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浙江工业大学硕士学位论文 电涡流缓速器试验台的设计与研究 摘要 随着汽车工业的快速发展，人们对汽车安全意识日益增强，对汽车辅助制动 系统的应用也日渐增多，电涡流缓速器就是其中的一种。 电涡流缓速器是利用电磁原理将行驶车辆减速的一种装置，由于其减速是非 接触( 无摩擦) 式的，可使行驶车辆在减速过程中比较平稳，这不仅大大提高了 行驶车辆的安全性，同时也大大提高了制动蹄片和轮毂的使用寿命，因此电涡流 缓速器在发达国家的客车和货车上都得到了比较广泛的应用。 近几年国内一些大型客车制造厂把电涡流缓速器作为高档产品标配或选配， 提高了客车行驶的安全性、经济性和舒适性，成为高档汽车制动系统有效的组成 部分，随着它的应用日益广泛，如何准确、快速、有效地检测电涡流缓速器工作 性能已是一项十分紧迫的任务。目前，对它地检测设备还不多，本文提出了电涡 流缓速器试验台设计的各种原理和关键技术，从而使缓速器性能的检测水平上了 一个台阶。 本文从该试验台的设计要求出发，介绍了该试验台的设计依据，对试验台的 各个系统都给以了详细的说明。同时分析了实际车辆的制动过程，建立尽可能多 的影响汽车实际工作情况的因素，得出了合理的惯性模拟系统。并用电机、飞轮 和轴共同模拟汽车惯性的多分流加载法。另外，本文设计了精确的测控系统，通 过对硬轴联接的双电机进行同步转速控制以及采取抗干扰措施，从而对缓速器的 温度、转速、转矩等进行有效的测量。 关键词：电涡流，缓速器，惯性模拟系统，双电机，测控系统，抗干扰 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho nt h et e s tb e do fthean r e s e a r c h0 1 11h et e s t1 ) eo it l a e e l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h es a f e t ya w a r e n e s so f a u t o m o b i l ei si m p r o v i n gg r a d u a l l ya n dt h ea p p l i c a t i o no fa u t o m o b i l ea u x i l i a r yb r a k e s y s t e mi si n c r e a s i n g n l ee l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e ri so d eo ft h e m e l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e r ，w o r k i n go nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i s m ，i sak i n d o fd e v i c ef o rr e t a r d a t i o no fr u n n i n gv e h i c l e s b e i n gp e r f o r m e di nt h ec o n d i t i o no fn o c o n t a c t ( w i t h o u tf r i c t i o n ) ，t h es m o o t hp r o c e s so fd e c e l e r a t i o ni sg u a r a n t e e d ，t h es a f e t y p e r f o r m a n c ei se n h a n c e d a n dt h ev a l u e dl i v e so ft h eb r a k ep l a t ea n dn a v e sa r eg r e a t l y p r o l o n g e d ( a c c o r d i n g l y ，t h ee c o n o m i z a t i o no ft h ev e h i c l e so p e r a t i o ni se n o r m o u s l y a u g m e n t e d ) ，t h e r e f o r et h ee l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e rh a sb e e ne m p l o y e dp o p u l a r l yo n t h ev e h i c l e si na d v a n c e dc o u n t r i e s i nt h er e c e n ty e a r s s o m el a r g ec a rm a n u f a c t u r ec o m p a n yi nd o m e s t i cm a d et h e e l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e rt ob et h es t a n d a r da p p a r a t u so rs e l e c t i v ea p p a r a t u sg o e s t o g e t h e rw i t h ，i n c r e a s i n gt h es a f e t y ，e c o n o m i c sa n dt h ec o m f o r to ft h ec a r t h e e l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta n de f f e c t i v ep a r to fb r e a ks y s t e m i nt h e s eu p s c a l ec a r s a l o n g 、 ，i t l lt h ew i d e l yu s i n go ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e r , h o wt oe x a m i n ei t sw o k i n gp e r f o r m a n c e sa c c u r a t e l y ，p r o m p t l ya n de f f e c t i v e l yh a s b e e na v e r yu r g e n tm i s s i o n b u ts u c he x a m i n a t i o ne q u i p m e n t ss t i l ln o tm u c hc u r r e n t l y t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et e s tb e do f t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e r c o n s e q u e n t l yt h ee x a m i n a t i o nl e v e lo ft h em a c h i n e f u n c t i o na s c e n d sas t e p t 1 1 i sa r t i c l ec o n s i d e r e df r o mt h ed e s i g nr e q u e s to ft h et e s tb e d i n t r o d u c i n gt h e d e s i g ng i s to ft h et e s tb e dt h a ta c c o r d i n gt o e a c hs y s t e mt h a tc o m p o s e st h et e s tb e d i s e x p l a i n e da tl e n g t h a tt h es a m et i m et h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ea c t u a lb r e a kp r o c e s so f v e h i c l e s ，e s t a b l i s h i n ga n yf a c t o rp o s s i b l yt h a ti n f l u e n c e sv e h i c l e sa c t u a lw o r k i n g c i r c u m s t a n c e ，a n de l i c i t e dt h er e a s o n a b l ei n e r t i a ls i m u l a t i o ns y s t e m a n dt h et e s tb e d m a d eu s eo fe l e c t r o m o t o r ，f l y w h e e la n da x e st oi m i t a t et h ev e h i c l e si n e r t i at o g e t h e r m o r e o v e r ，t h ea r t i c l ea d o p t st h ep r e c i s em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，t h r o u g h c o n t r o l l i n gt h es e r i e s c o n n e c t i o ne l e c t r o m o t o r ss y n c h r o n o u sr o t a t es p e e da n dt h e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r et om e a s u r et e m p e r a t u r e ，r o t a t es p e e d ，t o r q u eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cr e t a r d e re f f e c t i v e l ye t c k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c ，r e t a r d e r ，i n e r t i a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，s e r i e s c o n n e c t i o n e l e c t r o m o t o r ，m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，a n t i i n t e r f e r e n c e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：彳勿千 日期：艿年r 月r 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密呸在三年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： ，n 。 厂 擞亍 狮f 易 日期：玷年j 月，9 日 日期：盱年厂月，d 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要 评价汽车安全性主要在于防止汽车事故发生所采取的措施，而它的一个重 要研究内容就是车辆的制动性能，它的好坏很大程度上决定了事故是否会发生。 因此，很多国家投入了大量入力和物力进行研究，电涡流缓速器就是其中一种有 效的工具。它的性能也变得至关重要，我们开发了专门检测其性能的试验台。本 章介绍了电涡流缓速器试验台的功能及工作原理，提出试验台的试验原理和综合 性能指标。 1 1 引言 随着人们生活质量的提高，安全已经成为人们出行最关注的问题之一。想一 想，一辆满载着乘客的客车如果由于制动不灵而出车祸，那将是怎样的惨剧! 科 技在进步，出现了许多制动辅助装置，正是它们的“默默奉献”，保证了乘客的安 全。电涡流缓速器就是其中之一。汽车电涡流缓速器综合性能试验台产生，可以 得到缓速器的数据，可以对其进行分析，从而可以对其性能质量进行控制。 1 - 2 汽车电涡流缓速器综合性能试验台研制的背景 1 2 1 电涡流缓速器的发展历程 1 9 世纪中叶，法国物理学家利昂发现了电磁感应现象并对此进行的一系列探 索，为电涡流缓速器的问世奠定了基础。1 9 0 3 年s t e c k e l 发明了世界上第一台电 涡流缓速器的试验模型并申请了专利，但还不具有实用价值。1 9 3 6 年法国人 s a r a z i n 将第一台电涡流缓速器应用在车辆上，揭开了电涡流缓速器实际应用的序 幕。1 9 3 8 年，法国的s a e g 公司将缓速器的性能进行了提高。后来，t e l m a 公司的 缓速器设计上采用了开放式外壳、中心盘增加散热片的方式，使缓速器的散热能 力和缓速性能有了很大提高。采用此项技术的t e l m a3 6 0 、4 5 0 、5 1 0 系列相继问 世，并在2 0 世纪5 0 6 0 年代获得一定程度的应用。之后，t e l m a 公司开发了条型 散热器c 系列产品。这种缓速器从根本上改变了传统结构，将转子盘做成两个并 移到定子的外侧，这种新型结构使缓速器的整体性能有了质的飞跃，并由此打开 了缓速器广阔的市场。 1 2 2 电涡流缓速器的市场前景 缓速器作为车辆的辅助制动系部件，又称第三制动系统。工作环境的复杂性 使得车辆经常需要进行频繁的不同强度的制动，在这种情况下，辅助制动系的作 用变得越来越明显且越来越重要。缓速器通过作用于原车的传动系统而减轻原车 制动系统的负荷，使车辆均匀减速，以提高车辆制动系统的可靠性，延长制动系统 的使用寿命，并能由此而大幅降低车辆使用成本。 汽车缓速器按其工作原理通常分为发动机排气缓速、液力缓速和电涡流缓速 等。发动机排气缓速器价格低，结构简单，不需改动汽车传动系，但对发动机有 一定的不良影响，且缓速能力较小。液力缓速器一般与液力传动变速器组合使用， 根据其在变速器的不同位置，又可分为输入缓速器和输出缓速器。输入缓速器作 用于变速器输入轴，制动力矩可经变速器放大，但随挡位不同丽变化较大，且会 在变速器换挡的瞬间中断缓速作用。 平稳，理论上连续可调，容易控制。 前景更广阔。 输出缓速器作用于变速器输出轴，制动力矩 与这两种缓速器相比，电涡流缓速器的市场 电涡流缓速器是近年才传入国内的一种新型动态安全装置，安装在汽车的传 动系统中，用来提高车辆的安全性能。它有三种安装方式，可以安装在变速器输 出轴端、传动轴之间或者驱动桥输入轴端上。电涡流缓速器是利用发电机反向电 流原理，施加反向电压，产生强大的非接触式制动效能，它在汽车行驶过程中需 要减速时接通电源，定子与转子之间形成电磁涡流，产生相反的扭矩而达到减速 的作用。 现在，电涡流缓速器已成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚等世界知名汽车的标准 配备，广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车辆上。我国有一些企业正在开 发研制电涡流缓速器技术，他们吸收国外先进技术，并根据中国车辆特点加以改 进，在我国多种客车上已成功地安装和使用，解决了中低端产品国内需求的问题， 同时也替代了一些进口产品，具有独立知识产权。 1 2 3 电涡流缓速器工作原理： 电涡流缓速器的工作原理是基于电涡流能量的转换。当给定子线圈( 一般为4 组共1 6 只线圈) 通电时，定子线圈会产生磁场，而当转子在定子所产生的磁场 中旋转时，在转子的金属面内侧产生了无穷无尽的电涡流，根据物理电磁学原理： 带电导体在磁场中运动时会受到电磁力的作用，这些电磁力的合力，则形成了与 转子旋转方向相反的扭力。 基于这样的工作原理，把转子安装在车辆的传动系统中，让转子随着车辆的 传动系统一起旋转，则只要给定子线圈通电，转子就会受到反向电磁力的作用，从而 起到了减速的作用。它的功用在于使高速行驶的车辆得到一稳定的减速度，如车辆 在下长坡时，车辆前方有障碍物时( 高速公路收费站口、道路维修点等) 。 为了满足车辆在不同情况下对制动力大小不同的需求，在电涡流式缓速器的 操作系统中，设计t 4 个档位( 控制通电的定子线圈数量) ，分别输出2 5 、5 0 、 7 5 、1 0 0 的总制动功率。在操作控制中，既设计了手控操作，又设计了脚控全 自动操作，以便使车辆在大部分需要减速的情况下都使用缓速器，这样就大大地 提高了车辆的制动效率。 1 2 4 电涡流缓速器主要优势 1 因为电涡流缓速器是无机械摩擦，采用逐步增加制动力矩的方式，使得高 速行驶的车辆制动更平稳，安全性更好。 2 由于其独立于原制动系统，可降低轮毂、轮胎的温度，下降幅度可达3 0 4 0 ，轮毂、轮胎寿命可延长3 倍以上。 3 使用缓速器可增加制动力，制动的反应时间更短，紧急制动的距离缩短。 4 良好的控制性能，可以选择手控、脚控、手脚并控等操纵方式，符合中国 客车驾驶员的驾驶习惯。 5 良好的散热性能，电涡流缓速器中空的设计和动力通风系统，巧妙地将缓 速器的转子与通风功能相适应，进行自散热操作，并备有高温报警系统。 6 与电控相结合，通过客车电控信号综合总线系统与电控发动机、电控变速 器、车桥、a b s 等相结合，实现整车的协调控制。 7 较高的低速制动扭矩性能，与液力缓速器相比，在低速状态下通过电涡流 原理，产生较大的制动扭矩。 2 8 电涡流缓速器万一损坏，可以将缓速器拆下，并将传动轴联上，车辆仍可 以继续工作，而不影响正常的使用。 9 由于制动片在摩擦过程中会产生很多粉尘，粉尘中含有因高温作用而发生 变异的有害物质，甚至含有致癌物质；而且，制动器的频繁维修会产生较多的维修废 弃物以及制动过程中的噪音，这些都对环境造成污染。电涡流缓速器能够承担车轮 制动器大部分的负荷。因而也就能大大减少车轮制动器对环境带来的影响。 它还能降低制动器的热衰退现象：解决了制动侧滑跑偏问题：避免了轮胎裂 爆的行车安全隐患；消除了汽车制动的尖锐噪声，适合安装在各种中、重型载货 汽车及中、大型客车上。用在新型大客车上的一种减速装置在各种车展上引起业 内人士的注意。 1 3 中国的电涡流缓速器现状和本试验台产生的迫切性 随着社会的进步，越来越多的高尖端科技将逐渐被应用于现代交通上，而缓 速器作为一种辅助刹车系统的先进技术应用于大客车，并且可与在全球市场深受 信赖的a b s ( 制动防抱) 系统兼容，其诸多优点证明，缓速器今后将成为长途客车 和公交车上必备安全装置。 就当前来说，电涡流缓速器还多用在高档客车，但可以预见，随着进口关税 的逐年下降和进口电涡流缓速器价格的进一步降低，以及国产电涡流缓速器质量 的提高，电涡流缓速器的使用将逐渐从高档客车向中档客车过渡，并在中档客车 中普及，中高档客车行车制动的安全性将会大大提高。 缓速器是提高客车安全制动的有效装置，在欧洲，客车安装缓速器已有3 0 多 年的历史，大客车上使用已极为普遍，技术也相对成熟，产品更新换代迅速。而 在我国，近几年部分高档大客车才开始安装使用缓速器，并且大多是进口产品， 只有极少部分使用的是国内开发研制的新产品。 我国已开始执行的交通部最新发布的营运客车类型划分及等级评定标准 中规定，高二级以上的客车必须安装制动缓速装置。在调研客车生产企业时发现， 高档客车几乎都已安装了电涡流缓速器，像上海申沃客车、郑州宇通客车、东风 日产柴客车底盘、厦门金龙等使用的进口产品，大多都是法国泰乐马和西班牙的 弗雷纳萨电涡流缓速器，国产的只有深圳特尔佳缓速器。进口缓速器质量比较稳 定，但是价格相对略高。我国一些企业也正在开发研制此项技术，但是不成规模、 批量生产的并不多。 日前，我国大客车在推广使用电涡流缓速器过程中，出现了国外一些技术落 后的产品以次充好，扰乱客车安全产品市场现象，影响了我国客车业的健康发展。 在调研中也发现，国外不同的电涡流缓速器产品从体积、重量和技术含量等方面 是有较大差距的，不是所有国外产品都是当今世界上最先进、最流行的产品，有 些在欧洲即将要停产或已停产，由于国外技术更新较快，许多落后产品滞销，生 产线闲置。由于国内近几年对电涡流缓速器需求量较大，国外一些商家看好这一 商机，将价格相对较低且做工粗糙、体积大、较笨重的在国外已很少应用甚至已 淘汰的落后产品带入，销售给中国市场。由于国内客车企业对电涡流缓速器产品 了解很少，选购时往往会带有盲目性。有的产品虽说也可达到制动缓速效果，但 在技术、质量等方面都会有欠佳的地方。 汽车工业是我国重点发展的支柱性产业，但同工业发达国家相比，我国还存 在很大的差距。其中一些小部件，国外己非常成熟而在我国还是空白，这里蕴藏 着无数的商机，电涡流缓速器便是其一。 为了研究电涡流缓速器的性能，为定型试验获得充分的依据，同时也为了在 生产过程中实现质量控制，研制汽车电涡流缓速器综合性能试验台是必需的。 1 4 试验台研究的内容 试验台研究的主要内容分为两部分：试验台方案设计研究和测控研究。试验 台方案设计研究为飞轮组的优化设计与双电机硬轴联接分析及总体设计分析。测 控研究为控制部分和测试部分分析。本文对汽车制动过程进行分析，确定了要正 确模拟汽车制动过程惯性力所需的各转动部分的转动惯量，提出了用飞轮组、电 机和转动轴共同模拟的多分流加载方法。双电机拖动有效地解决了试验台功率大 的特点。控制系统主要是对电机的速度控制和同步控制。测试系统实现对电涡流 缓速器各技术参数的测试。 1 4 1 电涡流测试项目 电涡流缓速器专项试验主要是测试它的最大扭矩特性、温度特性、阻力特性、 下长坡对比试验及可靠性调查。 1 最大扭矩特性分析：实验车在使用电涡流缓速器后，汽车的滑行加速度和 滑行阻力在不同初速度的变化。滑行阻力、加速度和平均速度是否有明显变化， 从而得出缓速器制动的效果。 2 温度特性：以一定速度连续使用缓速器制动后测得定子温度、前后转子温 度状况来判别缓速器的优越性。 3 阻力特性：缓速器阻力随时间的变化状况。 1 4 2 试验台理论成果 1 转动惯量理论：本文围绕着机械惯性量g d 2 的基本理论并结合试验台本身结 构特性，进行各方面的分析。在分析中，先根据汽车的实际状况及本身因素得出 合理的转动惯量，它与试验台产生的转动惯量相一致。从而可以确定电动机需要 的转动惯量，其中涉及一些等价惯性量的问题。 2 转矩理论：本文对将转矩分析跟惯性量结合起来，即将转动惯量转变为一定 的转矩。得出制动器和电机的转矩。从而可以选择合适的类型。 3 飞轮组合理论：为避免惯性系统中飞轮数目多、单个飞轮质量太大等不合理 设计，采用优化设计方法，简化飞轮轴结构，使单个飞轮质量分布合理、通用性好， 以利于飞轮、飞轮轴及联轴器的装配和调试。飞轮的合理组合可以模拟各种汽车 状态下的转动惯量。本文根据实际情况具体分析了飞轮组的优化组合。根据质量 相近的车型分析相应的转动惯量，从而得出合理的飞轮布局。 4 控制理论：为了有效的控制电动机正常运行，设置了控制柜。涉及一些电路 问题，如桥整流电路、相位控制电路、反馈部分等。软件系统采用模块化设计， 如参数输入、信号检测及转换、查询、中断、显示等。通过控制系统有效解决了 电机同步启动和速度控制。 5 测试理论：在缓速器的测试中，提出了数字量信号和模拟量信号的分析，涉 及单片机的一些应用分析。测试中将模拟信号通过a d 转换后再通过计算机处理， 数字信号通过单片机计数器处理。它能有效地对缓速器进行温度和转矩测试。 6 抗干扰理论：为了防止程序出现死循环，实验台采取了一些抗干扰措施。 除此之外，在对试验台设计和选用零件中也进行一定理论分析。 4 1 4 3 关键技术的应用 1 双电机串联技术：两台机械特性相同的直流电动机硬轴联结在国内使用不 多，但它具有一定的优点。本文从电机的选用出发，分析串联的优势。同时为了 使其正常工作，本试验台采用了两组调速控制柜。 2 轮组优化技术：飞轮组凭借其自身特点有效模拟汽车的转动惯量，同时满足 不同汽车的状态。它涉及飞轮质量的分配、个数的选取及安装等一系列要解决的 问题。 一 3 抗干扰技术：试验台现场存在许多电磁，从而导致各种各样的干扰因素。 因此应用了看门狗技术和软件拦截技术及其它软件措施，同时运用压敏电阻等硬 件措施。 1 5 试验台开发的意义 虽然实车试验是检测缓速器的有效方法，但在实际应用中受到了一定的限制， 这是因为实车试验存在以下问题： 1 由于制动工况的复杂多样性，决定了在路面实车试验必须针对各种不同工况 分别进行试验，这包括不同的路面条件、不同的车辆载荷及不同的行驶条件等， 试验周期较长。尤其是所需专用试验场地，造价非常昂贵，使得进行全面试验评 价的成本很高。 2 实车试验中，影响试验效果的因素较多并难以把握，所以试验参数的可控性 及一致性差，这导致试验结果的重复性差。 3 某些工况的危险大，可能影响人身安全。 考虑到以上几方面的因素，开发一个试验台具有重要的意义： 1 可以对控制参数的调整进行快速试验。 2 可以进行整车匹配试验及实车道路试验前的参数预估。 3 可以节约大量的时间及费用。 4 本试验台有效地将机和电结合起来，运用了各种关键技术和理论分析，为以 后进一步开发提供一定的基础。 1 6 文章结构 本文从绪论出发，总体介绍电涡流缓速器的特性及试验台开发所涉及的一些 理论和关键技术。第二章分析飞轮组优化设计，分析飞轮及其它运动体共同模拟 汽车的转动惯量。并提出飞轮组的设计。第三章分析双电机的应用，具体分析直 流调速电机的特点及一些要解决的问题，如同步控制。第四章对试验台进行整体 设计，具体介绍各部分的选取、设计和计算。第六、七章分析测试控制部分，设 计电路、传感器问题。最后对本文进行总结和展望。文章结构如下图： 图1 1 文章结构图 6 第二章组合飞轮在实验台上的研究与应用 【摘要 在实际汽车行驶中，是以车轮的速度变化作为控制参数。由于汽车制动时 车身具有巨大的平动惯性力，使汽车需要一定时间才能达到静止状态。所以本实 验台设置组合飞轮模拟3 0 吨以下的各种车辆的惯量。飞轮转速很高( 轮边线速度 达到1 6 0 r r g s 以上) 以增加整体的转动惯量。本章对组合飞轮加以具体分析研究，以 模拟不同车型对转动惯量的要求。从介绍飞轮功能分析出发，分析飞轮的多分流 加载法，并具体研究飞轮转动惯量以确定组合飞轮的优化组合，最后对飞轮加以 设计，指出其实现形式和检测方法。 2 1 引言 缓速器是保证车辆安全行驶的重要装置。实验台的目的是为了模拟各种车辆的 转动惯量。本实验台采用几个飞轮的自由组合，模拟各种转动惯量。如何得到车 辆的转动惯量? 如何实现飞轮的合理韵组合设计来满足不同车型对转动惯量的要 求? 如何使飞轮和主轴转动与飞轮固定的状态相互切换? 如何防止主轴的磨损以 保证主轴的安全? 如何使飞轮的转动惯量通过主轴来传递? 这一系列问题是本实 验台要解决的问题。 2 2 研究背景 在电涡流缓速器实验台的设计中，由于汽车轮子必须架空，即使车轮产生转动， 也仅仅只有车轮的转动惯性力，它与车身的平动惯性力相比是很小的。实验台对 车轮的转动施加制动时，制动时间将会比路面制动减少很多，无法正确模拟实际 车辆在路面上的制动。因此，给实验台增加惯性力，使之与实际情况相符。 缓速器是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。随着这些机 器工作速度的不断提高，对缓速器的要求越来越高。因此，迫切需要对缓速器进 行深入研究。台架试验是缓速器研究中不可缺少的重要环节，是评价缓速器能否 满足使用要求的最重要试验之一。所以，研究一种模拟性好，自动化程度高的缓速 器试验台是非常必要的。传统的惯性式试验台是利用飞轮模拟制动器的负载。这 种模拟方法存在以下问题：( 1 ) 需用很多片飞轮：试验台的体积庞大：操纵麻烦。( 2 ) 对缓速器垂直制动工况不能模拟。( 3 ) 在试验中，不能改变负载，即无法实现缓速 器工况再现。 本章针对目前存在的一些问题和现有的技术水平提出合理的飞轮组合设计。 2 3 飞轮的功能 飞轮在机器中的作用是：通过贮存多余的和补充欠缺的能量以保持机器转速 的平稳，借助飞轮转速的升降变化所贮存和放出的能量以降低动力机所需的功率。 飞轮系统的作用：储存汽车行驶时的动能实现对缓速器的功能测试，模拟汽 车行驶的惯性质量，实现汽车在多工况下的排放检测。利用其转动惯量模拟汽车 加速能力的测试；储存汽车行驶时的动能实现对滑移距离的测试。 飞轮系统是一种机电能量转换装置。它可以把电能转换成高速旋转的飞轮的 动能，并长期储藏起来。它具有输出大功率的能力、空载无损耗、可靠性高、高 效率、低造价等特点。 2 4 缓速器负载的分析 缓速器是用来降低机械速度或者使机械停止的装置。根据被制动对象的运动， 机械制动可分为两种基本类型：水平制动和垂直制动。 水平制动：被制动的对象沿水平方向运动。如车辆在水平路面上行驶时的制 动。这类制动时，制动器的负载是机械中各部分旋转、直线运动的惯性动能。 垂直制动：被制动的对象沿垂直方向运动，如提升设备的制动。这类制动时， 制动器的负载是机械中各部分旋转、直线运动的惯性动能和重力功二部分，并且 重力功部分占的比例很大。 车辆在坡道上行驶时的制动可视为水平制动和垂直制动的综合。此时制动器 的负载为惯性动能和重力功。 2 4 1 多分流加载法的模拟机理 飞轮是一种贮藏能量的机件，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载，但仅用飞轮存在一些缺点。 电机可以认为是电能与机械能相互变换的机器，在电机内部电功率与机械功 率是平衡的，功率流动的方向取决于外来的作用。因此，一台电动机在一定的外 界条件下，可以转化为发电机运行，反之亦然，即电机具有可逆性。因此，电机 可以用来模拟制动器的负载。但是，如果仅用电机将产生下列问题：( 1 ) 在欲模 拟的制动器负载较大时，模拟初期误差较大。( 2 ) 在一般情况下，初始几次的调 节量较大，被调量的波形振荡严重。 同样仅用飞轮或其它都不能模拟汽车的转动惯量。整个运动部分是连在一起 的。当制动时要使它们同时停下来。 综上所述：单独使用飞轮或者电机来模拟制动器的负载都存在缺点。为此， 本章提出了一种新的模拟方法，即利用3 片固定飞轮( 飞轮常固定于飞轮轴上，设 其转动惯量为j1 1 1 ) 、轴和电机联合模拟制动器负载的多分流加载法。下面对利 用这种新方法模拟水平制动工况和垂直制动工况制动器负载的原理进行分析。 1 水平制动工况 在制动过程中，制动器吸收的能量可由下式表示： e = 工2 t b c o d t ( 2 - 1 ) 式中7 l 。制动力矩：f l 制动开始时刻：w 制动轴的角速度：t 2 制动结束时刻制动力矩。 死=s，d出o,(2-2) 将式( 2 2 ) 代入到式( 2 1 ) 可得 肚i 2 s 矿白；一i ! ) 。( 2 - 3 ) 式中以换算到飞轮轴上的等效转动惯量： 叻制动开始时制动轴的角速度： 8 ：制动结束时制动轴的角速度。 在传统的惯性式制动器试验台上，为了满足( 2 3 ) 式，以是由试验台上的 飞轮片组合得到的。 在利用多分流加载法加载时，j v 是由飞轮、轴和电机共同 模拟产生的，其中固定飞轮和轴的转动惯量为常数j 脚，需电机模拟的转动惯量为 j s = ，一厶。这样，在制动试验过程中电机要输出一个附加力矩l ( 此即意味 着电机在制动试验过程中不断电) 。瓦要满足以下两个条件： ( 1 ) l 与l 的共同作用后，能保证供给制动器正确数量的能量。( 2 ) l 能保证按与( 2 一1 ) 式一致的时间函数关系供给制动器所应吸收的部分能量。根据 ( 2 - 2 ) 式，模拟大小为以的转动惯量时，电机应输出的力矩为： tt=js冬(2-4) 如果直接用( 2 - 4 ) 式进行转动惯量模拟，有以下两个缺点：( 1 ) 为了得到 掣，对从制动器试验台上来的速度信号要进行微分计算。( 2 ) 由于要用_ d o ) ， a ta t 所以，模拟回路是一个反馈系统容易产生不稳定。 由于在制动器试验台上，制动力矩能非常准确的测出，所以可用t b 来形成 瓦。将( 4 2 ) 与( 4 4 ) 两式相除并整理得： l = j ，st 8 ，v ( 2 - 5 ) 因此，在制动试验过程中，控制电机使其输出力矩l = 等死，即可实现对水平 山 制动工况时制动器负载的模拟。 2 垂直制动工况 在垂直制动工况时，制动器的负载除惯性动能外，还有重力功，制动轴上的 力矩平衡方程式为： 瓦一巧= 以譬 ( 2 6 ) 式中斯重力力矩 在传统的惯性式制动器试验台上无法对重力功或者重力力矩进行模拟。在多 分流加载法加载中，利用电机对其模拟。因此，在对垂直制动工况用制动器的制 动试验中，需电机输出的力矩为： 砭= + 以譬 ( 2 7 ) 9 将( 2 - 7 ) 与( 2 - 6 ) 合并可得 珐= 专+ 每巧 ( 2 8 ) 即在制动试验过程中，控制电机使其输出力矩= 以d _ 生st 占+ 生j v7 w 就一实现对 垂直制动工况时制动器负载的模拟。 2 5 飞轮转动惯量的确定 飞轮设计的核心问题是计算飞轮的转动惯量。计算飞轮转动惯量的途径是求解 描述机械系统运动过程的动力学方程。对刚性构件组成的机械系统而言，其运动 方程式集中地表达了外力、构件质量( 包括飞轮的转动惯量) 和构件运动之间的关 系。因而飞轮设计的内容之一就是根据己知外力、给定的速度变化要求和构件质 量计算出飞轮应有的转动惯量。 转动惯量设计的前提是不考虑汽车传动系效率，待惯性系统改造完毕后用反 拖试验法分别求出不同车型的传动系效率。大量试验后确定传动系效率的均值， 然后应用于惯性飞轮组的选择匹配过程中，实现惯性飞轮系统与车辆平移质量的 精确拟合：进一步可进行风阻系数、爬坡度等的拟合，可实现惯性系统与道路试 验的精确拟合。 制动时，汽车的动能包括汽车平移质量运动的动能和旋转机件旋转时所贮藏 的动能两部分。惯性式制动器采用旋转的惯性飞轮模拟汽车的这两部的动能，并 略去了非制动器的制动作用来进行制动器总成试验。台架试验中，要使被试制动 器总成与装在汽车上的制动器总成的工作状态相同，工作负荷相同。 汽车的每个可动构件的质量都影响着它的运动。现有两类不同的方法来表达这 种影响。一种方法是将构件质量对运动的影响表现为惯性力，将构件的惯性力视 作机械系统的外力，并纳入平衡计算之中。但是，想准确地计算出构件的惯性力， 必须已知构件的真实运动速度和加速度，而在设计飞轮时，机械系统的真实运动 常常是未能确定的。在此情况下，只能计算出惯性力的近似值。另一种方法是将 各构件质量的作用以等效质量或等效转动惯量的形式引入机械系统的运动方程 式。 。 在计算飞轮的转动惯量时，还应当知道对机械系统运动速度波动的要求和限 制。这种限制通常用速度不均匀系数的形式给出。速度不均匀系数 万：竺型二竺堂 ( 2 9 ) 式中国帐、缈m 蛔和国用分别为等效构件在稳定运转阶段中一个循环内的最大角 速度、最小角速度和平均角速度。平均角速度国，的值可近似地等于最大角速度与 最小角速度之和的半值，即 = 圭( 彩一+ ) ， ( 2 1 0 ) 严格地讲，稳速、蓄能和平衡外力矩波动三种功能可以同时体现在飞轮上， 1 0 不能截然区分。本实验台设计的飞轮应当以其蓄能功能为主，稳速中以一定转动 惯量运动。 下面分别对汽车参数和附着系数的分析来求出飞轮的转动惯量。 2 5 1 汽车参数的影响 从实际状况分析汽车的转动惯量。下面为汽车简图： 汽车悬架是车架与车桥之间的动力连接装置，在结构上可分为非独立悬架和 独立悬架两大类。独立悬架的特点是每一侧的车轮单独通过弹性元件悬挂在车架 的下面。 设计汽车悬架时，常将汽车质量分成簧载质量和非簧载质量两部分。悬架支 承的汽车质量为簧载质量，它对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有很大影响，是 一个很重要的汽车参数：非簧载质量也与汽车的行驶品质有关，一般地，非簧载 质量愈小，悬架所受到的冲击载荷也愈小，有利于提高汽车的平均行驶速度。对 于独立悬架的汽车，簧载质量除了包括车架及与之固联的主减速器、差速器等零 部件的质量外，还包括悬架系统中一部分零件的部分质量。本文从这两方面去分 析。 图2 1 给出了车的重心位置，并建立运动方程。 首先，设 左右轮 子制动 力相等， 从而将 立体分 析转变 到平面 分析。令 车行使 的方向 为x 轴， 垂直于 路面向 上的为y 轴。 耐= c 彬= c l 咖= m 则可得出以下公式 1 悬挂质量运动方程 图2 - 1 车辆尺寸 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 令车的质量为m ，重心位置由图所示 图2 2 受力分析 硝= - m g s i n c t + f j l + 足2 一昂 0 = e l + 耳2 一m g c o s a + e 图2 3 前轮上的力与力矩 0 = 一( m 矽l + m 矿2 ) 一目1 口+ e 2 b 一( 只l + 只2 ) ( h - r ) 一m ， ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中乃为空气阻力，五为空气升力。 如果把这两个力移到车身重心上，有一个绕过重心横轴的空气力 m r ，m 。和m ：是车轮制动时的反力矩，毋，毋：为悬架对悬挂质量的垂直作用力， r 。，f x ：为悬挂质量对前后轮水平作用力。a 为坡度角，r 为前后轮半径。 2 前、后非悬挂质量方程 m 。f 舅= f x , 一，一m 训g s i n a ( 2 - 1 7 ) 0 = r 一咒一柳州g c o s a 1 w i 咖= m 叭一f x i r f y i e i ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 式中：轮子重量为m 圳g ，m 聊为制动力矩，q 为轮子拖距，f x , 为地面对轮 子的x 轴向作用力，兄为轴荷，方为车轮角加速度，乇为轮子的转动惯量，i ( i _ 1 或2 ) 表示前后轮。 3 轴荷的分析： 由公式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可得 耳。，= 一( 彳矿l + m 矽2 ) + m g b c o s a 一吒6 一( j 嘭1 + 巧：勋一，) 一m ，( 2 2 0 ) 由公式( 2 1 9 ) 可得将( m 矿l + m 矽2 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，剐 1 2 b l ，= m g b c o s a 一丘6 一l + 最2 x h r ) - f ，l 口l 一毋2 e 2 一岛l 方一 ，) 1 、 1 w 2 q 舀一jf x ，一f x ，一mr 、 再将式( 2 1 4 ) 代入( 2 2 1 ) 可得： 日l ，= m g b c o s c e 一瓦6 一( e l + ，：) ( - r ) - e 。已，一毋2 p 2 一j 矽。方一，：多一 【( 坍，i + ，押。2 ) j f + ( e i + ，；2 ) + 似，i g + m 。2 9 ) s i n a 一m ， ( 2 - 2 2 ) 再将( 2 1 8 ) 和( 2 2 2 ) 式联立可得出 e l ，= 如州g l + m g b ) c o s a 一胁十，l g + m 。2 9 ) r s i n a r 6 一f w h - i 缈l 一1 w 2 一 m g h + ( m 。l g + m 。2 9 ) r 】j f g m r 后轴轴荷公式为： 4 2 = m g + m 。1 9 + m ，2 9 一毋l ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 如果考虑路面制动是一种理想情况，而忽略风的阻力。剐由式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可得前后轴的载荷为 耳l = 朋。i g + ”喀6 ，一，1 痧，一i i ，2 7 1 1 一 m g h + ( m 。l g + 聊。2 9 】j f g ，( 2 2 5 ) 耳2 = m g + m 。2 9 m g b l + 岛l 矽l + 1 w 2 l - i - m g h + 似，l g + m 。2 9 ) r 】j f g l ( 2 - 2 6 ) 2 5 2 附着系数的影响 地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，它取决于车轮制动器产生的制动 力和地面之间的摩擦力，即附着力。根据理论和试验表明，在汽车制动过程中， 车轮与地面的附着情况有很大变化的。该过程与汽车速度和车轮速度之间的速度 有密切的关系。 本文分析理想的前后轮制动的工况，即前后轮同时抱死。其条件是在任何附着 系数的路面上，前后制动力之和等于附着力，并且前后轮制动力分别等于各自的 附着力。则 巴l + 吒2 = 孵 ( 2 2 7 ) 而此时的加速度为戈= 鳄 ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 2 5 3 前后轮惯量 前面分析得到：当汽车开始制动时，其速度惯量通过主轴转换为转动惯量。在 得到缓速器的工作状态后，我们只要给主轴一个转动惯量后，就可以模拟汽车的 行使状况。在这里为了给主轴一定的转速，可以在主轴上加电机来驱动其转动。 在考虑到重量惯性时，考虑了动力的传递情况，用飞轮加在主轴上和其一起转动 来得到转动惯量。 由