彈性輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

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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)臺的設(shè)計(jì) 院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級： 車輛工程 07-1班 學(xué)生姓名： 吳 中 指導(dǎo)教師： 紀(jì)峻嶺 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of the Testbed for Elasticity Tyre Rotary Drum Candidate：Wu Zhong Specialty：Vehicle Engingeering Class： 07-1 Supervisor：Associate Prof. Ji Junling Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘　　要 汽車是人類社會重要的交通運(yùn)輸工具，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，構(gòu)成汽車的每一個部件是否正常工作是決定汽車行駛狀態(tài)的影響因素，而汽車輪胎是汽車重要的部件之一。輪胎的性能對汽車的牽引力、制動性、行駛的平穩(wěn)性、平順性、越野性和燃料經(jīng)濟(jì)性都有直接的影響，所以說輪胎的性能直接影響汽車的使用性能。 輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺是根據(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，闡述了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用電動機(jī)輸入動力，制動電機(jī)消耗功率，并能通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器準(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：輪胎；轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺；功率；傳感器；滾動阻力  ABSTRACT Automobile is an important means of transport in the human society.It plays a pivotal role in the national economy.Working of every vehicle component properly determines the driving statement .And the tyre is one of the important parts.Performance of the tyre impacts the traction,the braking,the driving stability,the ride comfort,the off-road and the fuel economy directly.So the performance of the tyre impacts the performance of the whole car. Turn roller tester is based on the actual working conditions,develops the measurement system which can simulate vehicle actually use statement of frition coefficient,investigates the structural characteristic of the drum test rig, sets 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 by speed torque sensor, 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：Tyre; Turn Roller Tester; Sensor; Roll Resistance 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 2.1.1 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)和傳感器的選擇 12 3.1 選擇電動機(jī) 12 3.1.1 選擇電動機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 12 3.1.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇 12 3.1.3 制動電機(jī)的選擇 15 3.2 傳感器的選擇 15 3.2.1 傳感器的基本原理 16 3.2.2 傳感器尺寸結(jié)構(gòu)的確定 18 3.3 本章小結(jié) 18 第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理 19 4.2 微機(jī)測控系統(tǒng) 20 4.3 技術(shù)特點(diǎn) 21 4.4 液壓缸的設(shè)計(jì) 21 4.4.1 液壓缸主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 4.4.2 液壓缸主要部分的校核 27 4.4.3 液壓缸的材料和技術(shù)要求 31 4.5 油泵的選取 34 4.6 其他控制閥的選擇 35 4.7 本章小結(jié) 35 第5章 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 37 5.1 滾筒與軸的連接 37 5.2 軸的設(shè)計(jì) 37 5.2.1 滾筒軸的設(shè)計(jì) 37 5.2.2 車輪軸的設(shè)計(jì) 39 5.3 軸的校核 40 5.3.1 滾筒軸的校核 41 5.3.2 車輪軸的校核 42 5.4 滾動軸承的選擇及校核計(jì)算 43 5.5 鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算 43 5.6 聯(lián)軸器的選擇 44 5.6.1 聯(lián)軸器類型的確定 44 5.6.2 聯(lián)軸器尺寸型號的確定 44 5.7 機(jī)架軸承處的設(shè)計(jì) 45 5.8 本章小結(jié) 45 第6章 運(yùn)動關(guān)系的分析與運(yùn)算 46 6.1 輪胎在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上運(yùn)轉(zhuǎn)時的力學(xué)分析 46 6.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 47 6.3 本章小結(jié) 49 結(jié)論 50 參考文獻(xiàn) 51 致謝 52 第1章 緒　　論 1.1 課題的目的和意義 汽車是人類社會重要的交通運(yùn)輸工具，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，構(gòu)成汽車的每一個部件是否正常工作是決定汽車行駛狀態(tài)的影響因素。而汽車輪胎是汽車重要的部件之一，它的性能對汽車的牽引力、制動性、行駛的平穩(wěn)性、平順性、越野性和燃料經(jīng)濟(jì)性都有直接的影響，所以說輪胎的性能直接影響汽車的使用性能。如果沒有出色的汽車輪胎，汽車的發(fā)展必將受到嚴(yán)重阻礙，因此各國汽車生產(chǎn)企業(yè)都十分重視汽車輪胎的開發(fā)、選用和試驗(yàn)，改善輪胎設(shè)計(jì)、增強(qiáng)輪胎性能一直是汽車輪胎發(fā)展中的一個重要目標(biāo)。 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。本文將從多個角度探討和分析汽車輪胎滾動阻力以及測試技術(shù)。 1.2 輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的功用 由于輪胎是汽車性能的最終體現(xiàn)者,為了滿足汽車的各項(xiàng)性能要求,幾十年來對輪胎進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)研究,并不斷完善試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),滿足了現(xiàn)代汽車高速、安全等使用要求。尤其是輪胎在行駛過程中產(chǎn)生的力和力矩對汽車的性能有很大影響。輪胎力學(xué)特性的測試分為室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)。室內(nèi)外試驗(yàn)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。室外試驗(yàn)拖車車身不可避免地會由于路面、風(fēng)的影響產(chǎn)生側(cè)傾、俯仰運(yùn)動,加之懸架往往選用現(xiàn)成的,軸轉(zhuǎn)向、變形轉(zhuǎn)向不可避免，從而造成了室外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性比較大。然而室外試驗(yàn)是在真實(shí)路面上進(jìn)行的,故研究不同性質(zhì)的路面對輪胎力學(xué)特性的影響時,室外試驗(yàn)更容易。而室內(nèi)試驗(yàn)可避免過多的環(huán)境影響,可嚴(yán)格控制各種試驗(yàn)條件,可以比較容易地改變試驗(yàn)參數(shù)值的大小,如轉(zhuǎn)速、輪胎外傾角及側(cè)偏角等。需要注意的是,室內(nèi)試驗(yàn)是單個車輪的試驗(yàn),因此車輛懸架和轉(zhuǎn)向系的側(cè)傾轉(zhuǎn)向以及懸架的變形轉(zhuǎn)向?qū)兇獾妮喬椥詡?cè)偏特性的影響可以控制到最小甚至不發(fā)生。 室內(nèi)試驗(yàn)主要設(shè)備為轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)臺，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)臺上行駛時力學(xué)特性的研究，以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。 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，輪胎滾動阻力的測試技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。 近年來，我國在輪胎試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究方面也有了很大的進(jìn)展，出現(xiàn)了多家自行研制和開發(fā)輪胎試驗(yàn)機(jī)的單位和企業(yè)，開發(fā)出多種類型的輪胎實(shí)驗(yàn)機(jī)，如廣州市橡膠工業(yè)制品研究所的雙二位輪胎耐久高速試驗(yàn)機(jī)，天津賽象科技股份有限公司的輪胎高速/耐久試驗(yàn)機(jī)，國家輪胎質(zhì)檢中心及廣東汕頭橡塑機(jī)械所聯(lián)合研制的輪胎強(qiáng)度脫圈靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)等。具有代表性的是天津久榮輪胎技術(shù)有限公司，它是目前我國專業(yè)研究車輪/輪胎試驗(yàn)機(jī)的高科技企業(yè)，已經(jīng)開發(fā)投資市場的產(chǎn)品有多種輪胎耐久、高速性能試驗(yàn)機(jī)（分別適用于TB、LT、PC、MT、BC輪胎）；彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)；沖擊性能試驗(yàn)機(jī)；車輪/輪胎不圓度試驗(yàn)機(jī)等。由于產(chǎn)品技術(shù)含量高、配置先進(jìn)、質(zhì)量可靠，除供應(yīng)國內(nèi)市場外，還得到了國際認(rèn)可，日本的普利斯通和法國的米其林兩大全球輪胎行業(yè)的巨頭都曾批量購買過該公司的輪胎試驗(yàn)機(jī)。 1.4 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)采用的是單滾筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺，采用這個方法可以對新胎的滾動阻力進(jìn)行比較，測試時輪胎垂直于轉(zhuǎn)鼓外表面且以穩(wěn)定的狀態(tài)向前自由滾動，而車輪所受的垂直載荷則由液壓加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。 輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺是根據(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，闡述了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用電動機(jī)輸入動力，制動電機(jī)消耗功率，并能通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器準(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 2.1.1 輪胎滾動阻力力學(xué)特性 車輪滾動阻力是指滾動車輪產(chǎn)生的所有阻力之和，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，道路阻力分量是指由不平路面、塑性路面和濕路面等道路情況引起的附加阻力；輪胎側(cè)偏阻力分量是指由輪胎的側(cè)向載荷使輪胎側(cè)偏而產(chǎn)生的附加輪胎縱向阻力。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，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]。 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，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，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FR,彈性遲滯、摩擦阻力FR,摩擦和風(fēng)扇阻力FR,風(fēng)扇三部分，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[2]（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[3]。 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)[4]。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，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，選擇試驗(yàn)輪胎直徑為0.50~0.75m，寬約為0.20m，所以轉(zhuǎn)鼓寬度選為0.6m。 4．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轉(zhuǎn)鼓表面的溫度與室溫大致相同。 5．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）。 6．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，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，輪胎的變形是主要的，此時由于輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使輪胎變形時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，其滑移率約為8%，也就是說，汽車車輪在行走時，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，氣壓低時在硬路面上輪胎變形大，滾動時遲滯損失增加，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)方案以及測量方法，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)范圍進(jìn)行了選擇，探討了試驗(yàn)設(shè)備以及技術(shù)條件。同時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)和傳感器的選擇 3.1 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。 3.1.1 選擇電動機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 ①根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及工作環(huán)境等要求，選擇電動機(jī)類型及安裝方式。 ②根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻率程度等要求，并考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)大于或等于計(jì)算所需的功率，按靠近的功率等級選擇電動機(jī)，負(fù)荷率一般取0.8~0.9。過大的備用功率會使電動機(jī)效率降低，對于感應(yīng)電動機(jī)，其功率因數(shù)將變壞，并使按電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價提高。 ③根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。 ④根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。 ⑤根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。 除此之外，選擇電動機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價格、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用、生產(chǎn)過程中前期與后期電動機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。 3.1.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇 1.選擇電動機(jī)類型 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，沒有特殊要求時均應(yīng)選用交流電動機(jī)，并且由試驗(yàn)臺的試驗(yàn)條件限制電機(jī)需具有進(jìn)行調(diào)速的能力。 交流電機(jī)包括異步電機(jī)和同步電機(jī)兩類。對交流同步電動機(jī)而言，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速為(r/min),實(shí)際使用中同步電動機(jī)的極對數(shù)p固定，因此只有采用變壓變頻（VVVF）調(diào)速。對于交流異步電動而言，其轉(zhuǎn)速為（1-s）(r/min)。從轉(zhuǎn)速公式可知改變電動機(jī)的極對數(shù)p、改變定子供電頻率f以及改變轉(zhuǎn)差率s都可達(dá)到調(diào)速的目的。 本試驗(yàn)采用YVP(IP44)系列變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，并輔助以變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。 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。 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩T=120N?m，轉(zhuǎn)速nw=3500r/min。 （1）工作機(jī)所需功率 （3.1） 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 （3.2） 式中，總效率按下式計(jì)算： 其中、、分別為傳動裝置中每一傳動副，每對軸承、每個聯(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，一般取中間值，如工作條件差，潤滑維護(hù)不良時應(yīng)取低值，反之取高值。 （3.3） 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YVP(IP44)電動機(jī)，通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min、1000r/min或750r/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．估計(jì)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩T=120N?m,且 T，=T?i0?ig/2 （N?m） 式中：i0—主減速器傳動比，取i0=4； ig—變速器傳動比，取ig=4 。 則T，=960 N?m。 5.電動機(jī)型號的確定 根據(jù)上述電動機(jī)類型、結(jié)構(gòu)、容量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查出電動機(jī)型號為YVP315L1-4，其額定功率為160KW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1025N?m,基本符合題目所需的要求。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，如表3.1所示，電動機(jī)的安裝及外形尺寸，如圖3.1及表3.2所示。 表3.1 電動機(jī)的技術(shù)參數(shù) 電動機(jī)型號 同步轉(zhuǎn)速r/min 標(biāo)稱功率 /KW 額定電流/A 額定轉(zhuǎn)矩/N?m 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量/kg?m2 質(zhì)量/kg YVP315L1-4 1500 160 290 1025 1.25 4.13 1095 圖3.1 YVP315L1-4電動機(jī)的外形尺寸參數(shù) 表3.2 YVP315L1-4電動機(jī)的外形及安裝尺寸參數(shù) 型號 安裝尺寸 YVP315L1-4 H A B C D E F×GD G K 315 508 508 216 80 170 22×14 71 28 型號 外形尺寸 YVP315L1-4 AB AC AD AA BB HD DA L 628 645 460 120 750 760 45 1450 3.1.3 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YVP315L1-4。 3.2 傳感器的選擇 根據(jù)試驗(yàn)的條件這里選擇NJ2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。 3.2.1 傳感器的基本原理 NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是：通過彈性軸、兩組電磁傳感器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。 NJ 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理如圖3.2,在彈性軸的兩端安裝有兩只信號齒輪，在兩齒輪的上方各裝有一組信號線圈，在信號線圈內(nèi)均裝有磁鋼，與信號齒輪組成磁電信號發(fā)生器。當(dāng)信號齒輪隨彈性軸轉(zhuǎn)動時，由于信號齒輪的齒頂及齒谷交替周期性的掃過磁鋼的底部，使氣隙磁導(dǎo)產(chǎn)生周期性的變化，線圈內(nèi)部的磁通量亦產(chǎn)生周期性變化，使線圈中感生出近似正弦波的交流電信號。這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可以用來測量轉(zhuǎn)速。這兩組交流電信號之間的相位與其安裝的相對位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關(guān)。當(dāng)彈性軸不受扭時，兩組交流電信號之間的相位差只與信號線圈及齒輪的安裝相對位置有關(guān)，這一相位差一般稱為初始相位差，在設(shè)計(jì)制造時，使其相差半個齒距左右，即兩組交流電信號之間的初始相位差在180 度左右。 圖3.3：在彈性軸受扭時，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使兩組交流電信號之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比。把這兩組交流電信號用專用屏蔽電纜線送入NC型扭矩測量儀或具有其功能的扭矩卡送入計(jì)算機(jī)，即可得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率的精確值。 圖 3.4：是NJ 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。其結(jié)構(gòu)與圖一的工作原理圖差別是很大的，其中，為了提高測量精度及信號幅值， 兩端的信號發(fā)生器是由安裝在彈性軸上的外齒輪、安裝在套筒內(nèi)的內(nèi)齒輪、固定在機(jī)座內(nèi)的導(dǎo)磁環(huán)、磁鋼、線圈及導(dǎo)磁支架組成封閉的磁路。其中，外齒輪、內(nèi)齒輪是齒數(shù)相同互相脫開不相嚙合的。套筒的作用是當(dāng)彈性軸的轉(zhuǎn)速較低或者不轉(zhuǎn)時，通過傳感器頂部的小電動機(jī)及齒輪或皮帶傳動鏈帶動套筒，使內(nèi)齒輪反向轉(zhuǎn)動，提高了內(nèi)、外齒輪之間的相對轉(zhuǎn)速，保證了轉(zhuǎn)矩測量精度。但是，此時輸出信號的頻率不能用來測量轉(zhuǎn)速。解決的辦法是建議用戶另外增加轉(zhuǎn)速傳感器（如NJ0、NJ1D、NJ2等）或者在傳感器上增加一個轉(zhuǎn)速傳感器（如NJ3、NJ4 等），因?yàn)槭谴烹娛絺鞲衅?，在轉(zhuǎn)速過低時仍然不能保證轉(zhuǎn)速的正確測量。為此，又派生了NJ*D 型低速系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)品。NJ*D 型低速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的解決方法是增加了套筒測速頭及安裝在套筒上的測速齒輪，其測速頭的信號送入NC 系列扭矩測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不論套筒是否轉(zhuǎn)動，其輸出的轉(zhuǎn)速信號始終是彈性軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速為零也是如此。 圖3.2 NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理 圖3.3 NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器電信號輸出 圖3.4 NJ 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 3.2.2 傳感器尺寸結(jié)構(gòu)的確定 選定NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的外形及安裝尺寸見表3.3、圖3.5和圖3.6。 表3.3 傳感器外形及安裝尺寸 型號 額定轉(zhuǎn)矩 A B D G L H h I S K NJ2 1000 170 200 46 14 490 340 110 106 40.2 18 圖3.5 NJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝尺寸 圖3.6 NJ2軸端視圖 3.3 本章小結(jié) 本章介紹了交流變頻調(diào)速電機(jī)的原理，然后通過運(yùn)算對電動機(jī)的類型、容量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了估算，從而確定了電動機(jī)的型號，并選擇了一個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，并介紹了所選傳感器的工作原理。 第4章 加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理 1-加載液壓缸 ； 2-壓力傳感器 ； 3-二位四通電磁換向閥 ； 4-液控單向閥 ； 5-三位四通電磁換向閥 ； 6-單向閥 ； 7-油箱 ； 8-先導(dǎo)式溢流閥 ； 9-定量液壓泵 ； 10-電液比例溢流閥 圖4.1 電液比例加載系統(tǒng)原理圖 本試驗(yàn)的加載機(jī)構(gòu)主要是用以模擬汽車行駛過程中輪胎所受負(fù)載的加載裝置，由主機(jī)、電液比例加載系統(tǒng)和微機(jī)測控系統(tǒng)三部分組成。這里主要對電液比例加載系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析。 電液比例加載系統(tǒng)的原理圖如圖4.1所示。系統(tǒng)的油源為定量液壓泵9，其最高工作壓力由先導(dǎo)式溢流閥8設(shè)定，試驗(yàn)時的加載荷速度（實(shí)質(zhì)為升壓速度）由電液比例溢流閥10進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的執(zhí)行器為三腔（a、b、c腔，作用面積分別為Aa、Ab、Ac）加載液壓缸1，通過三位四通電磁換向閥5和二位四通電磁換向閥3改變油液的循環(huán)方式及缸在各工況的作用面積，實(shí)現(xiàn)快慢速及運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)換；單向閥6作背壓閥用，以防止缸在上下端點(diǎn)及換向時產(chǎn)生沖擊。液控單向閥4用以防止立置缸在系統(tǒng)卸荷及不工作時活塞（桿）及壓頭因自重而自行下落。液壓泵可以通過三位四通電磁換向閥5的H型中位機(jī)能實(shí)現(xiàn)低壓卸荷。 車輪放好后，電磁鐵1YA通電使換向閥5切換至左位，液壓泵9的壓力油經(jīng)閥5進(jìn)入液壓缸1的小腔a，同時導(dǎo)通液壓控單向閥4，壓力油的作用面積Aa較小，因而活塞（桿）及壓頭快速下行接近試件，缸的大腔c在經(jīng)閥4和3向中腔b中補(bǔ)油的同時，將少量油液通過閥5和6排回油箱?？焖傧滦薪Y(jié)束時，電磁鐵3YA通電使換向閥3切換至右位置，b腔與a腔連通，缸的作用面積由Aa增大為Aa+Ab,液壓泵的壓力油同時進(jìn)入缸的a腔與b腔，故系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入慢速加壓過程（加載試驗(yàn)），c腔經(jīng)閥5和閥6向油箱排油。試驗(yàn)完成后，電磁鐵2YA通電使換向閥5切換至右位，液壓泵9經(jīng)閥4向大腔c供油，同時，3YA斷電使換向閥3復(fù)至左位，腔b與c連通為差動回路，因此，活塞（桿）及壓頭快速上升（回程）。裝卸試件期間，所有電磁鐵斷電，液壓泵通過閥5的中位實(shí)現(xiàn)低壓卸荷。系統(tǒng)的電磁鐵動作順序如表4.1所列。 表4.1 液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序 工況 1YA 2YA 3YA 快速下行 + 慢速加壓 + + 快速上升 + 4.2 微機(jī)測控系統(tǒng) 程序和數(shù)據(jù)存儲器 LED顯示器 電磁鐵等 單片微機(jī) D/A轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器 壓力傳感器 比例控制器 圖4.2 微機(jī)測控系統(tǒng)原理圖 試驗(yàn)機(jī)對試件的加載必須緩慢進(jìn)行，由于負(fù)載條件及安裝空間的限制，直接測力不易實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)載荷-油壓-電壓的模擬關(guān)系：載荷=油壓活塞面積=電壓模擬系數(shù)活塞面積，間接測力。即通過電液比例溢流閥控制液壓系統(tǒng)工作油壓的變化率，通過圖4.1中設(shè)置的兩個壓力傳感器2，將檢測的油壓轉(zhuǎn)換為電信號，送入計(jì)算機(jī)并按有關(guān)算法進(jìn)行處理，即可間接得到要求的加載荷大小。圖4.2是微機(jī)測控系統(tǒng)的原理方塊圖。系統(tǒng)的功能有：向比例溢流閥的比例控制器、液壓泵的驅(qū)動電機(jī)、換向閥的電磁鐵發(fā)出控制信號，使液壓系統(tǒng)按既定要求循環(huán)；將壓力傳感器檢測油壓輸出的電信號按照一定關(guān)系轉(zhuǎn)換為所需載荷量[8]。 4.3 技術(shù)特點(diǎn) ①加載液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，復(fù)合缸加載，通過液壓缸的面積變化實(shí)現(xiàn)快慢速自動轉(zhuǎn)換，減小了液壓泵的流量規(guī)格，減小了試驗(yàn)期間的能耗。 ②通過微機(jī)測控系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，檢測系統(tǒng)油壓，輸入輸出試件的機(jī)和參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果，加載均勻平穩(wěn)、間接測力，操縱簡便、易于維護(hù)。 ③試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造公益性好，成本低；自動化程度高，運(yùn)行能耗低，測量精度較高。 4.4 液壓缸的設(shè)計(jì) 4.4.1 液壓缸主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 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。本試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)所需要的液壓缸需要自行設(shè)計(jì)。 1．加載的最大載荷 由所查資料常用轎車輪胎的承載指數(shù)范圍多為450kg~540kg，其中奔馳A級高達(dá)750kg，即 F=mg=750kg×9.8N/kg=7350N 2．確定系統(tǒng)的工作壓力 表4.2 液壓缸工作壓力與負(fù)載之間的關(guān)系 負(fù)載 F/KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力P/MPa <0.8~1.0 1.5~2.0 2.5~3.0 3.0~4.0 4.5~5.0 5~10 根據(jù)表4.2液壓缸工作壓力與負(fù)載之間的關(guān)系及負(fù)載F=7350N，取本設(shè)計(jì)的液壓缸工作壓力P=2.0MPa。 3．液壓缸的內(nèi)徑計(jì)算 本試驗(yàn)液壓缸的設(shè)計(jì)按慢下加載過程計(jì)算設(shè)計(jì)。 由于高度差及作用面積相差不大，故加載面積可近似看作,則 （4.1） 式中： ?P—系統(tǒng)壓力差?P=P-P0，其中P0為回油背壓，按一般執(zhí)行元件背壓力推薦取P0=0.4Mpa，故?P=P-P0=2-0.4=1.6Mpa； η—液壓缸效率，對于橡膠密封圈η=0.95。 代入得：= ≈78.58mm 經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊如下表4.3液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，取D2=80mm。 表4.3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 （摘自GB/T2348-1993） (mm) 8 40 125 （280） 10 50 （140） 320 12 63 160 （360） 16 80 （180） 400 20 （90） 200 （450） 25 100 （220） 500 32 （110） 250 4．液壓缸壁厚和外徑的確定 表4.4 工程機(jī)械用液壓缸外徑系列 缸徑 /mm 液壓缸外徑/mm p≤16MPa 20 25 31.5 40 50 50 50 54 50 60 60 60 63.5 63 76 76 83 83 80 95 95 102 102 90 108 108 108 114 100 121 121 121 127 110 133 133 133 140 125 146 146 152 152 由上表確定外徑D=95mm,則壁厚7.5mm 5．液壓缸缸底厚度確定 選擇缸底為平面型，則厚度δ1可以按照四周鑲住的圓盤強(qiáng)度進(jìn)行近似計(jì)算,則 δ1≥0.433D2pδP (4.2) 式中： D2近似認(rèn)為為液壓缸內(nèi)徑D ，m ； P—筒內(nèi)最大工作壓力，MPa ,取P≤1.5p ； σp—筒底材料許用壓力，MPa ,??； σb—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa ； n—安全系數(shù)，取n=5 ； 即代入mm ,取δ1=9mm 。 6．液壓缸缸底其他尺寸的確定 如下圖4.2所示液壓缸缸底的主要尺寸 圖4.2 液壓缸缸底示意圖 7．液壓缸缸蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算 如圖4.3所示，各部分尺寸確定如下： 活塞長度B=（0.6~1.0）D=（0.6~1.0）×80=46~80 mm ,這里取B=70mm 。 導(dǎo)向套長度LA=（0.6~1.5）D=48~120 mm ,這里取LA=50mm 。必要時可在導(dǎo)向套和活塞之間安裝一個隔套K，其長度 C=H - 12（LA+B） （4.3） 式中: H—活塞桿導(dǎo)向長度； LA—全部外伸時從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動面中點(diǎn)的距離。 如果導(dǎo)向長度過小將使液壓缸的初始撓度增大（間隙引起的撓度），影響液壓缸的穩(wěn)定性，一般滿足H≥L20+D2 。 8．導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)的確定 活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。當(dāng)導(dǎo)向套采用非耐磨材料時，其內(nèi)圈還可裝設(shè)導(dǎo)向環(huán)，用作活塞桿的導(dǎo)向。導(dǎo)向套的典型結(jié)構(gòu)形式有軸套式和端蓋是兩種。 圖4.3 液壓缸導(dǎo)向套示意圖 9．液壓缸活塞行程L的確定 液壓缸行程L主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動要求而定，且為了簡化工藝和降低成本取表4.5中標(biāo)值，現(xiàn)取L=250mm 。 表4.5 液壓缸活塞行程第一系列 （mm） 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 故由H≥L20+D2 = 52.5mm , B=70mm , H=60mm ,則C=60-12(50+70)=0 10．液壓缸活塞（如圖4.4所示）： 圖4.4活塞 （1）活塞與活塞桿的聯(lián)接方式 本試驗(yàn)液壓缸活塞與活塞桿的聯(lián)接選用螺紋聯(lián)接。 （2）活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu) 活塞與缸體之間既有相對運(yùn)動，又需要使液壓缸各腔之間不漏油，因此在結(jié)構(gòu)上應(yīng)慎重考慮。本試驗(yàn)采用O形密封圈加擋圈結(jié)構(gòu)。 11.液壓缸活塞桿的確定 （1）活塞桿直徑的確定 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊由表4.6系數(shù)的推薦值，取，故d=40mm(且符合GB/T321-1980)，此時，液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動時的速比，符合表4.5要求規(guī)定。 計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否需要設(shè)置緩沖裝置。速比不宜過大或過小，以免產(chǎn)生過大的背壓或造成因活塞桿太細(xì)導(dǎo)致穩(wěn)定性不好。 表4.6 φ和p的關(guān)系 工作壓力p/MPa ≤10 12.5~20 >20 速度比φ 1.33 1.46；2 2 （2）活塞桿結(jié)構(gòu)的確定 活塞桿有實(shí)心桿和空心桿兩種，如圖4.5所示，本試驗(yàn)臺液壓缸活塞桿采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，一端經(jīng)螺母與活塞相聯(lián)接，另一端由螺釘與法蘭盤聯(lián)接。 圖4.5 活塞桿 12.緩沖裝置 緩沖裝置是為了防止或減小液壓缸活塞在運(yùn)動到兩個端點(diǎn)時，因慣性力造成的沖撞。通常是通過節(jié)流作用，使液壓缸運(yùn)動到端點(diǎn)附近時形成足夠的內(nèi)壓，降低液壓缸的運(yùn)動速度，以減少沖擊。 液壓缸活塞運(yùn)動速度在0.1m/s以下時，不必采用緩沖裝置；在0.2m/s以上時必須設(shè)置緩沖裝置。故本設(shè)計(jì)不需要緩沖裝置。 13.排氣閥 為使液壓缸運(yùn)動穩(wěn)定，在新裝上液壓缸以后，必須將缸內(nèi)的空氣排出。其中較可靠的方法是在液壓缸上設(shè)置排氣塞（排氣閥），排氣塞的位置一般放在液壓缸的端部，雙作用液壓缸則應(yīng)設(shè)置兩個排氣塞。 由于本試驗(yàn)液壓缸工作壓力較小且速度等要求不高故可采用使液壓缸反復(fù)運(yùn)動，直到運(yùn)動平穩(wěn)的方法進(jìn)行排氣。 14.液壓缸油口的確定 油口包括油口孔和油口連接螺紋。液壓缸的進(jìn)、出油口可布置在端蓋或缸筒上。油口孔大多數(shù)屬于薄壁孔（指孔的長度與直徑之比l/d≥0.5的孔）。通過薄壁孔的流量按下式計(jì)算 Q=CALρ?P=CA2ρΔP m3/s (4.4) 式中： C—流量系數(shù)，接頭處大孔與小孔之比大于7時C=0.6~0.62，小于7時C=0.7~0.8； A—油孔的截面積，m2； ρ—液壓油的密度，kg/m3； P1—油孔前腔壓力，Pa； P2—油孔后腔壓力，Pa； ΔP—油孔前、后腔壓力差。 代入上式得： d=1.25mm 油口連接螺紋尺寸應(yīng)符合國標(biāo)規(guī)定，由GB/T2878-1995選取M5×0.8，精度為6H。 4.4.2 液壓缸主要部分的校核 1.缸筒壁厚的校核 對最終采用的缸筒壁厚應(yīng)進(jìn)行四方面的驗(yàn)算： 額定壓力PN應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全則， PN≤0.35MPa （4.5） 或 PN≤0.5MPa （4.6） 同時，額定壓力也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生，即 PN≤（0.35~0.42）PRl MPa （4.7） 此外，尚需驗(yàn)算缸筒徑向變形?D應(yīng)處在允許范圍內(nèi) ?D= m （4.8） 式中，變形量?D不應(yīng)超過密封圈允許范圍。 最后，還應(yīng)驗(yàn)算缸筒的爆裂壓力 MPa （4.9） 式中：σa—缸筒材料屈服點(diǎn)，MPa ； PN—缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力，MPa ； Pr—缸筒耐壓試驗(yàn)壓力，MPa ； E—缸筒材料彈性模量，MPa ；