汽车ABS检测试验台机械系统设计论文

摘要ABS 是在汽车制动过程中提高操纵稳定性和转向控制能力的主动安全装置。ABS正常工作对汽车行驶安全至关重要。滚筒式惯性检测实验台是检测汽车 ABS 系统性能的实验台，它可以替代路测，实现 ABS 测试系统在室内测试的要求。滚筒式惯性检测实验台主要有三部分组成，电机驱动部分、滚筒转鼓部分、飞轮组部分，本文主要针对其各部分的结构进行设计的。本文介绍了 ABS 系统滚筒式惯性检测实验台主要部件的设计方法及设计过程。论述了 ABS 系统的工作原理，分析了现在存在的各种汽车性能检测实验台，确定了总体设计方案及各部分零件的型号的选取。本文 ABS 系统滚筒式惯性检测实验台采用滚筒带动车轮转动，同时根据车轮的尺寸及汽车的重量分析设计滚筒的结构及尺寸。ABS系统滚筒式惯性检测实验台主要采用飞轮模拟汽车在道路上行驶的惯量，根据模拟的原理对飞轮进行分析计算，确定飞轮的数量及结构尺寸，并且对实验台进行一定的校核。最后使用 AutoCAD 进行平面制图。关键词：ABS 系统；飞轮；滚筒；实验台；转动惯量ABSTRACTABS in the auto brake process improve handling stability and steering control ability of active safety device. ABS normal work is crucial for automobile driving safety. Roller-type inertial testing experiment platform is testing the car ABS system performance test rig, it can replace the road test, realize ABS test systems in indoor test requirements. Roller-type inertial testing experiment platform is made up of three main parts, motor drive part, roller drum part, fly wheel part, this article mainly aims at the structure of its parts design.This paper introduces the ABS system roller-type inertia detection experiments of the main parts of machine design method and design process. Discusses the working principle of the ABS system, analyzes the existing of auto performance testing experiment platform, determine the overall design scheme and various parts of the type of selected. This paper ABS system inertial testing experiment platform adopt cylinder cylinder driving wheel rotation, and based on the size and weight of the car analysis and design of roller structure and size. ABS system roller-type inertial detection experiments Taiwan mainly USES the flywheel simulation cars in road, according to the principle of rotary inertia of the flywheel simulation is analyzed, the quantity and structure to determine the flywheel of size, and experiments Taiwan perform some of the check. Finally using AutoCAD for plane drawings.Key words:ABS system; The flywheel; Roller; Experimental stage; inertia目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 概述 .11.1.1 汽车 ABS 系统概述 .11.1.2 ABS 性能检测试验台的原理 .21.1.3 ABS 性能检测试验台设计的要求 .21.2 ABS 性能检测试验台设计方案的确定 .21.2.1 ABS 性能检测试验台整体方案的确定 .21.2.2 滚筒方案的确定 .41.2.3 飞轮方案的确定 .41.3 本章小结 .5第 2 章 实验台部件的选择 .62.1 电机的选择 .62.1.1 电机功率的计算 .62.1.2 驱动元器件的选择 .62.2 联轴器的选择 .72.3 轴承的选择 .82.3.1 轴承载荷的计算 .82.3.2 轴承型号的选择 .92.4 本章小结 .9第 3 章 滚筒设计 .103.1 概述 .103.2 滚筒结构分析 .103.3 滚筒尺寸的选择 .113.4 本章小结 .13第 4 章 飞轮设计 .144.1 概述 .144.2 飞轮转动惯量分析 .144.3 飞轮结构分析 .154.4 飞轮计算 .164.5 本章小结 .18第 5 章 总体设计与校核 .195.1 概述 .195.2 总体结构设计 .195.3 滚筒轴校核 .205.4 飞轮轴校核 .225.5 本章小结 .22结 论 .23参考文献 .24致 谢 .26附 录 .27第 1 章 绪 论1.1 概述1.1.1 汽车 ABS 系统概述随着我国汽车工业的飞速发展以及高速公路、高等级公路的大规模建设，车辆密集化和车辆高速化对车辆的安全性能提出了更高要求。汽车制动防抱死系统 ABS 就是为适应这一要求迅速发展起来的。ABS 性能的好坏直接影响到行车的安全。ABS 系统的基本工作原理是：由安装在车轮附近的测速传感器在车辆制动时测量出车轮的瞬间转速(轮速)，计算出此时车轮角减速度和车辆的行驶速度(车速)，并依据瞬时车速与轮速计算出车辆的滑移率，控制器依据一定的数学模型操纵压力调节器调整制动管路中的制动液压力，改变制动器的制动力，使车轮的滑移率保持在一定水平上(约为 20% )， 此时制动器的制动力趋近地面制动力最大值，车轮处于半抱半滚的状态, 此时车辆的制动方向稳定性较好，车辆的制动性能处在最佳的状态下。因此防抱死系统 ABS 就是控制汽车滑移率的控制系统，滑移率 s是一个能表征制动效能和可以测算的量，滑移率计算公式为： 1vs（1.1）式中： s为滑移率； v为车速； 1为轮速，即车轮转速与车轮半径的乘积。车轮与道路之间能传递的力称为道路附着力 F， 与车轮正压力之比称为附着系数：N（1.2）道路附着系数受道路、车轮材料结构和接触状况影响。道路附着系数与制动时车轮滑移率的关系曲线如图 1 所示。图 1.1 s关系曲线由图 1.1 可以看出滑移率 s在 15%20%时，汽车的制动性能最好，因此 ABS 系统的功能就是保证滑移率在 15%20%这个范围内。1.1.2 ABS 性能检测试验台的原理判断 ABS 有没有发挥作用的关键指标就是制动时的滑移率。因此，我们把试验台对 ABS 性能测试的主要指标定为测试制动时车轮的滑移率。根据式(1-1)滑移率主要由车速与轮速计算得到的，因此实验台测试时，主要测试汽车制动时车轮的转速与汽车的行驶速度，再根据式(1-1)计算出滑移率是否达到 15%20%这个范围内，就可以测得 ABS 系统的性能是否达到要求，这就是 ABS 性能检测实验台的基本工作原理，其具体的结构就是这次研究主要设计的内容。1.1.3 ABS 性能检测试验台设计的要求ABS 性能检测实验台的设计要求是：（1）设计汽车 ABS 制动性能检测试验台，具体设计试验台的机械部分。主要包括驱动电机、联轴器及滚筒轴承的选取，增速器、滚筒的设计；（2）根据被测汽车的质量范围，计算设计能够模拟这些质量范围内的汽车的转动惯量进行 ABS 性能测试；（3）具有足够的强度和刚度，通过驱动电机驱动滚筒转动，带动滚筒上的待检车辆达到检测速度，然后通过车辆的 ABS 对滚筒进行制动，通过检测系统对 ABS 的性能进行检测；（4）使用方便，测量精度高，控制操作便捷，结构简单，制造容易，维修，调整方便。1.2 ABS 性能检测试验台设计方案的确定1.2.1 ABS 性能检测试验台整体方案的确定由于汽车的制动性能对车辆运行的安全性起着至关重要的作用。随着汽车安全检测设备的应用和发展，普遍采用制动试验台检测制动力来评价汽车的制动性，可以根据这些制动力检测试验台结构的分析来确定 ABS 性能检测实验台的方案。 （1）滚筒反力式制动力检测台滚筒反力式制动力检测台是最普通的检测设备，如图 1.2 所示。我国使用的滚筒反力式制动检测台有两大类，其一是引进日本弥荣公司、日产公司的；其二是引入西欧国家的。它们都是由电机通过传动装置驱动滚筒，滚筒带动车轮，并在汽车制动时，利用测力杠杆将制动力传给测力传感器。为增大车轮与滚筒间的附着系数，通常采用在滚筒表面刻槽或粘砂的办法。滚筒反力式制动力检测台的缺点是驱动转速较低，滚筒表面的线速度一般为5km/h 左右，无法测到汽车在高速情况下的制动性能。1.滚筒机构 2.减速器 3.电机 4.测力杠杆图 1.2 滚筒反力式制动力检测台示意图（2）平板式制动力检测台平板式制动力检测台，如图 1.3 所示，它由测试平板、数据采集系统等构成，集侧滑、悬架效能、轴中、制动性能测试为一体的汽车检测设备。测试平板共 6 块：前端左、右两块为制动平板，用于测量沿汽车行驶方向平板作用于轮胎的制动力；后端两块，一块为侧滑板，用于测量汽车的侧滑，一块为空板（不起测试作用） 。从原理上来看，平板式制动实验台是主动、动态的检测，它是汽车行驶制动状态下进行检测的，检测时，被检车辆以 510km/h 的车速驶上测试平板上，操作员根据现实信号踩下制动踏板，使车辆在测试平板上制动直至停车。于此同时，数据采集系统采集制动过程中的全部数据，并作分析处理，然后把自动性能的测试结果显示出来。1.控制柜 2.侧滑式平板 3、5.制动-轴荷-悬架磁而是平板 4.空板图 1.3 平板式制动力检测台示意图滚筒反力式和平板式制动力检测台是我国目前最常用的评价汽车制动性能的检测设备，而 ABS 起作用的车速一般在 10km/h 以上，也就是说车低于 10km/h 的速度时，ABS 系统将停止作用，以上两种检测台都是工作在 10km/h 以下的，因此要用于 ABS性能检测还需要一定的改进。这里就要采用一种滚筒式惯性检测实验台，其主要的工作部分如图 1.4 所示，主要有三部分组成，电机驱动部分、滚筒转鼓部分、飞轮组部分，其基本的工作原理如下：当电机带动转鼓转动时，滚筒相当于一个滚动的路面，同时滚筒上面的车轮也随之转动，汽车相当于在路面上行驶，滚筒和飞轮组的惯性质量与受检汽车的惯性质量相当，由于受检汽车型号不同，质量各异，所以要通过选择不同的飞轮组合来进行匹配，因此滚筒传动系统具有相当于汽车在道路上行驶的惯量。在汽车车轮转动起来后，启动离合器，使电机与实验台脱离，汽车采取制动，制动时轮胎对于滚动路面产生阻力，但由于滚筒传动系统具有一定的惯性，因而滚动路面将相对于车轮转过一定距离，该距离相当于汽车在道路试验时的制动距离，以此可以模拟道路制动时的情况。图 1.4 滚筒式惯性实验台组成1.2.2 滚筒方案的确定滚筒式惯性检测实验台主要是由 8 个滚筒组成，每两个滚筒支撑汽车的一个轮胎，其中一个滚筒用于传递运动，另一个滚筒用于辅助支撑的作用，并且在实验时可以用于测量车轮的实时转速。根据滚筒反力式制动力检测台中的情况，为增大车轮与滚筒间的附着系数，通常采用在滚筒表面刻槽或粘砂的办法，因此这里采用刻槽的方法增加表面的附着系数。滚筒的尺寸的设计主要根据汽车轮胎的尺寸进行具体设计。1.2.3 飞轮方案的确定飞轮组主要是又来模拟汽车在道路上行驶时的转动惯量，其转动惯量的大小直接与汽车的质量相关，飞轮组的安装要使这个实验台上汽车运动的动能与汽车行驶在道路上的动能相当，飞轮组的尺寸要根据汽车质量范围来确定。1.3 本章小结本章首先进行了汽车 ABS 系统的概述，根据 ABS 系统的工作原理对 ABS 的工作原理进行分析，并且提出设计过程中的主要要求。通过对现在常用的制动力检测台（滚筒反力式制动力检测台和平板式制动力检测台）的分析确定滚筒式惯性检测实验台的设计方案，并且根据实验台的方案确定滚筒以及飞轮的设计方案。第 2 章 实验台部件的选择2.1 电机的选择2.1.1 电机功率的计算由于 ABS 系统在汽车速度达到 10km/h 时才会工作，因此实验台提供的转速必须使车轮的线速度达到 10km/h。这里设汽车的速度是 60km/h，由于汽车车轮的线速度与滚筒的线速度相同，则实验台运转工作时，滚筒的线速度为 60km/h。由于车轮的直径一般在 600700mm，这里先设滚筒的直径为 300mm，则滚筒的转速根据2vrn可以计算出， 530r/min，由于实验台的工作转矩比较大，设转矩为40Nm， /9492.kWPM，电机的选择要根据以上数据选择。2.1.2 驱动元器件的选择根据计算出来的电机的功率，以及需要达到的转速选择电机。这里选用松下伺服电机。松下伺服电机具有高性能的实时自动调整增益，它可以根据负载惯量的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动地调整增益，正好适应实验台不同车型时的转动惯量，并且还具备一场速度检测功能，可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常，通过面板的操作可以在监控实时调整情况的同时，进行设定和确认；松下伺服电机还具有高速高响应特性，它内置瞬时速度观测器，可以快速、高分辨率地检测出电机转速，而且能实现高速定位；而且松下伺服电机还具有振动抑制控制，是一个高性能的电机，如图 2.1 所示，为松下电机。图 2.1 松下伺服电机松下伺服电机有多种型号，分别为超小惯量系列（MAMA 型） 、小惯量系列（MSMD 型、MQMA 型、 MSMA 型） 、中惯量系列（MDMA 型、MGMA 型、MFMA 型） 、大惯量系列（ MHMD 型、MHMA 型） ，由于转台转矩较高并且转速不大，因此选用 MGMA 型伺服电机，它是一种低速大转矩的电机，额定输出功率为4.5kW，额定转速为 1000r/min，最大转矩为 107Nm，满足需求。驱动部分还有一个离合器，在该设计方案中采用了磁粉离合器这一自动控制元件磁粉离合器是以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的。其输出转矩与激磁电流呈良好的线性关系而与转速或滑差无关，并具有响应速度快，结构简单的优点。磁粉类器件所传递的转矩值与激磁电流大小大致上呈线性关系。一般而言，在 5 95的额定转矩内，激磁电流与转矩成正比例线性关系。当激磁电流保持不变时，转矩将会稳定的传递，不受滑差的影响。因此，只要控制电流，即能控制转矩的大小，因此可以将其用于其测量转矩的实验中。2.2 联轴器的选择联轴器是用来实现轴与轴之间的连接，进行运动和动力的传递的。用联轴器连接的两轴轴线在理论上应该是严格对中的，但在制造、安装和环境的影响下，也会有一定的误差。联轴器的类型有很多，可以划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类，刚性联轴器要求被连接两轴轴线严格对中，因为它不能补偿两轴的相对位移，常用类型有：套筒联轴器、夹壳联轴器和凸缘联轴器。a) b)图 2.2 凸缘联轴器在本设计中，实验台要传递比较大的扭矩，因此应该选用刚性联轴器，因为刚性联轴器的刚度比较好，能够传递比较大的扭矩。常用的联轴器主要有三种，这里选用了凸缘联轴器，如图 2.2 所示为凸缘联轴器。由于凸缘联轴器属于固定式刚性联轴器，对所连接两轴间的位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求很高。但由于其结构简单、成本低、传递转矩大，因此在固定式刚性联轴器中应用最广。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。螺栓可以用半精制的普通螺栓（图 2.2a） ，亦可以用铰制孔用螺栓（图 2.2b） 。采用普通螺栓连接时，联轴器用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中，转矩靠半联轴器结合面间的摩擦力矩来传递。采用铰制孔用螺栓连接时，靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中，靠螺栓杆承受剪切及螺栓杆与孔壁承受挤压来传递。本设计中主要采用第一种形式的凸缘联轴器。由于凸缘联轴器也是标准件，因此在选择时，可以根据连接轴的尺寸选择相应的型号，联轴器具体的尺寸就可以确定了。2.3 轴承的选择2.3.1 轴承载荷的计算一般家用汽车的重量是 14t，在轴承载荷计算时，滚筒上轴承所承担的载荷根据汽车的重量来计算。由于实验台主要承受的是汽车的重力，因此轴承主要承受径向载荷，轴承的支撑相当一个简支梁，每个滚筒上都支撑一个车轮，因此每个轴承要支撑 1/4 汽车的重量，如图 2.3 所示。1 / 4 mFrFr图 2.3 轴承支撑简图因此可以计算出轴承的支撑力是 1/8 汽车的重量，汽车最大是 4t，则轴承所受到的支撑力最大为 0.5t（500kg） ，都是径向力，所以轴承所受的当量静载荷为 0rPF，查得有关资料，轴承当量动载荷与当量静载荷的就算公式如式(2-1)所示： raPXFY(2-1)式中 rF、 a轴承的径向载荷和轴向载荷；X、 Y 动载荷径向系数和动载荷轴向系数。查表可得 =1，因此当量动载荷 rPF， =5009.8=4.9kN。2.3.2 轴承型号的选择由于只受到径向载荷，选用深沟球轴承就可以达到支撑的要求，轴承是标准件，根据计算出的轴承的载荷，查相关手册，选用适当的轴承。滚筒轴选用轴承 6308，它的额定载荷为 24kN，足够达到支撑的能力，轴承各部分尺寸，如图 2.4 所示，都可以查表得到。图 2.4 深沟球轴承2.4 本章小结本章主要根据实验台工作的需求及载荷的大小，分析计算了实验台的驱动电机的功率及型号；再根据联轴器的性能以及实验台的工作情况，选择了合适的联轴器的类型；最后根据实验台的载荷情况，计算出轴承的承载能力，选择了轴承的类型以及滚筒轴轴承的型号。第 3 章 滚筒设计3.1 概述实验台的结构参数对制动性能的测量结果有着重要的关系，只有合理选用惯性实验台的设计参数，才能提高实验台测试的准确性和可靠性。滚筒是实验台中直接与车轮相接触的部件，因此滚筒的结构参数设计与实验的准确性十分重要。滚筒的结构可以根据汽车车轮的尺寸以及汽车的重量，设计合理的滚筒尺寸和形式，使得实验台工作更加的稳定。由于滚筒要带动汽车轮胎转动，因此滚筒的结构设计要保证轮胎可以随着滚筒一同转动，一般选择在滚筒上粘砂或者刻槽的方式来增加滚筒与轮胎的摩擦系数，使得滚筒和轮胎有着更好的同步性。3.2 滚筒结构分析滚筒结构的正确选择直接影响着实验台的工作效率和性能，因此滚筒机构分析至关重要。为了减小滚筒的重量及转动惯量，选择采用薄壁筒形结构，采用圆板支撑，为减少滚筒的转动惯量只采用两个圆板支撑。具体结构形式如图 3.1 所示。图 3.1 滚筒结构图汽车在实验台上测试时，车轮与滚筒的接触面积小于车轮与地面的接触面积，且比压增大，因其滚动阻力增加，附着系数 值下降。因此只有提高车轮与滚筒见得附着系数，才能在滚筒实验台上较真实的再现汽车在路面上的制动状况。但 的提高受到滚筒表层结构和材料的限制。目前采用较多的是表面带有沟槽的钢制滚筒，其表面附着系数在 0.6-0.8 之间，结构如图 3.1 所示。3.3 滚筒尺寸的选择实验台中滚筒的中心距一般是不可调试的。因此减小滚筒直径，可使车轮在实验台上的安置角增大，增加实验台的稳定性，提高车轮与滚筒间的附着力，节省驱动电机的功率。但滚筒直径也不能太小，否则车轮的滚动损耗将明显增加，一般低速实验台时，选取较小的滚筒直径，一般为 100-200mm，但是本实验台要达到 10km/h 以上的速度，因此选用的滚筒直径为 300mm，车轮的宽度一般为 200-300mm，因此滚筒的长度选择为 500mm。要对滚筒的尺寸进行设计，首先要对实验台的制动过程有深入的了解，才能分析车轮与滚筒的受力情况，根据受力情况设计合理的滚筒尺寸。检测制动时会出现以下几种情况：（1）未制动时，车轮被滚筒驱动而转动，仪表显示的是该轮阻滞力，阻滞力应不大于该轴荷的 8%。 （2）完全制动（制动踏板踏到底）时，被检车辆随滚筒转动，若指示装置显示的制动力很小，达不到标准要求，制动性能不好，则 ABS 系统不合格，汽车也不合格。 （3）完全制动时，被检车轮在滚筒上略有转动，检测出来的滑移率达到要求。 （4）完全制动时，被检车轮开始脱离前滚筒，后移至主动滚筒一侧，车轮在滚筒上打滑，这时是最大制动力，如果继续下去，整车出现后移爬轮现象，实验将无法进行，严重影响了汽车的检测情况。因此在滚筒设计是，根据制动力最大的情况设计滚筒，以免出现实验无法进行的情况。车轮在实验台上测试时的受力情况如图 3-2 所示，分析时忽略了非测试车轮约束反力的影响，并假设测试车轮为刚性。车轮制动时，车轮受到制动器制动力矩 MT 的作用（G 为车轮所受的载荷， 1N、 2为前后滚筒对车轮的法向反力）产生车轮与滚筒间的摩擦力即制动力 xF和 。若车轮在两滚筒上的安置角过小，车轮将离开前滚筒沿后滚筒移动，即出现抱死状态。随着制动力矩 Mt 的增加， 1xF和 2增大，测试车轮的最大制动力应出现在抱死状态，即车轮刚离开前滚筒（ N=0）而未沿后滚筒滑移的时刻，这是上述所说的第四种情况，也是制动力最大的情况，此时有式(3.1)所示的等式。图 3.2 车轮受力图2max20cosin0iXFNYGG，(3-1)由式(3-1)可以解得： 2axtnFN(3-2)而车轮与滚筒的最大制动力与滚筒对车轮的法向反力之比 2max/FN等于车轮与滚筒间的附着系数 ，故 =tan。因为一般附着系数在 0.6-0.8 之间为最佳，因此最佳安置角在 arctn0.6 r.8，即最佳安置角为 3138.6之间。由于 si/(2)LR，因此确定了滚筒直径之后，可以根据最佳安置角的大小选择滚筒间的间距，这里选用滚筒间距 L=500mm，取车轮半径 R=300mm，滚筒半径 r=150mm，因此可以计算出安置角 为 33.8，在最佳安置角范围内，该设计的结构尺寸最为合理，保证实验台能够正常安全的运行。3.4 本章小结本章对滚筒进行了结构分析与设计，根据车轮的尺寸与滚筒支撑形式对滚筒的尺寸进行了计算与设计，对滚筒的附着系数进行了分析，在满足附着系数的条件下对滚筒的安置角进行了分析计算，根据最佳安置角计算了滚筒的安装尺寸。第 4 章 飞轮设计4.1 概述实验台上的惯性飞轮组的设计目的是增加汽车总体的转动惯量，以达到增加惯力的目的，使得汽车在实验台上运转时的惯性与汽车在路面上行驶的时候相同，使得实验台能更准确的模拟汽车行驶时的状况，实验结果也就更为准确。由于要模拟不同的车型，因此选用一组飞轮，选用不同的飞轮就可以模拟不同的的车型，使得实验台具有更加灵活的适应性，飞轮的尺寸与结构由以下分析计算可以得到。4.2 飞轮转动惯量分析当实验台在运行时，滚筒的旋转带动汽车车轮的旋转，滚筒相当于一个滚动的路面，滚筒与飞轮组的惯性质量与受检汽车的惯性质量相当，由于受检汽车型号不同，质量各异，所以要通过选择不同的飞轮组合来进行匹配，因此滚筒传动系统具有相当于汽车在道路上相识的质量。制动时轮胎对于滚动路面产生阻力，但由于滚筒传动系统具有一定的惯性，因而滚动路面将相对于车轮转过一定距离，该距离相当于汽车在道路试验时的制动距离，因此可以模拟道路制动时的试验工况。汽车在道路上运行时，车速与汽车动能的关系为： 22Kr01()WmvJW(4-1)式中 W汽车动能，W；m汽车质量，kg；车轮角速度，rad/s；KrJ、前后车轮转动惯量，kgm 2；0汽车传动心痛旋转动能，W 。汽车在滚筒惯性实验台上运行时，在同一车速下，汽车、滚筒、飞轮系统及其他旋转部件所具有的动能表达式如下： 2222r0hKr011()JJJW(4-2)式中 J飞轮转动惯量，kgm 2；r飞轮的角速度，rad/s；0J滚筒转动惯量，kgm 2；滚筒的角速度，rad/s；hJ链轮及链的转动惯量，kgm 2；链轮的角速度，rad/s。汽车在实验台上运行时的动能等于汽车在道路上行驶的动能，即式(4-2)与式(4-1)相等，有： 222222Kr0r0hKr01/()1/1/()mvJWJJJW。整理得： 222r0hmvJJ(4-3)当汽车在滚筒惯性实验台上运行时，轮胎外边缘的线速度等于滚筒边缘的线速度，即： 0vr(4-4)式中 r轮胎半径；0滚筒半径。在惯性实验台中飞轮、链轮、滚筒的角速度有如下的关系： r0hK(4-5)式中 K增速器的增速比。将式(4-4)、(4-5)代入式(4-3)，整理得： 20hmrJ(4-6)式(4-6)就是飞轮转动惯量的计算公式。4.3 飞轮结构分析飞轮采用轮辐式结构，如图 4.1 所示，它由轮缘、轮辐及轮毂 3 部分组成，由于轮毂和轮辐的质量很小，回转半径也较小，可以将它们的转动惯量略去，认为飞轮的质量集中于轮缘。设轮缘的平均直径为 Dm，则飞轮的转动惯量则可以表达为式(4-7)所示。BHDm图 4.1 飞轮结构 2m4DJ(4-7)飞轮的质量也可由以下表达式表示： mHB(4-8)式中 H飞轮轮缘厚度，m；B飞轮轮缘宽度，m；飞轮材料密度，kg/m 3；将式(4-8)代入式(4-7)中，可以得到飞轮结构设计时需要的表达式： 3m14JDHB(4-9)可以先选定飞轮轮缘平均直径，由式(4-7)可以求出飞轮的质量，再选定比值/HB，便可以确定飞轮轮缘的截面尺寸，因此飞轮的机构尺寸就可以计算出来。4.4 飞轮计算根据以上的分析，可以对飞轮进行计算，因为实验台要对不同的车型进行测试实验，每一车型都对应有一个飞轮转动惯量值，设计时，若每个车型都采用一个飞轮，显然是不可能实现的。因此惯量模拟用的飞轮采用的是一组飞轮，以便测试不同质量的汽车，首先根据测量汽车的质量范围，在保证测试精度前提下使用飞轮数目尽可能少，因此要进行飞轮数量的计算。这里主要测量的是家用型汽车，汽车一般的质量在 14t，设飞轮系统对汽车质量的最大模拟误差为 0m=100kg，飞轮系统最小的模拟质量为 min0=1100kg，如果该质量用一常用飞轮模拟，其所测车型的质量范围为 i i2（即1000kg1200kg） ，质量在其他范围内的各车型可用常用飞轮与自由接合飞轮的组合模拟。所需自由接合飞轮的数目及转动惯量大小取决于 maxin、 和 0。可以证明：若各个自由接合飞轮模拟质量的排列符合首相为 2 、公比为 2 的等比数列，则通过不同的飞轮组合模拟给定质量范围内的所有车型时，模拟误差均不大于 0m且所需飞轮数最少。即： 102iim(4-10)1()nnii(4-11)显然可以得到下面的表达式： maxin01(2)ni(4-12)将式(4-11)与式(4-12)联立，可以求出自由接合飞轮数 n，进而由式(4-10) 确定各飞轮的模拟质量，把 min0代入式(4-6) 得到常用飞轮转动惯量 mJ，再把 i与min0之和代入式(4-6)得到常用飞轮转动惯量与第 i 号自由接合飞轮转动惯量之和，进而求出 iJ的值。根据以上表达式可以求出 n=4， 1 4分别为 200kg、400kg、800kg、1600kg，根据式(4-6) 可以得到各个自由接合飞轮转动惯量计算表达式为： 2i0himrJK(4-13)因此由上式可以得到各个飞轮转动惯量的数值，分别为 1J=1.125kgm2， J=2.25 kgm2， 3J=4.5 kgm2， 4J=9 kgm2。进而可以根据式 (4-7) (4-9)计算出各个飞轮的结构尺寸，这里取 /HB为 1.2，飞轮各部分尺寸如表 4-1 所示。根据飞轮的计算出来的尺寸可以设计飞轮其他部分的尺寸，具体结构可以参照零件图。表 4.1 飞轮结构尺寸飞轮名称 转动惯量（kgm 2）平均直径（mm）质量（kg） 轮缘宽度（ mm）轮缘厚度（ mm）常用飞轮 3.55 500 56.76 62 75飞轮 1 1.125 400 28.125 49 58飞轮 2 2.25 450 44.4 58 70飞轮 3 4.5 500 72 70 84飞轮 4 9 600 100 75 904.5 本章小结本章对飞轮做了设计计算。根据汽车在道路上行驶时的动能，模拟实验台具有相同的动能，得到模拟飞轮转动惯量的表达式。根据转动惯量的表达式对飞轮进行了结构尺寸的设计。为了实现模拟多种车型的转动惯量，分析设计了一组飞轮的转动惯量，并且根据结构情况计算出各个飞轮的结构尺寸。第 5 章 总体设计与校核5.1 概述在实验台模拟汽车道路运行状况，要解决模拟汽车整车的运动动能和行驶阻力问题，这个通过利用惯性飞轮的转动动能来模拟汽车旋转体的转动动能及汽车直线运动质量的平均动能。路面附着系数的模拟则是通过扭矩传感器控制滚筒来实现的，即以滚筒代表了路面，车轮在滚筒表面旋转运行，通过控制系统可以对路面附着系数模拟系统进行自动控制，完成 ABS 系统工作性能的检测。滚筒、飞轮等零部件的结构尺寸设计在前几章中已经完成，整体的实验台就是将这些零部件统一应用为一个整体。由于汽车、滚筒及飞轮都要在这个实验台上运转，因此实验台的稳定性、支撑能力以及刚度都要达到一定的要求，因此对于实验台整体结构的设计也是至关重要的。其中实验台上滚筒轴及飞轮轴受到的力矩是最大的，因此对这两个轴的结构的校核也是对整个实验台运行能力的校核，是检验实验台性能的关键步骤。5.2 总体结构设计ABS 性能检测实验台是一个整车检测实验台，因此实验台整体要有一个稳定的实验台基座，这里设计的实验台的基座主要是由一个矩形框形的支架组成，矩形框这种形式可以增加基座的刚度和稳定性，根据元器件的选择设计实验台整体的结构尺寸，实验台的整体如图 5.1 所示。图 5.1 ABS 性能检测实验台结构图为减小实验台体积，将驱动部件及飞轮组的支撑台单独设置，其结构也是矩形框结构，这样也增加了实验台结构的稳定性，但是要注意保持实验台安装时的各个轴的同轴度。图 5.2 实验台局部图如图 5.2 所示为实验台局部图，图中表示了实验支撑架的高度，为了保证各部分的同轴度选用了同等高度的支撑架，并且保证轴心有足够的高度可以支撑起滚筒及飞轮，避免其与地面发生碰撞。5.3 滚筒轴校核整个实验台主要是由 4 对滚筒支撑着汽车的 4 个车轮，因此在滚筒设计完成后要对滚筒轴进行强度的校核。两个滚筒要支撑一个车轮，平均一个滚筒要承受 1/8 汽车的重量，根据滚筒的结构可以得到滚筒周受到的弯矩情况，如图 5.3 所示。图 5.3 滚筒轴弯矩图根据弯矩图可以得到滚筒周受到的最大弯矩，最大弯矩表达式如下所示： 128MGL(5-1)式中 G汽车重量， Gmg， 为受检汽车的质量，N ；L滚筒支撑点到轴承的距离，m。其中 =0.125m，由于汽车质量是 14t，因此计算是按照最大值计算，即 m=4t，则根据式(5-1)可以计算出弯矩最大值为 306.25N。可以根据弯矩值计算出滚筒轴的弯曲应力，其计算表达式如下所示： MW(5-2)式中 M滚筒轴弯矩，Nm；W截面弯曲惯量， 3=0.1d，其中 d 为轴截面的直径， d=50mm；根据式(5-2)计算可以得到滚筒轴弯曲应力 =24.5MPa。由于滚筒旋转时，还要受到扭矩，因此滚筒轴还要受到扭转应力，对滚筒轴校核是也要考虑扭转应力的作用，扭转应力的计算表达式如下所示： tTW(5-3)式中 T滚筒轴上的扭矩，Nm，其中 6=9.510/Pn，P 为转动时需要的功率，单位是 kW， n 是轴的转速，单位是 r/min；tW扭转截面惯量，其中 3t0.2d。根据第 2 章的分析可以知道，实验台各轴的转速 n=530r/min，功率为 2.2kW，这里按 3kW 计算，则通过式(5-3) 可以得到滚筒轴的扭转应力为 2.16MPa，计算出了截面的各种应力，下面要对截面进行校核，可以根据式(5-4)进行计算。 22e+4()(5-4)其中 =0.3，计算出 e=24.53MPa，校核滚筒轴必须保证 e， 可以查找相应参考书得到，它与轴的材料有关，这里选用的轴是碳素刚，可以查得 =45MPa，因此 e，滚筒轴满足强度要求，结构设计合理。5.4 飞轮轴校核由于飞轮的质量也很大，因此飞轮轴上也承担的较大的应力，对飞轮轴的校核也是必须的。由于飞轮轴上最多安装有常用飞轮、自由结合飞轮 14 共有 5 个飞轮，并且每个飞轮安装的轴径尺寸各不相同，为了计算方便，这里将以最小轴径进行计算，如果最小轴径也满足要求，那么飞轮轴其他部分也都满足要求。根据第 4 章地计算，5 个飞轮的质量分别为 56.76kg、28.125kg、44.4kg、72kg、100kg，总和约为 302kg，为计算方便将飞轮轴上受到的力简化为滚筒受力的形式，其中受到 302kg 重量的力，其受力的弯矩图也如图 5.2 所示的形式，其中 L 为飞轮到轴承的距离，L=100mm，d=36mm ，可以计算出 =31.7MPa，同样可以根据扭矩公式计算出飞轮截面受到的扭转应力，计算结果是 12.08MPa。根据式 (5-4)同样可以就算出 e=34MPa，可以查找相应参考书得到，它与轴的材料有关，这里选用的轴是碳素刚，可以查得 =45MPa，因此 e，飞轮轴满足强度要求，结构设计合理。这里的计算根据飞轮轴上直径最小的部分计算校核，因此飞轮轴整体也满足校核的要求。5.5 本章小结本章对实验台进行了整理的结构设计，并对滚筒轴和飞轮轴进行了校核。根据已经计算出的滚筒、飞轮及选择的零部件，将实验台的整体结构进行了设计。根据汽车的重量及滚筒的结构对滚筒承受的载荷进行了分析和计算，并对滚筒轴进行了校核。再根据飞轮计算出的质量也对飞轮轴进行了计算以及校核。结 论本设计根据 ABS 系统的工作原理，并结合现代已存在的各种汽车性能检测实验台的结构和原理，确定了 ABS 惯性检测实验台的总体设计方案，并且根据实验台的要求及检测车辆的重量的条件选择合理的驱动部件、联轴器及轴承，再根据选择的各个零部件及实验台的要求对滚筒、飞轮进行了结构的设计及尺寸的计算，并对实验台进行了整体的结构设计，最后对滚筒轴和飞轮轴进行强度校核，并运用 AutoCAD 软件绘制出主要零部件的工程图和装配图。本实验台设计结构合理，符合实际应用，具有很好的稳定性和经济性，实验台的驱动部件及各个零部件的设计能尽量满足零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化及汽车检测的要求，修理、保养方便，机件工艺性好，制造容易。但此设计过程仍有许多不足，在设计结构尺寸时，有些设计参数是按照以往经验值得出，这样就带来了一定的误差。另外，在某些方面，由于时间问题，做得还不够仔细，恳请各位老师同学给予批评指正。参考文献1刘建房，李以农，郭旭，谢敏松.汽车 ABS 动态试验台的开发设计. 重庆大学学报，2006，29(12):1-4.2魏胜. 汽车 ABS 测试系统的开发与试验研究. 吉林大学硕士学位论文，2005.3林秀君，林怡青，彭美春，刘小康，