3T货车驱动桥设计说明书 - 图文

编号

潍 坊 学 院

毕 业 设 计 技 术 报 告

课题名称： 10吨电动平车设计

学生姓名： 贾 垂 科 学 号： 11011240111 专 业： 车 辆 工 程 班 级： 2011级1班 指导教师： 宋 健

2015 年 05月

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摘 要

电动平车是在工厂内部经常使用的一种通过轨道进行运输作业的车辆。它具有使用便利、结构简单、载重能力强、易于维修和保养等多个优点，在各种机械的制造生产车间、冶炼金属的工作车间拥有十分广泛的使用范围。本文在广泛查阅了各种文献和研究记录的基础上，结合实际，对10t电动平车这一研究项目的原型的作了设计。

进行设计的时候，根据任务的设计要求，主要针对车轮，传动系，行走机构，车架，等作了严格的设计选择工作。其中三个部位的选择十分重要。

1、车轮的选用。车轮本身是传统的标准部件，然而车轮的确定是做后边工作的前提，故要把车轮的各种参数（直径等）第一个确定下来。

2、传动系统的设计。设计时一共提出了两种不同的传动方式，并且对这两种方案分别作了三维建模的分析比对，最后决定使用第二种传动方式进行合理性的安装。

3、行走机构的设计。在设计中，设计工作的主动轮和被动轮和驱动轮，检查。为了再次测试的主动轮的强度状况是否合适，使用ANSYS有限元对主动轮进行分析。

关键词：电动平车 传动系统 行走机构 车轮

I

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ABSTRACT

Electric flat car is a kind of using electricity in the factory the rail transport vehicles, the main function is to transport product in the workshop. It is easy to use, simple structure, large carrying capacity, easy maintenance, etc. Widely used in the cross transport heavy machinery manufacturing, metallurgy enterprise production workshop. Based on the reading of vast amount of literature and research, starting from the actual production, to 10 t electric car prototype design.

In the design process, according to the design requirements of task 10 t electric flat car, electric wheel selection, the design of the transmission system, running gear design, framework design, the choice of the cable work. In the whole design process, there are three critical design.

1. The selection of the wheel. Wheel is standard parts, but the adoption of the wheel is the basis of work behind, the first is coherent to the wheel parameters, especially the wheel diameter.

2. The design of the drive system. In the design process, and puts forward two kinds of design scheme of the transmission system, and the two different transmission schemes of the use of 3 d modeling, according to the design of transmission system, finally chose two rationality to install.

3.The design of traveling mechanism. In the design, the design work of the driving wheel and driven wheel and driving wheel, check. In order to take the initiative to the strength of the shaft is in line with the requirements for further testing, the design process of the active wheel spindle by ANSYS finite element analysis.

Keywords: electric flat car; the transmission system; the walk institutions ; frame

II

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目 录

摘 要 ................................................................ I ABSTRACT ............................................................. II 1 引 言 ............................................................... 1

1.1 电动平车的概念 ................................................ 1 1.2 电动平车主要技术参数 .......................................... 1 2 电动平车的总体设计 .................................................. 2 3 电动平车车轮的选用 .................................................. 4

3.1 车轮的材料选择 ................................................ 4 3.2 车轮的结构选取 ................................................ 4 3.3 车轮的直径选取 ................................................ 5 4 对传动系参数的计算 .................................................. 6

4.1 电动机的选用 .................................................. 6

4.1.1电动机的类型选用 ........................................ 6 4.1.2 电动机的功率选用 ........................................ 7 4.1.3 电动机的转速选用 ........................................ 7 4.1.4 电动机的型号选用 ........................................ 7 4.2 传动比的计算 .................................................. 8 4.3 进行计算传动装置的动力性参数 .................................. 8

4.3.1 各轴转速 ................................................ 8 4.3.2 各轴功率 ................................................ 9 4.3.3 各轴转矩 ................................................ 9 4.3.4 运动和动力参数列表 ...................................... 9 4.4 带传动设计 .................................................... 9

4.4.1 已知条件 ................................................ 9 4.4.2 设计步骤和方法 ......................................... 10 4.4.3 V带轮的轮槽 ........................................... 12 4.4.4 判断带轮的结构形式 ..................................... 12 4.4.5 在带轮上进行周向定位的零件的选择 ....................... 14 4.5减速器的计算与选用 ........................................... 15 4.6制动器的计算与选用 ........................................... 15

4.6.1 制动器的类型选用 ....................................... 15 4.6.2 制动器的型号选用 ....................................... 15

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4.7传动齿轮的计算 ............................................... 16

4.7.1已知条件 ............................................... 16 4.7.2 设计步骤和方法 ......................................... 16

5 行走机构的设计 ..................................................... 22

5.1主动轮轴的设计 ............................................... 22

5.1.1针对其组成形式和各个参数进行设计 ....................... 22 5.1.2主动轮轴的校核 ......................................... 22 5.2 从动轮轴的设计 ............................................... 26 6 电动平车车架的设计 ................................................. 27

6.1 车架的材料选用 ............................................... 27 6.2 车架的结构选用 ............................................... 27 7 三维建模 ........................................................... 28 8 对主动轮轴进行有限元分析 ........................................... 31

8.1 有限元法的概念 ............................................... 31 8.2 有限元的优势 ................................................. 31 8.3 对主动轮轴进行前处理 ......................................... 31

8.3.1 三维建模即简化 ......................................... 31 8.3.2单元选择与网格划分 ..................................... 32 8.4 有限元分析结果 ............................................... 32 8.5 结果分析 ..................................................... 34 9 结论 ............................................................... 35 参考文献 ............................................................. 36 致 谢 ................................................................ 37

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1 引 言

当代工厂中，电动平车因其承载力强、容易操作和装卸的特点得到广泛应用。而且，

由于其经济性高，故障率低和清洗方便等优点，企业首选其当做内部的运输车辆。

1.1 电动平车的概念

电动平车，又称电动平板车，也被称为平车、台车、过跨车、地爬车等，是工厂内部常用的电力驱动动的轨道运载车辆，可以在台面平整或非平整但无厢盖的条件下运行，车体由减速电机的驱动沿预先铺设的轨道运行，属于轨道式运输车。

1.2 电动平车主要技术参数

有轨电动平车相关参数包括：尺寸，高度，吨位，供电模式，操作模式，轨道间距，轨道长度，供电方式及吨位是其主要技术参数。一般情况下，电动平车以载重吨位或供电方式来确定它的规格。

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2 电动平车的总体设计

平板车主要包括导电系统，电控系统，传动系统，车身以及车轮组。汽车的电控系统主要有：限定位置开关装置/变压器，旋转警示灯等。设计的时候，因为学科限制的问题，重点作了对电动平车传动系统，车轮和车架的选择设计工作。

汽车驱动装置包括电动机，减速器，制动器，制动轮，皮带轮，用来驱动小车行走。关于两种传动系的设计方案在下面图2.1和图2.2作了表示。通过比较，确定使用如图2.2表示的传动方式。该驱动装置一侧放置在身体的下部，同时为了方便汽车修理变速器，设置检查孔在桌子上。

车架选择为焊接钢结构。该框架由钢和钢板焊接。平车动力系统的供电形式选取为通过电缆卷筒供电。

图2.1 传动方案1

1—制动器；2—电机；3—带传动；4—减速器；5—联轴器；6—车轮

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图2.2 传动方案2

1—制动器；2—电机；3—带传动；4—减速器；5—齿轮；6—车轮

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3 电动平车车轮的选用

车轮用于支撑整个装置的重量和电动平板车行走，可以分为轨道和轨道两，设计基于车轮的轨道。

3.1 车轮的材料选择

车轮材料根据它的作业级别和动力方式来确定。对于机械驱动且速度为30m/min以上，中级及以上的工作类型，铸钢高于zg55，表面硬度高于HB=300~350，淬火的深度在5毫米以上，这样能够延长车轮的寿命和增强车轮的耐磨层度。对于轻级或用人力推动的形式，速度低于30米每分钟的时候，选用铸铁作为车轮材料，表面的硬度选用在HB=180~240之间。

该电动平车利用机械运转提供动力，工作的级别是轻量级，行动的速度是30米每分钟，综合考虑到这些因素，选用55zg铸钢作为轮子的制作原料，表面上淬火的坚硬度达到HB = 310 ~ 360，表面上淬火的深浅度大于20毫米（距花纹最深的地方大于20毫米，坚硬度大于HB=180~240）。

3.2 车轮的结构选取

车轮能够按照轮缘的不同分为无缘、单缘（小车）和双缘（大车）。轮缘的主要用途是引导方向和预防车轮脱离轨道。

轮的接面可以制作成一个圆锥，圆柱或着鼓的形状，大多数的情况下都选择前边两个形状。

通过本次设计的任务要求可以知道，轮子对平车的运动状况的影响并不高，但为了进一步的减少电动平板车的制作本金，因此选定为单个车轮轮辋型车，代号为DL。结构简图如图3.1所示。

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图3.1 单缘车轮

3.3 车轮的直径选取

车轮的大小由压轮，轮直径较大的压力增加，但直径太大，设备的成本也会相应增加，同时会导致车轮转速低的传导机制更加复杂。所以，当车轮的直径达到极限的大小的时候，通常选择的方法是增加轮数以分担车轮压力。如果轮数大于四，为使让汽车轮压分布的平均，那么就需要安装平衡装置。

车轮数的初步选定n = 4，电动平板车的质量m = 2T，是从以上，依据设计书的要求和负载的大小确定其最大车轮压力：

M?m?13T 式（3.1） P?n参照[ 8 ]表6-1和6-2表，选择压力面是圆柱形的单个轮边缘的车轮，轮数确定是

n?4。

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4 对传动系参数的计算

综上所述，确定使用第二种的传动方式。传动方案简图如图4.1所示。

图4.1 传动方案

1—制动器；2—电机；3—带传动；4—减速器；5—齿轮；6—车轮

设计参数： 1．运输重量：10T 2．轨距：1435mm

3．行走速度：30m/min,行走距离：40m 4. 台面尺寸：5000?3200mm

4.1 电动机的选用

4.1.1电动机的类型选用

三相电路异步启动电动机是众多起重用的机械和冶炼金属用机械的动力装置。它拥有很高的机械强度跟抵抗过高过载的功能。

YZR系列是“绕线”转子电机，YZ系列是“笼型”转子电机。冶金起重电机转子广泛使用，但在电机启动不是很频繁，功率容量和全压启动许可的地方后，还可以使用笼型转子。所以选择使用YZR、YZ系列的三相异步电机。

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4.1.2 电动机的功率选用

电机额定的功率应不小于工作机所需要的其输出的功率。如果电机的功率比工作需要的小，就无法使机器的能够正常的工作；如果电机长时间的超负荷运转，会使其发热量过大使电机过早出现故障；如果功率太大，那么相应的会使成本加大，并且会使电机长时间的低负荷运行，功率因数和效率过低，能量无法高效率利用。

工作机所需功率为：

Pw?S?Fv?(M?m)gv?S??1.1?100010000.05?(50?8)?9.8?10003060?15.63kw 式（4.1）

式中：S—— 安全系数，其值为S?1.1； ?——摩擦系数，其值为??0.05；

M——平车的载重量，其值为M?50T； m——平车自重，其值为m?8T； v——行走速度，其值为v?30m/min；

g——重力加速度（N/kg），其值为??9.8N/kg。 电机的输出功率： Pd?Pw??Pw?1?23?33?15.63（4.2） ?18.76kw 式

0.96?0.983?0.983式中：?1——带传动效率；?2——滚动轴承效率；表1-7的?1?0.96、?2?0.98、?3?0.98。

检查[ 2 ]表12-7电机额定功率22w。

?3 ——齿轮传动效率。查[2]

4.1.3 电动机的转速选用

该电机在不同的转动速度下拥有的额定功率是一样的。低速电机系列的轮廓大，重量高，价格昂贵，但是能够让电机总的传动比和尺寸减小，而高速电机是完全不同的，应考虑到各个不同的影响因素来选择合适的电机转速。

按照负荷的不同，可以把电机划分成S2(短时间内使用作业制)、S3(断续周期内使用作业制)、S4（启动的断续周期性使用作业制）、S5(电制动的断续周期使用作业制)。电机确定为断续周期内使用作业制度，每个作业周期范围每个小时内只需要启动使用6次。电机的负载的持续工作效率FC?40%，FC?（起动+制动）/工作时间范围。 所以选用为YZR225M?8电机，电机的负载的持续工作效率是FC?40%的时候的旋转速度为715r/min。

4.1.4 电动机的型号选用

Ped?18.76kw和转动速速nd?715r/min，根据[ 2 ] 表12-7

可以确定要使用的电机模型：YZR225M?8。

根据电机确定的功率

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4.2 传动比的计算

车轮的转速：

nw?60?1000?v??D60?1000???5003060?19.1r/min 式（4.3）

式中：D——车轮直径，其值为D?500mm； v——行走速度，其值为v?30m/min。

总传动比：

i?nm715??37.43 式（4.4） nw19.1取带传动的传动比i0?1.87 ， 式（4.5） 则低速时传动比

i2?i37.43??3.781.4i01.4?1.87 式（4.6）

电机减速器速度较低时的传动效率的比值i1?1.4i2?1.4?3.78?5.29；取i4?1。 式中：nm——电动机满载转速，其值为nm?715r/min ； nw——车轮转速，其值为nw?19.1r/min。

4.3 进行计算传动装置的动力性参数

机械传动装置动力性参数是进行每一个传动件设计的十分重要的理论依据。对其部件进行设计，第一步要算出各个轴的转动速度，扭矩和功率。每个轴的动力参数大都是根据电机与工作机动力的传递方式来计算。

4.3.1 各轴转速

① Ⅰ轴 ：

nI?② Ⅱ轴 ：

nm715= ?382.35r/min； 式（4.7）i01.87nⅡ?nI382.35 =?72.28r/min； 式（4.8）i15.29③ Ⅲ轴 ：

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nⅢ?nII72.27= 式（4.9） ?19.12r/min。i23.784.3.2 各轴功率

① Ⅰ轴：

PI?Pd??1?18.76?0.96?18.20kw 式（4.10） ② Ⅱ轴：

P 式（4.11） Ⅱ?PI??2??3?18.76?0.96?0.98?0.98?17.12kw；③ Ⅲ轴：

22 PⅢ?P 式（4.12） Ⅱ??2??3?18.76?0.96?0.98?0.98?16.27kw。

4.3.3 各轴转矩

① Ⅰ轴：

TI?9550② Ⅱ轴

P17.12?2261.98N?m； TII?9550II=9550? 式（4.14） 72.28nIIPI18.20?454.58N?m；=9550? 式（4.13）

382.35nI③ Ⅲ轴

TIII?955016.27PIII?8126.49N?m。=9550 式（4.15） 19.12nIII4.3.4 运动和动力参数列表

表4.1 运动和动力参数列表

轴名 Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴 运动和动力参数 转速n/r/min 382.35 72.28 19.12 功率P/kw 18.20 17.12 16.27 转矩T/N?m 454.58 2261.98 8126.49

4.4 带传动设计

4.4.1 已知条件

电机的输出功率Pd?18.76kw，小带轮转速nm?715r/min，传动比i0?1.87，每天

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工作时间为16小时，负荷变化时，负载起动。

4.4.2 设计步骤和方法

① 确定计算功率

该计算是基于传输功率和功率P与工作条件和确定

Pca?KA?P 式（4.16） 其中：Pca——计算功率，kw；

KA——工作情况系数，见[1]表8-7；

P——所需传递的额定功率，kw； 则

Pca?KA?P?1.5?18.76?28.14kw 式（4.17） ② 选择V带的类型

工作系数查[1]表8-7可知KA?1.5。通过功率Pca?8.805kw和小轮的转动速度

n1?nm?715r/min，和[ 1 ] p157图8-11选定V型带为常见的C型。 ③ 确定带轮的直径dd同时检验其运动速率v

1）初步选择较小型传送轮的直径dd1。

根据[ 1 ]中图 8-6和表8-8选择较小型轮的基准直径dd1?200mm。 2）验算带速v

参考[ 1 ]（8-13），根据带的计算速度。带的传送速度一般不高于30米每秒。 验算带的速度 v???dd1?n160?1000???200?71560?1000?7.49m/s 式（4.18）

经检验满足了设计的要求，所以此时的带速是合适的。 ④ 计算大带轮的直径

根据dd2?i0?dd1来算出大带轮的直径

dd2?i0?dd1?1.87?140?374mm 式（4.19） ⑤ 验算传动比 实际传动比

i?dd2374??1.87 式（4.20） dd1200误差w?i?i01.87?1.87?100%??100%?0?5%，符合要求 i2.5⑥ 选定中心距离a，同时选定V带长的参考数值Ld。

1)根据中心距的数值和尺寸大小的限制，通过[ 1 ]（8-20）确定初始中心距的位

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置a0。

将把上面算得的数据带进式子0.7?(dd1?dd2)?a0?2(dd1?dd2)得401.8?a?1148，初步确定中间位置距离a0=410mm

02) 计算相应的带长Ld0 由[1]式（8-22）有

(dd2?dd1)2 Ld0?2a0?(dd1?dd2)? ?1740.10mm 式（4.21）

24a0?根据[ 1 ] 8-2选定长度Ld?1800mm。 3) 计算中心距a及其变动范围 传动的实际中心距近似为 a?a0?取整为480mm；

amin?a?0.015Ld?480?0.015?1800?453mm 式（4.23） amax?a?0.03Ld?440?0.03?1800?494mm 式（4.24） ⑦ 检验包围的角度?1

通过[1]式8-7确定，小带轮的包围角度?1比较小。再根据[1]式8-6，小带轮上受到的总摩擦力也比较小。因此，在小车轮可能发生滑移。为了提高工作的驱动能力，应

57.3???90? 使?1?180?(dd2?dd1)a由此知

374?200??57.3??159.23??120 ?1?180?? 式（4.25） 480⑧ 确定带的根数

z?Ld?Ld01800?1740.105?410??479.95mm 式（4.22） 22PcaKAP 式（4.26） ?Pr(P0??P0)K?KL为了让V带所受到的力的大小是平均分布的，带数常常不超过5根。

通过表8-4a（见[1]）得P0?3.8235kw；查表8-4b（见[1]）得?P0?0.2125kw；查表8-5（见[1]）得K??0.92658；查表8-2（见[1]）有KL?0.88。于是得：

PcaPca28.14 z????4.82

Pr(P0??P0)K?KL(3.8235?0.2125)?.92658?0.88 式（4.27）

取z=5根

⑨ 每一根V带的初始拉力的计算 根据式（8-26）（见[1]），考虑离心力和包角，单根V带的最小初拉力为

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F0?500?由[1]表8-3查得

(2.5?K?)Pca（4.28） ?qv2 式

K?zv q?0.30kg/m 式（4.29） 故有

(2.5?0.92658)?28.14?0.30?7.492?654.81N 式（4.30） F0?500?

0.92658?5?7.494.4.3 V带轮的轮槽

轮槽的选择必须跟V带相照应。带型为B型带。该界面如图5.2所示：

图4.2 轮槽的界面形状

轮槽的截面尺寸：

表4.2 轮槽的界面尺寸

dd 槽型 hbd amin ehfmin fmin 与dd相对应的? ??32???34???36???38? ?min

取bd?19mm；ha?4.8mm；hf?14.3mm；e?26mm；f?16mm；dd1?200mm，与dd1相对应的?为?1?34?；dd2?374mm，与dd2相对应的?为?2?38?。

4.4.4 判断带轮的结构形式

V带轮的结构和基准直有关。当带轮直径dd?2.5d的时候，选实心式；当

dd?300mm的时候，选取腹板式；当dd?300mm，同时D1?d1?100mm时，选取孔板

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式；当dd?300mm时，选取轮辐式。

①选择大带轮形式

轴径d?38mm，基准直径dd2?374mm。显然，

dd2?374mm?2.5d?2.5?38mm?95mm，dd2?374mm?300mm，确定使用轮辐式。其结构形式如图5.3 所示。

尺寸计算如下：

取d1?70mm。 式（4.31） d1?(1.8~2)d?(1.8~2)?38?(68.4~76)mm，

（4.32） da?dd?2?ha?374?2?4.8?382.6mm 式（4.33） B?(z?1)e?2f?(5?1)?26?2?16?136mm 式取L?76mm。 式（4.34） L?(1.5~2)d?(1.5~2)?38?(48~76)mm，

h1?2903P28.14?2903?54.29，即h1?54.29mm。 式（4.35） nza715?6 h2?0.8h1?0.8?54.29?43.43mm。 式（4.36） b1?0.4h1?0.4?54.29?21.72mm。 式（4.37） b2?0.8b1?0.8?21.72?17.38mm 式（4.38）

图4.3 大带轮的结构

②选择小带轮的形式

轴径d?65mm，基准直径dd1?200mm。显然，

dd1?200mm?2.5d?2.5?65mm?162.5mm，并且dd1?200mm?300mm，确定使用腹板式。图5.4 所示为其结构形式。

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图4.4 小带轮的结构

尺寸计算如下：

d1?(1.8~2)d?(1.8~2)?65?(117~130)mm，

取d1?125mm。 da?dd?2?ha?200?2?4.8?209.6mm。 B?(z?1)e?2f?(5?1)?26?2?16?136mm。

L?(1.5~2)d?(1.5~2)?65?(97.5~135)mm， 取L?120mm。

C?(17~14)?d?(117?4)?136?(19.43~34)mm，取C?32mm。 4.4.5 在带轮上进行周向定位的零件的选择

①选择大带轮上的键

由d?38mm，查得键的b?h?10?8 长度

l?L?(4~10)?128?(4~10)?(118~124)mm, 按键的长度系列取l?125mm 即选键b?h?l?10?8?125 ②选择小带轮上的键

由d?65mm，查得键的b?h?18?11 长度

l?L?(4~10)?76?(4~10)?(66~72)mm, 按键的长度系列取l?70mm 即选键b?h?l?18?11?70

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式（4.39）式（4.40）式（4.41）式（4.42）式（4.43）式（4.44）式（4.45）

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4.5减速器的计算与选用

综上所诉，我们可以知道减速器总的传动效率的比值是20，通过翻阅对比机械设计手册里面的《减（变）速器、电机与电器》这一章节，可以确定本次的设计应该使用ZLY型减速器。

减速器本身材料所能承受的力的大小和能承受的最高温度是的功率制约着它的承载能力。因此，对于减速器的选择需要通过以下步骤。

①输入功率PN必需要满足条件P2m?P2KAKSKR?PN

经过查阅《减（变）速器、电机与电器》里面的图表15-2-8、15-2-9、15-2-10能够分别获得工况系数KA?1.25，启动系数KS?1.12，可靠度系数KR?1。

根据前面知道，负载时所做功的效率P2?18.76kw，通过上边知道对减速器经过计算得出的功率是

P2m?P2KAKSKR?18.76?1.25?1.12?1?26.3kw。 式（4.46） 由计算选用ZLY180-20-II，输入减速器的功的效率率为PN?32kw，满足条件。 ②温度达到平衡状态时允许使用的功的效率需要符合P2t?P2f1f2f3?PG1或PG2。 根据表15-2-11~表15-2-13得到，环境温度系数f1?1.15、载荷率系数f2?1、公称功率利用系数f3?1。所以减速器的热平衡功率

P2t?P2f1f2f3?18.76?1.15?1?1?21.57kw，减速器ZLY180-20-II的PG1?54kw，显然P2t?PG1。因此确定选择ZLY180-20-II减速器。

4.6制动器的计算与选用

4.6.1 制动器的类型选用

通过作业条件和使用的规定来选择需要的制动器类型。应考虑以下几点： 1）根据工作性质和工作条件选择。车辆行驶过程中为了调整扭矩，便于较好停车，常使用的开放式的制动器。

2）需满足制动器使用的各项条件。安全性要求高的要求安装双制动机构，每个制动应能安全地支持运输货物，而不坠落。

3）应考虑应用的场所。在剩余空间足够宽阔的时候，可以安装块式制动器，若剩余的空间有限且不足够的时候，可以选择性的使用蹄式，带式或盘式制动器。

按照其性能的特点和应用选择制动形式：电力液压块式制动器。

4.6.2 制动器的型号选用

制动转矩：

Tt?9550?Pd18.56 ?9550??250.57N?m 式（4.47）

nd715根据转矩确定使用YW200?300制动器。制动器YW200?300的尺寸参数如下：

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表4.3 制动器的尺寸参数

额制动器 规格 定退距额定制动转矩 基本尺寸/mm 1 2 3 D h1 K i d n? e1 e2 ?/mm 200-220 10 160 200 250 250 190 180 65 18 10 170 133 b F G B? E? H? A? L? 90 100 200 150 200 570 500 120

4.7传动齿轮的计算

4.7.1已知条件

动力传递方式经计算可以知道是斜齿轮传动，其输入功率为PI?16.27kw，小齿轮的转动速度nIII?19.12r/min，传动比i4?1，使用电机作为驱动方式，极限作业时长为每一年作业时间大约是300天，每一天的作业时间大约是16小时，冲击等级为中，10年，单方向运转。

4.7.2 设计步骤和方法

① 选择齿轮的制作原材料、精精确度的级别以及齿轮齿数模数 1）通过设计规定确定使用直齿轮。 2）精度等级选用7级精度。

3）材料的选择：根据[1]中表10-1来确定选取使用45#钢作为齿轮的制作原料，小齿轮的表面坚硬层度280HBS。大齿轮齿面的坚硬层为250HBS,两种材料的坚硬层度的差值约30HBS。

4）分别确定选取小大齿轮的齿的数目z1?24，z2?z1?i4?24?1?24。 ② 通过各齿轮表面间的相互接触面的力的承受力度进行计算 由设计计算公式进行计算，

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即

d1t?2.3231）确定公式内的各计算数值 a.试选载荷系数Kt?1.4

b.计算小齿轮传递的转矩：T1?8126.49N?m C.根据[1]表10-7选定齿宽系数?d?0.4

D.根据[1]表10-6确定材料的弹性系数ZE?189.8Mpa

E.根据[1]图10-21d确定两个齿轮的接触表面上的损坏极限压力强度的值分别是

12KT1u?1?ZE????du???H?? ? 式（4.48）?2?Hlim1?800Mpa，?Hlim2?750Mpa

F.根据[1]式10-13计算应力循环的次数

N1?60n1jLh?60?19.12?1?(10?300?16)?5.51?107 式（4.49） N2?N1?551?107 式（4.50） 1G.根据[1]图10-19选定碰触表面的受损使用时间常用数值数

KHN1?0.98,KHN2?0.99

h.计算接触疲劳许用应力

选定失去功效概率是1%，正常使用常数S=1.在根据式子（10-12）得： ??H?1? ??H?2? ??H??2）计算

A.算出小齿轮上的各个角度的圆上的直径dit，把??H?里面的比较小的数值写入下面的式子

3KT1u?1?ZE?1.4?8126.49?101?1?189.8?3?d1t?2.323????2.32??????352.8mm???du??H?0.41?763.25? 式（4.54）

22KHN1?Hlim10.98?800?Mpa?784Mpa 式（4.51） S1KHN2?Hlim20.99?750?Mpa?742.5Mpa 式（4.52） S1?784?742.5Mpa?763.25Mpa 式（4.53） 2??H?1???H?22 b.计算圆周速率v v?

?d1tn?60?1000?3.14?352.8?19.12?0.35m/s 式（4.55）

60000 17

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c.计算齿宽b

b??d?d1t?0.4?352.8?141.12mm 式（4.56） d.计算齿宽与齿高之比b/h 模数

mt?齿高

h?2.25mt?2.25?14.7?33.075mm 式（4.58） e.计算载荷系数

按照v?0.35m/s，级别为7的精确层度，通过[1]图10-8知运动载重常数Kv?1.01 直齿轮 KH??KF??1

通过[1]里面的表10-2查得使用系数KA?1

通过[1]里面的表10-4知道精确曾吨为7，小齿轮的分布形式采用的并不是对称性的分布时KH??1.417 b由?10.66，KH??1.417查[1]图10-13得KF??1.36 h故载荷系数

K?KAKVKH?KH??1?1.01?1?1.417?1.43 式（4.60） F.通过现实状况中载重的常数厘正后知道的各角度的圆的最大弦.由[1]式（10-10a）知道

d1?d1t3f.计算模数mH

mH?③按齿根弯曲强度计算

通过[1]式（10-5）得到齿根的弯曲强度的公式为 m?31）确定公式内的各计算数值

A.根据[1]图10-2c，小齿轮齿根的最大变化层度导致损坏的数值是?FE1?500Mpa 大齿轮?FE2?400Mpa

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d1t352.8 ??14.7mm 式（4.57）

z124b252.8 ??10.67 式（4.59）

h33.75k1.43?352.8?3mm?355.3mm 式（4.61） kt1.4d1355.3（4.62） ?mm?14.8mm 式

z1242KT1YFaYSa?dz12??F? 式（4.63）

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B.根据[1]图10-18确定齿根变化过大导致受损的使用时间常数是

KFN1?0.96,KFN2?0.98

c.计算弯曲疲劳许用应力

弯曲疲劳正常工作的常数S?1.4,根据[1里面式（10-12）可知 ??F?1? ??F?2?d.计算载荷系数

K?KAKVKF?KF??1?1.01?1?1.36?1.37 式（4.67） e.査取齿形系数

由[1]表10-5查得YFa1?2.65，YFa2?2.65 f.査取应力纠正系数

由[1]表10-5查得YSa1?2.226，YSa2?2.226 g.计算大、小齿轮的

YFaYSaKFN1?FE10.96?500?Mpa?342.9Mpa 式（4.64） S1.4KFN2?FE20.98?400?Mpa?280.0Mpa 式（4.65） S1.4??F?并加以比较

YFa1YSa1??F?1?2.65?2.226 ?0.01720 式（4.68）

342.92.65?2.226（4.69） ?0.021068 式

280 大齿轮的数值大 2) 设计计算 m?3YFa2YSa2??F?2?2KT1YFaYSa?dz12??F??32?1.37?8126.49?103?0.021068mm?9.3mm

1?242 式（4.70） 综上可知，齿轮模数m的大小根据承载能力确定，承载能力只跟齿轮直径有关系，确定根据弯曲强度计算出的模数m?12mm，参考碰触点的抗变形能力计算出各角度圆的最大弦d1?355.3mm，小型齿轮的模数

z1?取z1?30

大齿轮齿数 z2?1?30?30 取z2?30

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d1355.3??29.6 式（4.71） m12潍坊学院本科毕业设计

这样通过齿轮间的啮合进行动力传递，同时通过了了齿根部的最大抵抗变形能力和齿面碰触点的最大损坏能力的要求。

④几何尺寸计算 1）计算分度圆直径

d1?z1m?30?12mm?360mm 式（4.72）

d2?z2m?30?12mm?360mm 式 （4.73）

2）计算齿轮宽度

b??dd1?0.4?360mm?144mm 式（4.74）

取b2?150mm，b1?144mm 3）齿顶圆直径：

da1?d1?2ham?360?2?1?12?384mm 式（4.75） da2?d2?2ham?360?2?1?12?384mm 式（4.76）

4）齿根圆直径：

df1?d1?2(ha?c*)m?360?2?(1?0.25)?12?330mm 式（4.78）

df2?d2?2(ha?c*)m?360?2?(1?0.25)?12?330mm 式（4.79） ⑤几何尺寸列表

表4.4 几何尺寸列表

m ****Z1 Z2 d1 d2 da1 da2 df1 df2 b1 b2 12 30 30 360 360 384 384 330

330 144 150 ⑥判断齿轮的结构形式 1）判断小齿轮的结构形式

小齿轮上最大弦的数值是da1?384?500。

又D3?1.6D4?1.6d?1.6?85?136mm，D4为轴径，其值为D4?85mm。

D0?da2?(10~14)mn?384?(10~14)?12?216~264mm，两个 取D0?264mm

n1?0.5mn?0.5?12?6mm，r?5mm。

C?(0.2~0.3)?B?(.2~0.3)?144?(28.8~43.2)mm，取C?36mm

D0?D3233.6?136??200mm 式（4.80） 22 D1? D2?(0.25~0.35)(D0?D3)?(0.25~0.35)?(264?136)?(32~44.8)mm 式（4.81）

取D2?40mm。

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2）判断大齿轮的结构形式

大齿轮上最大弦的数值是da1?384?500，

又D3?1.6D4?1.6d?1.6?146?233.6mm，D4为轴径，D4?146mm。

D0?da2?(10~14)mn?384?(10~14)?12?216~264mm， 式（4.82） 取D0?264mm

n1?0.5mn?0.5?12?6mm，r?5mm。

C?(0.2~0.3)?B?(.2~0.3)?150?(30~45)mm，取C?40mm D1?D0?D3233.6?264??248.8mm 式（4.83） 22 D2?(0.25~0.35)(D0?D3)?(0.25~0.35)?(264?233.6)?(7.6~10.64)mm 式（4.84）

取D2?10mm。

通过[1]可以知道，较高速级的齿轮都使用腹板式。 ⑦齿轮的周向定位 1）小齿轮的周向定位

由d?85mm，查得键的b?h?20?14

长度l?b1?(4~10)?144?(4~10)?(134~140)mm, 按键的长度系列取l?140mm 即选键b?h?l?20?14?140 2）大齿轮的周向定位

由d?146mm，查得键的b?h?36?20

长度l?b2?(4~10)?150?(4~10)?(140~146)mm, 按键的长度系列取

l?140mm

即选键b?h?l?32?20?140。

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5 行走机构的设计

电动平车的行动靠汽车的车轴和车轮的配合。本章介绍车轮轴的设计。

设计轴的时候要判它轴的外形和尺寸是否都是合理的.所以要考虑到下面的多个因素:轴需要装配的部件的种类,大小,数目，以及还有跟轴相连的方式。在设计的时候,还必须根据各种状况逐个解决.

5.1主动轮轴的设计

5.1.1针对其组成形式和各个参数进行设计

已知:I轴输入功率P??PIII??3?16.27?0.98?15.95，转速nIII?19.12r/min，转矩

TI?9550?PIII15.95?9550??7966.66N?m nIII19.12驱动轮轴使用轴承跟支座的相连,同时用键跟大齿轮链接,并且安设定位轴肩.轮距

是1435毫米,车身的窄度是2米.综合参照上边条件, 如图5.1所示。

图5.1 主动轮轴

5.1.2主动轮轴的校核

按dmin?A03确定选择45钢来作为主动轮轴的加工制作原料，PIII/nIII校核轴直径。

通过[1]表15-3确定为A0?118。

所以dmin?A03PIII/nIII?118?315.95/19.12?111mm。综合上边的计算过程可以知道，主动轮轴的最小直径是dmin?120mm。

① 做出轴的计算简图如下：

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FNV1 AFLFFFNVF B CF FDFNHFLL

L2 L3 图5.2 主动轮轴的计算简图

②进行数值计算 圆周力：

Ft?径向力：

Fr?Fttan20??45147 .17?tan20??16432.23N 式（5.2）轴向力：

Fa4?Ft4tan20??17690（5.3） .28?tan20??6338.74N 式车轮力： F1?1000(M?m)g1000?(5010)?9.8 ??147000N 式（5.4）

442TIII2?8126.49（5.1） ??45147.17N 式?3d2360?10L1?176.75mm；L2?588mm；L3?129mm；L4?806mm；L5?176.75mm。

③主动轮轴在水平范围内受到的力的分析如下：

FNH1 Ft F NH2FDLL EL

F BL C 图5.3 竖直方向上的受力状况

由竖直方向力平衡得

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Ft?FNH1?FNH2?FNH1?45147（5.5） .17N 式由MC?0有

FNH1?(L1?L2)?FNH2?L3?FNH1?(L4?L5)?MA 式（5.6）

Fr360?16432.23??29578.14 式 MA?（5.7） r2根据（6.5）（6.6）(6.7)有FNH1?22395.81N,FNH2?355.56N，则

MH1?FNH1?(L1?L2)?MA?8487863（5.8） .31N?mm 式 MH2?FNH2?L3?MA?256499 .67N?mm 式（5.9） MH3?FNH1?(L3?L4?L5)?MA?12473379（5.10） .86N?mm 式④竖直方向上的受力状况：

FNV1Fr BLC LF DLELFF

图5.4 竖直方向上的受力状况

由竖直方向力平衡得

Fr?FNv1?FNv2?FNV1?16432（5.11） .23N 式由MC?0有

FNV1?(L1?L2)?FNV2?L3?FNV1?(L3?L4?L5)?0 式（5.12） 根据（6.11）（6.12）有FNv1?3503.67N,FNv2?9424.88N,则

MV1?FNV1?(L1?L2)?2679431（5.13） .63N?mm 式 MV2?FNH2?L3?1215809（5.14） .52N?mm 式 MV3?FNH1?(L3?L4?L5)?3895205（5.15） .12N?mm 式⑤总弯矩

.312?2679431.632?8900740.27N?mm M1?MH1?MV1?848786322 式（5.16）

.672?1215809.522?1242571.88?mm M2?MH2?MV2?25649922 式（5.17）

2?3895205.122?13067430.15N?mm M3?MH3?MV3?1247337922 式（5.18）

⑥计算扭矩

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TIII?9550?103?PIII16.27 ?9550?103??8126490N?mm 式（5.19）

nIII19.12则T??TIII??8126490N?m

⑦用图像表现出轴所承受的弯矩图和扭矩图如下：

3895205.12N?m 2679431.63N?m 1215809.52N?m AB C D E F 图5.5 水平面弯矩图

12473379.86N?848786.31N256499.67NAB C D E F 图5.6 垂直面弯矩图

C _ 8126490N?mm

图5.7 扭矩图

⑧判断危险截面

由计算知，截面D是危险截面，

⑨根据主动轮轴的弯扭的强度改正其强度。

进行核对校正的时候，仅仅对轴上最大的弯矩和扭矩的横截面的强度核对校正，通

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过[1]P373可知折合系数??1，计算出轴的应力大小为 ?ca?M2?(?T3)W22?M2?(?T3)22?d3?1242571.882?(1?8126490)2??140323?30.52MPa

32 式（5.20）

通过[1]表得到???1??60MPa.因此?ca????1?，故安全。

5.2 从动轮轴的设计

从动轮轴通过键来连接从动轮组,通过轴承来连接上支座,同时安放好定位的轴肩。轮距为1435mm，车架宽度为2000mm。综合上面的条件,其形式下图2.12。

图5.8 从动轮轴

主从动轮轴上的主要结构十分的相似,因为没有受到转矩和齿轮上的压轴力的影响,可以通过自重的校正来确定从动轮轴的强度已经满足了设计要求,所以不用再次校核其强度。

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6 电动平车车架的设计

车架是整个电动平车的重点。同时可以通过自身的重量作为衡量电动平板车的车架质量的优劣的标准。车架本身的结构设计还需要满足多个不同情况下的合理性的要求。因此对原料的选择是很有必要的。

6.1 车架的材料选用

依照《起重机设计手册》的相关数据，确定电动平板车车架的材料为具有可焊性的碳素钢Q235。其有关特性如表6.1所示。

表6.1 Q235钢的特性

钢号 Q235B 密度(g/cm3) 屈服强度?s?(MPa) 抗拉强度?b(MPa) 冲击功Axv(J) 7.8 235 375~500 ?27 6.2 车架的结构选用

车架的制造形式有铸造，铆接和焊接。其中主要采用焊接车架。该种车架的设计结构容易制造而且自身重量较小。

其三维建模图如图6.1所示。

图6.1 车架

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7 三维建模

三维建模的使用给了工程的作业过程很大的方便。第一步是创建各部件的模型，然后进行组装，制作出一个原型。详见如下：

图7.1 传动系统

图7.2 制动器

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图7.3 主动轮轴装配

图7.4 从动轮轴装配

图7.5 弹簧平衡架

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图7.6 车架

图7.7 电动平车

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8 对主动轮轴进行有限元分析

8.1 有限元法的概念

有限元法是通过电子计算机开发的计算方法，是对未知解的无限单元利用有限的思想进行计算。

8.2 有限元的优势

有限元法计算精度高，适应性强，成为现代工业设计的主要工具。随着不断优化发展的电子产品的普及，为有限元分析提供了更好的发展环境，展现出更加宽广的使用前景。

8.3 对主动轮轴进行前处理

8.3.1 三维建模即简化

考虑到有限元的建模能力，首先建立了主动轮在Pre环境下的三维模型，如图9.1。

图8.1 主动轮轴三维图

电动平车设计，轮轴均采用45钢。相关参数如下： 材料名称 45 杨氏模量 362GPa 泊松比 0.30 材料密度 m 材料的允许使用的应力是 [?]??bn?363?72.6MPa 式（8.1） 5 31

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8.3.2单元选择与网格划分

在应力分析的环境中加载零部件的三维模型，再将其划分出网格。如图8.2所示。 对主动轮轴上的网格划分进行参数的设置： 平均元素大小 0.100 最小元素大小 0.200

分级系数 1.500

最大转角 60.00deg 细分网格元素大小 10.00mm 停止条件 10.00% h优化阀值 0.750 收敛结果 Mises等效应力 几何图元选择 所有

图8.2 主动轮轴划分出的网格

8.4 有限元分析结果

生成分析报告，主动轮轴的位移图和等效应力图分别如图8.3和图8.4所示。

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图8.3 主动轮轴ANSYS等效位移

图8.4 主动轮轴ANSYS等效应力

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8.5 结果分析

在对零件的分析结果的满意层度进行判断时，第一步需要观察零部件的最大应力的数值是不是小于制作材料的允许的应力数值。如果满足上边的要求，那么就要进行下一步，即优化零部件的结构，让零部件受到的应力得到更均匀的分布，最好的达到等应力的分布结构。

通过仔细的观察，其最危险的横截面是和大齿轮接合的地方。这里最大的应力数值是26.88MPa，产生的最大位移是0.04617，得到的数值都跟经典力学计算的结果很接近。

表8.1 参数对比表

对象 负荷 部位 经典力学计算结果 有限元分析结果 主动轮轴 79666660.000N?m 安装大齿轮处 30.52MPa 26.88MPa 34

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9 结论

按照导师给的任务要求说明书，本篇文章设计了10吨的电动平板车。设计出的这台车适用于一般条件工厂的使用要求，拥有较普遍的使用环境。对平车进行设计的时候，主要围绕下面的情况进行：

1.电动平车的结构设计。在进行这一方面的设计的时候，依靠设计时总观全局的思想，尽可能的把电动平车的各个部位的参数进行合理的优化。

2.在对电动平车的传动系的进行设计的时候，总共拟定两种不同的传动方式。两种方案均使用两级式减速器和皮带传动的机构。通过对电动平车工作环境的综合分析对其选定了一个合适的的制动器。根据实际，选定了方案二。

3.为使传动系的维护和修理更加的方便，所以对传动系选择进行整体的放置。 4.对于轮对的安装，为使车架受力有利，台面高度得到有效降低，提高侧向稳定性和轴承承载能力，最终确定了角型轴承箱结构。

5.对于供电方式的选择上，采用了蓄电池供电的方式。经过查阅有关资料，最终选用Ggfm-200蓄电池，为湖南丰日电源电气股份有限公司生产的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4srg.html