汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構(gòu)的設(shè)計

尹 健，劉松凱

（中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構(gòu)的設(shè)計

尹 健，劉松凱

（中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

針對具有大慣量飛輪的變速箱綜合性能試驗中制動系統(tǒng)的重要性，提出了從慣量飛輪制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制動器類型選取到慣量飛輪制動系統(tǒng)核心參數(shù)（制動力、制動時間、制動盤直徑等）確定的一整套方法。并且將理論計算及實際測試結(jié)果進行對比，通過對比試驗數(shù)據(jù)的驗證，為汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構(gòu)的設(shè)計提供了參考方法。

變速箱；試驗臺；慣量飛輪；制動；氣動制動器

0　引言

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車變速箱是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到傳動系統(tǒng)的性能, 關(guān)系到整車的動力性、燃油經(jīng)濟性及駕駛舒適性等方面的性能。因此, 研制能夠準確檢測變速器整體裝配質(zhì)量的試驗設(shè)備, 已經(jīng)引起了國內(nèi)外各大汽車制造商的普遍重視[1]。汽車變速箱綜合性能試驗臺是變速箱裝配完畢后其性能檢測的最關(guān)鍵設(shè)備，為了在測試中更接近變速箱的工作實況，在試驗臺的設(shè)計中往往會加入大轉(zhuǎn)動慣量的慣量飛輪，在變速箱測試結(jié)束后，如何使隨動高速轉(zhuǎn)動的慣量飛輪在短時間內(nèi)更有效的停止下來對于變速箱試驗臺是一項重要指標，對于整個變速箱試驗變亦尤為重要。

1　慣量飛輪制動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺設(shè)計中，綜合考慮變速箱的工作實況，設(shè)計中參考參考文獻[2]，對試驗臺慣量施加部分進行計算設(shè)計，得出試驗臺慣量飛輪直徑為450mm，飛輪部分厚度為200mm，整體質(zhì)量為204.2kg，其轉(zhuǎn)動慣量為6.3kg.m2。將慣量飛輪、制動盤、制動器、制動盤防護罩、編碼器等按如圖1所示裝配構(gòu)成慣量飛輪制動機構(gòu)。

由圖1可知，慣量飛輪由其兩端伸出軸端所在的軸承座支撐，慣量飛輪左端伸出軸端上串聯(lián)制動盤連接套，制動盤固定于連接套上，制動盤裸露部分由制動盤防護罩遮擋，防護罩開口處插入氣動鉗式制動器將制動盤含在其兩鉗之間，機構(gòu)尾部串聯(lián)編碼器隨時獲取慣量飛輪轉(zhuǎn)速。整體結(jié)構(gòu)充分滿足功能需要，且簡單易于裝配和拆裝維護。

2　慣量飛輪制動形式選擇

試驗臺中慣量飛輪由分布在其兩側(cè)的軸承座對于飛輪兩端伸出的軸端支撐。這種設(shè)計在保證慣量飛輪在低阻力高速轉(zhuǎn)動的同時也對于飛輪的停動提出了要求。為此，試驗臺必須引入制動系統(tǒng)進行制動，由此制動器的合理選擇成為試驗臺合理設(shè)計的一項重要標準。

制動器主要有摩擦式、液力式和電磁式等幾種形式。電磁式制動器雖有作用滯后性好、易于連接而且接頭可靠等優(yōu)點，但因成本高，只在一部分總質(zhì)量較大的商用車上用作車輪制動器或緩速器，液力式制動器只用作緩速器，目前廣泛使用的仍為制動器多為摩擦式制動器。摩擦式制動器按其旋轉(zhuǎn)元件的形狀分為鼓式和盤式兩大類[3]如圖2所示。

圖2　制動器的分類

盤式制動器的制動鉗的左右兩側(cè)分布兩個摩擦片，摩擦片受驅(qū)動力壓向制動盤發(fā)生摩擦進行制動。由于盤式制動器構(gòu)造簡單、重量輕、散熱快、調(diào)整方便等自身特點，又由于試驗臺慣量飛輪與制動盤通常采用串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)特點，考慮到氣動制動器制動力可以滿足制動要求，因此氣動盤式制動器最符合試驗臺的結(jié)構(gòu)要求。

3　慣量飛輪制動系統(tǒng)的計算

3.1系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量計算

機構(gòu)的制動性能與整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、制動器的制動力、飛輪的轉(zhuǎn)速等參數(shù)密切相關(guān)。

整個試驗臺系統(tǒng)的總的轉(zhuǎn)動慣量為：

式中J0為慣量飛輪轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；

J1為檢測中變速箱軸齒的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；

J2為設(shè)備中隨動部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。

由式(2)可知，物體轉(zhuǎn)動慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，物體的轉(zhuǎn)動半徑越大轉(zhuǎn)動慣量越大，且成平方關(guān)系，通過對試驗臺及變速箱內(nèi)軸系的外形結(jié)構(gòu)分析，系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量中慣量飛輪占絕大部分，由此，在分析問題時式(1)可近似簡化為式(3)。

3.2制動時間計算

制動機構(gòu)的制動力矩可由下式確定：

式中T為制動力矩，N.m；

α為慣量飛輪(制動盤)的角加速度，m.s-2。

其中：

t為變化時間，s。

因為在試驗中，制動器主要作用在于停止高速轉(zhuǎn)動的慣量飛輪，所以式(5)中的可視為停止前慣量飛輪的初速度由此可知：

又由：

式中n為慣量飛輪(制動盤)的轉(zhuǎn)速，n.s-1。

由式(6)、式(7)可知：

綜上可知制動機構(gòu)的制動力矩為：

由此可得慣量飛輪的停止時間歷程t為：

由下式可知制動力矩：

式中F為制動力，N；

D為制動盤直徑，m。

由上述公式可知控制系統(tǒng)停車時間與慣量飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、慣量飛輪轉(zhuǎn)速、制動力及制動盤直徑緊密相關(guān)。

3.3制動器的選擇

由3.2節(jié)可知控制系統(tǒng)停車時間與慣量飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、慣量飛輪轉(zhuǎn)速、制動力及制動盤直徑緊密相關(guān)。其中制動力大小及制動盤尺寸為制動器選取設(shè)計的重點。

考慮到實際變速箱試驗停車時間可設(shè)定為10s，又由慣量制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)限制，設(shè)計制動盤直徑為280mm，厚度10mm。

實際測試中停車前試驗轉(zhuǎn)速為2000n.s-1，通過建模分析J0=6.3kg.m2。

由式(9)、式(11)可知制動力為：

將上述參數(shù)帶入式(12)中可得所需制動力為942N。

鑒于試驗現(xiàn)場氣源一般為4～6bar，在選擇氣動制動器品牌為Coremo Ocmea時，可選用MPA-05型，及在6bar氣源條件下，制動力為1516N。在上述參數(shù)條件下，根據(jù)文獻[4]計算制動器的發(fā)熱數(shù)據(jù)對比選用制動器的散熱功率可知，在制動時，制動盤的發(fā)熱在可允許的范圍之內(nèi)，即所選取的制動器同時也滿足工作時的溫度要求。制動器確定后，理論計算數(shù)據(jù)及實際設(shè)計慣量飛輪制動機構(gòu)制動數(shù)據(jù)如表1所示(慣量飛輪轉(zhuǎn)動慣量為：6.27kg.m2)。

表1　試驗臺慣量飛輪系統(tǒng)制動時間對比表

4　結(jié)束語

介紹了變速箱綜合性能試驗臺中慣量飛輪制動系統(tǒng)的設(shè)計過程，并著重研究了制動器的類型選擇、制動力的大小的選取、制動時間以及制動盤的直徑確定等制動系統(tǒng)核心參數(shù)的設(shè)計過程。

通過所研究確定的設(shè)計參數(shù)，對比試驗數(shù)據(jù)，完全符合實測結(jié)果。

由此，所提出的設(shè)計過程可作為變速箱綜合性能試驗臺中慣量飛輪制動系統(tǒng)設(shè)計的一般方法。

圖3　現(xiàn)場應(yīng)用情況

[1] 謝峰,盛軍,劉波,林巨廣.汽車變速器在線加載試驗臺可變加載裝置的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2007(07):46-49.

[2] 林巨廣,江宏勇,蔡高坡.空載試驗臺飛輪系統(tǒng)設(shè)計及其模態(tài)分析[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2013(03):84-86.

[3] 魏義.汽車制動器總成制動性能試驗臺測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D].合肥:合肥工業(yè)大學.2008:7-8.

[4] 韓建榮,翁建生.盤式制動器的熱分析[J].機械設(shè)計與制造. 2008(10):180-181.

Design of the inertia flywheel breaking mechanism of the transmission test bench

YIN Jian, LIU Song-kai

U463.51

A

1009-0134(2016)02-0123-03

2015-10-20

尹?。?983 -），男，遼寧沈陽人，助理研究員，工學碩士，研究方向為自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)。