发动机综合拆装台架设计

成都广播电视大学

毕业设计（论文）

专业：

考生姓名：

学号：

单位：

成都广播电视大学公共管理学院制

2019年 9 月 10 日

四川省成人高等教育毕业设计申报表

毕业设计进度计划表

发动机综合拆装台架设计

摘要:汽车发动机翻转架是一种汽车维修和保养常用的设备，其被广泛应用于轿车等小型车辆的维修和保养。目前看来，全国生产翻转架的厂家很多，生产的翻转架的形式也比较繁多，而本文介绍了汽车发动机翻转架在国内外的现状及其发展趋势，首先确定翻转架的设计方案，再设计说明翻转架的结构及其特点要求，同时对翻转架设计过程中所涉及到的工艺性问题进行补充说明。

本课题所设计的是蜗杆传动360°任意角翻转锁止的发动机翻转架。它的特点是：1、性能可靠，操作方便；2、结构简单；3、拖脚的最低位置低，扩大了对各种车辆的适应性；4、利用蜗杆传动可360°任意角度翻转锁止；5、价格低廉。

关键词：发动机；翻转架；机械结构设计；蜗杆传动

Design of Engine Comprehensive Disassembly and Assembly Bench

Summary：Vehicle engine overturning frame is a kind of equipment commonly used in vehicle repair and maintenance, which is widely used in the repair and maintenance of small vehicles such as cars. At present, there are many manufacturers of flip frames in China, and there are many types of flip frames produced. This paper introduces the current situation and development trend of auto engine flip frames at home and abroad. First, the design scheme of flip frames is determined, then the structure and characteristics of flip frames are designed and explained, and at the same time, the technological problems involved in the design process of flip frames are supplemented.

The design of this subject is an engine turning frame with worm drive turning and locking at any angle of 360. Its characteristics are: 1. reliable performance and convenient operation; 2. simple structure; 3, the lowest position of the foot dragging is low, thus expanding the adaptability to various vehicles; 4, the worm drive can be used for turning and locking at any angle of 360 degrees; 5. Low price.

Key words：Engines; Turnover frame; Mechanical structure design; worm drive

目录

一、绪论 (1)

（一）此课题的研究目的及意义 (1)

（二）发动机翻转架的发展概况 (1)

（三）研究内容 (2)

二、设计的方案与论证 (2)

（一）主要工作思路 (2)

（二）发动机台架试验系统方案设计 (3)

（三）常见传动方式的分析与比较 (3)

1.齿轮传动 (3)

2.蜗杆传动 (4)

3.带传动 (4)

4.链传动 (4)

（四）蜗杆传动的选择与工作原理 (5)

三、翻转架的总体设计 (5)

（一）翻转架的设计 (5)

（二）蜗杆蜗轮减速机构的设计 (5)

（三）台架的设计 (12)

1.台架底座的尺寸确定及材料选择 (13)

2.台架立柱的尺寸确定及材料选择 (13)

（四）箱体的设计 (14)

（五）翻转托盘的设计 (15)

（六）轴承的选用 (16)

（七）螺栓组合的选用 (17)

（八）总体装配结构设计 (17)

四、发动机台架控制方式 (18)

（一）PID控制 (18)

（二）发动机台架控制方式 (19)

（三）发动机定转速控制基本策略 (20)

结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

一、绪论

（一）此课题的研究目的及意义

在汽修行业中，一个比较重要的分支是发动机的维修，发动机翻转架就是作为汽修行业中常见的一个辅助设备而出现的。发动机翻转架是发动机拆装修理的最基本工具，其具有结构简单，拆装方便的特点，不仅可以减轻劳动者的工作强度，而且提高了生产率。同时翻转架也是汽车专业学生拆装修理的专业工具。为了方便学校拆装发动机，减轻学生的劳动强度，本文设计了一种针对该发动机的小型固定翻转架。

（二）发动机翻转架的发展概况

发动机拆装翻转台架的发展趋势必然朝着更加人性化的方向发展。比如可以在翻转架上设置发动机的所有辅助设施，实现发动机大修、起动、故障设置及诊断、排除等功能。考虑到发动机内部有油的问题，在翻转架底部设置油盘，克服工件、工具、油、水落地的问题，保证了文明作业和安全生产。在修理中，为了节省更多的时间，获取更多的利益，人们将会生产出更为合理操作更为方便的拆装修理工具。设计和制造出更安全、更便捷、更合理的发动机拆装翻转台架是未来发展趋势。

汽车和发动机的诞生都已有百年的历史,尤其是二战后汽车工业获得了前所未有的发展,从而带动了包括发动机谁及水平在内的一系列机械工业的进步。发动机翻转架的功能也从过去的只具有单一的拆卸,组装向检测,调试等多任务,多功能转化。

以前国内的翻转台架是靠臂力驱动,机构陈旧,不省力。在实际应用中多有不便。在应用到汽车发动机拆装的过程中,要求具备自锁功能、360旋转、省力等多种作用。尤其是发动机实训课的教学,是利用淘汰的汽车发动机,就地进行解体和组装,或在功能单一的发动机翻转架和工作台上进行解体、组装,即不能保证工件、工具、油、水不落地,达到卫生清洁、确保安全、按时完成教学任务的基本要求,更谈不上保证教学质量和严格的技术要求。另外,每个教学班40余名学生,一般仅有1~2名实习指导教师,投入两台实训发动机,每台发动机仅能供3-5名学生使用,大多数的学生无从插手,实训形同走马观花,对实验实训来说不够实用,因此引起人们对发动机翻转台架的关

注和研究。

（三）研究内容

本课题主要研究了怎样使发动机实现任意回转和锁止，并使发动机可停留锁止在任何工作位置，以及怎样实现翻转架本身的移动和锁止，用什么来支撑发动机。

此次毕业设计主要是完成翻转架的所有零部件三维设计，以及翻转架总装配图，检查结构设计的问题等。

本文主要论述此次毕业设计中所需要的理论和工具软件，以及所有零件所用到的材料，一些重要部件的强度校核。本文系统介绍了设计中所提出的工作思路和方案，每个零部件所选择的依据，以及设计中所遇到的问题和解决这些问题的方法和过程。

二、设计的方案与论证

（一）主要工作思路

本次设计的是汽车发动机翻转架设计，用于实现在汽车维修时方便发动机的翻转，以便对发动机进行360度全方位维修操作。此次设计的翻转架结构较为简单，主要部件是：底盘组件，立柱，箱体组件，手轮，托盘，还包括选择的涡轮蜗杆等设备。

在这过程就需要计算转动轴的强度和刚度,立柱的强度分析与验算等。同时就需要考虑各个部件使用的材料问题,以便达到设计所要求的标准。市场上已经出现了同类产品,囊括了许多种类,而这次所设计选择的是最简易最实用的。我所设计的是涡轮蜗杆传动的发动机翻转架。

本次设计的翻转架的传动装置是由涡轮蜗杆组成的。该翻转架利用蜗轮蜗杆的减速原理和自锁功能。发动机重力通过翻转架壳体形成力的平衡，保证了翻转架的稳定性。

本次设计的翻转架的主要性能参数为：额定负重500kg；传动结构传动比 1:60；台架高度1015mm；翻转角度360度；锁止位置任意角度。本次设计的技术要求：尽量全面搜集和分析相关资料，特别是国内外最新汽车发动机翻转台架信息；满足技术参数及工作性能的要求；设计结构紧凑合理，满足强度、刚度、寿命以及经济型、安全

性方面的要求；设计应贯彻标准化，符合国家规范要求；计算方法应该尽可能的采用最新研究成果。

（二）发动机台架试验系统方案设计

在实际应用中,发动机台架试验一般主要完成以下几类试验:发动机性能试验、耐久性、可靠性试验、出厂试验、定期抽查试验、研究性试验。具体试验中,使用测功机,利用各种方法给发动机提供阻力矩,控制其转速,然后利用传感器将各个反应发动机运行状况的非电量转化为电量,用数据采集卡采集,通过微控制器,将数据发送到上位机,进行显示,同时各种数据也用于测功机的控制系统,对发动机工况进行调节。反应发动机运行情況的被测量主要包括,发动机转速,扭矩,水温,机油温度,排气温度,进气温度,进气压力等。

1.设计要求与方案选择

本设计要求为设计发动机台架实验的基本物理量(发动机转速,扭矩,水温,机油温度,排气温度,进气温度,进气压力)等的测试和控制,实现最小配置的发动机台架试验系统。

根据这一要求,比较单片机测试系统与单片机一PC二级计算机测试系统单片机具有体积小,重量轻,价格低廉,应用方便等特点,采用单片机来构造系统能够满足系统的基本要求,实现系统的基本功能。但是单片机系统在功能的扩展和性能改进的方面存在有一定的局限,尤其是在数据处理能力,显示能力以及绘图功能等方面与PC机系统相比存在相对不足。利用PC机和单片机构成二级测试系统,单片机完成数据采集,PC 机来实现数据的处理,分析及显示工作,可提高系统的数据处理及显示能力。

因此,发动机台架测试系统根据测控具体功能需求和实际条件,选择单片机PC二级计算机系统,即由测控单片机和调度管理计算机构成两级计算机系统

（三）常见传动方式的分析与比较

1.齿轮传动

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。齿轮传动优点：轴可以平行，交叉或交错；转动平稳，其传动比恒定，大多数齿轮的传动比是常数；适应范围广（传递速度、功率范围都大）；寿命长；

效率高；结构紧凑等优点。齿轮传动缺点：制造几安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合，刚性传动没有过载保护作用，振动和噪音等。

2.蜗杆传动

蜗杆传动是用来传递空间两交错轴之间的运动和动力的，它由蜗杆和蜗轮组成。两轴线的交错角可为任意值，一般采用90°。

蜗杆传动特点：

1.传动比大，结构紧凑，体积小、重量轻。

2.传动平稳，工作平稳，冲击、震动、噪音小。

3.具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆传动。

4.蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低，尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。

5.发热量大，齿面容易磨损，成本高。

由于蜗杆蜗轮传动具有以上特点，故广泛用于两轴交错、传动比较大、传动功率

=2~4。不太大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取z

1

此外，由于具有自锁性，故常用在一些起重机械中，起到安全保护作用。

3.带传动

带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。

带传动的主要特点：优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹性、过载打滑。缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v =5～25m/s，i≤7的情况。

4.链传动

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪

声，不宜用在急速反向的传动中。

（四）蜗杆传动的选择与工作原理

本次设计考虑需要能满足360°任意角度翻转锁止以及需要较大的传动比等要求，带传动、链传动、齿轮传动都要求两轴在同一个平面内，空间交错两轴的运动和动力传动就不能使用上述方式，经过综合考虑比较分析选择使用蜗杆传动。

三、翻转架的总体设计

（一）翻转架的设计

翻转架的设计包括台架的设计以及箱体的设计和蜗轮蜗杆的选择。翻转架的设计要充分考虑台架质量分布均匀度，台架稳定性及运动件和固定件是否发生干涉等因素，下面对整个设计过程进行剖析。

尺寸的确定主要依据发动机的外形尺寸，根据发动机的放置位置，放置方向，发动机上主要器件拆卸，能自锁的销的放置位置，放置方向这些因素来初步确定台架的外廓尺寸。在布置时先确定销的位置，通过确定销的位置初步确定发动机的大体位置。当确定了发动机和销的位置，就可以确定放置销的台架的大小和所需的刚度和强度，确定了各个器件的位置，然后再确定台架的尺寸和连接方式。

（二）蜗杆蜗轮减速机构的设计

1.蜗轮蜗杆设计

根据实践情况假定手轮输入功率100W，蜗轮输出转速n2=2r/min。经过比较，选用渐开线蜗杆（ZI）最为合适。根据这里的条件，蜗杆的材料最好采用45钢，并进行淬火处理，硬度为45～55HRC；蜗轮的材料用灰铸铁HT200，采用砂型铸造。考虑到蜗轮会变形，对蜗轮要进行时效处理。

(1) 按齿面接触疲劳强度进行设计

根据公式，传动中心距

[]32

2???? ??≥H P E Z Z KT a σ （3-1） ① 确定作用在蜗轮上的转矩：取蜗杆齿数z 1=2，传动比i=20，估取效率η=0.8

mm N mm N T P T ?=????=?=38200028.01.01055.91055.962262

② 确定载荷系数K ：因为这里蜗杆工作是载荷比较稳定，所以齿向载荷分布系数K β取1；由《机械设计》表11—5使用系数K A 取1；因为这里蜗杆转速低，冲击小，动

载系数Kv 取1；则K=K βxK A xKv=1

③ 确定弹性影响系数Z E ：因为这里蜗杆的材料为45钢，蜗轮材料为HT200，故Z E 取160。

④ 确定接触系数

：假设d1/a 的比值为0.35，从《机械设计》图11—18中可知接触系数取2.9。

⑤ 确定许用接触应力[σ]H ：因为蜗轮材料是灰铸铁，[σ]H 的大小不考虑应力循环

次数N ，从《机械设计》表11—6中查得[σ]H =208 Mpa 。

⑥ 计算和中心距：

mm mm 88.1232089.216038200013=??

? ?????= 中心距取a=125mm ，传动比i=20，查《普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配表》，所以模数m 取5mm ，蜗杆分度圆直径d 1=50mm 。这时d 1/a=0.4，查《机

械设计》得接触系数’为2.72，因为'< ，所以以上计算结果可用。

(2)蜗杆与蜗轮的几何尺寸

① 蜗杆：蜗杆其他几何尺寸都可通过查表可知：直径系数q 为10，轴向齿距p a 为15.708mm ，齿根圆直径d f1为38mm ，齿顶圆直径d a1为60mm ，蜗杆轴向齿厚s a 为7.854mm ，

分度圆导程角γ为11°18'36"。

② 蜗轮：

蜗轮齿数z 2=41；查表得变位系数x 2为-0.5；

这时传动比i=z 2/z 1=41/2=20.5，误差为(20.5-20)/20=0.025=2.5%，符合标准。

蜗轮分度圆直径：mm mz d 20541522=?==

蜗轮喉圆直径：mm h d d a a 21052052222=+=+=

蜗轮齿根圆直径：mm h d d f f 188172052222=-=-=

蜗轮咽喉母圆半径：mm d a r a g 20105125222=-=-

=

(3)校核齿根弯曲疲劳强度 弯曲疲劳强度[]F F F Y Y m d d KT a σσβ≤=

221253.1 （3-2）

当量齿数：

因为x 2=-0.5,z v2=43.48，查《机械设计》图11-19，所以蜗轮齿形系数：Y Fa2=2.87。螺旋角系数：92.014031.1111401=-=-=

γ

βY 蜗轮许用弯曲应力 [σ]F =[σ]F ′·K FN

1440000120002160602=???==h L jn N ；K FN =0.96

查《机械设计》表11-8得[σ]F ′=48 Mpa ，所以[σ]F =46.08 Mpa 。

[]F F F Mpa Y Y m d d KT a σσβ≤=??????==86.3092.087.25

20050382000153.153.12212 ， 弯曲强度是满足的。

2.蜗杆轴的设计

(1) 蜗杆轴结构设计

由于蜗杆齿顶圆直径不大，将蜗杆和轴做成一体的，即蜗杆轴。材料选用45钢。 查《机械设计》可知轴的最小直径可按扭转强度计算

[]T

T T d n P W T ττ≤≈=32.09550000 （3-3）

由此公式可得轴的直径：[]mm n P d T 84.1640252.01.095500002.0955000033

=???=≥τ，

取蜗杆轴最小直径为20mm 。蜗杆轴整体是阶梯轴，每段直径递增5mm 。

结构示意图如图1所示：

图1蜗杆轴结构示意图

(2)计算作用在蜗杆上的力 蜗杆上的转矩：mm N mm N n P T ?=???=?=2387540

1.01055.91055.961161 蜗轮上的转矩：mm N mm N n P T ?=????=?=38200028.01.01055.91055.96226

2 圆周力：N d T F t 95550

2387522111=?== 轴向力：N d T F a 382020038200022221=?==

径向力：N F F t r 37.139020tan 3820tan 21=?==α（齿形角α查机械设计表11-3得 20=α）

(3)蜗杆轴上的轴承的支承反力

由于蜗杆外端连接的是手动摇柄，手作用在蜗杆的力很小，可忽略不计，所以可以把蜗杆看成是简支梁。受力分析如图2所示：

图2蜗杆轴受力分析图

由公式： 00=-=∑l F Fb M RA B ，

00=-=∑Fa l F M RB A ， 求得支座约束力为：l

Fa F l Fb F RB RA ==， 垂直面上的支承反力：N F F F r VRB VRA 18.69521==

=（因为1r F 作用在中心位置，所以a=b ）

水平面上的支承反力：N F F F t HRB HRA 5.4772

1''==

= (4) 校核蜗杆轴的强度 校核轴的强度时，按照公式224τσσ+=ca 来计算，因为两者循环特性不同，引入折合系数α，则公示变为()2

24ατσσ+=ca ，又 W M =σ,W

T W T T 2==τ，查《机械设计》 则()()Mpa d W T M W T W M ca 91.171.0238756.052.992432

22222=?+=+=??? ??+??? ??=αασ []Mpa 551=≤-σ （3-4） 式中：ca σ——轴计算应力，Mpa ；

M ——轴所受弯矩，mm N ?；

T ——轴所受的扭矩，mm N ?；

W ——轴的抗弯截面系数，3mm ；

[]1-σ——对称循环变应力时轴许用弯曲应力。

所以轴满足强度要求。

(5)校核蜗杆轴的刚度

校核蜗杆的刚度时，就是校核蜗杆的弯曲刚度，可用挠度y 来进行计算，按下式进行计算

[]y L EI F F y r t ≤+=3'21

2148 （3-5）

式中：F t1——蜗杆所受圆周力，N ；

F r1——蜗杆所受径向力，N ；

E ——蜗杆的弹性模量，Mpa ；

I ——蜗杆危险界面的弹性矩，I= πd f14/64，mm 4，其中d f1为蜗杆齿根圆直径，

mm ；

L ’——蜗杆两端支承间的跨距，mm ，视具体结构要求而定，初步计算时可取L ‘=0.9d 2，d 2为蜗轮分度圆直径；

[y ]——许用最大挠度，[y ]=d 1/1000，此处d 1为蜗杆分度圆直径，mm 。 所以[]05.000015.04587

.102353102104837.1390955332

2=<=????+=y y ，轴满足刚度要求。 3.蜗轮轴的设计

(1) 蜗轮轴结构设计

考虑到翻转台尺寸不太大，工作温度变化较小，经比较蜗轮结构选用齿圈式，蜗轮轴仍选择是阶梯轴，蜗轮与轴用键相连。由于蜗轮轴夹持发动机，承受的载荷较大，工作中承受的冲击较小，应选用40r C 。

查《机械设计》轴的直径为： ()[]1222224-≤+=??

? ??+??? ??=σαασW T M W T W M ca ， ()[]701.01322=≤+-σαd T M ， ()mm d 34.8673820006.0450000032

2=?+≥ 。 取轴的最小直径为90mm ，轴为空心轴。结构如图3所示：

图3蜗轮轴结构示意图

(2)计算作用在蜗轮上的力 蜗杆上的转矩：mm N mm N n P T ?=???=?=2387540

1.01055.91055.961161 蜗轮上的转矩：mm N mm N n P T ?=????=?=38200028.01.01055.91055.96226

2 圆周力：N d T F t 3820200

38200022222=?== 轴向力：N d T F a 955502387522112=?==

径向力：N F F t r 37.139020tan 3820tan 22=?==α（齿形角α查机械设计表11-3得 20=α）

(3)蜗轮轴上的轴承的支承反力

蜗轮轴外端夹持发动机等部件，重量为1000kg ，假设部件中心到立柱的距离为450mm ，此时该蜗轮轴可以看成是外伸梁外伸的部分长度为100mm 。受力分析如图4所示

图4蜗轮轴受力分析图

由公式：0=∑y F ；

0=∑A M

；

0=∑B M 。

得垂直面上的支承反力：G F F F RB r RA +=+2；

023********=?-?+?RB r F F G ；

023********=?-?-?RA r F F G 。

N F VRA 61.28372=,N F VRB 98.19762= 水平面上的支承反力：N F F F t HRB HRA 19102

2==

= (4) 校核蜗轮轴的强度

前面计算蜗轮轴的直径时按照弯扭合成强度公式来计算的，所以其强度是一定满足条件的。

(5) 校核蜗轮轴的刚度

可以根据轴的扭转变形来进行校核， P GI T 41073.5?=? （3-6） 式中：T ——轴所受的扭矩，mm N ?；

G ——轴材料剪切弹性模量，MPa ；

P I ——轴截面极惯性矩，4mm ，对于圆轴，324

d I P π=

[]?π?≤=????=042.032

90101.83820001073.5444，所以满足刚度条件。 （三）台架的设计

台架的主要功能是，支撑发动机，并使任意角度翻转。台架能对发动机启动，发动机停止，紧急停止等进行手动控制。

根据发动机的外形尺寸，质量要求，零件位置来选择台架，台架与发动机之间需要进行设计，其特点有良好的稳定性和足够的强度来支撑发动机。台架只需支撑发动机和销，不需承受其他的外力所以只需满足其强度要求。台架的材料主要以方钢为主，