一种电控式防砸车电动栏杆设计

本科生毕业论文（设计） 一种电控式防砸车电动栏杆的设计学 院： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 摘要为了防止电动栏杆砸伤车辆，通常情况下用以下技术防止砸车危险，在电动栏杆上面安装有智能控制器，而该智能控制器集成了线圈检测器（VD），在栏杆下落过程中，直接读取车辆信号。一旦有车闯入线圈，则能够立即停止下落，避免砸坏车辆。相比外部线圈检测器，反馈速度更快更可靠。目前，国内电控式防砸车电动栏杆的研发也在向朝着运行高速化、功能复合化、控制智能化的方向发展，廉价，简单，方便成了电控式防砸车电动栏杆发展的主题。 本次设计在题目是一种电控式防砸车电动栏杆的设计，通过初期的制定该电动栏杆的方案，然后进行细化，对标准件例如电机、轴承进行选型计算，然后对该电动栏杆里面的关键零部件例如机架和轴等进行校核计算分析，通过这一系列的论证，从而来证明该电动栏杆的可行性和可借鉴性。关键词：电控式防砸车电动栏杆，方案，校核，分析 Abstract Machinery industry is an important industry of a country, the development of the machinery industry has been affecting the development of the national economy, humans progress can not be separated from the development of the mechanical industry. In the global economic development environment, Chinas various industries are affected by the advanced technology of other countries at the same time, more and more foreign enterprises and brand spread to China has become a reality. In the promotion of the new market demand, the production line of the car ferry for improvement and optimization is a pressing matter of the moment. Production line ferry car enterprises must give full consideration to the problems that may arise in the production line ferry car running, try to make the automation of production line car ferry, the higher the better, so as to reduce the time of manual handling products, domestic production line ferry car research and manufacturing to and call for a global, economic, safe and stable theme consistent. At present, the research and development of domestic production line ferry car also to toward high-speed operation, multiple functions, control the direction of the development of intelligent, cheap, simple and convenient to the theme of the production line ferry car development.本次设计在题目是生产线摆渡小车的设计，通过初期的制定该摆渡小车的方案，然后进行细化，对标准件例如电机、轴承进行选型计算，然后对该摆渡小车里面的关键零部件例如车架和轴等进行校核计算并进行有限元分析，通过这一系列的论证，从而来证明该生产线摆动小车的可行性和可借鉴性。 This design topic is ferry car production line design, through the early establishment of the ferry car scheme and refinement, of standard parts such as bearing motors and made the selection and calculation, then on the ferry car key parts such as the frame and the axle and checking calculation and finite element analysis, through this a series of proof to prove the feasibility of this production line, the swing car and reference.关键词：生产线摆渡小车；方案；校核；有限元分析Keywords: production line ferry car; scheme; check; finite element analysis目 录摘要IAbstractII1绪论1 1.1研究的目的和意义1 1.2国内外研究现状2 1.3主要内容3 1.4智能控制器集成了线圈检测器的设计32总体结构的设计4 2.1总体方案图5 2.2工作原理8 2.3机械传动部分的设计计算10 2.3.1电机的设计计算13 2.3.2键的选择15 2.3.3螺栓的计算16 2.3.4齿轮传动的设计17 2.3.5曲柄摇杆机构的设计18 2.3.6轴承座的选取183零部件强度的校核19 3.1齿轮强度的校核23结论25致谢26参考文献271 绪论1.1研究的目的和意义 工业的发展带来了一场新的革命，继西方资本主义国家生产研发出第一款停车场用电动栏杆之后，德国的施耐辞公司也看到了电动栏杆的利润所在，投入了相当大的人力和精力来开发研制电动栏杆，并且与二十世纪中期投入到了世界各国等市场。当前，全世界各大电动栏杆生产厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行电动栏杆的研发工作。现在国外等著名电动栏杆的品牌中，都有电动栏杆的销售，全世界电动栏杆的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，电动栏杆的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此电动栏杆是当今生产加工企业比配的设备已经成为主要趋势。西方资本主义国家有巨大的电动栏杆销售市场，电动栏杆生产工业是西方资本主义国家的机械工业之一。 机械研究领域的发展与时俱进，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。 电动栏杆自从上世纪九十年代开始就陆续地被应用在农业方面，但传统的电动栏杆由于传动精度不高，速度缓慢，有好多工厂仍然采用人工升降的方式，这种人工升降的方式劳动效率低下，所以此次设计的电动栏杆，在传统的电动栏杆的基础上进行改进创新，应用合理的结构以及动力机构，从而来克服以往的电动栏杆所不能克服的问题，对后续的电动栏杆的设计制造有一定的参考意义和价值。1.2 国内外研究现状国外的电动栏杆技术始于六十年代，到七十年代已经发展成熟，八十年代中期，大部分电动栏杆都可以实现栏杆的自动升降，泰国金衫公司的卧式电动栏杆，升降高度可调。八十年代中期后的一、两年，电动栏杆的研发技术发展到了鼎盛时期，从而诞生了世界上一些著名的电动栏杆厂家，1987年，日本最大的电动栏杆加工公司把电动栏杆投放市场，获得成功。美洲的BDJE 公司也将新开发的电动栏杆投入亚洲市场取得了巨大的成功。电动栏杆自1795年被发明以来，经过两个世纪的发展，已被世界各国的电动栏杆加工行业广泛采用。特别是第三次工业革命带来了新材料、新技术的应用，使电动栏杆的发展步入了一个新纪元。随着时代的发展，电动栏杆在国外将会得到越来越广泛的应用和发展。目前国内外常见的电动栏杆有以下几种，下图1-1即为电动栏杆的图片：1-1 电动栏杆1.3主要内容本次设计的电动栏杆适用于公路用，主要内容包括电动栏杆的整机设计和主要零部件的设计以及控制电路的设计。该产品为左侧型，适合使用温度为A级，横杆长度为2.5m，栏杆生气时间为1.4s，无故障起落次数不小于1500000次，能手动升起栏杆。1.4智能控制器集成了线圈检测器的设计 本次设计的电控式防砸车电动栏杆上面安装有智能控制器，而该智能控制器集成了线圈检测器（VD），在栏杆下落过程中，直接读取车辆信号。一旦有车闯入线圈，则能够立即停止下落，避免砸坏车辆。相比外部线圈检测器，反馈速度更快更可靠。下图1-2即为线圈检测器的产品图片：1-2 线圈检测器 以下即为该线圈检测器的技术参数：1、 输入电源：DC 812V2、 工作电流：约30 mA3、 工作频率: 约 100 KHz4、 线圈参数：1米(1.58)mm 。（46）圈5、 检测时间：约30ms6、 输出方式：TTL电平，高电平为无车，低电平为有车。7、 灵敏度 : 4级灵敏度可调.二、 管脚定义管脚说明1:+12V DC（电源正）5：GND（电源负）9：OUTPUT（输出，TTL电平，无车时为高电平，有车时为低电平）13：不接4：不接8：不接12：LOOP（线圈）16：LOOP（线圈）三、 使用方法1、灵敏度设置：检测器顶部的拨码开关12位为灵敏度设置开关，其设置关系如下表：、开关1开关2灵敏度等级ONON3：最高灵敏度OFFON2ONOFF1OFFOFF0：最低灵敏度2、 延时：当将检测器顶部的拨码开关3拨到 ON 的位置时，每次检测到车 辆通过后，检测器将延时约2秒钟才将输出电平由低转为高。当拨码开关3为OFF时，检测器将没有延时功能。3、 指示：正常检测：指示灯的闪烁周期约3 S有 车：当检测到有车时，指示灯将常亮。故 障：当线圈出现故障时（如断线、圈数太少或太多时）检测器将快速闪烁，周期约为1S4、 复位：检测器顶部有一个复位开关，每按动一次，检测器将复位内部检测数据，当带电将检测器插入线路板时，插好后，应按复位开关将其复位。四、线圈安装指南检测器能否良好工作在很大程度上取决于它所连接的感应线圈。线圈的几个重要的参数包括：线圈材料，线圈形状和是否正确施工埋设。在安装时必须注意以下事项：1.线圈串扰当两个感应线圈靠得很近，两个线圈的磁场迭加在一起，相互造成干扰。这种现象就是串扰。串扰会导致错误的检测结果和环路检测器的死锁。在相邻的但属于不同感应的线圈间，要消除串扰，可以采取以下措施：A. 相同的尺寸不同的圈数以改变线圈的工作频率。一般建议一个为4圈，另一个为6圈。B. 将相邻的线圈间距加大。必须保证探测线圈之间的间距大于3米。C. 对线圈引出导线进行良好的屏蔽，屏蔽线必须在探测器端接地。线圈电缆和接头最好采用多股铜导线。在电缆和接头之间最好不要有接线处。如果必需有接线端，也要保证连接可靠，用烙铁将它们焊接起来，并且放置于防水处。导线截面积不小于0.5平方毫米。导线材料应耐高温防氧化，如高温镀锡线。2线圈形状及匝数除非条件不允许，探测线圈应该是长方形。两条长边与车辆（金属物）运动方向垂直，彼此间距推荐为1米。长边的长度取决于道路的宽度，通常两端比道路宽度窄0.5米。线圈的圈数为4或6圈，如两个线圈相邻，则一个4圈，一个6圈。3.线圈安装要领线圈埋设首先要用切路机在路面上切出槽来。在四个角上进行45度倒角，防止尖角破坏线圈电缆。切槽宽度宽度一般为4毫米，深度30到50毫米，同时还要为线圈引线切一条通到路边的槽。2总体结构的设计2.1总体方案图本次设计电控式防砸车电动栏杆主要由机架，安装座，电动栏杆，齿轮传动以及转动轴等部分组成，其具体总体方案图如下图2-1所示：2-1 电控式防砸车电动栏杆2.2工作原理该电动栏杆在栏杆下落过程中，直接读取车辆信号。一旦有车闯入线圈，则能够立即停止下落，避免砸坏车辆。而当检测器检测到了车辆已经过去了，就继续通过控制系统个控制电动栏杆下落。2.3机械传动部分的设计计算2.3.1电机的设计计算已知整个电动栏杆中零件重量与其他零部件的重量，我们取总重量为100Kg，电机额定转速为1440r/m。即：具体的电机设计计算如下:N=0.75(KW)G电机的负载传动效率，取0.75所以根据N0.75kw，n1500r/min，查机械设计手册选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机的结构。 2.3.2键的选择机械设备中连接的方式有很多种，有螺纹连接，键连接等等，键连接主要是用在轴和其他传动机构配合的场合，用来传递轴的输出扭矩。通常情况下，选取键条的类型很关键，根据不同的工况选取不同的键。一般都有标准值，也就是说，在机械设计手册里面查询得到。键的bh根据径来确定。轴和带轮的联结，d=50mm, 参考资料2P5-194表(GB/T1095-1979)选用B1050的普通A型平键，键长为50。2.3.3螺栓的计算 螺栓的强度在机械联接中至关重要，特别是在重要的场合，其强度校核和计算尤其重要。其受力简图如上图所示，图中以合力代替均匀分布的作用力假设应力在剪切面内是均匀分布的，若为剪切面面积，则应力为：与剪切面相切，故为剪应力。2、挤压实用计算在工程上也使用相似剪切的计算方法，假设挤压应力是均匀分布的，则 挤压面面积为挤压面的正投影面积。对于平键接触面面积就是挤压面面积；对于螺栓挤压面面积就是直径平面面积，其值为。3、强度条件 剪切和挤压的强度条件如下：剪切强度条件：挤压强度条件： 式中塑性材料：脆性材料：先按剪切强度设计：?d再用挤压强度条件设计，挤压力为，所以? ?d 最后得到螺栓的抗大强度和抗剪强度是合适的。2.3.4齿轮传动的设计1材料选用原则选材的基本原则是材料在能满足零件使用性能的前提下，具有较好的工艺性和经济性。材料的使用性能是指机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能，是保证该零件可靠性的基础。对一般机械零件来说，选材时主要考虑的是其力学性能；而对于非金属材料制成的零件，还应该考虑其工作环境对零件性能的影响。零件按力学性能选材时，首先应正确分析其工作条件、形状尺寸及应力状态，结合该类零件出现的主要失效形式，找出其在实际使用中的主要和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。2齿轮模数的确定参考同类产品：选取小齿轮材料为45#钢，齿面淬火，淬火硬度为HRC4550；齿轮1材料为45#钢，表面淬火，淬火硬度BRC4855。初选z=100, 则z2=i100=2100=200, z=iz3=3.623=83, 为减小传动的尺寸，齿轮和齿轮一均为硬齿面，其目的是使大齿轮和中间齿轮使用寿命相当。模数大小需由弯曲疲劳强度确定。由于第二对齿轮传动承载较大，就按第二对齿轮传动初步计算。按弯曲强度，m 1P201式（10-5） 式中，取载荷系数K=1.325，z=100，转矩T=6338 Nw齿宽系数=0.51齿轮、齿轮1许用弯曲应力：=637MP，=396MP齿形系数：Y=2.69 ， Y=2.21应力修正系数：Y=1.58 ， Y=1.77以上数据均查自1P200 = 就按二者中的大值计算，将诸值代入式，得M=8.5mm 圆整，取m=8mm。3接触强度和弯曲强度的验算一、验算接触强度（）齿数和精度等级：z=100，z=23,z=83, 圆周速度v=5 m/min，8极精度（）使用系数 K=1（）动载系数 K=1.0，K=1.02 （）齿向载荷分配系数 K=1.21，K=1.13 （）齿宽系数 =0.78，=0.51 以上25数据均查自1P193-205（）载荷系数K：K=K.K.K.K=111.11.21=1.33 K=K.K.K.K=11.021.151.13=1.325（）总工作时间 设计每日工作8个小时，一年300天，使用寿命8年，使用期限内工作时间占20%t=830080.2=3840h（）工作应力循环次数 小齿轮为主动轮，每转一周，小齿轮同侧啮合一次；中间轮同一侧齿面也啮合一次。因此，接触应力按脉动循环变化N=60rnt=60116.983840=3.910N=N/i=3.910/1.2=3.2610N=N/i=3.2610/3.6=0.910（）弹性系数 Z=189.8，Z=188.9（10）节点区域系数 Z=2.22，Z=2.5（11）接触疲劳极限 =1280 ，=1370 ，=950 （12）接触安全系数 S=S=1（13）接触寿命系数 KHN1=1.15，KHN2=1.25，KHN3=1.3以上913数据均查自1P201210（14）许用接触应力 =1472 =1713=1235 （15）齿宽 b1=b2=b3=100mm（16）验算=Z.Z=189.82.5=1453=1472 =Z.Z=188.92.5=1224=1235 经计算知，大小齿轮均满足接触强度要求。 二、验算弯曲强度齿形系数Y Y=2.85，Y=2.69，Y=2.21应力修正系数Y Y=1.54，Y=1.575，Y=1.775弯曲疲劳极限 600，650，450弯曲安全系数S S=1.0应力循环次数N 小齿轮为主动轮。每转一周，小齿轮同一侧啮合一次，弯曲应力按脉动循环变化；中间同一侧齿面口啮合一次，弯曲应力按对称循环变化。N=60rnt=60116.983840=3.910N=N/i=3.910/1.2=3.2610N=N/i=3.2610/3.6=0.910弯曲寿命系数KFNKFN1 =0.9，KFN2 =1.0，KFN3 =1.15许用弯曲应力 =540=650=518验算：经计算知：大小齿轮均满足弯曲强度要求，且具有高的可靠性。2.3.5曲柄摇杆机构的设计 1）基础理论知识在实际工程中，提出了各种各样的机构运动性能的要求，并能满足这些要求取决于机构本身。以下对曲柄摇杆机构的特性进行了讨论和分析。我们都知道，曲柄存在的条件是：1）为短杆架杆或框架；2）短杆、长杆的长度小于或等于其他两杆长度。如果四杆机构的最短和最长的杆的长度和较大的其他两个杆比，长度一样的话，则曲柄存在的条件成立，否则则不成立。基于上述原理，短杆与长杆比短，并且比曲柄的回转半径相当，则存在曲柄摇杆机构。 2）急回运动特性和行程运动速比K的关系当曲柄匀速转动时， 摇杆作变速摆动，而且往复摆动的V均速度是不同的。 若将V均速度小的行程作为工作行程（正行程） ，将V均速度大的行程作为非 工作行程（反行程） ，那么，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程V均速度不等的特性称为急回特性。急回特性常用行程速比系数 K（摇杆反、正行程V均速度之比）来度量。 如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动（顺时针为正行程，逆时 针为反行程） 。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极 位夹角，用表示。根据行程速比系数的定义有： 存在急回特性的条件是 不等于零。 因为 是锐角，即 小于等于 90，故理论上 K 可以最大为 3。但由于 最小传动角的限制，实用中 K 小于等于 1.4。 对一些有急回特性要求的机械，常根据 K 值按式(2-2)算出 角，再确定各杆尺寸。 3）压力角和传动角用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用表示；压力角的余角称为传动角，常用表示。曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值 有必要检验 应大于 40。 因此设计曲柄摇杆机构时值。那么，最小传动角在什么位置出现呢？分析如下：可以证明：若机架上 A、D 两点位于 C、C连线的同一侧，则当 =0时， 最小，有机架上 A、D 两点位于 C、C连线的两侧，则 =180时的 最大(钝角)，有 =180。不难看出，对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。2.3.6轴承座的选取 轴承的选择并不是只考虑轴径一个因素，还要考虑到轴承的性能，一般要考虑到其寿命、可靠度（指该轴承达到或超过规定寿命的概率）、静载荷、动载荷、额定寿命、基本额定寿命、基本额定载荷等等很多因素。最主要的是允许空间、载荷的大小和方向、轴承工作转速、旋转精度、轴承的刚性（一般磙子轴承的刚性大于球轴承）、轴向游动、安装和拆卸。因为在本设计的轴上径向载荷大，轴向载荷小，而且存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的问题，所以选用调心滚子轴承，因为调心磙子轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双轴向载荷，而圆锥磙子轴承有打的锥角可承受大的径、轴向联合载荷。所以选用（双列向心）圆锥磙子轴承，有双内圈，并是可分离的轴承，根据d=80mm,由参考资料2P7356 表7278 带紧定套的调心滚子轴承（GB/T288-1994），选用22218CK/W33+H318轴承，其基本额定载荷为=240KN,=322KN, 根据轴承选用配套的轴承座，参考资料2P7-43表7-2-105 适用圆锥孔的异径孔滚动轴承座(GB/T7813-1998) SNK型轴承座，可选用SNK316型的轴承座。3零部件强度的校核3.1齿轮强度的校核1）验算接触强度（）齿数和精度等级：z=19，z=23,z=83, 圆周速度v=5 m/min，8极精度（）使用系数 K=1（）动载系数 K=1.0，K=1.02 （）齿向载荷分配系数 K=1.21，K=1.13 （）齿宽系数 =0.78，=0.51 以上25数据均查自1P193-205（）载荷系数K：K=K.K.K.K=111.11.21=1.33 K=K.K.K.K=11.021.151.13=1.325（）总工作时间 设计每日工作8个小时，一年300天，使用寿命8年，使用期限内工作时间占20%t=830080.2=3840h（）工作应力循环次数 小齿轮为主动轮，每转一周，小齿轮同侧啮合一次；中间轮同一侧齿面也啮合一次。因此，接触应力按脉动循环变化N=60rnt=60116.983840=3.910N=N/i=3.910/1.2=3.2610N=N/i=3.2610/3.6=0.910（）弹性系数 Z=189.8，Z=188.9（10）节点区域系数 Z=2.22，Z=2.5（11）接触疲劳极限 =1280 ，=1370 ，=950 （12）接触安全系数 S=S=1（13）接触寿命系数 KHN1=1.15，KHN2=1.25，KHN3=1.3以上913数据均查自1P201210（14）许用接触应力 =1472 =1713 =1235 （15）齿宽 b1=b2=b3=60mm（16）验算=Z.Z=189.82.5=1453=1472 =Z.Z=188.92.5=1224=1235 经计算知，大小齿轮均满足接触强度要求。 2）验算弯曲强度1 齿形系数Y Y=2.85，Y=2.69，Y=2.212 应力修正系数Y Y=1.54，Y=1.575，Y=1.7753 弯曲疲劳极限 600，650，4504 弯曲安全系数S S=1.05 应力循环次数N 小齿轮为主动轮。每转一周，小齿轮同一侧啮合一次，弯曲应力按脉动循环变化；中间同一侧齿面口啮合一次，弯曲应力按对称循环变化。 N=60rnt=60116.983840=3.910 N=N/i=3.910/1.2=3.2610 N=N/i=3.2610/3.6=0.9106 弯曲寿命系数KFNKFN1 =0.9，KFN2 =1.0，KFN3 =1.157 许用弯曲应力 =540 =650=518(8) 验算：经计算知：大小齿轮均满足弯曲强度要求，且具有高的可靠性结论 通过对电控式防砸电动栏杆的研究设计，我对国内现有电控式防砸电动栏杆有了比较深入的了解，就电控式防砸电动栏杆来说，虽然国内很多厂家在生产制造并销售，但是依旧有很多不足之处，比如有的电控式防砸电动栏杆直接就没有任何外层保护，对车辆来说具有严重的安全隐患，本设计中的电控式防砸电动栏杆针对上述问题进行深入的研究改进，将这款简单实用的设备进行了人性化的升级，使其更能适应现代化要求。通过这次对电控式防砸电动栏杆的研究设计了解到虽然很多设备已经设计出来并且被投入生产之中但是依旧会有很多可以改进的地方，我们做为未来工程师就必须要针对这些设备的不足进行合理化的改进使其能够跟随时代前进的步伐适应新的生产力的需求。作为未来社会生产力的主要军我们这一代任重道远，我们必须要谦虚谨慎，仔细认真的对待设备设计，感谢电控式防砸电动栏杆行业的李师傅为我细心讲解该行业的发展以及电控式防砸电动栏杆的一系列难点的问题。感谢所以奋战在生产一线的所有技术人员和工作人员。致 谢 四年的大学生活就要结束了，在大学的四年将会是我这一生的财富。从大一的懵懵懂懂。到毕业时的依依不舍。这四年我成长了，这四年是我人生的转折点，今天借毕业论文之便，我想表达我对学校，对帮助过我的人表示诚挚的感谢。首先需要感谢就是我的母校和我的学院，是你提供给我学习的机会。然后是要感谢我的毕业设计指导老师，是你的不辞辛劳的指导，我才能顺利的完成本次毕业设计的全部工作。在毕业设计的中间我给你带来的不便，在此还希望你能够海涵。然后是要感谢我的同学和学长们，正是你们的陪伴和帮助我走过了这几年，在学习上的问题，很多都是同学给我解决的。没有你们，我就不能成长到今天这么好。同时还要感谢我父母的养育之恩，是你们辛勤的工作给我换了了学习的机会。最后我还要感谢自己。感谢自己的坚持和努力。以后的生活将会是自己成长的另外一个阶段了。今天完成这个毕业设计，我将会和我的母校说再见，但是在将来的学习和工作中，我一定拿