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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1離合器概述 1
1.2影響離合器工作性能的因素 2
1.3試驗(yàn)臺的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 3
1.4本課題的研究內(nèi)容及意義 8
第2章 高速破壞試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案 9
2.1 實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)思路 9
2.1.1實(shí)驗(yàn)臺的組成 9
2.1.2 實(shí)驗(yàn)臺的分類 9
2.2試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)原理 12
2.3傳感器的選用 13
2.3.1轉(zhuǎn)速傳感器 13
2.3.2聲敏傳感器 14
2.4實(shí)驗(yàn)臺的總布置設(shè)計(jì) 15
2.5 本章小結(jié) 16
第3章 實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.1 實(shí)驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)流程 17
3.2 實(shí)驗(yàn)臺各總成設(shè)計(jì) 17
3.2.1 電動機(jī)的選擇 17
3.2.2 第一級聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 18
3.2.3 總傳動比設(shè)計(jì) 18
3.2.4 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.2.5 變速器軸的設(shè)計(jì)與校核 25
3.2.6 第二級聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 31
3.2.7 驅(qū)動軸的設(shè)計(jì) 31
3.3 本章小結(jié) 32
結(jié) 論 33
參考文獻(xiàn) 34
致謝 35
摘 要
Ⅰ
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
隨著現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，對離合器也提出了新的要求，除了要求它在高速下仍能保證傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩外，還要求其必須具有足夠的旋轉(zhuǎn)機(jī)械強(qiáng)度，以保證安全可靠的工作。離合器在工作過程中與變速器飛輪相連，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較復(fù)雜，零件極易在高速旋轉(zhuǎn)過程中在離心力的作用下，產(chǎn)生破壞，因此開發(fā)其具有破壞性的性能試驗(yàn)臺，檢驗(yàn)其承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，避免其在使用過程中出現(xiàn)事故是十分必要的。
設(shè)計(jì)過程中，針對整個(gè)試驗(yàn)臺的性能要求對整個(gè)試驗(yàn)臺進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，包括電機(jī)的選擇，傳動比的分配，聯(lián)軸器的選擇等。另外，還對對變速器中的齒輪，軸，鍵進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以及強(qiáng)度等的校核計(jì)算，完成了離合器壓盤總成高速破壞試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)。為研制開發(fā)汽車零部件試驗(yàn)裝置提供理論參考。
關(guān)鍵詞：離合器總成；傳動機(jī)構(gòu)；變速器；高速破壞性試驗(yàn)；試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
ABSTRACT
With he Hyundai Motor and continuous improvement in engine speed, the clutch also made new demands, in addition to the requirements despite its high-speed engines to ensure maximum torque transmission, but also require the rotation must have sufficient mechanical strength to ensure safety reliable work. In the course of clutch and transmission flywheel connected to the structure constitutes a complex, vulnerable parts in the high-speed rotation in the course of the effect of centrifugal force, resulting in damage, so the development of its devastating performance test rig, to test its high-speed operation under the the ability to avoid its use in case of accidents is very necessary.
The design process, the test-bed for the entire performance requirements of the test-bed for the entire layout, including the choice of motor, the transmission ratio of the distribution, the choice of coupling. In addition, in the right right reducer gears, shaft, key design and strength calculation of the check, the completion of the clutch pressure plate and cover assembly of high-speed destruction of test-bed design. Research and development of automotive components for test equipment and provide a theoretical reference.
Key words: Clutch Assembly; Transmission; Reducer; High-speed Destructive Test; Test-bed Design
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第1章 緒 論
1.1離合器概述
離合器是汽車傳動系統(tǒng)中的一種重要的傳動裝置。它主要實(shí)現(xiàn)主動軸和從動軸之間運(yùn)動和動力的傳遞和脫離。一般地說，離合器可以實(shí)現(xiàn)汽車的啟動、停車、換擋、傳動軸在運(yùn)動中的同步、汽車啟動和超載時(shí)的安全保護(hù)等功能，此外，還可以實(shí)現(xiàn)防止從動軸的逆轉(zhuǎn)、控制傳遞扭矩的大小、滿足接合時(shí)間等方面的要求。
汽車主要使用摩擦離合器。摩擦離合器的傳動原理是依靠本身的工作元件在接合時(shí)的摩擦作用來傳遞運(yùn)動和扭矩。汽車離合器是一種常閉式可操縱離合器，其工作過程通常為工作—脫開—接合的循環(huán)過程。由于是常閉狀態(tài)，所以使離合器通常處于承擔(dān)負(fù)載的狀態(tài)，只有在偶然或較短暫的時(shí)間條件下，才需要通過操縱裝置加力使接合元件的主動部分和從動部分脫開，即操縱裝置對主動接合元件所施的力為脫開力，而離合器所需的重新接合的壓緊力則是由彈簧力來實(shí)現(xiàn)。
汽車離合器是最重要的結(jié)構(gòu)，保證汽車平穩(wěn)起步汽車由靜止到行駛的過程，其速度由零逐漸增大。有了離合器，在汽車起步時(shí)離合器逐漸接合（與此同時(shí)，逐漸踩下加速踏板以增加發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩），這樣，離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩也就逐漸增大，于是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩便可有小變大地傳給傳動系，當(dāng)牽引力足以克服汽車的行駛阻力時(shí)，汽車便由靜止?fàn)顟B(tài)開始緩慢地加速，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步。汽車在行駛過程中，為了適應(yīng)行駛條件的變化，變速器需要經(jīng)常換用不同的擋位工作，而普通齒輪式變速器換檔時(shí)通過撥動換檔機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，即在用擋位的一對齒輪副退出嚙合，待用擋位的一對齒輪副進(jìn)入嚙合，換檔時(shí)，如果沒有離合器將發(fā)動機(jī)與變速器之間的動力暫時(shí)切斷，在用擋位齒輪副之間將因壓力很大而難以脫開，待用擋位的齒輪副將因兩者圓周速度不等而難以進(jìn)入嚙合，即使能進(jìn)入嚙合也會產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲，損壞機(jī)件，裝設(shè)了離合器后，換檔前先使離合器分離，暫時(shí)切斷傳動系動力傳遞，然后再進(jìn)行換檔操作，以保證換檔操作過程的順利進(jìn)行，并減輕或消除換檔時(shí)的沖擊。當(dāng)汽車緊急制動時(shí)，車輪突然緊急降速。若發(fā)動機(jī)與傳動系剛性連接，將迫使發(fā)動機(jī)也隨著急劇降速，其所有運(yùn)動件將產(chǎn)生很大的慣性力矩，這一力矩作用于傳動系，會造成傳動系過載而使機(jī)件損壞，有了離合器，當(dāng)傳動系承受載荷超過離合器所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，離合器會自動打滑以消除這一危險(xiǎn)，從而起到過載保護(hù)的作用[1]。
1.2 影響離合器工作性能的因素
1. 原動機(jī)特性
不同的原動機(jī)具有不同的工作特性，它是影響離合器工作儲備能力的一個(gè)重要因素。例如，三相鼠籠電動機(jī)具有較硬的自然機(jī)械特性，而活塞式內(nèi)燃機(jī)則具有較軟的機(jī)械特性。軟特性的原動機(jī)在加載后轉(zhuǎn)速有較大的降低。離合器接合過程包括了原動機(jī)的降速過程，允許有較小的工作儲備來工作，因?yàn)橹?、從動軸離合器是在較低的轉(zhuǎn)差條件下接合，并在接合后共同以一較低的轉(zhuǎn)速上升到預(yù)定的轉(zhuǎn)速。離合器的接合是在原動機(jī)起啟動后進(jìn)行的，因此內(nèi)燃機(jī)通常不能帶負(fù)載起動，一般必須用離合器來實(shí)現(xiàn)與工作機(jī)的連接。
2. 負(fù)載特性
離合器需要傳遞的負(fù)載扭矩有兩種：一種是工作機(jī)的正常工作負(fù)載，另一種是工作機(jī)起動時(shí)包括離合器從動部分在內(nèi)的所有從動質(zhì)量的慣性負(fù)載。如果在起動時(shí)就有工作負(fù)載，則離合器需傳遞的扭矩就應(yīng)包括在內(nèi)。
在起動時(shí)，所有從動件的慣量對離合器需傳遞扭矩的能力影響是很大的，特別是在高轉(zhuǎn)差條件下，接合大的從動件慣量，慣性負(fù)載可以達(dá)到很大，有時(shí)甚至使工作負(fù)載顯得微不足道。在接合過程中，如果要求接合時(shí)間過短，則可能導(dǎo)致離合器傳遞扭矩過大，而不得不加大離合器的容量和尺寸；如果接合容量僅僅根據(jù)工作負(fù)載來選擇，則導(dǎo)致離合器嚴(yán)重打滑或接合時(shí)間過長[2]。在工作時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動可能出現(xiàn)很大的振動負(fù)載，使離合器或其他傳動件產(chǎn)生破壞。振動的原因是系統(tǒng)受到周期性激振力的作用。這種激振力可以是原動機(jī)(內(nèi)燃機(jī))產(chǎn)生的，也可以是工作的脈沖負(fù)載。如果系統(tǒng)的固有振動頻率和激振頻率相等，就會產(chǎn)生共振性振動負(fù)載。傳動軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到軸系的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，將引起共振。設(shè)計(jì)時(shí)傳動軸的正常工作轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速才能使離合器所在的軸系避免共振。
3. 離合器結(jié)構(gòu)因素
影響最大的是接合元件的接合特性。離合器的接合元件分為嚙合與摩擦兩大類，前者屬于剛性接合，后者屬于柔性接合。柔性接合的傳動原理主要是依靠接合元件接觸后的相互壓緊，利用壓緊后產(chǎn)生的摩擦力傳遞扭矩。此外允許在接合過程中有一定程度的打滑。雖然相對打滑在摩擦中會引起能量的損耗，使摩擦元件的溫度迅速升高，甚至有可能使元件遭受很大磨損導(dǎo)致?lián)p壞，但是只要嚴(yán)格控制使用條件，仍能達(dá)到預(yù)期的壽命。柔性接合的優(yōu)點(diǎn)是能夠使從動部分的轉(zhuǎn)速較緩慢地上升，減小機(jī)械沖擊，使機(jī)器的工作狀態(tài)比較平穩(wěn)；但是柔性接合的缺點(diǎn)是不能以恒定的傳動比進(jìn)行傳動。
4. 操縱方式
不同的操縱方式也會影響離合器的工作性能，而且在某種程度上也決定了離合器的使用范圍。
5. 安裝位置和精度
各種離合器由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作性能不同，通常要求一定的安裝位置和精度，否則就會影響離合器的正常工作和使用壽命。
1.3試驗(yàn)臺的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
機(jī)械制造業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的主體，是裝備工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。在工業(yè)化中期，國民經(jīng)濟(jì)增長主要依賴制造業(yè)的高速增長，機(jī)械制造業(yè)對整個(gè)工業(yè)的發(fā)展起到基礎(chǔ)和支撐作用。機(jī)械工業(yè)是國家工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的集中表現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)軍事現(xiàn)代化和保障國家安全的基礎(chǔ)。因此，盡管當(dāng)今世界上發(fā)達(dá)國家向以服務(wù)業(yè)為重心的后工業(yè)化社會和知識經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展，但仍然高度重視機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，其主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)地位依然牢固，美國、日本、德國擁有世界上最發(fā)達(dá)的機(jī)械工業(yè)，包括這三大國在內(nèi)的許多發(fā)達(dá)國家都積極采取對策，重塑機(jī)械工業(yè)以迎接世界新一輪的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和更加激烈的競爭[3]。
當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)全球化、集群化、信息化、服務(wù)化、產(chǎn)品高技術(shù)化的趨勢。一是全球化戰(zhàn)略已成為機(jī)械工業(yè)跨國公司搶占世界市場的首選戰(zhàn)略，跨國公司為克服全球性生產(chǎn)能力過剩和產(chǎn)品生產(chǎn)成本不斷上升的困難，加快了機(jī)械工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，紛紛將重心轉(zhuǎn)向國外，掀起了新的兼并浪潮，規(guī)模越來越大，規(guī)模化生產(chǎn)使得壟斷性跨國公司的技術(shù)創(chuàng)新和市場主導(dǎo)作用日益增強(qiáng)，例如在電力設(shè)備領(lǐng)域，世界前三大公司控制了全球大型電力設(shè)備市場的70%;各大跨國公司在不斷聯(lián)合重組，擴(kuò)張競爭實(shí)力的同時(shí)，紛紛收縮戰(zhàn)線，剝離非主營業(yè)務(wù)，以精干主業(yè)，提高系統(tǒng)成套能力和個(gè)性化、多樣化市場適應(yīng)能力;作為規(guī)?；a(chǎn)的前提和條件，生產(chǎn)高水平零部件和配套產(chǎn)品的"中場產(chǎn)業(yè)"快速發(fā)展，社會化生產(chǎn)服務(wù)體系不斷完善，產(chǎn)業(yè)的國際化步伐不斷加快。二是集群化趨勢不斷增強(qiáng)，同種產(chǎn)業(yè)或相關(guān)產(chǎn)業(yè)的制造企業(yè)在同一區(qū)域有機(jī)地集聚，通過不斷創(chuàng)新而贏得競爭優(yōu)勢，具有特色的中小企業(yè)發(fā)揮著重要作用。三是機(jī)械工業(yè)正向信息化方向邁進(jìn)，新趨勢主要表現(xiàn)為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的開發(fā)與推廣應(yīng)用，并向制造智能化方向發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步加速了機(jī)械工業(yè)全球化的進(jìn)程，并正在改變機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)和流通方式。四是服務(wù)個(gè)性化，為適應(yīng)市場需求的不確定性和個(gè)性化的用戶要求，先進(jìn)的制造企業(yè)不斷吸收各種高新技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)等信息，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈敏及柔性化生產(chǎn)。五是產(chǎn)品高技術(shù)化，先進(jìn)的機(jī)械工業(yè)是高新技術(shù)的重要組成部分，是促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級和發(fā)展的重要依托，隨著信息技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)的發(fā)電和輸配電技術(shù)、電力電子技術(shù)、新型材料技術(shù)和新型生物、環(huán)保裝備技術(shù)等當(dāng)代高新技術(shù)成果的應(yīng)用，使機(jī)械產(chǎn)品不斷高技術(shù)化，其高新技術(shù)含量已成為市場競爭取勝的關(guān)鍵。
在機(jī)械系統(tǒng)中，工作機(jī)一般都要靠原動機(jī)供給一定形式的能量才能工作。但是把原動機(jī)和工作機(jī)直接連接的情況很少，通常需要在二者之間加入傳遞動力或改變運(yùn)動狀態(tài)的傳動方式。機(jī)械傳動系統(tǒng)是應(yīng)用最為普遍的傳動裝置及機(jī)器中的重要部件之一，隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)械傳動系統(tǒng)的傳動方式、方法、承載能力都有了迅速的發(fā)展，人們對產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)格的要求。為了對機(jī)械傳動系統(tǒng)的性能、壽命進(jìn)行測試和分析,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與質(zhì)量評價(jià)提供可靠的科學(xué)依據(jù)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)品小批量、多品種的發(fā)展趨勢。
機(jī)械傳動試驗(yàn)臺是對常見的傳動部件和裝置如:鏈傳動、帶傳動、減速器、變速箱等進(jìn)行綜合性能測試的試驗(yàn)設(shè)備。通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)傳動裝置設(shè)計(jì)的合理性，加工、制造、裝配和調(diào)試的工藝性。對試驗(yàn)結(jié)果的深入分析將有助于了解和評定傳動部件和裝置的綜合機(jī)械性能同時(shí)也為工程設(shè)計(jì)人員提供實(shí)踐的參考資料和設(shè)計(jì)依據(jù)。隨著機(jī)械工業(yè)向著高速比、大功率、低噪聲等方向飛速發(fā)展，人們對于機(jī)器傳動系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，因此，本文對于傳動試驗(yàn)臺的深入研究將具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。
國外較早地開始了這方面的研究，如美國Gleason公司在五十年代就設(shè)計(jì)出了用輪系作為加載系統(tǒng)的傳動試驗(yàn)臺的方案。比較著名的還有美國國家航空航天局(NASA)下屬的Lewis研究中心、前蘇聯(lián)中央機(jī)械制造與設(shè)計(jì)研究院、美國通用動力公司、德國RENK公司、日本明電舍動力公司、日本豐田汽車公司、美國伊利諾斯大學(xué)機(jī)械工程系、法國Skoda公司等。從試驗(yàn)臺方案的設(shè)計(jì)到最終的樣品制造他們都進(jìn)行了大量的研究工作，形成了系列化的設(shè)計(jì)模式。
從十九世紀(jì)年至今，隨著汽車的誕生與發(fā)展，歐美國家對汽車離合器的研究從簡單到復(fù)雜、再到現(xiàn)在的智能化，他們對離合器的研究一直處于領(lǐng)先地位，特別是歐美國家對汽車離合器的研究從簡單到復(fù)雜、再到現(xiàn)在的智能化，他們對離合器的研究一直處于領(lǐng)先地位，特別是奧迪公司對離合器實(shí)驗(yàn)臺的開發(fā)技術(shù)。使得他們對離合器的性能研究有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在九十年代他們就使用上了雙離合器技術(shù)，正是有了實(shí)驗(yàn)臺發(fā)展，才使得他們對離合器的開發(fā)得以進(jìn)步，相應(yīng)在研究離合器的性能時(shí)，也開發(fā)了許多型號的檢測離合器各種性能的實(shí)驗(yàn)臺，特別是離合器試驗(yàn)臺模擬機(jī)是對真實(shí)的離合器性能試驗(yàn)臺的微型化、模型化處理。如德國大眾汽車集團(tuán)開發(fā)的離合器，最為先進(jìn)獨(dú)特，它很少以外觀“嘩眾取寵”，其內(nèi)在表現(xiàn)只有那些親身感受過的人才能領(lǐng)略。并且在2002年度，該公司把電子技術(shù)與離合器相結(jié)合起來，使離合器更加智能化，正是他們有先進(jìn)的研發(fā)技術(shù)，同時(shí)也說明，歐美國家正是有了先進(jìn)的檢測技術(shù)，使得他們的產(chǎn)品更加先進(jìn)，安全可靠[4]。
與國外相比，國內(nèi)對于傳動試驗(yàn)臺的研究起步相對較晚。研究工作始于八十年代初期。國內(nèi)較早從事這方面研究工作的主要單位有重慶大學(xué)、鄭州機(jī)械研究所、長春汽車研究所、西安重型機(jī)械研究所、西安理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、四川工業(yè)學(xué)院、西安減速機(jī)廠、西安公路交通大學(xué)等單位。他們先后建立起了各種形式的傳動試驗(yàn)臺，這些試驗(yàn)臺的建立從理論上和實(shí)踐上都取得了很大的進(jìn)步，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，代表著我國機(jī)械傳動試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展水平。因此 ,對機(jī)械傳動系統(tǒng)多功能試驗(yàn)臺的研究具有特別重要的意義。
現(xiàn)代的機(jī)械傳動試驗(yàn)臺正朝著電封閉功率流式的方向深入發(fā)展。采用電封閉功率流的試驗(yàn)臺易于控制，易于設(shè)計(jì)制造，各組成部分之間逐漸模塊化、單元化，以便于使用和維護(hù)。在其組成上，原動機(jī)采用電動機(jī)，負(fù)載裝置采用發(fā)電機(jī)。由于直流電動機(jī)具有易于控制、運(yùn)行平穩(wěn)和機(jī)械特性硬等優(yōu)點(diǎn)，因此在電封閉試驗(yàn)臺中處于主導(dǎo)地位，作為負(fù)載的發(fā)電機(jī)也多采用直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能可以直接回饋給電動機(jī)，不需要逆變環(huán)節(jié)。這樣就可以大大地簡化試驗(yàn)臺的組成，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
在控制系統(tǒng)上，早期建立的試驗(yàn)臺沒有專門的控制系統(tǒng)，僅靠機(jī)構(gòu)組合及傳動零件間的嚙合作用來實(shí)現(xiàn)特定的加載功能。隨著加載技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸開始采用繼電器控制來完成簡單的控制操作[5]。現(xiàn)代傳動試驗(yàn)臺已經(jīng)廣泛地應(yīng)用電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動控制，如電動機(jī)的啟動、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、力矩調(diào)節(jié)以及試驗(yàn)過程的自動監(jiān)測、保護(hù)等功能。
超速試驗(yàn)是利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力在超出旋轉(zhuǎn)構(gòu)件實(shí)際轉(zhuǎn)速1至幾倍的工況下，對構(gòu)件預(yù)加載荷，來驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)構(gòu)件工作安全可靠性的一種試驗(yàn)方法。這種以實(shí)際構(gòu)件經(jīng)受應(yīng)力考核來確定構(gòu)件可靠性的試驗(yàn)方法稱為超速試驗(yàn)技術(shù)．是超應(yīng)力技術(shù)的一個(gè)分支。超速試驗(yàn)必須在確保安全的專門試驗(yàn)設(shè)備—— 超速試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行。
高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的理論計(jì)算十分必要。它是設(shè)計(jì)的基本前提。隨著材料科學(xué)、斷裂理論的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用，理論計(jì)算更趨近實(shí)際情況。但是復(fù)雜零件的局部結(jié)構(gòu)可能存在應(yīng)力集中，材料內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力或材料本身組織不均以及材料中可能存在三向應(yīng)力，使理論計(jì)算與實(shí)際工況仍存在一定差異，甚至較大差異。在這種情況下．超速試驗(yàn)技術(shù)幾乎成為確保高速大應(yīng)力旋轉(zhuǎn)構(gòu)件工作可靠性的唯一手段。在發(fā)達(dá)國家，超速試驗(yàn)機(jī)在生產(chǎn)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的企業(yè)中已成為不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。
1982年我國一機(jī)部部標(biāo)JB2668—8O《汽車離合器臺架試驗(yàn)方法》 的試驗(yàn)項(xiàng)目中把“高速破壞試驗(yàn)”列為汽車離合器6項(xiàng)臺架試驗(yàn)之一，明確指出試驗(yàn)?zāi)康氖恰按_定離合器壓盤和從動盤在一定超速工況下的可靠性” 這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)旋，將為我國汽車離合器的使用可靠性提高到一個(gè)新水平，也為超速試驗(yàn)技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
隨著現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，對離合器也提出了新的要求，除了要求它在高速下仍能保證傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩外，還要求其必須具有足夠的旋轉(zhuǎn)機(jī)械強(qiáng)度，以保證安全可靠的工作。離合器在工作過程中與變速器飛輪相連，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較復(fù)雜，零件極易在高速旋轉(zhuǎn)過程中在離心力的作用下，產(chǎn)生破壞，因此開發(fā)其具有破壞性的性能試驗(yàn)臺，檢驗(yàn)其承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，避免其在使用過程中出現(xiàn)事故是十分必要的。
1.國外超速技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用
高速旋轉(zhuǎn)機(jī)件由于失效而爆破的例子屢見不鮮。如導(dǎo)至飛機(jī)墜毀，壓縮機(jī)葉輪飛裂，離合器、飛輪爆炸，離心機(jī)轉(zhuǎn)子爆炸等，嚴(yán)重事故不僅造成重大經(jīng)濟(jì)損失，并對設(shè)備和生命安全造成很大威脅。嚴(yán)酷的事實(shí)迫使人們開始研究事故發(fā)生的原因并極力找出其解決辦法 。
美國是最早研究并推廣超速技術(shù)的國家。1943年，美國G ·E公司首次利用超速試驗(yàn)研究汽輪機(jī)輪盤的強(qiáng)度。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與完善，目前已有美、英、日、法、意、瑞典、原蘇聯(lián)和原捷克等國家建立了各種超速裝置。其中美國的TDI，Barbour Stock Will，日本的三菱、丸和電機(jī)，西德的Schench等公司已系列地生產(chǎn)各種超速試驗(yàn)設(shè)備。最大的可容納試件重4 t，直徑2.5 m，最大試驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)25萬r／rain。1948年美國西屋公司建立了高溫超速試驗(yàn)臺以進(jìn)行噴氣發(fā)動機(jī)葉輪的熱超速試驗(yàn)。1 947年，麻省理工學(xué)院在超速試驗(yàn)基礎(chǔ)上對輪盤強(qiáng)度進(jìn)行了研究。超速試驗(yàn)研究工作得到許多生產(chǎn)廠家的支持。1 974年起9年間，美國的Warren Brother Roads公司共售出大小超速試驗(yàn)臺60臺套。其中汽車工業(yè)如Parkard，Studebaker各6臺，F(xiàn)ord汽車公司4臺，意大利Fiat汽車公司1臺。在英國的航空公司中，僅R·R公司就擁有各種超速試驗(yàn)機(jī)12臺。目前國外的航空和汽車工業(yè)中，各企業(yè)都擁有數(shù)臺超速試驗(yàn)機(jī)。
日本對超速試驗(yàn)技術(shù)的研究比美國晚10年。三菱重工橫濱造船所于60年代中期制造了高溫高速試驗(yàn)臺，以后又生產(chǎn)了其他形式的超速裝置數(shù)十臺
原蘇聯(lián)于1 970年在試驗(yàn)盤直徑為500 mm 的BPa一500基礎(chǔ)上，又建成盤徑1500 mm，重達(dá)6 t的超速試驗(yàn)裝置BP丑一1500，用于1.2 GW 汽輪機(jī)輪盤的超速試驗(yàn)。
原捷克Skoda廠為發(fā)展200 Mw 汽輪機(jī)，于1969年建立了一個(gè)研究輪盤爆裂強(qiáng)度和確定材料斷裂韌性的超速試驗(yàn)坑。
目前，各國的離合器高速破壞性試驗(yàn)臺的最高轉(zhuǎn)速多在20000r/min左右。英國AP公司于60年代研制的一種離合器高速破壞性試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)原理如下：零件破壞時(shí)刻的判定，是借助于裝在破壞艙頂部角落里的傳聲器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)零件破壞時(shí)，傳聲器將此時(shí)的聲響傳至控制間的揚(yáng)聲器，操作者聽見聲音后，立即記錄下當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速表讀數(shù)，即為破壞轉(zhuǎn)速。當(dāng)然，對于零件破壞時(shí)的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)在已經(jīng)能比較容易地實(shí)現(xiàn)自動記錄了。
在試驗(yàn)時(shí)，如果被試離合器壓盤及蓋總成中某個(gè)零件斷裂、飛出，就會造成旋轉(zhuǎn)件的不平衡。在如此高的轉(zhuǎn)速下，即使是微小的不平衡，也會長生很大的離心力，它作用于試驗(yàn)臺本身和驅(qū)動裝置的軸和軸承上，將有損于試驗(yàn)臺。為了避免這種情況，在被試壓盤及蓋總成與驅(qū)動裝置之間，增加一個(gè)相當(dāng)于保險(xiǎn)銷的連接法蘭。該法蘭的軸頸斷面系數(shù)設(shè)計(jì)的很小。一旦平衡遭到破壞，新的不平衡量所產(chǎn)生的彎矩，就會將連接法蘭的軸頸折斷，因而使整個(gè)被試總成與驅(qū)動裝置脫開，從而使試驗(yàn)臺得到保護(hù)。
當(dāng)然，該項(xiàng)試驗(yàn)所用的試驗(yàn)設(shè)備還有許多不同的結(jié)構(gòu)形式，如有的應(yīng)用直流電動機(jī)作為動力，經(jīng)齒輪升速箱升速后，驅(qū)動被試件，這樣可使試驗(yàn)的操縱控制較為簡單，占地面積也可縮小。
2.國內(nèi)超速試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用
國內(nèi)自60年代開始引進(jìn)原蘇聯(lián)資料，但直到70年代才陸續(xù)在一些學(xué)校、研究單位建成這種設(shè)備。70年代中期又引進(jìn)一些超速試驗(yàn)臺，但這些試驗(yàn)臺體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以推廣使用。80年代中期，我國開始獨(dú)立設(shè)計(jì)汽車離合器的超速試驗(yàn)臺。它們的體積較小，重量較輕，安裝方便，價(jià)格低廉，安全可靠。試驗(yàn)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、加速度、恒速時(shí)間等均由微機(jī)控制，預(yù)先設(shè)定。試驗(yàn)后數(shù)據(jù)圖表及報(bào)告可一次打印完成，自動化程度高。QHCSJ-I型超速試驗(yàn)機(jī)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善起來的。
我國超速試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用仍十分落后，目前國內(nèi)生產(chǎn)的絕大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品沒有應(yīng)用超速試驗(yàn)技術(shù)。而引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的壓縮機(jī)，透平轉(zhuǎn)子、離心機(jī)、離合器、燃汽輪機(jī)、飛輪和砂輪等產(chǎn)品都規(guī)定要進(jìn)行超速試驗(yàn)。可以說，沒有進(jìn)行超速試驗(yàn)的高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件均潛伏著危險(xiǎn)性。而一旦嚴(yán)格地實(shí)行超速試驗(yàn)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)生的許多事故實(shí)際上都有可能避。
隨著現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，對離合器了新的要求，除了要求它在高速下仍能保證傳遞發(fā)動機(jī)的最大扭矩外，還要求其必須具有足夠的旋轉(zhuǎn)機(jī)械強(qiáng)度，以保證安全可靠的工作。離合器在工作過程中與變速器飛輪相連，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較復(fù)雜，零件極易在高速旋轉(zhuǎn)過程中在離心力的作用下，產(chǎn)生破壞，因此開發(fā)其具有破壞性的性能試驗(yàn)臺，檢驗(yàn)其承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，避免其在使用過程中出現(xiàn)事故是十分必要的。
1.4本課題的研究內(nèi)容
離合器在工作過程中與變速器飛輪相連，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較復(fù)雜，零件極易在高速旋轉(zhuǎn)過程中在離心力的作用下，產(chǎn)生破壞，因此開發(fā)其具有破壞性的性能試驗(yàn)臺，檢驗(yàn)其承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，避免其在使用過程中出現(xiàn)事故是十分必要的。
本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下：
（1）離合器壓盤總成高速破壞試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（2）試驗(yàn)臺各部件結(jié)構(gòu)形式的確定及附件的選擇；
（3）傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
第2章 高速破壞試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案
2.1 試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)思路
2.1.1試驗(yàn)臺的組成
本試驗(yàn)裝置為模塊化結(jié)構(gòu)，由三大模塊組成，分別為：
Ⅰ— 動力源模塊（電動機(jī)部分）；
Ⅱ— 傳動裝置模塊（減速器及其他傳動部件組成傳動系統(tǒng)）；
Ⅲ— 離合器樣品倉。
將這三大模塊用圖表示，如圖2.1所示。
驅(qū)動裝置
離合器樣品倉
傳動裝置
圖2.1 離合器高速破壞試驗(yàn)臺原理圖
從圖2.1可以看出，整個(gè)試驗(yàn)臺由驅(qū)動裝置發(fā)出動力，通常用作驅(qū)動裝置的有發(fā)動機(jī)、電動機(jī)等;動力經(jīng)過傳動裝置得到想要的轉(zhuǎn)速；最后將轉(zhuǎn)速傳遞到被試件，考驗(yàn)其耐高速性能。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)臺的分類
機(jī)械傳動試驗(yàn)臺從工作原理上可以分為開放功率流式試驗(yàn)臺和封閉功率流式試驗(yàn)臺。下面分別對它們的組成及特點(diǎn)作簡要介紹。
a)開放功率流式
原動機(jī)
傳感器
被試裝置
傳感器
負(fù)載裝置
測量裝置
控制臺
圖 2.2 開放功率流式原理
試驗(yàn)臺的輸入功率由原動機(jī)提供，經(jīng)過被試裝置傳遞至負(fù)載裝置。負(fù)載裝置采用純粹的耗能部件，如磁粉制動器、電渦流測功機(jī)等，傳遞到負(fù)載裝置的功率被負(fù)載裝置完全消耗掉，同時(shí)給被試裝置施加了載荷。由于整個(gè)試驗(yàn)臺的功率流向未形成回路，故稱其為開放功率流式[6]。
開放式功率流式試驗(yàn)臺的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝方便、加載穩(wěn)定可靠、能夠方便地進(jìn)行不同功率和各種形式的被試裝置的測試試驗(yàn)，但是，由于功率流開放使得動力消耗大，造成能量的巨大浪費(fèi)，試驗(yàn)費(fèi)用較高，這類試驗(yàn)大多用于中小功率、非長期運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)。
b)封閉功率流式
封閉功率流式試驗(yàn)臺的組成原理如圖2.3。
原動機(jī)
傳感器
被試裝置
傳感器
負(fù)載裝置
測量裝置
控制臺
能量回饋
圖 2.3 封閉功率流式原理
通過機(jī)械或電氣控制方法將試驗(yàn)臺中的能量構(gòu)成一封閉循環(huán)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)芰康难h(huán)利用，可大大減小試驗(yàn)臺的能量消耗，節(jié)省能源。采用這種原理設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺被稱為封閉功率流式試驗(yàn)臺。根據(jù)構(gòu)成封閉功率流方法的不同，它又可分為電封閉功率流式試驗(yàn)臺和機(jī)械封閉功率流式試驗(yàn)臺兩大類型。
該種類型的試驗(yàn)臺在結(jié)構(gòu)上與開放功率流式相似，不同之處在于負(fù)載裝置具有功率回收功能。從原動機(jī)發(fā)出的功率可以部分地反饋回原動機(jī)，既達(dá)到了加載的目的，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。封閉功率流式試驗(yàn)臺除了具有開放功率流式的優(yōu)點(diǎn)外，還具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果可達(dá)50%左右，因而它適用于較大功率的被試裝置進(jìn)行長期的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
試驗(yàn)臺的負(fù)載裝置是用來對被試裝置進(jìn)行加載的，是試驗(yàn)臺重要的組成部分。加載方式的不同對于試驗(yàn)臺的性能有著重要的影響。常見的機(jī)械傳動試驗(yàn)臺的加載方式主要有機(jī)械加載、液壓加載、電力加載。在傳動試驗(yàn)臺發(fā)展的初期階段，大多采用機(jī)械加載方式。常見的機(jī)械式加載裝置主要有搖擺齒輪箱、輪系、彈性扭力桿等。機(jī)械式加載具有較大的力矩放大能力，適用于大功率和大扭矩的場合。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加載裝置中的受力零件易被磨損而引起功率的損失，易產(chǎn)生振動和噪聲，且在加載器的設(shè)計(jì)與制造時(shí)對于零件的材料和熱處理有較高的要求，制造成本高。
隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，機(jī)械加載方式已逐漸被其它的加載方式所取代。液壓加載方式是指采用液壓泵、旋轉(zhuǎn)液壓伺服器等作為負(fù)載裝置。液壓加載可以實(shí)現(xiàn)較大的加載功率，利用液壓加載控制系統(tǒng)可以在加載過程中改變載荷。液壓加載的缺點(diǎn)就是加載過程中載荷是脈動性的，液壓缸油路系統(tǒng)的泄漏也易造成加載不平穩(wěn)，而且由于液體會被壓縮，因而在小功率條件下的試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。目前，試驗(yàn)臺采用液壓加載方式的單位有:西安重型機(jī)械研究所、廣西汽車拖拉機(jī)研究所、山東科技大學(xué)等單位[7]。
電力加載的方式是指利用電渦流測功機(jī)、磁粉制動器、發(fā)電機(jī)等作為負(fù)載裝置。電力加載具有運(yùn)行平穩(wěn)、易于控制、加載精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別是利用發(fā)電機(jī)作為加載裝置，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并回饋給原動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了能量的回收。目前電力加載的方式得到了廣泛采用，國內(nèi)采用電力加載方式的單位有:重慶大學(xué)、鄭州機(jī)械研究所、吉林工業(yè)大學(xué)合肥業(yè)大學(xué)、西安理工大學(xué)、浙江大學(xué)等單位。
另外，機(jī)械傳動試驗(yàn)臺的傳動系的布置方案有垂直和平行兩種。平行傳動是指對于整個(gè)傳動系來說，輸入軸和輸出軸是平行布置的。平行機(jī)械傳動方案如圖2.4所示。
圖2.4 平行軸式機(jī)械傳動
而垂直軸式機(jī)械傳動指傳動系統(tǒng)的輸入軸和輸出軸是垂直布置的。下面圖2.5和圖2.6是垂直機(jī)械傳動方案的簡圖。
圖2.5 垂直軸式機(jī)械傳動
2.2試驗(yàn)臺的試驗(yàn)原理
機(jī)械傳動系統(tǒng)性能分析一般通過觀察傳動系統(tǒng)工作情況和分析機(jī)械性能參數(shù)曲線來得到。要觀察系統(tǒng)傳動是否平穩(wěn)、有否噪聲。要分析系統(tǒng)的傳動比、效率在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨轉(zhuǎn)矩變化的曲線，轉(zhuǎn)速可在高速、中速范圍內(nèi)取幾個(gè)恒定的值進(jìn)行測量；傳動比、效率在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，轉(zhuǎn)矩可在大負(fù)荷、中負(fù)荷范圍內(nèi)取幾個(gè)恒定的值進(jìn)行測量。通過對某種機(jī)械傳動裝置和傳動方案性能參數(shù)曲線的測試、來分析比較機(jī)械傳動的性能特點(diǎn)[12]。
試驗(yàn)臺通過轉(zhuǎn)電機(jī)輸出基本的一些動力參數(shù)，這些參數(shù)也是整個(gè)傳動系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。而傳動系的輸出端接入離合器樣品中。這樣就可以對所要試驗(yàn)的離合器樣品輸入要求的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)臺可替代傳統(tǒng)的單一試驗(yàn)臺進(jìn)行有關(guān)類型機(jī)械傳動的基本試驗(yàn)。如：V帶傳動試驗(yàn)、同步帶傳動試驗(yàn)、擺線針輪傳動試驗(yàn)和進(jìn)行多級組合傳動系統(tǒng)布置優(yōu)化試驗(yàn)。如：鏈—齒輪及齒輪—鏈組合試驗(yàn)；鏈—蝸輪蝸桿及蝸輪蝸桿—鏈組合試驗(yàn)；鏈—擺線針輪及擺線針輪—鏈組合試驗(yàn)等26組機(jī)械傳動方案測試搭接試驗(yàn)。
2.3整個(gè)試驗(yàn)臺的總布置設(shè)計(jì)
通過上面介紹的實(shí)驗(yàn)臺的組成示意圖，綜合各種傳動系統(tǒng)方案的方便性，本次設(shè)計(jì)選用下面的布置方案：
動力從電機(jī)輸出，然后經(jīng)過聯(lián)軸器，再經(jīng)過傳動系統(tǒng)中的增減速機(jī)構(gòu)，增減速機(jī)構(gòu)的輸出端接一個(gè)聯(lián)軸器，聯(lián)軸器接離合器試驗(yàn)樣品。
對于傳動系統(tǒng)中的增減速機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)前面所列舉的實(shí)驗(yàn)方案以及分析各種傳動的優(yōu)缺點(diǎn)來選擇本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所用的傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。鏈傳動雖然具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)較為緊湊。但是，由于鏈傳動一般用于高溫，轉(zhuǎn)速較低的情況，而且在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，效率較低，但是帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的撓性，具有過載打滑保護(hù)作用，可實(shí)現(xiàn)的中心距較大。對于減速器，齒輪傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長，傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。而蝸輪傳動比大，結(jié)構(gòu)也緊湊，沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低，具有自鎖性。但是蝸桿傳動由于摩擦與磨損嚴(yán)重，通常都用有色金屬制造蝸輪。這樣制造的成本就很高。為了使結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺空間小。采用齒輪傳動的減速器為本次設(shè)計(jì)的傳動減速機(jī)構(gòu)。綜合以上分析，選擇以下所示的圖2.7做為本次設(shè)計(jì)的整個(gè)試驗(yàn)臺的傳動方案簡圖[14]。
1—電機(jī)；2—皮帶輪；3—傳動皮帶；4—被試件；5—破壞艙
圖2.7 整個(gè)試驗(yàn)臺的傳動方案圖
2.4 本章小結(jié)
本章確定了機(jī)械傳動試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)原理，分析了試驗(yàn)臺的組成和分類，并根據(jù)離合器試驗(yàn)的要求，確定出離合器壓盤及蓋總成高速破壞試驗(yàn)臺的傳動方案和總體布置方案。
第3章 試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)流程
1. 已知條件
設(shè)計(jì)參數(shù)：傳動系的輸出轉(zhuǎn)速為20000r/min
工作條件：載荷沖擊小
2. 機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（見圖3.1所示）
電機(jī)選擇
試驗(yàn)臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
變速機(jī)構(gòu)
傳動裝置
參數(shù)計(jì)算與分析
圖3.1 試驗(yàn)臺傳動系統(tǒng)方案
3.2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 電動機(jī)的選擇
根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，傳動系的輸出轉(zhuǎn)速為20000r/min，參考車輛發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)，而且本次設(shè)計(jì)所用的電機(jī)是用于做實(shí)驗(yàn)臺用的，所以根據(jù)需要，選擇Y系列（IP44）三相異步電機(jī)系列中的Y250M-2型號的電機(jī)，該電機(jī)的參數(shù)為：
功率：p＝55kw
轉(zhuǎn)速：n＝3000r/min
根據(jù)轉(zhuǎn)速，功率和扭矩的關(guān)系，可以計(jì)算出電機(jī)的輸出扭矩為：
（3.1）
式中：—扭矩，單位為N.m；
P —功率，單位為kw；
—電機(jī)的轉(zhuǎn)速
由于從電機(jī)輸出的功率至傳動系統(tǒng)還要經(jīng)過聯(lián)軸器，轉(zhuǎn)速器等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。功率經(jīng)過這些機(jī)構(gòu)時(shí)會有功率的損失。假設(shè)經(jīng)過聯(lián)軸器的效率假定為99％，經(jīng)過減速器中每一級傳動的效率為97％。則本次設(shè)計(jì)的綜合試驗(yàn)臺的減速器的輸入扭矩為：
（3.2）
3.2.2 第一級聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
由于本次設(shè)計(jì)選的是Y250M-2型號的電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)尺寸，得知電機(jī)輸出軸的軸徑為65mm，輸出軸的伸出長度為142mm。聯(lián)合聯(lián)軸器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，選擇第一級聯(lián)軸器的型號為GY8。
3.2.3 總傳動比的設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用的傳動系統(tǒng)中只有減速器用來增速，因此設(shè)計(jì)要求的離合器樣品的轉(zhuǎn)速即為減速器的輸出轉(zhuǎn)速。因此，整個(gè)減速器的輸出轉(zhuǎn)速為20000r/min。所以，整個(gè)減速器的總傳動比為：
（3.3）
根據(jù)各種傳動系統(tǒng)的傳動比的要求，可以選定第一級齒輪傳動的傳動比為2.6，選定第二級齒輪傳動的傳動比為2.6。
3.2.4減速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.4.1第一級傳動齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
輸入功率P＝55kw，大齒輪轉(zhuǎn)速＝3000r/min，小齒輪轉(zhuǎn)速＝7800r/min齒數(shù)比u＝2.6
工作壽命15年（設(shè)每年工作300天，每天工作8小時(shí)）
1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1）按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）通用減速器為一般工作機(jī)器，查表選用7級精度。
3）材料選擇。小齒輪均選擇40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度240HBS。兩者相差40HBS。
4）選小齒輪齒數(shù)＝19，大齒輪數(shù)＝u＝19×2.6＝49.4，?。?0。
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
（3.4）
式中：——小齒輪分度圓直徑；
——載荷系數(shù)；
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；
——齒寬系數(shù)；
——材料的彈性影響系數(shù)；
——接觸疲勞強(qiáng)度極限。
1.確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)＝1.3；
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（3.5）
（3）支承相對齒輪作堆成分布，選取齒寬系數(shù)＝1；
（4）大小齒輪均為鍛鋼材料，選取材料的彈性影響系數(shù)＝189.8MPa1/2；
（5）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
（6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3.6）
（3.7）
式中： ——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合次數(shù)；
——工作壽命
（7）查表得接觸疲勞壽命系數(shù)；
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S＝1，按許用應(yīng)力公式得
（3.8）
（3.9）
2.計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小值
（3.10）
（3）計(jì)算齒寬b
（3.11）
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù) mm 取4mm （3.12）
（3.13）
（3.14）
齒高 （3.15）
（3.16）
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1）由表機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表5-6查的齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)為：，，，。
（2）小齒輪的彎曲疲勞極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
（3）查表得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（4）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4，得
（3.17）
（3.18（5）計(jì)算圓周力
（3.19）（6）計(jì)算輪齒齒根彎曲應(yīng)力
（3.20）
（3.21）
因此齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
4.幾何尺寸計(jì)算
圖3.2 一級傳動齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖
1）計(jì)算分度圓直徑
（3.22）
（3.23）
2）計(jì)算中心距
（3.24）
3）計(jì)算齒輪寬度
（3. 25）
取 ，
3.2.4.2第二級傳動齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
第二級傳動的輸入功率，主動齒輪（大齒輪）轉(zhuǎn)速＝7800r/min，齒數(shù)比u＝2.6
假設(shè)工作壽命15年（設(shè)每年工作300天，每天工作8小時(shí)）
1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1）按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）通用變速器為一般工作機(jī)器，查表選用7級精度。
3）材料選擇。小齒輪選擇40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度240HBS。兩者相差40HBS。
4）選小齒輪齒數(shù)＝19，大齒輪數(shù)＝×u＝19×2.6＝49.4，?。?0。
因此，第二級齒輪傳動的實(shí)際傳動比為：
2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，
（3. 26）
式中： ——小齒輪分度圓直徑；
——載荷系數(shù)；
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；
——齒寬系數(shù)；
——材料的彈性影響系數(shù)；
——接觸疲勞強(qiáng)度極限。
1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)；
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩:
（3. 27）
（3）支承相對齒輪作對稱分布，選取齒寬系數(shù)＝1；
（4）大小齒輪均為鍛鋼材料，選取材料的彈性影響系數(shù)＝189.8MPa1/2標(biāo)準(zhǔn)齒輪=2.5；
（5）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
（6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3. 28）
（3. 29）
式中：——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合次數(shù)；
——工作壽命
（7）查表得接觸疲勞壽命系數(shù)；
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S＝1，按許用應(yīng)力公式得
（3. 30）
（3. 31）
2）計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小值
（3. 32）
(3)計(jì)算齒寬b
（3. 33）
(4)計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù) 取2.5mm （3. 34）
（3.35）
（3.36）
齒高 （3. 37）
（3. 38）
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1）由表機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表5-6查的齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)為：，，，。
（2）小齒輪的彎曲疲勞極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
（3）查表得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（4）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4，得
（3.39）
（3.40）
（5）計(jì)算圓周力
（3.41）
（6）計(jì)算輪齒齒根彎曲應(yīng)力
（3.42）
（3.43）
因此齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
4. 幾何尺寸計(jì)算
圖3.3 第二級傳動齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖
1) 計(jì)算分度圓直徑
（3. 44）
（3. 45）
2) 計(jì)算中心距
（3. 46）
3) 計(jì)算齒輪寬度
（3. 47）
取 ＝47.5mm，=47.5mm
3.2.5變速器輸入軸的設(shè)計(jì)與校核
1）輸入軸的設(shè)計(jì)
初步確定軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查得A0=112，于是得：
（3.48）
根據(jù)選用的第一級聯(lián)軸器的尺寸，設(shè)計(jì)與聯(lián)軸器配合的軸段的直徑為d1=65mm。如圖3.4所示，根據(jù)軸向定位要求需要設(shè)計(jì)必要的軸肩，從左至右，各個(gè)軸段的直徑分別為：
圖3.4 輸入軸的結(jié)構(gòu)示意圖
2）輸入軸受力分析與計(jì)算
變速器輸入軸的受力示意圖如圖3.5所示。
圖3.5 變速器輸入軸受力示意圖
圖中：FNH1和FNH2分別為軸承1和軸承2對軸的水平徑向力；
FNV1和FNV2分別為軸承1和軸承2對軸的垂直徑向力；
Ft為大齒輪受到的圓周力；
Fr為大齒輪受到的徑向力；
T1為輸入轉(zhuǎn)矩
（3.49）
（3.50）
由式得：
FNH1=1189.1N FNH2=560.9N
同理由式可得：
FNV1=432.8N FNV2=204.1N
變速器輸入軸的載荷分析圖如圖3.6所示：
圖3.6 輸入軸載荷分析圖
(3.51)
(3.52)
(3.53)
由圖3.2可知所受彎矩最大處為安裝齒輪的軸段的中心截面，所以對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，該段處軸徑為77mm。
3）強(qiáng)度校核
按彎扭合成應(yīng)力校核，彎扭合成強(qiáng)度條件為：
(3.54)
式中：為軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為Mpa
軸所受的彎矩，單位
W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm
對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力
查得=60Mpa
代入公式(3.53)，得：
(3.55)
由式(3.54)知該截面強(qiáng)度滿足要求。
2.輸入軸上鍵的校核
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選用參數(shù)為的平鍵。軸、鍵和輪轂的材料都是鋼，查得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值。
鍵的工作長度： (3.56)
鍵和輪轂鍵槽的接觸高度：
所以有：
(3.57)
由式(3.55)知鍵的強(qiáng)度滿足要求。
3.中間軸的校核
圖3.7 中間軸的結(jié)構(gòu)示意圖
1）中間軸的受力分析與計(jì)算
變速器中間軸的受力示意圖如圖3.8所示
圖3.8 中間軸受力示意圖
圖中：FNH1和FNH2分別為左端軸承1和右端軸承2對軸的水平徑向力；
FNV1和FNV2分別為左端軸承1和右端軸承2對軸的垂直徑向力；
Ft1為小齒輪受到的圓周力；
Fr1為小齒輪受到的徑向力；
Ft2為大齒輪受到的圓周力；
Fr2為大齒輪受到的徑向力；
由于齒輪間傳動效率為97%，所以中間軸的輸入轉(zhuǎn)矩為：
(3.58)
所以有：
(3.59)
(3.60)
(3.61)
(3.62)
由式得：
同理，由得：
中間軸的載荷分析圖如圖3.9所示：
B
A
MV
MV2
MV1
Fr2
Fr1
FNV2
FNV1
MH
MH2
MH1
FNH2
Ft2
Ft1
FNH1
圖3.9 中間軸載荷分析
計(jì)算得：
(3.63)
(3.64)
因?yàn)椋越孛鍭為危險(xiǎn)截面。對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，該處軸徑為35mm。
2）中間軸的強(qiáng)度校核
截面A處受的扭矩為，根據(jù)公式（3.54）可得：
(3.65)
查得，所以強(qiáng)度符合要求。
3.2.6 第二級聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
由于本第二級聯(lián)軸器是與變速器輸出軸聯(lián)接的，而變速器的第二級輸出軸的軸徑為22mm，輸出軸的伸出長度為52mm。聯(lián)合聯(lián)軸器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，選擇第二級聯(lián)軸器的型號為GYS2。
3.2.7 驅(qū)動軸的設(shè)計(jì)
初步確定軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查得A0=112，于是得：
(3.66)
根據(jù)選用的第二級聯(lián)軸器的尺寸，設(shè)計(jì)與聯(lián)軸器配合的軸段的直徑為d1=22mm。如圖3-10所示，根據(jù)軸向定位要求需要設(shè)計(jì)必要的軸肩，從左至右，各個(gè)軸段的直徑分別為：
圖3.10 驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 本章小結(jié)
本章先對試驗(yàn)臺的零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對電機(jī)、聯(lián)軸器的選擇，傳動比的分配，并對變速器中齒輪、軸、鍵的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核，完成了試驗(yàn)臺裝配零件設(shè)計(jì)。
第4章 傳感器的選用
4.1轉(zhuǎn)速傳感器
起步輔助系統(tǒng)需要對汽車速度小于lkm／h低速檢測，并且還需要檢測車輪的旋轉(zhuǎn)方向，而一般的ABS車用輪速傳感器不能夠滿足上述要求，因此，需要選用一種既能測低速又判斷轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)速傳感器代替原有轉(zhuǎn)速傳感器。
本設(shè)計(jì)選用AD22157轉(zhuǎn)速傳感器，AD22157是AD公司生產(chǎn)的一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器，它是一種混合信號磁場轉(zhuǎn)換器，具有很大的測速范圍(0～2500Hz)和較寬的操作溫度范圍(-40～150°C)。它可在較大的車速范圍內(nèi)對汽車鐵磁性目標(biāo)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向的測量。
AD22157輪速傳感器結(jié)構(gòu)框圖（圖2.6）：
圖2.6 AD22157的結(jié)構(gòu)框圖
AD22157轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理：
AD22157轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)際上是一個(gè)二線制電流調(diào)制傳送器，它可根據(jù)磁場在空間的差模變化產(chǎn)生相應(yīng)的電流脈沖。在其應(yīng)用于轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，它所探測到的磁場是由一個(gè)放置于其后面的永久磁鐵和位于傳感器前端、目標(biāo)輪上的鐵制凹槽標(biāo)記相互作用產(chǎn)生的。在這種條件下，傳感器必須抵消恒定的磁場偏置，并放大差模調(diào)制磁場，從而準(zhǔn)確判斷目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動情況。
AD22157轉(zhuǎn)速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結(jié)構(gòu)來對磁場進(jìn)行空間差模測量，從而抵消了偏置磁場的影響。此霍爾結(jié)構(gòu)由直線排列的三組霍爾單元構(gòu)成，可用于一些不窄于5mm的鋸齒或凹槽輸出對應(yīng)的正交信號。
每組霍爾單元都由4個(gè)獨(dú)立的、直