【文章內(nèi)容簡介】 上不斷涌現(xiàn)許多新型的高性能、多功能的輪胎試驗機。 1999 年，德國Beissbarth 公司開發(fā)了一種稱作 MTT2100 微型輪胎試驗機的新型輪胎試驗裝置。2020 年 4 月，世界著名的輪胎制造商荷蘭 VMI 公司生產(chǎn)出通用輪胎試驗機，該儀器可用于普通車胎和工程載重車胎，可進行負荷變形試驗、強度脫圈試驗、壓穿試驗和接地印痕試驗四種輪胎性能測試。我國的輪胎試驗機研究工作起步較晚，早期主要依靠引進國外設備。近年來，在輪胎試驗機的設計和研究方面也有了很大的進展，出現(xiàn)了多家自行研制和開發(fā)輪胎試驗機的單位和企業(yè)，開發(fā)出多種類型的輪胎試驗機，如天津賽象科技股份有限公司的輪胎高速／耐久試驗機 、天津久榮輪胎有限公司，青島雙星輪胎工業(yè)有限公司等等 。 其中，天津久榮輪胎有限公司試驗機技術(shù)還算成熟。 但是，目前國內(nèi)的輪胎試驗機的加載系統(tǒng)研制都不盡如人意，無法很好地實現(xiàn)響應快速、超調(diào)量小、控制精確的要求。究其原因，無非是機械加工、裝配精度，施力系統(tǒng)，以及控制其設計等多方面綜合因素的影響等多方面綜合因素的影響 [3,21~24]。 輪胎耐久試驗機簡介 國內(nèi)外輪胎耐久試驗機發(fā)展及現(xiàn)狀 3 山東大學本科畢業(yè)論文 載重卡車輪胎耐久試驗機開發(fā)是我山東大學機械學院馮顯英教授與我國知名企業(yè)青島雙星輪胎工業(yè)有限公司合作的一個 項目，目的在于通過本課題的研究豐富耐久試驗機開發(fā)方面的理論知識，為后續(xù)的設計開發(fā)積累經(jīng)驗，使輪胎耐久試驗方面的理論日趨完善，拓寬耐久試驗機設計的視野。同時， 為各輪 胎生產(chǎn)廠家提供新型的輪胎耐久試驗機，在解決傳統(tǒng)試驗機本身的缺點外，提供一種測試數(shù)據(jù)真實可靠，自動化程度高，動力裝置噪音小，產(chǎn)品成本低的輪胎耐久試驗機 。 目前國內(nèi)耐久試驗機技術(shù)還不算成熟，與國外先進技術(shù)還有一段差距，雖然我國目前已有多家輪胎企業(yè)自主生產(chǎn)自己的耐久試驗機，但是無法實現(xiàn)快速響應，精確控制等要求。所以，從提高自主創(chuàng)新能力，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)角度來講，積極開展本課題進行研究有助于增強我國的創(chuàng)新實力，生產(chǎn)出值得國民驕傲的試驗機，贏得國內(nèi)外市場的信任和占有率，提高國民對國有產(chǎn)品的支持度，具有較高的理論研究意 義和應用價值。 為了能夠滿足輪胎耐久試驗機的工況要求，以及試驗機在試驗時的可靠性等性能要求，本課題主要研究了一下內(nèi)容： 1) 試驗機整體方案確定 2) 確定試驗機各傳動系統(tǒng)的傳動方式及輪胎加載方式 3) 試驗機重要組成部分的詳細計算說明包括主傳動系統(tǒng)的電機選型，主軸強度校核，軸承校核，直線導軌的選型與壽命計算，液壓伺服閉環(huán)加載方式的液壓系統(tǒng)原理設計與計算。 4) 試驗機各重要零部件的三維結(jié)構(gòu)設計 5) 試驗機重要傳動部件潤滑劑及潤滑方式的選擇 本文就是圍繞上面研究內(nèi)容展開分析研究的。 課題意義 4 山東大學本科畢業(yè)論文 本課題以載重卡車輪胎為主而進行設計的，因為載重卡車輪胎較大，截面較寬，而且在運行過程中所承受的載荷較大，運行速度也較高，甚至存在運行路面狀況惡劣等情況，為了使輪胎能夠適應各種 路況復雜的應用場合并能保證一定的耐久性安全性，所以本試驗機采用轉(zhuǎn)鼓臥軸式進行設計。 這種臥軸式試驗機 將試驗輪胎固定在滾筒壁外 ,通過轉(zhuǎn)動滾筒來帶動輪胎轉(zhuǎn)動 ,以實現(xiàn)模擬輪胎高速運行。 雖然 實際的路面材料無法承受滾筒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力 ,試驗臺與地面之間的摩擦特性通過在滾筒外表面涂抹抗磨材料與輪胎摩擦來實現(xiàn) ,不能模擬真實 的路面 ，但是卻可以進行較高速度，較大載荷的耐久性能試驗，對載重輪胎可以進行較好的耐久性能測試，可以滿足應用要求，比較接近實際情況。 具體開發(fā)目標如下： 1) 要求能夠?qū)崿F(xiàn)輪胎制動性能試驗和告訴耐久性能試驗 2) 可以實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，試驗速度范圍 15~160KM/h。 3) 試驗載荷范圍 50~100KN 4) 輪胎加載壓力及輪胎與轉(zhuǎn)鼓外表面接觸位置可以得到精確控制 即轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)，主傳動是由驅(qū)動直流電機通過皮帶降速傳動，帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓和大小皮帶輪均應經(jīng)過嚴格的動平衡測試 。 轉(zhuǎn)鼓主軸前后分別裝有脂潤滑方式的日本 NSK 軸承，使轉(zhuǎn)鼓和主軸能夠自由旋轉(zhuǎn)。電機采用置地式，即安裝在固定在地面上的專用電機板上 ，電機軸端和轉(zhuǎn)第二章 輪胎試驗臺總體方案介紹 輪胎試驗機各組成系統(tǒng)介紹 主傳動系統(tǒng) 5 山東大學本科畢業(yè)論文 鼓軸端分別與小皮帶輪和大皮帶輪聯(lián)接，皮帶的松緊可通過左右平移電機板的位置來調(diào)整。 毎工位的主要組成部分有滑胎總成，直線導軌、液壓油缸、壓力傳感器及試驗輪胎及輪輞總成等。 加載油缸推動滑臺使之沿直線導軌做往復直線運動，將安裝在工位軸端部的試驗輪胎壓向轉(zhuǎn)鼓或離開轉(zhuǎn)鼓，其加載數(shù)值可由安裝在滑臺上的壓力傳感器傳送到主控制柜，以實現(xiàn)載荷的現(xiàn)實和調(diào)節(jié)。 加載滑臺是由鋼板制成的堅固的箱體結(jié)構(gòu)，滑臺地板安裝在高精度的直線導軌上，可以平穩(wěn)輕快的滑動。 輪胎與加載油缸之間設有防護板，防止爆胎有可能損壞油缸及其他部件。 毎工位后方均有一套氣動剎車裝置，無論輪胎在試驗中是正常退回還是異常報警退回，剎車系統(tǒng)都會立即工作，在極短的時間內(nèi)將輪胎制動，前提是壓縮空必須正常供給。 試驗機機架部分的設計具有德國風格，由優(yōu)質(zhì)鋼材制成，而且連接牢固，重要連接件均為高強度標準件，傳動螺栓均為專門制造。 控制系統(tǒng)包括直流調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)。直流調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)由 SIENENS 6RA70 直流調(diào)速裝置完成，在總送電開關(guān)開啟后，其使能的建立和撤銷由主控制臺控制。 液壓加載系統(tǒng) 機架及防護裝置 控制系統(tǒng) 6 山東大學本科畢業(yè)論文 控制系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)對輪胎耐久性能試驗機所要求的各種控制功能外，還能夠人機界面實現(xiàn)試驗程序的輸入和編輯功能，以及實驗過程的狀態(tài)打印，報警狀態(tài)的打印，及試驗報告及實驗結(jié)果的打印。 初步確定 選用電機類型有助于后續(xù)計算及查閱相干文獻的方便性。輪胎試驗臺屬于室內(nèi)工作 ,要求工作平穩(wěn)、噪音小、實驗室隔音效果好，便于控制的設備 ,所以選擇電動機作為動力裝置。 電動機的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機械能。合理選擇電動機類型 ,對輪胎試驗臺有效的工作以及機組運行的可靠性、安全、節(jié)能及降低設備造價都有非常重要的意義。 由 [4,26742680] 電動機類型的選擇要從實際工況的要求出發(fā) ,考慮工作條件、負載性質(zhì)、供電情況等 ,盡量滿足各方面的要求： (l)機械特性 由電動機類型決定的電動機的機械特性與試 驗臺的工作機械特性配合要適當 ,試驗臺穩(wěn)定工作 。電動機的起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等性能均能滿足工作要求。 (2)轉(zhuǎn)速 電動機的轉(zhuǎn)速滿足輪胎試驗臺的工作要求 ,其最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率、調(diào)速、變速等性能均能適應工作要求。 （ 3）運行經(jīng)濟性 從降低整個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的能耗及電動機的綜合成本來考慮選擇電動機，針對使用情況選擇不同效率水平的電動機類型，對一些使用時間短、年使用時數(shù)也不高的機械，電動機效率低些也不會使總能耗產(chǎn)生較大的變化，所以并不注重電動機的效率；但另一些年利用小時數(shù)較高的機械就需要選用效率搞得電動機以降低總能耗 。 電機選型 7 山東大學本科畢業(yè)論文 （ 4）價格低廉 在滿足工作要求的情況下，盡可能選用結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，造價低廉的電動機。 本試驗機選用直流電機的依據(jù)如下： 直流電動機的最大優(yōu)點是調(diào)速范圍寬 ,調(diào)速特性平滑 ,具有非常好的調(diào)速性能。直流電動機可以在重負載條件下 ,實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速 ,并且調(diào)速范圍較寬。因此 ,直流電動機常常被用于重負載下的起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械 ,對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械 (例如龍門刨床、鎖床、軋鋼機等 )或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械 (例如起重機械、電力牽引設備等 )都用直流電動機拖動。 天津久榮輪胎耐久試驗機就是選用的直 流電動機。 直流電動機在工作時需要接在直流電源上 ,不能直接使用電壓為 38OV的交流電。所以需要一套動力轉(zhuǎn)換裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。同時直流電動機中存在換向器 ,其制造復雜 ,價格較高 ,維護也不方便。直流電機中換向器會產(chǎn)生電磁干擾 ,可能會影響試驗數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)的工作。 本章主要度試驗機的各個組成系統(tǒng)進行了介紹，包括主傳動系統(tǒng)，液壓加載系統(tǒng)，機架防護裝置，控制系統(tǒng)等。 根據(jù)工作條件，使用要求 ，負載情況在查閱相關(guān)文獻的基礎上從機械特性、轉(zhuǎn)速、運行經(jīng)濟性、價格方面考慮選用直流電動機，并對直流電動機的優(yōu)缺點進行了詳細分析，并參考國內(nèi)同類試驗機的電機選型最終確定本試驗機選用直流電動機可以滿足各項要求。 最終確定方案為主傳動為帶傳動，輔助加載采用液壓伺服閉環(huán)加載。本方案的確定為后續(xù)的計算提供了依據(jù)。 本章小結(jié) 8 山東大學本科畢業(yè)論文 設計一臺載重卡車輪胎耐久試驗機， 轉(zhuǎn)鼓直徑寬度：Φ 500，試驗載荷 :MAX100KN,加載方式：液壓伺服閉環(huán)加載 試驗輪胎胎圈直徑： 16’’—— ’’，輪胎外徑范圍：Φ 600—— Φ1350，試驗輪胎端面寬度≤ 500，試驗輪胎最小動半徑 270，試驗速度范圍 15——160KM/h，試驗工位： 2個，工作電壓 380V， 50HZ。 第三章 試驗機重要組成部分計算說明 設計任務 試驗機技術(shù)參數(shù) 主傳動總體方案設計 平面布置簡圖 ： 9 山東大學本科畢業(yè)論文 本試驗機主傳動系統(tǒng)為帶傳動，由電機通過 V 帶傳動直接帶動轉(zhuǎn)鼓主軸旋轉(zhuǎn)，傳動方案如下： 此傳動系統(tǒng)通過電機帶動 V帶傳動帶動轉(zhuǎn)鼓主軸旋轉(zhuǎn)，從而令轉(zhuǎn)鼓以一定的速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓通過摩擦力使與之接觸的輪胎旋轉(zhuǎn)，模擬輪胎在平直路面之間的運動，通過計算機程序就可測出試驗輪胎的耐久性能。 轉(zhuǎn)鼓主動，輪胎從動，轉(zhuǎn)鼓與輪胎之間的摩擦為滾動摩擦，由于試驗機模擬的是輪胎在平直路面上的運行情況，所以查輪胎與瀝青路面的滾動摩擦系數(shù)為 μ=（新輪胎）。按同時試驗兩個工位，并按最大載荷加載，最大速度運行選取電機。 所以，轉(zhuǎn)鼓所承受的轉(zhuǎn)矩為 2 2 1 0 0 0 0 0 0 .0 1 2 2 4 0 0wT F N?? ? ? ? ? ?? (31) 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 6 04 5 .7 1n 5 1 1 .2 9 / m in1 7 0 7 .6ww v rD ??? ? ? ?? ? ?? (32) 轉(zhuǎn)鼓功率： 2 4 0 0 5 1 1 . 2 9P 1 2 8 . 4 99 5 5 0 9 5 5 0ww T w n KW??? ? ? (33) 電機經(jīng)過帶傳動，一對滾子軸承傳動至轉(zhuǎn)鼓軸，查《機械設計課程設計》 9頁表 22 知 = 0 .9 5 = 0 .9 9??帶 軸 承， 由此電機功率為： w0 PP 1 3 8 KW?????帶 軸 (34) 選電機 10 山東大學本科畢業(yè)論文 查 [4,3054]表 31109[4]選用電機 ： 表 31 電機型號與主要參數(shù) 電機型號 額定功率 PM 額定轉(zhuǎn)速 ns Z2111 160KW 1500r/min 計算傳動比 V 帶傳動比 i= = （ 35） 各軸轉(zhuǎn)速及功率 電機軸 138P KW? ? 轉(zhuǎn)速 : 1n =1500 r / min 轉(zhuǎn)鼓軸 = 1 3 8 0 .9 5 = 1 3 1 .1P P K W???? ? ?帶 （ 36） 轉(zhuǎn)速： 12 1500n = 5 1 1 . 2 4 r / m in2 . 9 3 4ni ?? （ 37） 電機軸輸出轉(zhuǎn)矩： 1111389 5 5 0 9 5 5 0 8 7 8 . 61500PT N mn? ? ? ? ?? （ 38） 轉(zhuǎn)鼓軸轉(zhuǎn)矩： 2221 3 1 . 19 5 5 0 9 5 5 0 2 4 4 8 . 9 65 1 1 . 2 4PT N mn? ? ? ? ?? （ 39） 電機 Z2111 功率 0 138p KW? ,轉(zhuǎn)速 0n =1500r / min 2n = / m in每天工作小于 10h，工作運行平穩(wěn) V 帶傳動設計計算 11 山東大學本科畢業(yè)論文 工作情況系數(shù) 查 [5,188]表 每天工作小于 10h,運行平穩(wěn)， 取 KA=1. 計算功率 0 1 138 138cAP K P K W? ? ? ? （ 310） 選帶型 由 文獻 [5]圖 [5]選取窄 V 帶 SPB 型號帶 小帶輪直徑 由表 [5] SPB 型帶最小直徑 min 140D mm? D=140~250MM，取 1 250D mm? 取滑動率 1%?? 大帶輪直徑 11222 5 0 1 5 0