频率可控式汽车悬架特性试验台本科生毕业论文

1、 本科生毕业论文（设计）中文题目 频率可控式汽车悬架特性试验台 英文题目 the frequency of the automobile suspension test bench can be controlled 学生姓名 韩敬鹏 班级 441002班 学号 17100229 学 院 交 通 学 院 专 业 交通运输类（汽车运用工程） 指导教师 陈 熔 职称 副教授 吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已

2、经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 年 月 日摘 要悬架是汽车的一个重要组成元件，悬架的结构形式与性能参数的选择合理与否，直接对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性以及燃油经济性有着重要影响。为了评价悬架性能的好坏，通常采用悬架装置检测试验台来定量描述。本文对现有的几种悬架特性检测台进行了深入分析，并了解了国内外的发展现状，在此基础上根据设计要求进行了方案分析、论证、设计。本设计在现有谐振式悬架装置检测台的基础上，使用变频调速器。通过变频调速装置控制电动

3、机转速，进而控制检测台的激振频率，使汽车悬架的振动频率可控，实现不同类别、品牌的车辆悬架性能检测。并针对改进后的悬架检测台中的电动机、联轴器、轴承等标准件进行选型和校核；对台板、转轴、安装框架、过车防护装置等非标准件进行了设计、计算和校核。改进后的此种悬架特性检测台具有造价低廉、性能稳定、重复性好、检测结果可靠、检测车辆的种类多等优点，便于现有谐振式悬架特性检测台的改造，适合汽车检测线和维修企业采用，同时对其不足进行了客观评价。关键词： 汽车悬架 悬架检测台 变频调速器 频率可控abstractsuspension is an important element of the car,to c

4、hoose the rational suspension structure and performance parameters is very important for the cars ride , driving stability , riding comfort and have a good fuel economy . in order to evaluate the performance of the suspension is good or bad , we usually use the automobile suspension test bench to de

5、scribe it.in this paper, several existing automobile suspension test bench are analysed in-depth and understand the current development at home and abroad , on the basis of these,make a analysis and proof of a new equipment.this new design is based on the existing automobile suspension test bench wh

6、ich can resonant with the wheel together, the inverter is employed .the motor is controlled by the inverter, and then the vibration frequency of deck of the automobile suspension test bench is controlled ,it can detect different categories , brands of vehicles suspension. in this paper,the motors,co

7、uplings,bearings and other standard parts of the equipment is selected and checked; the deck, shaft, mounting frame,the deck for protecting the eqiupment and other non-standard parts of the equipment is designed, calculated and checked.the new automobile suspension test bench is cheap, stable, have

8、a good repeatability, and can check more types of vehicle etc.it can also easy transform from the existing resonant automobile suspension test bench and most of vehicle inspection and maintenance companies can use it , while there also have objective evaluation of the new equipment.keywords: suspens

9、ion，automobile suspension test bench，inverter， frequency control目 录 第1章 前 言11.1 研究背景11.2 现有检测台及性能分析11.2.1 按压车体式21.2.2 跌落式21.2.3 共振式31.2.4 平板制动式41.3 国内外研究现状51.4 本文的研究目标6第2章 频率可控式汽车悬架实验台开发设计72.1 技术方案72.2 方案设计分析7第3章 检测台的设计与计算93.1 电动机的选择103.1.1 确定电动机的类型103.1.2 确定电动机的容量113.1.3 选择电动机的转速123.2 变频调速器的选择133.2

10、.1 变频调速器的工作原理及选择要求133.2.2 型号及参数的确定143.3.1 承重横梁的设计及校核153.3.2 转轴的设计及校核163.3.3 偏心轮的设计及校核273.3.4 轴承的选型及校核273.3.5 圆环套的设计283.4 检测台台板的设计计算293.4.1 台板结构设计303.4.2 台板的计算校核303.5 固定座轴承的选择与校核343.6.1 电动机与联轴器间键的选择与校核363.6.2 联轴器与传动轴间键的选择与校核373.7 称重传感器的选择373.8 联轴器的选择393.9 振动保持装置的设计413.9.1 回位弹簧的选择413.9.2 法兰套筒的设计433.9.

11、3 直线轴承选择及芯轴的设计443.10 底座设计453.11 安装框架及过车防护板的设计463.11.1 安装框架的设计463.11.2 过车防护装置的设计483.12 润滑方式选择51第4章 总结与展望534.1 全文总结534.2 工作展望54参考文献55致 谢57英文资料原文及中文翻译稿58第1章 前 言 1.1 研究背景 随着我国社会经济的不断发展，我国的汽车产销量连创新高，并跃居世界第一位，汽车保有量不断增加，我国正在加速进入汽车社会。汽车正在由过去的奢侈品逐步转变为人民日常生活中的代步工具走入寻常百姓家，逐步成为人们日常生活中不可或缺的一部分，汽车也在我们日常生活中发挥着越来越重

12、要的作用。然而，正鉴于此，人们的汽车消费观念也在从过去最初的作为代步的交通工具向追求驾驶体验以及驾驶乐趣方向转变。无论是在汽车设计的先期调研，还是汽车设计过程中工程师们对汽车性能的模拟假设，以及汽车生产制造过程中的零件匹配，亦或是汽车出厂前的性能校验，都在关注着汽车消费者们这一消费观念的转变。 所谓的驾驶体验，驾驶乐趣，除了日常生活中我们所关注的一些汽车本身的性能，如动力性能，制动性能，燃油经济性，操纵稳定性，通过性，平顺性等之外，还有与汽车使用者息息相关的乘坐舒适性，安全性等。而这些又与汽车悬架性能有着或大或小的关系，悬架1的结构形式与性能参数的选择合理与否直接对汽车的性能有着重要的影响。通

13、过调教悬架性能可以给汽车使用者带来不一样的驾驶体验和驾驶乐趣。 此外，据调查研究表明：大约有四分之一的汽车上至少有一个悬架工作不正常，而有故障的悬架在汽车行驶过程中将会使其对应车轮轮胎有30%的路程接地力减少，甚至不与地面接触，使其他车轮接地力增加2。将会给驾驶员一种发飘的驾驶感觉，路感变差，特别是在曲线行驶时很难控制方向，增加了行车安全隐患。因此，汽车悬架装置的各元件的品质与性能的正常发挥对汽车的安全行驶起着重要的作用。为保证汽车行驶安全性、平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性等性能指标，需要对汽车的悬架装置进行检测，特别是减震器和弹性元件的检测，目前通常采用汽车悬架特性检测试验台来检测悬架特性。

14、汽车悬架特性检测台作为汽车性能检测过程中必不可少的设备之一，其检测性能的良好与否将对汽车悬架特性乃至整车性能评价的准确与否起着决定性作用。为准确评价汽车悬架性能，首先要提高汽车悬架特性检测台3的检测性能。1.2 现有检测台及性能分析 过去检查汽车悬架装置的性能主要是通过人工检查，目视弹簧是否有裂纹，减振器是否漏油、磨损，弹簧以及导向机构的连接处是否松动，连接螺栓是否松动或是缺少等。显然这种方法是一种经验性检测方法，个人主观性大，可靠性差，无法对其性能进行定量描述、分析。后来又逐步发展了汽车悬架特性检测台，按其激励方式的不同可分为按压车体式、跌落式、共振式和平板制动式四种3。下面分别对其优缺点进

15、行分析：1.2.1 按压车体式 按压车体式悬架特性检测台是基于早期的人工按压车体而后观察的方法发展而来的，其结构如图 1-1 所示。其检测原理是将车体向下压缩到一定位置而后突然松开，车体回弹做衰减振动，通过检测装置记录并绘制振动曲线，根据曲线计算悬架装置的阻尼参数，最后与厂家或有关标准曲线进行对照，根据偏差量来评价悬架装置的性能。 1-支架 2-水平导轨 3-推杆 4-偏心轮 5-垂直导轨 6-汽车保险杠 7-电动机 8、9-光脉冲测量装置 图1-1 按压车体式悬架装置检测台 优点：检测方法比较简单方便，可以针对不同的车型，成本较低。缺点：施力方式不利于快速检测，控制精度差；同一车型不同作用压

16、力，检测结果差异性大，重复性差，对检测结果准确性影响因素多，结果可靠性差。对同一轴左右悬架装置性能无法单独评价。1.2.2 跌落式跌落法根据施力方式的不同可分为向上起升、向下拉紧和跌落车体式三种，如图1-2所示。 （a）向上起升式 （b）向下拉紧式 （c）跌落式 图1-2 跌落法示意图 跌落式的检测原理是用机械装置将汽车的一根轴或是将整车起升到一定高度或是将汽车向下拉紧，然后突然释放，通过检测装置记录数据曲线，最后分析车体的响应曲线来评价悬架的性能。优点：利用压力传感器记录离散数据提高了检测的准确性，此种方法能够较好的模拟汽车的实际运动状态。缺点：同轴两侧的悬架性能无法单独评价；检测方法不适于

17、快速检测的要求；机械装置较多，不适合实际应用推广。1.2.3 共振式 目前应用的较多，根据激振方式的不同可分为转鼓式和平台式两种，如图1-3 所示。转鼓式检测台是将转鼓的表面做成具有正弦状的不平度，通过改变转鼓的转速来改变激振的频率，如图1-3(a )所示。优点：结构简单，车轮与转鼓的作用面接近实际路况条件。缺点：转鼓具有一定的曲度，轮胎与支撑面（即转鼓）的接触失真；检测时汽车车轮固定比较困难，固定的好坏及检测位置对检测结果影响很大；需使用调速电机，检测台成本较高。 图1-3 共振式检测法示意图 平台式检测台6是使平台按正弦规律做垂直往复运动，采用偏心轮实现激振功能，通过调速电机来改变转速以改

18、变激振频率，图 1-3(b )所示。目前平台式检测台应用较多，但显示设备多为指针式，其检测数据无法保存，不利于工人进行维修作业。 1.2.4 平板制动式 平板制动式检测台5是一种组合式的检测台，如图1-4 所示。 1、3、5、7-“制动力悬架效率轴重”测试板 2-侧滑测试板 4-数据处理分析系统 6-空板 图1-4 平板制动力测试法示意图 此种检测台采用平板式2结构，可以测出汽车侧滑、制动、悬架效率以及轴重等多个项目。其检测原理是：在检测时，被检车辆以 510km/h 的速度缓慢驶上检测平板，而后驾驶员迅速踩下制动踏板，使各车轮分别在 4 块“制动力悬架效率轴重”测试板上制动，利用“制动点头”

19、现象产生振动，在振动衰减过程中，通过测得车身振动的变化曲线，来评价汽车悬架装置的性能。优点：测试方法快速、简单，测试过程更接近路试，较真实地反映汽车悬架的性能，且能实现多个项目的同时检测，比较经济。缺点：检测时对驾驶员操作技术要求较高，检测结果受人为因素影响较大，具有一定的随机性，无法定量测量，重复性操作差。1.3 国内外研究现状随着人们追求驾驶体验以及安全意识的提高，悬架性能随着电子技术、传感器技术、集成电路技术和计算机技术的高速发展不断进步。越来越需要一种能够实现对汽车悬架性能现场检测诊断的设备或仪器，目前，世界各国正不断致力于汽车检测设备和仪器的开发研究。目前常用且技术成熟的悬架检测台基

20、本上都是利用检测车轮与路面接触力的原理来评价悬架装置的品质与性能的。并采用欧洲减振器制造商协会eusama（european association of shock absorber manufacturer）推荐的标准。将汽车车轮动态载荷的最小值与静态载荷之比（我国定义为吸收率）作为衡量汽车悬架装置性能的指标8。目前，汽车悬架检测台一般都采用谐振式检测9，按其检测参数的不同可以分为测力式和测振幅式两种，其中测力式检测台应用更为广泛。对于测力式汽车悬架特性检测台一般是通过电动机、联轴器带动偏心机构旋转，并在导向机构的作用下带动检测台面激励，进而使汽车车轮受迫振动。当电机达到一定转速后停转，与

21、其同轴的储能飞轮释放能量带动偏心机构继续旋转，维持车轮继续振动，检测台对悬架装置进行扫频激振，以检测悬架装置共振频率下的悬架性能。通过上面的分析可见，该种检测台存在如下局限性：1、 只能分别对左右车轮进行由高频到低频的扫频振动，振动频率和扫频时间是不可控的。因此，在试验过程中可能会出现机械误差。2、 为使汽车车轮-悬架系统能够达到高频激振，需要使偏心轮机构高速旋转，即需要采用有较大输出功率的电动机，会增加检测成本。3、 检测的参数较为单一，对汽车悬架性能不能进行深入的分析和故障诊断，无法全面反映汽车悬架的技术状况，检测结果不利于指导汽车修理厂的维修工作。4、 现有检测台检测悬架性能时采用扫频激

22、振的方式，扫频时间不可控，则在系统共振阶段的时间是非常短暂的。动态压力测量值的准确性在很大程度上取决于共振时间的长短，其又决定了汽车悬架性能评价的好坏。为准确的评价汽车悬架性能，需要采用测量精度高的传感器、控制系统，使检测台成本增加。5、 检测时需将汽车车轮准确的停放在检测台台板上，其停放的位置在一定程度上会影响检测结果的准确性，且具有一定的随机性，对驾驶员的技能提出了一定的要求。1.4 本文的研究目标基于对现有汽车悬架性能检测台的一些不足的分析，提出以下设计要求及改进措施（即新型悬架特性检测台的设计目标10）：1、 针对测量精度无法保证，可能存在机械误差的问题，要求每一输出频段都有稳定的扫频

23、频率和一定的扫频时间，供称重传感器测得某一频段的多组数据。通过控制系统去除无效数据，针对有效数据计算算术平均值，提高测量精度，防止出现机械误差。2、 针对现有悬架检测的参数单一，对汽车悬架性能不能进行深入的分析和故障诊断问题，将改进测量系统，在试验过程进行多参数测量，如对检测台进行多点压力测量，对偏心轮机构的旋转频率进行检测等。并要求控制系统能够根据所测参数进行多次深层分析，生成故障代码，判断故障原因。3、 针对振动频率和扫频时间不可控，影响测量结果准确性，无法较好的评价悬架性能的问题。要求电动机能够从低速到高速逐级变换，带动车轮-悬架振动系统振动，并超过其共振频率。在频率变换过程中，每一频率

24、需要保持一段时间，使数据采集系统有一个固定的采样周期，提高测量结果的准确性。4、 针对检测精度和重复精度差的问题，由于汽车轮胎在检测台台板上的位置影响检测结果，要求汽车车轮能够停放在检测台台板上的某一最佳位置，将对台板进行重新设计。 根据研究目的在现有谐振式汽车悬架特性检测台的硬件基础上进行改进，使改进后的检测台具有较为完善的悬架性能检测和分析功能，既能够满足检测的需要，又能够降低研究成本。第2章 频率可控式汽车悬架实验台开发设计 2.1 技术方案 根据现有汽车悬架特性检测台12的特点并进行了分析和研究，针对现有悬架特性检测台的局限与不足之处，根据前文提出的设计目标，在现有悬架检测台的基础上开

25、发出频率可控式汽车悬架试验台，使其具有较为完善的悬架特性检测和性能分析功能。此检测台由电动机、变频调速器、偏心轮、称重传感器、检测台台板等组成。其结构原理图如图2-1。此检测台在技术上相对于现有汽车悬架特性检测台主要有如下两方面的改进：1、 采用变频调速器控制驱动电动机，实现电动机的变速运行，取代现有的储能飞轮带动检测台台板的扫频激振，检测汽车车轮-悬架系统共振频率下的悬架性能。2、 采用双悬臂梁式称重传感器分别支承在每个检测台台板的一角，而不是支承在检测台台板的两个支承边上，并对台板进行了重新简化设计以提高检测效率。 图2-1 频率可控式汽车悬架特性检测台结构原理图2.2 方案设计分析本检测

26、台采用了变频调速器，通过变频调速器的变频作用可以起到改变电动机的输出转速和转矩的自动调整。此外，变频调速器还具有装置集成化程度高，接线简单；节能效果明显，平均节电15%-25%的优点。针对现有检测台检测精度和重复精度差，在汽车检测过程中汽车车轮在检测台上的位置随机性大，驾驶员及检测系统无法对汽车车轮在检测台台板上的具体位置进行准确判断，对汽车的检测位置无法有效调整，且汽车在检测台台板上的具体位置对检测结果的准确性又较大影响的特点，采用双悬臂梁式称重传感器同时检测的方案，其传感器分布图如图2-2所示。分别检测检测台台板的四点压力，通过计算机的分析计算可以较为准确的得到汽车车轮在检测台上的位置。同

27、时对检测台台板进行重新设计，通过驾驶员对路况的感知使被检车辆停在最佳位置。 图2-2 传感器分布图基于以上改进的频率可控式汽车悬架特性检测台，根据检测性能需要，其检测原理如下：首先交流电机在变频调速器的作用下启动，电动机通过联轴器的作用使转轴与电动机同步旋转。与转轴同轴的偏心轮带动与其同心的滚柱轴承和偏心套筒旋转，套筒与横梁在回位弹簧和直线轴承的作用下保持始终接触。由于套筒的载荷较大且与横梁有滚动摩擦，为减小偏心轮与横梁的磨损，提高检测台的使用寿命，并且从机械上保证台体的使用寿命和测试精度，在偏心轮的外侧安装有与其同心的滚柱轴承和套筒。由于偏心轮在旋转时带动检测台台板激振，检测台台板以及横梁存

28、在变加速度，为防止横梁脱离偏心轮，在横梁与底座之间需要安装有回位弹簧拉紧装置。此外，由于横梁与滚动轴承之间是线接触而不是面接触，且车轮在检测台台板上的位置不确定，为保证检测台台板能够始终是上下激振，需要在横梁与底座之间安装有直线轴承。在此基础上，为实现悬架特性检测台的频率可控，需要计算机的软件控制。随着电动机的转速不断上升带动检测台台板振动的激振频率也由低频向高频不断变化，数据采集卡在频率不断变化的过程中记录下汽车车轮作用在检测台上的压力，计算机通过分析数据采集系统记录的数据，当检测到称重传感器压力最小时的频率时，计算机通过控制系统控制变频调速器，先使电动机的转速有一个小幅度的上升，然后在降低

29、转速，保持在使检测台上的压力最小值时的转速并维持一段时间，此时计算机记录数组数据，计算机根据这数组数据进行分析，即可对汽车悬架特性进行较准确的评价（计算机的数据采集以及分析，控制系统的控制属于软件控制部分，在此不作过多分析）。第3章 检测台的设计与计算 由于开发的此频率可控式悬架特性检测台是在现有悬架检测台的基础上改进的，因此，在一些设计参数上参考了现有悬架检测台。同时查找相关专利13，并且根据对现有悬架特性检测台的实地观察，按照检测台受力的依次顺序分别对检测台台板、传动零件（偏心轮、转轴等）、承重横梁、底座等非标准件进行设计分析、计算、校核；对电动机、变频调速器、联轴器、轴承等标准件进行选型

30、、校核。 图3-1 车宽示意图在对悬架检测台具体零部件进行设计之前，首先对悬架的外廓做一个大体的规划。考虑到设计的该悬架特性检测台针对的是轴重小于1.5t的小型车（以乘用车为主），通过查阅相关资料，了解到汽车宽是汽车宽度方向两极端点间的距离，宽度主要影响乘坐空间和灵活性，一般乘用车公认的宽度上线是2米。统计数据调查显示，乘用车的宽度基本上都处于1600mm2000mm的范围内，大多数乘用车宽度在1800mm附近，且多数分布在16001800mm之间。考虑到汽车轮胎的宽度，以及汽车设计时的固有特征，汽车同轴车轮车轮平面的间距在1400mm1800mm的范围内（考虑乘用车轮胎宽度一般在165mm2

31、60mm之间）。为满足绝大多数甚至是所有乘用车的检测，现以大多数车宽1800mm作为设计基准设计此检测台的外廓，通过考虑设计余量来来满足不同车型的需要，实现满足绝大多数车型的检测要求。 考虑到在检测过程中可能需要人为的观察汽车的某一部分，为方便检测人员或相关人员的操作，在检测试验台的中间设置地沟。为了使工作人员能够在地沟内较为方便的进行相关操作，将地沟的宽度设计为700mm，参照现有检测台的设计尺寸，将地面检测台台面部分设计为长2500mm，宽为500mm，高度待定（需要根据选择的电动机高度和偏心轮以及横梁的安装来确定），则检测台的外部轮廓如图3-2所示。在此台架内安装各检测台零部件，下面分别

32、对各项进行具体的设计计算。其相应设计要求如下表所示： 表3-1 设计参数列表项目参数额定承载质量1.5t悬架测试额定载质量750kg测量范围01.5t激振频率25hz振幅6mm吸收率重复性2%吸收率偏置误差3%轮重分辩率1kg示值误差2%环境温度040相对湿度85%电源交流380v10%；50hz10%测试宽度（平台内宽外宽）880mm2320mm主机尺寸（长宽）2500500检测台外廓设计如下图所示 图3-2 汽车悬架检测台外部轮廓图3.1 电动机的选择3.1.1 确定电动机的类型在选择电机的型号时通常需要考虑负载对电机性能的要求，由于悬架特性检测台的检测台板负载较为平稳且需要长期稳定工作，

33、从节能且经济的角度考虑可采用y系列三相交流异步电动机。此系列电动机具有效率高、堵转转矩高、隔爆结构先进合理、温升裕度大、安全可靠、性能优良等优点。根据悬架特性检测台的工作要求和条件，决定选用y系列三相交流异步电动机如图3-3所示。图3-3 y系列三相交流异步电动机 3.1.2 确定电动机的容量电动机容量（即额定功率）选择的合理与否，将对电动机的工作和经济性有着较大的影响。容量小的电动机，不能保证检测台的正常工作，电动机过早损坏，缩短检测台的使用寿命。容量过大超过工作要求，则会使电机的能力得不到充分的利用，电动机的效率和功率因素都比较低，造成很大的浪费，且功率大的电动机价格较高，经济性较低。因此

34、在电动机选型时需先确定其所需功率，根据电动机的容量来初步确定电动机的型号。在选择电动机的容量时应使其额定功率大于或等于其所需的功率，即。由于工作机（即检测台台板）是在电动机的驱动下做上下激振的，则其速度方向也就是在垂直方向上的，根据所确定的检测台的振幅为6mm，最大激振频率为25hz，则可确定工作机的最大工作速度为： 工作机要求的功率 其中：工作机所需的输入功率，kw； ：工作机的线速度（此处为检测台台板的最大线速度），0.3m/s； ：工作机所受压力（检测台台板所受正压力，即轴载的一半），7500n； ：工作机的效率（此处取其值为0.95）。电动机的输出功率计算公式 其中：工作机实际需要的电

35、动机输出功率，kw； ：电动机到工作机之间传动装置的总效率。根据检测台所中的传动零部件的类型可知，查阅机械设计手册可知：滚动轴承的效率；联轴器的效率，则总效率为： 故 因载荷平稳，电动机的额定功率只需略大于即可，可以考虑采用y系列异步电动机，初步选择电动机的额定功率为3kw。 3.1.3 选择电动机的转速在确定电动机的转速的过程中，需要综合考虑与之相配合的传动装置。在本检测台中，电动机输出转速通过联轴器、转轴直接驱动检测台实现其功能，无其他传动装置，对电动机转速亦无特殊要求。由于本检测台的设计目标参数中要求检测台台板的最大振动频率不超过25hz，即对电动机的频率要求最大值不超过25hz即可，因

36、此电动机的最大转速为： 综合考虑检测台的性能要求，查机械设计手册16决定选择同步转速为1500r/min的y系列异步电动机。查表选用型号为y100l2-4的电动机，其技术数据及主要尺寸见下表所示： 表3-2 y100l2-4型电动机主要技术参数项目参数型号y100l2-4额定功率/kw3额定转速1420同步转速1500电动机中心高度h/mm100外伸轴直径和长度堵转转矩/额定转矩2.2最大转矩/额定转矩2.23.2 变频调速器的选择随着控制理论的提出和不断完善，以及电子控制技术的不断进步和发展，使得交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速发展。随着变频器的价格不断降低，而其使用功能与

37、性能却不断提高，使得变频器在生产和生活中得到大量应用。且变频器在节能、自动化、提高生产率、提高质量、减少维修等多方面具有突出的优点，变频调速技术成为了我国政府重点推广的节能技术之一14。3.2.1 变频调速器的工作原理及选择要求 变频调速器是一种把工频电源(50hz或60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备。a、工作原理已知交流电动机的同步转速表达式为： 式中：n：交流异步电动机的转速； f：交流异步电动机的频率； s：电动机转差率（s=(n1-n)/n1 式中： n1为同步转速, n 为电机转速）； p：电动机极对数。由上式可知，电动机转速n与电流频率f成正比，变频调速器

38、就是通过改变电源频率来实现电动机转速的可控调节的，使用变频调速器来实现检测台的检测频率可控是一种理想的高效率、高性能的调速手段。b、选择要求由于变频器15的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行以及设备能效的正常发挥至关重要，同时还可以达到节能的效果。在选用变频调速器时，首先要了解机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、起动转矩以及使用环境等技术要求，然后确定何种控制方式，最后确定变频器的型号。同时还需要考虑的是经济性问题，在使变频器满足机械设备的实际生产工艺要求和使用条件的前提下，选择性价比最高的变频器。3.2.2 型号及参数的确定根据变频器的选择要求，需要了解检测台以及所采用的电动机的性能

39、参数。根据设计要求，此试验台为实现周期性振动采用的是偏心轮设计（偏心圆的偏心距为3mm），且检测台台板受恒定载荷的作用，因此偏心轮受恒定纵向载荷的作用。随着转轴的转动，转轴所受的力矩也是不断变化的，因此根据检测设备这一特点认为检测台所用电动机在一定频率范围内是定功率的。此外检测台转轴受最大转矩时应该是偏心轮的横向偏心距最大时（位置如图3-4所示），即 图3-4 偏心轮转矩最大示意图 最小转矩即为力臂为零时，其转矩亦为零。由此可见随着转轴的转动，转轴所受转矩（电动机需提供的转矩），做周期性的变化，而电动机的输出功率却基本保持不变，即在一定频率范围内为恒定功率。由于电动机已经确定为额定功率3kw，

40、根据功率匹配的原则并且根据已有变频调速器的型号，初选容量为3.7kw的变频器。此外根据设计要求，此检测台的频率变化范围为025hz，变化范围较小，对其变化精度要求较高。针对检测台的启动要求，其启动转矩较大（在静载的情况下，偏心轮受到检测台台板正压力和汽车压力载荷以及回位弹簧的拉力作用，使偏心轮的圆心在正下方，故启动转矩较大）。考虑到所选电动机的额定功率比实际所需功率大，且变频器的容量也比电动机的额定功率大，则根据功率要求所选变频器符合实际应用需求。此外，该检测台的设计参数中提到，该检测台的使用环境为环境温度范围为040，相对湿度范围为85%，根据此环境条件可选变频器（艾默生变频器）及相应参数如

41、下表 表3-3 变频器技术参数列表项 目参 数item 1180127 型号ev1000-4t0037g产品系列ev1000功率(kw)3.73.3 传动零件的设计计算3.3.1 承重横梁的设计及校核承重横梁处于检测台台板的下方，偏心轮的正上方，其既起到对检测台台板的支承作用，又起到将偏心轮的偏心旋转运动转换为检测台台板周期性的上下激振运动。此外，其还通过直线轴承和回位弹簧与整个检测台的底座相连以保证运动是在垂直方向上的。正因为承重横梁尺寸较大，承受载荷较小，线性速度较小，对其性能无特殊要求，因此仅仅需要选用合适的材料，使其具有较好的耐磨性和抗压能力，然后对其外部尺寸进行设计即可。i、承重横梁

42、的材料选择由于优质碳素结构钢45钢16的塑性和韧性较好，具有较高的强度，切削性能良好，调质处理后具有较好的耐磨性和很好的综合力学性能，还具有价格低廉等优势。因此，可以初步选定承重横梁的材料为45钢，其力学性能如表3-4所示 表3-4 牌号为45的碳素结构钢力学性能参数牌号统一数字代号直径式样d/mmhbw45u204522535560016197 根据承重横梁的安装特点可知，在横梁上与之直接接触的是称重传感器，称重传感器将检测台台板上的正压力以面接触的形式传给承重横梁，横梁的下方便是偏心轮，偏心轮与其接触的形式是线接触，因此此横梁相当于中间部分承受来自偏心轮的纵向线性集中载荷的作用（如图3-5

43、所示为承重横梁的受力图）。 图3-5 承重横梁的受力分析图 由于承重横梁采用的材料为优质碳素结构钢，其为塑性材料，且横梁上部受到均布压力载荷的作用，抗压强度极限无法确定，因此无需对其强度进行校核且可视为符合实际检测要求。对于横梁的下部受到的是线性压力载荷，故仅需对其进行硬度校核。采用布氏硬度（hbw，单位是公斤力/）的方法进行校核。即： 式中：d：钢球的直径/mm，一般为10mm； d：压痕直径/mm； f：加载在钢球的实验力/n，一般为3000kg； h：压痕深度/mm。则在进行试验时，钢球的压痕深度为： 在检测台中，由于承重横梁所受载荷为750kg（远远小于标准实验值3000kg），偏心轮

44、的直径亦远远大于标准实验时的钢球直径，所以通过估算可知，该横梁的硬度亦满足实际使用要求，即承重横梁的材料选择是合理的。ii、承重横梁的结构设计完成对承重横梁的材料的选择，使其满足强度和硬度要求后，为使其能够满足安装条件，还需要对其进行外部尺寸的设计。从其安装位置来考虑，要求在长度和宽度上满足一定的尺寸要求。在长度上，其下部与安装在转轴偏心轮两侧的直线轴承和回位弹簧直接相连，为防止直线轴承与偏心轮套筒干涉，应使其有较大的安装空间，其单侧长度应该略大于检测台台板的宽度，初步估取为30mm，其总长度为340mm。在宽度上要为套在偏心轮上且与其同轴的滚柱轴承留有一定的轴向攒动，并保证其上为称重传感器留

45、有合适的安装尺寸，则取其宽度b为50mm。横梁的厚度即高度方向上，在其中间部位需要加工有两个螺纹孔用于安装称重传感器，此螺纹孔应该是盲孔，应使其有足够的厚度来加工螺纹孔，其厚度h初步设计为40mm。则横梁的设计参数如表3-5所示。 表3-5 承重横梁的设计参数长度l/mm宽度b/mm厚度（高度）h/mm34050403.3.2 转轴的设计及校核转轴在此检测台中扮演着重要的角色，其在检测过程中既是传力元件又是传递运动的元件，因其既受到电动机提供的转矩作用，又受到通过台板、承重横梁传递的正压力作用，即其既承受转矩又承受弯矩的作用。i、选择轴的材料考虑到此轴在工作过程中既受到转矩的影响又受到弯矩的影

46、响，其产生应力为循环变应力，则其失效形式为疲劳破坏。因此在选择轴的材料时应使轴具有足够的疲劳强度，且对应力集中敏感性较小，同时还应具有良好的耐磨性，耐腐蚀性和加工性能。可选择对应力集中敏感性较低的碳钢，45钢经过热处理17或者是化学处理后可提高其耐磨性和抗疲劳强度，并且价格低廉。通过查阅机械设计手册可知其机械性能如下表3-4所示： 表3-6 45钢性能参数项目参数材料牌号45热处理调质毛坯直径/mm硬度/hbs217255抗拉强度极限640屈服强度极限355弯曲疲劳极限275剪切疲劳极限155许用弯曲应力60ii、初估轴的最小直径 在转轴的结构设计未完成之前，是无法确定支反力的作用点，及弯矩的

47、大小和分布情况，可以按扭转强度来初步估算转轴最小直径，然后用降低许用扭转切应力的方法考虑弯矩对轴强度的影响。已知电动机的功率p为3kw，联轴器的效率为0.98，转轴的最大旋转频率为25hz，偏心轮的偏心距e为3mm，所设计检测台的最大载荷为轴重1.5t。则根据传动路径得 按传动轴计算轴的最小直径。对于传动轴，按转矩计算轴的强度，则轴的扭转强度条件为 式中：扭转切应力，mpa； t：轴所受的转矩，n.mm； ：轴的抗扭截面系数，； ：轴的转速，r/min； p：轴传递的功率，kw； d：轴的直径，mm； ：许用扭转切应力，mpa。由上式可得到轴的直径为 式中的可以通过查表得a=110。则初步估算

48、的轴的最小直径为： 由于轴的一端需要通过联轴器与电动机联接以传递转矩和运动，故在安装有联轴器的一端有键槽，则考虑键槽的对轴的削弱影响，轴径需要增大5%7%，则转轴的最小直径为 iii、轴的结构设计 由于轴上零件的布置和固定方式，轴承的类型及尺寸，轴的材料及毛坯的制造、加工要求，零件的装配要求等条件对轴的设计均有不同程度上的影响，在对轴的结构进行设计时要充分考虑这些因素的影响。综合考虑以上因素对各轴段进行设计，由于此轴段除安装联轴器的轴1外，其余部分为对称结构，故仅对安装联轴器一侧进行设计即可，其分段图如图3-6所示。 图3-6 轴的结构设计图 已知：转轴选用有轴承nj2207e d=35mm

49、d=72mm b=23mm 带座外球面球轴承ucp310根据零件的安装要求以及轴的强度和刚度要求对各轴段的直径设计如下表3-7所示 表3-7 各轴段直径设计列表轴段名称设计依据单位设计结果轴端需要安装联轴器，查联轴器的安装标准同时根据设计的最小轴径以及比较电动机的输出轴直径，确定轴段的直径为24mm24考虑需要安装轴承，为方便轴承的安装设置此过渡轴肩，同时考虑要求检测台台板能够激振，此轴段应该也采用偏心结构，且偏心距为3mm，为防止联轴器的轴向攒动，确定此轴段直径为34mm34为防止安装的滚柱轴承的轴向攒动，需要设置弹性挡圈，根据gb/t894.1-1986弹性挡圈18的安装要求为，故此轴段的直径设计为32mm（此轴段依然采用偏心设计）32此轴段需安装轴承nj2207e，故此轴段根据轴承安装要求，设计直径为35mm35此轴段是为方便带座外表面球轴承的安装，同时防止滚柱轴承的轴向攒动，故此轴段轴径设计为48mm48此轴段需安装带座外球面球轴承ucp310，故此轴段根据轴承安装要求，设计直径为50mm50从方便加工的角度考虑，为减少加工余量，降低加工要求，设计此轴肩，其直径为54mm54 根据零件的安装要求，设计各