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越野车油气悬架系统密封的试验装置设计1第1章前言汽车悬架是汽车中弹性的连接车架与车轴的装置。它一般由弹性元件、导向机构、减震器等部件构成，主要任务是缓和由不平路面传给车架的冲击，以提高乘车的舒适性。而越野车是一种为越野而特别设计的汽车，出于对越野性能的需求，其悬架系统就显得尤为重要。为了满足人们对越野车不断增长的性能需求，人们需要在更好的试验装置及环境不断开发性能更为优秀的悬架系统。这也是本课题——越野车油气悬架系统密封的试验装置设计——研究的目的及意义所在。油气悬架系统的密封性主要是指在活塞在主储气室内作直线往复运动时，主储气室对于室内的油气的密封性能。如图所示。能实现直线往复运动的方式很多:所有的四杆机构图1.1（包括：曲轴连杆滑块机构；偏心轮机构等）、曲线滑槽机构、凸轮弹簧机构、气缸（油缸）阀门机构、滚珠丝杠及直线电机等都可实现。但上述方式中除了电机，均无法达到汽车行驶时活塞5~10m/s的速度，即使是目前日本制造的最先进的丝杠，能达到的最大速度也只有5m/s左右。所以设计采用直驱伺服电机来驱动的直驱伺服系统综合性能试验平台。第2章文献综述2.1国内外研究现状及成果直驱伺服电机是近年发展起来的一种新型进给传动方式，在各类高速精密加工设备上具有广泛的应用前景。目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的Kollmorgen、Anorad、Ingersoll公司，日本的三井精机、三菱、FANUC公司，德国的Siemens、Indramat公司等都推出了先进的直线伺服系统。Anorad公司在1988年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他以永磁式直线电机为主，形成了不同结构不同功率的系列产品，广泛应用于各种领域。Siemens公司也推出1FN1、1FN3等大中型推力永磁直线同步电机，适合于加工中心进给系统的驱动。而国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段，主要研究力量是大学和科研院所。国内一些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届CIMT’03展览会上，北京机电高技术股份公司推出了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心（VS1250立式加工中心），该机床采用了Siemens公司的1FN1型直线电机和840D数控系统，X、Y轴进给速度可达越野车油气悬架系统密封的试验装置设计262m/min，加速度可达1g，主轴最高速15000r/min。在直线电机应用方面，德国Ex-cell-O公司是世界上第一台直线电机驱动高速加工中心工作台的制造厂家。近年来，Ex-cell-O公司又推出了新的XHC241型和XHC341型高速加工中心新产品，其三坐标运动系统均采用直线电机驱动。XHC241型机床的最高运动速度为120m/min，加速度为14m/s2,定位精度0.003mm。XHC341型机床的规格较大，其最高运动速度也是120m/min，加速度为10m/s2,定位精度0.005mm。从1993年Ex-cell-O公司首次开发成功直线电机驱动高速机床以来，世界上许多厂商纷纷推出这类高速加工中心和其它数控机床。据统计，1997年采用直线电机的机床销量已达300台，近几年这个数字还在不断增长，专家预测，到2010年，世界上将有20%的数控机床的直线运动单元采用直线电机驱动，其应用和发展前景令人瞩目。虽然国内研究直线电机的单位不少，但将直线电机作为机床或加工中心直线运动单元研究的主要有3所大学：广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“高速直线运动单元”。他们研究的是直线感应电机，开发了GD-3型直线电机高速数控直线运动单元,额定运动力为2kN，最高运动速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年代后期开始,沈阳工业大学对永磁直线同步电机进行研究,并制造了推力为100N的样机。他们研究的另一重点是电机的控制方式及伺服系统,并就此发表了多篇论文。清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所成功地研制了高频响直流直线电机,行程可达5mm,截止频率大于250Hz,推力达几百牛顿,用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架,在实际加工中获得了较好的应用效果。现在正在进行研究的是长行程永磁直线伺服单元,电机的额定推力为1500N,最高速度60m/min,空载最大加速度1g,行程600mm。应该看到,在国内,直线电机特别是高速直线运动单元中的直线伺服电机的研究还处于起步阶段,研究人员和经费明显不足,进展也比较慢,和国外的差距越来越大,加强研究已是迫在眉睫。为了打破国外的技术垄断,必须走技术跟踪和自主开发相结合的道路,加强基础和关键技术的研究。2.2发展趋势目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势：1.部件模块化：包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化，用户可以根据需要（如推力、行程、精度、价格等）自由组合；2.性能系列化：由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、丝杠螺距等环节调节性能，单一性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系列化更丰富；3.结构多样化：直线电机一般直接和被驱动部件连接，为适应不同的安装要求结构必须多样化；4.控制数字化：直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点，全数字控制技术是解决这一难点的有效方案。2.3设计目标以直线电机驱动在直驱伺服系统综合性能试验平台上对油气悬架系统进行密封性试验。考虑到在一般环境下悬架系统寿命较长，而较难测试出悬架系统的寿命，因此可以适当改变实验环境。比如给主储气室加温加载，大幅缩短悬架系统的寿命，换言之，就是尽快破坏油气悬架系统的密封性，再通过换算得出油气悬架系统的在一般环境下的寿命，也就达到了对悬架系统进行密封性试验的研究目的。第3章越野车油气悬架系统密封的试验装置的功能设计3.1主要功能越野车油气悬架系统密封的试验装置设计3本试验装置主要功能是改变越野车油气悬架系统的外部条件以在较短时间内测试出该悬架系统密封性能的寿命。3.2功能分析在正常情况下使用油气悬挂系统，其寿命较长，性能好的可达10年及以上。故欲在正常条件下在实验台上测出悬挂系统的寿命不具可行性。本验台设计的目的主要就是提供较为恶劣的外部环境，如大载荷，高温等，并且通过建立适当的测试手段，完成机械密封变工况实验过程中所需试验数据的采集与分析，由此判断设计的机械密封是否具有规定的性能。第4章越野车油气悬架系统密封的试验装置的总体设计4.1总体布局4.1.1结构方案的确定1.结构设计部分①密封实验台具备进行常规的机械密封实验能力(包括平衡型和非平衡型机械密封实验)。②设计加温，加压装置。③设计压力及温度过载保护装置及压力调节系统。2.测试系统设计部分①具备温度测试、压力测试、泄漏测试等功能。②配置相应传感器和仪器，测量系统实验的转速和扭矩。③适配接线端子板、数据采集卡，实现测试数据由模拟信号变为数字信号。④编制密封实验数据采集系统，实现测试数据的计算机采集和显示。3.实验台设计方案的确定图4.1实验台轴承对称安装在转轴的两侧，电机一侧轴的旋转用两个滚珠轴承组成的轴承箱做支撑，轴承座固定在焊接的刚性架上，另一侧使用滚动轴承做支撑，以保证各零件的同轴度。轴承箱上开设注油孔，使轴承箱内轴承得到充分润滑。密封实验腔体中间设计中间隔板，将越野车油气悬架系统密封的试验装置设计4介质和轴承的润滑系统隔离开，滚动轴承侧腔体开设进油口和出油口。实验系统中的泵将储水腔中的介质升压后，经过泵体、管路和阀门进入稳压水腔，设计稳压水腔的目的是为了使介质在进入密封腔体时将压力稳定下来，然后才进入密封实验腔体，通过进出口两侧的截止阀门调节密封实验腔体的介质压力。介质在各腔体的进出口压力可以通过压力表读出。实验系统在储水腔上设计加热棒，并设置温度控制仪表。稳压水腔上安装安全阀，保证实验系统的安全操作静环端盖设计成静环盒、静环压盖。动环端面引出测量面，测量动环位移。轴上设计位移测试环，测量轴的位移。机械密封实验腔体上设计并安装相应的转矩转速测量仪、压力传感器、温度传感器、位移传感器、密封泄漏量测量装置。并适配相对应的接线端子板和数据采集卡，实现计算机数据采集。通过改变实验腔体中介质压力、温度，达到模拟各种不同工况下机械密封工作情况的目的，并通过实验台上测试系统测试出密封具体工作参数，完成机械密封实验。实验中由加压泵抽取水箱中的水，经过泵体、管路和阀门进入稳压水腔，然后进入密封实验腔体，最后通过压力溢流阀流回水箱，构成一个闭合水路循环系统。密封实验台的流程图如图2所示。4.1.2布局方案的确定图4.2台座直线电机被测密封腔体液压系统电源冷却站力传感器调理电路电源冷媒上位机数据采集试验系统软件其他仪器变送器等多路传感器、控制信号控制压强力控制温度、流量等其他线形往复运动越野车油气悬架系统密封的试验装置设计5台座：安装被测模块、负载模块和安全防护装置的基础。石质或铸铁座体固定在钎入地下的螺栓上。台座留有冷却系统管路线槽和部分传感器位置，并安装防撞块、可拆卸的透明防护罩等。台座总长预计4米，安装1米左右长的直线导轨，导轨最高速度不小于15m/s。被测模块：安放被测密封腔体。被测密封腔体的机械形式（平板式、套筒式，单边、双边等）不限，均可在试验台上进行测试评价并做到拆装方便。试验台适用的被测油气悬架系统，活塞行程最大达到800mm，且工作频率到10Hz，压力40MPa的密封使用条件。负载模块：以电机（对拖）为主要形式为测试提供力负载。根据被测悬挂系统大小不同和具体试验要求使用可更换容量的、伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、宽范围、与速度不耦合的推力负载。负载模块设计瞬态最大出力18000N，10m/s时最大出力10000牛顿。负载模块亦可提供机械方式的堵动或堵转。传感器：电机位移传感器，分辨率1微米；力传感器，精度优于满量程1%，预备4套以用于不同量程范围：1000N、4000N、8000N、20000N；温度传感器，埋设在电机线包附近，测量误差小于0.2度；压强传感器，置于储油室内监测压强；通用型数字示波器配高压探头等。第5章电机及导轨的选用5.1直线电机5.1.1直线电机概述直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。它是20世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的突出优势，已越来越引起人们的重视，不久应用。5.1.2直线电机的基本结构从结构上可以把直线电机看成是将旋转电机沿径向切开展平的结果，如图2.1所示。此时，转子的旋转运动变成了直线运动。旋转电机的径向、周向及轴向在直线电机里分别称为法向、纵向和横向。旋转电机的定子和转子在直线电机分别称为初级和次级。图5.1从旋转电机到直线电机的演化直线电机在工作过程中初级和次级具有空间上的相对运动，因此就需要将电机的初级（或次级）固定在基础设施上，而将与之对应的次级（或初级）安装在可移动装置上。为了保持直线电机工作时初级和次级的耦合关系不变，必须把其中一个级做得长一些，另一个级做得短一些,故直线电机又有“短初级、长次级”和“短次级、长初级”之分。所谓短初级、长次级，即带通电绕组的部分短，而不带通电绕组的部分长，如图2.2（a）所示。这种形越野车油气悬架系统密封的试验装置设计6式的直线电机次级结构简单，比较容易加长，带绕组的初级较短，成本也较低。但由于初级为动件，则需拖动带电导线一起运动，还需要加导管防护拖链。而“长初级、短次级”直线电机带电绕组部分长，而不带电部分短，图2.2（b）所示。这种形式的动件次级虽然不用拖动导线，但长初级的制作费用高，损耗也大，而且维护也不方便.因此，一般多采用短初级、长次级的形式，以节约成本。直线电机的基本结构为扁平形。对于这种结构，如果仅在次级的一侧安装初级，称为单边结构或单边直线电机，如图2.2（a,b）所示；如果在次级的两侧各安装一个初级则称为双边结构或双边直线电机，如图2.2（c）所示。双边结构的优点是可以消除法向力并提高次级的利用率。除了上述扁平型直线电机的结构形式外，如果把平板形结构沿法向弯曲则可得到弧形结构，如图