(qū)動輪胎的轉(zhuǎn)矩和作用于轉(zhuǎn)鼓的制動力矩，則滾動阻力系數(shù)為
（2.2）
式中：—驅(qū)動輪胎的轉(zhuǎn)矩
—轉(zhuǎn)鼓的制動力矩
—轉(zhuǎn)鼓的半徑
—輪胎的動力半徑
—作用于輪胎上的垂直載荷
2.2 試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)條件
2.2.1轉(zhuǎn)鼓技術(shù)條件
1.轉(zhuǎn)鼓直徑
由于鋼帶式試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴，目前在室內(nèi)進(jìn)行輪胎滾動阻力試驗(yàn)的設(shè)備仍以轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)機(jī)為主。但是現(xiàn)用設(shè)備的轉(zhuǎn)鼓直徑不盡相同，有1.2m、1.6m、1.7m、2m、2.1m、3m等。ISO18164在考慮到各國設(shè)備情況和鼓面曲率對試驗(yàn)結(jié)果的影響后，一方面作出了轉(zhuǎn)鼓直徑應(yīng)在1.5～3m之間的規(guī)定；另一方面指出，在不同直徑的轉(zhuǎn)鼓上測得的輪胎滾動阻力值也不同，并給與了校正公式。但是該公式系一近似計(jì)算公式，輪胎與轉(zhuǎn)鼓接觸面上的力分布的改變并非一簡單的幾何形狀的改變，還與輪胎各部件剛度等諸多因素有關(guān)。這里選擇直徑為1.6m的轉(zhuǎn)鼓。
2.轉(zhuǎn)鼓表面
轉(zhuǎn)鼓表面應(yīng)為光滑的鋼制表面或有紋理的表面，轉(zhuǎn)鼓表面應(yīng)保持清潔。
汽車在干燥滾筒上的驅(qū)動過程是一個(gè)摩擦過程，總摩擦力由若干分力組成，如：
（2.3）
式中：——接觸面間的附著力；
——輪胎在滾筒上滾動變形時(shí)，由于壓縮與伸張作用之間能量的差別而消耗的能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為阻止車輪滾動的作用力；
該兩項(xiàng)分力取決于輪胎材料、結(jié)構(gòu)和溫度。
附著系數(shù)隨速度增加而下降的原因較為復(fù)雜，一方面是由于滾筒圓周速度提高，接觸面的溫升加快，很快在滾筒表面形成了一層橡膠膜，降低了附著系數(shù)。
(3)轉(zhuǎn)鼓寬度
轉(zhuǎn)鼓測試面寬度應(yīng)大于輪胎胎面的寬度，輪胎直徑為0.76m，寬為0.24m，所以轉(zhuǎn)鼓寬度選為0.6m。
3．溫度環(huán)境
(1)標(biāo)準(zhǔn)條件
標(biāo)準(zhǔn)室溫是指在距輪胎側(cè)1m處的輪胎旋轉(zhuǎn)軸上測得的溫度，應(yīng)為25°C。
(2) 轉(zhuǎn)鼓表面溫度
注意確保測量開始時(shí)轉(zhuǎn)鼓表面的溫度與室溫大致相同。
4．試驗(yàn)條件
本項(xiàng)試驗(yàn)的內(nèi)容為在一定的輪胎充氣壓力下測量輪胎的滾動阻力，在試驗(yàn)過程中，允許輪胎氣壓有所增大（封閉式氣壓）。
5．試驗(yàn)速度
（1）載荷指數(shù)不小于122的試驗(yàn)速度
速度級在K到M之間的輪胎轉(zhuǎn)鼓速度為80km/h，速度級在F到J之間的輪胎轉(zhuǎn)鼓速度為60 km/h。
（2）載荷指數(shù)小于122的試驗(yàn)速度
轉(zhuǎn)鼓速度為80km/h，如有需要，可采用120km/h的轉(zhuǎn)鼓速度。
2.2.2試驗(yàn)步驟
（1）磨合
為了保證測量結(jié)果的重復(fù)性，早開始試驗(yàn)之前，應(yīng)使輪胎有一個(gè)初始的磨合過程，然后再使之冷卻。
（2）溫度調(diào)節(jié)
充氣輪胎在試驗(yàn)場所的溫度環(huán)境中放置一定時(shí)間，以便達(dá)到熱平衡，通常在6h后溫度達(dá)到平衡。
（3）壓力調(diào)整
溫度調(diào)節(jié)結(jié)束后，將充氣壓力調(diào)整到試驗(yàn)壓力，10min后再檢查一遍。
（4）初步確定試驗(yàn)方案
測量并記錄的內(nèi)容包括：
1）試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓速度 v（km/h）；
2）垂直于轉(zhuǎn)鼓表面的輪胎載荷W；
3）充氣壓力；
4）驅(qū)動輪胎的轉(zhuǎn)矩，作用于轉(zhuǎn)鼓的制動力矩；
5）試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓半徑R（m）；
6）選擇的試驗(yàn)方法。
2.3滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響分析
車輪滾動時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的相對剛度決定了變形的特點(diǎn)。當(dāng)彈性輪胎在硬質(zhì)的鋼制光滾筒上滾動時(shí)，輪胎的變形是主要的，此時(shí)由于輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使輪胎變形時(shí)對它做的功不能全部收回，此能量消耗在輪胎各組成分相互間的摩擦以及橡膠、簾線等物質(zhì)的分子間的摩擦，最后轉(zhuǎn)化為熱能而消失在大氣中。這種損失即為彈性物質(zhì)的遲滯損失。
因?yàn)闈L動阻力系數(shù)與模擬路面的滾筒種類、行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)，所以，對其影響因素分析是非常必要的，具體分析如下：
1.鋼制光滾筒對滾動阻力系數(shù)的影響
(1)若滾筒的半徑r越大，在車輪滾動時(shí)輪胎的變形量就越小，也就是說彈性遲滯損失就越小，故滾動阻力系數(shù)隨滾筒半徑的增大而減小。
(2)在加工過程中滾筒的橢圓度、同軸度越小，輪胎在滾筒上的運(yùn)轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)，當(dāng)車速一定時(shí)滾動阻力系數(shù)的波動范圍就越小，所以說，滾動阻力系數(shù)隨滾筒加工精度的提高而減小。
(3)目前我國在用的底盤測功機(jī)滾筒表面有兩種，一種是常見的光滾筒即表面未經(jīng)處理的滾筒，另一種是滾筒表面噴涂有耐磨硬質(zhì)合金，前者由于滾筒表面較光滑，其附著系數(shù)約為0.5，試驗(yàn)用的東風(fēng)車在50km/h工況下檢測最大底盤輸出功率時(shí)，其滑移率約為8%，也就是說，汽車車輪在行走時(shí)，除滾動阻力外還有滑拖，致使被檢測車輪發(fā)熱，增大了滾動阻力損失，同時(shí)由于速度的誤差，引起了所測功率的誤差。后者采用表面噴涂技術(shù)，將滾筒表面的附著系數(shù)提高到0.8左右，接近于一般水泥路面的附著系數(shù)，則可避免滑拖現(xiàn)象。
(4)滾筒中心距L是指底盤測功機(jī)前后兩排滾筒支承軸線之間的距離，隨著滾筒中心距的增加，汽車車輪的安置角隨之增大，前后滾筒對車輪支承力也隨之增大，這樣將導(dǎo)致車輛在測功機(jī)臺架上的運(yùn)行滾動阻力增加。
綜上所述滾筒直徑、安置角、滾筒表面質(zhì)量、滾筒中心距對滾動阻力有很大的影響，由于部分底盤測功機(jī)僅顯示功率吸收裝置的吸收功率，所以同一輛車在不同臺架上測得的數(shù)值不同。因此如果以底盤測功機(jī)作為法定計(jì)量設(shè)備，其滾簡直徑、中心距、表面處理以及加載方式必須標(biāo)準(zhǔn)化。
2.輪胎氣壓對滾動阻系數(shù)的影響
輪胎氣壓對滾動阻力系數(shù)影響很大，氣壓低時(shí)在硬路面上輪胎變形大，滾動時(shí)遲滯損失增加，為了減少該項(xiàng)所引起的檢測誤差，要求在動力性檢測前必須將輪胎氣壓充至標(biāo)準(zhǔn)氣壓。
2.4本章小結(jié)
本章主要確定了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)方案的目的和測量方法，詳述了輪胎滾動阻力的力學(xué)特性,并對滾筒裝置和輪胎的尺寸參數(shù)進(jìn)行了選擇，探討了試驗(yàn)設(shè)備以及技術(shù)條件。同時(shí)也分析了滾動阻力對汽車底盤輸出功率測定值的影響。
第3章 電機(jī)的選擇
3.1電力測功機(jī)的功用
3.1.1電力測功機(jī)的應(yīng)用情況
電力測功機(jī)是測功機(jī)家族中比較有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€(gè)分支。電力測功機(jī)就是利用直流電機(jī)或者交流電機(jī)作為轉(zhuǎn)換元件，將電能轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，以轉(zhuǎn)矩形式為軸承電機(jī)加載；并通過對輸出功率的測試，是一種全功能（有電動工況又有發(fā)電工況）、高性能的重要檢測設(shè)備。在這些功能中，很大一部分是針對電機(jī)的。它是被測電機(jī)的加載設(shè)備，是電機(jī)制造和產(chǎn)品研發(fā)過程中重要的性能測試和檢測設(shè)備之一。它通過軸連接器與被測電機(jī)同軸對接，用于模擬和控制被測電機(jī)的負(fù)載，以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以及其他特殊的動力試驗(yàn)測試項(xiàng)目，如安全性試驗(yàn)、動平衡試驗(yàn)等。
國內(nèi)通常把直流測功機(jī)和交流測功機(jī)統(tǒng)稱為電力測功機(jī)。電力測功機(jī)目前大都采用直流測功機(jī)，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的調(diào)速性能好，控制簡單。但直流電機(jī)由于換向器的影響，不能適用于高速運(yùn)行，因此在轉(zhuǎn)速很高的情況下，往往采用機(jī)械減速裝置。
3.1.2電力測功機(jī)的結(jié)構(gòu)原理
電力測功機(jī)利用電機(jī)測量各種動力機(jī)械軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合轉(zhuǎn)速以確定功率的設(shè)備。因?yàn)楸粶y量的動力機(jī)械可能有不同轉(zhuǎn)速，所以用作電力測功機(jī)的電機(jī)必須是可以平滑調(diào)速的電機(jī)。目前用得較多的是直流測功機(jī)、交流測功機(jī)和渦流測功機(jī)。 直流測功機(jī)由直流電機(jī)、測力計(jì)和測速發(fā)電機(jī)組合而成。直流電機(jī)的定子由獨(dú)立的軸承座支承，它可以在某一角度范圍內(nèi)自由擺動。機(jī)殼上帶有測力臂，它與測力計(jì)配合，可以檢測定子所受到的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)直流電機(jī)原理，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)施加于定子和轉(zhuǎn)子。定子所受到的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子所受到的轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，所以轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩可以由定子上量測。運(yùn)行中軸承、電刷和風(fēng)致摩擦等引起的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，會使定子和轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)矩不完全相等，這給測量所帶來的誤差需要加以考慮。
直流測功機(jī)可作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，作為被測動力機(jī)械的負(fù)載，以測量被測機(jī)械的軸上輸出轉(zhuǎn)矩；也可以作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，拖動其他機(jī)械，以測量其軸上輸入轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩與測速發(fā)電機(jī)測得的轉(zhuǎn)速之積即軸功率。這就是測功機(jī)一名的由來。本文采用的就是直流測功機(jī)。
3.2選擇電動機(jī)
選擇電動機(jī)的內(nèi)容包括:電動機(jī)類型、結(jié)構(gòu)型式、容量和轉(zhuǎn)速，要確定電動機(jī)具體型號。
3.2.1驅(qū)動電機(jī)的選擇
1．選擇電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式
電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式要根據(jù)電源（交流和直流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸等）和載荷特點(diǎn)（性質(zhì)、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。
沒有特殊要求時(shí)均應(yīng)選用交流電動機(jī)，其中以三相鼠籠式異步電動機(jī)用得最多?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表12-1所列Y系列電動機(jī)為我國推廣采用的新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的場合，以及要求具有較好啟動性能的機(jī)械。在經(jīng)常啟動、制動和反轉(zhuǎn)的場合(如起重機(jī)),要求電動機(jī)具有轉(zhuǎn)動慣量小和過載能力大，則應(yīng)選用起重及冶金用三相異步電動機(jī)YZ型（籠型）或YZR型（繞線型）。
電動機(jī)結(jié)構(gòu)有開啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式等，可根據(jù)防護(hù)要求選擇。同一類型的電動機(jī)又具有幾種安裝型式，應(yīng)根據(jù)安裝條件確定。
因?yàn)楸緜鲃拥墓ぷ鳡顩r是：載荷平穩(wěn)、單向旋轉(zhuǎn)，所以選用常用的封閉式Y(jié)（IP44）系列的電動機(jī)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速=3500r/min。
2．選擇電動機(jī)容量
標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)的容量由額定功率表示，所選電動機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率，容量小于工作要求，則不能保證工作機(jī)正常工作，或使電動機(jī)長期過載，發(fā)熱大而過早損壞，容量過大，則增加成本，并且由于功率和功率因數(shù)而造成浪費(fèi)。
電動機(jī)的容量主要由運(yùn)動時(shí)發(fā)熱條件限定，再不變或變化很小的載荷下長期連續(xù)運(yùn)動的機(jī)械，只要其電動機(jī)的載荷不超過額定值，電動機(jī)便不會過熱，通常不必校驗(yàn)發(fā)熱和啟動力矩。
（1）工作機(jī)所需功率
式中：—工作機(jī)所需輸入功率，kw；
—工作機(jī)的阻力鉅，N?m；
—工作機(jī)的效率；
—工作機(jī)的轉(zhuǎn)速。
（2）電動機(jī)的輸出功率
（3.1）
式（3.1）中，總效率按下式計(jì)算：
其中、、、、分別為傳動裝置中每一傳動副（齒輪、蝸桿、帶或鏈）、每對軸承、每個(gè)聯(lián)軸器的效率，其概略值見《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表1-7。選用此表數(shù)值時(shí)，一般取中間值，如工作條件差，潤滑維護(hù)不良時(shí)應(yīng)取低值，反之取高值。
式中：Pd—工作機(jī)實(shí)際需要的電動機(jī)輸出功率，kw；
η總—電動機(jī)至工作機(jī)之間傳動裝置的總效率。
3．確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速
同一類型的電動機(jī)，相同的額定功率有多種轉(zhuǎn)速可供選用。如選用低轉(zhuǎn)速電動機(jī)，因極數(shù)較多而外廓尺寸及重量較大，故價(jià)格較高，但可使傳動裝置總傳動比及尺寸減小。選用高轉(zhuǎn)速電動機(jī)則相反。因此應(yīng)全面分析比較其利弊來選定電動機(jī)轉(zhuǎn)速。
按照工作機(jī)轉(zhuǎn)速要求和傳動機(jī)構(gòu)的合理傳動比范圍，可以推算電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍，如
r/min
式中：nd—電動機(jī)可選轉(zhuǎn)速范圍，r/min；
—各級傳動機(jī)構(gòu)的合理傳動比范圍（見《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表1-8或表13-2）
對Y系列電動機(jī)，通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動機(jī)，如無特殊需要，不選用低于750r/min的電動機(jī)。
這里初選同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機(jī)。
4．電動機(jī)型號的確定
由表12－1查出電動機(jī)型號為Y250M-4 ,其額定功率為 55 kW，滿載轉(zhuǎn)速為
1480r/min，基本符合題目所需的要求。
根據(jù)選定的電動機(jī)類型、結(jié)構(gòu)、容量和轉(zhuǎn)速，由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表12-1和表12-11查出電動機(jī)型號，并記錄其型號、額定功率、滿載轉(zhuǎn)速，見表3.1，以及電動機(jī)的外形尺寸、中心高、軸伸尺寸、鏈連接尺寸、地腳尺寸等參數(shù)備用，如圖3.1為Y250M-4型號的電動機(jī)安裝及外形尺寸。
表3.1 電動機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
電動機(jī)型號
額定功率
kW
滿載轉(zhuǎn)速
r/min
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量kg
Y250M-4
55
1480
2.0
2.2
427
圖3.1 Y250M-4電動機(jī)安裝及外形尺寸
下表3.1為Y250M-4電動機(jī)的外形尺寸參數(shù)。
表3.1 Y250M-4電動機(jī)的外形尺寸參數(shù)
型號
A
B
C
D
E
F
G
H
K
AB
AC
AD
HD
BB
L
Y250M-4
406
349
169
65
140
18
58
250
24
490
495
385
575
455
930
3.2.2制動電機(jī)的選擇
因?yàn)檩敵龊洼斎牍β氏嗖畈淮?，所以制動電機(jī)應(yīng)選用跟驅(qū)動電機(jī)型號相同的電機(jī)，因此制動電機(jī)的型號為Y250M-4。
3.3傳感器的選擇
根據(jù)試驗(yàn)的條件這里選擇CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。CYB-803S用于測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值，由于輸出為方波頻率信號或4-20mA電流信號，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器由于是變壓器感應(yīng)供電，可以長期工作，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、發(fā)電機(jī)、減速機(jī)、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的檢測。CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型對照表和外形尺寸如表3.1和圖3.1所示。
表3.1 CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選型對照表
Nm
D
d
L
E
H
h
B
G
F
鍵（長×寬×深）
鍵
重量
5-100
92
18
188
30
128
57
65
88
79
20×6×6
單鍵
6kg
200-500
96
33
229
47
133
60
65
8
79
30×10×8
單鍵
7.5kg
700-3000
124
45
306
70
168
85
65
8
100
36×14×9
單鍵
16kg
2000-3000
124
45
300
70
168
85
65
8
100
36×14×9
單鍵
16kg
4000-6000
160
70
354
90
212
100
100
11
120
70×20×12
單鍵
26kg
7000-10000
160
70
395
98
212
100
100
11
120
70×20×12
單鍵
27kg
這里選擇范圍為5-100Nm的尺寸。
圖3.1 CYB-803S轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的外形尺寸
1—測試傳動軸；2—扭矩儀殼體；3—電器盒；4—底座；5—調(diào)整螺孔
3.4本章小結(jié)
本章介紹了電力測功機(jī)的組成、原理及應(yīng)用，然后通過運(yùn)算對電動機(jī)的類型、容量、轉(zhuǎn)速進(jìn)行了確定，從而確定了電動機(jī)的型號，并選擇了一個(gè)合適的傳感器用來測驅(qū)動輪胎的轉(zhuǎn)矩和作用于轉(zhuǎn)鼓的制動力矩。
第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1結(jié)構(gòu)及工作原理
傳統(tǒng)軸承試驗(yàn)機(jī)所使用的加載裝置均為手動加載，只能提供一種恒定的油壓，使試驗(yàn)軸承只能獲得恒定的壓力。雖然可以由液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)壓力的變化，但液壓系統(tǒng)體積大、造價(jià)高、耗能大?；谝陨显?，設(shè)計(jì)了以下加載裝置。
加載裝置結(jié)構(gòu)如圖4.1，主要由步進(jìn)電機(jī)、壓力變送器、液壓系統(tǒng)及蝸輪、蝸桿組成。
加載裝置工作時(shí)，缸體下部預(yù)先充入液壓油，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給，通過蝸桿蝸輪帶動軸5轉(zhuǎn)動，軸5通過花鍵帶動軸3轉(zhuǎn)動。由于軸3和蓋4之間是螺紋連接，軸3在轉(zhuǎn)動的過程中下移，從而推動活塞下移，使液壓油進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)加載油缸。
壓力變送器能測得系統(tǒng)油壓，并把它變?yōu)殡娦盘柗答伣o控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)所需油壓控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)或退，以達(dá)到試驗(yàn)機(jī)所需油壓。
4.2步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。
圖4.1 加載裝置
1—缸體；2—活塞；3—軸；4—蓋；5—軸；6—蝸輪蝸桿；7—步進(jìn)電機(jī)；8—壓力變送器
總的來說，選擇步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行，如圖4.2所示。
圖4.2 選擇步進(jìn)電機(jī)步驟
選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：
加載力
軸和蓋間為M16螺紋，其中徑，
螺距L=2mm，牙形斜角=30°，
中徑處螺旋升角，
若取摩擦系數(shù)，當(dāng)量摩擦系數(shù)為，
則當(dāng)量摩擦角為，
根據(jù)系統(tǒng)所需最高油壓，算得活塞的最大推力為，
則蝸輪軸所需最大扭矩為，
蝸輪蝸桿傳動比設(shè)為，
取蝸輪蝸桿傳動效率，
取軸承效率，
則蝸桿軸所需最大扭矩為，
VRDM368型步進(jìn)電機(jī)額定扭矩為1.5，能滿足要求。
4.3液壓傳動概論
液壓傳動是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動方式。液壓傳動與機(jī)械傳動相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械設(shè)備中，液壓傳動是被廣泛采用的傳動方式之一。
液壓傳動與機(jī)械、電力等傳動相比，有以下有點(diǎn)：
（1）能方便地進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。
（2）體積小、質(zhì)量輕、功率大，即功率重量比大。一方面，在相同輸出功率前提
下，其體積小、重量輕、慣性小、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(tǒng)具有重要意義。
另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力。
（3）控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動化控制和過載保護(hù)。
（4）因傳動介質(zhì)為油液，故液壓元件有自我潤滑作用，使壽命長。
（5）可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
（6）液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
（7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動負(fù)載，從而省去了中間的減速裝置，使傳動簡化。
液壓傳動的主要缺點(diǎn)是：
（1）漏。由于作為傳動介質(zhì)的液體是在一定的壓力下、有時(shí)是在較高的壓力下工作的，因此在有相對運(yùn)動的表面間不可避免地要產(chǎn)生漏油。同時(shí)，由于油液并不是絕對不可以壓縮的，油管等也會產(chǎn)生彈性變形，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求較嚴(yán)格的場合。
（2）振。液壓傳動中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產(chǎn)生很大的振動和噪聲。
（3）熱。在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，由于存在機(jī)械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動不宜用于遠(yuǎn)距離傳動。
（4）液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫或低溫下工作。液壓傳動裝置對油液的污染亦較敏感，故要求有良好的過濾設(shè)施。
（5）液壓元件加工精度要求高，一般情況下又要求有獨(dú)立的能源，這些可能使產(chǎn)品成本提高。
（6）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，不易迅速排出。
綜上所述，液壓傳動由于其優(yōu)點(diǎn)比較突出，故在工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門獲得廣泛應(yīng)用。它的某些缺點(diǎn)隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。
為了迅速趕超世界先進(jìn)水平，我國已瞄準(zhǔn)世界發(fā)展主流的液壓元件系列型譜，有計(jì)劃地引進(jìn)、消化、吸收國外最先進(jìn)的液壓技術(shù)和產(chǎn)品，并對我國現(xiàn)正生產(chǎn)的液壓產(chǎn)品進(jìn)行整頓，合理調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大力開展產(chǎn)品國產(chǎn)化工作?？梢灶A(yù)見，我國的液壓技術(shù)在21世紀(jì)必將獲得更快的發(fā)展。
4.4液壓缸的類型及其特點(diǎn)和應(yīng)用
液壓缸是把液體的壓力能轉(zhuǎn)換成直線式機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置（執(zhí)行元件）。液壓缸輸出的是力和位移。液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)部門。
液壓缸按其作用方式，分為單作用式和雙作用式兩大類。單作用式液壓缸只利用
液壓力推動活塞向著一個(gè)方向運(yùn)動，而反向運(yùn)動則依靠重力或彈簧力等實(shí)現(xiàn)。雙作用式液壓缸，其正、反兩個(gè)方向的運(yùn)動都依靠液壓力來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用的是雙作用式液壓缸。
液壓缸按不同的使用壓力，又可分為中低壓，中高壓和高壓液壓缸。對于機(jī)床類機(jī)械一般采用中低壓液壓缸，其額定壓力為2.5～6.3MPa；對于要求體積小、重量輕、出力大的建筑車輛和飛機(jī)用液壓缸缸多采用中高壓液壓缸，其額定壓力為10～16MPa；對于油壓機(jī)一類機(jī)械，大多數(shù)采用高壓液壓缸，其額定壓力為25～31.5MPa。
液壓缸按結(jié)構(gòu)型式的不同，又有活塞式、柱塞式、擺動式、伸縮式等形式，其中以活塞式液壓缸應(yīng)用最多。活塞缸和柱塞缸用以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，輸出推力和速度；擺動缸用以實(shí)現(xiàn)小于360°的轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。本設(shè)計(jì)選用的是活塞式液壓缸。
活塞液壓缸有雙桿活塞缸和單桿活塞缸兩種，本設(shè)計(jì)選用的是單桿活塞缸。
4.5液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.5.1液壓缸主要尺寸的確定
液壓缸主要尺寸包括缸的內(nèi)徑、長度、活塞桿的直徑及長度。確定上述尺寸的原始依據(jù)是液壓缸的負(fù)載、運(yùn)動速度、行程長度和結(jié)構(gòu)形式等。通常，液壓缸需要自行設(shè)計(jì)。
1．液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑
動力較大的設(shè)備（如拉床、刨床、車床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)等）液壓缸的內(nèi)徑通常是先根據(jù)設(shè)備類型及缸所受負(fù)載F參照表4.1和表4.2確定出缸的工作壓力P，再按表4.4確定出比值（），然后根據(jù)承載情況按下面的公式計(jì)算得出。
表4.1 各類液壓設(shè)備常用工作壓力
設(shè)備類型
磨床
車床、銑床、鉆床、鏜床
組合機(jī)床
龍門刨床拉床
注塑機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、小工程機(jī)械
液壓壓力機(jī)、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)
工作壓力
0.8～2
2～4
3～5
8～10
10～16
20～32
表4.2 液壓缸工作壓力與負(fù)載之間的關(guān)系
負(fù)載
＜5
5～10
10～20
20～30
30～50
＞50
工作壓力
＜0.8～1.0
1.5～2.0
2.5～3.0
3.0～4.0
4.0～5.0
5～10
表4.3 系數(shù)的推薦值
工作壓力
＜5
5～7
＞7
活塞桿受拉力
0.3～0.45
活塞桿受壓力
0.50～0.55
0.6～0.7
0.7
綜合上表選負(fù)載F為90，工作壓力P為20，活塞桿受壓力=0.7。
當(dāng)有桿腔壓力油驅(qū)動負(fù)載時(shí)，由于
故
（4.1）
當(dāng)無桿腔壓力油驅(qū)動負(fù)載時(shí)，由于
故
（4.2）
由式（4.1）、式（4.2）算出的值及選定的值即可求出活塞桿的直徑來。、的取值應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。
因?yàn)槭怯捎袟U槍壓力驅(qū)動負(fù)載，所以由式（4.1）
。
2．液壓缸壁厚
在中低壓系統(tǒng)中，液壓缸壁厚根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝上的需要確定，一般不進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)液壓缸工作壓力較高或直徑較大時(shí)，才有必要對其最薄弱部位的壁厚進(jìn)行強(qiáng)度校核。
當(dāng)時(shí)，按以下薄壁筒公式校核
（4.3）
當(dāng)時(shí)，按以下厚壁筒公式校核
（4.4）
式中：—缸筒壁厚；
—缸筒直徑；
—試驗(yàn)壓力，當(dāng)液壓缸的的額定壓力時(shí)，；當(dāng)額定壓力時(shí)，；
—缸筒材料的許用應(yīng)力。，為抗拉強(qiáng)度，為安全系數(shù)，一般取。
因?yàn)?
所以按公式（4.4）進(jìn)行校核，結(jié)果符合要求。
3．液壓缸其它尺寸的確定
液壓缸的長度按其最大行程確定，一般不大于（20～30）。活塞的寬寧國市度按缸的工作壓力和活塞的密封方式確定，一般為（0.6～1）。導(dǎo)向套滑動面的長度，當(dāng)＜80mm時(shí)，?。?.6～1）；當(dāng)時(shí),?。?.6～1）。活塞桿的長度按缸的長度、活塞的寬度、導(dǎo)向套的長度、端蓋的有關(guān)尺寸及它與工作臺連接方式確定。對長度與直徑之比大于15的受壓活塞桿，應(yīng)按材料力學(xué)公式進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算。當(dāng)壓力不高時(shí)，端蓋的尺寸、緊固螺釘?shù)膫€(gè)數(shù)和尺寸可由結(jié)構(gòu)決定；高壓系統(tǒng)則必須進(jìn)行螺釘強(qiáng)度的校核。
4.5.2單桿活塞缸原理及計(jì)算
圖4.3為單桿活塞缸原理圖。其活塞的一側(cè)有伸出桿，兩腔的有效工作面積不相等。當(dāng)向缸兩腔分別供油，且供油壓力和流量相同時(shí)，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向的推力和運(yùn)動速度不相等。
當(dāng)無桿腔進(jìn)壓力油，有桿腔回油（圖4.3a）時(shí)，活塞推力和運(yùn)動速度分別為
（4.5）
（4.6）
（a）
（b）
圖4.3單桿活塞缸
當(dāng)桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油（圖4.3b）時(shí)，活塞推力和運(yùn)動速度分別為
（4.7）
（4.8）
式中： —缸無桿腔有效工作面積；
—缸無桿腔有效工作面積；
—進(jìn)油壓力；
—進(jìn)入液壓缸的流量表；
—液壓缸內(nèi)徑；
—活塞桿直徑；
比較上面公式可知：，。即無桿腔進(jìn)壓力油工作時(shí)，推力大，速度低；有桿腔進(jìn)壓力油工作時(shí)，推力小，速度高。因此，單桿活塞缸常用于一個(gè)方向有較大負(fù)載但運(yùn)行速度較低，另一個(gè)方向?yàn)榭蛰d快速退回運(yùn)動的設(shè)備。例如，各種金屬切削機(jī)床、壓力機(jī)、注射機(jī)、起重機(jī)的液壓系統(tǒng)即常用單桿活塞缸。
單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，如圖4.4所示，由于無桿腔工作面積大，活塞像右的推力大于向左的推力，故其向右移動。液壓缸的這種連接稱為差動連接。
差動連接時(shí)，活塞的推力為
（4.9）
若活塞的速度為，則無桿腔的進(jìn)油量為，有桿腔的出油量為，因而有下式
（4.10）
圖4.4 單桿活塞缸的差動連接
比較（4.6）和（4.10）式可知，；比較（4.5）和（4.9）式可知，。這說明單桿活塞缸差動連接時(shí)，能使運(yùn)動部件獲得較高的速度和較小的推力。因此，單桿活塞缸還常用在需要實(shí)現(xiàn)“快進(jìn)（差動連接）→工進(jìn)（無桿腔進(jìn)壓力油）→快退（有桿腔進(jìn)壓力油）”工作循環(huán)的組合機(jī)床等設(shè)備的液壓系統(tǒng)中。這時(shí)，通常要求“快進(jìn)”和“快退”的速度相等，即。由式（4.10）、式（4.8）、知，，即（或）。
單桿活塞缸不論是缸體固定，還是活塞桿固定，工作臺的活動范圍都略大于缸有效行程的兩倍。
4.5.3液壓缸的材料及技術(shù)條件
1.缸筒
(1) 缸筒材料（如圖4.5所示）
工程機(jī)械、鍛壓機(jī)械等工作壓力較高的場合，常用20、35、45號鋼的無縫鋼管。其中，20號鋼用得較少，因其較軟，機(jī)械強(qiáng)度也低，加工粗糙度不易保證。須與缸蓋、管接頭、耳軸等零件焊接的缸筒用35號鋼，并在粗加工后調(diào)質(zhì)。不與其它零件焊接的缸筒，常用45號鋼調(diào)質(zhì)，調(diào)制處理的目的是保證強(qiáng)度高、加工性好，一般調(diào)質(zhì)到HB241～285。
圖4.5 缸筒
（2）技術(shù)條件
1)缸筒內(nèi)徑孔采用H9配合。內(nèi)孔表面的粗糙度：當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時(shí)，取～；當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時(shí)，取～，且均需要研磨或衍磨。比較加工方法是在鏜孔之后進(jìn)行滾壓。這樣既可降低表面粗糙度，又可提高表面硬度（表面硬度可達(dá)HRC35～40）。
2)內(nèi)控表面的圓柱度公差為內(nèi)徑公差之半。
3)孔軸心線的直線度公差在500mm長度上為0.03。
4)端面對軸心線的垂直度公差在直徑100mm上為0.04mm。
5)當(dāng)缸筒與端蓋用螺紋聯(lián)接時(shí)，螺紋采用6g級精度的工制螺紋。
6)為了防止缸筒腐蝕和提高其壽命，可以在缸筒內(nèi)表面鍍0.03～0.05mm厚的硬鉻，再進(jìn)行研磨拋光，缸筒外表面涂耐油油漆。
2.活塞(如圖4.6所示)
（1）活塞材料
活塞材料常用耐磨鑄鐵、鋁合金或鋼外面覆蓋一層青銅、黃銅和尼龍等耐磨套。
（2）技術(shù)條件
1)外徑對的徑向跳動公差為公差之半。
2)端面對活塞軸線的垂直度公差在直徑100mm直徑上的公差為0.04mm。
3)外徑的 圓柱度公差為外徑公差之半。
圖4.6 活塞
3.缸蓋(如圖4.7所示)
（