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湘潭大學
畢業(yè)設計說明書
題 目：電磁離合器性能測試臺設計
學 院：機械工程學院
專 業(yè)：機械設計制造及其自動化
學 號：XXXXX
姓 名：XXXXX
指導教師：XXXXX
完成日期：
湘 潭 大 學
畢業(yè)設計任務書
論文設計題目： 電磁離合器性能測試臺設計
學號： XXXXX 姓名： XXXXX 專業(yè)： 10機械設計制造及其自動化3
指導教師： XXXXX 系主任： XXXXX
一、主要內容及基本要求
研究內容：設計電磁離合器性能測試臺，要求能完成電磁離合器大性能、小性能、空載、溫升、壽命性能的測試。具體內容如下：
1．電磁離合器性能測試臺的總體方案設計
2．動力元件的選擇
3．傳動機構的設計
4．傳感器的選擇
5．其他零部件的設計
基本要求：
1．技術指標要求符合設計要求 。
2．繪制測試臺總裝配圖和主要零件圖。要求圖紙不少于2.5張A0圖紙。
3．翻譯一篇不少于3000字的外文文獻。
4．撰寫畢業(yè)設計說明書，要求不少于1萬字。
二、重點研究的問題
1．電磁離合器性能測試臺的總體設計中測試項目測試原理?！ ?
2．關鍵零部件的計算與設計。
3．技術指標：轉矩100Nm 轉速：0-1000rpm
工作電壓：24V 外形尺寸：200*φ300(長度*外徑)
電磁離合器性能測試臺設計
摘要：研究了電磁離合器的組成和工作原理，對它各方面的工作特性進行了理論上的研究，從小型化、智能化和實用化的角度進行了機械結構的設計，以完成對電磁離合器所有性能的的模擬檢驗與測試。
關鍵詞：電磁離合器，測試系統(tǒng)，測試臺
Electromagnetic Clutch Performance Test Bed
ABSTRACT: Go deep into the structure and principle of the friction electromagnetic clutch，carry on the theories analysis and study of it's working characteristic, then to make a small，intelligent，practicality simulating tester based on the mechanism structure design, which can do all the tests the national standard requests．
Key words：electromagnetic clutch，simulating tester, testing system.
目錄
第一章 緒論 1
1.1電磁離合器概述 1
1.2電磁離合器試驗臺研究的目的和現實意義 1
1.3 電磁離合器的結構和工作原理 1
1.3.1結構認識（摩擦片式電磁離合器） 1
1.3.2動作原理分析 2
1.4電磁離合器的作用 2
1.4.1 保證機床起步平穩(wěn) 2
1.4.2 方便換檔 3
1.4.3 防止傳動系統(tǒng)過載 3
1.5 電磁離合器試驗臺的研究概況 3
1.6 本課題研究的內容 4
1.7預計達到的目標 4
第二章 電磁離合器性能測試臺的總體設計 4
2.1 離合器要求 4
2.2 一個供研究和考核離合器試驗臺要求 5
2.3 關鍵理論和技術 5
2.4 技術指標 5
2.5電磁離合器性能測試臺總體方案設計 5
2.6 電磁離合器測試臺結構特點 5
2.7 試驗臺的工作周期分析 6
第三章 電磁離合器性能測試的具體方案 7
3.1 溫度特性 7
3.1.1 電磁離合器溫升測量的實現方案 7
3.1.2 實驗的軟件實現方法 7
3.1.3系統(tǒng)對環(huán)境溫度的考慮 7
3.2 電磁離合器的轉矩特性 8
3.2.1靜力矩的測定 8
3.2.2 測試動力矩 8
3.2.3測定空轉力矩 9
3.3 動作特性 9
3.4壽命的測試 9
第四章 關鍵零部件的設計和選取 10
4.1 電機的選擇 10
4.1.1 電機類型選擇 10
4.1.2 確定電動機的功率和轉速 10
4.2 軸的設計 12
4.2.1軸的材料 12
4.2.2 最小軸徑的確定 13
4.2.3軸的結構設計 14
4.3 飛輪的設計 15
4.3.1 1飛輪的動力學計算 15
4.3.2 飛輪的尺寸設計 17
4.4 聯軸器 17
4.4.1 聯軸器類型的選擇 17
4.4.2 確定聯軸器的型號 18
4.5 軸承的選擇 19
4.5.1 滾動軸承的作用 19
4.5.2滾動軸承的分類 20
4.5.3 滾動軸承類型的選擇 20
4.6 電磁離合器和制動器的選擇 20
4.6.1電磁離合器分類 20
4.6.2 電磁離合器結構和工作原理 21
4.6.3 選擇電磁離合器的類型 21
4.6.4 電磁離合器的型號及尺寸 21
4.6.5 電磁制動器的選擇 23
4.7 傳感器的選擇 23
4.8 鍵的選擇和校核 23
4.8.1 鍵的類型選擇 24
4.8.2 鍵的尺寸選擇 24
4.8.3 鍵的校核 24
第五章 總結和致謝 25
5.1 總結 25
5.2 致謝 26
第一章 緒論
1.1電磁離合器概述
電磁離合器目前大多是運用于機械的傳動系統(tǒng)中，離合器能夠實現在機器運轉過程中，使主動部分與從動部分隨時結合和分離，電磁離合器顧名思義就是通過電磁線圈的驅動實現離合盤的分離與吸和，他有著響應高速，耐久性強，組裝維護簡單，動作確實，使用操作容易等優(yōu)點，按工作原理和是否吧離合器浸入潤滑油中工作來分，電磁離合器按結構特點來分，可分為磁粉離合器，干式多片電磁離合器，，轉差式電磁離合器，濕式多片電磁離合器，轉差式電磁離合器。電磁離合器的按工作方式來分又分為通電結合和斷電時才結合。
1.2電磁離合器試驗臺研究的目的和現實意義
電磁離合器是現代辦公機械，機床，印刷設備不可缺少的部件，作為傳動系統(tǒng)的主打部件，具體工作狀況多變，怎樣去評估一個電磁離合器的性能特性是研究人員和生產廠家所必須解決的重要問題，而各種性能的分析，只能通過在特定的測試臺上去實驗，模擬，分析。通過離合器測試臺的分析和實驗，可以盡早了解到離合器在運行過程的可能存在的各種隱患，減少維修費用，防止出現事故，從而增加了電磁離合器使用的可靠性，安全性，和經濟效益，故而電磁離合器測試臺的設計過程變得非常重要，他的性能優(yōu)劣直接聯系到被測的電磁離合器的各種性能指標的測試結果，如何進一步優(yōu)化測試臺的設計，是我們當前研究所需要解決的重要問題，為了實時檢測電磁離合器的操縱性能和安全性能，完成對轉矩轉速，溫升等方面的測定，現代企業(yè)和研發(fā)部門都在研究離合器試驗臺，通過測試臺對離合器進行探討，以掌握離合器的各種性能。
1.3 電磁離合器的結構和工作原理
電磁離合器的是借由其從動部分和主動部分接觸面的摩擦作用，利用磁力傳動來傳遞轉矩，讓主動部分與從動部分既可以分離，又可以慢慢結合。
1.3.1結構認識（摩擦片式電磁離合器）
電磁離合器的結構圖如圖1-1所示。主要由銜鐵8、鐵芯7、摩擦片2和3以及激磁線圈6還有連接件等組成。一般采用直流24V作為供電電源。
圖1—1
1.3.2動作原理分析
主軸1的花鍵的軸端，裝有主動摩擦片2，因為是花鍵連接的關系，摩擦片可以隨著主軸的轉動而轉動。又因為從動摩擦片和主動摩擦片的裝疊是交替的，它的外緣凸起部分卡在套筒5內，套筒與從動輪又是固定在一起的，所以，從動摩擦片是跟著從動齒輪，實現主軸運轉時，從動摩擦片保持不轉。當線圈6通電后，鐵芯7將摩擦片通過磁力吸住，銜鐵8也被鐵芯緊緊吸住，從而壓住各摩擦片。依靠主、從動摩擦片之間產生的的摩擦力，使主軸帶動從動齒輪。線圈斷電時，由于內外摩擦片中彈簧的恢復作用，讓摩擦片和銜鐵都恢復到了原來的位置，電磁離合器的力矩作用消失。直流電流從線圈其中一端的滑環(huán)和電刷輸入，而另一端接地即可。
1.4電磁離合器的作用
磁離合器是一種自動化執(zhí)行元件，它通過電磁力的作用在傳動系統(tǒng)中實現扭矩的傳遞。
1.4.1 保證機床起步平穩(wěn)
機床由靜止到行駛的過程，機床的速度由零慢慢變大，有了離合器后，在機床起步時離合器會逐漸參與接合，如此一來，離合器所能傳遞的扭矩也就是一個逐漸增大的過程，于是發(fā)動機的轉矩就可以從小到大的傳給傳動系統(tǒng)，當驅動力足以克服生產阻力的時候，機床就有靜止狀態(tài)開始緩緩加速，從而實現平穩(wěn)起步。
1.4.2 方便換檔
在機床運行過程中，為了適應工作條件的不同，變速器需要經常更換不一樣的檔位工作，而普通齒式變速器換擋時通過撥動換擋機構來實現，即在用檔位的一對齒輪副退出嚙合，待用檔位的一對齒輪副進入嚙合，換擋時，在用檔位的齒輪副之間的壓力往往很大，難以脫離，而又因為與待用檔位的齒輪副的轉動速度不一致，使得嚙合過程難以實現，就算僥幸達到嚙合，也是以出現巨大的沖擊和噪聲為代價，對機件造成損壞。裝備了離合器后，換擋之前先使離合器分離，暫時切斷傳動系統(tǒng)的動力傳動之后再換擋，這樣就保證換擋操作的過程順利進行，并減輕或消除換擋所帶來的沖擊。
1.4.3 防止傳動系統(tǒng)過載
當機床緊急制動是，轉速緊急下降，若發(fā)動機與傳動系統(tǒng)是剛性連接，將迫使發(fā)動機也隨著急劇下降，其所有運動件將產生很大的慣性力矩，這一力矩作用于傳動系統(tǒng)，會造成傳動系統(tǒng)的過載而使機件損壞，有了離合器，當傳動系統(tǒng)承受載荷超過離合器所能傳遞的最大扭矩時，離合器會會出現打滑現象，從而起到過載保護的作用。
1.5 電磁離合器試驗臺的研究概況
目前電磁離合器試驗臺的設計法主要是通過制動來實習轉矩轉速等各方面的測量。轉矩、轉速，空載、溫升、壽命性能的測試是各種機械產品的開發(fā)研究、測試分析、中必須要經歷的一個環(huán)節(jié)。
隨著社會生產力的向前發(fā)展，轉矩、轉速測量技術已在電機、汽車、船舶運輸、交通、柴油機、化工機械、石油、冶金等多方面獲得了廣泛的應用。在市場經濟激烈的競爭下，機械新產品既要有更大功率，更加高的速度，更加高的效率，又要向更小的設計裕度方向加速發(fā)展，轉矩、轉速測量技術可以為旋轉有關的機械設計提供可靠的數據資料；在自適應控制系統(tǒng)中使用中，可為自適應控制系統(tǒng)提供控制信號；轉矩、轉速測量是檢驗各類動力機械功率輸出是否達到設計標準的必要手段；尤其在一些大型的，無儲備的動力機械中，一旦發(fā)生意外停車，將會產生不可估量的損失。隨著轉矩、轉速測量的廣泛應用，市場對轉矩、轉速測量系統(tǒng)也提出了越來越高的要求：從靜態(tài)測試到動態(tài)在線檢測；從間接測量到要求直接測量；從原來的單功能轉向現在的多功能，同時也包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶要求；要求系統(tǒng)微型化、數字化、智能化、虛擬化和網絡化；轉矩、轉速的檢測與動力裝置的控制要互相滲透，達到轉速、轉矩、輸出功率的優(yōu)化配置。
轉矩的測量，按原理可分為：傳遞類(扭軸類或轉矩計類)，平衡力類(支反力類或測功機類)，能量轉換類(間接測量法)等三類。據統(tǒng)計，現代實驗工作中，大多數都采用傳遞類轉矩測量法。
轉矩測量技術主要包括兩方面：一方面是傳感器技術，另一方面是測量系統(tǒng)。現階段應用最為廣泛的傳遞類轉矩測量手段是采用傳感器測量。國外轉矩、轉速測量系統(tǒng)在很早的時候就發(fā)展起來了，技術水平也大大超前國內。但是隨著國內技術人員在近幾年中的不懈努力，也取得了令人矚目的發(fā)展。
1.6 本課題研究的內容
設計電磁離合器性能測試臺，要求能完成電磁離合器大性能、小性能、空載、牙嵌、溫升、壽命性能的測試。具體內容如下：
1．電磁離合器性能測試臺的總體方案設計
2．動力元件的選擇
3. 傳動機構的設計
4．傳感器的選擇
5．其他零部件的設計
1.7預計達到的目標
1 ) 能模擬產品的典型使用工況;
2 ) 滿足一定的試驗對象的規(guī)格范圍;
3 ) 能對被要求考核的各項性能進行考核和評估;
4 )能滿足各類電磁離合器的考核
5 ) 性能穩(wěn)定, 工作可靠;
6 ) 好修, 好造。
第二章 電磁離合器性能測試臺的總體設計
2.1 離合器要求
1)在任何工況下都能夠有效的傳遞來自發(fā)動機的轉矩，傳遞轉矩的能力有一定的儲備；
2)離合器分離時要徹底、迅速；接合時要平順、柔和，是機床平穩(wěn)起步；
3)離合器從動部分轉動慣量盡可能的小，以便于換擋；
4)應使傳動系統(tǒng)避免危險的扭轉共振，且有吸收振動、緩和沖擊和減小噪聲的能力；
5)有足夠的吸熱能力，并保證有良好的散熱條件；
6)作用在摩擦片上的正壓力和摩擦系數盡可能在運行中保持穩(wěn)定；
7)操縱舒適；工作安全可靠，具有較長的使用期；
8)結構簡單、緊湊，質輕，具有良好的工藝性，拆裝方便。
2.2 一個供研究和考核離合器試驗臺要求
1 ) 能模擬產品的典型使用工況;
2 ) 滿足一定的試驗對象的規(guī)格范圍;
3 ) 對被考核的參數能進行測試及記錄;
4 ) 不同形式的離合器在試驗臺上裝拆方便, 調整容易,
5 ) 性能穩(wěn)定, 工作可靠;
6 ) 好修, 好造。
2.3 關鍵理論和技術
制動法，轉速轉矩測量技術，傳感器的選擇，慣性負載模擬
2.4 技術指標
轉矩100Nm，轉速：0—1000rpm，工作電壓：24V，外形尺寸：200*
2.5電磁離合器性能測試臺總體方案設計
從能量轉化關系來看，電磁離合器的工作過程可以歸結為：原動機機械動能在離合器滑動摩擦的過程中，克服第一根軸上轉動慣量為J的飛輪加速時，所需的慣性扭矩所做的功；克服轉化到第一根軸上的生產阻力所做的功，此時，原動機的部分能量會由于摩擦的作用轉化為熱能，讓電磁離合器的溫度升高，這部分能量也成為滑磨功，由上述可得，慣性式電磁離合器試驗臺僅僅從能量的觀點來看，就是可以滿足上述能量轉化關系的一個裝置，而從機械的觀點來看，它的基本構成是由代表了發(fā)動機的原動機，代表了機床床身質量的慣性飛輪，代表道路阻力的制動裝置，和為了下一個循環(huán)做準備的慣性飛輪制動器，以及安裝這些總成的支架，床身所組成，為了使上述裝置有機的聯系在一起，按規(guī)定的程序動作，并對試樣測量的結果進行記錄，測量，和分析，也需要一套控制系統(tǒng)，而本文只對其中的機械部分加以說明。
2.6 電磁離合器測試臺結構特點
a） 本測試臺擬采用離合器起步慣性飛輪，采用電磁制動器制動慣性飛輪，同時在慣性各種性能實驗時，可以對第一個離合器施加生產阻力矩。
b）這種測量數據，如溫升，扭矩，轉速等訊號均由所布置的傳感器所獲得，采用轉矩轉速傳感器測量從動部分的轉速和傳遞的扭矩，采用溫度傳感器測量溫度，通過制動離合器制動并模擬汽車起步工況時的載荷。
圖2—1 電磁離合器性能測試臺簡圖
2.7 試驗臺的工作周期分析
此處分析離合器試驗過程中的一個工作周期，以便了解試驗臺測試的具體過程。工作周期步驟如下：
①在第0～3 s時，電機帶動被試離合器主動部分部件升速至要求的試驗轉速n’。
②在第3～7 s時，被試離合器結合，電機同時帶動主動部分、從動部分運轉，轉速首先下降至n1點，該點為主動部分和從動部分的轉速達到同步時的轉速。試驗要求，同步轉速n1不得超過試驗轉速的20%，這里按照試驗轉1000r/min）。然后，主動部分和從動部分的同步轉速再上升至試驗轉速n’。
③在第7～9 s時，整個試驗臺在轉速n’穩(wěn)定運行。
④在第9～10 s時，被試離合器脫開，電機繼續(xù)帶動主動部分運行，而制動離合器對從動部分實施制動，使其停止。
第三章 電磁離合器性能測試的具體方案
3.1 溫度特性
3.1.1 電磁離合器溫升測量的實現方案
我們?yōu)榱俗龀鲭姶烹x合器的溫升曲線而對他進行溫升的實驗，通過溫升曲線來知道被測的電磁離合器是否可以投入使用，繪制溫升曲線需要從電磁離合器通電開始到達到穩(wěn)定的溫升標準這一段時間內的溫度采樣值。每一采樣時刻的溫升值是根據填埋在離合器摩擦盤內的熱電偶傳感器獲得的。那么，如何判斷試品是否達到穩(wěn)定的溫升標準呢？普遍認為，當被測離合器達到溫升標準時，即使連續(xù)通電一小時，線圈溫度也不會上升1攝氏度，達到溫升標準后，我們就可以畫溫升曲線。并對被測離合器的溫升性能做出評估。
在控制系統(tǒng)中，可以對離合器每隔十五分鐘采樣一次溫度，而溫升差值則是每小時采樣一次，所以，溫升差值必須從第五個采樣點開始進行計算
3.1.2 實驗的軟件實現方法
本試驗的軟件編程用Visual Basic實現。其試驗進程分為以下幾個步驟：
a） 試品通電，測試出試品初始時候的溫度，及環(huán)境溫度，
b） 間隔15分鐘后，測出時刻1試品的溫度和環(huán)境溫度
c） 判斷相鄰環(huán)境溫度的差值，若其差值大于1，說明不滿足實驗條件，則停止實驗；
d） 重復實驗的第2步和第三步，依次計算出溫升值……；
e） 當周圍環(huán)境溫度允許進行試驗時，就依次算出……的結果，直到差值其小于1為止（也就是達到了穩(wěn)定溫升）
f） 繪制溫升曲線。
3.1.3系統(tǒng)對環(huán)境溫度的考慮
在試驗過程中如果環(huán)境溫度變化過大，會影響試驗結果的可靠性，所以，要把環(huán)境溫度因素考慮到測試系統(tǒng)中。其具體實現方法即為在每次進行溫升比較之前先對此采樣時刻與最近的一次采樣時刻的環(huán)境溫度做差。若相鄰采樣點的環(huán)境溫度變化超過1，則認為此條件下不適宜做溫升試驗，系統(tǒng)將自動終止試驗。
3.2 電磁離合器的轉矩特性
電磁離合器的摩擦轉矩是選擇離合器的基本參數，可分為靜轉距和動轉距。電磁離合器出于通電勵磁狀態(tài)是，離合器的兩摩擦盤之間不發(fā)生相對滑動時，從主動部分傳遞到從動部分的最大轉矩就叫靜轉距。同樣是勵磁狀態(tài)，但內外摩擦片之間發(fā)生了相對滑動，從主動部分傳遞到從動部分的最大轉矩就是動轉距。選擇離合器時應使公稱靜轉距大于機器運轉的最大負載轉矩乘以安全系數; 連接時的負載轉矩加上加速轉矩乘以安全系數小于公稱動轉矩。濕式的靜摩擦轉矩約為動摩擦轉矩的2倍, 而干式的大致相同。所謂空轉矩即離合器出于非勵磁狀態(tài)時從主動側能夠傳遞到從動側的最大轉矩。對于干式離合器而言，空轉轉矩很小，甚至可以忽略不計。斷電后，離合器存在空轉轉矩的一段時間里, 離合器所傳遞的轉矩稱為殘留轉矩。殘留轉矩主要是切斷電流后，由于存在磁滯現象磁力矩沒有立馬消失所造成的。潤滑油的黏度和表面張力是另一因素。但對干式的影響可以忽略?？辙D轉矩和殘留轉矩都將使離合器的負載不能脫開而引起發(fā)熱, 應當愈小愈好。
3.2.1靜力矩的測定
首先把離合器被動側固定, 通入額定勵磁電流,使主動側與被動側在靜止狀態(tài)下完全連接。然后在主動側緩慢施加扭矩載荷,測量并記錄開始打滑是的扭矩，即靜摩擦力矩。測量次數不少于5次，其中任意兩次的差值不應大于3％，并以其算術平均值為最終測量結果。
3.2.2 測試動力矩
在電機輸出軸上裝上測定裝置的離合器, 該離合器被動側的輸出軸后邊裝上慣性飛輪, 在該軸的端部裝被測離合器的聯結或磁軛, 被測離合器的被動側與機架固定。并將轉速、力矩和被測離合器的電壓飛電流等訊號接到示波器上。測定步驟如下: 首先使實驗裝置用的離合器得電, 然后起動原動機, 此時飛輪和被測離合器的主動側上升到規(guī)定轉速, 待穩(wěn)定后測出轉速。這時將試驗裝置用的離合器電源切斷, 被測離合器得電,制動力矩產生, 并將試驗裝置用的離合器被動側、飛輪、被測離合器的主動側均制動停止。通過轉矩轉速傳感器測取被測電磁離合器從動部分轉速為零、主動摩擦片瞬時轉速為1000r/min，以及其以下各轉速點的摩擦力矩，即為被試離合器從動部分固定，主動部分以不同轉速強制滑摩時的動摩擦力矩，測量次數不小于10次，取其算術平均值。
3.2.3測定空轉力矩
在試驗臺上安裝好被測離合器, 使其處于非勵磁狀態(tài), 對離合器的從東側制動使其保持靜止, 其方法與測定動力矩的方法相同
3.3 動作特性
線圈得電后, 因為線圈中電阻和電感的特性,電流大小與時間的關系為指數上升式,電流增大，吸合力增強，達到某特定值時, 銜鐵被吸動。磁路中的間隙瞬間變小, 阻抗隨之降低, 使得回路中的電感快速增加, 電流相應的產生一波動。當銜鐵吸緊摩擦片的力度達到某一特定值是，開始傳遞扭矩，且扭矩大小與電流大小呈正相關關系，當內外摩擦片之間沒有出現相對滑動時，此時所傳遞的扭矩達到最大值。
探討電磁離合器的動作特性行為中，需要研究的主要參數為: 1、銜鐵吸引時間, 也就是從離合器線圈開始得電直至開始產生轉矩所需的時間; 2、 接通時間, 即從離合器線圈開始得電到轉矩上升至80%公稱動轉矩所需的時間;3、斷開時間, 即從離合器線圈斷電開始到轉矩下降至10%公稱動轉矩所需的時間。
首先，使被測離合器與機架保持固定，然后使電磁離合器得電，讓其的主動側與從動側在靜止狀態(tài)下保持連接。然后，在主動側施加某一扭矩，使這扭矩傳遞到從動側， 并在示波器上示出。之后, 切斷離合器電源, 離合器被動側的力矩衰減過程由力矩變換器送到示波器上記錄。
測定力矩消滅時間: 先在離合器主動側施加一額定力矩，然后切斷電源，使力矩慢慢衰減至原來的10%，這個過程所要經歷的時間,即為力矩消滅時間。
3.4壽命的測試
電磁離合器的使用壽命是一個十分關鍵的性能指標。壽命測試通常是通過抽樣檢測，對試品進行反復的通斷電，使之吸合，啟動負載，斷電，拋開負載，知道離合器失效為止。記錄離合器的有效使用次數，并檢查是否符合標準，以判斷器件的壽命。有轉矩轉速傳感器從壽命試驗臺上讀出主電機和離合器的轉速變化情況，后臺控制系統(tǒng)通過對這些數據的分析，對離合器是否失效做出判定。
離合器的可靠壽命與多種因素有關, 它不僅與離合器本身的性能有關, 而且還與現場使用條件有關離合器的本身性能包括摩擦片的結構、配對材料的選用加工工藝和摩擦片表面的處理工藝等等現場使用條件包括慣性負載的大小、轉速的高低操作頻率的多少、潤滑條件的好壞(對濕式離合器)等等根據人們的公認看法, 離合器的可靠壽命是由它工作時的連接次數來確定, 而這種連接次數是在保證離合器所傳遞的扭矩能在規(guī)定的時間內起動(或制動)規(guī)定的負載, 即離合器的可靠壽命次數, 是主動側以某一轉速n1, 旋轉,在規(guī)定的時間內起動規(guī)定的負載, 使從動側的轉速n2從由零升速到n2=n1,或使從動側的轉速由n2=n1減速到零。
設加速時間為T，鍵入控制系統(tǒng)，再由系統(tǒng)測出n2由零加速到n1所需的時間為t，將測出的t與T相比，若t
T，則認為離合器非可靠的工作了一次,，則故障計數器自動加1，當故障計數器的次數啊等于3時，則自動停止實驗，可靠壽命計數器所記下的次數即為離合器的可靠壽命次數。
第四章 關鍵零部件的設計和選取
4.1 電機的選擇
4.1.1 電機類型選擇
目前國內的制造單位普遍使用三相交流電源對其設備供電，在沒有特殊的情況下（如在較大范圍內平穩(wěn)的調速，經常啟動或反轉等），通常都采用三相交流異步電動機。我國已定制統(tǒng)一標準的Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠型三相異步電動機，適用于不易燃，不易爆，無腐蝕性氣味的氣體的機械。同時，Y系列封閉式三相異步電動機還具有具有高效率，低耗能，低噪聲，小振動，占用空間小，運行安全可靠等優(yōu)點，適用于一般用途的電動機，本次試驗臺設計也采用Y系列封閉式三相異步電動機
4.1.2 確定電動機的功率和轉速
電機的功率選擇是否恰當，對電機的工作性能和經濟性能都有著十分重要的影響。功率選得過小，電動機不能保證機器的正常工作，或電動機因為長期超載運行而早早損壞；容量過大則電動機價格過高，能量不能充分利用，造成能源的浪費。
對于長期連續(xù)運轉，載荷變化不大或很少辯護的，在常溫下工作的電動機來說，選擇容量時，只需使電動機的負載不超過其額定值，電機就不會因為過載而導致發(fā)熱嚴重，此時就可以參考電機的額定功率等于或略大于電動機所需的功率，即，選擇相應的電動機型號，而不必在做發(fā)熱計算。
技術指標中轉矩1 =100Nm，轉速： =0—1000rpm，則電動機所需的功率為
（1）
查表JB/T 10391_2008,Y系列三相異步電動機的技術數據，將最終圓整為11kw；最終選擇電機為同步轉速為1000r/min，6極的Y160L—6，其他技術參數如下表所示：
表4—1 Y160L—6三相異步電動機技術參數
電動機
型號
額定功率/kW
滿載轉速/(r/min)
同步轉速1 000r/min，6極
Y160L-6
11
970
2.0
2.0
注：電動機型號意義：以Y132S2-2-B3為例，Y表示系列代號，132表示機座中心高，S2表示短機座和第二種鐵心長度（M表示中機座，L表示長機座），2表示電動機的極數，B3表示安裝形式。
表4—2 機座帶底腳、端蓋無凸緣Y系列電動機的安裝及外形尺寸 mm
機座號
極數
A
B
C
D
E
F
G
H
K
AB
AC
AD
HD
BB
L
132S
2,4,6,8
216
89
38
+0.018
+0.002
80
10
33
132
280
270
210
315
200
475
132M
178
238
515
160M
254
210
108
42
110
12
37
160
15
330
325
255
385
270
600
160L
254
314
645
4.2 軸的設計
4.2.1軸的材料
軸的材料種類很多，主要是根據軸的使用條件、剛度和其他的機械性能等的要求，采用的熱處理方式和經濟性，并盡量使之有良好的工藝性。通過設計和計算確定軸的材料。
軸的常用的材料是優(yōu)質碳素結構鋼，如35、45和50，其中以45號鋼最為常見。不太重要及受載荷交小的軸可用Q235、Q275等普通碳素鋼結構鋼；對于受力較大，軸的尺寸又不允許太大，或者在某些特殊的場合是可以選擇合金鋼作為軸的材料；此時應當盡量考慮用符合國家資源結構的硼鋼和硅錳剛等等。當軸的結構比較復雜時，為了維護原有的尺寸，和防止熱處理過程中的變形，可以選用鉻鋼；對于非常重要，而軸截面尺寸又非常大的情況可以選用鉻鎳鋼作為軸的材料，對于高溫或腐蝕條件下工作的軸可選用耐熱鋼或不銹鋼。
選擇曲軸和輪軸的材料時，球墨鑄鐵和一些高強度鑄鐵因為具備良好的鑄造性能，良好的吸震性能，應力集中敏感度低，支點位移小等優(yōu)點，通常作為其備選材料。
而該電磁離合器實驗臺是直徑較小，載荷不大的直軸，所以選擇普通碳素鋼Q235即可。
表4-3 常用材料的力學機械性能
4.2.2 最小軸徑的確定
進行軸的強度計算時，所采取的計算方式以軸的具體載荷和應力情況為依據，并恰當的選取其許用應力，對于只需要或主要承受扭矩的軸，應按扭轉強度條件計算，對于只承受彎矩的軸，應按彎矩強度計算，對于即承受彎矩又承受扭矩的軸，應按彎扭合成強度計算，該電磁離合器主要承受來自摩擦盤的扭矩，所以應按扭轉強度條件計算，考慮到還有來自飛輪的重力，和軸承的支座反力，則應降低許用扭轉切應力的辦法予以解決，在做軸的結構設計時，通常用這種方法初步估算軸徑，也可作為最后的計算結果，軸的扭轉強度條件為
（2）
式中：----扭轉切應力，MPa
-------軸所受到的扭矩，N.mm
------軸受到的抗扭截面系數，
------------軸的轉速，r/mm
P------------軸傳動的功率，kw
[]------許用扭轉切應力，Mpa，見表4——4
表4—4 軸常用材料的[]及A0值
軸的材料
Q235-A，20
Q275、35
45
1Cr18Ni9Ti
40cr、40MnB、3Crl3
15-25
20-35
25-45
15-25
35-55
A
149-126
135-112
126-103
148-125
112-97
注：1、表中給出的值是考慮了彎曲影響而降低的許用扭轉切應力。
2、在下列情況下，取較大值，A取較小值：彎矩較小或只受扭矩的作用，載荷平穩(wěn)、無軸向載荷或只用較小軸向載荷，減速器的低速軸、軸單向旋轉。反之，取較大值。
由上式可得軸的直徑
（3）式中， （4）
本次設計中，軸的材料采用普通碳鋼Q235，由上表查得=15Mpa，代入（4）式，得=147，取P=11kw，n=1000r/min，代入（2）式，得出33。
應當指出，當軸截面開有鍵槽時，可以增大軸的直徑以彌補鍵槽對軸的強度的削弱。當軸的的直徑大于100mm時，，有一個鍵槽，軸徑相比原理增大3%，有兩個鍵槽時，軸徑應增大7%；而對于軸徑小于100mm時，，有一個鍵槽時，軸徑增大5%——7%，有兩個鍵槽時，應增大7%——15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。而該電磁離合器性能測試臺的軸上將會有三個鍵槽，得出
（5）
查表GB2822——81，將最小軸徑最終確定為mm
4.2.3軸的結構設計
軸的結構設計，包括軸的外形和全部結構尺寸
軸的機構由以下幾個方面來決定：軸在整個機器中的功能和位置；軸上零件的大小，種類，數量還有與軸的配合形式；軸的載荷的分布狀況，載荷的類型，方向和大?。惠S的工藝性能等等；因為軸的結構形式往往要根據具體的實際來確定，具體結構往往受到多方面因素的制約，所以至今沒有標準軸結構形式。不管有多少因素要考慮進去，軸的結構至少要滿足以下三點：首先，軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；其次，軸上的零件應便于拆裝和調整；最后，軸應具有良好的制造工藝。
在進行軸的結構設計之前，必須先要擬定軸上零件的裝配方案，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案在本次軸的設計中就是指：軸承，飛輪，軸承端蓋，聯軸器在軸上的安裝，這樣就對各軸段的相對粗細順序有了初步的安排。
軸上零件的定位：此次設計的軸的軸向定位主要是飛輪和軸承在軸上位置的定位，軸向定位方法有:軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等?？紤]到軸肩定位方便可靠，套筒定位結構簡單，且需要在軸上開槽，鉆孔和切制螺紋，不影響軸的疲勞強度，所以分別采用軸肩、套筒和軸承端蓋分別對飛輪和滾動進行軸向定位。周向定位均采用普通平鍵的方式以傳遞扭矩和防止周向滑動。
由電磁離合器性能測試臺總體方案的設計可以確定在，軸的結構設計結果大致如下圖所示：
圖4—1 軸結構示意圖
4.3 飛輪的設計
4.3.1 1飛輪的動力學計算
(1) 飛輪具有儲能的功能，在速度下降時能夠釋放出能量，在速度上升時可以吸收能量，因而能夠模擬起步和制動時的工況。
在制動過程中，制動器吸收的能量如公式（4——6）所示
（4-6）
為制動力矩，為制動開始時刻；w為制動軸的角速度；t2為制動結束時刻，制動力矩
（4-7）
將（7）式代入（6）式得
（4-8）
式中為換算到制動軸上的等效轉動慣量；為制動開始時制動軸的角速度；為制動結束時制動軸的角速度。
根據(4-7)式，模擬大小為的轉動慣量時，慣性飛輪應有的力矩為
( 4-9)
增設慣性飛輪后G礦(增設慣性飛輪的轉動慣量)的增加將會使電動機的啟動時間延長，嚴重時會造成啟動困難．為此。必須對廠家配套的電動機啟動力矩進行復核計算，當啟動困難或啟動時間太長時，考慮更換啟動力矩大的電動機。電動機帶動的離合器，在啟動過程中的力矩平衡方程式可用下式表示
（4-10）
式中，為電動機啟動過程中的轉矩，單位為kg·m，為機床啟動過程中的阻轉矩，單位為kg·m；為機組轉動時的機械阻轉矩，包括軸承摩擦力矩等，單位kg·m, 為機組的加速慣性力矩．當電動機啟動轉矩地大于啟動阻轉矩‰和機械阻轉矩眥時，就能把剩余轉矩傳給轉子，使它加速。把(4-10)式寫為
（4-11）
從電機樣本中查得啟動轉矩與額定轉速之比，利用下式計算出電機的額定力矩后，則可求得啟動力矩
（4-12）
式中，為額定功率，kw，為額定轉速，r/min。
（2）慣性飛輪尺寸計算確定
在電動機上增加值，其成本會增加，是不經濟的。為提高機組的值，特意增設慣性飛輪。計算確定的慣性飛輪尺寸，必須與機床的結構尺寸相匹配，并由其安裝條件確定，應盡可能減少飛輪所需的材料和投資。
慣性飛輪的轉動慣量可由下式計算
（4-13）
式中，為增設飛輪的轉動慣量，，為飛輪外徑，為飛輪內徑，B為飛輪寬度，為飛輪材料鑄鋼比重，
4.3.2 飛輪的尺寸設計
選擇電機型號為Y160-6，它的額定功率為11kw，額定轉速為1000r/min，設動轉矩與額定轉矩的轉矩比為1.2，最大轉矩與額定轉矩的比為2.2
則根據（4-12）式，計算額定轉矩
啟動轉矩是
設機床運轉過程中的工作矩和機械阻轉矩之和為5w,則起始阻力矩為：
啟動轉矩與阻力矩的差值是0.002856kg.m，所以可取飛輪的為0.0028kg.m，設飛輪寬度B為0.035m，代入（4-13）中，有
即
可得，取=50mm，可得出=250mm
4.4 聯軸器
4.4.1 聯軸器類型的選擇
聯軸器和離合器都是機械傳動中常用的部件，他們主要連接軸與軸，以傳遞扭矩和運動，聯軸器所連接的兩軸，由于制造安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在某種程度的相對位移，根據聯軸器對各種相對位移有無補償能力(即能否在發(fā)生相對位移時仍保持連接的功能)，聯軸器又可分為剛性聯軸器（無補償能力）和撓性聯軸器（有補償能力）兩大類，撓性聯軸器又按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯軸器和有彈性元件的撓性 軸器兩個。
膜片聯軸器的典型結構如圖4-2所示，其彈性元件為一定數量的很薄的多邊環(huán)形或圓環(huán)形金屬膜片疊合而成的膜片組膜片上有沿著圓周均布的若干個螺栓孔，用絞制孔用螺栓交錯間隔與兩邊的半聯軸器相連接，這樣將彈性元件上的弧段分為交錯受壓縮和受拉伸的兩部分，拉伸部分傳遞轉矩，壓縮部分趨向皺折。當所連接的兩軸存在軸向、徑向、和角位移時，金屬膜片便產生波狀變形。
這種彈性聯軸器結構比較簡單，彈性元件的連接沒有間隙，不需要潤滑，維護方便，平衡容易，質量小，對環(huán)境的適應性強，發(fā)展前途廣闊，但扭轉彈性較低，緩沖減振性能稍差，主要用于載荷比較平穩(wěn)的高速傳動。
圖4-2 膜片聯軸器
基于膜片聯軸器的這些優(yōu)點，本次電磁離合器試驗臺的聯軸器就選用了膜片聯軸器。
4.4.2 確定聯軸器的型號
根據聯軸器的計算轉矩選擇聯軸器的類型；
聯軸器的計算轉矩：
（4-14）
式中 ——理論轉矩，N.m
——驅動功率，kW
——工作轉速，r/min
——動力機系數；電動機取1.0
——工況系數，查表可得取1.25
——啟動頻率，查表可得啟動頻率120時，可取1.0
溫度系數，查表可得，取1.0
——公稱轉矩，N.m，見各聯軸器參數表。
代入各數據可得：
考慮到Y-160L電動機輸出軸的直徑是42mm，主軸端部軸徑為40mm，兩端的軸徑不同，且必須滿足，最終確定聯軸器型號為型——無沉孔基本型聯軸器，
表4-5 型——無沉孔基本型聯軸器的基本參數
型號
公稱轉矩
最大轉矩
最大轉速
軸孔直徑
軸孔長度
D
D1
t
扭轉剛度
質量
轉動慣量
J1型
Y型
L（推薦）
L
250
400
6700
30,32,35,38
60
82
55
128
77
11
0.81
4.2
0.006
40,42,45,48,50,55
84
112
4.5 軸承的選擇
4.5.1 滾動軸承的作用
支承轉動的軸及軸上零件，并保持軸的正常工作位置和旋轉精度，滾動軸承使用維護方便，工作可靠，起動性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動軸承比較，滾動軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時壽命低，聲響較大。
4.5.2滾動軸承的分類
如果軸承用于承受的外載荷的不同來分類，滾動軸承可以概括分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類向心軸承。主要承受徑向力的軸承叫做向心軸承。主要承受軸向力的軸承叫推力軸承，能同時承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承
4.5.3 滾動軸承類型的選擇
軸承所受載荷大大小、方向、和性質，是選擇軸承類型的主要依據；
根據軸承的大小選擇軸承類型是，由于滾子軸承中的主要元件是線接觸，宜用于承受的載荷，承載后的變形也較小，而球軸承中則主要為點接觸，宜用于承受較輕的或中等的載荷，
根據載荷選擇軸承類型時，對于純軸向載荷，一般選用推力球軸承，較小的純軸向載荷可選用推力球軸承，較大的純軸向載荷，可選用推力滾子軸承，對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承，圓柱滾子軸承或滾針軸承。當軸承在承受徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，當軸向載荷較大時，可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起的結構，分別承擔徑向載荷和軸向載荷。
本次電磁離合器性能測試臺設計中，載荷不大，且球軸承與滾子相比，具有較高的極限轉速，可優(yōu)先選用球軸承。又因為主要承受由重力產生的徑向力為主，且其結構簡單，使用方便，對主機的制造安裝精度較低，所以初選深溝球軸承，作為主軸的支撐部件?？紤]到軸的轉速較高，在內徑相同時，外徑越小，滾動體就越小，運轉時，滾動體加在外圈滾道上的離心力也就越小，所以，外徑不宜過大，又因為dII—III=45mm, 由軸承產品目錄中初步選取 0 基本游隙組、標準精度級的深溝球軸承61809,其尺寸為 d×D×B=45mm×58mm×7mm,軸承左端采用套筒定位，右端采用軸承支座定位。
4.6 電磁離合器和制動器的選擇
4.6.1電磁離合器分類
干式單片電磁離合器、干式多片電磁離合器、濕式多片電磁離合器、磁粉電磁離合器、轉差式電磁離合器
4.6.2 電磁離合器結構和工作原理
干式單片電磁離合器：線圈通電時產生磁力吸合“銜鐵”片，離合器處于接合狀態(tài)；線圈斷電時“銜鐵”彈回，離合器處于分離狀態(tài)。
干式多片/濕式多片電磁離合器：原理同上，另外增加幾個摩擦付，同等體積轉矩比干式單片電磁離合器大，濕式多片電磁離合器工作時必須有油液冷卻和潤滑。
磁粉離合器：在主動與從動件之間放置磁粉，不通電時磁粉處于松散狀態(tài)，通電時磁粉結合，主動件與從動件同時轉動。
轉差式電磁離合器：離合器工作時，主、從部分必須存在某一轉速差才有轉矩傳遞。轉矩大小取決于磁場強度和轉速差。勵磁電流保持不變，轉速隨轉矩增加而劇烈下降；轉矩保持不變，勵磁電流減少，轉速減少得更加嚴重。
4.6.3 選擇電磁離合器的類型
本次電磁離合器性能測試臺的設計背景為用于造紙機的電磁離合器，而磁粉離合器可以通過調節(jié)激磁電流控制傳遞轉矩，具有恒轉矩特性，能改變傳遞恒轉矩的大小，允許較大滑差，調節(jié)范圍寬，反應迅速等優(yōu)點，故作為此次離合器的的選擇類型
4.6.4 電磁離合器的型號及尺寸
通過選定離合器的類型后，可以通過查機械設計手冊獲得計算方法和尺寸，這位設計離合器性能測試臺提供了依據。FL型電磁離合器外形尺寸的基本參數見表4—6和圖4—3
圖4—3 FL型電磁離合器
表4—6 FL型電磁離合器的外形參數
通過上表，我們可以比較一下，在實際測試過程中，我們的主要目的是檢測試驗臺的性能指標，在實驗臺上的力矩大小由電動機控制，只要電磁離合器所能承受的扭矩>加載的扭矩即可，所以我們更多的考慮了設計上的方便，所以輸入輸出軸徑更有參考價值，考慮到主軸的大小和聯軸器的型號，選擇FL400為本次設計所測用的電磁離合器。具體性能參數見表4-7
表4—7 FL型電磁離合器性能基本參數
型號
公稱轉矩
75是線圈
許用同步轉速
飛輪轉矩
自冷式
風冷式
液冷式
最大電壓
最大電流
時間常數
許用滑差功率
許用滑差功率
風量
許用滑差功率
流量
FL400
400
5.0
4.0
1000
6.6
900
2100
2.0
5200
15
4.6.5 電磁制動器的選擇
磁粉制動器是根據電磁原理和利用磁粉傳遞轉矩的。其具有激磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系的特點。在同滑差無關的情況下能夠傳遞一定的轉矩，具有響應速度快、結構簡單、無污染、無噪音、無沖擊振動節(jié)約能源等優(yōu)點。是一種多用途、性能優(yōu)越的自動控制元件?，F已被廣泛應用于造紙、印刷、 塑料、橡膠、紡織、印染、電線電纜、冶金、壓片機以及其他有關卷取加工行業(yè)中的放卷和收卷張力控制。磁粉制動器還經常被用于傳動機械的測功加載和制動等。磁粉制動器和磁粉離合器經常配對使用，所以電磁制動器選為與FL400離合器相配套的FZ400型。
4.7 傳感器的選擇
轉矩轉速傳感器的選擇：采用轉矩轉速傳感器測量傳遞的摩擦力矩和從動部分的轉速，目前都是比較固定的型號，主要根據轉矩轉速或功率來選擇，不需要很復雜的選型，我們選用型號為LDN-08D傳感器。
LDN-08D數字轉矩轉速傳感器是國內新開發(fā)的測量精度和可靠性高的新產品，它不需要調零即可連續(xù)傳遞正負轉扭矩信號，檢測精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾性強，沒有集流環(huán)等磨損件，可以長期高速運行，體積小，重量輕，可以任意位置位置、任意方向安裝。
溫度傳感器的選擇：
溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環(huán)境，而且結實、價低，無需供電，也是最便宜的。
測量精度和溫度測量范圍的選擇 使用溫度在1300~1800℃，要求精度又比較高時，一般選用B型熱電偶;要求精度不高，氣氛又允許可用鎢錸熱電偶，高于1800℃一般選用鎢錸熱電偶;使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶，低于400℃一般用E型熱電偶;250℃下以及負溫測量一般用T型電偶，在低溫時T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。本次離合器溫升測試的范圍大概為室溫—450，所以選用K型熱電偶。
4.8 鍵的選擇和校核
鍵的選擇包括類型的選擇和尺寸選擇兩個方面，鍵的類型選擇應根據鍵連接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇，鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬b*鍵高h表示）與長度L。鍵的截面尺寸b*h按軸的尺寸d由標準中選定，鍵的長度L一般可按輪轂長度而定，即鍵的長度等于或略短于輪轂長度。
4.8.1 鍵的類型選擇
半圓鍵：靠鍵的側面?zhèn)鬟f扭矩，鍵在軸槽中能繞槽底圓弧曲率中心擺動，裝配方便。但它槽較深，對軸的削弱較大。一般用于錐形軸端，故不選。
楔鍵：鍵的上下兩面是工作面。鍵的上表面和轂槽的底面各有1:100的斜度，裝配時需打入靠楔緊作用傳遞扭矩，能軸向固定零件盒傳遞單向軸向力，但會對軸上零件的配合產生偏心和偏斜的作用，不宜用于高速場合，因主軸最高轉速達1000rpm，故也不宜使用楔鍵
平鍵：靠側面?zhèn)鬟f扭矩，對中良好，結構簡單，拆裝方便。應用最廣，可用于高速度高精度，承受變載的場合。最適合本次設計對鍵的要求，故最終選定鍵的類型為普通平鍵。其中，用于軸端的普通平鍵選C型，用于軸中部鍵選用B型。
4.8.2 鍵的尺寸選擇
用于軸端的鍵所配合的軸徑為40mm，根據此查表可得=，所配合的聯軸器轂長為55mm，查鍵的