Привод электростеклоподъемника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИ

ТАГАНРОГСКИЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

 

 

 

Факультет безотрывных  форм обучения

 

 

 

 

Кафедра электротехники и  мехатроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине: «Электрический привод»

Тема проекта: «Привод  электростеклоподъемника»

 

 

 

 

 

 

 

«_____»______________ Выполнила студентка  группы

__________    

 

«_____»______________ Проверил__________

__________    Полуянович Н.К.

 

 

 

 

 

Таганрог 2013г. 

Содержание

Введение……………………………………………………………………….….3

1. Описание технологической и кинематической схем установки…………...5
2. Расчет  механической нагрузки рабочей машины и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя……………………………........8
3. Выбор типа электродвигателя……………………………………………..11
4. Расчет и построение механической характеристики рабочей машины. Проверка  выбранного электродвигателя по перегрузочной способности………………………………………………………………….12
5. Определение времени пуска и торможения привода……………………..14
6. Рассчитать и построить механическую характеристику электродвигателя. Определить фактическое и допустимое число пусков привода в час…………………………………………………………………………….16
7. Определение мощности двигателя из условий нагрева…………………...19
8. Определение активной и реактивной мощности, потребляемые из сети двигателем, и  cosφ…………………………………………………………..21
9. Составление принципиальной и монтажной электрических схем управления электроприводами. Дать описание работы принципиальной схемы……………………………………………………………..…………..23
10. Выбор аппаратуры управления и защиты…………….…………….……...25
11. Расчетпоказателянадежностиэлектропривода…………………….……….27

Заключение…………………………………………………………………….29

Список использованной литературы………………………………………...30

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Во всех современных автомобилях  сейчас используются электростеклоподъемники (далее ЭСП). Практическое применение стеклоподъемников как механинических так и электрических заключается в перемещении и удержании опускных стекол автомобиля в любых положениях. Актуальность данной курсовой работы состоит в том что существует множество разнообразных конструкций ЭСП (тросовые, реечные, рычажные),  схем их упраления для разных автомобилей.

Управление ЭСП  может  осуществляться управляющими кнопками  или дистанционно (доводчиками совмещенными с охранной системой или сигнализацией автомобиля).

Часто управление стеклоподъемниками всех окон дублируются для водителя на водительской двери или находятся  в доступном для водителя месте. Также подобные центры управления комплектуются  дополнительной кнопкой, отключающей  управление стеклами с переключателей расположенных на дверях. Это дает возможность управлять стёклами только с водительского места  и делает перевозку детей более  безопасной для них.

В связи с практически  полной автоматизацией всего электрооборудования  автомобилей научная новизна данной курсовой работы заключается в том , что управление ЭСП будет осуществляться автоматически с помощью доводчиков. Существует 2 разновидности доводчиков – «простой» и «интеллектуальный». Простой при постановке машину на сигнализацию просто поднимает стекло. На этом его функции заканчиваются.

Название «интеллектуальные» – это скорее рекламный ход  фирм-производителей, я бы просто назвал «доводчики с расширенными функциями». Например набор функций доводчика Beta-10:

-Открытие/закрытие стекла в одно касание или по обычной схеме (пока нажата кнопка);

-Одновременное управление двумя стеклами в одном или противоположных направлениях;

-Автоматическое закрытие стекол при постановке автомобиля на охрану (без использования дополнительных элементов);

-Возврат стекол в предыдущее положение при снятии с охраны (если автомобиль находился в режиме охраны не более 120 минут);

-Блокирование кнопок ЭСП в режиме охраны;

-Откат стекла при встрече с препятствием с возможностью включения/ выключения функции в любой момент времени;

-Самообучение контроллера для компенсации образующихся люфтов и адаптации к конкретным механизмам (конструкциям) стеклоподъемников;

-Возможность подключения дополнительных кнопок управления ЭСП

Возможности использования  современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в сложных областях науки и  техники, электромашиностроении и  электроаппаратостроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике.

В своей работе я рассмотрю  реечный электростеклоподъемник ЭСП-Р-01 производства ООО «Урал-АвтоКомплект» г.Сарапул. Внутри двери вертикально закрепляется неподвижная зубчатая рейка, входящая в зацепление с шестерней, установленной на приводном валике. Электродвигатель с редуктором крепится на направляющей пластине, соединенной со стеклом. При вращении шестерни направляющая пластина вместе с электродвигателем, редуктором и стеклом совершает вертикальное перемещение относительно рейки.

 

                        Техническиехарактеристики ЭПС.

 

Номинальноенапряжениепитания, В	12
Время подъема (опускания) стекла не более, сек	5
Номинальное усилие при подъеме, Н	120
Потребляемый ток при  номинальном усилие не более, А	7.5
Уровеньшума, дб	40-50
Режимработы	кратковременный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание технологической и кинематической схемы

 

Электростеклоподъёмник — устройство в автомобиле позволяющее открывать, закрывать, удерживать в определенном состоянии боковые стёкла дверей , нажатием на кнопку.

 

Стеклоподъемники включают в себя два основных узла:

1. Привод - создает крутящий  момент, достаточный для перемещения  стекла.

2. Механизм подъема стекла - преобразует  вращательное движение валика  привода в поступательное движение  стекла.

 

Рисунок 1 Реечный электростеклоподъемник ЭСП-Р-01

 

Привод стеклоподъемника может быть:

1. Механическим. Механический  привод стеклоподъемника состоит  из:

   - рукоятки;

   - пары прямозубых  шестерен для увеличения усилия  и передачи его на приводной  валик.

2. Электрическим. Электрический  привод стеклоподъемника - это реверсивный  электродвигатель со встроенным  червячным редуктором. На приводной  валик редуктора устанавливается  шестерня привода или барабан.

 

Роль направляющих стекла для всех конструкций стеклоподъемников (будь то механические стеклоподъемники или электростеклоподъемники) выполняют:

1. Желобки на внутренних  сторонах рамок дверей, удерживающие  стекло за его боковые кромки;

2. Специальные рельсы, неподвижно  закрепленные в корпусе двери.  По этим рельсам скользят установленные  на нижней кромке стекла ползуны.

3. Уплотнитель окна ограничивает  перемещение стекла вверх, резиновый  демпфер - перемещение стекла  вниз.

Рисунок 2 Положение ЭСП в двери автомобиля

 

Внутри двери вертикально  закрепляется неподвижная зубчатая рейка. Эта зубчатая рейка входит в зацепление с шестерней, установленной  на приводном валике. Электродвигатель с редуктором крепится на направляющей пластине, соединенной со стеклом. При  вращении шестерни направляющая пластина вместе с электродвигателем, редуктором и стеклом совершает вертикальное перемещение относительно рейки.

Достоинство реечного механизма: постоянство скорости перемещения, простота конструкции и надежность.

Недостаток реечного механизма: большой габарит по высоте, что ограничивает его применение.

 

На Рис.3 представлена кинематическая схема ЭСП, мотор-редуктор которого смонтирован непосредственно на пластине крепления стекла, а зубья его ведущей шестерни входят в зацепление с зубьями направляющей, обеспечивая ей перемещение в вертикальной плоскости. В отличии от других ЭСП передача усилия от мотор-редуктора на исполнительный механизм осуществляется с помощью металлических зубчатых пар.

Рисунок 3 Кинематическа схема ЭСП. 1 – двигатель, 2 - шестерня, 4 - редуктор стеклоподъемника, 3 - зубчатая рейка

Рисунок 4 Схема ЭСП

 

2. Расчет  механической нагрузки рабочей машины и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

 

Нагрузочные диаграммы представляют собой зависимости момента спротивления на валу электродвигателя или рабочей машины, мощности или тока электродвигателя от времени, т.е. М_с(t), Р(t), I(t). Нагрузочные диграммы могут быть получены экспериментально или рассчитаны аналитически.

Подъемно – транспортные  машины  отличаются чрезвычайно  большим разнообразием по своим  технологическим характеристикам. Однако расчет мощности привода всех этих машин определяется по одной  и той же формуле

Р= (120*0.137)/0.84=20 Вт

где F – суммарное усилие, необходимое на преодоление сил сопротивление движению, Н; υ –линейная скорость, м/с;  η_п – к.п.д. передачи

V – скорость подъёма груза (стекла) по данным от производителя равна      

4 сек. (при среднем размере  стекла 55см) 

;

;

Мощностные характеристики двигателя взяты из паспорта

нагрузочный момент — 3 Н*м, пусковой момент — 14 Н*м,

Рисунок 5 Нагрузочная диаграмма электродвигателя

за время работы перегрев не успевает достичь установившейся величины, а за время паузы t_о двигатель охлаждается до температуры окружающей среды

Для построения нагрузочной  диаграммы необходимо определить следующие  величины:

Номинальныймоментдвигателей

 

 

Величинасреднегопусковогомоментадвигателей

 

 

 

Величинатормозногомомента

 

 

Момент сопротивления

 

 

Время пуска двигателя

 

 

Время торможения

 

 

 

 

Вывод:

 Данный привод устраивает  нас по пусковому моменту и  по скорости подъема груза  (стекла). Глядя на нагрузочную  диаграмму ЭП можно сказать,  что время за которое поднимается и останавливается стекло полностью совпадает с заявленными характеристиками производителя

 

Рисунок 6

 

 

 

 

3. Выбор типа электродвигателя

 

В электростеклоподъемнике применяют главным образом двигатели постоянного тока.

Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

• Простота устройства и управления
• Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя
• Легко регулировать частоту вращения.
• Хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент).

Недостатки:

• Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов
• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

 

Скорость на выходе ДПТ  пропорциональна напряжению на входе, следовательно можно изменяя напряжение управлять движением. Такой способ применяют для относительно маломощных двигателей. Для управления более сильными двигателями используют принцип ШИМ, когда изменяется не величина напряжения, а длительность его приложения к двигателю.

Для уменьшения номинального напряжения двигателя в автомобильных  стартёрах применяют двигатель  постоянного тока с четырьмя щётками, при этом эквивалентное комплексное  сопротивление ротора уменьшается  почти в четыре раза, при этом статор имеет четыре полюса (две  пары полюсов).

 

Характеристики мотор-редуктора ЭПС:

напряжение питания постоянного  тока — 12 В,

нагрузочный момент — 3 Н*м,

пусковой момент — 14 Н*м,

потребляемый ток не более 8 А,

потребляемый ток при  заблокированном выходном вале не более 28 А,

частота вращения не менее 65об/ мин-1,

мощность, Вт — 8

габариты — 195х130х50 мм,

масса — 1 кг,

режим работы — повторно-кратковременный.

Время подъема/опускания  стекла — от 2 до 6 секунд.

4. Расчет и построение механической характеристики рабочей машины. Проверка  выбранного электродвигателя по перегрузочной способности

 

Номинальная частота вращения определяется по формуле

 

 

Номинальный, пусковой (кратность пускового момента принимаем 2), минимальный и максимальный моменты электродвигателя определяются по формулам

 

 

 

 

 

 

 

 

Момент статического сопротивления  на валу электродвигателя М_с, Нм равен:

 

где М_с – момент сопротивления механизма при угловой скорости ω_м Нм;

М_о – момент сопротивления механизма, не зависящий от угловой скорости (момент трогания), Нм; 

М_сг – момент сопротивления при номинальной угловой скорости, Нм; 

ω_д – текущее значение угловой скорости вала рабочей машины, с^–1; 

ω_мн – номинальная угловая скорость вала рабочей машины, с^–1; 

х – показатель степени характеризующий изменение статического момента от угловой скорости, для электропривода перемещения моста принимаем равным нулю. Тогда из уравнения следует:

 

 

Момент М_сн возьмем из пункта 2, М_сн= 3.5

Минимальный избыточный момент, необходимый для пуска электродвигателя, принимается равным 0,2М_сн, тогда

 

 

 

Возможность пуска электродвигателя при снижении питающего напряжения на 20% проверяется по условию

 

 

 

 

 

Вывод:

Так как 9.03>4.2 следовательно электродвигатель, выбранный в пункте 3 запуститься даже при снижении питающего напряжения на 20%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определение времени пуска и торможения привода.

 

Время пуска и торможения двигателя определяется по формулам:

где   GD² – маховый момент системы электропривода (GD² = 12.84 );

n_дв – частота вращения двигателя (n_дв = 130 );

М_j– динамический момент электропривода

Знак плюс у момента  Мg берётся в том случае, когда двигатель работает в двигательном режиме, а знак минус – при тормозном режиме.

Знак плюс у момента  сопротивления выбирается в том  случае, когда рабочая машина помогает движению системы (при опускании  груза), а знак минус, если рабочая  машина мешает движению системы.

Величина момента двигателя  находится из уравнения:

Мg = bМ_н

где   b - коэффициент, зависящий от типа двигателя и условия пуска.

Для двигателя постоянного  тока и асинхронных двигателей с  фазным ротором коэффициент  b = 1.4 ¸ 1.6.

Дляданногодвигателяb = 1.6.

 

 

где     М_н – номинальный момент двигателя

          Р_н – номинальная мощность двигателя (Р_н = 96 Вт);

n_дв – частота вращения двигателя (n_дв = 130 )

 

b

b7.05 = 11.28 Н∙м

 

 

 

 

 

Время пуска двигателя

 

 

 

Время торможения

 

 

 

 

Путь, пройденный рабочим  органом за время пускаи торможения, вычисляется по формулам:

 

где   t_n – время пуска привода (t_n= 0.5 с);

t_m– время торможения привода (t_m = 0.3 с);

V – скорость поступательно движущегося элемента (V = 13.75см/сек).

 

 

 

 

 

 

Вывод:

Мощность двигателя  96 Вт, отсюда следует, что время пуска  и торможения будет минимальным.Путь, пройденный рабочим органом за время пускаи торможения, 

 

 

6. Рассчитать механическую характеристику электродвигателя. Определить фактическое и допустимое число пусков    привода в час

 

Критическое скольжение, соответствующее  максимальному вращающему моменту  электродвигателя определяем по формуле

 

 

где m₁ – коэффициент, равный отношению кратности максимального и кратности пускового моментов:

 

 

Частота вращения вала

 

 

 

 

 

 

 

Номинальноескольжениеэлектродвигателя

 

 

Параметр q может быть определен по соотношению

 

 

Механическая характеристика электродвигателя М_д (ω) рассчитывается по формуле Клосса:

 

где s – текущее скольжение;

Время разбега и торможения системы под нагрузкой и на холостом ходу может быть определено на основе уравнения движения электропривода

 

где М_изб – избыточный момент системы, Нм.

Время полного разбега  и время торможения возьмем из пункта 2

При повторно–кратковременном режиме электродвигатель сильно нагревается  из-за повышенных потерь в период пуска. Чтобыэтопредотвратить, необходимовыполнитьусловие

 

где h – число включений электродвигателя в час;

h_доп – допустимое число включений электродвигателя в час.

Число включений электродвигателя в час, h определяется по формуле

 

 

где t_p и t₀ – соответственно продолжительность работы и паузы, мин.

Допустимое число включений  электродвигателя в час, исходя из условий  допустимого нагревания, рассчитывается по формуле

 

 

где ΔР_н – номинальные электрические потери мощности электродвигателя, Вт;

А_н – потери энергии при пуске электродвигателя, Дж.

β_о - коэффициент ухудшения теплоотдачи, принимаем д 0.5;

Номинальныеэлектрическиепотеримощностиэлектродвигателя

 

 

где α – коэффициент, равный отношению постоянных потерь мощности электродвигателя к переменным (α = 0,5 – 0,6);

η_н - КПД двигателя при номинальной нагрузке, примем 0.83.

Потери энергии при  пуске электродвигателяΔА_п

 

 

где i_п – кратность пускового тока электродвигателя принимаем равным 2.

 

 

Вывод:

Допустимое число включений  электродвигателя в час, исходя из условий  допустимого нагревания 70раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Определение мощности двигателя из условий нагрева

 

Электрические машины не должны нагреваться свыше допустимых пределов. При перегреве машины изоляция обмоточных проводов быстро стареет, теряет изоляционные свойства, становится хрупкой и при  дальнейшей работе может обуглиться, что может привести к короткому  замыканию и выходу машины из строя.

По нагрузочной диаграмме  определяем эквивалентный по нагреву  момент двигателя за время его  работы без учёта времени пауз

где   М_n и М_m – моменты, развиваемые двигателем при пуске и торможении.

Эквивалентнаямощность

После этого производится пересчёт эквивалентной мощности на ближайшую, стандартную продолжительность  включения

где   ПВ_д – действительная продолжительность включения двигателя

        ПВ_к – ближайшая по величине стандартная продолжительность включения по отношению к действительной ПВ.

Если полученная в результате расчёта мощность Р_к< Р_н двигатель, который был предварительно выбран, по условиям нагрева проходит.

Если же Р_к> Р_н, то необходимо задаваться следующим габаритом двигателя и расчёт производить вновь.

Определяемэквивалентныймомент:

где   k – поправочный коэффициент (k = 1.5);

Q = 5кг – вес груза

D_б = 0.04м – диаметр барабана;

i = 25.22 – передаточное отношение;

h =0.84 - кпд привода.

Эквивалентнаямощность:

Р_к = 21.6 Вт < Р_н = 96 Вт

 

 

Вывод:

Поскольку Р_к = 21.6 Вт < Р_н = 96 Вт то двигатель по условию нагрева проходит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Определение активной и реактивной мощности, потребляемые из сети двигателем, и cosφ

 

Активная, реактивная и полная мощности, потребляемые электродвигателем  из сети, определяются по известным  формулам с учетом коэффициента загрузки. Для определения КПД  и электродвигателя по каталожным данным строятся графики и . Здесь k_з – коэффициент загрузки двигателя:

k_з= 24.2/96 = 0.25

Максимальная активная мощность, , Вт,

 

Pmax=96*0.25/0.84 =28.6 Вт

Максимальная полная мощность, , ВА

 

Smax = 28.6/0.6=47.6 ВА

Максимальная реактивная мощность, , ВАр

 

Qmax = \/2265.76-817.96=\/1447.8=38.04 Вар

Если в каталоге в технических  данных электродвигателей не приводятся значения и Cos при равных коэффициентах загрузки, то они определяются аналитически.

Коэффициент полезного действия η_з рассчитывается по формуле

 

 

где f_a – коэффициент формы кривой КПД.

 

 

 

Коэффициент мощности рассчитывается по формуле

 

 

где – коэффициент формы кривой .

 

 

 

Вывод:

Были рассчитаны: максимальная активная мощностьPmax =28.6 Вт:;

максимальная полная мощностьSmax47.6 ВА; максимальная реактивная мощностьQmax = 38.04 Вар.

 

 

 

 

 

 

9. Составление принципиальной и монтажной электрических схем управления электроприводами. Описание работы принципиальной схемы

 

Рисунок 7. Схема включения ЭСП-Р-01

1 - монтажный блок; 2 - реле  зажигания; 3 - замок зажигания; 4 - моторедуктор электростеклоподъемника правой двери; 5 - моторедуктор электростеклоподъемника левой двери; 6 - переключатель электростеклоподъемника правой двери; 7 - переключатель электростеклоподъемника левой двери; К7 - реле питания электростеклоподъемников; А - к выводу «30» генератора; Б - к колодке жгута проводов, подключаемой к табло подсветки рычагов отопителя; В - к табло подсветки рычагов отопителя; Г - условная нумерация штекеров в колодке моторедуктора

На Рис .5 изображенапринципиальная схема ЭСП. При постановке автомобиля на охрану, от схемы управления закрытием замков дверей на обмотку реле К 3 поступает напряжение, реле срабатывает и контактами К3.1 подключает конденсатор С3 к напяжению +12В через резистор R5, конденсатор заряжается. После окончания импульса управления заряженный конденсатор подключается к обмотке реле К 2, оно

срабатывает и своими контактами К 2.2 подает напряжение на таймер, собранный на микросхеме DA1. На выводе 7 микросхемы устанавливается напряжение близкое к 0 и через резистор R3 на базу транзистора VT2 подается открывающее напряжение. Через открывшийся транзистор VT2 и замкнувшиеся контакты репе К 2.1 на обмотку реле К2 подается удерживающее напряжение. Транзистор VT1 термостабилизирует рабочую точку транзистора VT 2. Замкнувшиеся контакты реле К2.2 подают напряжение на обмотту репе К1. Через резистор R4, контакты репе Р1 и далее через кнопку управления стеклоподьемником напряжение подается на двигатель, стекло закрывается. Когда стекло полностью закроется, двигатель начинает тормозиться, ток увеличивается, увеличивается и падение напряжения на резисторе R4, что приводит к закрыванию транзистора VT2. Обмотка реле К2 обесточивается, его контакты размыкаются, обесточивая всю схему. Ток срабатывания защиты устанавливается резистром R2. Время срабатывания таймера выбрано на 2-3 секунды больше, чем время необходимое для полного закрытия стекла. В нормальном режиме он срабатывать не успевает, сработает он только тогда, когда по какой-либо причине исчезнет нагрузка и не будет условий для зактытия транзистора VT2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8. Принципиальная схема ЭСП.

 

Вывод:

Принципиальная и монтажная  электрические схемы управления ЭП приведенные в пункте 9 являются общими и наиболее распространенными  для современных электростеклоподъемников автомобилей.