汽车缓速器设计.docx
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汽车缓速器设计
摘要
当今社会，随着人们生活水平的不断提高，对汽车的行驶安全性要求越来越高，安装电涡流缓速器确保车轮制动器处于良好的技术状态,使车轮制动器的温度大大降低。
本文运用大学所学的知识，提出了汽车缓速器的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算，构建了汽车缓速器总的指导思想，从而得出了该汽车缓速器的优点是高效，经济，并且安全系数高的结论。
关键词电涡流缓速器；原理；计算；结论
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofthemodemautomobileindustry,greatimportancehasbeenpaidtothesafetyofthevehicle，especiallytheheavytrucksworkinginthemountainorinthemineareaandthecitybusesdrivinginthecongestedroads．Bytheanalysisoftheusepropertyofthecurrentclutch，thenecessityofusingtheretardersisclearintheheavytrucksandthecitybuses．
Throuthecomparisonofthecurrentdifferentretarders，theadvantageanddisadvantageoftheeddycurrentbrakeisintroduced．Howthemathematicalmodeloftheeddycurrentbrakeintheliteratureisdiscussed，thenthepaperillustratesthedifferenceoftheresultsofthecalculationandtheexperimentdata，anddiscussthereasonwhyitisarise．Thepaperintroducestheusualmethodtosolvethequestionbyusingthefiniteelementmethodintheworldcurrently．
Keywordstheeddy；currentbrake；structure；design；
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题的来源与研究的目的和意义1
1.2电涡流缓速器的简要介绍2
1.3电涡流缓速器的优缺点3
1.4本文设计的主要内容3
第2章电涡流缓速器结构的设计9
2.1电涡流缓速器的总体方案图16
2.2电涡流缓速器的工作原理17
2.3电涡流缓速器的安装位置19
第3章机械传动部分的设计计算19
3.1转子轴的设计计算20
3.2轴承的设计计算20
第4章电涡流缓速器的数学模型和参数设计26
4.1文献所提到的模型27
4.2J．H．Wouterse模型27
4.3综合文献模型后提出的计算公式31
4.3.1制动功率的理论推导31
第5章电涡流缓速器的功能参数设计36
5.1车型选择36
5.2缓速器模型选择36
5.3缓速器参数设计与校核36
结论36
致谢36
参考文献36
第1章绪论
1.1课题的来源与研究的目的和意义
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。
概括说来，现代机械工程有五大服务领域：
研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。
不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：
建立和发展机械工程的工程理论基础。
例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。
研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。
机械产品的生产，包括：
生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。
机械制造企业的经营和管理。
机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。
生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。
销售对象遍及全部产业和个人、家庭。
而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。
因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。
总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步阶段。
虽然早在1964年上海客车厂曾研制过电涡流缓速器，并安装在上海到黄山的长途客车上。
但由于种种原因，电涡流缓速器在国内的应用并没得到应有的重视。
随着现在汽车的驱动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大，加之人们对汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性重视，电涡流缓速器的作用在国内汽车界也日益受到重视。
2002年6月1日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标准JT／T325--2002“营运客车类型划分及等级评定”。
该标准规定中型客车中高二级，大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装置缓速器。
因此可以预计电涡流缓速器必将在国内拥有广阔的市场前景。
1.2电涡流缓速器的简要介绍
这方面的内容以国内学者文献居多，主要讲述关于各种缓速器和电涡流缓速器的基本结构与原理，安装方式，使用效果以及安装及使用时的注意事项[1][2]。
文献[3]阐述了一种与市场上常见的电涡流缓速器结构不一样的设计方法。
它的电磁线圈绕定子径向端面布置，这样虽然在制造时比较复杂，但整个机械结构变得相对简单。
转子工作层采用在低碳钢的表面镀上O．15mm的铜，这样可使转子盘的电导率增大，产生的涡电流和制动力矩也就相应变大。
在转子的外表面设计出风道，以加强散热效果。
作者在设计时主要采用实验的方法，对影响制动转矩大小的各参数进行设计，在设计时主要优先考虑定子铁磁线圈和转子工作面
的形状的影响，然后通过测试磁感应强度值的分布来进行参数选定。
文献[4]阐述了在日本客车上大量使用的永磁式电涡流缓速器，它是在缓速器上配置2列永久磁铁，其中一列固定，另一列通过气动控制沿圆周方向移动，从而控制缓速器的接通（工作）与断开（不工作）。
它的特点是可以实现大幅度的轻量化、小型化；几乎不消耗电力：
连续使用也不会产生过热。
缺点在于所提供的制动力矩偏小，只能用于中型的客车。
文献[5]阐述了一种新型电动机，它的机械结构与电涡流缓速器基本一样，当在定子铁磁线圈中通以交变的电压时，旋转的磁场就会在转子盘中产生感应电势，从而产生电磁转矩，带动转子旋转，整个过程与电涡流缓速器中产生制动转矩正好相反。
文献对这种电机中转子盘上的磁感应强度、涡电流的分布进行分析，先采用结构与经验分析的方法对其驱动力矩进行计算，然后采用有限元的分析，进行数值计算。
此文对磁感应强度和转子盘上的电压分布的假设和简化很值得借鉴。
1.3电涡流缓速器的优缺点
电涡流缓速器是一种新型非接触式减速装置，较之传统制动有许多优点,极大地改善汽车的制动性能，提高汽车行驶的安全性、平顺性，减少生命财产损失；消除传统制动时的尖锐噪声和粉尘对环境的污染；节约车辆保养费用和附带的停驶待修时间损失，延长制动片和轮胎的使用寿命。
小型车辆的制动装置一般包含了“手制动”（手刹）和“脚制动”（刹车踏板），而众多体积庞大、车体沉重、性能日渐优越的现代重型商用车辆（就是俗称的大客、重卡）为了（山区）行车安全，还普遍在前两种传统方式的基础上，加装了各种辅助制动系统，包括排气辅助制动、电涡流缓速器、液涡流缓速器、发动机制动装置等方式途径就本人所见，重型商用车辆辅助制动系统的目的都是在于两点：
一是确保在各种工况和路况条件下对车速的有效控制，二是尽量减少对车辆制动系统硬件的磨损、尤其是对山区安全行车危害极大的（制动鼓、摩擦衬片）热衰退现象。
在四大辅助制动系统中，国产客车目前主要采用电涡流缓速器。
其原理在于利用电磁感应把车辆行驶的动能转化为热能而挥发掉，结构特点相当于在重型商用车辆的传动轴上加装了一台“发电机”，机械装置部分包括了定子、转子和固定架。
不通电时，无接触无磨损，当制动电路接通后，传动轴便受到电磁场的阻力，达到制动目的。
电控部分包括手（脚）控开关、指示灯、制动气压传感器、继电器等，其主要作用则是驾驶员通过对励磁电流的调节，从而控制制动力矩的大小。
电涡流缓速器具有价格便宜、结构简单、可靠性高、维修方便的特点，相比液力缓速器在响应时间上有突出优势。
1.4本文设计的主要内容
本论文主要研究运用SolidWorks对汽车缓速器进行设计。
在设计过程中，了解SolidWorks的各种功能。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内。
当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。
从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。
1997年，Solidworks被法国达索（DassaultSystemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。
由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。
从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖。
其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。
公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。
SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术。
SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。
据世界上著名的人才招聘网站检索，与其它3DCAD软件相比，SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这一事实说明了越来越多的工程师和设计者使用SolidWorks三维软件，越来越多的企业需要SolidWorks人才。
Solidworks软件功能强大，易于操作，界面人性化，技术创新，组件繁多是SolidWorks的五大特点。
使得SolidWorks三维软件成为目前全球领先的三维CAD解决方案。
SolidWorks在设计时能够为用户提供不同的设计方案，通过方案的筛选，工程师能从中选择合适的方案，从而在设计过程中降低设计的错误以及提高产品质量。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便又通俗易懂的软件之一。
它不仅提供如此人性化的系统，同时对每个工程师和设计者，乃至整个机械行业提供了良好的发展基础。
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。
公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。
据世界上著名的人才网站检索，与其它3DCAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。
据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。
在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。
Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
SolidWorks在现今社会阶段逐渐广泛应用，并且SolidWorks公司对中国市场重点开发，日后SolidWorks应用将会更加完善，更加普遍。
通过前文对SolidWorks的深入了解后，往后会对SolidWorks进行个别应用的分析，如建模，装配，工程图，力学分析等。
第2章电涡流缓速器结构的设计
2.1电涡流缓速器的总体方案图
电涡流缓速器是电涡流缓速装置的主要总成。
该制动器由定子和转子组成，数个铁芯和线圈组成定子组，装在汽车两纵梁之间。
转子由两个带冷却叶片的铸铁转子盘和转子轴组成，与汽车传动轴相接，并随其转动，其中电涡流缓速器的总体方案图如下图所示：
2.2电涡流缓速器的工作原理
本次设计的电涡流缓速器简单地讲其工作原理是：
利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉，从而实现汽车的减速和制动。
电涡流缓速器制动力矩的产生具体过程是：
当驾驶员接通缓速器的控制手柄（或踩下制动踏板）开关进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁线圈自动通以经调节的直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路，如图2-9所示。
磁极磁通量的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关。
这时在旋转的转子盘上，其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化（或者说其内部无数个闭合导线就切割励磁线圈所产生的磁力线），从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应电流，即涡流
以磁极的正上方为界，在转子盘内就会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡流，其方向相反。
一旦涡电流产生后，磁场就会对带电的转子盘产生阻止其转动的阻力（即产生制动力），阻力的方向可由弗莱明（Flemin）左手法则来判断。
阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图2一10所示。
同时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生热效应而导致转子发热。
这样，车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去。
图2—11是在试验系统上测得的某电涡流缓速器四个不同档位上产生的制动力矩随转子转速变化的特性曲线。
从特性曲线上可以看出力矩随转速增加而迅速增大，达到一定转速时有极大值，而后随着转速增加制动力矩略有下降。
这主要是由于涡流去磁效应影响的结果。
2.3电涡流缓速器的安装位置
一般对于发动机前置的货车，缓速器安装在传动轴之间，定子固定通过连接支架固定在货车底梁上。
而对于发动机后置的客车，缓速器的定子壳体用支架固定在变速器输出端端盖上。
还可将其装于主减速器上。
第3章机械传动部分的设计计算
3.1转子轴的设计计算
轴是组成机械的重要零件之一，它是安装各种传动零件，使之绕其轴线转动传动转矩或回转运动，并通过轴承与机座相联接。
轴与其上的零件组成一个组合体—轴系部件，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零、不见的整个结构密切联系起来。
由于振动输送所用的轴即传递扭矩又承受弯矩，所以我所设计的阶梯轴为转轴，由于小带轮已经设计好，大带轮的尺寸也就定了，只剩下轴径的确定，轴的初步设计是根据扭转强度，校核弯曲强度，由于轴的材料很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度、和其他机械性能等的要求，采用热处理方式，同时考虑制造加工工艺并力求经济合理，通过设计计算来选择轴的材料，选用最常见的45#钢作为轴的材料,且其需用切应力为40MPa
轴与其上的零件组合成一个组合体，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。
轴的结构设计是在初算轴径的基础上进行的。
为满足轴上零件的定位、紧固要求和便于轴的加工和轴上零件的装拆，通常将轴设计成阶梯轴。
轴的结构设计的任务是合理确定阶梯轴的形状和全部结构尺寸。
轴的材料选用45号钢，为保证其力学性能，进行调质或正火处理。
1、初步计算轴的直径
按照扭转强度估算轴的最小直径，写成设计公式，轴的最小直径
mm，查表16.2，c=112,p=20.35,n=851,代入设计公式得
=32.26mm。
考虑到轴上有键槽以及其他因素的影响，应适当增加轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。
取轴的直径d为40mm，即最右端装带轮处的直径为40mm。
装有密封元件和滚动轴承处的直径，应与密封元件和轴承的内孔径尺寸保持一致。
轴上两个支点的轴承，应尽量采用相同的型号，便于轴承座孔的加工。
相临轴段的直径不同形成轴肩。
当轴肩用于轴上零件定位和承受轴向力时，应具有一定的高度，轴肩处的直径差一般取5—10mm，这里轴肩出的直径差选择5mm，然后协调各段轴的长度，考虑到要装轴承座和机构的合理性，还有螺钉等的长度及其他各方面的因素，初步确定轴的各段长度。
3.2轴承的设计计算
根据根据条件，轴承预计寿命16×365×8=48720小时；
（1）已知nⅡ=458.2r/min 两轴承径向反力：
FR1=FR2=500.2N；
初先两轴承为深沟球轴承6204型。
根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；
（2）∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端
FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N；
（3）计算当量载荷
P1、P2根据课本P263表（11-9）取f P=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fP（x1FR1+y1FA1）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N；
P2=fp（x2FR1+y2FA2）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N；
（4）轴承寿命计算
∵P1=P2故取P=750.3N；
∵深沟球轴承ε=3；
第4章电涡流缓速器的数学模型和参数设计
4.1文献所提到的模型
从国外的文献来看，有关电涡流缓速器计算和仿真的模型有很多，其中最早的模型是1942年的Smytheuq模型，他给出了一个最基本的模型。
1983年Bigeontgl用有限元的方法对其进行了求解，以后陆续有学者对运动导体下的导体电涡流分布进行了数值算法的具体研究。
1991年Wouterse¨刮提出的模型，对电涡流缓速器定子和转子结构对制动力矩的影响进行了研究，并给出了影响公式。
还有其他的学者也做了这方面的工作。
国外的这些学者，大都通过实验对自己提出的理论进行了验证，并通过实验，研究各个参数变化对制动力矩的影响。
4.2J．H．Wouterse模型
当电涡流缓速器的转子盘旋转时，便产生一个与作用在转子盘上的磁场强度和运动速度相垂直的电场E=v×B。
如果这个速度相对于关键速度比较低的话，那么，由涡流电场产生的感应电磁场就和源磁场强度Bo。
相比较低。
可以假定作用在转子盘上的磁场强度等于Bo。
我们可对转子盘上的电流模式作一个理想假定。
假设转子盘绕磁极旋转，产生的电流分布如下图所示。
图3-2电涡流缓速器几何模型和低速下涡流的理想流向
无论是通过理论或是实验，都可得出当
后，转子盘的直径超出磁极的尺寸对制动力矩的影响变小，83％
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