電磁制動器研究設(shè)計 作 者 : 顏珂 學(xué)院 (系 ): 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) : 機(jī)械工程及自動化 2009 年 6 月 火箭 彈 等武器發(fā)射系統(tǒng)的高低 機(jī)和方向機(jī)快速、精確地隨動調(diào)轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)瞄準(zhǔn)和提高武器性能 的關(guān)鍵技術(shù) 。 在瞄準(zhǔn)機(jī)瞄準(zhǔn)過程中，當(dāng)方向機(jī)和高低機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置后，需要抱閘和鎖緊在當(dāng)前位置；在火箭炮發(fā)射過程中，由于振動或是其他因素可能影響瞄準(zhǔn)位置，需要抱閘裝置以防止瞄準(zhǔn)機(jī)的瞄準(zhǔn)出現(xiàn)偏移。 電磁制動器適用于定向、定位和發(fā)射裝置的轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)軸的制動功能，具有結(jié)構(gòu)緊 湊、重量輕和安全可靠的特點，具有對高低機(jī)和方向機(jī)在任意位置抱閘和鎖緊功能 。 關(guān)鍵詞 火箭 彈發(fā)射 抱閘 鎖緊 電磁制動器 Title Design of electromagnetic brake Abstract To transfer the elevating and direction mechanism of the rocket and other weapon s launch systems quickly and accurately is the key technology to realize aiming function and improve the weapon s performance. In the aiming process of the rocket s aiming mechanism, when the direction and elevating mechanism have turned to the goal position, they need to be braked and locked at current position. In the rocket launching process, there may be vibration or other factors that would affect aiming position, so brake equipment is needed to avoid excursion. Electromagnetic brake is used for orientation, positioning and turret launcher rotary axis. It is compact, light, safe and reliable, with the function of braking and locking the elevating and direction mechanism in any position. Keywords Rocket launch Brake Lock Electromagnetic brake 第 I 頁 共 I 頁 目 次 1 緒論 . 1 1.1 課題研究背景、目的和意義 . 1 1.2 論文主要研究工作及意義 . 3 2 電磁制動器設(shè)計 . 4 2.1 電動機(jī)選擇 . 5 2.2 電磁制動器原理設(shè)計 . 6 2.3 本章小結(jié) . 8 3 主要零件的分析與設(shè)計 . 9 3.1 摩擦元件設(shè)計 . 9 3.2 線圈設(shè)計 . 12 3.3 彈簧設(shè)計 . 14 3.4 其他零件的設(shè)計 . 16 3.5 本章小結(jié) . 17 4 有限元分析 . 17 4.1 COSMOSWORKS 的線性靜力分析假設(shè) . 19 4.2 彈性力學(xué)假設(shè) . 19 4.3 摩擦片的有限元分析 . 20 4.4 本章小結(jié) . 23 結(jié) 論 . 24 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參 考 文 獻(xiàn) . 25 附 錄 . 錯誤 !未定義書簽。 第 1 頁 共 28 頁 1 緒論 1.1 課題研究背景、目的和意義 20世紀(jì) 60 年代以來，由于科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，火炮在射程、射速、威力和機(jī)動性各方面都有明顯提高。在增大火炮射程方面，主要采用高能發(fā)射藥 ,加大裝藥量 ,加長身管，增大膛壓，提高初速，相應(yīng)采用自緊炮身以及發(fā)展新彈種（如底凹彈、底部噴氣彈、火箭增程彈和棗核彈）等。 105 毫米榴彈炮射程從第二次世界大戰(zhàn)時的 11 12公里增大到 15 17公里 ,155毫米榴彈炮射程從 14 15公里增大到 30公里以上，有的達(dá) 40余公里。在增大火炮射速方面，采用半自動炮閂，液壓傳動瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可燃藥筒和全自動裝填機(jī)構(gòu)等。瑞典 FH77-A式 155毫米榴彈炮，最大發(fā) 射速度 3發(fā) 6 8秒。美 M204式 105毫米榴彈炮利用前沖原理縮短后坐量 ， 后坐時間由 2.5秒降為 1.4秒 ， 后坐距離由 1184毫米降至 430毫米。在提高彈丸威力方面，采用增大彈體強(qiáng)度 ,減薄彈體壁厚，增大炸藥裝填量等措施，并改裝高能炸藥和采用預(yù)制破片彈等。美 105 毫米榴彈的殺傷效果 ,相當(dāng)于第二次世界大戰(zhàn)期間的 155毫米榴彈。 在提高火炮機(jī)動性方面，許多國家采取新結(jié)構(gòu)、新原理、新材料等以減輕火炮重量 ,并重視發(fā)展新型自行火炮。美 M102式 105毫米榴彈炮，上架、下架和大架合一，高低機(jī)與平衡機(jī)合一，采用鳥胸骨閉架式大 架和迫擊炮座盤，簡化了結(jié)構(gòu)，改善了受力條件，除后坐部分為鋼制件外，其余大多為鋁制件?；鹋谥亓坑稍瓉淼?2260千克減到 1400千克。美 M204式 105毫米榴彈炮利用前沖原理，重量由原來的 2260千克減到 2027 千克。美 M109A1式 155 毫米自行榴彈炮，采用專用鋁合金車體，體積小，重量輕，機(jī)動性好 ； 采用密閉式旋轉(zhuǎn)炮塔，具有浮渡能力；采用液壓折疊式駐鋤 ,方向射界為 360 。 瑞典的 FH77 式 155毫米榴彈炮和英國 、 聯(lián)邦德國、意大利聯(lián)合研制的 FH70 式 155毫米榴彈炮 ， 均附有輔助推進(jìn)裝置，進(jìn)一步提高了火炮的機(jī)動 能力。 蘇 -30式 122毫米榴彈炮采用具有 360 方向射界的炮架，提高了火炮的火力機(jī)動性。 火 炮在射擊前必須先進(jìn)行瞄準(zhǔn) 。 所謂瞄準(zhǔn) ， 就是賦予炮膛軸線以射擊所必須的正確位置 ， 使射擊時的平均彈道通過預(yù)定射擊點的動作過程 。 完成瞄準(zhǔn)操作的裝置稱為瞄準(zhǔn)機(jī)。 瞄準(zhǔn)機(jī)的作用是按照瞄準(zhǔn)裝置所裝定的設(shè)計諸元 ，賦予定向器軸線一定的高低角和方向角， 即賦予定向器軸線一定的空間位置。 瞄準(zhǔn)機(jī) 分為高低機(jī)和方向機(jī) 。 通過高低機(jī)操縱起落部分繞耳軸旋轉(zhuǎn)賦予炮膛軸線的高低角 ， 稱為高低瞄準(zhǔn) 。通過方向機(jī)操縱回轉(zhuǎn)部分繞立軸旋轉(zhuǎn)賦予炮膛軸線的方位角 ， 稱為方 向瞄準(zhǔn) 。 第 2 頁 共 28 頁 制動器是 使機(jī)械中的運動件停止或減速的機(jī)械 構(gòu)件， 俗稱剎車、閘。制動器主要由制動架、制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間隙的自動調(diào)整裝置。為了減小制動力矩和結(jié)構(gòu)尺寸，制動器通常裝在設(shè)備的高速軸上，但對安全性要求較高的大型設(shè)備 (如礦井提升機(jī)、電梯等 )則應(yīng)裝在靠近設(shè)備工作部分的低速軸上。 最早的制動器為機(jī)械式，隨著自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了電磁式制動器，干式電磁制動器先是單片式，因為價格低，結(jié)構(gòu)簡單，在技術(shù)要求不搞的地方得到了廣泛應(yīng)用，不足之處是精度低，接通時間長，易磨損，在很大程度上限制了進(jìn)一步的 應(yīng)用。而干式多片式失電式電磁制動器以體積小，力矩值大，動作靈敏，壽命長等特點，迅速在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 1.1 制動器的分類 有些制動器已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并由專業(yè)工廠制造以供選用。 電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動化執(zhí)行元件，在機(jī)械傳動系統(tǒng)中主要起傳遞動力和控制運動等作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，響應(yīng)靈敏，壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點。 主要與系列電機(jī)配套。廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、化工、食品、機(jī)床、舞臺、電梯、輪船、包裝等機(jī)械中，及在斷電時（防險）制動等場合。 使機(jī)械運轉(zhuǎn)部件停止或減速所必須施加的阻力矩稱為制動力矩。制動力矩是設(shè)計、選用制動器的依據(jù)，其大小由機(jī)械的型式和工作要求決定。制動器上所用摩擦材料（制動件）的性能直接影響制動過程，而影響其性能的主要因素 第 3 頁 共 28 頁 為工作溫度和溫升速度。摩擦材料應(yīng)具備高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。摩擦材料分金屬和非金屬兩類。前者常用的有鑄鐵、鋼、青銅和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡膠、木材和石棉等。 利用電磁效應(yīng)實現(xiàn)制動的制動器，分為電磁粉末制動器和電磁渦流制動器，電磁摩擦式制動器等多種形式 。 電磁制動器主要分為： 電 磁粉末制動器：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化 ,形成磁粉鏈 ,并在固定的導(dǎo)磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實現(xiàn)制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕 ,激磁功率小 ,而且制動力矩與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關(guān)，可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)制動扭矩，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機(jī)器的驅(qū)動系統(tǒng)。 電磁渦流制動器：激磁線圈通電時形成磁場。制動軸上的電樞旋轉(zhuǎn)切割磁力線而產(chǎn)生渦流。電樞內(nèi)的渦流與磁場相互作用形成制動力矩。電磁渦流制動器堅固耐用、維修方便、調(diào)速范圍大 ；但低速時效率低、溫升高，必須采取散熱措施。這種制動器常用于有垂直載荷的機(jī)械中。 電磁摩擦式制動器：激磁線圈通電產(chǎn)生磁場，通過磁軛吸合銜鐵，銜鐵通過聯(lián)結(jié)件實現(xiàn)制動。 另外還細(xì)分為干式單片電磁制動器 、 干式多片電磁制動器 、 濕式多片電磁制動器等等 ； 根據(jù) 制動方式又可分為通電制動和斷電制動。 電磁制動器是一種將主動側(cè)扭力傳達(dá)給被動側(cè)的連接器 ， 可以據(jù)需要自由的結(jié)合 ， 切離或制動 ， 因使用電磁力來作動 ， 稱之 電磁 制動器 ， 具有響應(yīng)速度快 ， 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 電磁制動器是使機(jī)器在很短時間內(nèi)停止運轉(zhuǎn)并閘住不動的裝置 ， 制動器 也可在短期內(nèi)用來減低或調(diào)整機(jī)器的運轉(zhuǎn)速度 。 1.2 論文主要研究工作 及意義 在瞄準(zhǔn)機(jī)瞄準(zhǔn)過程中，當(dāng)方向機(jī)和高低機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置后，需要抱閘和鎖緊在當(dāng)前位置；在火箭炮發(fā)射過程中，由于振動或是其他因素可能影響瞄準(zhǔn)位置，需要抱閘裝置以防止瞄準(zhǔn)機(jī)的瞄準(zhǔn)出現(xiàn)偏移。因為即使微小的位置偏移都會使得火箭炮的目的地出現(xiàn)不可預(yù)計的偏差，所以抱閘裝置的要求十分嚴(yán)格，鎖緊不能出現(xiàn)任何問題。又由于瞄準(zhǔn)機(jī)工作條件較差，傳動運動受力較大，在行軍或射擊時受有動負(fù) 第 4 頁 共 28 頁 載荷的作用，因此制動器應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和壽命，以保證不被破壞或產(chǎn)生變形。令一方 面，為提高火箭武器的運動機(jī)動性，不能做得太笨重，所以在保證可靠性的前提下，應(yīng)使其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。 本文主要完成以下工作： （ 1） 查閱和檢索火箭發(fā)射裝置構(gòu)造和發(fā)射原理文獻(xiàn)； （ 2） 查閱和探索電磁制動器相關(guān)文獻(xiàn)及資料 ； （ 3） 對電磁制動器的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計 ； （ 4） 根據(jù) 已知條件對電磁制動器主要零件分析和設(shè)計計算 ； （ 5） 利用 SolidWorks和 CAXA軟件完成 電磁制動器 的三維立體圖和裝配圖 ； （ 6）利用 SolidWorks對電磁制動器進(jìn)行有限元分析 和強(qiáng)度校核 。 2 電磁制動器設(shè)計 火箭發(fā)射裝置 系統(tǒng)要求該電磁制動器直徑小、制動轉(zhuǎn)矩大、制動靈敏而平穩(wěn)；并具備適應(yīng)高低溫、沖擊、振動、濕熱、雨淋等惡劣環(huán)境的能力。本電磁制動器就 第 5 頁 共 28 頁 是基于上述性能和多種功能要求進(jìn)行研究和設(shè)計制造。 2.1 電動機(jī)選擇 電動的選擇主要考慮一下內(nèi)容： （ 1） 類型的選擇 技術(shù)性要求 ： 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)的機(jī)械特性 ， 起動性能 ， 調(diào)速性能 ， 制動方法 ，過載能力等要求考慮 ； 經(jīng)濟(jì)性要求 ： 節(jié)省初期投資 ， 減少運行費用 ； （ 2） 功率的選擇 技術(shù)性要求 ： 額定功率過大 ， 電動機(jī)欠載運行 ,增加設(shè)備投資 ， 降低效率和功率因數(shù) ；額定功率太小 ， 電 動機(jī)過載運行 ， 電動機(jī)過熱 ， 降低使用壽命 ； 解決方法 ： a、 類比法 ： 參照同類生產(chǎn)機(jī)械來決定電動機(jī)的額定功率 。 b、 統(tǒng)計法 ：經(jīng)統(tǒng)計分析找出電動機(jī)的額定功率與生產(chǎn)機(jī)械的主要參數(shù)之間的計算公式 。 c、 實驗法 ： 用同類或者相進(jìn)類型的生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行試驗 ， 測出功率大小 。 d、 計算法 ： 根據(jù)電動機(jī)的負(fù)載情況 ， 從發(fā)熱 、 過載能力 、 起動能力等方面考慮 ， 通過計算求出所需功率 。 （ 3） 電壓的選擇 技術(shù)性要求 ： 根據(jù)電動機(jī)的額定功率和供電電壓情況選擇電動機(jī)的額定電壓 。 本設(shè)計中 首先考慮到工作條件比較惡劣，所以選擇密封結(jié)構(gòu)， 又 因為需要固定，所以 安裝方式選擇 B35（帶底腳帶 凸緣）。 已知轉(zhuǎn)速為 70 /s，則 70 2 1 . 2 2 1 7 3 /360 r a d s ， 可求得 60n = 1 1 . 6 7 r / m i n2 ， 取 n=12 / minr ， 額定轉(zhuǎn)矩為 500Nm， 取 0.85， 所以 n 0 . 7 3 9 1 4 49550MP k w， 又電動機(jī) 承受沖擊和振動，綜上考慮選擇 YH90s-6型電動機(jī)，該電動機(jī)結(jié)構(gòu)和外形尺寸與基本系列相同，轉(zhuǎn)子采用高電阻鋁合金澆鑄，適用于慣 性矩較大且具有沖擊性負(fù)荷機(jī)械的傳動 。 其主要參數(shù)： 極數(shù) 6 額定功率 （ kw） 0.75 第 6 頁 共 28 頁 轉(zhuǎn)速 （ r/min） 870 電壓 （ V） 380 額定電流 （ A） 2.48 效率 （ %） 66.5 功率因數(shù) （ cos） 0.69 堵轉(zhuǎn)電流 /額定電流 5 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩 2.7 最大轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩 2.7 轉(zhuǎn)動慣量（ kg m2） 0.0029 噪聲 （ dB(A)） 0 重量 （ kg） 23 最大長度 （ mm） 368 最大寬度 （ mm） 255 最大高度 （ mm） 200 2.2 電磁制動器原理設(shè)計 通過大量查閱資料后設(shè)計 工作原理圖 如下 ： 圖 2.1 工作原理圖 1.外 摩擦片 2.內(nèi)摩擦片 3.銜鐵 4.線圈 5.彈簧 該電磁制動器的工作原理：當(dāng)電磁制動器未通電時，在彈簧力的作用下銜鐵將內(nèi)外摩擦片加緊，產(chǎn)生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下，產(chǎn) 生制動作用，旋轉(zhuǎn)負(fù)載立即停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)電磁制動器通電時，電磁制動器上的電磁線圈產(chǎn)生磁場，銜鐵受到電磁力作用向下運動，該力大于彈簧力并使銜鐵向下壓緊彈簧，使內(nèi)外摩擦片分離，從而解除限制。 第 7 頁 共 28 頁 圖 2.2 裝配圖 圖 2.3 爆炸圖 第 8 頁 共 28 頁 2.3 本章 小結(jié) 本章 主要討論了 電動機(jī)的選擇以及電磁制動器的工作原理 。 電動機(jī)的選擇考慮的因素較多，火箭發(fā)射裝置在野外工作時惡劣的條件成為電動機(jī)選擇的主要考慮條件。電磁制動器的設(shè)計在參考多個方案后選擇了失電式電磁制動器，該種電磁制動器體積較小，制動轉(zhuǎn)矩大，由電磁力驅(qū)動可使制動器 反應(yīng)迅速且工作平穩(wěn)，工作壽命也較長。 第 9 頁 共 28 頁 3 主要零件的分析與設(shè)計 電磁制動器的設(shè)計計算是根據(jù)有關(guān)資料并考慮到該電磁制動器本身的特點而編制的。 主要零件包含內(nèi)、外摩擦片，電磁線圈以及彈簧。 3.1 摩擦元件 設(shè)計 摩擦元件 為 電磁制動器的制動零件，包含一個內(nèi)摩擦片和兩個外摩擦片，內(nèi)摩擦片含內(nèi)花鍵與電動機(jī)輸出軸的外花鍵連接，其性能直接影響制動能力和結(jié)合過程。主要分析設(shè)計其材料的選擇、花鍵連接以及主要尺寸計算。 3.1.1 摩擦元件材料的選擇 選擇摩擦材料的時候，主要 考慮一下幾點： a. 摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定，要求在一定的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的恢復(fù)性能； b. 具有良好的耐磨性能，以提供制動器的壽命； c. 有一定的機(jī)械強(qiáng)度，如許用壓強(qiáng)要大，這樣可增加彈簧壓力，從而增加制動轉(zhuǎn)矩 。 查詢相關(guān)資料后選用 QAl5，鋁青銅， 為不含其它元素的鋁青銅。有較高的強(qiáng)度、彈性和耐磨性；在大氣、淡水、海水和某些酸中耐蝕性高，可電焊、氣焊，不易釬焊 ，能很好地承受在冷態(tài)或熱態(tài)下承受壓力加工，不能淬火回火強(qiáng)化。 3.1.2 摩擦片主要尺寸設(shè)計 （ 1） 摩擦片外徑 D 2el3i1 6 1 0f p kTD c m2(1+C)(1-C ) （ 3.1） 式中， -安全系數(shù)，其取值范圍在（ 1.2-2）之間 ，取 1.2 f-動摩擦系數(shù)，對銅基燒結(jié)合金鋼，其范圍在（ 0.2-0.3）之間 ，取 f=0.3 i- 摩擦表面的數(shù)目， i=m-1， m為內(nèi)、外摩擦片總數(shù) ， i=3-1=2 p-單位面積壓強(qiáng)，范圍在 52( 3 6 ) 1 0 /Nm ，取 526 1 0 /p N m C-摩擦表面內(nèi)、外徑之比，即 C=d/D， d為內(nèi)徑，一般 C值在（ 0.84-0.90）之間 ，取 C=0.84 k-系數(shù)，其表達(dá)式為v m nk k k k 第 10 頁 共 28 頁 其中，vk速度系數(shù)，3 2.5vk v， v為摩擦外表面圓周速度（ m/s） mk-考慮到摩擦表面數(shù)目的系數(shù)，其求取方法見下表 表 3.1 系數(shù)mk nk-考慮到接通次數(shù)的系數(shù)，其求取方法見下表 表 3.2 系數(shù)nk 由 v=0.1m/s 可得3 2 . 5 2 . 9 2 4 0 1 80 . 1vk ，有條件取 1nk， 1mk ，則2 . 9 2 4 0 2v m nk k k k 又el 500T Nm，所以可求得 23 1 6 1 . 2 5 0 0 1 0 6 . 4 4 6 90 . 3 2 6 0 2 . 9 2 4 0 2D c m 2(1+0.84)(1-0.84 ) 取 7D cm （ 2） 摩擦片內(nèi)徑 d d 7 0 . 8 4 5 . 8 8 c mDC ，取 d=6cm （ 3） 摩擦片徑向?qū)挾?b 11( ) 7 6 0 . 5 c m22b D d （ ） （ 4） 摩擦片厚度 H、 h 內(nèi)摩擦片厚度 H取 5mm 外摩擦片厚度 h取 4mm 外摩擦片數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 10 mk 1 0.97 0.94 0.91 0.88 0.85 0.82 0.79 接通次數(shù) /小時 90 120 150 180 210 240 300 360 nk 1 0.94 0.88 0.82 0.76 0.70 0.58 0.5 第 11 頁 共 28 頁 圖 3.1 摩擦片 3.1.3 花 鍵設(shè)計 （ 1） 花鍵選擇 由于電動機(jī)輸出軸參數(shù)為 24j6mm，查閱相關(guān)資料后選擇花鍵參數(shù)為6 2 6 3 0 6 d （ N D B）和 1 0 7 2 7 8 1 2 兩種花鍵， N為鍵數(shù)， 工作長度取 l=40mm。 圖 3.2 矩形花鍵 （ 2） 花 鍵強(qiáng)度校核 ，校核內(nèi)摩擦片花鍵強(qiáng)度 3pp2 1 0 z mT M P ah ld （ 3.2） 載荷分布不均系數(shù)， 0.7 0.8 ，取 =0.8； z 花鍵的鍵齒數(shù) ， z=6； l 齒的工作長度 ， l=40mm； h 花鍵齒側(cè)面的工作高度， mm，矩形花鍵 D-dh= 22 c， D為花鍵大徑， d為花鍵小徑， c為倒角尺寸而漸開線花鍵 = 3 0 h = m ； = 4 5 , h = 0 . 8 m， ， m為模數(shù) ， h=2mm； 第 12 頁 共 28 頁 md 花鍵的平均直徑， mm，矩形花鍵md 2Dd，漸開線花鍵mfdd，fd為分度圓直徑 ，md=28mm； p 許用擠壓應(yīng)力， MPa，見下表 ，取p=80-120MPa； p 許用比壓， MPa，見下表； 表 3.3 花鍵許用擠壓應(yīng)力和許用比壓 許用擠壓應(yīng)力、許用比壓 連接工 作方式 使用和 制造情況 齒面未經(jīng) 熱處理 齒面經(jīng) 熱處理 p（ Mpa） 靜連接 不良 中等 良好 35-50 60-100 80-120 40-70 100-140 120-200 p （ Mpa） 空載下移動的動連接 不良 中等 良好 15-20 20-30 25-40 20-35 30-60 40-70 在載荷作用下移動的動連接 不良 中等 良好 3-10 5-15 10-20 則 3pp2 5 0 0 1 0 9 3 . 0 0 5 9 5 a 0 . 8 6 2 4 0 2 8 MP 合適。 三維效 果圖如下。 圖 3.3 內(nèi) 、外 摩擦片 3.2 線圈設(shè)計 考慮到制動器定子體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，為使勵磁線圈散熱效果好，線圈骨架用 第 13 頁 共 28 頁 黃銅制造，同時也減少了動子鐵心與線圈骨架孔相對運動時的摩擦阻力。對勵磁線圈采用真空浸 F 級無溶劑漆，這樣不僅有利于導(dǎo)熱，還提高了線圈的絕緣性能、耐熱耐濕性能，增強(qiáng)了抗沖擊振動等機(jī)械性能。 （ 1） 線圈匝數(shù) W 2e 102 cp xUWRJ （ 3.3） eU 線圈額定電壓， 24V； x 電阻率，x按 75C 時電阻率計算，此時 20 . 0 2 1 7 m m /x M ； 14cpR 12（ D +D ） 線圈平均半徑近似值， 1D 、 2D 分別為窗口內(nèi)外徑，則1 cm4cpR （ 6+7 ） =3.25； J 電流密度，一般 J在 mm 2（ 2 . 5 6 ） A/ 之間，取 mm2J=2.5A/ 可求得 22 4 1 0 2 1 6 6 . 4 4 82 3 . 2 5 0 . 0 2 1 7 2 . 5W ，取 2167W 匝。 （ 2） 線規(guī)直徑xd 2 2c p xxe2 1 0 2 1 6 2 1 6 7 3 . 2 5 0 . 0 2 1 7 1 0d 2 2 m m24I W RU = = 2 . 8 5 5 取xd 3mm。 （ 3） 勵磁繞組尺寸確定 下圖為勵磁繞組示 意圖，其中 b、 h 分別為繞組寬度和高度； 圖 3.4 勵磁繞組 繞組寬度：121b ( ) 8 . 52 D D m m ； 則繞組沿寬度方向排列層數(shù)b8 . 5 2 8 . 3 30 . 3xbS d ； 繞組沿高度方向排列層數(shù)h b2167 7 6 . 4 8 22 8 . 3 3WS S ，取 h 77S ； 第 14 頁 共 28 頁 則繞組高度：hxh d 2 6 . 5 m mS 。 工作氣隙： 0.8mm 3.3 彈簧設(shè)計 3.3.1 彈簧材料選擇 彈簧是在動載荷下工作，且要求在重載下也不產(chǎn)生塑性變形，因此，要求彈簧材料應(yīng)具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的熱處理性能。常用的彈簧材料有：碳素彈簧鋼、硅錳彈簧鋼、不銹鋼及青銅。 本設(shè)計中因為要求的制動扭矩較大，工作環(huán)境較惡劣，所以對彈簧的要求也較高，綜合考慮后選用特殊用途碳素彈簧鋼（甲組） 3.3.2 彈簧主要尺寸計算 取 8組彈簧圓周分布在銜鐵下方 （ 1） 彈簧 最 大工作載荷計算 彈簧壓力 pFS p 摩 擦面壓強(qiáng)， 圖 3.5 圓柱螺旋彈簧 22 22 2 2 28 1 0 8 1 . 2 5 0 0 1 0p 5 1 . 5 3 1 6 /f i p ( ) ( ) 0 . 3 2 2 . 9 2 4 0 2 ( 7 6 ) ( 7 6 )T N c mk D d D d S 受壓面積， 2 2 2 2 221( ) ( 3 . 5 3 ) 1 0 . 2 1 0 1 8 c mS R R 則 p 5 1 . 5 3 1 6 1 0 . 2 1 0 1 8 5 2 6 . 1 4 6 4F S N 每個彈簧的最大工作載荷m a x 6 5 . 7 6 8 3 18FFN （ 2） 計算鋼絲直徑 d a、 有關(guān)參數(shù)選擇 按照彈簧絲直徑表 ，根據(jù) 1 ( 5 4 ) 12d m m ，假設(shè)彈簧直徑 d=0.5mm 初選彈簧指數(shù)2 / d 6CD 彈簧中徑2 d 1 6 3 m mDC 第 15 頁 共 28 頁 查表符合系列要求。 曲度系數(shù) 4 1 0 . 6 1 5 4 6 1 0 . 6 1 5 1 . 2 5 2 5 1 . 2 54 4 4 6 4 6CK CC b、 材料與許用壓力 選用甲組特殊用途碳素彈簧鋼絲。 強(qiáng)度極限按表查得 2 7 4 6 aB MP 扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力按表求得 1373 M P a B = 0 . 5 c、 鋼絲直徑，由公式可得 m a x 1 . 2 5 6 5 . 7 6 8 3 1 6d 1 . 6 1 . 6 0 . 4 5 9 1 3 7 3K F C mm 按表取 d=0.5mm 計算 d值與假設(shè)值一致，故可用。 （ 3） 計算剛度，確定彈簧圈數(shù) a、 初算剛度，由公式可得 m a xm a xF 6 5 . 7 6 8 3 1k = 8 . 2 1 0 3 8 / m m8 N b、 工作圈數(shù) 查表可得 8 1 4 0 0 aG M P 則338 1 4 0 0 0 . 5 2 . 8 6 48 8 6 8 . 2 1 0 3 8Gdn Ck 圈 取 n=3圈 （ 4） 實際剛度 338 1 4 0 0 0 . 5 7 . 8 5 1 0 8 / m m8 8 3 6GdkNnC （ 5） 彈簧的其他尺寸 彈簧內(nèi)徑12 d 3 0 . 5 2 . 5 m mDD 彈簧外徑2 + d 3 0 . 5 3 . 5 m mDD 支承圈數(shù)2n1 一圈死圈 總?cè)?shù)12n n n 3 1 4 圈 扭轉(zhuǎn)極限c取 1.25倍 c a = 1 . 2 5 = 1 . 2 5 1 3 7 3 = 1 7 1 6 . 2 5 M P 第 16 頁 共 28 頁 自由間隙 2 21 1 7 1 6 . 2 5 0 . 9 5 3 88 8 1 . 2 5 6 3 7 . 8 5 1 0 8cd mmK C n k 取 1mm 彈簧節(jié)距 p 1 0 . 5 1 . 5d m m 自由高度0 n p 2 d = 3 1 . 5 + 2 0 . 5 = 5 . 5 m mH 工作高度31( n 1 ) d 1 m mH （ 4 ） 1=5 螺旋升角2p2a r c t g a r c t g 9 2 3 5 3D 彈簧絲長度 21n 34 3 8 . 1 7 3 6c o s c o s 9 2 3 5 DL m m 3.4 其他零件的設(shè)計 3.4.1 銜鐵設(shè)計 銜鐵 的設(shè)計比較簡單， 材料采用硅鋼制造， 為了便于制造和簡化計算，取其內(nèi)外徑與摩擦片相同，厚度為 10mm。 圖 3.6 銜鐵 3.4.2 外殼設(shè)計 外殼 與制動器定子連接在一起，設(shè)計其厚 度為 2mm。 第 17 頁 共 28 頁 圖 3.7 外殼 3.4.3 制動器定子 制動器定子的設(shè)計以線圈尺寸為基礎(chǔ)，考慮安裝所需的螺紋孔后設(shè)計。 圖 3.8 制動器定子 3.5 本章小結(jié) 本章對 電磁制動器的主要零件進(jìn)行了設(shè)計，主要考慮的參數(shù)為 500Nm 額定制動扭矩，在滿足該扭矩的條件下盡可能的小型化、輕量化制動器。摩擦片的尺寸設(shè)計是整個設(shè)計中的基礎(chǔ)，在確定了摩擦片的尺寸后其他零件結(jié)構(gòu)才能得以實現(xiàn)；線圈作為提過電磁力的部件，對其的設(shè)計將決定能否達(dá)到制動要求，過少或過多的線圈都會造成制動錯誤；彈簧提供的彈簧力也決定著 能否滿足制動要求，彈簧力與電磁力之間必須保持平衡才能使電磁制動器 保持長時間的 正常 工作。其他零件的設(shè)計則在翻閱了大量資料后得以制定。 4 有限元分析 有限元分析與三維設(shè)計在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中占有重要的一席之地，有限元分析大大縮短了機(jī)械設(shè)計的整個周期，在簡化 手工運算量的同時提高了運算精度，使得結(jié)果更加的準(zhǔn)確可信。在本次設(shè)計中，使用了 SolidWorks 對電磁制動器進(jìn)行 有限元分析。 有限元法是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是二十世紀(jì)五十年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域 -飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài) 特性分析中應(yīng)用的 第 18 頁 共 28 頁 一種有效地數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。 有限元法，簡單地說，就是把一個連續(xù)的求解域（連續(xù)體）離散化，即分割成彼此用節(jié)點（離散點）相互聯(lián)系的有限個單元，在單元體內(nèi)假設(shè)近似解得模式，用有限個節(jié)點上的未知參數(shù)表征單元的特征，然后用適當(dāng)?shù)姆椒?，將各個單元的關(guān)系式組合成包含這些未知參數(shù)的代數(shù)方程，得出節(jié)點的位置參數(shù)，再利用插值函數(shù)求出近似解。這是一種使用有限的單元離散某連續(xù)體，然后進(jìn)行求解的一種數(shù)值計算的近似方法。 由于單元可以被分割成各種形狀和大小不同 的尺寸，所以他能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件，再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使它成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計算方法。 有限元法發(fā)展到今天，已成為工程數(shù)值分析的有力工具。特別是在固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域內(nèi)，有限元法取得了巨大的進(jìn)展，利用它已經(jīng)成功地解決了一大批有重大意義的問題，很多通用程序和專用程序投入了實際應(yīng)用。同時，有限元法又是仍在快速發(fā)展的一個科學(xué)領(lǐng)域，它的理論，特別是應(yīng)用方面的文獻(xiàn)已經(jīng)大量地出現(xiàn)在各種刊物和文獻(xiàn)中。 在有限元分析中，如何對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以及 網(wǎng)格的大小，都直接關(guān)系到有限元求解結(jié)果的正確性和精度。劃分網(wǎng)格時主要考慮結(jié)構(gòu)中對結(jié)果影響不大、但建模又十分復(fù)雜的特殊區(qū)域的簡化處理。同時需要明確進(jìn)行簡化對計算結(jié)果帶來的影響是有利還是不利的。對于裝配體的有限元分析中，首先明確裝配關(guān)系。對于裝配后不出現(xiàn)較大裝配應(yīng)力，同時結(jié)構(gòu)變形時裝配處不發(fā)生相對位移的連接，可采用兩者之間連為一體的處理方法，但連接處的應(yīng)力是不準(zhǔn)確的，這一結(jié)果并不影響遠(yuǎn)處的應(yīng)力與位移。如果裝配后出現(xiàn)較大應(yīng)力或結(jié)構(gòu)變形時，裝配處發(fā)生相對位移的連接，需要按接觸問題處理。 在本次設(shè)計 中， 采 用 了 COSMOSWORKS 來對 電磁制動器的內(nèi)摩擦片 進(jìn)行分析。 COSMOS是 SRAC（ Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件。 SRAC 位于加州的洛杉磯，從 1982 年成立至今， SRAC 一直致力于有限元 CAE 技術(shù)的研究和發(fā)展。 COSMOSWORKS使用 SRAC公司開發(fā)的當(dāng)今世界上最快的有限元分析法 -快速有限元算法（ FFE），完全集成于 Window 環(huán)境并與 SolidWorks 軟件無縫集成。從最近 第 19 頁 共 28 頁 的測試表明快速有限元法的解題速度比傳統(tǒng)算法提升 了 50到 100 倍，并降低磁盤存儲空間，只需原來的 5%就夠了。更重要的是，它在微機(jī)上就可以解決復(fù)雜的分析問題，節(jié)省了使用者在硬件上的投資。 COSMOSWORKS 是一個與 SolidWorks 完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。 COSMOSWORKS 提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。COSMOSWORKS 憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得能夠使用個人計算機(jī)快速解決大型問題。 COSMOSWORKS 具有以下優(yōu)點： 1）使用軟件仿真代替昂貴的實地測試（降低成本）； 2）減少產(chǎn)品開發(fā) 周期的次數(shù)（縮短產(chǎn)品開發(fā)時間和成本回收時間）； 3）設(shè)計多樣與優(yōu)化（可一次形成多種設(shè)計概念，方便從中挑選最好的）。 4.1 COSMOSWORKS 的線性靜力分析假設(shè) COSMOSWORKS 根據(jù)有限元法，使用線性靜力分析來計算應(yīng)力，線性靜力分析需要在以下 3中假設(shè)下計算零件的應(yīng)力。 （ 1） 線性假設(shè) 指所引起的響應(yīng)與應(yīng)用的載荷成正比。例如： 如果載荷量加倍，模型的響應(yīng)（位移、應(yīng)變和應(yīng)力）也將加倍。如果滿足了下列條件，就可以認(rèn)定這是個線性假設(shè)。 最高應(yīng)力位于“應(yīng)力 -應(yīng)變”曲線圖的線性范圍之內(nèi)，同時該線是一條從原點開始的直 線 計算出的最大位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件的特性尺寸。例如，板的最大位移必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其厚度，柱的最大位移也必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其橫截面的最小尺寸。 如果未滿足此假設(shè)，就需要用非線性分析。 （ 2） 彈性假設(shè) 如果移除載荷，零件將返回其原始形態(tài)（非永久變形）。如果未滿足此假設(shè)，就需要用非線性分析。 （ 3） 靜態(tài)假設(shè) 緩慢逐漸地加載載荷，知道全部完成為止。突然加載的載荷會導(dǎo)致額外的沖擊位移、應(yīng)變和應(yīng)力。如果未滿足此假設(shè)，就需要使用動態(tài)分析。 4.2 彈性力學(xué)假設(shè) （ 1） 連續(xù)性假設(shè) 第 20 頁 共 28 頁 假設(shè)物體所占的空間被組成該物體的介質(zhì)所充滿，不留任何空隙。 不考慮介質(zhì)的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)。物體內(nèi)的物理量就能用空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)來描述。 （ 2） 均勻性假設(shè) 認(rèn)為物體由同一種材料組成，內(nèi)部的物理性質(zhì)處處完全相同。 （ 3） 各向同性假設(shè) 假設(shè)物體內(nèi)每一點沿各不同方向的物理性質(zhì)相同，如彈性常數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)等。 （ 4） 完全彈性假設(shè) 假設(shè)物體在外加因素去除后能完全恢復(fù)原來形狀，沒有剩余變形。同時認(rèn)為應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即服從虎克定律。 （ 5） 微小變形假設(shè) 假設(shè)物體在載荷作用下產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體的特征尺寸，應(yīng)變分量和轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)小于 1。 上述 5 項假設(shè)中，前四個屬于物理假設(shè)，符合前四個基本假設(shè)的稱為理想彈性體。第五個 假設(shè)屬于幾何假設(shè)，符合該假設(shè)的理想彈性體的問題稱為線性彈性力學(xué) 。 4.3 摩擦片的有限元分析 （ 1） 選擇研究類型 本次設(shè)計中的摩擦片受力屬于線性靜態(tài)力，在算例中選擇選項“靜態(tài)” 。 （ 2） 定義材料屬性 本次設(shè)計的摩擦片材料選用鋁青銅 QAl5，在 SolidWorks 的材料庫中加載材料鋁青銅 。 彈性模量是 110GPa， 泊松比為 0.3，抗剪模量 43GPa ， 質(zhì)量密度為 7400kg m3 ， 屈服強(qiáng)度為 275.742MPa，比熱為 380J/(kg.K)。 （ 3） 添加約束與載荷 在該摩擦片的力學(xué)模 型中，在花鍵內(nèi)側(cè)添加完全約束；在摩擦片兩側(cè)面添加力矩載荷，大小為 500Nm。 （ 4） 劃分網(wǎng)格并進(jìn)行運算 選擇“實體網(wǎng)格”對摩擦片進(jìn)行劃分，參數(shù)選擇中等 ，劃分完成后進(jìn)行運算。 （ 5） 得到分析結(jié)果并進(jìn)行評估 第 21 頁 共 28 頁 圖 4.1 網(wǎng)格圖 圖 4.2 應(yīng)力云圖 表 4.1 摩擦片受載時 最大與最小 應(yīng)力 最大應(yīng)力 （ 2/mN ） 最小應(yīng)力 （ 2/mN ） 610576.1 210600.4 受 力位置 花鍵與摩擦片相交圓上 摩擦片外 圓 沿 上 由 圖 4.2 和表 4.1 可看出，摩擦片受最大應(yīng)力分布在花鍵與摩擦片 相交的 圓環(huán)上 為 26 /10576.1 mN ，此處為摩擦片受力的危險點， 向摩擦片外圓方向 逐漸減小至摩擦片外圓沿上達(dá)到最小， 而摩擦片最大所受最大應(yīng)力小于材料屈服力28 /10757.2 mN ， 滿足要求，故 合格。 第 22 頁 共 28 頁 圖 4.3 位移云圖 表 4.2 摩擦片受載時 最大與最小 位移 最大位移 （ m） 最小位移 （ m） 710962.2 3310000.1 位移位置 摩擦片外 圓 沿 上 花鍵與摩擦片相交圓 上 由圖 4.3和表 4.2可看出，摩擦片在外沿位移最大為 710962.2 m， 向摩擦片內(nèi)徑方向逐漸減小，至花鍵上位移到達(dá)最小并保持不變， 摩擦片大徑為 70mm，則可求得 8 7 2 7 9.00 0 0 2 4 2.01 8 007.0 109 6 2.27 o，滿足要求，故合格。 圖 4.4 應(yīng)變云圖 表 4.3 摩擦片受載時 最大與最小應(yīng)變 第 23 頁 共 28 頁 最大應(yīng)變 最小應(yīng)變 510215.1 810696.3 應(yīng)變位置 花鍵與摩擦片相交圓 附近 花鍵外圓沿上 由 圖 4.4 和表 4.3 可看出，摩擦片在花鍵與摩擦片相交圓附近 應(yīng)變 最大為510215.1 ，向著花鍵端部方向逐漸減小 至花鍵端部達(dá)到最小，由于應(yīng)變與彈性模量的乘積應(yīng)小于材料屈服強(qiáng)度。 而 M P aM P a 742.2753365.1101.110215.1 115 ，滿足要求，故合格。 4.4 本章小結(jié) 本章 節(jié)主要是對摩擦片進(jìn)行了 有限元分析，因為 傳統(tǒng)的力學(xué)計算方法 計算量大、精度低、周期長 ， 故 用有限元法 代替?zhèn)鹘y(tǒng)力學(xué)計