汽车轮胎静态加载变形测试装置设计

本 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design Of Automobile Tyres Static Pressurization Deformed Test Installation Candidate ：Wang YunSheng Specialty ：Vehicle Engineering Class ：B05-17 Supervisor：Professor Qi Xiaojie Heilongjiang Institute of Technology 2009-06·Harbin 摘　　要 轮胎是汽车行驶系统中的重要部件，通过轮胎与地面直接接触，在道路上行驶。其主要作用是：支撑汽车的整车总质量，与汽车悬架共同吸收和缓和汽车行驶时所受到的冲击和振动，以保证汽车具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性保证轮胎与路面的良好附着而不致打滑，使汽车行驶平稳。 本次汽车轮胎静态加载变形测试装置设计主要偏重于对其液压加载系统的设计，另外分别辅之进行台架材料的选择与计算校核、传动半轴选择计算、实验台与轮胎轮辋连接部分的设计、台架与加载液压缸的固定等并产生具有实践意义的选型总结；然后进行汽车轮胎静态加载变形测试装置的总体布置，用总布置草图达主要加载机构的设计和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图，清楚表达设计。 关键词：汽车轮胎；轮胎试验；静态加载；液压系统；加载装置 ABSTRACT The tyres are the important parts of automobile driving system, through direct contact with the ground, and tires in the road. Its main function is: quality of automobile vehicle always supported, and automobile suspension common absorption and ease of vehicle shock and vibration, in order to ensure that the car has a good ride comfort and ride with the good guarantee tire surface without attachment, make the car skidded. This car tyres static loading test device design deformation of the main focus on the design of hydraulic loading system, in addition to the bench for auxiliary materials were calculated, and the choice and transmission axis calculation and experimental platform and the choice of design of tyres felloe connection with loading bench, hydraulic cylinder of fixed and practical selection, Then the static load test of deformation car tires with the overall layout, equipment layout drawing expression of design and loading mechanism is an important work of the device, Finally, through the correct calculation, complete parts design, reasonable selection process and small batch processing easily, low cost, high reliability design requirements, and possessed by the assembly, clear design. Key words: Car tyres ; Tyre testing; Static load; Hydraulic system; Loading device 目　　录 I摘要 IIAbstract 1第1章 绪论 11.1概述 11.1.1课研究现状 11.1.2目的和意义 11.2轮胎领域的发展状况 11.2.1轮胎的发展状况 21.2.2轮胎的检测 31.2.3轮胎实验的研究状况 61.3轮胎测试装置的发展 71.4课题基本内容 71.4.1研究的基本内容 81.4.2本设计主要解决的问题 81.4.3技术路线 9第2章 车轮悬置部分总体结构设计 92.1总体的结构设计 102.2液压加载力的确定 102.3本章小结 11第3章 液压加载系统设计计算 113.1液压系统的设计要求 113.2载荷的组成和计算 123.3液压系统主要参数计算 123.3.1初选系统工作压力 123.3.2计算液压缸的主要尺寸 133.4液压缸主要零部件设计 133.4.1缸筒 173.4.2活塞 183.4.3活塞杆 203.4.4活塞杆的导向套及密封和防尘 203.4.5油口 213.5制定基本和绘制液压系统图 213.5.1制定基本方案 213.5.2绘制液压系统图 223.6液压元件的选择 223.6.1液压泵的选择 233.6.2液压阀的选择 233.6.3蓄能器的选择 233.6.4管道尺寸的确定 243.6.5油箱容量的确定 243.7液压系统性能验算 243.7.1验算回路中的系统压力损失 253.7.2液压系统发热升温计算 273.8本章小结 28第4章 车轮驱动零部件设计 284.1 半轴的型式 294.2半轴的设计与计算 294.2.1半轴的设计计算 314.2.2半轴的结构设计及材料与热处理 324.3轮毂联接盘与轴承座结构 334.4本章小结 34第5章 测试台架的结构设计及校核 345.1测试台架的结构 345.1.1测试台架结构 345.1.2测试台架的材料及制造工艺 355.2测试台架的校核 355.2.1弯曲疲劳强度校核 365.2.2拉伸疲劳强度校核 365.2.3扭转疲劳强度校核 375.3本章小结 38第6章 桥壳结构的分析 386.1桥壳的受力分析 386.2相关软件简介 386.2.1建模软件简介 396.2.2 有限元分析软件简介 406.3半桥壳模型的有限元分析 406.3.1半桥模型的建立 416.3.2半桥壳的有限元分析 426.3本章小结 43结论 44参考文献 46致谢 47附录A 53附录B 第1章 绪　　论 1.1概述 1.1.1课题研究现状 汽车轮胎静态加载变形测试装置是一种检测轮胎的装置，就产品本身的测量准确性来说，需要科学技术、生产工艺和严格的管理来保证。目前我国的轮胎实验台市场上有很多的生产厂家，这些生产厂家的产品可以说良莠不齐，一些企业有强有力的技术队伍和设计计算能力，严格工艺、严格管理，产品质量达到行业标准要求甚至达到国际标准要求。随着经济的发展和技术的进步，以及对提高实验效率的要求日益增高，作为试验装置大家族中一个分支的轮胎静态加载变形测试装置，陆续出现了多种多样的型式；随着中国汽车行业的飞速发展，就应该有大批量的轮胎加以供应。在轮胎行业中，轮胎实验机正在变得越来越重要。现如今，新型汽车的发展时间还不到两年。四轮驱动的跑车和越野车的数量在不断的增加，这就要求汽车的轮胎不仅要适合混凝土路面而且还要适合越野路况的行驶。 现在轻型卡车和运输商务车都在挑战更快的速度，这就要求它们的轮胎能够适应这些不断变化的条件。在轮胎翻新行业中，卡车轮胎的市场份额也在逐步地扩大。因此，汽车轮胎静态加载变形测试装置的设计是十分必要的，在当代汽车轮胎生产和服务行业中也有很重要的现实意义。 1.1.2目的和意义 进行汽车轮胎静态加载变形测试装置设计的目的是检测汽车轮胎静态加载时汽车轮胎变形检测 轮胎是汽车行驶系的重要部件，它传递着汽车与路面之间的各种力和力矩，对车辆的各种性能都起着至关重要的作用。所以，轮胎实验机正在变得越来越重要。现如今，新型汽车的发展时间还不到两年。四轮驱动的跑车和越野车的数量在不断的增加，这就要求汽车的轮胎不仅要适合混凝土路面而且还要适合越野路况的行驶。 现在轻型卡车和运输商务车都在挑战更快的速度，这就要求它们的轮胎能够适应这些不断变化的条件对其进行加载试验，分析其变形特性，是进行轮胎各项研究的基础，也是各种仿真分析的前提，具有重要意义。 1.2轮胎领域的发展状况 1.2.1轮胎的发展状况 汽车工业的发展极大的推动了轮胎工业的技术进步。轮胎新产品不断涌现，基本满足了汽车工业发展的需求。 从20世纪90年代起，全球轮胎市场竞争日趋激烈，国外大轮胎公司为了提高生产效率、降低生产成本，以轮胎生产过程中的成型工艺为核心，开发了全自动生产技术，从而大大提高了企业的核心竞争力。以米其林为代表的轮胎公司还相继推出了节能轮胎和绿色轮胎。近年来，随着人们安全意识的加强，跑气保用轮胎的研究和应用越来越受重视。在20世纪90年代跑气保用轮胎技术的基础上，世界各大轮胎公司又推出了自己的更新换代产品[1]。 经过几十年的发展，我国轮胎工业已形成了较完整的工业体系，尤其是20世纪90年代后期随着众多外资企业的涌入和引进技术的日趋成熟，我国轮胎工业迅速发展，子午线轮胎生产有了很大进步。近几年，随着汽车工业的飞跃发展，我国轮胎产量的的增长更是令世人瞩目。2001—2006年，我国轮胎总产量年均增长率在19.4%以上子午线轮胎年均增长率36.7%。目前，我国轮胎年产量已达到2.5亿条，其中汽车轮胎近2亿条，成为仅次于美国的第二大轮胎生产国。我国轮胎工业经过近10年的技术改造，在新产品开发能力方面有了长足的进步，自主开发的全钢载重子午线轮胎、全钢工程机械子午线轮胎和高性能轿车子午线轮胎除供应国内市场外，还远销国外，为我国轮胎工业赢得了较好的声誉。 1.2.2轮胎的检测标准 轮胎作为汽车的关键部件，是汽车性能的体现者。为了确保汽车行驶安全、乘坐舒适和节约燃料，国内外针对轮胎性能试验颁布了多项标准。 目前，美国、欧盟、日本以及世界上大多数国家和地区都对汽车轮胎的检测执行安全质量标准。美国自20世纪70年代开始，在联邦机动车辆安全标准（FMVSS）中就提出了有关汽车轮胎的标准，并于1968年正式实施了轿车轮胎安全标准FMVSS-109，至今仍在执行该标准。该标准要求轿车轮胎必须通过4项试验检测，即高速性能试验、耐久性试验、强度试验和无内胎轮胎脱圈阻力试验。1975年美国将耐久性和强度两项试验扩建到载重、公共汽车和其它非轿车轮胎，标准号为FMVSS-119。欧盟于1958年制定了“关于批准汽车（轿车）及其挂车轮胎的统一规定”，即ECE No.30，该规定对轮胎的尺寸、负荷和高速性能试验进行了标准规定。1983年，欧盟推出了“载货汽车及其挂车轮胎的统一规定”（ECE No.54），对载重轮胎的外缘尺寸测量方法和耐久性试验方法等做了规定。 由于世界汽车工业的发展，自20世纪70年代开始，对轮胎的互换性、安全性以及其它性能提出了更高的要求。因此，为了协调世界各国轮胎与轮辋的标准、确定通用的结构参数，国际标准化组织（ISO）成立了TC-31委员会，专门从事轮胎与轮辋的标准化工作。几十年来，国际标准化组织针对轮胎的成品检测方法制定了许多标准，如“轻卡、货车和客车轮胎滚动阻力测试方法”“轿车轮胎性能试验方法”“卡车和客车轮胎直线制动试验方法”“卡车和客车轮胎自由滚动转向性能试验方法”等。这些试验检测方法的标准化与国际化，极大地推动了国际轮胎技术的进步与发展。 自20世纪90年代开始，发达国家子午线轮胎的应用比例已超过95%。高速公路的发展使汽车的行驶速度极大提高，因轮胎问题引发的交通事故不断出现，尤其是普利司通-菲尔斯通公司的两次轮胎召回事件影响甚大。专家们调查研究发现，从20世纪60年代开始实施的轮胎安全标准在某种程度上已经不能适应现实的使用要求，因此美国国家公路安全局（NHTSA）从2000年开始着手轮胎安全标准的修订，目前已经完成。新版标准将于2007年6月1日起实施[2]。 修改后的轮胎安全标准在轮胎性能指标要求方面发生了较大的变化，主要集中在乘用车和轻型载重汽车轮胎上，重点是子午线轮胎。因此，NHTSA决定制定一个新的标准，即FM-CSS-139。新标准中保留了强度性能和脱圈阻力的技术指标；在耐久性试验方面，考虑到实际车速和汽车性能的提高，将试验速度由原来的120，128和136km/h分别提高到140，150和160km/h。 为了保证汽车安全行驶，NHTSA更加强调轮胎的低气压试验，考虑到目前已经要求的轮胎气压报警气压，规定乘用轮胎低气压试验的气压为140K。 预计新标准实施后将有约11%的轮胎不能达标，其中2%--3%的轮胎不能通过高速性能试验，2%--3.5%的轮胎不能通过耐久性试验，约6%的轮胎不能通过低气压试验[3]。 我国自20世纪80年代开始陆续制定了一系列轮胎成品试验标准，这些标准随着我国汽车工业和交通运输业的发展被不断完善，并已列入“安全性能”的技术要求中。目前，我国轮胎室内试验标准已达到美国、日本、欧洲标准“等效”的程度。 1.2.3轮胎实验的研究状况 由于轮胎是汽车性能的最终体现者，为了满足汽车的各项性能要求，几十年来对轮胎进行了多方面的试验研究，并不断完善试验方法和标准满足了现代汽车高速、安全等使用要求。 1. 力和力矩试验 轮胎在行驶过程中产生的力和力矩对汽车的性能有很大影响。轮胎力学特性研究始于1952年，1952年为了统一力学术语，建立了轮胎基准坐标系，有力地促进了轮胎力学特性研究工作。英国邓禄普公司提出的“地面侧向反作用力试验装置”开创了橡胶轮胎力学特性研究的先河。 20世纪40年代，随着轿车子午线轮胎开始应用，汽车行驶速度有了较大提高，迫切要求改善汽车的操纵稳定性，轮胎力学特性研究也得以更广泛的开展。在此期间，轮胎力学研究者设计和开发了多种多样的检测设备，20世纪70年代，北京橡胶工业研究设计院成功开发了轮胎动性能试验装置，为了更加真实地模拟轮胎在路面上行驶状况，转鼓直径达到5m。后来带状平面试验机取代了传统的转鼓试验机，使轮胎力和力矩的测量更加准确。 轮胎力学特性的测试分为室内试验和室外试验。室内试验主要设备有转鼓式试验机、往复平板式试验机和循环钢带式试验机；室外试验主要设备是轮胎力学特性试验拖车或具有六分力传感器车轮的轮胎力学特性试验车[4]。 室内外试验方法各有其优缺点。室内试验可避免过多的环境影响，可严格控制各种试验条件，可以比较容易地改变试验参数数值的大小，如转速轮胎外倾角及侧偏角等。需要注意的是，室内试验是单个车轮的试验，因此车辆悬架和转向系的侧倾转向以及悬架的变形转向对纯粹的轮胎弹性侧偏特性的影响可以控制到最小甚至不发生，但是室内试验很难模拟不同的道路路面条件。而室外试验与室内试验正好相反，拖车车身不可避免地会由于路面、风的影响产生侧倾、俯仰运动，加之悬架往往选用现成的，轴转向、变形转向不可避免，从而造成了室外试验数据的离散性比较大。然而室外试验是在真实路面上进行的，故研究不同性质的路面对轮胎力学特性的影响时，室外试验更容易[5]。 我国目前室内研究主要采用转鼓式试验机，室外研究则采用改进型的第2代试验拖车[6] 。能够安装在轮胎上的六分力传感器也有应用。 2. 噪声试验 随着对环境的日益关注，国内外轮胎检测方法中开始引入对轮胎环保性能的检测，噪声检测就是其中重要的一项。为了给轮胎噪声大小分类和开展发声机理研究，各国际性和各国国内的标准化组织制定了不同的噪声测试方法。 目前，轮胎噪声测试方法尚无国际统一的标准。由于噪声的复杂性和评价方法的不一致性，现行的噪声测试方法也多种多样。按试验场地不同，可分为室内噪声试验和室外噪声试验两类。室外噪声试验方法有试验车惯性滑行法、拖车法和拖车惯性滑行法等。室内噪声试验则以转鼓法为主。这些测试方法各有优缺点，在进行实际测试时通常根据具体需要进行方案的选取。 我国目前的噪声试验主要采取室外测试方法，将轮胎装车后在实验场进行通过性试验测试噪声[7.8]。但最近我国也建成了室内噪声测试室，可以进行室内轮胎噪声试验，为噪声分析和研究创造了更有利的条件。 3. 滚动阻力试验 轮胎对汽车的燃油经济性有直接影响，减小轮胎滚动阻力可以提高汽车的燃油经济性。轮胎对汽车能耗的影响主要取决于其滚动阻力。滚动阻力因轮胎变形增大而增大，而轮胎变形程度又与车速有直接关系，因此轮胎对汽车能耗的影响也视车辆使用条件而定。 美国于1979年出台了“乘用车、轻载和高速载重和公交轮胎滚动阻力的测量方法”（SAE1269），该方法采用单一速度（80KM/h），后来又发展了多速度的测量方法，并于1999年出台了“测量轮胎滚动阻力的逐步下降法”（SAEJ2452）,该方法在115150km/h内的6个速度上进行测量。 国际标准化组织于1989年颁布了轿车轮胎滚动阻力试验方法，1992年颁布了载重汽车和大型客车用轮胎滚动阻力试验方法。我国于2002年颁布了“汽车轮胎滚动阻力试验方法”（GB/T18861—2002），规定了用稳态条件和自由滚动方式在转鼓式轮胎试验机上测量新的汽车轮胎滚动阻力的方法。该标准适用于所有新的轿车和载重汽车轮胎。 4. 安全性能试验 随着汽车速度的提高，人们越来越重视轮胎的安全性能，因此各轮胎制造商除了进行有关的非标准性能测试外，还要进行一些必要的、与轮胎行驶安全密切相关的非标准性能测试，如湿滑性能和冰雪路面上的行驶性能等。 （1）水滑性能试验。当轮胎在水膜覆盖的路面上高速行驶时，轮胎会由于流体压力而产生上浮现象，称为“水滑现象”[9]。水滑现象一旦发生，轮胎与路面间的摩擦力会急速下降，轮胎非常容易打滑，直接影响汽车的操控性能。因此轮胎的水滑分析是轮胎设计和试验过程中必不可少的一部分。 水滑性能试验分为转鼓试验和试验场试验，国内外都非常重视轮胎水滑性能试验，国外通常都有先进的测试设备和试验场。国内主要通过试验场试验，根据轮胎在不同湿路面上的表现对轮胎进行评价。通过高速摄像机或玻璃板下摄像的方法还可以获得直观的水滑性能分析材料，有助于更好地研究轮胎的水滑性能。 （2)冰雪路面试验。冰雪路面具有一定的特殊性，为了使轮胎适合在冰雪路面上行驶，专门设计了一些雪地和冬季轮胎，这些轮胎可以满足汽车在冬季冰雪路面上安全行驶的要求[10]。目前国际上还没有针对在冰雪路面上使用的轮胎的统一检测标准，但对轮胎在冰雪路面上行驶性能的测试和研究早在20世纪七八十年代就已经开始，测试方法主要集中在装车试验上，主要评价轮胎在试验场地内的性能表现。 1.3轮胎测试装置的发展 在早期较为简单、功能单一的各种轮胎测试装置的基础上，近年来国内外开发和研制出了很多新型高性能的轮胎测试装置。 在我国，轮胎试验测试装置研究工作起步较晚，早期主要依靠引进国外设备。近年来，我国在轮胎试验测试装置的设计和研究方面也有了很大的进展，出现了多家自行研制和开发轮胎测试装置的单位和企业，开发出多种类型的轮胎测试装置。 青岛高校软控股份有限公司研制生产的QLP1320轮胎动平衡试验机，目前通过了欧洲CE认证，取得了欧洲市场的准入证[11]。天津市久荣轮技术有限公司是我国专业研究车轮/轮胎试验机的高科技企业，已经开发投放市场的产品有：各种轮胎耐久、高速性能试验机（分别适用于TB LT PC MT BC轮胎），各种标准实验轮辋（规格已超过1000种），球带尺、平带尺，车轮径向疲劳试验机，冲击性能试验机，车轮不圆度试验机等等。由于产品技术含量高、配置先进、质量可靠，除供应国内市场外，最近又被日本普利司通轮胎公司一次采购7台轮胎试验机，2台为载重轮胎耐久性试验机，还采购标准实验轮辋40套，被法国米其林轮胎公司亚洲技术研发中心采购标准实验轮辋84套。 国际上，汽车轮胎生产企业很多，荷兰VMI轮胎机械制造公司最近推出一种万用论坛试验机，该机可测试轿车和载重车轮胎4种不同的使用性能。这种单一试验机可进行负荷下沉量、轮胎脱位、压穿强度和接地印痕实验[12]。日本住友橡胶工业公司研制成功一种专门用于测试轮胎在冰地的抓着力和水滑性实验的新装置，从而使得轮胎制造商在轮胎新品开发研制或常规生产过程中随时都可以便捷的进行这两项实验[13]。德国Beissbarth公司开发了一种称作MTT2100微型轮胎试验机的新型轮胎实验装置。该装置的工作方式是在轮胎充满气时对其每一个断面成一次像，然后将气压降至预定水平，再成一次像。用软件对所得信息进行比对和解释，以图像显示结果。轮辋和轮胎都不用取下便可以完成分析，而且可以看到割伤、撕裂和机械损伤等轮胎内部缺陷。 同时，目前国外的水平路面模拟技术要领先于国内，特别在高速轮胎试验机方面，国内的试制水平还没有达到理想水平，将轮胎在可高速移动的水平面上进行模拟实验的效果要好于在转鼓上模拟的效果，在这方面的技术还要学习国外的一些技术[14]。虽然，目前轮胎试验机的研制水平已经较过去有很大的提高，但对于轮胎试验机的模拟效果与实际情况的接近程度还没有深入的研究，本课题主要针对这个问题进行深入的分析研究[15]。 随着汽车工业的发展，对轮胎的环保、节能和安全性能都将会有越来越高 要求，因此汽车轮胎的实验研究将会更加广泛和深入，发展重点在以下几个方面。 （1）安全性能实验。汽车行驶速度越来越快，安全性也备受关注，因此轮胎研究工程师会加大室内外影响轮胎安全性能因素的实验研究力度。在室内实验方面，MTS平带式试验机将得到更广泛的应用，以研究在一定牵引力或制动力的情况下轮胎倾向力或纵向力的变化情况来确定汽车的操纵稳定性。在室外路试方面，首先考虑研究轮胎在湿路面和冰雪路面上的操纵性能，其中湿路面上的水膜深度将增大到7mm以上，测试在200lm/h的速度下轮胎的转向性能及稳定性。轮胎湿滑路面的侧向附着力对安全性能也有很大的影响，尤其是在高速转弯情况下，因此，研究分析高速条件下，尤其是湿滑路面上轮胎与路面间的侧向附着力变化非常必要。在安全性能的实验研究方面，为配合智能轮胎的面市，轮胎设计工程师会更广泛地采用电子元器件，并与汽车的电子稳定装置系统相结合，使得RFS轮胎更加安全可靠。 （2）节能技术实验。节能技术由于石油价格的持续上涨而变得更加引人关注，为此，汽车工业设计生产了双燃料动力、太阳能动力和电动汽车。为了减少轮胎行驶时产生的滚动阻力、降低能耗，轮胎设计者必将更深入的研究影响轮胎滚动阻力的因素。目前广泛应用与轮胎滚动阻力测试的室外实验方法是恒定速度下的燃油消耗测定和拖车测量。虽然也有使用底盘测功机进行摩擦阻力测量的方法，但这种方法需要修正。由于欧美国际很长一段时间以来一直要求在轮胎上标注滚动阻力信息，因此轮胎滚动阻力测试必须进行[16]。从2006年7月1日起，国内对出厂的机动车进行了乘用车燃料消耗限制，这对降低轮胎滚动阻力提出了更高的要求。 （3）环保性能试验。由于轮胎引发的环保问题已经受到许多国家的重视，为了解决这一问题，轮胎设计者在考虑轮胎翻新的同时，也在不断设法延长新胎的使用寿命，因此，轮胎的室内外耐久实验，尤其是实际道路实验越来越重要。为了保证轮胎的实际使用寿命，试验场的道路强化实验必须进行。 汽车行驶时由轮胎产生的噪声也是环境影响因素之一，因此这方面的深入试验研究将成为轮胎设计者的一个重要课题。 1.4课题基本内容 1.4.1研究的基本内容 本次汽车轮胎静态加载变形测试装置设计主要偏重于对其液压加载系统的设计，另外分别辅之进行台架材料的选择与计算校核、传动半轴选择计算、实验台与轮胎轮辋连接部分的设计、台架与加载液压缸的固定等并产生具有实践意义的选型总结；然后进行汽车轮胎静态加载变形测试装置的总体布置，用总布置草图表达主要加载机构的设计和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部件设计选型，达到工艺合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图，清楚表达设计。 1.4.2本设计主要解决的问题有以下几个方面 （1）通过阅读、上网等途径搜集国内外近十年来有关汽车轮胎实验台的资料； （2）台架材料槽钢的选择； （3）确定所选轮胎静态加载变形测试装置设计结构——加载机构； （4）分别拟定几种不同结构的加载机构，并将它们进行分析对比，从而选择一种最佳的方案进行下一步设计； （5）设计一种比较合理的加载力的调节装置； （6）设计较合理的动力连接装置 （7）绘制总装配图。 1.4.3技术路线 本次轮胎静态加载变形测试装置的设计主要通过查阅近十年以来国内外有关轮胎静态加载变形测试装置的一些相关资料，结合当前的轮胎实验台的发展形式，并根据具体的调查研究及勘测设计完成一种适合现代化轮胎静态加载变形测试装置的加载机构。依据加载机构的设计思想画出其机构组成以及总装配图，并辅之以说明。在整个设计的过程中举出几种不同的机构设计方案，并对这几种方案进行对比分析，最后将选定的机构方案进行校核以实现机构的优化。 本次轮胎静态加载变形测试装置设计的最后成果以设计说明书为主，再附加必要的设计图纸（包括部分结构图和总装配图）。另外，还要对改装设计后的加载机构进行校核。 第2章 车轮悬置部分总体结构设计 2.1总体的结构设计 车轮悬置部分是测试装置中的重要部分，它在测试装置中起着传递加载力，即将液压缸加载的力传递到被测试车轮，它还起着将驱动装置传来的转矩传递给被测试的车轮使其可以运动起来。具体的结构如图2.1所示 1.被测试轮胎 2.联接盘 3.轴承座 4.液压缸组件 5.半桥壳 6.半轴 7.台架 图2.1 测试装置总体结构图 2.2液压加载力的确定 根据设计任务书中要求加载力约为24吨得 F=mg=(24)9.81 000=(19.639.2)KN 故在设计中采用设计的液压加载力可达（19.639.2）KN之间。 2.3本章小结 本章主要介绍了装置的总体的结构，及其设计任务中的主要的加载力的换算，为以后各系统部件的设计作基本的铺垫。 第3章 液压加载系统设计计算 液压加载系统是轮胎静态加载变形测试装置的一个组成部分，它与主机的关系密切两者的设计需同时进行。设计时必须从实际情况出发，有机地结合各种液压加载方式，充分发挥液压加载的优点，力求做到设计出的系统重量轻、体积小、效率高、工作可靠、结构简单、操作和维护保养方便，经济性好[18]。 3.1液压系统的设计要求 设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手液压加载系统各部分设计之前必须把设计要求以及与该设计内容有关的其它方面了解清楚。 （1）本测试装置是用于对汽车轮胎进行加载的装置，就产品本身的精密性来说，需要科学技术、生产工艺和严格的管理来保证； （2）液压加载系统主要是要完成对测试装置中对被测轮胎的加载、卸载，及保压等，本系统先对被测轮胎进行加载，然后进行保压（即保持加载的加载力不变），最后完成测试试验后将加载力卸去； （3）本加载系统采用液压缸的形式进行加载，加载的速度尽量缓慢加载； （4）本机构加载力大小约为2—4吨，即19.6—39.2KN； （5）本系统采用电磁换向阀控制换向，节流阀控制流量，采用储能器进行保压； （6）本液压系统要求具有一定的防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性； （7）本液压系统要求制造成本低，工作效率高。 3.2载荷的组成和计算 如图3.1，表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注在图上 其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm是活塞与钢壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。 作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg、导轨的摩擦力Ff和由于速度变化而产生的惯性力 QUOTE 。 工作载荷： 常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等。这些作用力的方向如与活塞运动方向相同为负，相反为正。 图3.1液压系统计算简图 3.3液压系统主要参数计算 3.3.1初选系统工作压力 压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般按表3.1选择系统工作压力 表3.1按载荷选择工作压力 载荷/KN 5 510 1020 2030 3050 50 工作压力/MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5 3.3.2计算液压缸的主要尺寸 液压缸有关设计参数（见图3.2）。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为活塞杆工作在受拉状态。 活塞杆受压时 （3.1） 活塞杆受拉时 (3.2) 式中： —无杆腔活塞有效作用面积(）； —有杆腔活塞有效作用面积()； —液压缸工作腔压力(Pa)； —液压缸回油腔压力(Pa)，即背压力。其值根据回油腔的具体情况而定； D—活塞直径(m)； d—活塞杆直径(m)； 图3.2 液压系统计算图 一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为 (3.3) 故 (3.4) 根据液压缸尺寸内径选取D=100mm 3.4液压缸主要零部件设计 3.4.1.缸 筒 1、缸筒结构 常用的缸筒结构有十六类[19]。通常根据缸筒与端盖的连接形式选用，而连接形式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素。根据以上各因素参考机械设计手册选择如图3.3所示结构。 2、缸筒材料 图3.3 缸筒连接形式 材料的选择及加工方法： a.一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的钢筒还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛坯的来源等选择45号钢作缸筒材料。 b.缸筒毛坯：普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，国内市场上已有内孔精磨或内孔精加工，只需按所要求的长度切割无缝钢管。 因此，选45号钢作为液压缸的材料且要进行调制处理。 3、对缸筒的要求 a.有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。 b.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。 c.内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 d.需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。 总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油液，同时它还是活塞的运动“轨道”。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。 4、缸筒计算 （1）缸筒壁厚计算 缸筒壁厚为： （3.5） 式中：—缸筒壁厚（m）； C1—缸筒外径公差余量（m）； C2—腐蚀余量（m）； —缸筒材料强度要求的最小值（m）； 可用实用公式计算 计算得 0.00188m 式中：—缸筒内最高工作压力（M）； —缸筒材料的许用应力（M）； —缸筒材料的抗拉强度按表3.3选取； n—安全系数，通常取n=5,最好是按是按下表3.2进行选取； 计算出所需的缸筒壁厚并参考国内外工厂实际采用的缸筒外径的值，初步选定外径 表3.2 液压缸的安全系数 材料名称　 静载荷 交变载荷 冲击载荷 　不对称 　对称 　钢，锻铁 3 5 　8 12 缸筒壁厚的验算: 对最终采用的缸筒壁厚应作四方面的验： 额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全： （3.6） 同时额定工作压力也应与塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生： （3.7） 式中: —缸筒发生塑性变形的压力， （3.8） =68.54MPa QUOTE 此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内 （3.9） 式中：—缸筒耐压试验压力，； E—缸筒材料弹性模数，； —缸筒材料柏松比，对钢材，=0.3； 经计算变形量不超过密封圈允许的范围。 最后，还应验算缸筒的爆裂压力： （3.10） 经计算均符合验算要求所设计的液压缸的合适。 （2）缸筒底部厚度 缸筒底部不为平面，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的计算： （3.11） 圆整 =0.01m=10mm 式中：—筒底厚，m； P—桶内最大工作压力，； —同底材料许用应力，； —计算厚度外直径； （3）缸筒头部法兰厚度 （3.12） h=0.00775m 圆整h=0.01m=10mm 式中：F—法兰在缸筒最大内压下所承受的轴向压力，N —法兰外圆半径，m 5、缸筒制造加工要求 （1) 缸筒内径D采用H7 或H8级配合，表面粗糙度值一般为0.160.32，都需进行研磨。 （2） 热处理：调制，硬度,。 （3）筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半（在图3.5上可标出数字）。 （4） 缸筒直线度公差在500mm长度上不大于0.03mm。 （5） 缸筒端面T对内径垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。 （6） 缸筒为尾部和中部耳轴型时 · 的轴线对缸径D的偏移不大于0.03mm； · 的轴线对缸径D的垂直度在100mm长度上不大于0.1mm； · 直径对缸径D轴线的垂直度在100mm长度上不大于0.1mm。 此外，还有通往油口、排气阀孔的内孔口必须倒角，不允许有飞边、毛刺，以免划伤密封件。为便于转配和不损坏密封件，缸筒内孔口应倒角，需要在缸筒上焊接法兰、油口、排气阀座时，都必须在半径加工以前进行，以免精加工后焊接而引起内孔变形。如欲防止腐蚀生锈和提高使用寿命，在缸筒内表面可以镀铬，再进行研磨或抛光，在缸筒外表面涂耐油油漆。 3.4.2 活塞 由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，是液压缸达不到要求的设计性能。 液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一致。所以，设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构型式。 1、活塞结构型式 根据密封装置型式来选用活塞结构型式（密封装置则按工作条件选定）。通常分为整体式活塞和组合式活塞两类。 整体活塞在活塞圆周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞的加工带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样，主要受密封型式决定。组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环大量的使用，多数密封圈与导向环大量的使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大降低了活塞加工成本。 故根据常用的活塞结构型式中选组合式活塞中的车氏C形滑环密封如图3.4所示。 图3.4 活塞的结构形式 2、活塞与活塞杆的连接 活塞与活塞杆连接有多种型式，所有型式均需有锁紧措施。以防止工作时由于往复运动而松开。同时在活塞与活塞杆之间需设置静密封。根据常用活塞与活塞杆连接型式选用卡环型连接。如上图3.5所示 3、活塞的密封 密封型式与活塞的结构有关，可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择。可参考活塞结构型式表中的密封来选择。 4、活塞的材料 无导向环活塞：用高强度铸铁HT200300或球墨铸铁。 有导向环活塞：用优质碳素钢20号、35号及45号，在外径套尼龙（PA）或聚四氟乙烯PTFE+玻璃纤维和聚三氟氯乙烯材料制成的支撑环。装配式活塞外环可用锡青铜。还有用铝合金作为活塞材料。 5、活塞尺寸及加工公差 活塞宽度一般为活塞外径的0.61.0倍，但也要根据密封件的型式、数量和安装导向环的沟槽尺寸而定。有时，可以结合中隔圈的布置确定活塞宽度。 活塞外径的配合一般采用f9，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，表面粗糙度视结构形式不同而异。 3.4.3 活塞杆 1、结构 杆体采用实心轴结构，杆内端可参考常用活塞与活塞杆连接型式中杆内端的的结构。选择卡环式(如图3.4所示）活塞杆的外端头部与载荷的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心承载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，根据载荷的具体情况，选择适当的杆头连接型式为下图3.5所示，其中螺纹的尺寸应按标准进行选择 图3.5 活塞杆头的连接型式 螺纹直径Dt=M362，螺纹长度L=50mm。 2、活塞杆的计算 活塞杆的直径计算 活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须 有足够的强度和刚度。 （3.13） 式中： —速比，根据压力可按下表3.9选取； 表3.3 速比选择 公称压力/ 12.5 1.33 1.46，2 2 D—缸筒内径（m）； 计算得 取 d=0.05m 活塞杆的强度计算 活塞杆在稳定工况下，如果只受轴向推力或拉力，可以近似地用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： （3.14） 79.86M 式中：F—活塞杆的作用力，N； D—活塞杆直径，m； 活塞杆一般都没有螺纹、退刀槽等结构，这些部位往往是活塞杆上的危险截面，也要进行计算。危险截面处的合成应力应满足： （3.15） 式中：—活塞杆的拉力，N； —危险截面的直径，m； 对于活塞杆上有卡环槽的截面，除计算拉应力外，还要计算校核卡环对槽壁的挤压应力，即 （3.16） 式中：—卡环槽处外圆直径，m； —卡环槽处内圆直径，m； c—卡环挤压面倒角，m； —材料的许用挤压应力，M； 3、活塞杆的材料和技术要求 活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/b7或H8/f7配合。太紧了摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm，是为了保证活塞杆外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm以保证活塞安装不产生歪斜。 活塞杆的外圆粗糙度值一般为0.10.3m。太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀鉻处理，镀层厚度0.030.05mm，并进行抛光或磨削加工。 活塞杆内端的卡环槽、螺纹等也要保证与轴线的同心，卡环槽取动配合公差，螺纹则取较紧的配合。 3.4.4活塞杆的导向套、密封和防尘 活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可装设导向环，用作活塞杆的导向。导向套的典型结构型式有轴套式和端盖式两种。 （1）结构 本是测试装置采用右图所示的结构 本结构的特点是：非金属材料制造的导向环，价格便宜，更换方便，摩擦阻力小，低速启动爬行 （2）导向套的材料 非金属材料导向套的材料采用聚四氟乙烯（PTFE+玻璃纤维） 图3.6 导向套结构 （3）加工要求 导向套外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合多为H9/f9。 外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm，圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半，内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的润滑。 3.4.5．油口 油口包括油口孔和油口连接螺纹。液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上。 油口孔大多属于薄壁孔（指孔的长度与直径之比l/d的孔）。通过薄壁孔的流量按下式计算： （3.17） 式中： C—流量系数，接头处大孔与小孔之比大于7时，C=0.60.62，小于7时，C=0.70.8； A—油孔的截面积，； —液压油的密度，kg/； —油孔前腔压力，M； —油孔后腔压力，M； ---油孔前后腔压力差，M； 从式中可见，C、是常量，对流量影响最大的因素是油孔的面积A。根据上式可以求出孔的直径，以满足流量的需要，从而保证液压缸正常工作的运动速度。液压缸油口连接螺纹尺寸应符合机械设计手册规定。根据16M小型系列（ISO8138）表可选取M272。 3.5制定基本方案和绘制液压系统图 3.5.1制定基本方案 （1）制定调速方案 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。 方向的控制用换向阀来实现，通过多数换向阀有机组合实现所要求的动作。 速度控制通过改变液压执行元件输入的流量来实现的，相应的调节方式是采用节流调速，节流调速采用定量泵供油，用流量控制阀来改变输入液压执行元件的速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用溢流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。 （2）制定压力控制方案 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或一定的压力范围内工作。在本节流调速系统中，由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持压力的恒定。 （3）制定顺序动作方案 在本液压加载系统中，液压缸的动作顺序应该是先进行对轮胎加载即缓慢对液压缸加载，随后进行进行保持加载压力不变的情况下进行其它的试验，试验完成后将加载力卸掉。 （4）选择液压动力源 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵，本液压加载系统采用定量泵供油，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。 油液的净化装置是液压源中不可缺少的。本系统液压泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液也应根据被保护的元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为了防止系统中杂质流回油箱，应在回油路上设置磁性过滤器。 3.5.2绘制液压系统图 整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成（如图3.9所示）。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。在连接过程中也应该注意各元件间的连接关系避免误动作的发生。也要 尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。 为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等） 3.6液压元件的选择 3.6.1液压泵的选择 1） 确定液压泵的最大工作压力 （3.18） 式中： —液压缸最大工作压力； —从液压泵出口到液压缸入口之间总的管路损失。的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初选时按经验数据选取：管路简单且流速不大的，取=（0.20.5）MPa；管路复杂，进油口有调速阀的，取=（0.51.5）MPa。 经计算得 5.5MP a 图3.9液压系统图 确定液压泵的流量 QUOTE （3.19） 式中： K—系统泄露系数，K=1.11.3； —动作液压缸的最大流量；对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5。 经计算得 39L/min 2） 选择液压泵的规格 根据以上求得的压力和流量值，为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力要比最大工作压力大25%60%，故按系统中拟定的液压泵的形式在液压设计手册中选择YB-B48B型叶片泵其主要参数是 额定压力为7MPa，输出流量为42.7L/min 3） 确定液压泵的驱动功率 （3.20） 式中： pp—液压泵的最大工作压力（MPa）； qvp QUOTE —液压泵的流量（s）； —液压泵的总效率，参考表3.4 表3.4 液压泵的总效率 液压泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵 总效率 0.60.7 0.650.80 0.600.75 0.800.85 经计算得 P=7.12KW 按此计算结果选择电机 3.6.2液压阀的选择 阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。 1 2 3 4 5 6 7 A1 A2 A1 A2 D P1 P2 P2 P1 V1 d d FW FW V1 Fm P2 P1 FW A2 A1 b） a)