黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 在汽車制動過程中提高操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向控制能力的主動安全裝置。 筒式慣性檢測實驗臺是檢測汽車 統(tǒng)性能的實驗臺，它可以替代路測，實現(xiàn) 試系統(tǒng)在室內(nèi)測試的要求。滾筒式慣性檢測實驗臺主要有三部分組成，電機驅(qū)動部分、滾筒轉(zhuǎn)鼓部分、飛輪組部分，本文主要針對其各部分的結(jié)構(gòu)進行設計的。 本文介紹了 統(tǒng)滾筒式慣性檢測實驗臺主要部件的設計方法及設計過程。論述了 統(tǒng)的工作原理，分析了現(xiàn)在存在的各種汽車性能檢測實驗臺，確定了總體設計方案及各部分零件的型號的選取。本文 統(tǒng)滾筒式慣性檢測實驗臺 采用滾筒帶動車輪轉(zhuǎn)動，同時根據(jù)車輪的尺寸及汽車的重量分析設計滾筒的結(jié)構(gòu)及尺寸。 要采用飛輪模擬汽車在道路上行駛的慣量，根據(jù)模擬的原理對飛輪進行分析計算，確定飛輪的數(shù)量及結(jié)構(gòu)尺寸，并且對實驗臺進行一定的校核 。最后使用 行平面制圖。 關(guān)鍵詞 ： 統(tǒng)；飛輪；滾筒 ；實驗臺；轉(zhuǎn)動慣量 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 BS in of is is BS it BS in is up of at of BS of of of BS of of of BS on of of in to of of is to of of BS 龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 錄 摘要 . I . 1 章 緒 論 . 4 述 . 4 車 統(tǒng)概述 . 4 能檢測試驗臺的原理 . 5 能檢測試驗臺設計的要求 . 5 能檢測試驗臺設計方案的確定 . 6 能檢測試驗臺整體方案的確定 . 6 筒方案的確定 . 8 輪方案的確定 . 8 章小結(jié) . 8 第 2 章 實驗臺部件的選擇 . 9 機的選擇 . 9 機功率的計算 . 9 動元器件的選擇 . 9 軸器的選擇 . 10 承的選擇 . 11 承載荷的計算 . 11 承型號的選擇 . 12 章小結(jié) . 12 第 3 章 滾筒設計 . 13 述 . 13 筒結(jié)構(gòu)分析 . 13 筒尺寸的選擇 . 14 章小結(jié) . 16 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 章 飛輪設計 . 17 述 . 17 輪轉(zhuǎn)動慣量分析 . 17 輪結(jié)構(gòu)分析 . 18 輪計算 . 19 章小結(jié) . 21 第 5 章 總體設計與校核 . 22 述 . 22 體結(jié)構(gòu)設計 . 22 筒軸校核 . 23 輪軸校核 . 25 章小結(jié) . 25 結(jié) 論 . 26 參考文獻 . 27 致 謝 . 29 附 錄 . 30 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 第 1 章 緒 論 述 車 統(tǒng)概述 隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及高速公路、高等級公路的大規(guī)模建設，車輛密集化和車輛高速化對車輛的安全性能提出了更高要求。汽車制動防抱死系統(tǒng) 是為適應這一要求迅速發(fā)展起來的。 能的好壞直接影響到行車的安全。 統(tǒng)的基本工作原理是：由安裝在車輪附近的測速傳感器在車輛制動時測量出車輪的瞬間轉(zhuǎn)速 (輪速 )，計算出此時車輪角減速度和車輛的行駛速度 (車速 )，并依據(jù)瞬時車速與輪速計算出車輛的滑移率，控制器依據(jù)一定的數(shù)學模型操縱壓力調(diào)節(jié)器調(diào)整制動管路中的制動液壓力，改變制動器的制動力，使車輪的滑移率保持在一定水平上 (約為 20% )， 此時制動器的制動力趨近地面制動力最大值，車輪處于半抱半滾的狀態(tài) , 此時車輛的制動方向穩(wěn)定性較好，車輛的制動性能處在最佳的狀態(tài)下。因此防抱死系統(tǒng) 是控制汽車滑移率的控制系統(tǒng)，滑移率 s 是一個能表征制動效能和可以測算的量，滑移率計算公式為： 1v（ 中： 1車輪轉(zhuǎn)速與車輪半徑的乘積。 車輪與道路之間能傳遞的力稱為道路附著力 F， F與車輪正壓力之比稱為附著系數(shù)： （ 道路附著系數(shù)受道路、車輪材料結(jié)構(gòu)和接觸狀況影響。道路附著系數(shù)與制動時車黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 輪滑移率的關(guān)系曲線如圖 1 所示。 圖 由圖 以看出滑移率 s 在 15%20%時，汽車的制動性能最好，因此 統(tǒng)的功能就是保證滑移率在 15%20%這個范圍內(nèi)。 能檢測試驗臺的原理 判斷 沒有發(fā)揮作用的關(guān)鍵指標就是制動時的滑移率。因此，我們把試驗臺對 能測試的主要指標定為測試制動時車輪的滑移率。根據(jù)式 (1移率主要由車速與輪速計算得到的，因此實驗臺測試時，主要測試汽車制動時車輪的轉(zhuǎn)速與汽車的行駛速度，再根據(jù)式 (1算出滑移率是否達到 15%20%這個范圍內(nèi)，就可以測得 統(tǒng)的性能是否達到要求，這就是 能檢測實驗臺的基本工作原理，其具體的結(jié)構(gòu)就是這次研究主要設計的內(nèi)容。 能檢測試驗臺設計的要求 能檢測實驗臺的設計要求是： （ 1）設計汽車 動性能檢測試驗臺，具體設計試驗臺的機械部分。主要包括驅(qū)動電機、聯(lián)軸器及滾筒軸承的選取，增速器、滾筒的設計； （ 2）根據(jù)被測汽車的質(zhì)量范圍，計算設計能夠模擬這些質(zhì)量范圍內(nèi)的汽車的轉(zhuǎn)動慣量進行 能測試； （ 3）具有足夠的強度和剛度，通過驅(qū)動電機驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，帶動滾筒上的待檢車輛達到檢測速度，然后通過車輛的 滾筒進行制動，通過檢測 系統(tǒng)對 性能進行檢測； （ 4）使用方便，測量精度高，控制操作便捷，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修，調(diào)整方便。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 能檢測試驗臺設計方案的確定 能檢測試驗臺整體方案的確定 由于汽車的制動性能對車輛運行的安全性起著至關(guān)重要的作用。隨著汽車安全檢測設備的應用和發(fā)展，普遍采用制動試驗臺檢測制動力來評價汽車的制動性，可以根據(jù)這些制動力檢測試驗臺結(jié)構(gòu)的分析來確定 能檢測實驗臺的方案。 （ 1）滾筒反力式制動力檢測臺 滾筒反力式制動力檢測臺是最普通的檢測設備，如圖 示。我國使用 的滾筒反力式制動檢測臺有兩大類，其一是引進日本彌榮公司、日產(chǎn)公司的；其二是引入西歐國家的。它們都是由電機通過傳動裝置驅(qū)動滾筒，滾筒帶動車輪，并在汽車制動時，利用測力杠桿將制動力傳給測力傳感器。為增大車輪與滾筒間的附著系數(shù)，通常采用在滾筒表面刻槽或粘砂的辦法。 滾筒反力式制動力檢測臺的缺點是驅(qū)動轉(zhuǎn)速較低，滾筒表面的線速度一般為 5km/法測到汽車在高速情況下的制動性能。 圖 筒反力式制動力檢測臺示意圖 （ 2）平板式制動力檢測臺 平板式制動力檢測臺，如圖 示，它由測試平板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成，集側(cè)滑、懸架效能、軸中、制動性能測試為一體的汽車檢測設備。測試平板共 6 塊：前端左、右兩塊為制動平板，用于測量沿汽車行駛方向平板作用于輪胎的制動力；后端兩塊，一塊為側(cè)滑板，用于測量汽車的側(cè)滑，一塊為空板（不起測試作用）。從原理上來看，平板式制動實驗臺是主動、動態(tài)的檢測，它是汽車行駛制動狀態(tài)下進行檢測的，檢測時，被檢車輛以 510km/h 的車速駛上測試平板上，操作員根據(jù)現(xiàn)實信號踩下制動踏板，使車輛在測試平板上制動直至停車。于此同時，數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)采集制動過程中的全部數(shù)據(jù)，并作分析處理，然后把自動性能的測試結(jié)果顯示出來。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 3、 軸荷 圖 板式制動力檢測臺示意圖 滾筒反力式和平板式制動力檢測臺是我國目前最常用的評價汽車制動性能的檢測設備，而 作用的車速一般在 10km/h 以上，也就是說車低于 10km/h 的速度時，統(tǒng)將停止作用，以上兩種檢測臺都是工作在 10km/h 以下的，因此要用于 這里就要采用一種滾筒式慣性檢測實驗臺，其主要的工作 部分如圖 示，主要有三部分組成，電機驅(qū)動部分、滾筒轉(zhuǎn)鼓部分、飛輪組部分，其基本的工作原理如下： 當電機帶動轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動時，滾筒相當于一個滾動的路面，同時滾筒上面的車輪也隨之轉(zhuǎn)動，汽車相當于在路面上行駛，滾筒和飛輪組的慣性質(zhì)量與受檢汽車的慣性質(zhì)量相當，由于受檢汽車型號不同，質(zhì)量各異，所以要通過選擇不同的飛輪組合來進行匹配，因此滾筒傳動系統(tǒng)具有相當于汽車在道路上行駛的慣量。在汽車車輪轉(zhuǎn)動起來后，啟動離合器，使電機與實驗臺脫離，汽車采取制動，制動時輪胎對于滾動路面產(chǎn)生阻力，但由于滾筒傳動系統(tǒng)具有一定的慣性，因而 滾動路面將相對于車輪轉(zhuǎn)過一定距離，該距離相當于汽車在道路試驗時的制動距離，以此可以模擬道路制動時的情況。 圖 筒式慣性實驗臺組成 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 筒方案的確定 滾筒式慣性檢測實驗臺主要是由 8個滾筒組成，每兩個滾筒支撐汽車的一個輪胎，其中一個滾筒用于傳遞運動，另一個滾筒用于輔助支撐的作用，并且在實驗時可以用于測量車輪的實時轉(zhuǎn)速。 根據(jù)滾筒反力式制動力檢測臺中的情況，為增大車輪與滾筒間的附著系數(shù)，通常采用在滾筒表面刻槽或粘砂的辦法，因此這里采用刻槽的方法增加表面的附著系數(shù)。滾筒的尺寸的設計主要根據(jù)汽車輪胎的尺寸進行具體設計。 輪方案的確定 飛輪組主要是又來模擬汽車在道路上行駛時的轉(zhuǎn)動慣量，其轉(zhuǎn)動慣量的大小直接與汽車的質(zhì)量相關(guān)，飛輪組的安裝要使這個實驗臺上汽車運動的動能與汽車行駛在道路上的動能相當，飛輪組的尺寸要根據(jù)汽車質(zhì)量范圍來確定。 章小結(jié) 本章首先進行了汽車 統(tǒng)的概述，根據(jù) 統(tǒng)的工作原理對 工作原理進行分析，并且提出設計過程中的主要要求。通過對現(xiàn)在常用的制動力檢測臺（滾筒反力式制動力檢測臺和平板式制動力檢測臺）的分析確定滾筒式慣性檢測實驗臺的設計方案，并且根據(jù)實驗臺的方案確定滾筒以及飛輪的設計方案。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 第 2 章 實驗臺部件的選擇 機的選擇 機功率的計算 由于 統(tǒng)在汽車速度達到 10km/h 時才會工作，因此實驗臺提供的轉(zhuǎn)速必須使車輪的線速度達到 10km/h。這里設汽車的速度是 60km/h，由于汽車車輪的線速度與滾筒的線速度相同，則實驗臺運轉(zhuǎn)工作時，滾筒的線速度為 60km/h。由于車輪的直徑一般在 600700里先設滾筒的直徑為 300滾筒的轉(zhuǎn)速根據(jù) 2v 可以計算出， 530r / m ，由于實驗臺的工作轉(zhuǎn)矩比較大，設轉(zhuǎn)矩為 40 9 5 5 0 3 5 0 4 0 / 9 5 5 0 2 . 2 k n ，電機的選擇要根據(jù)以上數(shù)據(jù)選擇。 動元器件的選擇 根據(jù)計算出來的電機的功率，以及需要達到的轉(zhuǎn)速選擇電機。這里選用松下伺服電機。松下伺服電機具有高性能的實時自動調(diào)整增益，它可以根據(jù)負載慣量的變化，與自適應濾波器配合，從低剛性到高剛性都可以自動地調(diào)整增益，正好適應實驗臺不同車型時的轉(zhuǎn)動慣量，并且還具備一場速度檢測功能，可以將增益調(diào)整過程中產(chǎn)生的異常速度調(diào)整到正常，通過面板的操作可以在監(jiān)控實時調(diào)整情況的同時，進行設定和確認；松下伺服電機還具有高速高響應特性，它內(nèi)置瞬時速度觀測器，可以快速、高分辨率地檢測出電機轉(zhuǎn)速，而且能實現(xiàn)高速定位；而且松下伺服電機還具有振動抑 制控制，是一個高性能的電機，如圖 示，為松下電機。 圖 下伺服電機 松下伺服電機有多種型號，分別為超小慣量系列（ ）、小慣量系列（ 、 、 ）、中慣量系列（ 、 、 大慣量系列（ 、 ），由于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)矩較高并且轉(zhuǎn)速不大，因此黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 10 選用 伺服電機，它是一種低速大轉(zhuǎn)矩的電機，額定輸出功率為 定轉(zhuǎn)速為 1000r/大轉(zhuǎn)矩為 107足需求。 驅(qū)動部分還有一個離合器，在該設計方案中采用了磁粉離合器這一自動控制元件磁粉離合器是以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，達到控制制動或傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。其輸出轉(zhuǎn)矩與激磁電流呈良好的線性關(guān)系而與轉(zhuǎn)速或滑差無關(guān)，并具有響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。磁粉類器件所傳遞的轉(zhuǎn)矩值與激磁電流大小大致上呈線性關(guān)系。一般而言，在 5 95的額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)，激磁電流與轉(zhuǎn)矩成正比例線性關(guān)系。當激磁電流保持不變時，轉(zhuǎn)矩將會穩(wěn)定的傳遞，不受滑差的影響。因此，只要控制電流，即能控制轉(zhuǎn)矩的大小，因此可以將其用于其測量轉(zhuǎn)矩的實驗中。 軸器的選擇 聯(lián)軸器是用來實現(xiàn)軸與軸之間的連接，進行運動和動力的傳遞的。用聯(lián)軸器連接的兩軸軸線在理論上應該是嚴格對中的，但在制造、安裝和環(huán)境的影響下，也會有一定的誤差。聯(lián)軸器的類型有很多，可以劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類，剛性聯(lián)軸器要求被連接兩軸軸線嚴格對中，因為它不能補償兩軸的相對位移，常用類型有：套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器和凸緣聯(lián)軸器。 a) b) 圖 緣聯(lián)軸器 在本設計中，實驗臺要傳遞比較大的扭矩，因此應該 選用剛性聯(lián)軸器，因為剛性聯(lián)軸器的剛度比較好，能夠傳遞比較大的扭矩。常用的聯(lián)軸器主要有三種，這里選用了凸緣聯(lián)軸器，如圖 示為凸緣聯(lián)軸器。由于凸緣聯(lián)軸器屬于固定式剛性聯(lián)軸器，對所連接兩軸間的位移缺乏補償能力，故對兩軸對中性的要求很高。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳遞轉(zhuǎn)矩大，因此在固定式剛性聯(lián)軸器中應用最廣。凸緣聯(lián)軸器是把兩黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 11 個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用鍵分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。螺栓可以用半精制的普通螺栓（圖 亦可以用鉸制孔用螺栓（圖 采用普通螺栓連接時 ，聯(lián)軸器用一個半聯(lián)軸器上的凸肩與另一個半聯(lián)軸器上的凹槽相配合而對中，轉(zhuǎn)矩靠半聯(lián)軸器結(jié)合面間的摩擦力矩來傳遞。采用鉸制孔用螺栓連接時，靠鉸制孔用螺栓來實現(xiàn)兩軸對中，靠螺栓桿承受剪切及螺栓桿與孔壁承受擠壓來傳遞。本設計中主要采用第一種形式的凸緣聯(lián)軸器。由于凸緣聯(lián)軸器也是標準件，因此在選擇時，可以根據(jù)連接軸的尺寸選擇相應的型號，聯(lián)軸器具體的尺寸就可以確定了。 承的選擇 承載荷的計算 一般家用汽車的重量是 14t，在軸承載荷計算時，滾筒上軸承所承擔的載荷根據(jù)汽車的重量來計算。 由于實驗臺主要 承受的是汽車的重力，因此軸承主要承受徑向載荷，軸承的支撐相當一個簡支梁，每個滾筒上都支撐一個車輪，因此每個軸承要支撐 1/4 汽車的重量，如圖 示。 1 / 4 承支撐簡圖 因此可以計算出軸承的支撐力是 1/8 汽車的重量，汽車最大是 4t，則軸承所受到的支撐力最大為 500都是徑向力，所以軸承所受的當量靜載荷為 0查得有關(guān)資料，軸承當量動載荷與當量靜載荷的就算公式如式 (2示： F (2式中 a 軸承的徑向載荷和軸向載荷； X、 Y 動載荷徑向系數(shù)和動載荷軸向系數(shù)。 查表可得 X=1，因此當量動載荷 00 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 承型號的選擇 由于只受到徑向載荷，選用深溝球軸承就可以達到支撐的要求，軸承是標準件，根據(jù)計算出的軸承的載荷，查相關(guān)手冊，選用適當?shù)妮S承。滾筒軸選用軸承 6308，它的額定載荷為 24夠達到支撐的能力，軸承各部分尺寸，如圖 示，都可以查表得到。 圖 溝球軸承 章小結(jié) 本章主要根據(jù)實驗臺工作的需求及載荷的大小，分析計算了實驗臺的驅(qū)動電機的功率及型號；再根據(jù)聯(lián)軸器的性能以及實驗臺的工作情況，選擇了合適的聯(lián)軸器的類型；最后根據(jù)實驗臺的載荷情況，計算出軸承的承載能力，選擇了軸承的類型以及滾筒軸軸承的型號。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 第 3 章 滾筒設計 述 實驗臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動性能的測量結(jié)果有著重要的關(guān)系，只有合理選用慣性實驗臺的設計參數(shù)，才能提高實驗臺測試的準確性和可靠性。滾筒是實驗臺中直接與車輪相接觸的部件，因此滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計與實驗的準確性十分重要。滾筒的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)汽車車輪的尺寸以及汽 車的重量，設計合理的滾筒尺寸和形式，使得實驗臺工作更加的穩(wěn)定。 由于滾筒要帶動汽車輪胎轉(zhuǎn)動，因此滾筒的結(jié)構(gòu)設計要保證輪胎可以隨著滾筒一同轉(zhuǎn)動，一般選擇在滾筒上粘砂或者刻槽的方式來增加滾筒與輪胎的摩擦系數(shù)，使得滾筒和輪胎有著更好的同步性。 筒結(jié)構(gòu)分析 滾筒結(jié)構(gòu)的正確選擇直接影響著實驗臺的工作效率和性能，因此滾筒機構(gòu)分析至關(guān)重要。為了減小滾筒的重量及轉(zhuǎn)動慣量，選擇采用薄壁筒形結(jié)構(gòu)，采用圓板支撐，為減少滾筒的轉(zhuǎn)動慣量只采用兩個圓板支撐。具體結(jié)構(gòu)形式如圖 示。 圖 筒結(jié)構(gòu)圖 汽車在實驗臺 上測試時，車輪與滾筒的接觸面積小于車輪與地面的接觸面積，且比壓增大，因其滾動阻力增加，附著系數(shù) 值下降。因此只有提高車輪與滾筒見得附著系數(shù)，才能在滾筒實驗臺上較真實的再現(xiàn)汽車在路面上的制動狀況。但 的提高受到滾筒表層結(jié)構(gòu)和材料的限制。目前采用較多的是表面帶有溝槽的鋼制滾筒，其表面黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 14 附著系數(shù)在 間，結(jié)構(gòu)如圖 示。 筒尺寸的選擇 實驗臺中滾筒的中心距一般是不可調(diào)試的。因此減小滾筒直徑，可使車輪在實驗臺上的安置角增大，增加實驗臺的穩(wěn)定性，提高車輪與滾筒間的附著力，節(jié)省驅(qū)動電機的功率。但滾 筒直徑也不能太小，否則車輪的滾動損耗將明顯增加，一般低速實驗臺時，選取較小的滾筒直徑，一般為 100是本實驗臺要達到 10km/h 以上的速度，因此選用的滾筒直徑為 300輪的寬度一般為 200此滾筒的長度選擇為 500 要對滾筒的尺寸進行設計，首先要對實驗臺的制動過程有深入的了解，才能分析車輪與滾筒的受力情況，根據(jù)受力情況設計合理的滾筒尺寸。檢測制動時會出現(xiàn)以下幾種情況：（ 1）未制動時，車輪被滾筒驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，儀表顯示的是該輪阻滯力，阻滯力應不大于該軸荷的 8%。（ 2）完全制動（制動踏板踏到底）時，被檢車輛隨滾筒轉(zhuǎn)動，若指示裝置顯示的制動力很小，達不到標準要求，制動性能不好，則 統(tǒng)不合格，汽車也不合格。（ 3）完全制動時，被檢車輪在滾筒上略有轉(zhuǎn)動，檢測出來的滑移率達到要求。（ 4）完全制動時，被檢車輪開始脫離前滾筒，后移至主動滾筒一側(cè)，車輪在滾筒上打滑，這時是最大制動力，如果繼續(xù)下去，整車出現(xiàn)后移爬輪現(xiàn)象，實驗將無法進行，嚴重影響了汽車的檢測情況。因此在滾筒設計是，根據(jù)制動力最大的情況設計滾筒，以免出現(xiàn)實驗無法進行的情況。 車輪在實驗臺上測試時的受力情況如圖 3示 ，分析時忽略了非測試車輪約束反力的影響，并假設測試車輪為剛性。車輪制動時，車輪受到制動器制動力矩 作用（ G 為車輪所受的載荷， 1N、 2為前后滾筒對車輪的法向反力）產(chǎn)生車輪與滾筒間的摩擦力即制動力 1車輪在兩滾筒上的安置角過小，車輪將離開前滾筒沿后滾筒移動，即出現(xiàn)抱死狀態(tài)。隨著制動力矩 增加， 1試車輪的最大制動力應出現(xiàn)在抱死狀態(tài)，即車輪剛離開前滾筒（ 1N=0）而未沿后滾筒滑移的時刻，這是上述所說的第四種情況，也是制動力最大的情況，此時有式 (示的等式。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 15 圖 輪受力圖 2 m a x2 m a x 220 c o s s i n 0s i n c o ， (3由式 (3以解得： 2 m a (3而車輪與滾筒的最大制動力與滾筒對車輪的法向反力之比 2，故 = 因為一般附著系數(shù)在 間為最佳，因此最佳安置角在 最佳安置角為 31間。 由于 s i n / ( 2 ( ) )L R r ，因此確定了滾筒直徑之后，可以根據(jù)最佳安置角的大小選擇滾筒間的間距，這里選用滾筒間距 =500車輪半徑 R=300筒半徑r=150此可以計算出安置角 為 在最佳安置角范圍內(nèi)，該設計的結(jié)構(gòu)尺寸最為合理，保證實驗臺能夠正常安全的運行。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 16 章小結(jié) 本章對滾筒進行了結(jié)構(gòu)分析與設計，根據(jù)車輪的尺寸與滾筒支撐形式對滾筒的尺寸進行了計算與設計，對滾筒的附著系數(shù)進行了分析，在滿足附著系數(shù)的條件下對滾筒的安置角進行了分析計算，根據(jù)最佳安置角計算了滾筒的安裝尺寸。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 17 第 4 章 飛輪設計 述 實驗臺上的慣性飛輪組的設計目的是增加汽車總體的轉(zhuǎn)動慣量，以達到增加慣力的目的，使得汽車在實驗臺上運轉(zhuǎn)時的慣性與汽車在路面上 行駛的時候相同，使得實驗臺能更準確的模擬汽車行駛時的狀況，實驗結(jié)果也就更為準確。由于要模擬不同的車型，因此選用一組飛輪，選用不同的飛輪就可以模擬不同的的車型，使得實驗臺具有更加靈活的適應性，飛輪的尺寸與結(jié)構(gòu)由以下分析計算可以得到。 輪轉(zhuǎn)動慣量分析 當實驗臺在運行時，滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動汽車車輪的旋轉(zhuǎn)，滾筒相當于一個滾動的路面，滾筒與飛輪組的慣性質(zhì)量與受檢汽車的慣性質(zhì)量相當，由于受檢汽車型號不同，質(zhì)量各異，所以要通過選擇不同的飛輪組合來進行匹配，因此滾筒傳動系統(tǒng)具有相當于汽車在道路上相識的質(zhì)量。制動時輪胎 對于滾動路面產(chǎn)生阻力，但由于滾筒傳動系統(tǒng)具有一定的慣性，因而滾動路面將相對于車輪轉(zhuǎn)過一定距離，該距離相當于汽車在道路試驗時的制動距離，因此可以模擬道路制動時的試驗工況。 汽車在道路上運行時，車速與汽車動能的關(guān)系為： 22K r 011 ()22W m v J J W (4式中 W 汽車動能， W； m 汽車質(zhì)量， 車輪角速度， s； 前后車輪轉(zhuǎn)動慣量， kg 0W 汽車傳動心痛旋轉(zhuǎn)動能， W。 汽車在滾筒慣性實驗臺上運行時，在同一車速下，汽車、滾筒、飛輪系統(tǒng)及其他旋轉(zhuǎn)部件所具有的動能表達式如下： 2 2 2 2r 0 0 h h K r 01 1 1 1 ()2 2 2 2W J J J J J W (4式中 J 飛輪轉(zhuǎn)動慣量， kg r 飛輪的角速度， s； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 18 0J 滾筒轉(zhuǎn)動慣量， kg 0 滾筒的角速度， s； 鏈輪及鏈的轉(zhuǎn)動慣量， kg h 鏈輪的角速度， s。 汽車在實驗臺上運行時的動能等于汽車在道路上行駛的動能，即式 (4式 (4等，有： 2 2 2 2 2 2K r 0 r 0 0 h h K r 01 / 2 1 / 2 ( ) 1 / 2 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ( )m v J J W J J J J J W 。 整理得： 2 2 2 2r 0 0 h hm v J J J (4當汽車在滾筒慣性實驗臺上運行時，輪胎外邊緣的線速度等于滾筒邊緣的線速度，即： 00v r r (4式中 r 輪胎半徑； 0 滾筒半徑。 在慣性實驗臺中飛輪、鏈輪、滾筒的角速度有如下的關(guān)系： r 0 (4式中 K 增速器的增速比。 將式 (4 (4入式 (4整理得： 20 0 r J (4式 (4是飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算公式。 輪結(jié)構(gòu)分析 飛輪采用輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖 示，它由輪緣、輪輻及輪轂 3 部分組成，由于輪轂和輪輻的質(zhì)量很小，回轉(zhuǎn)半徑也較小，可以將它們的轉(zhuǎn)動慣量略去，認為飛輪的質(zhì)量集中于輪緣。設輪緣的平均直徑為 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量則可以表達為式 (4示。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 19 輪結(jié)構(gòu) 2 (4飛輪的質(zhì)量也可由以下表達式表示： (4式中 H 飛輪輪緣厚度， m； B 飛輪輪緣寬度， m； 飛輪材料密度， kg/ 將式 (4入式 (4，可以得到飛輪結(jié)構(gòu)設計時需要的表達式： 3 H B (4可以先選定飛輪輪緣平均直徑，由式 (4以求出飛輪的質(zhì)量，再選定比值 /可以確定飛輪輪緣的截面尺寸，因此飛輪的機構(gòu)尺寸就可以計算出來。 輪計算 根據(jù)以上的分析，可以對飛輪進行計算，因為實驗臺要對不同的車型進行測試實驗，每一車型都對應有一個飛輪轉(zhuǎn)動慣量值，設計時，若每個車型都采用一個飛輪，顯然是不可 能實現(xiàn)的。因此慣量模擬用的飛輪采用的是一組飛輪，以便測試不同質(zhì)量的汽車，首先根據(jù)測量汽車的質(zhì)量范圍，在保證測試精度前提下使用飛輪數(shù)目盡可能少，因此要進行飛輪數(shù)量的計算。 這里主要測量的是家用型汽車，汽車一般的質(zhì)量在 14t，設飛輪系統(tǒng)對汽車質(zhì)量的最大模擬誤差為 0m=100輪系統(tǒng)最小的模擬質(zhì)量為 1100果該質(zhì)量用一常用飛輪模擬，其所測車型的質(zhì)量范圍為 2（即 1000200黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 20 質(zhì)量在其他范圍內(nèi)的各車型可用常用飛輪與自由接合飛輪的組合模擬。所需自由接合飛輪的數(shù)目及轉(zhuǎn)動慣量大小取決于 0。 可以證明：若各個自由接合飛輪模擬質(zhì)量的排列符合首相為 2 0、公比為 2 的等比數(shù)列，則通過不同的飛輪組合模擬給定質(zhì)量范圍內(nèi)的所有車型時，模擬誤差均不大于 0： 1022 (401 2 ( 2 1 )n (4顯然可以得到下面的表達式： m a x m i n 01 ( 2 )m m m m (4將式 (4式 (4立，可以求出自由接合飛輪數(shù) n，進而由式 (4定各飛輪的模擬質(zhì)量，把 入式 (4到常用飛輪轉(zhuǎn)動慣量 把 和代入式 (4到常用飛輪轉(zhuǎn)動慣量與第 i 號自由接合飛輪轉(zhuǎn)動慣量之和，進而求出 根據(jù)以上表達式可以求出 n=4， 1m 4分別為 2004008001600據(jù)式 (4以得到各個自由接合飛輪轉(zhuǎn)動慣量計算表達式為： 2i 0 0 m r J (4因此由上式可以得到各個飛輪轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)值，分別為 1J=2J=kg3J=4.5 kg4J=9 kg而可以根據(jù)式 (4 (4算出各個飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸，這里取 /輪各部分尺寸如表 4示。 根據(jù)飛輪的計算出來的尺寸可以設計飛輪其他部分的尺寸，具體結(jié)構(gòu)可以參照零件圖。 表 輪結(jié)構(gòu)尺寸 飛輪名稱 轉(zhuǎn)動慣量（ kg 平均直徑（ 質(zhì)量（ 輪緣寬度（ 輪緣厚度（ 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 21 常用飛輪 00 2 75 飛輪 1 00 9 58 飛輪 2 50 8 70 飛輪 3 00 72 70 84 飛輪 4 9 600 100 75 90 章小結(jié) 本章對飛輪做了設計計算。根據(jù)汽車在道路上行駛時的動能，模擬實驗臺具有相同的動能，得到模擬飛輪轉(zhuǎn)動慣量的表達式。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量的表達式對飛輪進行了結(jié)構(gòu)尺寸的設計。為了實現(xiàn)模擬多種車型的轉(zhuǎn)動慣量，分析設計了一組飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，并且根據(jù)結(jié)構(gòu)情況計算出各個飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 22 第 5 章 總體設計與校核 述 在實驗臺模擬汽車道路運行狀況，要解決模擬汽車整車的運動動能和行駛阻力問題，這個通過利用慣性飛輪的轉(zhuǎn)動動能來模擬汽車旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動動能及汽車直線運動質(zhì)量的平均動能。路面附著系數(shù)的模擬則是通過扭矩傳感器控制滾筒來實現(xiàn)的，即以滾筒代表了路面，車輪在滾筒表面旋轉(zhuǎn)運行，通過控制系統(tǒng)可以對路面附著系數(shù)模擬系統(tǒng)進行自動控制，完成 統(tǒng)工作性能的檢測。 滾筒、飛輪等零部件的結(jié)構(gòu)尺寸設計在前幾章中已經(jīng)完成，整體的實驗臺就是將這些零部件統(tǒng)一應用為一個整體。由于汽車、滾筒及飛輪都要在這個實驗臺上運轉(zhuǎn)，因此實驗臺的穩(wěn)定性、 支撐能力以及剛度都要達到一定的要求，因此對于實驗臺整體結(jié)構(gòu)的設計也是至關(guān)重要的。其中實驗臺上滾筒軸及飛輪軸受到的力矩是最大的，因此對這兩個軸的結(jié)構(gòu)的校核也是對整個實驗臺運行能力的校核，是檢驗實驗臺性能的關(guān)鍵步驟。 體結(jié)構(gòu)設計 能檢測實驗臺是一個整車檢測實驗臺，因此實驗臺整體要有一個穩(wěn)定的實驗臺基座，這里設計的實驗臺的基座主要是由一個矩形框形的支架組成，矩形框這種形式可以增加基座的剛度和穩(wěn)定性，根據(jù)元器件的選擇設計實驗臺整體的結(jié)構(gòu)尺寸，實驗臺的整體如圖 示。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 23 圖 能檢 測實驗臺結(jié)構(gòu)圖 為減小實驗臺體積，將驅(qū)動部件及飛輪組的支撐臺單獨設置，其結(jié)構(gòu)也是矩形框結(jié)構(gòu)，這樣也增加了實驗臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是要注意保持實驗臺安裝時的各個軸的同軸度。 圖 驗臺局部圖 如圖 示為實驗臺局部圖，圖中表示了實驗支撐架的高度，為了保證各部分的同軸度選用了同等高度的支撐架，并且保證軸心有足夠的高度可以支撐起滾筒及飛輪，避免其與地面發(fā)生碰撞。 筒軸校核 整個實驗臺主要是由 4 對滾筒支撐著汽車的 4 個車輪，因此在滾筒設計完成后要對滾筒軸進行強度的校核。兩個滾筒要支撐一個車輪，平均一個滾筒要承受 1/8 汽車的重量，根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)可以得到滾筒周受到的彎矩情況，如圖 示。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 24 圖 筒軸彎矩圖 根據(jù)彎矩圖可以得到滾筒周受到的最大彎矩，最大彎矩表達式如下所示： 1128M (5式中 G 汽車重量， G N； L 滾筒支撐點到軸承的距離， m。 其中 =于汽車質(zhì)量是 14t，因此計算是按照最大值計算，即 m=4t，則根據(jù)式 (5以計算出彎矩最大值為 以根據(jù)彎矩值計算出滾筒軸的彎曲應力，其計算表達式如下所示： (5式中 M 滾筒軸彎矩， W 截面彎曲慣量， 3=中 d 為軸截面的直徑， d=50 根據(jù)式 (5算可以得到滾筒軸彎曲應力 =于滾筒旋轉(zhuǎn)時，還要受到扭矩，因此滾筒軸還要受到扭轉(zhuǎn)應力，對滾筒軸校核是也要考慮扭轉(zhuǎn)應力的作用，扭轉(zhuǎn)應力的計算表達式如下所示： (5式中 T 滾筒軸上的扭矩， 中 6= 9 1 0 /T P n， P 為轉(zhuǎn)動時需要的功率，單位是 n 是軸的轉(zhuǎn)速，單位是 r/ 扭轉(zhuǎn)截面慣量，其中3t = 根據(jù)第 2 章的分析可以知道，實驗臺各軸的轉(zhuǎn)速 n=530r/率為 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 25 里按 3算，則通過式 (5以得到滾筒軸的扭轉(zhuǎn)應力為 算出了截面的各種應力，下面要對截面進行校核，可以根據(jù)式 (5行計算。 22e + 4 ( ) (5其中 =算出 e=核滾筒軸必須保證 e ， 可以查找相應參考書得到，它與軸的材料有關(guān)，這里選用的軸是碳素剛，可以查得 =45此 e ，滾筒軸滿足強度要求，結(jié)構(gòu)設計合理。 輪軸校核 由于飛輪的質(zhì)量也很大，因此飛輪軸上也承擔的較大的應力，對飛輪軸的校核也是必須的。由于飛輪軸上最多安裝有常用飛輪、自由結(jié)合飛輪 14 共有 5 個飛輪，并且每個飛輪安裝的軸徑尺寸各不相同，為了計算方便，這里將以最小軸徑進行計算