小型发动机耐久性试验台架开发论文,任务说明书

2014届热能与动力工程（内燃机）专业毕业设计（论文）摘 要发动机耐久性是发动机性能的一个重要指标，它关系到发动机能否达到使用者的寿命要求，同时它与可靠性有着密切联系，因此任何发动机设计者都不能忽略这一指标。由此看来，针对耐久性的试验以及试验台架的开发都是十分重要也很必要的。本文介绍的小型发动机耐久试验台架开发考虑到耐久性试验的特殊要求工况单一、时间长，选用了与小型发动机功率相匹配的直流发电机来消耗发动机功率；选用了发动机发电机一体化的台架方案；选用了带传动作为发动机与发电机的传动方式。关键词： 发动机，耐久性，台架AbstractThe engine durability is an important index in its performance for it relation to whether the engine can reach the life requirements or not. At the same time, it has a close relationship with reliability, thus every engine desiginer should not neglect this. From this, it is not only crucial but also necessary for development which aim at durability test and testing bench. This paper introduces development of small engines durability testing bench which considers about durability tests particular requirements, such as working conditions of single, long time, so it chooses a DC generator to use up engines power; and it chooses the scheme of arrangement of test bench that engine-generator integration; and it chooses belt drive between engine and generator.Keywords：engine，durability，test benchI目 录摘 要IAbstractII前 言1研究背景及意义1国内外研究现状2参考文献大致来源2第1章 耐久性台架设计概述11.1设计的主要原理11.2设计的主要内容11.3解决的主要问题1第2章 耐久性试验对台架的要求22.1耐久性试验时间22.2耐久性试验工况32.3耐久性试验需测量的参数42.3.1转速n42.3.2功率Pe42.3.3转矩Tq52.3.4温度T52.3.5其他5第3章 耐久性台架的主要设计63.1台架能量流动63.2台架适用发动机63.3发电机选型73.4发动机与发电机的连接73.5发动机支撑部分的设计73.6发动机的工况控制和发电机的标定83.6.1发动机的工况控制83.6.2发电机标定8第4章 连接部分的设计94.1传动与联轴器94.1.1齿轮传动94.1.2蜗杆传动94.1.3带传动94.1.4链传动104.1.5联轴器104.2连接方式的确定104.3带传动的选型、参数确定114.3.1带传动选型114.3.2带传动原始参数的确定114.4参数确定及其计算过程124.4.1求计算功率P1124.4.2选V带型号124.4.3求大、小带轮基准直径d2，d1134.4.4验算带速v134.4.5求V带基准长度Ld和中心距a144.4.6验算小带轮包角1144.4.7求V带根数z144.4.8求作用在带轮轴上的压力164.4.9带轮结构设计17第5章 试验台部分的设计205.1实验台设计方案初定205.2支架的设计205.3发动机的固定与减振215.3.1发动机固定215.3.2发动机的减振215.4发电机固定方案225.5带传动张紧轮布置235.6台架总体布置图24第6章 基于直流发电机的工况控制原理266.1直流发电机稳态运行的基本方程式19266.2发电机制动负载特性与发动机输出功率特性匹配与调控266.2.1 M/P控制模式（测功机恒扭矩/油门恒位置）276.2.2 n/P控制模式（测功机恒转速/油门恒位置）276.2.3 M/n控制模式（测功机恒扭矩/油门恒转速）276.2.4n/M控制模式（测功机恒转速/油门恒扭矩）276.3发电机的控制原理286.4台架各部分需进行的标定296.4.1带传动部分的效率2296.4.2发电机发电效率129结 论31谢 辞32参考文献33前 言研究背景及意义小型发动机指除车用、航空用以外，具有广泛用途的往复活塞式发动机，一般功率在20kW以内，大多通用性很强，有的专业性较强，所以，一般也称为通用发动机，功率更大的非车用发动机一般都是车用发动机的变种，结构上与车用发动机相似。国内现有的小型发动机功率范围大致为500W24KW，其特点是体积质量较小、使用操作简便、适用范围广、价格便宜1-2 。 我国小型发动机发展较快，但历史较短。我国国民经济在改革开放期间得到了飞速的发展，机械、能源、材料等行业都发生了巨大的变革，各个行业的发展使小型发动机的性能得到不断的提升，同时也都对小型动力有或多或少的需求增长，这使得我国小型发动机工业有了突飞猛进的发展。我国通用发动机产量在二十一世纪以前一直在四十万台到六十万台之间。自二十一世纪开始，由于国民经济的高速发展，市场对小型发动机的要求逐步提高，很多摩托车生产企业开始涉足小型发动机领域。同时小型汽油机行业吸引了大批国内外厂商的关注，不少外企与国内企业合资建厂，设计开发小型发动机。不仅如此，国内生产的小型通用发动机还大量出口东南亚，为国内小型动力产业提供了发展资金3。因此，小型发动机在国内占有举足轻重的地位，开发小型发动机耐久性台架，有一定的典型性。耐久性是指产品在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量。所谓耐久性，是产品的一个寿命单位4。针对耐久性所做的台架试验同其他的试验有所不同。最主要的区别就是耐久性试验所需的时间远远超过其它试验所需的时间，这对实验设备平稳运转时间提出了严格的要求；而且，耐久性台架试验同其他试验相比，所测量的发动机参数和要求的精度也同其它试验不同，这决定了耐久性试验台可以舍去一些不必要的测试设备和采用其它精度较低但简便易操作的测量方法来代替5。因此，这些特殊的情况要求试验台架对此作出相应的开发。发动机耐久性试验有以下3个主要目的6：(1)发现发动机在设计、材料及加工工艺中存在的各种缺陷，为设计提供整改意见；(2)提高发动机的可靠性，初步确定发动机使用寿命；(3)确认发动机是否符合耐久定量要求。由于发动机耐久性的重要性，各个研究生产单位对发动机耐久性的试验一直重视，同试验密不可分的耐久性试验台架也是研究发动机耐久性的重要工具。因此，开发发动机耐久性试验台架是对发动机性能全面测量必不可少的一个步骤。同时，开发出一款能够同发动机试验要求相符合的台架对发动机开发的帮助也是巨大的。国内外研究现状发动机试验台架的发展同发动机的发展相适应，同时也受限于当时世界整体科技水平。台架的发展同装配技术和测量技术是分不开的。国外的发动机试验台架发展较早，先进的测量技术和控制技术都能尽早的应用在台架上。大约在1980年左右，国外各方就开始对自动化的试验台架进行研究研究，一系列的发动机耐久性试验台被不同厂家和研究机构相继开发出来。同时先进的控制技术，测量技术以及数据的输出技术都在帮助发动机台架不断进步。80年代末，国内才开始出现引进的少量发动机自动化试验台架。在目前来看，开发发动机台架所需要的各方面技术在我国已经成熟，生产厂能够设计制造并应用于生产中。同时，与进口台架相比，使用同样功能设备的成本格仅为十分之一。由此看来，发动机台架的国产化是需要努力也是前景光明的一个发展方向。参考文献大致来源在编写本文的过程中，参考了部分本科时期的主要教材，如机械零件设计手册、机械制图、汽车发动机试验学教程等，对本文的完成起了很大的作用。同时，在某些部分参考了国内外期刊文献的内容，对文章有一定的补充。另外，在进行台架设计时，查阅了很多国家标准，对台架的选型起了决定性作用。除此之外，也学习了部分电气专业基础知识，使得台架的设计能够顺利完成。1第1章 耐久性台架设计概述1.1设计的主要原理本文针对小型发动机的耐久性试验对台架进行了开发。首先由于耐久性的特点舍弃了发动机测功机，并采用价格低廉可靠性好的直流发电机发电来消耗发动机功率；通过测量直流电的数据来计算发动机的功率等数据。计算精度虽不能达到测功机的水平，但足够满足试验要求。根据小型发动机的功率范围选择了相应电机的型号，达到适用不浪费的目的。然后在这些选择的基础上，确定具体的测量手段和连接手段，最后开发出发动机耐久台架的成品。1.2设计的主要内容设计小型发动机耐久试验台，要求此台架可满足5KW以下小型汽油发动机耐久性试验的各方面要求。对支撑部分设计、连接传动设计、发电机型号选择、发电机控制原理等进行主要研究。根据现行按照JBT 5135.3-2013 通用小型汽油机 第3部分可靠性、耐久性试验与评定方法的有关要求，对发动机试验过程中的各部分参数进行控制并能控制在某一要求的范围内，确保发动机台架实验的正常进行。设计支撑要保证足够的强度；能够隔离发动机振动。合理设计发动机耐久试验中的能量流动，做好能量管理，使试验遵循节能环保的原则。1.3解决的主要问题1）如何实现发动机能正常、稳定的运行。2）如何选择发电机以消耗发动机功率。3）如何实现风冷发动机冷却正常、润滑油恒温系统联接。4）如何解析实验台发动机与发电机的连接问题。5）如何让此实验台架更方便使用、维护、保养。第2章 耐久性试验对台架的要求2.1耐久性试验时间发动机主要运动部件活塞连杆组与曲轴飞轮组的运动方式为往复、旋转运动，它受到交变负荷作用，承受着循环应力。往复、旋转运动零件一般采用107次不破坏的最大应力作为材料的“条件疲劳极限”或称“疲劳强度”。这是由于即使再增加循环数，零件强度也不会再有明显变化，会导致浪费6。则试验时间H初步可以计算为：H60n107n为试验中发动机运行的最低转速运行时间H12000kg1000500装乘用车及商用车的发动机均按本表分类。可靠性试验用发动机通常有两台，A机用于做负荷试验，B机用于做冷热机试验。除了车用发动机，非道路用小型汽油机采用了不同的试验标准。JBT 5135.2-2013中耐久性时间要求如下图：表 2 小型汽油机可靠性/耐久试验时间汽油机类别汽油机排量（V/mL）耐久试验/可靠性试验时间（h）非手持式A（V66）50/30125/75300/180B（66V100）125/75250/150500/300（100V225）125/75250/150500/300（V225）250/150500/3001000/600手持式（V20）50/30125/75300/180（20V50）50/30125/75300/180（V50）50/30125/75300/1802.2耐久性试验工况在进行耐久性试验之前，需要对发动机按磨合规范试验。试验规范为：在额定转速全负荷工况点上运行半小时，将发动机的有效功率同额定功率进行对比。若低于额定功率，则继续运行一刻钟后再检查其功率。磨合末期放净机油，重新加注新机油至机油标尺满刻度处7。GB 26133-2010 非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法(中国第一、二阶段)规定了小型通用发动机耐久性试验中的工况循环，则选用直流发电机能通过对励磁电流的控制达到控制发动机工况的要求。表 3 小型通用汽油机耐久性试验工况及权重系数D2循环（发动机具有恒定转速及断续的负荷）工况号12345发动机转速额定转速中间转速怠速负荷（%）10075502510权重系数0.050.250.30.30.1G1循环（非手持式发动机中间转速应用场合）工况号123456发动机转速中间转速怠速负荷（%）100755025100权重系数0.090.20.290.30.070.05G2循环（非手持式发动机额定转速应用场合）工况号123456发动机转速额定转速中间转速怠速负荷（%）100755025100权重系数0.090.20.290.30.070.05G3循环（手持式发动机应用场合，亦适用于 FSH1 类发动机）工况号12发动机转速额定转速中间转速怠速负荷（%）1000阶段权重系数0.900.10阶段权重系数0.850.152.3耐久性试验需测量的参数这次开发的耐久性台架选用交流电机并入电网发电，有些参数可通过发动机拖动电机发电后电流的参数反映出来并省去传感器的布置，简化台架设计并提高台架可靠性，但有些参数如各处温度等仍需布置传感器来解决。2.3.1转速n交流发电机由于交流电存在频率这一特性，能够比较简单地通过计算得到发动机的转速，但由于试验台的工作情况不同于发电机组，发动机在不同工况下有不同的转速，所以选用交流发电机并入电网的难度就会增大（需要交流转直流再通过逆变得到符合电网要求的电流），因此仍采用直流发电机，则发动机的转速依靠霍尔传感器得到。2.3.2功率Pe发动机的功率同样可以通过发电机的输出功率计算得出，但是，由于各种损耗，发动机的有效功率不可能等于发电机的输出功率。同时，发电机的额定转速同发动机有差异，这就需要在发动机和发电机之间有可能需要一个转速调节的装置。所以，发动机有效功率同发电机输出功率之间的关系：P0=12Pe式（2.1）P0为发电机输出功率（KW）、1为发电机的发电效率、2为传动装置在动力传动的过程中的功率损耗而存在的传动效率、Pe为发动机有效功率（KW）。2.3.3转矩Tq通常发动机试验中，扭矩的测量利用力矩的原理，通过测功机浮动外壳的测点受力大小和与轴心的距离来测量发动机的扭矩。但由于耐久性试验中，发动机运行时间长，测功机无法达到耐久性试验的要求，因此选用直流发电机来消耗发动机功率。所以，扭矩就不予直接测量，而是通过已得到的转速和功率来计算出来8。Tq=9550Pe/n式（2.2）2.3.4温度T耐久性试验需要对发动机各部分温度进行监测，需要测量的温度主要有：机油温度进排气温度火花塞温度缸体温度2.3.5其他除了以上需要测量的数据，还需要安装爆振传感器来监测发动机是否存在爆振，并记录试验时的大气环境。同时，由于一些新的计算发动机耐久性的方法出现，应能使台架有一定的空间、条件安装其他传感器9-12。第3章 耐久性台架的主要设计本试验台主要设计部分包括：发动机夹具、连接部分的设计、发电机固定13。3.1台架能量流动耐久性试验持续时间长，对发动机、传动部分、测功机（发电机或其他能量消耗装置）均有较大的考验。持续的油耗产生的能量如果不经过合理的利用或耗散不利于试验的正常进行。因此，设计台架必须能够合理的确定发动机能量的使用方案。通常的发动机台架系统由测功机来消耗掉发动机产生的机械能，它们或转变成热能（水力测功机、电涡流测功机等），或转变成电能（直流/交流电力测功机）。其中转化为电能的方案符合节能环保的原则。由于测功机的扭矩测量部分不能够承受太长的实验时间，因此本耐久性试验台架选用发电机来消耗发动机的功率。本台架采用直流发动机发电的方案，详见3.3发电机选型部分，能量流动方案如下：稳压器发动机机械能直流电逆变器稳压直流电电网交流电直流发电机 图 3.1发动机能量转化图选用将电能并入电网的方案，主要是考虑散热系统的布置较复杂，同时重庆在冬季不需要室内供暖，学校也没有澡堂可以利用热能。因此从能量利用来说，转化为电能比较合理。同时，电网可以看做一个功率可调的用电器，这也比利用电阻模块或其他用电器消耗电能的方案相对简易，也能够简化台架设计的工作量。3.2台架适用发动机本台架以5KW为设计功率，适用于5KW以下小型通用发动机，下文有需要用到具体型号发动机时均用168F发动机为例。3.3发电机选型发直流发电机与交流发电机为发动机的两大分类，分类的依据由发出的电流决定。交流发电机主要为同步发电机；交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。直流发电机可根据有无换向器分为两类。与直流发电机相比，交流发电机具有结构简单、维护方便、转动惯量小等优点，单机功率高很多，容易实现高压、高转速14。但直流电机在调速性能方面仍存在优点14。本次开发试验台，考虑到发动机转速并不像发电机组那样转速恒定，如果采用交流发电机消耗功率，交流电的频率会有变化，这样将电流并入电网有较大困难，并且直流发电机在调速方面有优势，所以本次设计采用直流发电机，将电流通过稳压模块后输入逆变器直接并入电网。直流发电机按照励磁方式分为自励直流发电机与他励直流发电机，自励直流发电机中又包括并励直流发电机、串励直流发电机、复励直流发电机。台架由于需要发电机参与发动机的工况控制，因此这里采用他励直流发电机15。由于有单独的电源对励磁绕组供电，使得励磁绕组的工作不受发动机转速的干扰，更加容易控制工况。本台架选用7KW直流他励发电机(励磁绕组回路端电压24V)，针对发动机设置了一定的储备功率，保证发电机不会超载，能够和发动机良好匹配。3.4发动机与发电机的连接连接部分承担着动力传动和动力方向调整的功能，连接部分的设计效果直接影响着台架的工作，保证连接部分的正常工作设计台架的重要部分。连接部分通常有以下几点要求：能够满足动力传动的要求，具有较高的效率。能够在发动机工作的时候，具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振的作用。保证试验的正常进行。简易安装，易调节。具有长时间工作的能力。连接部分的具体设计详见第四章。3.5发动机支撑部分的设计支撑部分一方面要求发动机能够良好地固定在试验台上正常工作，另一方面还要求隔离发动机发出的振动。发动机的长期、持续振动，不仅会引起发动机本身零部件的可靠性降低和耐久性减小，而且还会影响周围试验设备正常工作，降低其灵敏度和精确度。同时振动和振动的产生噪音影响试验人员的人体健康，降低工作效率。因此有效的隔离发动机振动也是发动机支撑部分设计一个重点16。发动机支撑部分设计详见第五章。3.6发动机的工况控制和发电机的标定3.6.1发动机的工况控制发动机的工况稳定需要供油系统和负荷的共同调节才能实现，17它表现在发动机的输出扭矩与发电机的制动扭矩平衡（当然中间的传动装置会有损耗）。因此，想要达到标准中要求的发动机工况，需要对发电机端进行必要的控制。发电机的扭矩大小与通过励磁线圈的电流大小有关，因此，调节励磁线圈的电流大小就能够控制发动机的负荷。所以，发动机的工况靠对供油量和发电机励磁线圈的控制来实现。3.6.2发电机标定发电机同内燃机一样，在不同的工况下有不同的发电效率，其发电效率会随着转速的变化而改变，因此，若需要能够正确的确定发动机的有效功率，就需要对发电机的发电效率进行标定，使得每个发动机工况下有已知的发电效率对应，这样才能够得到正确的发动机功率值。发动机的工况控制和发电机的标定的详情见第6章。第4章 连接部分的设计4.1传动与联轴器将发动机与测功机连接，并实现动力传递是设计台架的重要部分。通常的传动方法有齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动和联轴器传动18。4.1.1齿轮传动齿轮传动有很多优点：传递功率大，效率高；运转平稳，工作时间长，有较好的可靠性。但齿轮传动对精度要求较高，需要有较高的工作条件（如要求足够的润滑）。对于台架的工作条件，较大的中心距不能满足闭式传动的条件，发动机的高速转动不能满足开式传动的工作条件。同时发动机转动中不可避免出现振动，齿轮传动要求的高精度定位不易实现。4.1.2蜗杆传动蜗杆传动能够在较小的范围内实现较大的传动比，同时工作平稳因此在机床等机械中广泛存在。但是蜗杆传动依靠蜗杆拨动蜗轮达到动力传输的目的，摩擦大、效率低，使用成本高。4.1.3带传动带传动的原理就是依靠两个动轮分别与皮带的摩擦力，将动力由主动轮传递到从动轮。带传动拆装简单，适用范围广，有多种类型可供广大设计者选用。对于本设计而言，带传动所占空间小，易布置，更符合发动机实际使用场合。4.1.4链传动链传动在各处有广泛的应用，如自行车、摩托车的动力传动；汽车发动机的正时链条。链传动的主要优点是：不会产生滑动与打滑，能够保证传动比不需要太大的张紧力，对轴的压力小对工作环境的要求低，能够在恶劣的工作环境下保持较高的可靠性。相比齿轮传动，链传动的精度要求较低；其传动结构简单，适合中心距较大的场合。链传动的主要缺点是：工作中冲击明显，有跳动；产生的噪音较强。4.1.5联轴器联轴器在发动机试验台架中有广泛的应用，通过双万向联轴器将发动机飞轮同测功机转子连接起来，达到动力传输的目的。弹性联轴器有较高的适应性，对安装精度要求较低，并且能够吸收一定的冲击，适合在台架试验中应用。联轴器大都已标准化，可根据设计参数选用合适的类型；再进行计算，然后按照标准选出所需的型号和尺寸。在确定具体的型号钱要对相关部件进行强度校核。4.2连接方式的确定经过多方面的综合考虑，本次设计的台架采用带传动的方式将发动机动力输出到发电机端。其原因主要有以下几点：节省空间。联轴器的连接需要发动机和发电机的轴处在同一轴线，而采用带传动可以使这两个州平行布置，更加充分利用试验室空间。简化台架支撑部分设计。采用带传动的方式，发动机只需在一个方向上的调节，使得带传动系统中主动轮与从动轮在同一平面上就足够，而通过联轴器连接的方案需要发动机在三维上都能够调节才能保证试验的正常连接。因此，再设计台架的夹具时仅需考虑发动机在一个方向上的移动即可，简化夹具的设计的同时也可以提高台架的刚度。更符合小型机实际使用情况。小型汽油机在实际使用时大部分也是通过带传动来拖动，做耐久性试验采用这种传动方式更能够真实反映出发动机在实际使用过程中的耐久性。更能适应发动机的振动。带传动仅需皮带在主、从动轮上施加足够的压力就能够起到传动的效果，发动机与发电机的连接是一种柔性连接。并且安装了自动张紧装置的传动系统具有一定的弹性，能够适应发动机振动带来的相对位移，可缓和冲击，可以更好地保护发电机部分不受发动机振动的影响。齿轮传动、链条传动和联轴器连接都不能达到带传动的效果。易安装。由于仅需要考虑发动机在一个方向的调节，能够节省发动机在台架上安装拆卸的时间。同时皮带的安装也较其他传送装置简便。能够保护发电机及其他零件。带传动中若出现过载，带与带轮之间会出现打滑，打滑虽导致传动失效，但可防止损坏台架其它零件。4.3带传动的选型、参数确定4.3.1带传动选型摩擦类传送带可分为平带、V带和特殊截面带（按横截面积形状）。此外还有啮合型传送带，如同步带18。从耐久性试验的各方面要求来看，耐久试验试验台选用普通V带进行设计，原因如下：从传递功率大小来看，V带比平带更适合；在传递相同功率的情况下V带，V带对轴的压力较小；而且小型发动机实际使用场合大多也选用V带，因此更贴近实际V带应用广泛、各个性能都已标准化，使用方案成熟，方便选型V带相对特殊截面带来说，购买、使用成本低V带有普通V带和窄V带之分，普通V带传递功率较低、但能满足较高的带速，对于小型发动机这种运转速度较快的机械，更适合。4.3.2带传动原始参数的确定试验台的设计要求为：试验台适用于额定功率为5KW以下小型通用汽油机。小型汽油机额定转速多为3600r/min。发电机额定转速为3000r/min。需要自动张紧装置。中心距不能太小，有足够空间调整发动机位置。4.4参数确定及其计算过程4.4.1求计算功率P1查表4得KA=1.4，故P1=KAPe=1.45KW=7KW表 4 工作情况系数KA载荷性质工作机原动机电动机（交流起动、三角起动、直流并励）、四缸以上内燃机电动机（联机交流起动、直流复励或串励）、四缸以下的内燃机每天工作小时数/h1616载荷变动很小液体搅拌机、通风机和鼓风机（7.5KW）、离心式水泵和压缩机、轻负荷输送机1.01.11.21.11.21.3载荷变动小带式输送机（不均匀负荷）、通风机（7.5KW）、旋转式水泵和压缩机（非离心式）、发电机、金属切削机床、印刷机、旋转筛、锯木机和木工机械1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大制砖机、斗式提升机、往复式水泵和压缩机、起重机、磨粉机、冲剪机床、橡胶机械、振动筛、纺织机械、重载输送机1.21.31.41.41.51.6载荷变动很大破碎机（旋转式、颚式等）、磨碎机（球磨、棒磨、管磨）1.31.41.51.51.61.84.4.2选V带型号根据P1=7KW，发动机转速n1=3600r/min，由下图查出V带型号选择A型。图 4.1 普通v带选型图4.4.3求大、小带轮基准直径d2，d1由表5知，d1应不小于75mm。表 5 V带轮最小基准直径单位为mm型号YZSPZASPABSPBCSPCDCEDmin2050637590125140200224355500注：V带轮的基准直径系列为20 22.4 25 28 31.5 40 45 50 56 63 71 75 80 85 90 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 300 315 355 375 400 425 450 475 500 530 560 600 630 670 710 750 800 900 1000等。由于V带传动的滑动率=0.010.02，其值微小，计算中可以忽略。考虑到尽量减小V带的带速，同时使中心距尽可能大取d1=125mm,d2=n1/n2d1=3600/3000125=150mm由表5取d2=150mm4.4.4验算带速vv=(d1n1)/(601000)=(1253600)/(601000)m/s=23.56m/s带速在525m/s之间，合适。4.4.5求V带基准长度Ld和中心距a初步选取中心距a0=1.5(d1+d2)=1.5(125+150)mm=412.5mma0max=2(d1+d2)=2(125+150)mm=550mm考虑发动机与发电机的布置空间，尽可能大选取中心距；又有张紧轮，所以取a0=600mm带长L0=2a0+/2(d1+d2)+(d2-d1)2/(4a0)=2700+/2(125+150)+(150-125)2/(4700)mm=1832.2mm查表6选用Ld=1800mm表 6 普通V带基准长度Ld和代偿修正系数KL（A）基准长度Ld/mm630710800900100011201250140016001800200022402500修正系数0.810.830.850.870.890.910.930.960.991.011.031.061.09计算实际中心距aa0+(Ld-L0)/2=600+(1800-1832)/2mm=584mm4.4.6验算小带轮包角11=180-(d2-d1)/a57.3=180-(150-125)/58457.3=178120合适。4.4.7求V带根数zz=P1/（P+P）KKLn1=3600r/min，查表7得P=3.26KW表 7 A型普通V带的基本额定功率P单位：KW小带轮基准直径d1/mm小带轮转速n1/(r/min)120014501600180020002400280032003600400050006000750.600.680.730.790.920.921.101.041.081.091.020.80900.931.071.151.251.501.501.641.751.831.871.821.501001.141.321.421.581.871.872.052.192.282.342.251.801121.391.611.741.892.302.302.512.682.782.832.641.961251.661.922.072.262.742.742.983.153.263.282.911.871401.962.282.452.663.223.223.483.653.723.682.991.371602.362.732.542.983.803.804.064.194.173.982.671802.743.163.403.674.324.324.544.584.404.001.81传动比i=d2/d1=150/125=1.2查表8，根据差值法计算得，P=0.341=178，查表9，得K=0.98查表6，得KL=1.01由此可得z=7/(3.26+0.34)0.981.01=1.96取2根。表 8 单根普通V带i1时额定功率的增量P单位：KW传动比小带轮转速n1/(r/min)4007308009801200146016002000240028001.351.510.040.070.080.080.110.130.150.190.230.261.521.990.040.080.090.100.130.150.170.220.260.3020.050.090.100.110.150.170.190.240.290.34表 9 包角修正系数K包角1/()18017016015014013012011010090K1.000.980.950.920.890.860.820.780.740.694.4.8求作用在带轮轴上的压力表 10 V带截面尺寸（GB/T 11544-1997）单位：mmV带类型节宽bp顶宽b高度h单位长度质量qY5.36.04.00.04Z8.510.06.00.06SPZ 81080.07A11.013.08.00.1SPA1113100.12B14.017.011.00.17SPB1417140.2C19.022.014.00.30SPC1922180.37D27.032.019.00.60E3238.023.00.87查表10得q=0.1Kg/m故计算得出单根V带的初拉力F0=500P1/zv(2.5/K-1)+qv2 =5007.5/（223.56)(2.5/0.98-1)+0.123.562N =179N作用在轴上的压力FQ=2zF0sin(1/2)=22179sin(178/2)N=715N4.4.9带轮结构设计带轮常用的制造材料有铸铁、钢，有些场合还用塑料制造。铸铁带轮的许用圆周速度不超过25m/s，当要求的速度更高时，需换用钢或其他材料，并采用其他工艺。直径小的带轮选用实心式；直径大于350m时可选用轮辐式；中等直径的带轮选用腹板式。根据上面已设计的数据，带轮采用铸铁制造，主、从动轮选用腹板式设计。图 4.2 腹板式V带轮同带轮相关经验公式如下：dh=(1.82)da式（7.1）d0=(dh+dr)/2式（7.2）dr=da-2(H+)式（7.3）s=(0.20.3)B式（7.4）s11.5s式（7.5）s20.5s式（7.6）L=（1.52）ds式（7.7）普通V带轮轮缘的截面图及各部尺寸见表11。表 11 V带轮的轮槽尺寸单位：mm槽型YZSPZASPABSPBCSPCbd5.38.5111419hmin1.62.02.753.54.8e80.3120.3150.3190.425.50.5fmin67911.516hfmin4.7798.71110.81414.319min55.567.51032对应的d60348011819031536603880118190315经过选型、计算，得出主、从动轮相应尺寸数据，见表12。表 12 V带轮数据单位：mm尺寸dhd0drss2大带轮6088116105小带轮3261.591105图 4.3发电机端V带轮图 4.4发动机端V带轮第5章 试验台部分的设计5.1实验台设计方案初定考虑到通用发动机尺寸较小，功率不大，为了便于操作和观察试验状况，决定选用发动机、发电机以及传动装置处于同一支架的方案、本实验台用于小型发动机耐久性试验。由于通用发动机入门容易，因此市场上存在的小型发动机尺寸五花八门，没有统一的标准。同时，还要保证台架能够满足功率范围内的发动机的试验要求。因此需要台架在固定发动机的同时还能针对发动机的具体尺寸进行一定范围的微调。发电机可以直接固定在支架上，但会导致从动轮比较靠近支架平面，这样不便于布置自动张紧轮。所以在支架上另外设计了固定发电机的平台。发电机并没有设计成可更换的，因此发电机支架的部分并不可调。5.2支架的设计支架支撑着整个台架，需要满足承重、减振的功能。支架部分采用灰铸铁，主要考虑到灰铸铁成本低，易铸造易加工，有良好的吸振减振作用，同时对应力不敏感。根据上一章计算出的带传动中心距以及各部分的布置，决定桌面尺寸为143080015（mm），支架平面尺寸1230800（mm），高度为1000（mm），支撑部分均选用横截面为5050（mm）的条形铸铁。如图所示：图 5.1 支架图5.3发动机的固定与减振5.3.1发动机固定参考实验室现有台架的布置，选用两个导轨来固定发动机，其中一个可调，另一个不可调。将其中一个导轨直接固定在支架上的原因有以下：保证发动机与发电机的中心距在一合理范围内安装发动机时作为基准，使主动轮不出现方向偏移增强发动机固定的稳定性导轨示意图如下：图 5.2 导轨尺寸及安装位置示意图为了实现调整导轨的目的，在支架上开了两个宽10mm的槽，两个导轨完全相同，每根导轨靠两个M10的螺栓固定在支架上。5.3.2发动机的减振设计减振对于试验的进行是必不可少的，尤其是对于振动较大的单缸发动机。通常的方法就是使发动机与台架进行弹性连接，中间由橡胶支撑，达到减小振动的目的，本实验台也采用这种方案。如下图所示，在发动机与导轨之间没有刚性连接，而是在中间选用了橡胶进行减振，发动机与导轨之间用M10的螺栓进行连接，使振动不致直接传递到支架上，达到了保护台架和保护发动机的目的。图 5.3 发动机减振装置示意图减震装置由中间的橡胶块和上下两个垫片组成，每个发动机固定孔处均有一个，下图为具体尺寸。图 5.4 减振块尺寸图5.4发电机固定方案发电机并没有直接固定在试验台支架上，而是固定在平台上。发电机支架材料同样采用10mm厚灰铸铁。由于灰铸铁不易焊接，支架各部分之间用金属粘合剂粘合，在保证结构强度的同时减少加工难度。发电机与支架，以及支架同台架之间均用M10螺栓进行连接。发电机支架尺寸如下图所示。图 5.5 发电机支架尺寸图5.5带传动张紧轮布置自动张紧装置布置在松边靠大轮外侧，一是方便固定装置的布置，二是松边在下方，重力的作用会导致带轮包角降低，这样的设置可以减轻重力的影响。自动张紧装置布置如下。图 5.6 自动张紧装置安装示意图图 5.7 张紧装置主要尺寸5.6台架总体布置图经过以上各部分的设计，台架的各部分均设计完毕。布置方案如图所示：图 5.8 台架布置图（俯视）图 5.9 台架布置图（正视）第6章 基于直流发电机的工况控制原理6.1直流发电机稳态运行的基本方程式19发电机由发动机拖动转动，以一定转速n运行时，电枢绕组感应电动势的大小为Ea=Cen式（6.1）Ce为电动势常数；为磁通量。如果负载电阻RL世界在点数两端，电枢回路中会有电流Ia流过。同时，电枢回路和电刷均存在电阻，因此用一个等效电阻Ra表示，由于电刷的电阻变化较小，认为Ra是一个常数。因此又有Ea=U+IaRa式（6.2）其中，U=IaRL是电机的端电压，上式为稳态运行情况下，直流发电机的电压平衡等式。电枢绕组有了电流后，一方面要产生电枢反应磁动势Fa；另一方面使电枢在磁场中受力，产生电磁转矩T。T=CtIa式（6.3）T的方向与转速n的方向相反，即在发电机中，电磁转矩T属于制动性质，这里可以发现发电机发电的能量转化原理：发动机克服发电机的电磁转矩作功，从而将机械能转化为电能输出。作用在发电机轴上的转矩共有三个，除了电磁转矩、发动机拖动发电机的转矩T1（方向同发电机转动方向相同，与电磁转矩相反）外，还有由机械损耗以及电枢铁损耗产生的制动转矩，称为空载转矩T0。发动机转速稳定时T1=T+T0式（6.4）这是直流发电机稳态运行情况下的转矩平衡等式。他励发电机励磁回路里的励磁电流稳定以后，励磁回路电压方程为Uf=RfIf式（6.5）其中，是励磁绕组回路的端电压，他励发电机为定值；是励磁回路的总电阻。6.2发电机制动负载特性与发动机输出功率特性匹配与调控发动机的制动负载是由发电机及其控制回路构成的，发电机在不同的控制模式下运行，即意味着为发动机提供了不同的制动负载特性。同时，用不同的控制模式控制发动机的供油量，可以使发动机具有不同的输出特性。要获得发动机的不同特性曲线，为了使工况点能够快速稳定地确定，需采用不同的控制模式13。常用的控制模式有：6.2.1 M/P控制模式（测功机恒扭矩/油门恒位置）在此控制模式下，台架控制系统使油门执行器位置恒定，并且通过反馈控制使发动机为恒扭矩负载特性，从而达到工况点的稳定运行要求。其控制原理为：测控仪将给定测功机的扭矩控制值与测功机反馈的实际测量值进行比较，得到偏差，再调节测功机调节阀，最终将扭矩稳定在给定值附近，获得近于等扭矩的特性线。该模式比较适合柴油机调速特性试验。6.2.2 n/P控制模式（测功机恒转速/油门恒位置）在此控制模式下，台架控制系统使油门执行器位置恒定，并且通过反馈控制使发电机为恒转速负载特性，从而达到稳定工况点的稳定运转要求。其控制原理为：台架控制系统将给定发电机的转速控制值与发电机反馈的实际转速测量值进行比较，计算出给定值与测量值偏差，通过自动调节测功机调节阀，将转速稳定在给定值附近，获得近于等转速的特性线。该模式适合外特性试验。6.2.3 M/n控制模式（测功机恒扭矩/油门恒转速）在此控制模式下，台架控制系统使发电机为恒扭矩，同时控制发动机为恒转速，以发电机被控为等扭矩特性为首要目的，即扭矩控制优先于转速。其控制原理为：试验控制系统给定发电机的扭矩控制值同时给定发动机的转速控制值，通过与发电机及发动机反馈的实际测量值进行比较，计算出给定值与测量值偏差，再自动调节测功机调节阀和发动机油门开度，将扭矩和转速稳定在给定值附近，从而获得稳定的工况点。6.2.4n/M控制模式（测功机恒转速/油门恒扭矩）在此控制模式下，台架控制系统控制发电机为恒转速，同时控制发动机为恒扭矩，以发电机被控为等转速特性为首要目的，即控制转速优先于扭矩。其控制原理为：仪器给定发电机的转速控制值同时给定发动机的扭矩控制值，通过与发电机及发动机反馈的实际测量值进行比较，计算出给定值与测量值偏差，再自动调节测功机调节阀和发动机油门开度，将扭矩和转速稳定在给定值附近，从而获得稳定的工况点。6.3发电机的控制原理第2章中已知，耐久性试验中的工况点大多为同一转速不同负荷下的工况，根据6.2的叙述，台架采用6.2.2测功机恒转速/油门恒位置控制n/P的控制策略比较合理，即固定发电机的转速，每一工况点对应不同的发动机油门开度。因此，对发电机的控制原则就是保证发电机的转速不变。由式（6.1）可知，与转速有直接关系的仅有电枢绕组感应电动势Ea、磁通量。n=Ea/(Ce)式（6.7）假设某一工况测定完后，需要测定下一个工况点，发动机负荷增加，此时油门开度变大，转速不变的情况下发动机输出的扭矩必然增大，即T1增大。由式（6.4）可知，若使系统能够稳定运行，需要调整发电机端的参数，使T也增大。联立式（6.3）（6.2）得T=CtEa/(Ra+Rc)式（6.8）由于选用的发电机励磁绕组为他励型，磁通量与感应电动势Ea相互独立，再联立式（6.1）得T=CeCtn2/(Ra+Rc)式（6.9）所以，在增加发电机制动转矩，同时保证发电机转速不变的情况下，只能调节发电机励磁绕组的磁通量。发电机大多工作在励磁线圈的各段铁磁路没有饱和的情况下，磁化特性为线性关系，因此有下式：=F/Rm式（6.10）F=IfN式（6.11）F为安匝数；N为线圈匝数；Rm为磁阻。因此可得，发电机制动扭矩TIf2式（6.12）为简化计算，有T=KIf2式（6.13）K为某常数。这就是测控仪控制发电机端的方法，也就是控制发动机工况的原理。当需要增大发电机的制动扭矩时，就减小励磁线圈的电阻Rf，使励磁电流增加，当需要发电机扭矩减小时，则反向控制。6.4台架各部分需进行的标定6.4.1带传动部分的效率2带传动由于结构简单，因此在有相应条件的情况下，理论计算得到的效率有较高的可信度，可供实际参考。在未打滑的情况下，带传动的效率仅与带的弹性模量E，带的横截面积A以及带传动的有效圆周力F有关20。F=Pe/(d1n160)106式（6.14）2=(EA-2F)/(EA)式（6.15）表 13 关于带传动效率的V带参数传递功率Pe弹性模量E横截面积A主动轮直径d1主动轮转速n15KW2