微型汽车盘式制动器性能试验台的机械装置设计

1前 言汽车制动器是汽车制动系统的主要组成部分,使得汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性,使下坡行驶的汽车速度保持稳定,以及使已停驶的汽车保持不动,其性能的优劣直接影响到整车的安全性能,汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。进行制动器试验,检测其装配质量,评价它的综合性能,成为改善制动器制动性能不可或缺的一部分。因此,研制一种模拟性能好、试验精度高的制动器综合性能试验台十分必要。 本文严格参照国家制动器试验标准和性能要求，研究了单端惯性式制动器性能试验台的设计。它以机械惯量来加载，通过调整飞轮组合，可以模拟各试验所需惯量。该试验台适用于轻、中型液压和气压系统驱动的盘式制动器。本文以设计试验台为核心，并首先阐述汽车制动器的设计原理和方法，介绍各型式 制动器盼优缺点及选型；之后，通过研究影响制动器效能的因素，了解检测制动 器制动性能的关键；然后经过比较国内外制动器试验标准及性能要求，了解我国 制动试验标准的不足，并提出了几点建议；最后，分析了制动试验结果的实际 意义。目前，世界上通用检测制动器的性能的方法是用惯性试验台来模拟制动器总成的制动工况，从而测试其各项性能。发达国家对制动器试验台的研究相对较早，实验技术相对成熟。如德国研制的制动器试验台它能过同时对两个制动器进行实验。它的基本原理就是以一定角速度旋转的惯性飞轮的动能来模拟汽车的动能，并在制动时为被制动器所吸收，从而检测出制动器的性能参数。相对于发达国家的先进的技术，国内的汽车工业水平平均比发达国家汽车工业水平落后了二十年，国内的制动器实验技术也就相对的落后了，国内的制动器试验台主要依赖与进口，但随着对外国先进技术的消化吸收和自主创新，国内的制动器试验台技术也取得了巨大的进步，并填补了这一空缺。典型的国产制动器试验台有天津大学天津内燃机研究所研制的 ZDQ 型制动器试验台和吉林大学机电设备研究所研制的 JF 系列试验台等。ZDQ 制动器试验台是基于国家汽车行业标准 QC/T654-2008摩托车和轻便摩托车制动器台架试验方法而开发设计的，采用机械惯量模拟和电惯量模拟相结合的摩托车惯量模拟方式，是用于评价摩托车和轻便摩托车制动器性能的专用检测设备。该试验台能够完成标准 QC/T654-2008 中规定的效能实验、磨合实验等所有实验项目，并能在实验过程中检测和记录很多实验参数，如制动初速度、蹄片温度、制动减速度、制动次数、制动间隔时间、制动操纵力、制动力矩、制动距离和主轴转速等。2但国内的制动器实验技术与国外先进实验技术还是有着较大的差距，国外已经在电惯量技术方面取得了显著的成绩。减少或取消机械惯量部分，利用调整系统及计算机控制进行补偿，使实验系统动力特性与具有大质量惯性轮系统一致，即受载后转速变化一致，则系统就是“电惯量”系统，其控制技术就是“惯量电模拟”技术 【8】 。采用这种技术，可减少原实验系统的结构尺寸，通过控制参数调整系统惯量，提高实验精度。国内的制造和加工技术水平与国外水平差距不是很大，但国外有着非常先进的控制技术，在信息采集、信息处理、数据分析方面有着丰富的经验，这限制了国内实验技术的发展。所以，迫切需要提高国内实验技术的控制技术，学习国外的先进经验，通过提高试验台软件部分的水平，逐渐缩小与国外的先进实验技术的差距。本文涉及的制动器试验台架一定程度上参考了ZDQ型制动器。为准确、有效地检测制动器综合性能,采用机械惯量带动惯性飞轮组对汽车行驶惯量进行模拟,模拟的惯量大小应在一定范围内可调并达到相应的精度要求。从而得到试验过程所需的各种数据和结果。很好的完成试验。随着我国汽车工业和技术的快速发展，对车辆制动器的性能质量和控制方式提出了更高的要求。对制动器试验台的研制为进行制动器的基础研究和性能测试提供了有力的技术手段，对确保汽车制动系统正常可靠工作至关重要， ，同时具有广泛的应用前景。3目 录中文摘要 .英文摘要 .第 1 章 绪 论 .11.1 课题意义及目的 .11.2 国内外现状及发展 .11.3 本文研究意义 .31.4 本文研究的主要内容 .4第 2 章 制动器试验台架的设计方案 .52.1 试验台架技术要求 .52.2 试验台架方案设计 .5第 3 章 制动器试验台架的原理及计算 .73.1 试验台基本原理 .73.2 整车惯量的计算 .73.3 试验台转速计算 .83.3.1 微型车试验转速 8第 4 章 电机功率的计算及电机选择 .104.1 电机功率计算 .104.2 电机的选择 .10第 5 章飞轮组的结构设计 .135.1 飞轮组的计算 135.2 飞轮组的强度校核 14第 6 章试验台轴类零件的设计 .196.1 主传动轴的设计 .196.2 第二根轴的设计 .196.3 尾座测力系统轴的设计 .206.4 轴的强度校核 .22第 7 章 其他零件的设计 .237.1 固定制动器零件设计 .237.1.1 第二根轴右端制动盘安装固定零件设计 237.1.2 尾座测力系统左端安装制动卡钳零件设计 24第 8 章飞轮组装卸系统的设计 .268.1 飞轮组装卸系统的设计 .26第 9 章 试验台基础底座设计 .289.1 确定平台的大小规格的选取 .28第 10 章 转速监控装置的选取 .2910.1 转速监控装置的选取 .2910.2 脉冲信号的获取 .30第 11 章 测力系统的设计 .3111.1 微型车制动力矩的计算 .31411.2 测力传感器测力臂的设计及校核 .3111.3 测力传感器的选取 .32第 12 章 全文总结与展望 .34致 谢 .36参考文献： .375摘 要汽车的制动性是确保车辆行驶的主、被动安全性和提升车辆行驶的动力性的决定因素之一。重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。而制动器是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全部件，所以它的工作性能就显得尤为重要。因此，进行制动器实验，检测其装配质量，评价它的综合性能，成为改善制动器制动性能不可或缺的一部分。所以，研制一种模拟性能好、实验精度高的制动器试验台十分必要。本文严格参照国家制动器实验标准和性能要求，研究了单端惯性式制动器性能试验台的设计。它以机械惯量来加载，通过调整飞轮组合，可以模拟个实验所需惯量。该试验台适用于轻、中性液压和气压系统驱动的鼓式、盘式制动器。本文以设计试验台为核心，并首先阐述汽车制动器的设计原理和方法，介绍各型式制动器的优缺点及选型；之后，通过研究影响制动器效能的因素，了解检测制动器制动性能的关键；然后经过比较国内外制动器试验标准及性能要求，了解我国制动试验标准的不足，并提出几点建议；最后，分析了制动试验结果的实际意义。关键词：制动器，制动效能，飞轮，惯量，模拟6ABSTRACTThe braking performance is one of the crucial factors of ensuring the driving security and improving the driving performance . The big traffic accidents always relates ti the too long stopping distance and sideslip that happens during the emergent stopping. So, the braking performance is the important guarantee of the safe driving. The brakes are the key devices which restrict the movement of vehicles directly, and the most important safe part. So, the braking performance is particularly crucial.Testing the brakes, checking the assembly, and estimating the general performance have become the crucial step of improving the braking performance. So, it is very necessary ti develop a kind of test rigs which have good simulation performance and high testing accuracy.According ti the national brake testing standard and the performance requirements, the single head inertia test rig for brakes is researched in this paper. This test rig load with the mechanical inertia test and can simulates the inertia which the testing items required through adjusting the flywheels. This test rig is applicable to the drum and disk brakes driven with air or liquid on the light or middle trucks. The design on the test rig load with the mechanical inertia and can simulates the inertia which the testing items required through adjusting the flywheels. The test rig is applicable to the drum and disk brakes driven with air or liquid or middle trucks. The design on the test rig is core of this paper. Firstly, the theory of brake design and the property of each brake are detailed introduced. Secondly, the key points of testing the braking performance are known after researching the factors which influences it. Thirdly, the shortage of our national brake testing standard is found by comparing with the foreign testing standard, and several suggertions are proposed for for standard establishing. The significance of the test data are analyzed at the end.Keywords:Brake， Braking， Performance， Flywheel， Inertia Simulation 7第 1章 绪 论1.1课题意义及目的汽车制动系是用于使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地(包括在斜坡上)驻留不动的机构。汽车制动系直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性。随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大，为了保证行车安全、停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好、制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。而制动器是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全部件。制动器是产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力(制动力)的部件。凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器都称为摩擦制动器。摩擦制动器具有结构简单、工作可靠的优点，已经广泛地应用在各种机械设备中而成为重要的组成部件之一，其工作原理是利用摩擦副相对运动时接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度或来停止运动。汽车摩擦式制动器主要分为鼓式和盘式两大类。前者摩擦副的旋转元件是制动鼓，工作表面为圆柱面；后者的旋转元件是制动盘，工作表面为端面。汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到交通安全。重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。随着汽车速度的提高，对汽车行驶安全性提出了更高的要求。因此，改善汽车的制动性，始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。同时，世界各国和制动器制造企业对制动器制动性能都提出了各种检测标准，使制动器的性能达到一定水平，以尽量提高汽车安全性和可靠性。81.2国内外现状及发展目前，世界上通用的方法是用惯性试验台来模拟制动器总成的制动工况，从而测试其各项性能。汽车工业高度发达的发达国家对制动器试验台的研究相对较早，试验技术相对成熟。如德国Carl Schenck AG公司，德国Froude Hofmann公司以及美国CHASE公司等研制的制动器试验台，都体现了他们先进而精湛的试验技术。其中德国Carl Schenck AG公司研制的惯性式制动器试验台，能够同时对两个制动器进行试验。它的基本原理就是以一定角速度旋转的惯性飞轮的动能来模拟汽车的动能，并在制动时为被试制动器所吸收。其结构简图如图11所示：惯性飞轮组是该试验台的核心部件，飞轮组由大小不同的多片飞轮组成，可以根据所要模拟的惯量对飞轮组进行调整组合。图11 Carl SchenckAG试验台结构简图1一超速保护开关；2一电动机；3一联轴节；4一紧急制动器；5一飞轮箱；6一轴承座；7一主轴：8一法兰；9一集流环；10一连接法兰：ll一被试制动器：12一连接法兰；13一抽风机；14一测力摆杆；15一滑台组；16一滑台座；17一花键轴；18一鼓风机；19一滑台罩；20一飞轮箱罩；a，b，c，d，e，f，g一惯性飞轮。该试验台的工作循环为：将惯性飞轮启动到预定速度，关闭驱动电机，并打开记录装置，通过滑动滑台接通被试制动机构进行传动，直到将惯性质量制动到完全停止。试验台通过调整飞轮组合实现不同惯量的模拟。试验台采用手操纵或带有一定制动间隔的自动操纵。当要获取制动机构制动特性时，采用手操纵；当进行制动机构耐久性试验时，采用自动操纵。在试验过程中，可记录下各种模拟工况的如下参数：飞轮转动惯量、惯性质量初速度、制动管路压力、9制动鼓(盘)温度、制动衬片(块)温度、制动距离、制动时间、制动力矩和制动噪声声级等测试项目数据，并显示或打印各种需要的曲线和图表。由于国内汽车工业水平平均比发达国家汽车工业水平落后了的二十年，国内制动器试验技术相对落后，国内制动器试验台主要依赖进口，但随着对国外先进技术的消化吸收和自主创新，国内制动器试验技术也取锝了巨大的进步，并填补了这一空缺。典型的国产制动器试验台有天津大学天津内燃机研究所研制的ZDQ型制动器试验台和吉林大学机电设备研究所研制的JF系列试验台等。ZDQ制动器试验台是基于国家汽车行业标准QCT654-2000摩托车和轻便摩托车制动器台架试验方法而开发设计的，采用机械惯量模拟和电惯量模拟相结合的摩托车惯量模拟方式，是用于评价摩托车和轻便摩托车制动器性能的专用检测设备。该试验台能够完成标准QCT654-2000中规定的效能试验、磨合试验等所有试验项目，并能在试验过程中检测和记录很多试验参数，如制动初速度、蹄片温度、制动减速度、制动次数、制动间隔时间、制动操纵力、制动力矩、制动距离和主轴转速等。但国内的制动器试验技术与国外先进试验技术还是有着较大的差距，国外已经在电惯量技术方面取得了显著成绩。减小或取消机械惯量部分，利用调整系统及计算机控制进行补偿，使试验系统动力特性与具有大质量惯性轮系统一致，即受载后转速变化致，则该系统就是“电惯量”系统，其控制技术就是“惯量电模拟”技术”。采用这种技术，可减小原试验系统的结构尺寸，通过控制参数调整系统惯量，提高试验精度。国内的制造和加工技术水平与国外水平差距不是很大，但国外有着非常先进的控制技术，在信息采集、信息处理、数据分析方面有着丰富的经验，这限制了国内试验技术的发展。所以，迫切需要提高国内试验技术的控制技术，学习国外的先进经验，通过提高试验台软件部分的水平，逐渐缩小与国外先进试验技术的差距。1.3本文研究意义本文研究的是一台以机械惯量来模拟汽车实际惯量的制动器试验台。为了保证试验条件和实际工况的一致性，制动器试验台需要有模拟被制动对象机械能的装置。本试验台采用调速电机作为发动机和负载转速的模拟，以惯性飞轮进行实际系统中汽车的惯量模拟。飞轮是一种贮藏能量的机械部件，它在角速度上升时吸收能量，在角速度下降时释放能量，因此它可以用来模拟制动器负10载荷。进行制动器试验时，用电动机来启动飞轮，当惯性飞轮达到预定转速后，根据试验需要，关闭驱动电机或保持电机以一定速度运转。此后在惯性试验台上的制动器吸收达到一定速度的飞轮动能，在变化的滑转速度下实现转动轴制动；参照汽车制动系工作原理，通过气动液压系统对制动鼓(盘)施加制动力矩；通过计算机控制电机转速、数据记录与输出。随着我国汽车工业和技术的快速发展，无疑给车辆制动器的性能质量和控制方式提出了更新更高的要求。该制动器试验台的研制为进行制动器的基础研究和性能测试提供了有力的技术手段，对确保汽车制动系统正常可靠工作至关重要，可满足企业准确、快速、有效地对制动器各种综合性能检测的需要，具有广泛的应用前景。同时，通过分析比较我国和国外制动器性能要求及试验标准，找出我国试验标准的不足和缺陷，为完善我国制动器试验标准提供参考。1.4本文研究的主要内容本文以设计单端惯性式制动器性能试验台为核心，拓展研究了与之相关的一些问题。(1)要设计一台能模拟汽车实际工况的制动器性能试验台，就必须弄清楚制动器是什么，制动器的种类，以及它在汽车上是怎么工作的等问题。通过本文对制动器的设计参数及制动力驱动机构的分析，为试验台方案的设计提供了很好的理论基础。(2)本文设计的是一单端惯性式制动器试验台，和一般的设计一样，设计制动器试验台也要有规定的步骤。本文首先提出了该试验台的技术要求，然后对设计过程中所要考虑的因素，要计算的参数以及参考的原理都作了详细阐述。最后，运用有限元分析软件对试验台关键部件一惯性飞轮组进行强度校核。这样，如何设计单端惯性式制动器试验台的问题得到很好的解决。(3)制动器是汽车上最重要的安全部件，所以制动器设计出来后必须满足一定的性能要求。(4)在汽车工业飞速发展的今天，一些汽车工业发达的国家和认证机构都对制动器提出了各自标准。我国在参照其他国家先进标准的基础上，也建立了相关标准。但是我国汽车工业的水平，限制了某些要求的严格性。本文通过对国内外制动器试验标准的详细比较研究之后，分析出我国标准和外国标准的差距，11并提出制定标准的几点建议。第 2章 制动器试验台架的设计方案2.1试验台架技术要求本文严格按照中华人民共和国汽车行业标准 QC/T564-2008乘用车制动器性能要求及台架试验方法对要求设计的试验台架对微型车系列所使用的盘式制动器进行制动性能的试验。其中，微型车为奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准。为了尽可能模拟汽车制动器实际工作状况，该试验台要能实现加载，并且可以调节制动初速度、负载、及转动惯量。该试验台要能实现以下试验项目：制动器效能实验、制动器热衰退恢复实验、制动衬片磨损试验；并可测试制动力矩、制动时间、制动距离、制动减速度等参数。2.2试验台架方案设计进行试验台架设计时，在满足试验台性能及技术要求的前提下，还应考虑到各部分的设计要素。对于主传动系统，应该考虑能够使机械惯量正确模拟制动器实际工况，并且保证工作可靠；对于试件夹具系统，应该考虑定位的准确与可靠；对于尾座系统，应该考虑制动器卡钳与制动盘对接时的同轴度，保证制动力矩的精确度。同时，设计时还应考虑测量系统的精确性和滞后性、整个试验台的振动、试验台的寿命与成本等的问题。实验台采用单端机械惯性试验台型式。传动系统采用直流调速电机驱动，直流电机具有启动力矩打、干扰小、可频繁启动的特点。试验台通过机械惯量来模拟整车的惯量，具有很高的稳定性和可靠性。试验台计算控制系统可以对检测的数据进行出路、显示、存储、检索及输出，并结合预先输入的分组参数对产品进行质量性能的判断。试验台的结构如图 2.1 所示：12图 2.1 微型车盘式制动器性能试验台装置结构简图1.T 型槽平板；2.电机；3.联轴器；4.轴承座；5.飞轮组； 6.转速传感器；7.制动盘；8.制动器卡钳；9.测力臂；10.应变式拉压传感器；11.飞轮组装卸系统试验台工作步骤如下：第一步，将被试制动器制动盘通过夹具系统固定在试验台上，同时将制动器卡钳固定在尾座系统上；第二步，选择实验项目，并针对试验要求，调节好电机转速、飞轮组惯量、制动管路压力等试验条件；第三步，进行试验，通过传感器采集所需试验数据，并根据试验要求，在试验过程中调整试验条件；第四步，通过计算机输出试验结果，停止试验。13第 3章 制动器试验台架的原理及计算3.1试验台基本原理汽车行驶时，汽车的动能包含汽车平移质量运动的动能和旋转时所贮藏的动能两部分，且旋转能可以通过转换系数转换为平移动能。惯性式试验台是采用旋转的惯性飞轮模拟汽车的上述两部分动能，并略去了非制动器的制动作用来进行制动器总成试验的。台架试验中，应尽量使被试制动器总成的工作状况与汽车制动器总成的实际工作状况相同。3.2整车惯量的计算根据中华人民共和国汽车行业标准 QC/T564-2008乘用车制动器性能要求及台架试验方法中的 6.3 试验转动惯量进行计算。式2mIGr（3.1）式中：I-转动惯量计算值，kg.m 2；Gm-汽车满载情况下，以 4.41m/s2（0.45g）的制动减速度进行制动时，被试制动器所对应车轮承受的那部分质量，当同一制动器用于不同车型时，取最大值，kg。前制动器的 Gm值按下式进行计算：式（3.2）后制动器的 Gm值按下式进行计算：+ + 式（3.3）式中：Ga-汽车满载总质量，kg；0.452agbhL0.452agh14L-汽车轴距，m；hg-汽车满载时重心高度，m；b-重心至后轴距离，m；a-重心至前轴距离，m；根据上式，可以计算出汽车满载、超载时前后车轮的转动惯量。表 3.1 奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准汽车惯量汽车车型 汽车惯量（kg.m 2）JF 单 （前） JR 单 （后）奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准 28.719 19.518台架试验中，还要保持试验台主轴转速与实验车速的对应关系；式1026Vnr（3.4）式中：V-汽车行驶速度， m/s；n-试验台主轴转速， r/min。统一单元换算后得： 式2.65Vnr（3.5）试验中，在保证实验条件与制动器实际工况相同的条件下，给被试制动器施加一定的驱动力，即可测得该制动过程中制动的制动力矩、制动时间、制动减速度等数据。3.3试验台转速计算根据所要求实验的微型车奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准的原始数据（见表3-1） ，按照中华人民共和国汽车行业标准 QC/T564-2008乘用车制动器性能要求及台架试验方法规定的实验方法及程序，计算盘式制动器试验台架有关参数。下表为奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准的原始数据。表 3.1 奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准的原始数据奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准原始数据前 后空载 985kg总质量满载 1365kg滚动半径 0.2659m轴距 2.345m15空载 自动分配 自动分配轴荷分配满载 自动分配 自动分配制动形式 通风盘式 鼓式摩擦材料 含石棉摩擦衬片（衬块）与制动盘（鼓）间的间隙 0.4-07.mm 0.4-0.7mm3.3.1微型车试验转速参照试验标准 QC/T564-2008，在进行微型车制动器磨合试验时，所要求的制动初速度为 50km/h，第一次效能试验时的制动初速度为 50km/h；第一次效能试验时的制动器初速度为 30km/h、50 km/h、100 km/h；第一次衰退恢复试验时的制动初速度为 30 km/h、60 km/h；第二次衰退试验时的制动初速度为 30 km/h、50 km/h。即在各项制动器性能试验中，所要求的微型车的制动器初速度有以下几种：30 km/h、 50 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h。根据公式3.4 计算得进行微型车制动器在制动初速度为 30 km/h 时的试验转速为：r/min11302.65.29.41658Vnr同理可计算得其它制动初速度对应的试验转速分别为：424.679r/min，598.082 r/min，797.442 r/min，996.083 r/min。16第 4章 电机功率的计算及电机选择4.1电机功率计算在所有试验情形中，微型车超载的时候所需电机功率显然是最大的，以此来选择所需电机功率。试验标准 QC/T564-2008 规定微型车最大试验车速为 100km/h，即飞轮最大转速 n=996.803r/min，则其最大角速度 为：=104.332 rad/s若飞轮在 10 秒内从零转速达到最大转速，则飞轮角加速度 为：=10.433 rad/s2则在模拟微型车满载的时候，飞轮产生的惯性扭矩为：T= JR 单 =28.719 10.433=299.625N.m那么所需要提供的功率为：kw保守估计系统传动效率为 0.8，则系统所需电机功率为：kw4.2电机的选择根据以上计算，并考虑电机工况和安全系数，选择型号为 Z4-180-21 的直流调速电机，其功率为 45kw，额定转速为 1500r/min。t.29.65.8031.2750TnP13.8260n17图 4.1 Z4-180-21 的直流调速电机的形状图18图 4.2 电机的基本结构及尺寸 表 4.1 Z4-180-21 的安装尺寸及外形尺寸型号 安装尺寸 外形尺寸A B C D E F GADGEAFAGCH K ABACADHDL L1 h1Z4-180-21 27947612155110165955110165918015356390305731834106216表 4.2 Z4-180-21 的各种参数19额定功率额定转速弱磁转速电枢电流励磁功率电枢回路电阻点数回路电感磁场电感效率 惯量矩重量型号kw r/minr/minA W mH H % kg.m2kgZ4-180-214514000.21254.656.6 87 1.72350第 5章飞轮组的结构设计5.1飞轮组的计算飞轮组是试验台用来模拟汽车惯量的，它应该由汽车惯量来确定。由前面的计算结果可知，微型车的惯量大小如表 5.1：表 5.1 奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准汽车惯量20汽车车型 汽车惯量（kg.m 2）JF 单 （前） JR 单 （后）奔奔 MINI 2010 款 1.0L 标准 28.719 19.518由上表可知该试验台需要模拟的各个惯量值，据此来设计惯性飞轮组。所选的直流电机的惯量为 1.72kg.m2，汽车最大惯量为 28.719 kg.m2， 则试验台所需模拟的惯量大小为 26.999 kg.m2，它包括飞轮组、轴和联轴器等所有旋转部分的惯量。据此，选择 2 片惯量为 4 kg.m2小飞轮和 1 片惯量为 20 kg.m2的大飞轮，在模拟微型车前轮所承受的惯量时，不加飞轮，只需电动机和其余旋转部分的惯量就能够满足要求。其余惯量的模拟需通过计算，组合适当数量的飞轮，实现一定的惯性加载。飞轮直径都选为 600mm，材料为 45 钢，则飞轮的密度kg/m3质量为 m，半径为 R，那么飞轮惯量为：7.8510式2JmR（5.1）则飞轮厚度为：式42JBR（5.2）通过计算得大、小飞轮的厚度分别为 40mm 和 100mm。由于该试验台飞轮轴荷小飞轮组采用的是锥面配合，锥度为 40，所以，小飞轮的实际惯量与理论惯量存在一定误差。5.2飞轮组的强度校核为了使试验台设计安全可靠，需对试验台进行校核。作为整个试验台的核心部分，惯性飞轮在本试验台上是一个储能装置，旋转速度越高，飞轮直径越大，则其离心力就越大。过大的径向应力会导致飞轮本体破裂，造成严重的后果。所以其可靠性是最重要的。为了确保飞轮使用时的安全、可靠，选择大型有限元分析软件ANSYS对之进行可靠性分析。如前所述，惯性飞轮组共有两种飞轮，它们的厚度分别为40mm和100mm，内21径分别为105mm和90mm，外径都为600mm；试验台主轴的最高转速为996.8rmin，近似取为1000rmin。现以厚度为40mm的飞轮为例，对其有限元分析过程进行详细说明。(1)有限元模型单元的选择首先进入ANSYS结构线性静力学分析，选择20节点的SOLID 95实体单元类型，单元型式如图36所示，其上的每个节点都有Ux、Uy、Uz三个自由度。飞轮材科为45钢。输入材料弹性模量EX为2ellPa，泊松比PRXY为03，材料密度为7850kgm3。然后在ANSYS软件中建立三维实体模型，如图5.1所示：图 5.1 SOLID 95 单元图22图 5.2 飞轮三维模型(2)网格的划分接下来需要对模型进行网格划分。自由网格对于单元形状无限制，但排列不规则；而映射网格对包含的单元形状有限制，且必须满足特定的排列规则。映射面网格包含有四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元，而且映射网格具有规则形状，这对载荷的施加和收敛的控制是很有利的。采用映射法对飞轮进行网格划分，手工调整网格大小为O02m。飞轮的网格划分如图5.3所示。从图中可以看出，划分所得的都是规则的六面体单元。23图5.3 飞轮网格划分图(3)载荷的施加I约束的施加由于是飞轮结构，在两截面施加对称约束即可；另外，在模型上任意取一节点，并约束其轴向的位移，即图中的Uz。这是轴对称结构的常用约束方法。施加旋转角速度飞轮正常旋转时，只有转动产生的惯性载荷(即角速度)的作用，在启动与制动时有角加速度。角加速度的存在仅对剪应力的大小和分布产生影响，而对其他应力分量的数值几乎没有影响，并且不改变应力分布规律。而飞轮的失效往往是由正应力引起的，故所研究的飞轮匀速转动的情况是可以代表飞轮整个工作状况的。施加大小为996.803rmin的绕z轴的旋转角速度，施加载荷后的飞轮如图5.4所示。然后选择PCG迭代求解器进行求解。24图 5.4 飞轮所受约束及载荷图(4)后处理(结果查看)经过求解，得到飞轮所受的应力及其产生的应变情况。应力分布与应变情况分别见图5.5和5.6。图 5.5 飞轮应力云分布图25图 5.6 飞轮应变图由图中所示数据可以看出：I飞轮所受的最大应力为分别1254MPa，远小于其材料的屈服强度350MPa，所以飞轮强度符合设计要求；由于飞轮旋转时的离心力将飞轮本体往外拉伸，所以离飞轮中心越近的部分，所受应力越大，应变也越大，其强度就越弱。所以在设计惯性飞轮的时候，要充分保证飞轮最小直径处的强度要求。同理，经ANSYS分析，厚度为100mm的大飞轮所受的最大应力为11.73MPa，远小于器草料的屈服强度，所以飞轮符合设计要求。26第 6章试验台轴类零件的设计6.1主传动轴的设计 轴是组成及其的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用就是支撑回转零件及传递运动和动力。在本文的盘式制动器试验台机架的设计中就有轴的设计。第一根轴为主传动轴，它连接着电机和第二根轴，它是用来传递电机的动力并使安装在这轴上的飞轮组旋转，从而得到所需的动能。主传动轴分为 11 部分：1、11 分别用于和联轴器相联的轴，用于接收和传递电机的功率。2、10 用于固定联轴器的轴肩，避免联轴器在转动时左右摆动。3、9 用于安装轴承座，用于固定和支撑轴。4 轴为飞轮组装卸系统中的平移吊顶装置的定位轴。5 轴是锥轴，适用于安装精密调解组即小飞轮组的轴，6 轴为法兰盘，法兰盘用于连接左端的锥轴和右端的阶梯轴，因为在法兰盘要安装飞轮组，飞轮组中有 3 片飞轮，为固定飞轮，需在法兰盘上开 12 个孔，用于安装飞轮组。7、8 为阶梯轴是用于安装基本调解组即大飞轮的轴。轴的形状如图所示： 图 6.1 主传动轴的结构图6.2第二根轴的设计第二根轴是用于联接主传动轴和被试制动器的制动盘，它的作用是将传递主传动轴的力矩通过轴传递给制动盘，使制动盘达到实验所需的制动初速度，27因为第二根轴上要安装盘式制动器的旋转部分制动盘，所以在第二根轴的右端的轴上设置花键，用以安装装置制动盘的零件，第二根轴的形状如图所示：图 6.2 第二根轴的结构图轴 1 为联接联轴器的轴，它需用联轴器与主传动轴相联，使之能得到电机所传递的功率和转速。2 轴是轴肩用于固定联轴器，避免联轴器在转动过程中左右移动。3、7 轴用于安装轴承座，用于固定和支撑轴。4、6 轴也是轴肩，是为了避免轴承座与测速齿轮相联接从而影响测速的精确度，故用两轴肩将两轴承座与测速齿盘隔开。5 为轴上的测速齿轮，它与设计中的测速传感器相对，在轴旋转时，由于测速传感器与之相对的齿顶和齿根不断的变化，从而形成了周期性的脉冲，经计算机的分析计算从而得出轴的转速，因而确定制动器的转速。8 轴也是轴肩，它将轴承座与有内花键的零件隔开。9 轴为安装制动气制动盘装置的安装轴，轴上有外花键，与内花键想配合将安装制动器的零件固定于第二根轴上，使之转动并达到试验标准的速度，为避免零件在轴上前后移动，在 9轴的右端开有内挡圈避免其前后移动。为了使轴的使用、工艺、强度上有优势而选择花键进行联接，一、是花键的槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较小。二、齿数较多，总接触面积较大，承受较大的载荷。三、轴上零件与轴的对中性好，提高了装置的精密度。四、具有良好的导向性。6.3尾座测力系统轴的设计尾座测力系统是盘式制动器试验台机械装置设计的最后系统，该系统主要是用于测出制动器的制动力矩，为测出制动器制动时的制动力矩，在设计时在28该系统上设置了测力臂，该零件与应变式拉压传感器相连接，在制动器制动时尾座测力系统上的制动器卡钳与制动盘摩擦受到力的作用，因制动器卡钳固定于尾座的轴上，则带动轴并使固定于轴上的测力臂受到拉力，从而带动应变式拉压传感器使其感受到力的大小。所以尾座测力系统的轴的设计主要是制动器卡钳安装零件的设计及测力臂零件的联接设计。查找资料，计算后得出了对轴的结构设计，轴的形状如图所示：图 6.3 第三根轴的结构图1 轴为安装制动器卡钳零件的连接轴，轴上有矩形花键的外花键，与安装制动器卡钳零件的内花键相配合，使安装制动器卡钳的固定于轴上，为避免安装制动器卡钳的零件在轴上前后移动，在轴的左端开有槽，安装轴承弹性挡圈，与安装制动器卡钳零件上的槽相配合，从而将零件固定于轴。2 轴是轴肩，将有内花键的零件与轴承座隔开，相互之间不受影响。3 轴式安装轴承座的轴，用于固定和支撑轴。因为在第三根轴上安装的是制动器卡钳，在制动制动盘时受到的摩擦力大，因此设计 7 轴用于安装轴承座。它能起到固定、支撑起制动器卡钳。并在两轴承座中肩设计一直径大的轴，用于避免制动器卡钳制动时可能受的力较大，尾座测力系统的承受能力不足，从而使轴心偏移。4、6 轴是轴肩，避免两轴承座与 5 轴相接触，从而影响测力系统的精确性。在尾座测力系统的最后用轴承端盖在轴承外圈进行轴向定位，并且和密封件配合达到除尘、密封的作用。296.4轴的强度校核本文中的盘式制动器试验台架设计的轴只受到扭矩的作用，所以轴的强度校核计算中，根据轴的具体情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅承受扭矩的轴，应按扭矩强度条件计算。在做轴的计算时，轴的扭矩强度条件为：式3950.2TrPnWd（6.1）根据各轴的最小直径和已知的条件，校核轴的强度，三根轴的最小半径分别为56mm，52mm，52mm 计算结果分别为：10.66MPa，13.32MPa，13.32MPa 对比轴的材料（45 钢）的许用扭转切应力为 25-45MPa，则是各轴都满足强度要求。式中： -扭转切应力， MPa;TT-轴所受的扭矩， N.mm；-轴的抗扭界面系数，mm 3；Wn-轴的转速， r/min；P-轴传递的功率， kW；d-计算截面处的直径， mm；-许用扭转切应力， MPa。r30第 7章 其他零件的设计7.1 固定制动盘零件设计本文所试验的制动器为固定钳盘式制动器试验台的设计。所以在设计过程中考虑到制动器制动盘及制动器卡钳的固定，在设计制动器试验台时，将盘式制动器的制动盘与测速齿盘设计在一起，这样就能快速的测定出制动器制动时，制动盘的转速，并能精确的测出制动器制动的时间；在设计制动器制动卡钳的安装时，将制动卡钳与应变式拉压传感器设计在一起，从而能有效、快速、精确的测算出制动器制动的力的大小，确定制动器的制动力矩。7.1.1第二根轴右端制动盘安装固定零件设计第二根轴在设计时将测定制动器转速的测速齿盘设计在第二根轴上，为了将盘式制动器的制动盘与测速齿盘设计与同一根轴上，根据盘式制动器的基本样式，并根据毕业设计老师的指导，本文设计了与盘式制动器制动盘相联接的固定制动盘的零件。该零件形状如图所示：图 7.1 安装制动盘零件的结构图该零件与第二根轴的右端相联接，该零件上的内花键与第二根轴右端上的外花键相配合，将零件固定于轴上，为了避免该零件在零件上的前后移动，在第二根轴的右端开有槽，内置轴用弹性圈环，与零件上的槽相配合，是内挡圈31环固定于槽之内，将零件卡住，使零件在转动时不出现前后移动的情况。如图在零件的大圆环上开有 4 个孔，这些孔是用来讲盘式制动器的制动盘安装于该零件上的。这些零件距圆心的距离为 45mm，孔的大小为半径 4mm。用螺帽将盘式制动器的制动盘固定于零件上。动力从电机输出，经过主传动轴上的飞轮组的惯量加载，经过联轴器，动力传递到第二根轴，经过第二根轴上的测速传感器传递的信息，电脑将信息转变为直观的数据，从而调整电机，是制动器达到试验要求的制动初速度。7.1.2尾座测力系统左端安装制动卡钳零件设计尾座测力系统上安装了设计的第三根轴，第三根轴上在设计时考虑到盘式制动器的制动卡钳的安装，设计了安装制动卡钳的零件，将该零件与第三根轴用花键进行配合联接，在第三根轴上设计内花键，在安装制动器卡钳的零件内设计外花键，这样的设计能增大接触面积，能够承受较大的载荷，为了避免该零件在制动器试验过程中前后移动，影响试验的精确性，在第三根轴的左端设计了槽，内置轴用弹性挡圈与该零件的内部槽相配合，将零件固定于轴上，该零件的形状如图：图 7.2 安装制动卡钳零件结构图在该零件上，下