摩擦性汽車用V帶、多楔帶疲勞試驗機設計,摩擦性汽車用V帶、多楔帶疲勞試驗機設計,摩擦,磨擦,汽車,多楔帶,疲勞,試驗,實驗,設計 長 春 大 學 畢業(yè)設計論文紙 摘 要 本文詳細論述了多楔帶傳動輪系優(yōu)化試驗臺的硬件及軟件設計方案。試驗臺的開發(fā)是圍繞模擬附件輪系的實際運轉，同時又能調整各個附件負載大小及各個附件的位置來進行的。論文針對的這些特殊性能要求，設計了具有獨創(chuàng)性的臺架結構，包括模擬機體部分，移動導軌部分，轉向泵的工況模擬部分，測功機模擬空調壓縮機作為負載工作等等。多楔帶輪系優(yōu)化試驗臺測控系統(tǒng)的硬件部分以計算機為核心，配以外圍接口電路，信號調理單元和傳感器，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要完成附件輪系主軸轉速、主軸扭矩、空壓機軸轉速、空壓機軸扭矩、轉向泵軸轉速、轉向泵軸扭矩、系統(tǒng)噪聲、系統(tǒng)振動頻率、皮帶輪垂直帶面振幅、皮帶輪測向振幅、減振皮帶輪扭轉角、減振皮帶輪輪面振幅、自動張緊輪軸承溫度等參數的采集和處理，同時實現對模擬附件負載大小以及主動電機運轉情況的控制。 關鍵詞:多楔帶; 輪系; 臺架 Abstract This article presents the design plan of software and hardware of testbench for optimizing design of the poly rib driving wheel system in detail. The development of test-bed centers on imitating actual operation of wheel system and changing load size and position of each accessory at the same time. Aiming at these special demand of performance, I have designed the innovative structure of test-bed, including simulation engine gear box, the part of moving guiding tracks, the simulation part often steering pump, the part of dynamometer simulating compressor as load etc. Computer is the core of poly rib belt driving wheel system test bench’s hardware, equipped with the interface circuit, signal processing unit and sensor. All those parts constitute a close loop control system to realize the signal collection and process, including the rotate speed and torque of main shaft ,rotate speed and torque of the shaft of compressor, rotate speed and torque of the shaft of the steering pump, systematic noise, systematic vibration frequency, the amplitude of surface of poly rib belt, the torsion angle and amplitude of damping pulley, bearing temperature of auto tension wheel, etc.. At the same time we can control the load size of each accessories and operation of electrical machinery by the control system. Keywords: Poly rib belt； wheel system； 25 目 錄 第1章 緒 論 2 1.1 本課題研究的目的與意義 2 1.2 發(fā)展現狀 2 1.2.3 技術要求 5 第2章 機構總體設計方案 6 2.1 機構原理 6 2.2 功能原理方案設計 7 2.3.1動力源選取 9 2.3.2傳動裝置設計 9 2.3.3 加載裝置 10 第3章 疲勞試驗機各部分計算 11 3.1 多楔帶疲勞試驗機設計計算 11 3.2 同步帶傳動的設計計算 12 3.3 軸的設計與計算 15 3.4 主動軸軸承設計計算 19 3.5 張緊輪軸的結構設計與計算 19 第4章 設計與人機工程學 21 4.1 根據人體尺度確定設備的合理尺寸 21 4.2 根據人體的力參數合理設計操縱裝置 21 總 結 22 參考文獻 23 致 謝 24 第1章 緒 論 1.1 本課題研究的目的與意義 帶傳動是機械傳動中重要的傳動形式，廣泛應用于傳遞和運動傳動，在傳動領域占有重要地位，并已經取得了越來越廣泛的應用，近年來，特別是在汽車工業(yè)的，家用電器和辦公自動化機械以及各種新型的機械裝備中相當中相當普遍。由于帶傳動具有結構簡單，傳動平穩(wěn)，價格低廉，不需要潤滑，緩沖吸振等優(yōu)點，使得帶傳動在機械中占有重要的位置，隨著傳動的演變，在許多場合取代了其他的運動形式，同時隨著材料學制造工藝及生產設備的進步，帶傳動的總類不斷更新，傳動能力。雖然近年來傳動帶質量有了顯著提高，但是與國際水平還有一點的差距，其中原因之一是由于疲勞試驗機的普及程度還不夠，通過疲勞試驗機來改進帶的結構，配方和工藝，提高產品質量已經得到生產廠家的認可，個生產廠家只有通過疲勞試驗機，取得符合國際標準的實驗數據，才能夠使產品與國際市場接軌。該疲勞試驗機的研制成功對于打破國內疲勞試驗機基本上依賴進口的局面，完善國內帶生產線的完整性，生產測試設備的更新換代的需要具有重要的意義。 1.2 發(fā)展現狀 多楔帶傳動在平帶的基體下做出許多縱向楔，帶輪也有相應的環(huán)形輪槽，其工作面為楔的側面，具有極高的靈活性，柔性，傳動平穩(wěn)，摩擦力大，傳動功率大，張緊力小，傳動比范圍大，傳動速度高，結構合理，使用壽命長，兼有平帶和三角帶的優(yōu)點而彌補其不足。適用于結構緊湊，傳動功率較大場合，特別適合要求三角帶根數多，垂直地面的平行軸傳動，但對于多楔帶與輪槽間均勻性要求較高，否則會產生寫楔面不接觸或接觸不良其楔面摩擦效應大大削弱。20世紀80年代以來，未解決三角帶多根同組傳動是因產生不一樣長的傳動效率和使用壽命下降等問題，在多根三角帶的上底用一層薄的橡膠連接起來，習慣稱之為聯組三角帶的v型平帶，具有極大的優(yōu)越性，因而有出現v型平帶取代包布式和切邊式三角帶的現象。這種三角帶與平帶結合的膠帶，雖然對帶輪溝槽有特殊的要求，然而由于帶體很薄，與帶輪的接觸面積達，彎曲性好，帶輪縮小，使傳動裝置進一步小型化，節(jié)能化，可補償槽距誤差，彌補了多楔帶的缺點，在世界發(fā)達國家的生產量急劇增加。目前，多楔帶生產狀況在我國規(guī)模形成規(guī)模，生產設備基本為引進或吸收消化制造，產品質量好持續(xù)大批量為汽車等多種機械傳動裝置 配套。 1.2.1帶的類型 （1）齒形多楔帶 齒形多楔帶類似于齒形切邊v帶，即在楔部切成齒形，以提高帶的曲撓性能及帶的散熱性能，可明顯提高帶使用壽命。固特異公司研究表明，相同的氯丁橡膠材料多楔帶，高溫疲勞試驗普通多楔帶66h，有齒多楔帶可達167h。有齒多楔帶還可以降低對帶的裝配精度要求，但有齒多楔帶在使用時通過帶輪會帶進帶出氣流，產生有節(jié)奏的氣流聲。固特異 公司通過斜齒，DAYCO公司做成不規(guī)則齒來抵消這種聲音，可較少15db左右的噪音。 （2）植絨多楔帶 多楔帶傳動缺點之一是傳動噪音較大，在低速或角速度變化快使用時，以及一段時間后，楔面磨損，硬化和張力松弛，或在雨天沾到水后，傳動時會發(fā)出刺耳的尖叫聲，影響汽車的NVH性能。解決辦法之一是楔面留有0.1～1.0mm高強度短纖維。由于纖維摩擦系數穩(wěn)定，具有吸音功能，因此大大降低多楔帶傳動噪音。傳動多楔帶一般用特殊的研磨工藝來實現。研磨時，先將楔塊速磨成大致的楔形，然后低速濕磨，將橡膠磨掉，楔面露出一定長度的纖維。 （3）彈性多楔帶 彈性多楔帶最早應用于白色家電上。原理是，帶的長度比輪系計算周長小，帶在裝配時，使用專用工具強制拉伸在固定的帶輪上，通過帶的彈性變形力使帶產生足夠的張緊力，在整個的過程中無需調整 張力，這樣可以省略張力調整機構。近幾年，小型家用轎車為了簡化發(fā)動機前端附件輪系結構也開始使用彈性多楔帶作為驅動用帶。彈性多楔帶一般使用扯斷伸長率大于20%的高捻度纖維作為強力層線繩。 （4）d EPDM多楔帶 近年來，多楔帶在汽車得到普遍應用，而發(fā)動機室的溫度越來越高，有的要求橡膠能耐150攝氏度，瞬間能耐170攝氏度，傳統(tǒng)氯丁橡膠顯然達不到要求。由于HNBR過于昂貴，人們在研究發(fā)現小量的油污不對發(fā)動機前端的皮帶造成損害，可使用廉價耐熱性好多的三元乙丙橡膠作為多楔帶主題橡膠材料。但EPDM耐磨性，高溫抗撕裂和動態(tài)性能不理想，與其他材料粘合差，這些都需要通過改性如添加ZDA或ZDMA和其他材料加以解決。EPDM多楔帶耐高溫性能和高溫疲勞壽命明顯提高。 1.2.2疲勞試驗機發(fā)展現狀 傳動帶都是在動態(tài)狀態(tài)下使用的，有的使用條件極為苛刻，如汽車、農用機械。如何模擬實況使用一直是傳動帶生產廠家和帶傳動研究重要課題。我國早在上世紀70年代末，中國農機院、江漢機械研究所和哈爾濱工業(yè)大學等，為配合當時的農機帶和石油機械用帶的研制，開始這方面的研究和疲勞實驗機的研制工作。 疲勞壽命實驗分為無扭矩法和有扭矩法，前者亦稱曲撓機。我國目前采用無扭矩試驗機為適應普通V帶新標準（GB1174-96）而研制的，即墨新城機械有限公司和江都明珠材料試驗機廠均有生產。試驗過程中實驗帶不傳遞扭矩，與帶輪之間無相對滑動，也不能使帶體內的張力產生變化，僅能模擬帶通過帶輪時產生的曲撓，記其曲撓次數和伸長率，一般需要5～7天。它是通過減小帶輪直徑或加大初拉力來強化疲勞的，與傳動帶實際使用情況的相關性差。但該試驗方法由于相關因子單一，試驗設備結構簡單、能耗小，是控制生產過程質量好辦法。龍山橡膠廠自行設計一臺農機V帶用曲撓試驗機。 有扭矩疲勞壽命試驗能夠在較短的時間內對傳動帶質量有一個全面和較準確的評價，有扭矩法又可以分為開式和閉式兩類，開始的能量流動沒有形成閉合回路，電動機的能量全部有消耗裝置消耗掉，不符合節(jié)能要求。閉式則能夠將部分能量收回，形成封閉的回路，節(jié)約了能源。封閉式又可以分為兩種，一種是電封閉式：加載裝置中裝有電機，發(fā)出的電回饋給電機一部分；另一種是機械封閉式：電動機所提供的僅僅是克服系統(tǒng)摩擦力所需要的功率，因此試驗中消耗的動力遠遠小于加到被試帶上的載荷，具有明顯的節(jié)能效果。國內洛陽、上海、貴陽、無錫、開封隨引進設備進口德國的汽車V帶疲勞壽命試驗機。哈爾濱工業(yè)大學曾為原上海橡膠制品二廠、長春汽車研究所研制等汽車V帶疲勞壽命試驗機。長春光機學院參照克萊斯勒汽車公司標準為遼陽機帶廠設計過一臺多楔帶壽命強化試驗臺。無錫貝爾特還引進汽車多楔帶疲勞壽命試驗機，可做高溫疲實驗。該機采用機械封閉原理，用電磁加載器加載。通過調節(jié)加載器工作電流的大小，可調節(jié)所加負載的大小。該機具有較好的節(jié)能效果，節(jié)能可達63％以上。它采用PLC控制，試驗數據可根據要求進行分段或即時打印。王潔民發(fā)明的“Ｖ帶全功能動態(tài)性能試驗裝置”，利用現有Ｖ帶機械封閉試驗機的原理，并以其基本組成封閉試驗系統(tǒng)的主動軸總成進行簡化，并以此軸為對稱軸，在其反方向再增加一套同樣的封閉試驗系統(tǒng)，聯軸器使兩個封閉試驗系統(tǒng)共用一個主動軸總成。這兩個封閉試驗系統(tǒng)組合后形成了兩個各自獨立的封閉力流，而兩試驗系統(tǒng)又組成了相互影響的整體，該裝置可進行各種Ｖ帶的有扭矩和無扭矩的全部動態(tài)性能試驗。主要目的是用于多楔帶的斷面性能測試，對多楔帶的性能在較短的時間內給出一個較為正確的評估，其中主要包括帶的測試方法，測試裝置，帶輪直徑，電力負荷以及對實驗所得的數據進行必要的說明與解釋。該試驗機為多楔帶的曲撓疲勞試驗機，即帶在試驗的過程中不收到扭矩的影響。實驗帶的尺寸是1200mm± 10mm，用這種長度的實驗帶所得到的數據即被認為同等質量長度和技術規(guī)格的所有帶的有效數據。 1.2.3 技術要求 目標和要求：① 帶長：1200±10mm； ② 主動輪轉速：3300轉/分； ③ 帶張力：400.5N； ④ 帶速：10.4m/s； ⑤ 試驗溫度：100℃——130℃； ⑥ 帶寬：6楔； ⑦ 試驗拉力：800N 第2章 機構總體設計方案 2.1 機構原理 機械系統(tǒng)功能設計的原理內容是構思能夠實現功能目標的解法原理，功能原理設計首先通過調查研究確定符合當時技術發(fā)展的明確的功能目標，然后進行創(chuàng)新構思尋求新的解法原理并進行原理認證，最后選擇較為合理的方案。 2.1.1功能及其分類 （1）功能的描述 十九世紀四十年代，美國通用電氣公司的工程師邁爾斯首先記住了功能的概念，它和人們常說的共用用途性能和能力等概念既有區(qū)別又有聯系，功能的描述要正確簡潔，抓住本質。不同的功能定義會產生不同的思想設計和方法，尋求到不同的功能載體，得出完全不同的設計方案。系統(tǒng)工程常用“黑箱法”來描述功能，對于復雜的未知系統(tǒng)猶如不知其內部結構的黑箱，可以利用外部觀測，通過分析黑箱與周圍環(huán)境的聯系，輸入與輸出，了解其功能特性從而進一步探求其內部結構與原理。把待求系統(tǒng)看作黑箱分析比較系統(tǒng)輸入輸出的能量，物料和信號，輸入和輸出的轉換關系，從而確定系統(tǒng)的功能，魔塔型汽車威帶，多楔帶疲勞試驗機，主要是用來檢測威帶，多楔帶的疲勞壽命，通過試驗對其質量給于一個正確的評價，從而使生產廠家努力提高帶的生產質量，以適應現代市場的發(fā)展要求。 （2）功能的分類 從不同的角度出發(fā)，功能可以有各種不同的分類。按其性質，用途重要程度和邏輯關系可將功能如下分類： 基本功能與輔助功能 基本功能是產品所具有的用于滿足某種需求的效能也就是產品的用途和使用價值，多謝帶疲勞試驗機主要對多謝帶的斷面性能做一測試看其質量如何，輔助功能是以基本功能并存的，次要的附帶的功能。多楔帶疲勞試驗機暫無其輔助功能。 目的功能和手段功能 任一功能的存在都是有目的的，因此任何功能不論是基本功能還是輔助功能都可以視為目的功能，而該目的功能往往又是實現另一目的的手段，相對于另一功能來說，它又是一種手段功能。多楔帶疲勞試驗機其目的功能是對于多楔帶的質量水平的提高得以正確的評估，而此目的又是為了提高多楔帶壽命與質量的一種手段。 使用功能和表現功能 使用功能是指產品的實際使用價值。表現功能是在使用功能的基礎上，對產品起美化裝飾作用的功能，它是通過造型設計來實現的。 必要功能和不必要功能 必要功能是指用戶所需要的功能，包括產品的基本功能和輔助功能，也包括使用功能和表現功能，反之則稱為不必要功能。 2.2 功能原理方案設計 基于功能原理方案設計包括原理方案的功能原理分析，功能分解，分功能求解和功能原理方案確定等五項內容，就是求取一個最佳的功能系統(tǒng)的解，構成一個原理方案，實現所提出的創(chuàng)造目標，并滿足周邊的各種限制條件。 2.2.1功能你原理分析 任何一個機械產品的功能目標確定后，經過功能分析和綜合，就能針對產品的主要功能提出一些原理方案，對于多楔帶疲勞壽命的測試，總體原理方案可以是主張力曲撓運轉試驗，多轉鼓曲軌運轉試驗，沖擊試驗，動態(tài)接頭試驗等。不同的原理方案和加工工藝會有不同的設備，原理方案還與執(zhí)行功能工藝過程及執(zhí)行元件有著密切的聯系，尋求作用原理，關鍵在于提出創(chuàng)新構思，使思維發(fā)散，力求提出較多的解法共比較選擇。 （1）功能分解 產品和技術系統(tǒng)的總功能稱為產品的總功能，產品的用途不同，其總功能也不同，技術系統(tǒng)都比較復雜，難以直接求得滿足功能的原理解?？衫孟到y(tǒng)工程的分解性原理將功能系統(tǒng)按總功能，分功能，功能元進行分解，化繁為簡，以便通過個功能元件的有機組合求得技術系統(tǒng)解。 功能分解可示為樹狀的功能結構，稱為功能樹，功能樹起源于總功能，按分功能，二級功能求解，末端功能元，功能元是可以直接求解的最小組成單元。 總功能確定后，功能分解可按一下方法進行 a 按解決問題的因果關系或目的手段進行分解。功能樹起源于相當于總功能的樹干，實現總功能這一目的所需要采用的全部手段構成一級分功能，這些分功能相當于樹枝，實現這一級分功能目的的手段又構成了二級分功能，構成了小樹枝，如此分解，知道分解到可以直接求解的位于樹枝末端的功能元為止。 b 按照工藝過程的空間順序或時間順序來分解，為了更好的尋求機械產品的工作原理方案，將機械產品的總功能分解為比較簡單的分功能是一種行之有效的方法，通過功能分解可使用每個分功能的輸入量和輸出量關系更為明確，因而可以比較易求得各分功能的工作原理解。 2.2.2功能求解 分功能求解的基本思路可以簡明的描述為分功能——作用原理——功能載體，作用原理是指在某一功能載體上有某一物理效應實現的某一個功能的動作原理，這里的工作原理包括基礎科學揭示的一般科學原理和應用研究證實的技術原理，分功能求解的目的是尋求完成分功能的作用原理和功能載體，其主要方法有調查分析法，創(chuàng)造性方法和設計目錄法。 a 調查分析法 根據當前國內外的技術發(fā)展狀況，大量查閱有關文獻資料調查分析已有同類產品的優(yōu)缺點，構思滿足分功能要求的作用原理和功能載體，在調查過程中，調查面盡可能放寬一點，或許能得到一些新的啟示，例如采用方法學和生物工程方法，有意識的研究大自然及動植物生態(tài)特點有益于尋求新穎實用的功能解和技術方案。 b 創(chuàng)造性方法 創(chuàng)造性方法是指設計人員憑借個人的經驗，智慧，靈感和創(chuàng)造能力，采用智暴法，類比法和綜合法等方法來尋求各種分功能的原理解。 c設計目錄法 設計目錄是一種設計信息庫，它把設計過程中的大量信息有規(guī)律的加以分類，排列和存儲，以便于設計者查找和調用。 2.3功能原理方案確定 由于每個功能元的解有多個，因此組成機械的功能原理方案可以有多個功能原理方案的組合，可以采用形態(tài)矩陣就行綜合分析。形態(tài)矩陣學是一種系統(tǒng)的搜索和程式化求解的分功能組合求解方法，形態(tài)矩陣法是進行機械系統(tǒng)組成和創(chuàng)新的基本途徑，得到多種可行方案后，經過篩選，評價可以獲得最佳方案。形態(tài)矩陣法的運用步驟如下： （1）通過總體功能分解可以求得若干分功能 這種總功能分解往往要與機械的工藝動作過程聯系起來考慮，使分功能的動作能夠用一類的執(zhí)行機構來實現。 （2）功能分解 這就是要從分功能的性質來尋求實現的工作原理，然后從功能原理尋求功能載體。 （3）方案組成 在功能分解和功能求解的基礎上，利用形態(tài)學矩陣進行方案綜合，在全體方案中還必須考慮相容性條件，直接條件等。因此有些方案并無存在價值或價值不大，可以在初步篩選時去除。 （4）方案評價和選擇 由于根據形態(tài)學矩陣法所得到的可行方案數量很大，所以必須先進行評估，初評的標準是可以定位新穎性，先進性和實用性，把一些不好的先加以篩除，然后用適合該類機械系統(tǒng)的技術經濟指標進行綜合評價，選擇出綜合最佳的方案。 多楔帶疲勞試驗機的形態(tài)學矩陣 功能分解 1 2 3 4 動力源 汽油機 柴油機 電動機 液壓馬達 傳動裝置 同步帶傳動 鏈傳動 齒輪傳動 蝸桿傳動 加載裝置 重物加載 機械式加載 氣壓加載 液壓加載 表2.1 2.3.1動力源選取 動力系統(tǒng)是一臺機器的重要組成部分，只有選取了合適的動力裝置，試驗機才能夠穩(wěn)定的工作充分發(fā)揮其功效，因此首先要選取一個合適的動力裝置。常用的動力源有汽油機，柴油機，電動機，液壓馬達等。其各自的特點如下： 汽油機的主要特點是結構緊湊，重量輕，便于移動，轉速高，能很快達到滿載運轉，但燃料價格高昂，依然廢氣會造成大氣污染，汽油機常用于汽車方面。 柴油機的主要特點是工作可靠，壽命長，便于維護，但初始成本較高且廢氣會污染大氣，其應用較廣。由于汽油機和柴油機二者成本均比較昂貴且產生污染氣體，在此疲勞試驗機中不易采取二者作為動力源。 電動機初始成本較低，運轉費用很低，維護要求較少，功率范圍較廣。由電動機的以上特點以及結合疲勞試驗機的工作情況，選擇電機作為動力源比較合適。 而電動機又有著幾種類型，直流的，交流的，同步的，異步的。 直流電動機可通過改變電樞的電阻，電壓或改變磁通進行調速，而交流電動機通常是不調速的，需要時則可以通過變頻，變極或轉差率進行調速。由于試驗中不需要變速，因此應該選取交流電機。 交流電動機又有同步和異步之分，交流同步電機的特點是恒轉速，功率因數可以調節(jié)，提供勵磁的直流電源，價格貴。交流異步電機結構簡單，啟動轉矩大，常用于載荷平穩(wěn)，不易調速，長期工作的機器。從二者的比較可以看出，應該使用交流異步電機。 綜上所述，此疲勞試驗機選取交流異步電機作為其動力源。 2.3.2傳動裝置設計 從電機出來的動力需要經過一傳動裝置將動力傳動到繞有實驗帶的軸上，因此要選取一個適合的傳動裝置。常用的傳動裝置有帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，蝸桿傳動等，各自的特點如下： （1）帶傳動 帶傳動的特點是結構簡單，軸間距里范圍較廣，運轉平穩(wěn)，噪音小，能夠緩沖吸振，有過載保護，安裝維修技術不高，成本低，外廓尺寸大，摩擦型有滑動的特點。傳動帶又有不同的類型，有同步帶，平帶，多楔帶，V帶等，不同的傳動帶有不同的使用場合，平帶的運用范圍較廣，主要缺點是沒有恒定的傳動比，而同步帶卻有精確的傳動比，不易打滑。多楔帶可以提供較大的摩擦力，常用于大功率的傳動中。由于此疲勞試驗機工作是需要運轉平穩(wěn)，且要有恒定的傳動比，可以優(yōu)先考慮同步帶傳動作為其傳動裝置。 （2）鏈傳動 結構簡單，軸間距范圍大，傳動比恒定，能在惡劣的環(huán)境下工作，工作可靠，作用在軸上的力小，瞬時速度不均勻，不如平帶傳動平穩(wěn)，鏈磨損伸長后易產生震動，掉鏈，常用于重型機械。再加上其轉速較高時容易發(fā)生脫鏈現象和磨損加劇，降低了使用的壽命，故不可選取鏈傳動。 （3）齒輪傳動 齒輪傳動的類型很多，其優(yōu)點是具有恒定的傳動比，但軸間距較小，制造與安裝精度較高，常用于一些重要的傳動中。由于疲勞試驗機傳動距離較遠，不能選用齒輪傳動。 （4）蝸桿傳動 傳動比較大，運轉平穩(wěn)，噪聲小，結構緊湊，軸間距離較小，且制造工藝比較復雜。由于其軸間距離較小，也不易作為傳動裝置。 比較以上各種傳動裝置，且結合疲勞試驗機的工作情況，由于其中心距較長且需要在一個平穩(wěn)的條件下工作，，故選擇帶傳動為最佳，傳動帶為梯形齒同步帶。 2.3.3 加載裝置 常用的加載裝置有機械加載，重物加載，氣壓加載，液壓加載等方式。在此疲勞試驗機中其加載裝置的主要作用是給測試帶提供一個恒定的張緊力。機械式加載常用于重型機械中，氣壓加載和液壓加載也不適用于此處，在這里選擇重物加載最為合適。 綜上所述，此多楔帶疲勞試驗機應該選交流異步電機作為其動力源，同步帶傳動作為其傳動裝置，重物加載作為其加載裝置。 第3章 疲勞試驗機各部分計算 3.1 多楔帶疲勞試驗機設計計算 3.1.1選擇電機 電動機有直流電機和交流電機之分。直流電動機通?？梢酝ㄟ^改變電機電阻，電壓 以改變磁通進行調速，交流電動機通常是不調速的，需要時則可通過變頻成彎轉差進行調速。疲勞試驗機是不需要調速的，所以運用交流電動機。 交流電動機又有同步和異步之分，交流同步電機通常用于不調速的低速和大功率機器。而交流異步電機常用于載荷平穩(wěn)長期工作的機器，因此選用交流異步電機。 3.1.2計算功率 （3-1） 其中正壓力N= （3-2） —摩擦系數 —小帶輪直徑，單位mm —小帶輪轉速，單位r/min K—載荷系數 查手冊，由所需功率可選取Y33小型三相異步交流電動機，此電機是我國近年來研制成功的節(jié)能型電機，其應用面廣，產量大。根據實驗條件和傳動功率大小可選取電機型號為Y160M-4的三相異步交流電機，其額定功率為3kw。轉速為1460r/min，效率為88.5%功率為0.85質量m=114kg 3.2 同步帶傳動的設計計算 同步帶有梯形齒和弧齒兩種。梯形齒為常用的同步帶齒形，傳遞的功率較小。弧齒同步帶的齒形為曲線。其結構與梯形齒同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當承載能力較高，常用于大功率的傳動之中，由上可見此疲勞試驗機的傳動裝置應該選為梯形齒的同步帶。 設計步驟要求 3.2.1 給出傳動要求 （1）原動的名義功率：Pm=3kw （2）主動軸轉速=1430r/min 從動輪轉速：=3300r/min （3）中心距要求：500mm左右 （4）原動機：3kw異步交流電 （5）工作機：疲勞試驗機 （6）運轉時數：每天8—10小時 3.2.2 選擇帶的節(jié)距 （1）求出設計功率Pd a由表查得載荷修正系數=1.2，因未使用張緊輪，故表，由于是增速運動，表查得增速傳動修正系數為=1.2 b.計算設計功率 （3-3） 選擇帶的距 由=3.84kw和小帶輪轉速=3300r/min 查圖可選擇L型帶對應的節(jié)距為9.525mm。 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 由表得：L型帶，小帶輪轉速=3300r/min時，帶輪最小徑用=18，取最小帶輪齒數=18。 傳動 （3-4） 故 ==41.5，按標準帶輪齒數取 小帶輪直徑： （3-5） 大帶輪直徑： （3-6） 3.2.3 選擇帶長 帶長 （3-7） 經計算求的 （先知a=500mm），mm （3-8） 選擇標準帶長=1289.05mm，該帶的齒數為132 （3-9） 3.2.4 選擇標準帶寬 （1）確定基準額定功率 小帶輪齒數=18直徑=54.6mm）轉速=3300r/min。由表求得L型帶的基準額定功率=2.23kw （2）確定額定功率p 首先計算需要的帶寬，選擇標準帶寬。 （3）驗算工作能力 a 嚙合齒數系數嚙合 （3-10） b 帶寬系數kw （3-11） L型帶 =25.4mm c 額定功率p （3-12） 3.2.5 選擇帶寬 根據設計要求。 故帶寬查表選擇帶寬帶號為150L型帶寬 其中mm 3.2.6 工作能力驗算 （3-13） 許用工作拉力查表得 帶的長度質量查表得m=0.448kg 帶的圓周速度 工作能力驗算 （3-14） 額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠 3.2.7 結果整理 帶：選用L型同步帶，=9.525mm =132.. 帶輪 =121.3mm 傳動中心距 a=505mm 其余略 3.3 軸的設計與計算 3.3.1 軸的種類與特點 軸是組成機械的一個重要零件。它支撐著其他轉動件回轉并傳遞轉矩。同時又通過軸承和機架連接，所有軸零件都圍繞軸心線做回轉運動，形成了一個以軸為基準的組合體——軸部件。所以在軸的設計中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零部件的整個結構密切聯系起來。軸按承受載荷不同可分為轉軸，心軸與傳動軸，此疲勞試驗機既承受彎矩又承受扭矩。故此主動軸為轉軸。按形狀又可分為階梯軸，空心軸等。 3.3.2 軸的常用材料 軸的材料種類很多設計時主要根據對軸的強度，剛度，耐磨度等要求為采用的熱處理方式。同時考慮到選工藝問題加以選用為求經濟合理。軸的采用材料35,45.50優(yōu)質碳素鋼。最常用的是45剛。多楔帶疲勞試驗機中主動軸與從動軸的材料均選為45號鋼。 3.3.3 軸的結構設計 軸的結構設計決定于受載情況，軸零件的布置和固定方式。軸承的類型和尺寸，軸的主坯制造和裝配工藝及安裝，運輸條件。軸的結構應盡量減小應力緩沖，受力合理，有良好的工藝性并使軸的零件定位可靠，裝拼方便，對于要求剛度大的軸還應從結構上考慮減小軸的變形。由于影響軸的因素較多，顧軸不可能有標準的結構形式，必須根據情況具體分析比較，確定方案。 圖3-1 主動軸示意圖 由于軸的材料是45號鋼，查表可知E=216mpa。 （3-15） （3-16） 又以上兩個式子可得到=350N，=873N 取d=35mm 得Ｉ＝ （3-17） 撓度 （3-18） 撓度ｍｍ （3-19） 從而可知 故可取直徑ｄ＝３５ｍ 3.3.4 軸的強度校核計算 進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體負載及應力情況，采用相應的計算方法，并恰當的選取其許用應力。對于僅僅（主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應按扭轉強度條件計算；對于只承受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件進行計算；對于既受彎矩又承受扭矩的軸（轉軸），應按彎扭合成強度條件進行計算。需要時還應按疲勞強度進行精確校核。此外對于瞬時過載很大或應力循環(huán)不對稱性較為嚴重的軸，還應按峰尖載荷校核其靜強度，以免產生過量的塑性變形。軸的扭轉強度條件為： （3-20） 式中 ——扭轉切應力MPa T——軸所受的扭矩N`mm ——軸的抗扭截面系數 n——軸的轉速r/min p——軸傳遞的功率kw d——計算載面處軸的直徑mm 由此可得 （3-21） 對于直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%-7%。有兩個鍵槽時應增大10%-15%然后將軸圓整為標準直徑。 故可取 3.3.5 精確校核軸的疲勞強度 截面AⅡⅢB，只受扭矩作用，雖然鍵槽軸肩及過度配合的引起的應力基中將旋轉軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉強度較為寬裕確定的，所以截面AⅡⅢB均無需校核。 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面V的應力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但截面V不受扭矩作用，同時軸徑也比較大。不必做強度校核，截面c雖然應力最大，但應力集中不大，而且這里的軸的直徑是最大的，故截面c也不必進行校核，截面Ⅵ和Ⅶ顯然不必校核。由機械設計第三章可知，鍵槽的應力集中系數比過盈配合小，因而該軸只需按截面Ⅳ兩側即可。 截面的右側 抗彎截面系數： （3-22） 彎矩及彎曲應力為 （3-23） （3-24） 其中——彎曲應力 M——彎矩 過盈配合的用插值法求之并取于是得 （3-27） 查表可得表面質量系數為 （3-28） （3-29） 又可得到碳鋼的特性系數 ， 于是計算安全系數值 （3-30） 故可知其安全 截面Ⅳ左側 抗彎截面系數 w=0.1 （3-31） 截面Ⅳ左側的彎矩M （3-32） 截面c的彎曲應力 （3-33） 軸的材料為45號鋼，調制處理，由表查得 截面由于軸肩而形成的理論應力系數及均可按表查詢。因=0.03 經插值查得=2.0 又可查表=0.82 =0.65 故有效應力系數按式為： （3-34） 由圖的尺寸系數=0.07由圖標查得的扭轉尺寸系數為0.82，軸按磨制加工由圖查得表面質量系數==0.92軸未經表面強處即=1，則可得到綜合系數為 （3-35） 所以軸在截面左側的的安全系數為 （3-36） 故該軸截面右側的強度也是足夠的。由于本軸最大的彎曲時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。 3.4 主動軸軸承設計計算 由于此主動軸美歐承受軸向載荷，故可選用深溝球軸承，軸承的型號選擇條件：軸承承受徑向載荷F=873N，軸向載荷F=0N，軸承轉速3300r/min。，運轉時無沖擊，預期壽命5年。 初步計算動載荷P 查看 取 查表得x=1，載荷系數=1 （3-37） 求軸承應有的基本額定動載荷 （3-38） 按照軸承樣本設計手冊選得c=９．５ＫN的１００９０７型號的軸承，基本額定靜載荷=６．８ＫN 驗算如下 求動載荷 P=Ｎ （3-39） （3-40） 即高于預期計算壽命，故滿足要求。 3.5 張緊輪軸的結構設計與計算 帶有張緊輪軸的結構如下圖所示 圖3-2 從動軸示意圖 （3-41） （3-42） 由以上兩個式子可得到 軸的材料為４５號鋼，查表可知其Ｅ＝２１６ ?。洌剑担埃恚? Ｉ＝ （3-43） 撓度 （3-44） 故可取ｄ＝５０ｍｍ 軸承的計算 （3-45） 求軸承的基本額定動載荷值 Ｃ＝ （3-46） 選擇型號７０００１１０型號的深溝球軸承 驗算如下： Ｐ＝１ （3-47） 故滿足要求  第4章 設計與人機工程學 工業(yè)生產中，所有的機器設備都需要由人操縱控制。即使是全自動的控制系統(tǒng)或機器人操作系統(tǒng)也需要人的監(jiān)控和維護。人是生產的核心和主導，而人，機器與工作環(huán)境形成一個不可分割的系統(tǒng)整體。 在人機系統(tǒng)中應用分析利用人和機器的不同點，協(xié)調配合，提高工作效率。另外根據調查58%-78%的工業(yè)事故是由于對人機系統(tǒng)中人的因素估計不足造成的。汽車運輸和化工部門的事故90%以上是出于人的判斷錯誤操作。因此，進行工程設計時如何保證人機系統(tǒng)的可靠和安全也是極為重要的。 人機工程學的要就目的是運用科學知識是人-機器-環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一并形成有機的聯系，創(chuàng)造舒適安全的工作環(huán)境，適合人的生理和心理要求；使人操作省力，準確而提高工作效率。人機工程學作為一門獨立的邊緣學科已有四十多年了。 人機工程學在美國叫做“Human Engineering”，西歐國家稱為“Ergonomics”?！癊rgonomics”一詞由兩個希臘的詞根組成，ergo意為出力，工作，nomics意為正?；?，規(guī)律。由此可知Ergonomics的含義是人出力正常化或人的工作規(guī)律。在日本稱為人間工學，也就是研究人機間關系的一門學科。 4.1 根據人體尺度確定設備的合理尺寸 進行設備設計和作業(yè)空間布置時，要根據工作要求和操作使用對象的不同，確定合理的尺寸。如站著或坐著操作的機器和控制臺，在高度和寬度上均會有不同。同樣的站姿工作臺對美國人，法國人或日本人合適的高度也不一樣。 要明確設備的合理尺寸，必須了解人體的基本尺寸。人體的尺度由于國家，地區(qū)，民族，性別，年齡和生活狀況等的不同而有差異。必須根據大量調查及數理統(tǒng)計回歸分析才能得到一些參考值，列出我國人體尺度的均值和標準差。 根據人體各部分尺與身高的比例可以較合理的確定相應的設備高度與工作高度，使工作時位置舒適，作用合理。 如人體舒適的坐姿關節(jié)角度，肩部與臀部應同時支承身體。據此可設計較合理舒適的控制臺，駕駛室及旅游座椅。重要的人機系統(tǒng)設計還常根據人體尺度確定數學模型或制造關節(jié)可活動的人體模型放到以設計好的操縱系統(tǒng)或控制系統(tǒng)中檢查所有的相關尺寸是否合用，對改進完善設計很有好處。 4.2 根據人體的力參數合理設計操縱裝置 人在操縱手柄，手輪或 杠桿時，單手的合理操縱力約為30-120N，右手為40-140N，左手為30-120N，雙手操縱力約為250N。一般人的握力約為350N左右。當操縱力大于50-150N或操縱力小于50N但連續(xù)操縱時，一般采用腳動代替手動。腳的合理操縱力約為男子430N-480N，女子300-350N。 總 結 本文在系統(tǒng)的分析了國內外多楔帶的研究與發(fā)展的基礎上，介紹了多楔帶疲勞試驗機的結構及其特點性能。隨著橡膠事業(yè)的蓬勃發(fā)展和科學技術的突飛猛進，對多楔帶的質量的要求越來越高。應用該疲勞試驗機主要是為了得到能夠正確評估多楔帶質量的數據，從而進一步調高多楔帶質量。 該疲勞試驗機以交流異步電機作為動力源，通過同步帶傳動將電機輸出的動力傳送到裝有實驗帶輪的軸上，帶輪上繞有多楔帶，使其形成一條封閉的曲線，同時通過重物加載裝置給測試帶施加恒定的張緊力。讓多楔帶在張緊力的作用下繞著實驗帶輪旋轉。 在設計的過程中發(fā)現經驗公式有不一致的地方，不同公式的計算結果有的相差很大。在設計計算時，通過查閱相關資料并向有經驗的人士詢問在導師幫助指導下完成了尺寸設計部分。在完成了整體設計后在計算機上進行圖紙繪制，使用AutoCAD等繪圖軟件完成了設計的制圖部分。 通過本次畢業(yè)設計，不僅培養(yǎng)了我正確的設計思想,同時也讓我掌握了機械設計的一般程序和方法，以及鍛煉了我綜合運用知識的能力。在本次設計過程中，我大量閱讀了各種技術資料及手冊，不僅認真探討了懸掛系統(tǒng)領域的各種問題，而且對零件進行了比較全面的分析。因此，本次設計不僅加深了自己對專業(yè)所學知識的理解和認識，而且也拓寬了自己的知識面。 參考文獻 [1]濮良貴，紀名剛，機械設計[M].北京，高等教育出版社2001 [2]張展，非標準設計手冊北京[M]，兵器工業(yè)出版社1993 [3]朱孝錄，中國機械設計大典[M]，江西科學技術出版社2002 [4]劉鴻文，材料力學[M]，高等教育出版社2004 [5]成大先，機械設計圖冊[M]，北京化學工業(yè)出版社2000 [6]于駿一，鄒青，機械制造技術基礎[M]，機械工業(yè)出版社2004 [7]張展. 機械設計通用手冊[M]. 北京：中國勞動出版社，1994.3. 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