002动力传动基础
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第2章 机电传动系统的动力学基础教学内容2.1 机电传动系统的运动方程式2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算2.2.1 负载转矩的折算2.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算 2.3 生产机械的机械特性2.3.1 恒转矩型机械特性2.3.2 离心式通风机型机械特性 2.3.3 直线型机械特性 2.3.4 恒功率型机械特性2.4机电传动系统稳定运行的条件教学安排本章安排3个学时授课,采用多媒体教学。
知识点及其基本要求1. 掌握机电传动系统的运动方程式,并学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态;2. 了解在多轴拖动系统中为了列出系统的运动方程式,必须将转矩等进行折算,掌握其折算的基本原则和方法;3. 了解几种典型生产机械的机械特性;4. 掌握机电传动系统稳定运行的条件,并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。
重点和难点重点:1. 运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态。
2. 运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点。
难点:1. 根据机电传动系统中 的方向确定 是拖动转矩还是制动转矩,从而判别出系统的运行状态,是处于加速、减速还是匀速; 2. 在机械特性上判别系统稳定工作点时、如何找出 教学设计1.学会使用机电传动系统的运动方程式判断该系统的运行状态。
机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式,它决定着系统的运行状态。
(如图2.1)LM T T 、n T T L M 、、L M T T 、电动机 (M )生产机械T LT Mω图2.1 单轴拖动系统当T M =T L 时,加速度a=dn/dt=0,速度(n 或w)不变,即系统处于静态。
当T M ≠T L 不等时,a=dn/dt 不等于零,速度(n 或w)就要变化,系统处于动态。
(1)T M -T L >0时,a=dn/dt 为正,传动系统为加速运动。
(2)T M -T L <0时,a=dn/dt 为负,系统为减速运动。
机电传动系统的动力学基础-工程基本要求:①掌握机电传动系统的运行方程式,学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态;②了解在多轴拖动系统中,为了列出系统的运动方程式,必须将转矩等进行折算,掌握其折算的基本原则和方法;③了解几种典型生产机械的机械特性 n =f (TL);④掌握机电传动系统稳定运行的条件,并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点,。
难点:根据机电传动系统中TM、TL、n的方向,确定TM、TL是拖动转矩还是制动转矩,从而判别出系统的运行状态,是处于加速、减速还是匀速;在机械特性上判别系统稳定工作点时,如何找出TM、TL。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统是一个由电动机拖动,并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式,它决定着系统的运行状态。
动态转矩 Td = TM - TL ;加速度 a =当Td=0时,a=0 ,表示系统处于稳态,系统为匀速运动。
当Td≠0时,a≠0 ,表示系统处于动态, Td>0时,拖动转矩>制动转矩,a为正,系统加速运动; Td<0时,拖动转矩<制动转矩,a为负,系统减速运动。
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统运动方程式中的转矩、转动惯量及飞轮转矩等,均分别为同一轴上的数值。
若运动系统为多轴系统,则必须将上述各量折算到同一转轴上才能列出整个系统的运动方程式。
由于一般均以传动系统的电动机轴为研究对象,因此,一般都是将它们折算到电动机轴上。
转矩折算应依据系统传递功率不变的原则。
转动惯量和飞轮转矩折算应依据系统贮存的动能不变的原则。
2.2.1 负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则实际负载功率=折算后的负载功率多轴旋转拖动系统多轴直线运动系统(下放重物)2.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算(旋转型)依据动能守恒原则,折算到电机轴上的总转动惯量为;依据动能守恒原则,折算到电机轴上的总飞轮矩为经验公式直线运动系统折算到电机轴上的总转动惯量、飞轮矩为多轴系统的运动方程式例题1:解(1)解(2)近似计算2.3 生产机械的机械特性电动机拖动生产机械运转,构成一个电力拖动系统,其工作状况不仅取决于电动机的特性,同时也取决于作为负载的生产机械的特性。
目录§2-1 汽车动力性能一、前言二、汽车动力性能定义与其主要评价指标三、汽车起步能力评价方法概要四、小结§2-2离合器摩擦力矩设计指标的确定一、前言二、离合器的特点三、汽车起步时离合器的滑摩功四、离合器摩擦力矩指标的确定五、小结§2-3汽车最大爬坡度与变速器I档设计目的的讨论前言一、关于汽车最大爬坡度的讨论二、变速器I档设计目的的讨论三、小结§2-4超速档变速器的应用与变速器的系列化设计设计方法一、变速器系列化设计的目的与要求二、关于变速器的中心距三、超速档变速器的特点四、变速器系列化设计方法五、超速档变速器的应用六、小结§2-5驱动桥主减速器一、确定主减速器锥齿轮计算扭矩的三种方法二、确定主减速器锥齿轮计算扭矩的新方法三、主减速器最大传动比四、小结§2-6发动机动力性能指标的选择方法一、前言二、确定发动机动力性能指标的几种常用方法三、确定发动机动力性能指标的新方法四、小结§2-7 4×4 全轮驱动汽车驱动力分配一、前言二、4×4 全轮驱动汽车理想的驱动力分配三、小结§2-1 汽车动力性能[内容提要] 本文首先对文献[3]所给出的汽车动力性能的定义及其评价指标进行了讨论,阐明了其存在着的不足,进而给出了关于汽车动力性能新的定义及其评价指标,并着重指出汽车坡道起步能力是汽车动力性能的一个十分重要的指标,和汽车坡道起步能力的要求及对汽车坡道起步能力的评价方法。
主题词:汽车动力性汽车起步一、前言汽车是靠自身装备的动力实现高速移动、完成人们赋予的交通运输任务的一种动力机械。
现代社会对汽车的要求是多方面的,如:安全与环保,经济、节能和驾乘舒适等。
也正因如此,汽车是由相互之间具有独立性而又相互联系的多个子系统所组成,各子系统的结构与功能各异,所主要针对的汽车性能要求也各不相同;另一方面,各子系统对汽车性能的影响又是有联系的。
例如:汽车的动力传动系统的结构和功能与汽车制动系统的完全不同,汽车动力传动系统的功能是驱动汽车行驶,使汽车能够获得尽可能高的平均技术速度以满足人们对汽车高效率的要求;汽车制动系统所针对的则是汽车安全性的要求。
而二者又是有联系的:良好的制动性功能是充分发挥汽车动力传动系统驱使汽车获得尽可能高的平均技术速度的保障,高的汽车动力性能又对汽车制动性能提出了高的要求。
这就是说,汽车性能相互之间是有联系的、相互影响着的。
为了研究汽车动力性能的方便或者说为了抓住问题的主要矛盾,需要对汽车的动力性能给出定义。
文献3对汽车动力性能给出的定义是:汽车的动力性能系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。
在这一定义的基础上,文献3指出从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽车的动力性能主要可由下述三方面的指标来评价,即:1)汽车的最高车速;2)汽车的加速能力,包括原地起步加速能力和超车加速能力;3)汽车的最大爬坡度。
上述关于汽车动力性能的定义及三个主要方面的评价指标为我们大家所熟悉,但明显存在着下述值得商讨之处:1)定义中强调“在良好路面上”,虽消除了汽车平顺性对汽车获得尽可能高的平均行驶(技术)速度的影响,但不同类型汽车的设计使用条件不同,汽车动力性能的定义不分汽车设计使用条件的差别而笼统地强调“在良好路面上”获得的平均行驶(技术)速度,显然不够“公正”。
2)定义中限定“直线行驶”,虽消除了汽车转向性能对汽车获得尽可能高的平均行驶(技术)速度的影响,这是必要的。
但对“汽车受到的纵向外力”没区分制动力与驱动力,而汽车的制动性能也是汽车要受到的纵向力、也是影响汽车获得尽可能高的平均行驶(技术)速度能力的重要因素之一。
3) 汽车的平均行驶速度并非只由“汽车受到的纵向外力”所决定的,还要受到路面条件和道路上的交通状况的影响。
若排除道路上的交通状况等的影响,只“系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的”,则“…决定的”应是汽车的最高车速而不是汽车的平均行驶速度。
可见,我们有必要对汽车的动力性能给出更严密、科学的定义,进而对汽车动力性能的评价指标做新的探讨。
二、汽车动力性能的定义与其主要评价指标1 汽车动力性能的定义本文针对文献3对汽车动力性能的定义所存在的上述二点不足,对汽车动力性能给出如下新的定义:汽车动力性能应是指汽车在其设计使用条件范围内,汽车动力传动系统(发动机与传动系)驱使汽车克服汽车行驶阻力、获得尽可能高的平均(技术)速度的能力。
本文所给出的汽车动力性能的定义,强调汽车动力传动力系统驱使汽车克服汽车行驶阻力、获得尽可能高的平均(技术)速度的能力,克服了文献3所给出的汽车动力性能定义的三点明显不足及其较为深层一些的局限性,为探讨汽车动力性能的评价指标提供了良好的基础。
2 汽车动力性能的主要评价指标由于汽车实际行驶的平均(技术)速度受道路上的交通状况影响较大,道路上的交通状况又是多变的,因此,汽车的实际行驶平均(技术)速度重复性差,不具有可比性。
另一方面,影响汽车行驶平均(技术)速度的、汽车本身的因素也是多方面的,如:汽车的平顺性、转向操纵稳定性和制动性能等都是影响汽车行驶平均(技术)速度的重要因素。
综上所述,汽车实际行驶的平均(技术)速度是在某一特定条件下汽车的“…获得尽可能高的平均(技术)速度的能力”发挥的结果,这种“结果”虽是“能力”的目的,但受“能力”之外的因素影响较大、重复性差,因此,不具有可比性。
所以本文认为需要提出能直接反映汽车“…获得尽可能高的平均(技术)速度的能力”的,并具有可比性的评价汽车动力性能的指标。
从获得尽可能高的平均(技术)速度的观点出发,本文认为汽车动力性能的二个最常用的评价指标是:1)汽车的坡道起步能力;2)汽车的原地起步加速能力。
本文所提出的关于汽车动力性能的评价指标同文献3所提出的相比较,有增有减。
本文增加了汽车坡道起步能力的评价,却没有将汽车的最大爬坡度与汽车的最高车速作为评价汽车动力性能的常用指标提出来。
2.1 关于汽车的坡道起步能力汽车在实际使用中,会由于主观要求或客观条件的限制,不可避免地要在坡道上停车、起步。
若汽车受坡道阻力的影响而不能够起步,或虽能够起步但造成了需要立即维修的、汽车本身(离合器)的损坏,汽车的平均技术速度就为零,因此,汽车的坡道起步能力是汽车动力性能的一个重要指标。
评价汽车的动力性能,不评价汽车的坡道起步能力,是不全面的。
但若按文献3所给出的汽车动力性能的定义,即:“…汽车受到的纵向外力决定的…”,则不必考查汽车的坡道起步能力,只需考查汽车的最大爬坡度或者说汽车的最大爬坡度更为重要。
这点正是本文在2.1节中所说的文献3所给出的汽车动力性能的定义除明显存在三点不足之外还存在的“较为深层一些的局限性”。
将汽车的起步能力作为汽车动力性能的一个重要指标,这不难理解,但在实际工作中如何制定整车对起步能力的要求或者说汽车坡道起步能力指标( 即:汽车的最大起步坡度)的确定却是个还需要探讨的问题。
首先,实际经验告诉我们,汽车的最大起步坡度小于汽车的最大爬坡度。
因此,不能简单地将汽车的爬坡能力作为对汽车坡道起步能力的要求。
对汽车坡道起步能力的要求应以满足实际使用要求,即:汽车的最大起步坡度不小于汽车设计使用条件范围内道路的最大坡度,为最低要求。
这就是说,在原则上可按汽车设计使用条件内的道路最大纵向坡度作为汽车的最大起步坡度的最低指标。
然而,等级公路的最大纵向坡度有标准可遵循,但对非等级道路的最大纵向坡度目前却缺乏调查。
如:我国等级公路的最大纵向坡度为9%,非等级道路的最大纵向坡度却会比9%大得多,但具体为何值不得而知。
本文建议:所设计车型的汽车最大起步坡度应不小于所设计车型的驻坡能力。
例如:制动法规对N2类汽车驻坡能力要求为20%,N2类汽车的最大起步坡度就应不小于20%。
2.2 关于汽车原地起步加速能力与汽车的爬坡能力众所周知,汽车的原地起步加速能力对汽车平均技术速度有很大影响,因此,本文同文献3一样将汽车的原地起步加速能力作为评价汽车动力性能的重要指标提出来。
汽车的原地起步加速能力常用汽车原地起步加速时间来表明。
原地起步加速时间是指汽车由I档或Ⅱ档开始起步,并以最大的加速强度(包括选择恰当的换档时机)逐步换致最高档后到某一预定的距离或车速所需要的时间。
一般常用0→402.5m(0→1/4 mile)或0→400m的秒数来表明汽车原地起步加速能力;也有用0→96.6km/h(0→60 mile/h)或0→100km/h所需要的时间来表明汽车的原地起步加速能力的[3]。
就汽车的原地起步加速性能来说,实际上由于汽车用I档所能达到的车速较低,并增加了一次换档操作时间,因此汽车从I档开始原地起步、连续换档的加速性能通常不及用Ⅱ档开始起步、连续换档的加速性能。
汽车由Ⅱ档开始原地起步加速能力也表明了汽车Ⅱ档以上(包括Ⅱ档)的爬坡能力;而变速器I档所对应的汽车最大爬坡度实际上是整车设计的结果,不应将汽车的最大爬坡度作为汽车的动力性能指标(可参见“汽车最大爬坡度与变速器I档设计目的的讨论”一文)。
2.3 关于汽车的最高车速关于汽车的最高车速应分二种情况,一是汽车的最高车速大于汽车设计使用条件范围内许可的最高行驶速度,二是汽车的最高车速小于(或等于)设计使用条件范围内许可的最高行驶速度或设计使用条件内无最高行车速度限制,来分别讨论。
当汽车的最高车速Va max大于设计使用条件范围内许可的最高行驶速度Vt时,本文对汽车最高车速设计说明如下:此时汽车的最高车速是整车设计为满足汽车超车加速能力的要求和提高汽车的经济性与降低汽车单位里程内的发动机工作循环次数、提高发动机使用寿命要求所带来的一种设计结果或者说是为了满足这些要求的一种措施;在汽车的实际使用中,应考虑到行车的安全性和经济性,不应追求以较高的汽车最高车速为行驶速度,这也正是我国和许多其他国家制定公路行车最高限速的原因。
另一方面,当汽车的最高车速Va max大于设计使用条件范围内许可的最高行驶速度Vt时,汽车最高车速的高低也并不能代表汽车获得尽可能高的平均技术速度的能力。
例如:对同一车型,只是将后桥主减速比进行调整加大、使汽车的最高车速由原设计的125km/h降至110km/h,最高车速虽然降低了15km/h,但汽车在各档位下的动力因数增加了,汽车获得尽可能高的平均技术速度的能力反而增强了。
因此,从获得尽可能高的平均(技术)速度的观点和安全、节能的观点出发,本文认为当汽车的最高车速大于汽车设计使用条件范围内许可的最高行驶速度时,不应将汽车的最高车速作为汽车动力性能的评价指标,此时的汽车最高车速也不是整车设计所追求的目标,是整车设计的一种结果。