大扭矩电磁离合器优化设计与动态仿真分析

论文摘要

大扭矩电磁离合器是大型机械设备的重要传动部件,目前国内对该类型离合器理论研究较少,设计过程大都遵循传统的设计方法。论文以大型科研项目--轴承试验台研制为契机,在离合器传统设计经验的基础上采用数字化、参数化及数值模拟等先进设计方法,对电磁离合器进行了详尽的技术设计,完成了工程应用设计。根据试验台高速、重载的技术要求,确定了电磁离合器动摩擦转矩30000Nm,吸合时间0.6s的性能参数,提出了电磁离合器关键部件、电磁场和整体结构的设计方案,对摩擦转矩、滑摩功、发热及动作特性进行了理论分析,确定了工况系数、摩擦系数、磁场强度等基本参数。针对离合器的衔铁、磁轭、摩擦片等关键部件进行了结构设计,并根据各结构参数之间的约束关系,以转动惯量最小为目标,运用MATLAB优化工具箱进行优化,得到了结构参数的最优组合,确定了离合器关键部件的基本尺寸。建立了离合器的理论模型,对主要部件结构特征进行了分析。运用ANSYS软件对离合器的磁场部分进行仿真,分析了电磁力与电流、匝数、气隙及衔铁尺寸之间的关系,得出电磁力随电流、匝数、气隙及衔铁尺寸变化的曲线,确定了最优化参数,满足了离合器转动惯量达到最小要求。运用UG NX Nastran对外壳、顶杆、压盘等部件进行了强度校核,并以结构强度小于许用应力为约束条件,以质量最小为目标,对其结构尺寸进行了优化,得到了离合器的实体模型。运用UG NX6软件运动仿真模块对离合器运动状态进行了数字仿真,分析了离合器工作中的运动过程状态,得到了离合器在工作过程中的动态特性曲线。通过仿真分析得到离合器优化设计满足试验台性能要求。设计了电磁离合器控制电路,完成了样机研制,编写了试验程序,通过了现场性能测试试验,得到了离合器实际使用中动特性曲线,验证了离合器结构优化设计和动态仿真的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电磁离合器的发展及研究现状
• 1.2.1 电磁离合器的发展
• 1.2.2 电磁离合器研究现状
• 1.3 电磁离合器类型和特点
• 1.4 课题研究的来源及意义
• 1.5 论文完成的主要工作
• 第2章 轴承试验台电磁离合器性能分析
• 2.1 轴承试验台试验装置对电磁离合器的要求
• 2.1.1 轴承试验台试验要求
• 2.1.2 轴承试验台基本原理和设计结构
• 2.1.3 增速工况对离合器的基本要求
• 2.2 摩擦片式电磁离合器基本结构
• 2.3 电磁离合器设计方案
• 2.3.1 电磁离合器结构形式设计
• 2.3.2 电磁离合器结构设计方法和步骤
• 2.4 电磁离合器性能参数理论计算和特性分析
• 2.4.1 摩擦转矩计算
• 2.4.2 滑摩功计算
• 2.4.3 发热计算
• 2.4.4 电磁离合器动作特性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 电磁离合器关键部件结构参数优化
• 3.1 基本参数的选定及计算
• 3.1.1 摩擦系数的选择
• 3.1.2 工况系数的选定
• 3.1.3 磁场强度及线圈匝数确定
• 3.2 结构参数优化
• 3.2.1 结构参数优化设计规划
• 3.2.2 结构参数优化设计的数学模型
• 3.2.3 优化程序及优化结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 电磁离合器结构设计
• 4.1 磁场有限元分析及电磁力的确定
• 4.1.1 有限元电磁场理论
• 4.1.2 离合器电磁场的有限元分析方法
• 4.1.3 电磁力有限元计算
• 4.1.4 电磁力影响因素理论分析
• 4.2 基本模型与主要部件特征分析
• 4.2.1 离合器基本模型
• 4.2.2 关键部件特征分析
• 4.3 受力部件有限元分析及优化
• 4.3.1 电磁离合器结构优化方法
• 4.3.2 电磁离合器结构优化
• 4.4 电磁离合器实体模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 电磁离合器动态仿真分析
• 5.1 UG NX6运动仿真模块的运动仿真技术
• 5.2 电磁离合器运动仿真的方法
• 5.3 电磁离合器运动仿真与分析
• 5.3.1 电磁离合器模型准备
• 5.3.2 离合器模型运动副的定义
• 5.3.3 离合器模型参数设置
• 5.3.4 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 电磁离合器现场试验
• 6.1 离合器控制电路设计
• 6.2 电磁离合器试验程序
• 6.3 离合器现场性能试验与实验结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 附录A
• 附录B