汽車萬向節(jié)力矩性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題題 目目 汽車萬向節(jié)力矩性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)械工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 工業(yè)工程 班班 級(jí)級(jí) 工程 0702 學(xué)學(xué) 生生 江兵 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 楊可森 二一 一 年 五 月 三十 日 摘 要 汽車萬向節(jié)力矩性能試驗(yàn)臺(tái)是一種等速萬向節(jié)力學(xué)性能檢測設(shè)備。它代替人力 勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)了檢測過程的自動(dòng)化。 本設(shè)計(jì)給出了試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)、測試原理、結(jié)構(gòu)組成、工作特點(diǎn)。該試驗(yàn)臺(tái) 的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分采用氣動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)。電氣控制部分，設(shè)計(jì)者用可編程控制器 （PLC）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)，來控制電磁閥、三相交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。 PLC 系統(tǒng)避免了繼電控制系統(tǒng)速度慢、可靠性差

2、、接線復(fù)雜等缺點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 的一種十分經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。夾頭采用組合式彈性夾頭，耐磨且結(jié)構(gòu)性好，尺寸參數(shù)變 化適應(yīng)性好，可將夾頭壽命提高數(shù)倍。該試驗(yàn)臺(tái)可檢測多種型號(hào)的萬向節(jié)，自動(dòng)化 程度高，通用性強(qiáng)，工作節(jié)拍短，檢測誤差小。 本設(shè)計(jì)主要利用氣動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置來完成各個(gè)檢測動(dòng)作，整個(gè) 試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)機(jī)、電結(jié)合的產(chǎn)品。完成汽車萬向節(jié)力矩性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品能 夠高效率高精度地達(dá)到使用要求，從而使得整機(jī)的工作性能安全可靠。 關(guān)鍵詞：試驗(yàn)臺(tái)；萬向節(jié)；轉(zhuǎn)矩；擺矩；氣動(dòng) ABSTRACT The testing machinery of testing the salon car univers

3、al 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 and design f

4、eature 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 motor. PLC co

5、ntrol 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 collet several ti

6、mes. 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 a mechanical

7、 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；torque；swing mo

8、ment；pneumatic 目 錄 摘要. I ABSTRACT.II 1 前 言.1 2 總體方案設(shè)計(jì).2 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù).3 2.2 方案選擇.3 2.2.1 聯(lián)軸節(jié)原理.3 2.2.2 等速萬向節(jié)轉(zhuǎn)矩?cái)[矩的檢測方法.6 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8 3.1 零件設(shè)計(jì).8 3.1.1 配重塊.8 3.1.2 提升氣缸與擺桿的聯(lián)接靠軸承套和軸承聯(lián)接.9 3.1.3 夾頭設(shè)計(jì). .9 3.1.4 阻擋缸（薄型氣缸）與舌形伸縮板(桿 1 提升時(shí)用來定位)的聯(lián)接采用 一 個(gè)接頭和銷軸聯(lián)接.10 3.1.5 標(biāo)尺.11 3.1.6 聯(lián)軸器設(shè)計(jì).11 3.1.7 電控柜設(shè)計(jì).11 3.2 零件的計(jì)算及其校核.

9、11 3.2.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算.11 3.2.2 軸承的選型.14 3.2.3 鍵的設(shè)計(jì)及校核.14 4 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).16 4.1 氣壓傳動(dòng)概論.16 4.1.1 氣壓元件的分類. .16 4.1.2 氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn).16 4.2 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì).17 4.2.1 提升氣缸.17 4.2.2 阻擋氣缸.17 4.2.3 扣壓氣缸.17 5 電氣控制部分設(shè)計(jì).19 5.1 電氣原理.19 5.2 元件選擇.19 5.21 一般三級(jí)電源開源 QK.19 5.2.2 熔斷器 FU.19 5.2.3 低壓斷路器.19 5.2.4 繼電器 FR.19 5.2.5 電磁閥. .20 5.2.6 行程開

10、關(guān).21 5.2.7 電機(jī)的選擇.22 5.2.8 傳感器的選擇.23 6 結(jié)論.25 參考文獻(xiàn).26 致謝.27 附錄. . . . .28 1 前言 試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境測定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu) 等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡的儀器。在研究 探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過程中，試驗(yàn)機(jī)是一種不可缺少的重要的 測試儀器。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、建筑、航空、造船、交通運(yùn)輸 等工業(yè)部門及大專院校等，對有效使用材料、改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、 保證產(chǎn)品安全可靠等都有重要作用。 工業(yè)生產(chǎn)中各種材料、零部件、構(gòu)件以至整機(jī)或整

11、個(gè)建筑物等都需要經(jīng)過試驗(yàn) 才能確定它們的力學(xué)性能。在了解這些性能以后才能使設(shè)計(jì)合理、使用可靠。經(jīng)過 試驗(yàn)才能確定產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。因此，試驗(yàn)機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)重要的地位， 它的發(fā)展在某種程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展的水平。 汽車的萬向節(jié)是汽車零部件中較為重要的零件，它聯(lián)接汽車變速箱和后橋主傳 動(dòng)器，其力學(xué)性能指標(biāo)主要是轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩。汽車生產(chǎn)都是大批量生產(chǎn)，檢 測等速萬向節(jié)這兩項(xiàng)力學(xué)性能是一項(xiàng)頻繁重復(fù)的工作，僅靠人力完成，其工作強(qiáng)度 太大。所以需要設(shè)計(jì)一臺(tái)檢測設(shè)備，代替人工檢測，即減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也提 高了檢測的精確度。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一臺(tái)汽車萬向節(jié)力矩性能試驗(yàn)臺(tái)。此試 驗(yàn)臺(tái)可實(shí)

12、現(xiàn)汽車固定端與滑移端萬向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與擺動(dòng)力矩力學(xué)性能的檢測，檢測 過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其技術(shù)條件具體如下： 1. 最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 20Nm，顯示值精度 20%FS1%。 2. 轉(zhuǎn)速 0100rpm。 3. 擺動(dòng)角度 024，示值精度 30。 4. 最大擺動(dòng)力矩：30NM，顯示值精度 20%FS1%。 5. 擺動(dòng)角范圍 24 ，示值精度 30。 6. 工作節(jié)拍 50 秒一件。 7. 有安全保護(hù)、過載保護(hù)及報(bào)警功能。 8. 最大滑移力 220N。 本設(shè)計(jì)主要是利用氣動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置來完成各個(gè)動(dòng)作，通過傳 感器測量處轉(zhuǎn)矩和擺矩。整個(gè)系統(tǒng)由可編程控制器控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測過程中連 續(xù)動(dòng)作準(zhǔn)確

13、無誤。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電結(jié)合的整體。 由于沒有工作經(jīng)驗(yàn)，單憑理論設(shè)計(jì)出來的試驗(yàn)機(jī)可能在實(shí)際應(yīng)用中遇到很多問題， 敬請各位老師多多指正 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)主要是完成汽車萬向節(jié)轉(zhuǎn)矩、擺矩試驗(yàn)臺(tái)本體及其附屬機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包 括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制線路。 2.2 方案選擇 2.2.1 萬向聯(lián)軸節(jié)原理 萬向鉸鏈機(jī)構(gòu)又稱萬向聯(lián)軸節(jié)。可用以傳遞兩相交軸間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。它與錐 齒輪傳動(dòng)相比，其特點(diǎn)是在傳動(dòng)過程中，兩軸之間的夾角可以變動(dòng)，故萬向節(jié)是一 種常用的變角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床等機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中。 圖 2.1 如上圖 2.1 所示為單萬向聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖。

14、主動(dòng)軸 1 和從動(dòng)軸 3 端部帶有叉， 兩叉與十字頭 2 組成轉(zhuǎn)動(dòng)副 B、C。軸 1 和軸 3 與機(jī)架 4 組成轉(zhuǎn)動(dòng)副 A、D。轉(zhuǎn)動(dòng)副 A 和 B、B 和 C 及 C 和 D 的軸線分別互相垂直，并均相交于十字頭的中心點(diǎn) O，軸 1 與軸 3 所夾的銳角為 。當(dāng)主動(dòng)軸 1 回轉(zhuǎn)一周時(shí)，從動(dòng)軸 2 也隨著回轉(zhuǎn)一周。但兩 軸的瞬時(shí)角速度并不時(shí)時(shí)相等，即當(dāng)軸 1 以等角速度 1回轉(zhuǎn)時(shí)，軸 3 作變角速度 3回轉(zhuǎn)。若取坐標(biāo)系 xyz，其中 x 軸與軸 1 重合，十字頭中心 O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，并以 軸 1 的叉平面位于 xOy 平面上；OB 與 y 軸重合，作為軸 1 轉(zhuǎn)角 1的初始位置；這 時(shí)軸 3 的

15、叉平面垂直 xOy 平面，OC 與 Z 軸重合，作為軸 3 轉(zhuǎn)角 3的初始位置。萬 向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)角間關(guān)系式： （2-1） 13 tantancos 式中，1為主動(dòng)軸（即主動(dòng)叉）轉(zhuǎn)角，定義為萬向節(jié)主動(dòng)叉所在平面與萬向節(jié) 主、從動(dòng)軸所在平面的夾角；3為從動(dòng)軸（即從動(dòng)叉）轉(zhuǎn)角， 為主動(dòng)軸與從動(dòng)軸 之間的夾角。 設(shè)萬向節(jié)夾角 保持不變，將式對時(shí)間求導(dǎo)，并且把 3用 1表示，則得 （2-2） 3 22 11 cos 1 sincos 由上式可知，角速度比是兩軸夾角 和主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角 1的函數(shù)。由于 cos21是周 期為 180的周期性函數(shù)，所以在 保持不變的條件下，轉(zhuǎn)速比 3/1也是個(gè)周期為 18

16、0的周期性函數(shù)。當(dāng) =0 時(shí)，角速比恒為 1，它相當(dāng)兩軸剛性聯(lián)接；當(dāng) =90時(shí)， 角速比恒為零，即兩軸不能進(jìn)行傳動(dòng)。又若兩軸夾角 值不變，則當(dāng) 1=0或 180 時(shí)，角速比最大，即 3max=1/cos；當(dāng) 1=90或 270時(shí)，角速比最小，即 3max=1cos。如果認(rèn)為 1保持不變，則 1每一轉(zhuǎn)變化兩次。因此當(dāng)主動(dòng)軸以等角 速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸時(shí)快、時(shí)慢，此即萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性。下圖 2.2 所示為 =45時(shí)，角速比隨 1的變化曲線： 圖 2.3 萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù) K 來表示： （2-3） 12 3max1min 3m1 1 cos sincos K= cos （）

17、式中 3m表示軸 3 的平均角速度，因?yàn)閮奢S的平均角速比為 1 所以 3m=1。 下圖 2.3 表示軸 3 轉(zhuǎn)動(dòng)的不均勻系數(shù) K 隨兩軸夾角 的變化曲線。從中可以看 出， 角增大時(shí)，K 增大的很快，因此在實(shí)際使用中， 一般不超過 3545。 圖 2.3 由于單萬向聯(lián)軸節(jié)從動(dòng)軸 3 的角速度 3作周期性變化，因而在傳動(dòng)中將引起的 動(dòng)載荷，使軸產(chǎn)生振動(dòng)。為消除這一缺點(diǎn)可采用雙萬向聯(lián)軸節(jié)，即用一個(gè)中間軸 M 和兩個(gè)單單萬向聯(lián)軸節(jié)將主動(dòng)軸 1 和從動(dòng)軸 3 連接起來，如下圖 2.4 所示： 圖 2.4 在傳遞運(yùn)動(dòng)中，由于主、從從軸的相對位置發(fā)生變化，兩萬向節(jié)之間距離也相 對發(fā)生變化，因此中間軸做成兩部

18、分用滑鍵聯(lián)接，以自動(dòng)調(diào)節(jié)中間軸長度的變化。 對于聯(lián)接相交的或平行的兩軸的雙萬向節(jié)，如果使主、從動(dòng)軸的角速度相等， 即角速比恒等于 1，則必須滿足下列兩個(gè)條件： 1）主動(dòng)軸與中間軸的夾角必須等于從動(dòng)軸與中間軸的夾角，即 1=3； 2）中間軸兩端的叉面必須位于同一平面內(nèi)。 證明如下： 先分析圖 2.4（a）所示的雙萬向聯(lián)軸節(jié)的左半部分，因中間軸 M 左端得叉位于 軸 M 與軸 1 的平面內(nèi)，所以它的初始位置與圖 1 的單萬向聯(lián)軸節(jié)初始位置相同，不 過這時(shí)雙萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 M 相當(dāng)于單萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 1，雙萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 1 相當(dāng) 于單萬向節(jié)的軸 3。因此有公式 2-1 得 11 22 M1M co

19、s = 1 sincos 式中 M與 M表示中間軸 M 的角速度和轉(zhuǎn)角。 再分析圖 2.4（a）所示的雙萬向聯(lián)軸節(jié)的右半部分，根據(jù)第二個(gè)條件，中間軸 兩端叉面位于同一平面內(nèi)，因此中間軸右邊叉位于軸 1、3 及軸 M 的平面內(nèi)，它的 初始位置與單萬向聯(lián)軸節(jié)初始位置相同，這時(shí)軸 M 相當(dāng)于單萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 1，雙 萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 3 相當(dāng)于單萬向聯(lián)軸節(jié)的軸 3，因此由公式 1-1，得 33 22 M3M cos = 1 sincos 又根據(jù)第一個(gè)條件 1=3，所以 1=3。 雙萬向聯(lián)軸節(jié)常用來傳遞平行軸或相交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，它的特點(diǎn)是：當(dāng)兩軸間的夾 角變化時(shí)，不但可以繼續(xù)工作，而且在上述兩條件下，還能保

20、證等角速比，因此在 機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。例如：在汽車變速箱和后橋主傳動(dòng)器之間用等速萬向節(jié)連接， 當(dāng)汽車行駛時(shí)，由于各種原因引起變速箱輸出軸和后橋輸入軸相對位置的變化，這 時(shí)聯(lián)軸節(jié)的中間軸與它們的傾角雖然也有相應(yīng)的變動(dòng)，但是傳動(dòng)并不中斷，汽車仍 能繼續(xù)行駛。 此次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)就是用來檢測汽車等速萬向節(jié)的轉(zhuǎn)矩和擺矩。 2.2.2 等速萬向節(jié)轉(zhuǎn)矩?cái)[矩的檢測方法 圖 2.5 擺動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的測量原理如圖 2.5 所示。擺動(dòng)力矩的測量方法是：擺桿 插入萬向節(jié)內(nèi)圈中，固定 2 軸，萬向節(jié)外圈以角速度 1旋轉(zhuǎn)，擺桿帶動(dòng)內(nèi)圈在一定 的平面擺角（24）范圍內(nèi)左右對稱擺動(dòng)，由于內(nèi)圈與外圈之間存在摩擦，所以 存

21、在擺動(dòng)力矩，擺桿所受的彎矩即為萬向節(jié)的擺動(dòng)力矩。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的測量方法是： 萬向節(jié)內(nèi)圈先擺動(dòng)到一定的角度 （24）后保持此角度固定不變，萬向節(jié)外圈以角 速度 1旋轉(zhuǎn)，同樣因?yàn)閮?nèi)圈與外圈的摩擦而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，外圈所受的扭矩即為萬向節(jié) 的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。最大擺角是在測量基準(zhǔn)面上，由萬向節(jié)內(nèi)外圈幾何尺寸所決定的內(nèi)圈 軸線所允許的最大偏轉(zhuǎn)角度，通過傳感器測出最大擺矩、轉(zhuǎn)矩及擺角。 若用人力來完成此等速萬向節(jié)擺矩和轉(zhuǎn)矩的測試，因?yàn)閿[桿的插入和拔出力都 很大，只靠人力效率很低，且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也很大。為了提高工作效率和減輕工 人的勞動(dòng)強(qiáng)度，以及提高檢測的精確度，設(shè)計(jì)該試驗(yàn)機(jī)以實(shí)現(xiàn)等速萬向節(jié)擺矩、轉(zhuǎn) 矩檢測過程的自動(dòng)化。

22、 1）試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分包括氣動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)。選用氣動(dòng)系統(tǒng)的原因有： a與液壓傳動(dòng)相比，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，維護(hù)簡單，無污染。 b成本低。 c本試驗(yàn)機(jī)所需的輸出力不是太大。 擺桿的插入提升以及拔出靠一個(gè)氣缸來完成，大大提高了工作效率。擺桿的提升高 度的定位靠一個(gè)由氣缸帶動(dòng)的舌形伸縮板來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)擺桿插入內(nèi)圈向上提升時(shí)，舌 形伸縮板的伸出阻擋了擺桿的繼續(xù)向上，從而起到了定位作用，擺桿的左右擺動(dòng)由 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，若用氣缸來實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，氣缸的定位精度不如步進(jìn)電機(jī)高，且有輕微 沖擊。用步進(jìn)電機(jī)定位精度高，步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的數(shù)量和輸入脈沖 的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比。在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制

23、輸入脈沖的數(shù)量、頻 率和電機(jī)繞組的相序即可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，控制方便且能鎖定角度。 在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擺桿擺動(dòng)（24）時(shí)，通過扭矩傳感器測出擺桿的擺矩。擺桿擺動(dòng) 定位由限位開關(guān)完成。擺矩測完，由步進(jìn)電機(jī)鎖定擺桿擺 24，由三相交流電機(jī)帶 動(dòng)桿 2 轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣通過轉(zhuǎn)矩傳感器測出轉(zhuǎn)矩。測完轉(zhuǎn)矩后，擺桿擺回到中間位置， 并從內(nèi)圈中拔出。 2）整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)控制由可編程控制器 PLC 完成。傳統(tǒng)的繼電接觸控制系 統(tǒng)體積大，全為機(jī)械式觸點(diǎn)，動(dòng)作慢，且可靠性差，接線復(fù)雜，維護(hù)也相當(dāng)復(fù)雜。 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，PLC 內(nèi)部全為“軟接點(diǎn)” ，動(dòng)作快。PLC 控制功能 改變，一般僅修改程

24、序即可，極其方便，且 PLC 的可靠性比繼電接觸控制的高。 3）傳感器都有與之配套的顯示儀表，可直接讀出所測轉(zhuǎn)矩、擺矩。顯示儀表具 有輸出具有輸出超量程報(bào)警信號(hào)的功能。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)機(jī)具體工作過程如下： 工人把被測試樣等速萬向聯(lián)軸節(jié)裝入試驗(yàn)機(jī)臺(tái)上，按下起動(dòng)按鈕，氣源打開， 試驗(yàn)機(jī)開始自動(dòng)進(jìn)行一系列動(dòng)作。提升氣缸下降將彈性夾頭擠入內(nèi)圈中，扣壓缸外 伸將壓板翻轉(zhuǎn)成水平，阻擋缸縮回壓板翻轉(zhuǎn)成垂直，主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺 臂往復(fù)擺動(dòng)兩次來測擺角和擺矩，擺臂復(fù)位垂直，將轉(zhuǎn)矩清零，擺臂擺動(dòng) 并保持 8s 來測轉(zhuǎn)矩，后擺臂復(fù)位，將主電機(jī)停止，扣壓缸外伸將壓板翻轉(zhuǎn)成水平，阻擋缸 縮回，提升缸上升則

25、彈性夾頭與內(nèi)圈分離，扣壓缸縮回則壓板翻轉(zhuǎn)成垂直，截?cái)鄽?路，讀顯示結(jié)果根據(jù)結(jié)果來判斷試樣是否是合格品，將顯示儀復(fù)位，卸載試件，整 個(gè)測試過程結(jié)束。 3.1.零件設(shè)計(jì) 3.1.1 配重塊： 如圖 3.1 所示提升氣缸與阻擋氣缸都固定在一個(gè)可擺動(dòng)的平板 M 上，平板豎直 放置，與步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的軸相配合，因此可前后擺動(dòng)，從而帶動(dòng)擺桿擺動(dòng)。平板 M 下半部分明顯比上半部分輕，若擺動(dòng)起來，平板 M 自身就有擺矩，此時(shí)測出的擺桿 的擺矩帶有附加力矩。具體方法：把平板 M（提升氣缸、阻擋氣缸等都全部安裝完 畢）擺到水平位置，調(diào)節(jié)配重塊，使其靜止在水平位置即可，此外，再通過大量的 試驗(yàn)或是先前積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來

26、調(diào)節(jié)配重塊，從而消除過重現(xiàn)象，這樣就可把附加 力矩去掉了。 圖 3.1 3.1.2 提升氣缸與擺桿的聯(lián)接靠軸承套和軸承聯(lián)接： 此處軸承受力主要是軸向力，選用一對正裝的角接觸球軸承，此種軸承可以同 時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。承受徑向和軸向負(fù)荷的能 力為良，低噪音，使用壽命長，價(jià)格也低，能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個(gè)軸 承只能承受單向的軸承力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力由接觸角 決定。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。該對角接觸球軸承一端由軸肩固定， 另一端由圓螺母及止動(dòng)墊圈固定。止動(dòng)墊圈與圓螺母配合使用，主要用于滾動(dòng)軸承 的固定。若沒有止動(dòng)墊圈，使用時(shí)間長

27、了后圓螺母容易松動(dòng)，使用止動(dòng)墊圈鎖住圓 螺母就可以防止此種情況發(fā)生。 3.1.3 夾頭設(shè)計(jì)： 夾頭的作用是對萬向節(jié)的內(nèi)圈組件提升定位，與軸桿一起對萬向節(jié)施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。因此夾 頭與內(nèi)圈間的夾緊力應(yīng)至少能克服 220N 的最大滑移阻力，并能承受 20Nm 的最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。 采用圖 5 所示結(jié)構(gòu)。這種由鋼件作骨芯，聚氨酯作外套的組合式夾頭，耐磨且 結(jié)構(gòu)非常簡單，對尺寸參數(shù)變化適應(yīng)性好，夾頭使用壽命提高了數(shù)倍。 圖 3.2 擺桿的下端帶有夾頭，此夾頭用來擠壓入等速萬向節(jié)的內(nèi)圈中以帶動(dòng)內(nèi)圈在萬 向節(jié)中滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，此夾頭用聚氨酯制成。在實(shí)際使用過程中，若夾頭與內(nèi)圈配合 的過盈量大了，則說明擠入內(nèi)圈中的力過

28、大，可把夾頭在車床上打磨一下，減小擠 入內(nèi)圈所需的力。此零件屬于易損件，需配數(shù)個(gè)備用。 3.1.4 阻擋缸（薄型氣缸）與舌形伸縮板(桿 1 提升時(shí)用來定位)的聯(lián)接采用一個(gè)接頭 和銷軸聯(lián)接： 圖 3.3 圖 3.2 為接頭，接頭右端與薄型氣缸相連，右端通過銷軸與舌形伸縮板聯(lián)接。 若沒有此接頭和銷軸作為氣缸與舌形伸縮板的中間過度聯(lián)接，而采用直接相連，則 每次提升缸提升擺桿碰到舌形伸縮板時(shí)，不僅給舌形伸縮板很大沖擊，給薄型氣缸 也帶來沖擊，并且使氣缸受到向上的力，與氣缸內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，不能正常工作，且 減少使用壽命。而采用了此種結(jié)構(gòu)就避免了此類現(xiàn)象的發(fā)生。 3.1.5 標(biāo)尺： 固定在試驗(yàn)臺(tái)的扇形塊上，

29、其作用是:在安裝左右限位開關(guān)時(shí)，確定去位置的。 標(biāo)尺上的死擋鐵在平板 M 左右擺動(dòng)擺到最大位置（24）時(shí)，起阻擋作用。 3.1.6 聯(lián)軸器設(shè)計(jì): 該試驗(yàn)臺(tái)所涉及的軸與軸的聯(lián)接，均采用套筒聯(lián)軸器（利用一公用套筒以銷、 鍵聯(lián)接方式與兩軸相連） 。此種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)最簡單，零件數(shù)量少，重量輕，制造容 易，成本低廉。雖然這類聯(lián)軸器不具有補(bǔ)償兩軸相對位移的能力，但是如果裝配時(shí) 能保持兩軸精確對中，則工作中會(huì)有比較滿意的傳動(dòng)性能，因此，在一些轉(zhuǎn)速不高， 載荷平穩(wěn)的場合，仍得到廣泛應(yīng)用。該試驗(yàn)臺(tái)各軸的轉(zhuǎn)速都不太高，載荷也較平穩(wěn)， 因此采用套筒聯(lián)軸器即經(jīng)濟(jì)又方便。 3.1.7 電控柜設(shè)計(jì)： 裝有與轉(zhuǎn)矩傳感器和擺

30、矩傳感器配套的顯示儀表、驅(qū)動(dòng)三相交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)馬 達(dá)以及各按鈕。其安裝在試驗(yàn)臺(tái)的右側(cè)，以便工人操作。 3.2 零件的計(jì)算及其校核 3.2.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算： 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對應(yīng)力集中的敏感性 較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采 用碳鋼制造軸尤為廣泛其中最常用的是 45#鋼。本試驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的軸全部采用 45#鋼。 (1)擺桿的設(shè)計(jì)： 先按軸所傳遞的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩初步估算直徑： 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的條件計(jì)算： 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （3-1） 3 9550000 0.2 TT T P T n Wd 式中： T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

31、T軸所受的扭矩，Nmm； WT軸的抗扭截面系數(shù)，mm3； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P軸傳遞的功率，kW d計(jì)算截面處軸的直徑，mm； T許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 表 3.1 軸常用幾種材料的 A0值 軸的材料Q235-A、20 Q275、35（1Cr 18Ni9Ti） 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、30Cr 13 A014912613511212610311297 由上式可得軸的直徑 （3-2） 33 33 0 95500009550000 0.20.2 TT PPP dA nnn 式中 A0按軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力T確定的系數(shù)， 。3 0 9550000 0.2 T A 根據(jù)所選

32、電機(jī) P=0.4kW，n=100r/min，軸的材料選為 45#鋼。根據(jù)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 此直徑即為按功率輸入處得軸端直徑，取 d=17mm。其它處直徑可按照結(jié)構(gòu)的 需要來改變。 圖 3.4 此軸只受軸向力（插入內(nèi)圈中所產(chǎn)生的力） ，故不受彎矩也不受扭矩，其強(qiáng)度滿 足要求。 (2）帶動(dòng)整個(gè)擺動(dòng)部分?jǐn)[動(dòng)的軸的設(shè)計(jì)： 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括定出軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。此軸一端聯(lián)接靜扭傳感器， 另一端通過平鍵與擺動(dòng)平板相連，傳遞扭矩，帶動(dòng)整個(gè)擺動(dòng)部分?jǐn)[動(dòng)，因靜扭傳感 器的聯(lián)接軸尺寸為 30mm，它

33、與此軸通過聯(lián)軸套聯(lián)接，故初步也把此軸的端部尺 寸定為 30mm。軸承的軸向定位靠軸肩和軸承端蓋。定位軸肩的高度 h=（0.070.1）d，d 為與零件相配處的軸徑尺寸。取 h=0.1d=0.130=3mm，所以 D=30+32=36mm，此軸與套筒、擺動(dòng)平板皆通過平鍵聯(lián)接。 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算：（按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算） 此軸只受扭矩，不受彎矩，所以所受彎矩 M=0。 圖 3.5 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)（亦即 可 將循環(huán)特性 折算為 ） 。因通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)的變應(yīng)力， 而扭矩所產(chǎn)生的扭切應(yīng)力常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在計(jì)算彎矩時(shí)，必須考慮

34、這種循環(huán)特性差異的影響。即當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 =0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈 動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取 =0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力變?yōu)閷ΨQ循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取 =1.此軸 的 取 0.6。T=30Nm=30000Nmm 計(jì)算彎矩 2222 ()0(0.6 30000)18000() ca MMTN mm 校核危險(xiǎn)截面 C，按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算彎曲應(yīng)力： 13 33 18000 3.33()60() 0.20.2 30 16 cacaca ca MMM MPaMPa dWd -1軸的許用彎曲應(yīng)力 故此軸安全。 3.2.2 軸承的選型: 與轉(zhuǎn)矩傳感器伸出軸相配合的軸承，因要承受較大的軸向力，因此選用一對反

35、裝（背靠背）的角接觸球軸承。此種方式安裝的角接觸球軸承通過預(yù)緊力可提高軸 承剛性。外圈寬端面相對具有較大的抗彎剛性，且軸向限位能力為雙向。d內(nèi)徑 =30mm，選 7006C 型角接觸球軸承。與擺桿相配合的軸承，也要承受較大的軸向力， 選用一對正裝（面對面）的角接觸球軸承。 3.2.3 鍵的設(shè)計(jì)及校核： 普通平鍵的主要尺寸見下表： 表 3.2 普通平鍵的主要尺寸 mm 軸的直徑101212171722223030383844 鍵寬 b鍵高 h44556687108128 鍵的長度系列10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，工作面被擠壓，因

36、此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn) 行強(qiáng)度校核，并假定在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 （3-2） 3 210 () PP T MPa kld 式中， T傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nm； k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，這里 h 為鍵的高度，mm； l鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵 l=L-b，此處 L 為鍵的公稱長度， mm；b 為鍵的寬度，mm； d軸的直徑，mm； P鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，Mpa，見下表。 表 3.3 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力 MPa 載荷性質(zhì)許用擠壓 應(yīng)力 連接工作 方式 鍵或轂、軸 的材料靜載荷輕微載荷沖擊 P靜連接鋼12015010012060

37、90 鑄鐵708050603045 1.選擇鍵的連接類型和尺寸： 三相交流電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器與聯(lián)軸套的聯(lián)接由定心精度要求，應(yīng)選用平鍵連接。 由于該鍵在軸端連接，所以選用單圓頭普通平鍵（C 型） 。 根據(jù) d=24mm，d=30mm 從上表中查得鍵的截面尺寸為：寬度 b=8mm，高度 h=12mm。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長 L=20mm，L=36mm。 2.校核鍵連接的強(qiáng)度： 鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，聯(lián)接方式為靜聯(lián)接，載荷性質(zhì)為輕微沖擊，由上 表查得許用擠壓應(yīng)力P =100120MPa，取其平均值，P =110MPa。校核工作長 度最短的鍵，即鍵的工作長度 l=L-b=20-6=14

38、mm，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 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 故滿足要求，鍵的標(biāo)記為：鍵 C820 GB1096-79，鍵 C836GB1096-79。 4 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 氣壓傳動(dòng)概論 4.1.1 氣壓元件的分類： 氣壓元件按功能可以分成以下幾類： (1)氣壓發(fā)生裝置：是獲得能源的發(fā)生裝置。由空氣壓縮機(jī)（或真空泵）及其附 件（后冷卻器、油水分離器和氣罐等）所組成。它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn) 變成氣體的壓力能，為系統(tǒng)提供壓縮空氣，作為

39、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源。 (2)氣源處理元件：清除壓縮空氣的水分、灰塵和油污，以輸出干燥潔凈的空氣 供后續(xù)元件使用。如各種過濾器和干燥器等。 (3)執(zhí)行元件：是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將氣體壓力能轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)（如氣缸）或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （如氣馬達(dá)） 。 (4)氣動(dòng)控制元件：是控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的閥類，以 保證氣動(dòng)執(zhí)行元件按預(yù)訂的程序正常地進(jìn)行工作。如各種氣動(dòng)壓力閥、流量 閥、方向閥和比例閥、邏輯元件等。 (5)輔助元件：是解決元件內(nèi)部潤滑、排氣噪聲、元件間的連接及信號(hào)轉(zhuǎn)換、顯 示、放大、檢測等所需要的各種輔件。如各種過濾器、油

40、霧器、消聲器、管 接頭及連接管、轉(zhuǎn)換器、顯示器、傳感器、放大器和程序器等。 4.1.2 氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)： 氣壓傳動(dòng)作為一種動(dòng)力發(fā)生、驅(qū)動(dòng)裝置，得到了迅速發(fā)展和廣泛被應(yīng)用，由自 己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： (1)以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)的獲得比較容易，使用后的空氣排到大氣中理 方便，與液壓傳動(dòng)相比不必設(shè)置回收油箱和管道。 (2)因空氣的粘度很小（約為液壓油動(dòng)力粘度的萬分之一） ，其損失也很小，所 以便于集中供氣，遠(yuǎn)距離輸送。泄露不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣污染環(huán)境。 (3)與液壓傳動(dòng)相比，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，維護(hù)簡單，工作介質(zhì)清潔，不存 在介質(zhì)變質(zhì)等問題。 (4)工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁

41、、輻射、振動(dòng)等惡 劣工作環(huán)境中，比電子、電氣控制、液壓優(yōu)越。 (5)成本低、過載能自動(dòng)保護(hù)。 同時(shí)，氣壓傳動(dòng)與其它傳動(dòng)相比也具有一些缺點(diǎn)： (1)由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩(wěn)定性差，不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度控制 和很高的定位精度。 (2)因工作壓力低（一般為 0.1-1MPa） ，又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，總輸出力不宜 大于 10-40kN。 (3)排氣噪聲較大，高速排氣時(shí)應(yīng)加消聲器，以降低排氣噪聲。 本次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)輸出力不大，動(dòng)作平穩(wěn)性、控制精度不要求太高，使用氣動(dòng) 控制不僅動(dòng)作快、能減輕單調(diào)或繁重的體力勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且成本低。 4.2 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì) 氣缸的選擇計(jì)算： 4.2.1

42、提升氣缸： 選用緩沖氣缸，當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到接近行程末端時(shí)，安裝于氣缸內(nèi)部的緩沖裝置 開始起作用，使活塞運(yùn)動(dòng)速度降低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免發(fā)生現(xiàn)象。 提升氣缸的選擇計(jì)算是按照負(fù)載力設(shè)計(jì)的，所以又公式 （3-1） 2 4 s FD P 因技術(shù)要求中內(nèi)圈的最大滑移力為 220N，氣缸桿帶動(dòng)的活塞壓入內(nèi)圈的擠壓力約為 最大滑移力的 45 倍，設(shè)定擠壓力 F=1100N，工作壓力 Ps=0.6MPa，載荷率 =0.85，根據(jù)上式（3-1） ，得 6 44 1100 0.048( )48() 3.14 0.6 100.85 s F Dmmm P 所以提升氣缸應(yīng)選缸徑大于 48mm 的氣缸，又因去安裝形式為前法蘭式

43、，所以選用 上海新益氣動(dòng)元件有限公司生產(chǎn)的 QGB 系列緩沖氣缸的 QGB80-160-f 氣缸。其中 “80”表示氣缸內(nèi)徑， “160”表示氣缸行程， “f”表示前法蘭式。 4.2.2 阻擋氣缸： 此氣缸的作用只是阻擋定位，無太大的負(fù)載力，又因其安裝在擺動(dòng)部件上為了減輕 重量和安裝方便選用新益氣動(dòng)元件公司的 QGB系列薄型氣缸：32-30。 4.2.3 扣壓氣缸： 圖 4.1 當(dāng)活塞從內(nèi)圈中往上拔出時(shí)，壓板受的負(fù)載力 F2約為內(nèi)圈最大滑移力的 23 倍， 即 400500N，設(shè)定 F2為 500N，見上圖，根據(jù)力臂平衡，得： F145=F240 2 1 40500 40 444() 4545

44、 F FN 根據(jù)前面提升氣缸的選擇，此扣壓氣缸也選 80，滿足要求。選為 QGB80-200-S， 其中 S 表示安裝形式為尾部懸掛式，氣缸可繞尾部軸稍擺動(dòng)，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的要求。 5 電氣控制部分設(shè)計(jì) 5.1 電氣原理 主要由 PLC 控制各電器，包括三個(gè)電磁閥、一個(gè)三相交流電機(jī)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 PLC 控制各電磁閥的動(dòng)作、電機(jī)的啟起動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向。傳感器的電源由其配套的 顯示儀表提供。 5.2 元件選擇 5.2.1 一般三級(jí)電源開關(guān) QK： 選用 HK1 系列膠殼刀開關(guān)，額定電流值 60A，極數(shù) 3 極，額定電壓值 380V。膠 殼刀開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)最簡單、應(yīng)用最廣泛的手動(dòng)電器。用作電路的電源開

45、關(guān)和小容 量電動(dòng)機(jī)非頻繁起動(dòng)的操作開關(guān)。膠殼刀開關(guān)由操作手柄、熔絲、觸刀、觸頭座和 底座組成、膠殼使電弧不致飛出灼傷操作人員，防止極間電弧造成的電源短路；熔 絲起短路保護(hù)作用。 5.2.2 熔斷器 FU： 熔斷器是一種簡單而有效的保護(hù)電器，在電路中主要起短路保護(hù)作用，是一種 過電流保護(hù)器。熔斷器主要由熔體和安裝熔體的絕緣管（絕緣座）以及外加填料等 部分組成。其工作原理是利用金屬導(dǎo)體作為熔體串聯(lián)于電路中，當(dāng)過載或短路電流 通過熔體時(shí)，因其自身發(fā)熱而熔斷，從而分?jǐn)嚯娐返囊环N電器。熔斷器結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便，廣泛用于電力系統(tǒng)、各種電工設(shè)備和家用電器中作為保護(hù)器件。使用時(shí)， 將熔體串接于被保護(hù)的電路中

46、，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時(shí)，熔體被瞬時(shí)熔斷而分?jǐn)嚯?路，起到保護(hù)作用。選用無填料密閉管式熔斷器，此種熔斷器常用于低壓電力網(wǎng)或 成套配電設(shè)備中。選用 RM10-15，熔斷器額定電壓 220V，額定電流 15A，熔體額定 電流有 6A，10A，15A 可以選擇，選擇時(shí)可以先用電表測量出總支路上的電流在正 常工作時(shí)有多大，再選取相應(yīng)的熔絲或熔斷體的額定電流。 5.2.3 低壓斷路器： 壓斷路器也稱為自動(dòng)開關(guān)，俗稱“空氣開關(guān)” ，多用于補(bǔ)頻繁地轉(zhuǎn)換及起動(dòng)電動(dòng) 機(jī)，對線路、電器設(shè)備及電動(dòng)機(jī)實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它們發(fā)生嚴(yán)重過載、短路及欠壓電路 等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電器，有保護(hù)線路和電源的能力。因此，低壓斷路器是低壓配

47、電網(wǎng)中一種重要的保護(hù)電器。低壓斷路由操作機(jī)構(gòu)、觸頭、保護(hù)裝置（各種脫扣器） 、 滅弧系統(tǒng)等組成。QF1選用型號(hào)為 DZ5-10 單極塑料外殼式自動(dòng)開關(guān)，開關(guān)額定電壓 為交流 220V，額定電流為 10A，脫扣器型號(hào)為復(fù)式，無輔助觸頭。QF2選用 DZ5- 25。 5.2.4 繼電器 FR： 熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的電器，廣泛應(yīng)用于三相異步電動(dòng)機(jī)的 長期過載保護(hù)，熱繼電器主要由熱元件、雙金屬片、觸頭及一套傳動(dòng)和調(diào)整機(jī)構(gòu)組 成。在三相異步電動(dòng)機(jī)電路中，一般采用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器，即在兩相主電路中 串接熱元件。雙金屬片由兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片輾壓而成。圖中所示的雙金 屬片，下層一片的

48、熱膨脹系數(shù)大，上層的小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，通過發(fā)熱元件的電 流超過整定電流，雙金屬片受熱向上彎曲脫離扣板，使常閉觸點(diǎn)斷開。由于常閉觸 點(diǎn)是接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中的，它的斷開會(huì)使得與其相接的接觸器線圈斷電，從 而接觸器主觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)的主電路斷電，實(shí)現(xiàn)了過載保護(hù)。熱繼電器動(dòng)作后， 雙金屬片經(jīng)過一段時(shí)間冷卻，按下復(fù)位按鈕即可復(fù)位。 圖 5.1 熱繼電器的電路符號(hào) 熱繼電器的選擇主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流來確定其型號(hào)及熱元件的額定電流 等級(jí)。 該試驗(yàn)臺(tái)所用減速機(jī)的額定功率為 0.4kW，根據(jù)三相交流電動(dòng)機(jī)額定電流的公 式 （5-1） 1000 1.73cos e e e P I U 式中 Pe額定功率

49、（kW） ；Pe=0.4kW Ue額定電壓（V） ；Ue=380V cos功率因數(shù)；cos=0.9 電動(dòng)機(jī)效率；=85% 1000把 kW 換算為 W 的系數(shù)。 計(jì)算得 Ie0.8A 熱繼電器的整定電流等于或稍大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，所以 FR1 選 T 系列熱繼 電器，型號(hào)為 T16，整定電流的調(diào)節(jié)范圍為 0.901.3A。步進(jìn)電機(jī)的額定電流為 13A，所以 FR2 選為 T45，整定電流調(diào)節(jié)范圍為 1321A。 5.2.5 電磁閥： 電磁閥是用電磁效應(yīng)進(jìn)行控制的，主要的控制方式由繼電器控制。驅(qū)動(dòng)氣缸的 電磁換向閥線圈的電壓可以是直流 24V，36V，48V，110V，也可以是交流 220V，

50、380V，本控制回路無需大功率電磁閥，可選擇小功率的直流電磁換向閥線圈， 所以氣壓缸的電磁換向閥線圈選擇直流 24V。同時(shí)電路中藥配置 24V 的直流穩(wěn)壓電 源，同時(shí) PLC 也需要直流 24V 的電源。 5.2.6 行程開關(guān)： 行程開關(guān)是位置開關(guān)（又稱限位開關(guān)）的一種，是一種常用的小電流主令電器。 利用運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來接通或分?jǐn)嗫刂齐娐?，達(dá)到一定的控制目的。 通常，這種開關(guān)被用來限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)到一定位置或行程 自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等。擺桿擺動(dòng)角度的左右限位是由 行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。行程開關(guān)將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，作為行程限位之用。因 擺

51、桿需左右各擺 24，所以需兩個(gè)行程開關(guān)來限位。可考慮選用 LX19 系列行程開關(guān)， 該系列限位開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)如下： 型號(hào) 額定電 壓/V 額定 電流 /A 結(jié)構(gòu)形式 觸頭 對數(shù) 常開 觸頭 對數(shù) 常閉 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 無滾輪，僅用傳動(dòng)桿， 能自復(fù)位 11 4m m 3m m LX19-111 交流 380 直流 220 5 單輪，滾輪裝在傳動(dòng) 桿內(nèi)側(cè)，能自動(dòng)復(fù)位 11 30 度 20 度 LX19-121 交流 380 直流 220 5 單輪，滾輪裝在傳動(dòng) 桿外側(cè)，能

52、自動(dòng)復(fù)位 11 30 度 20 度 LX19-131 交流 380 直流 220 5 單輪，滾輪裝在傳動(dòng) 桿凹槽內(nèi) 11 30 度 20 度 LX19-212 交流 380 直流 220 5 雙輪，滾輪裝在 U 形 傳動(dòng)桿內(nèi)側(cè)，不能自 動(dòng)復(fù)位 11 30 度 15 度 LX19-222 交流 380 直流 220 5 雙輪，滾輪裝在 U 形 傳動(dòng)桿外側(cè)，不能自 11 30 度 15 度 動(dòng)復(fù)位 LX19-232 交流 380 直流 220 5 雙輪，滾輪裝在 U 形 傳動(dòng)桿內(nèi)外側(cè)各一， 不能自動(dòng)復(fù)位 11 30 度 15 度 根據(jù)所用開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式及工作行程，選用型號(hào)為 LX19-111 的行

53、程開關(guān)。 5.2.7 電機(jī)的選擇： （1）三相交流電機(jī)：選用住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社的擺線減速機(jī)。 低速軸實(shí)際需用轉(zhuǎn)矩：TL=20Nm 負(fù)載性質(zhì)：U（均勻負(fù)載） 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：10hr/天 負(fù)載系數(shù):1.0 電機(jī)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） 負(fù)載系數(shù)（1.0）SFG（1.00） 機(jī)型號(hào)選為 05-4085-15 與所驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接方式：軸套（無軸向力） 低速軸方向：立式向上 安裝方式：WH 地腳安裝 W 表示垂直向上 H 表示地腳 電機(jī)連接方式：直聯(lián)型 型號(hào)：CWHM

54、05-4085-15 （2）步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，不會(huì)引起 誤差的積累。角位移量在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率的電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 步進(jìn)電機(jī)大致分成三類： 第一種類型為可變磁阻式（VR）步進(jìn)電機(jī)，也稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子無繞組， 步進(jìn)運(yùn)行時(shí)由定子繞組通電勵(lì)磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用來實(shí)現(xiàn)的。因而也稱反應(yīng)式步 進(jìn)電機(jī)。這類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角角?。?.759） 。 第二種為永磁型（PM）步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用永磁鐵，在圓周上進(jìn)行多極磁化， 它的轉(zhuǎn)動(dòng)靠與定子繞組所產(chǎn)生的電磁力相互吸引或相斥來實(shí)

55、現(xiàn)的，這類電機(jī)控制功 率小、效率高、造價(jià)低。轉(zhuǎn)子為永磁鐵，因而無勵(lì)磁時(shí)也具有保持力，但由于轉(zhuǎn)子 極對數(shù)受磁鋼加工限制因而步距角較大（7.518） ，電機(jī)頻率響應(yīng)較低。 第三種為混合型（HB）步進(jìn)電機(jī)，也稱永磁反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。這類電機(jī)即具有 VR 型步距角小，工作頻率高的特點(diǎn)，又有 PM 型控制功率小，無勵(lì)磁時(shí)具有轉(zhuǎn)矩定 位的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對也高。 本設(shè)計(jì)所選用的步進(jìn)電機(jī)是常州微特電機(jī)總廠生產(chǎn)的磁阻式步進(jìn)電機(jī)，其各項(xiàng) 參數(shù)如下表所示： 型號(hào)相數(shù) 步距角 （Deg.） 電壓 （V） 電流 （A） 保持轉(zhuǎn)矩 （） 最高空 載起動(dòng) 頻率 （Hz） 運(yùn)行頻 率 （Hz） 106BC380A3

56、0.75/1.5 8030 0 133090012000 5.2.8 傳感器的選擇： （1）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 因要測量旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，若用接觸式（電刷）傳感器，電刷易磨損且嚴(yán)重影響 電阻大小，不太穩(wěn)定。喲啊選用無接觸測量的傳感器，才能避免上述問題。因此選 用北京三晶現(xiàn)代科技集團(tuán)生產(chǎn)的 JN388-A 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。JN338 系列采用的檢 測手段為應(yīng)變電測技術(shù)。具有精度高、頻響性可靠性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。JN338 系 列產(chǎn)品設(shè)計(jì)了兩組旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號(hào)的 傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。 此種傳感器的特點(diǎn): 1）檢測精度高，穩(wěn)定性好； 2

57、）體積小，重量輕，易于安裝； 3）不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩； 4）沒有集流環(huán)等磨損件，可以高轉(zhuǎn)速長時(shí)間運(yùn)行； 5）測量彈性體強(qiáng)度大，可承受 100%過載； 6）抗干擾型強(qiáng)。 JN338 系列扭矩測量原理： 檢測的敏感元件是電阻應(yīng)變橋：將精密電阻應(yīng)變片組成的電橋附著在彈性應(yīng)變 軸上，則可以檢測出該彈性軸受扭是 mV 級(jí)軸應(yīng)變點(diǎn)信號(hào)，將該應(yīng)變信號(hào)放大后， 經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換，變換成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。本系統(tǒng)的能源輸入及信號(hào)的輸 出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)，因此實(shí)現(xiàn)了無接觸的能源及信號(hào)傳遞功 能。 圖 5.3 （2）靜扭傳感器： 萬向節(jié)擺矩的測量，通過測量與步進(jìn)電機(jī)相連的軸的扭矩

58、而得到。因此選用北 京 的 AKC 扭矩傳感器系列的 AKC-17 靜扭式扭矩傳感器。 （3）顯示儀表： JN338 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀表是專為 JN338 系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套的顯示儀表，具 有以下特點(diǎn)： 1）向傳感器提供工作電源； 2）接受并處理傳感器輸出的信號(hào)； 3）顯示被測參數(shù)的量值； 4）打印被測參數(shù)； 5）輸出超量程報(bào)警信號(hào)。 XST 系列數(shù)字顯示告警儀是與 ACK-17 配套的顯示儀表，其功能有：內(nèi)裝微計(jì) 算機(jī)，00.2%FS 的高精度，防止誤操作功能，設(shè)定值和顯示值無相對誤差，告警 靈敏度設(shè)定功能。電源電壓：AC220V，50Hz。 6 結(jié) 論 由于萬向節(jié)是大批量生產(chǎn)的，對它的精度及使用要求又很高，所以，對其各項(xiàng) 檢測指標(biāo)要求也很高，這樣對于檢測人員來說工作量就會(huì)很大，檢測精度也會(huì)出現(xiàn) 不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以針對工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工檢測時(shí)動(dòng)作的不穩(wěn)定性造成的 檢測精度低，工作效率低等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新的汽車萬向節(jié)力矩性能實(shí)