某越野车绞盘设计毕业设计Word文件下载.docx
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AbstractAsoneoftheimportantself-helpequipmentSUVwinchasanaccidentwhenimportantself-helpequipmentfunctioncansaveinthesnowswampdesertbeachmuddyroadandotherharshenvironmentsandrescueWiththedevelopmentofnationalself-drivinggrowwitheachpassingdaythenumberoftripswinchhasbecomeanindispensabletoolforthesepeopleThewinchwillbemorepopularintheuseofthevariousmodelsInthispapertheformandthedevelopmentstatusoftheexistingwinchoff-roadvehiclewinchillustratesthefunctiontakingBeijingJEEPWranglermodelsastheobjecttheoveralldesignoftheroverwinchincludingthedynamicschemedesigndrivesystemdesignandverificationtheworkingdevicecomponentselectionandcalculationthelubricationsystemandoff-roadvehiclemaintenanceisintroduced
KeywordsOff-roadvehiclecapstandesigndrivesystemdesign
概述1
11国内外绞盘应用现状
12现有绞盘形式及分类
2越野车绞盘的主要用途性能特点及设计要求4
21越野车绞盘的主要用途4
22越野车绞盘的主要性能及设计要求5
3某越野车绞盘系统设计8
31越野车绞盘设计参数及要求12
32越野车绞盘输入动力方案选择21
33动力装置的设计计算25
331电动机的工作条件25
332电动机的选择与校验27
34传动装置的设计计算29
341确定总的传动比29
342多级复合轮系减速器的设计计算30
343齿轮模数的确定以及强度校核29
344轴的设计轴上零件的选用以及强度校核29
35工作装置的设计计算与选择4
351钢丝绳4
352卷筒16
4润滑系统与保养方法介绍22
41润滑系统4
42保养方法4
总结44
参考文献45
谢辞47
译文附页48
概述
正如德国BOSCH公司的经验理念名言科技成就生活之美科技正以超凡的速度改变着我们生活的各方各面汽车船舶等交通工具的出现让我们对距离有了新的理解以前遥不可及的地方变成了近在咫尺地球变成了地球村然而有时候我们的钢铁移动盒子也会遇到麻烦事比如陷入到泥泞或沼泽中这种情况就需要我们对一些特殊交通工具加上自救装置绞盘就是汽车的一种自我保护及自救装置
绞盘是具有垂直安装的绞缆筒在动力驱动下能卷绕但不储存绳索的机械也指转动轴线与甲板垂直的绞车是车辆船只的自我保护及牵引装置可在雪地沼泽沙漠海滩泥泞山路等恶劣环境中进行自救和施救并可在其它条件下进行清障拖拉物品安装设施等作业是军警石油水文环保林业交通公安边防消防及其它户外运动不可缺少的安全装置主要用于越野汽车农用汽车ATV全地形车游艇消防救援车道路清障车以及其它专用汽车特种车辆如图1越野车绞盘为绞盘的实物图
图1越野车绞盘
11国内外绞盘应用现状
汽车绞盘是一种利用自身动力发动机旋转通过另外一端的固定或者牵引的钢绳或者特殊索带把陷在困境中的汽车拉出来的一种工具是越野车必备的工具之一绞盘在国外相对来说应用和受欢迎程度相对来说要比国内要高毕竟只有越野爱好者和改装车爱好者才对其有兴趣世界级专业绞盘有中国T-美国warn澳大利亚tjm等三家公司基本上平分市场
按绞盘原动力的不同主要有以下六种
电动绞盘电动绞盘是最常见的绞盘依靠车辆自身的电力系统驱动绞盘优点可以在车辆死火的情况下基本正常使用是其他绞盘无法比拟的尤其对于水多的地区有很大优势安装简单可以实现多位置安装及迅速移位缺点不能维持长时间的使用车辆自身电力系统局限性自身易发热等原因大部分电动绞盘能提供的驱动力较小只能向一个方向施加力量安装于车前只能向前拉安装于后部只能向后拉
PTO绞盘使用分动箱输出动力为动力源POWERTAKEOFF优点能持续提供较大的拉力单次使用时间长不存在发热问题可以提供多方向拉力是军用车辆或严肃的高性能越野最佳选择缺点必须使用发动机动力即在发动机因进水等原因无法工作时无法使用分动箱失去绞盘方向驱动力时无法使用
油压绞盘使用车辆的动力助力转向系统为其动力源使用助力转向泵提供源动力优点安装方便由于其外部固定部分基本实现了通用化甚至在野外即可实现互换驱动力界于电动和PTO绞盘之间发生高温机会极其少见缺点和PTO绞盘一样必须使用发动机驱动力即必须保持发动机转动且一旦动力转向系统出现故障则无法使用
车轮绞盘是一种比较新的绞盘系统即由车轮轴提供驱动力原理是使用大部分越野车轮的6颗固定螺丝中的4颗以固定绞盘优点安装拆卸极其简便和换轮胎是一个步骤重量极轻比任何一种其他绞盘都轻不会被前悬带来致命的额外重量价格便宜可提供前后双方向拉力缺点由于其力量点是轮轴所以位置太低造成部分条件下无法使用而且也必须使用发动机动力
手动绞盘气动绞盘按其用途不同可以分为ATV绞盘越野绞盘卡车绞盘工业绞盘等根据某些行业的特性还有防水绞盘防爆绞盘等分类
越野运动是一种极限运动是富有活力与激情的挑战运动总的来说越野可以分为三类汽车越野摩托越野自行车越野越野汽车作为越野运动的承载工具除了其非凡的动力性能高强度要求外其自救设施对于户外越野运动来说也尤为重要绞盘就是一种重要的自救牵引设备
随着中国经济的迅速发展和人民生活水平的显著提高中国的汽车需求在不断扩大有相关部门统计2005年中国的汽车需求量为640万台预计到今年将接近1500万台相当于目前全球汽车需求总量的四分之一汽车多了绞盘机的使用量也会随之上升此外以前普通国民对绞盘的认识十分的稀少在他们的生活中根本不会在意有没有这样一个小家伙然而近年来国民自驾出游的人数也与日俱增绞盘成了这些人不可缺少的工具因此对于这一课题的研究具有良好的研究前景和积极的意义
21越野车绞盘的主要用途
越野车绞盘是一种重要的自救牵引设备其主要功能就是当越野车陷入雪地沼泽沙漠海滩泥泞山路等恶劣环境中时利用绞盘输出牵引动力将越野车摆脱恶劣环境中绞盘组成如图2绞盘部件图所示
图2绞盘部件图
1中继变速器中继变速器从遥控器上接受信号其内部是能够改变马达方向的整机电路
2马达这一部件中有一个直流电马达图中所示绞盘模型中有一个冷却扇防止绞盘过热
3绞索引导器如果需要使用绞索以一定角度工作这个引导器能将绞索直接引向鼓轮如果带一个滚子则称为滚子绞索引导器
4绞索鼓轮绞索鼓轮和绞索缠绕的缸体一样由电动马达带动通过遥控器按钮可以改变其方向重型绞盘的绞索较重因此鼓轮也较大
5离合器离合器负责开关绞索鼓轮它由一个简单的手柄控制
6遥控器这个遥控器使你能从远处控制绞索这里展示的是最常见的型号有一根线与绞盘相连市场上也有无线形的遥控器
22越野车绞盘的主要性能及设计要求
简单地说绞盘内部的工作机制是从汽车来的电力首先带动马达而后马达带动鼓轮转动鼓轮又带动主动轴主动轴再带动行星齿轮进而产生强大的扭力随后扭力被传回到鼓轮鼓轮便带动绞盘马达和减速器之间有一个离合器能通过一个把手来开关制动单元在鼓轮内当绞索绷紧时鼓轮就自动锁住
图3越野车绞盘模型图
越野车绞盘设计主要需考虑以下两点
1绞盘的牵引力是用磅来定值的可以通过换算来转换成吨或公斤最好选择磅数高的绞盘因为受困中的车辆的重量常常要远高于日常的车重不要牵引超过绞盘牵引力的物体
2绞盘的钢缆缠绕在卷轴上的圈数越多外圈的拉力越小而卷轴长的绞盘可以减少缠绕的圈数来增加外圈的牵引力同一绞盘使用较短的钢缆要比较长的钢缆的外圈牵引力更大
本次设计将以北京JEEP中的牧马人做参考设计该越野车型的绞盘系统
31越野车绞盘设计参数及要求
设计参数如下
车型北京JEEP牧马人系列
整车吨位1920Kg
北京JEEP牧马人系列车型如图4所示
图4北京JEEP牧马人车型
设计要求
当四轮中任一轮子或两前后轮同时陷入泥泞中到轮轴中心位置时改越野车绞盘能实施自救对传动系统中的重要零部件进行强度校核
32越野车绞盘输入动力方案选择
在12现有绞盘形式及分类中叙述到绞盘的形式有多种所以对应的输入动力有多种其中PTO绞盘绞盘牵引力N
牵引速度ms
电动机的效率
估算牵引力FGsinα
牵引力与水平夹角最小值α15°
G19200Nmv005ms
查手册得095
代入数据得Pw80KW
又电动机所需输出功率为
P93KW
查得其中086
根据《小功率电机的选用和应用技术》初选电动机的型号为Y160L-6
在额定工作制即JC100时功率为11KW转速为970rmin
34传动装置的设计计算
341确定总传动比
1．如图所示绞盘工作时齿轮3固定不动则
式中齿轮1的转速单位为rmin
行星架的转速单位rmin
齿轮3的转速单位为rmin
图5传动系统简图
代入数据计算得
----------①
又有----------②
先定各齿轮的齿数为1872162且各齿轮的模数均相等将数据代入①式中有
则97rmin
代入②式中有
定22则取230
则
342多级复合轮系减速器的设计计算
第一级行星减速器的总传动比为
第二级定轴减速器的总传动比为
则总的传动比为
所以减速器的传动误差为
显然所以齿数设计合理
343齿轮模数的确定以及强度校核
1齿轮12和3的设计
①选定齿轮类型精度等级材料和热加工方法
减速器所有齿轮均采用标准直齿圆柱齿轮
由于绞盘为一般工作机器工作转速较低所有选用的齿轮精度为7级
齿轮1的材料为38CrMoAlA齿轮2的材料为40Cr齿轮3的材料为45钢
齿轮1采用调质处理热加工后硬度不低于280HBS
齿轮2也采用调质处理热加工硬度不低于240HBS齿轮3也采用调质处理热加工硬度不低于200HBS两者材料的硬度差保持在40～60HBS之间
②按齿面接触疲劳强度设计
由公式
由于该绞盘为中级工作类型查设计手册选取载荷系数11
电机正常工作时输出扭矩为其中为电机的额定功率为电机的满载转速代入数据计算有
由于齿轮1作悬臂布置查机械设计手册取齿宽系数09
由设计手册查的材料弹性影响系数160
由设计手册查得各齿轮的接触疲劳强度极限
计算应力循环次数减速器每天工作8各小时每年300天工作寿命10年
其中为齿轮1的转速j为齿轮每转一圈同一齿面的啮合次数代入数据计算有60
而
将930rmin代入计算可得3643rmin
且有
那么60
由0知0
由机械设计手册查得两齿轮的接触疲劳寿命系数092097
计算大小齿轮的接触疲劳许用应力
取失效概率为1安全系数S11有
计算
计算齿宽b
计算圆周速度
计算载荷系数
根据395ms7级精度查设计手册的动载荷系数对于直齿轮有由于小齿轮相对支撑作非对称布置查得132124则
m．按实际载荷系数校正所得的分度圆直径
n．计算模数m
③按齿根弯曲疲劳强度设计
由公式
由设计手册查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限
由设计手册查得弯曲疲劳寿命系数
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S13则
计算载荷系数K
K
查取齿形系数
查取应力校正系数
计算大小齿轮的并加以比较
1齿轮
2齿轮
3齿轮
显然3齿轮的数值较大
h．计算模数m
对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算所得的模数大于由齿根弯曲疲劳强度所算得的模数而实际情况中齿轮丧失工作能力主要为齿根折断因此以齿根弯曲疲劳强度设计为准考虑到模数小的齿轮加工困难装配不便所以取模数为m3mm
i．计算齿宽bb
取齿轮1的宽度为
名称代号齿轮1齿轮2齿轮3齿数Z1872162模数mmm3压力角202020分度圆直径dmm54216486齿顶高mm33375齿根高mm3753753齿全高hmm675675675齿顶圆直径mm602224785齿根圆直径mm4652085492齿距pmm942齿厚smm471齿槽宽emm471顶隙cmm075中心距amm135j．该对齿轮的几何尺寸如下表
2齿轮45和6的设计
a减速器所有齿轮均采用标准直齿圆柱齿轮
b由于绞盘为一般工作机器工作转速较低所有选用的齿轮精度为7级
c齿轮4的材料为38CrMoAlA齿轮5的材料为40Cr齿轮6的材料为45钢
d齿轮4采用调质处理热加工后硬度不低于280HBS齿轮5也采用调质处理热加工硬度不低于240HBS齿轮6也采用调质处理热加工硬度不低于200HBS两者材料的硬度差保持在40～60HBS之间
齿轮4传递的扭矩为
但对于齿轮4而言载荷有2条流向所以齿轮5上单个齿实际传递的扭矩为
查机械设计手册取齿宽系数11
由设计手册查的材料弹性影响系数170
由设计手册查得大小齿轮的接触疲劳强度极限为
计算应力循环次数
由机械设计手册查得两齿轮的接触疲劳寿命系数
09
根据035ms7级精度查设计手册的动载荷系数对于直齿轮有由于小齿轮相对支撑作非对称布置查得125120则
取弯曲疲劳安全系数S12则
小齿轮4
大齿轮5
大齿轮6
显然大齿轮的数值较大
h．计算模数
取齿轮4的宽度为
j．该对齿轮的几何尺寸如下表
名称代号齿轮4齿轮5齿轮6齿数Z22104230模数mmm3压力角20分度圆直径dmm66312690齿顶高mm33375齿根高mm3753753齿全高hmm675675675齿顶圆直径mm723186825齿根圆直径mm5853045696齿距pmm942齿厚smm471齿槽宽emm471顶隙cmm075中心距amm189
523轴的设计轴上零件的选用以及强度校核
1轴Ⅰ的设计以及强度校核
轴的结构及其轴上零件的布置如下图所示
图6轴1
绞盘在正常工作的情况下轴1所受的轴向力为
N
考虑到卷筒以及钢丝绳的自重取8300N
由受力模型可计算得N
则N
轴的近似受力模型如下图所示
图7轴1的受力示意图
其中为轴的横截面上的剪力
M为轴横截面上的弯矩
T为轴的扭矩
那么轴所受的最大弯曲应力为
轴所受的最大扭转切应力为
选取轴1的材料为45号钢其许用弯曲应力为〔]65Mpa许用扭转切应力〔]35Mpa
轴上的联轴器为TL6型弹性套柱销联轴器标记为
TL6联轴器
轴上的弹性挡圈均为A型轴用弹性挡圈标记为
轴用弹性挡圈GBT8941-198640
轴上所用的轴承均为6008型轴承标记为
深沟球轴承6008GBT276-1994
轴上的键为普通A型平键标记为
GBT1096键
2轴的设计以及强度校核
图8轴2
F为绞盘提升重物时作用于轴上的外力为支持对轴的作用力为卷筒内部零件在绞盘工作时作用于轴的力
有8300①
84197②
联立得F1582236NF224776N
图9轴2的受力示意图
选取轴3的材料为38siMnMo其许用弯曲应力为[σ]115Mpa许用扭转切应力为[]68Mpa
35工作装置的设计计算与选择
351钢丝绳
钢丝绳是拉力机械中使用最为广泛的传动挠性件其优点是卷绕性好承载能力大自重轻运行时平稳无噪音适于高速传动弹性好强度高过载能力强工作时一般不会发生突然断裂比较可靠因而获得广泛应用
a钢丝绳的材料及制造
钢丝绳是由许多直径为05～2mm高强钢丝绕编而成钢丝的材料通常采用优质碳素钢其含碳量约为015～018含硫磷量不大于003拉伸强度极限通常为1400～2000N特殊情况下可达2400N拉力机中使用1600～1800N的较适宜
根据不同的使用目的其结构和绕编方式各不相同绞盘采用双重绕钢丝绳
b钢丝绳的种类
钢丝绳根据不同的结构和编绕方式而有不同种类
1钢丝绳的捻绕次数
1单绕绳图3-1所示单绕绳是由若干层钢丝绳依次围绕一根钢芯绕制而成这种钢丝绳的构造最简单其特点是刚性大挠曲性差不宜用作拉力绳可用作拉力机的桅索拉索和架空索道的承载索等
2
3三绕绳图3-3所示三绕绳是把双绕绳作为股再由几股拧成绳这种钢丝绳挠性特别好但由于制造复杂且钢丝较细容易磨损折断一般不用
图10点接触股图11双绕绳图12三绕绳
2钢丝绳的捻制方法
1顺绕绳图3-4a所示钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相同这种钢丝绳挠性好表面光滑使用寿命长但容易自行松散和扭转因此它只能用于经常保持张紧状态的地方如小车运行机构的牵引绳
2交绕绳图3-4b所示钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相反其挠性与使用寿命都较顺绕绳差但由于股与绳的扭转趋势相反克服了扭转和易松散的缺陷故在拉力机中使用较广
3混绕绳图3-4c所示即一半顺绕一半交绕因工艺复杂应用少
图13钢丝绳的绕向
a．顺绕绳b交绕绳c混绕绳
3股的形状
1圆股绳图3-3所示钢丝绳中的股为圆形制造方便一般常用
2异形股绳图3-5所示钢丝绳中的股呈三角形椭圆形及扁圆形等这种钢丝绳与滑轮槽和卷筒槽接触良好使用寿命长但制造复杂
图14异型股钢丝绳
a．三角股钢丝绳b椭圆股钢丝绳c扁股钢丝绳
3多股不扭转绳图3-6所示钢丝绳中各相邻层股的捻向相反这种钢丝绳在卷筒上接触表面较大抗挤压强度高寿命长而且受力时其自由端不会发生旋转特别适宜于用作起升高度特大的自升式塔式拉力机的起升钢丝绳
图15不扭转钢丝绳的构造与抗扭机理
a4种多层不扭转钢丝绳构造示意图
b不扭转钢丝绳内外层绳股的捻向及其抗扭特性形成的机理示意图
4钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态
1点接触钢丝绳绳股中各层钢丝直径均相同而内外各层钢丝的节距不同因而相互交叉形成点接触缺点是接触应力高表面粗糙易破断使用寿命低但因其制造工艺简单价格低廉但现逐渐被线接触钢丝绳索代替
2线接触钢丝绳绳股由不同直径的钢丝绕制而成通过断面几个尺寸的适当配置使每一层钢丝的节距均相等并使外层钢丝位于内层钢丝绳之间的沟槽内内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上形成线接触这种钢丝绳消除了点接触钢丝绳所具有的二次弯曲应力可降低工作时总的弯曲应力承载能力高而且挠性好耐腐蚀使用寿命长在拉力机得到了日益广泛的应用
线接触钢丝绳根据绳股断面的结构又可分为三种形式
①西尔型图17a所示又称外粗式代号为X这种钢丝绳股中外层钢丝粗内层钢丝细同一层钢丝的直径相同其特点是耐磨性好但挠性较差
②瓦林吞型图17b所示又称粗细式代号为W这种钢丝绳股的外层由不同直径的钢丝组成配置的细钢丝同时保持与三根相邻钢丝接触其断面填充系数高挠性好承载能力大是拉力机常用的形式
③填充型图17c所示代号为T在股中内外层钢丝形成的沟槽中填充细钢丝断面填充系数高增加了承载能力
3点线接触钢丝绳图18所示这是一种混合结构的钢丝绳如图所示其外面为西尔型里面是是点接触
图17线接触股图18点线接触绳
c钢丝绳的选用
钢丝绳的选择包括钢丝绳结构型式的选择和钢丝绳直径的确定
1钢丝绳结构型式的选择
绕经滑轮组和卷筒的机构工作钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳钢丝绳的性能和强度应满足机构安全工作的要求
一般情况下单根的钢丝绳右捻和左捻在使用上并无区别但由于穿绕双联滑轮组时要求使用右捻以使之正确的卷绕于同一卷筒上顺向捻的钢丝绳表面较平整也较柔软具有良好的抗弯曲疲劳性能因此比较耐用其缺点是绳股容易松开绳头必须扎紧悬吊重物时容易旋转极易卷曲
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