第二章 滚筒惯性式制动检测试验台设计方案
2.1 采用滚筒惯性式制动检测平台原因简述
按测试原理不同，制动试验台可分为惯性式、反力式和平板式三类，目前应用比较广泛的是滚筒惯性式汽车制动试验台，因为其测试条件固定、重复性好、结构简单、操作安全性能好。而本次研究采用滚筒惯性式制动试验台是在符合课题要求下，基于其简单和操作性好的特点进行设计的。
汽车惯性式制动检测试验系统通过模拟汽车制动过程，大体由电动机、传动机构、主动轴及从动轴、连接法兰、控制与测试系统等组成。汽车惯性式制动器试验系统中，惯性式汽车制动器试验台是主体。目前常用的惯性式汽车制动器试验台有单轮、双轮和四轮等形式，本文研究的是双轮惯性式制动器试验台。、
2.2 滚筒惯性式制动试验台总体结构设计
图2-1 滚筒惯性式制动试验台总体结构图
1、链轮 2、滚筒 3、圆编码器 4、电机 5、减速箱 6、离合器 7、链条
2.3 机械结构特点分析
(1)采用离合器实现滚筒与电机的断开，操作方便；
(2)用同一个电机控制，且离合器、减速器与参与链传动的齿轮位于同一轴上，并且使对应齿轮齿数相等，大小参数相同可实现左右车轮的转速相等；
(3)用链传动的方法使传动不会打滑，且过程稳定，减少实验过程的冲击，有益于实验结果的准确性；
(4)本装置采用单电机驱动，与双电机驱动相比，一方面减少经济支出，另一方面不需要采用变频器或PID控制使两个电机的转速相同，降低技术要求；但是需要增加两个离合器使两边的制动检测过程分别进行。
2.4 滚筒惯性式制动试验台组成及装置选取
滚筒惯性式制动试验台主要由框架、驱动装置、滚筒装置、测量装置和指示与控制装置等组成。
2.4.1 滚筒装置：
图2-2 稳定状态下车轮受力分析图
注： O1--前轮筒中心 O2--后轮筒中心 O3--车轮中心
滚筒组相当于一个活动的路面，来承载被检的车辆，承受和传递制动力。车轮制动力测试单元由一对直径相同的主、从动滚筒组成。每个滚筒的两端分别用滚动轴承与轴承座支承在框架上，且保持两滚筒轴线平行。
为防止车轮在滚筒上打滑，可以提高滚筒表面的附着系数。附着系数与滚筒表面的材质和形状有关，滚筒采用高硅合金铸铁、金属网石英颗粒涂塑等材质和先进的粘砂工艺，附着系数可以达到0.7，从而避免车轮打滑现象提高试验台测力能力。
（1）圆筒尺寸的确定
当质量为M的卡丁车在车速vo时刹车时，系统总能量表达是为：
总能量=人和车的平动动能+两个轮子的转动动能 即: E?其中 vo??轮D212(M人?M卡)vo?2(212J轮?轮)
2?20km/，hM人?60kg，M卡?150kg，D?400mm
如果忽略两个车轮转动动能，最后得到卡丁车运动时的总能量为：
E?3240.74J
又因为 E筒?E?4?12J1?2筒
vor)2 ?2J1?2筒?2J1(12
因为所用的圆筒为实心圆柱，假定一个滚筒质量为m，则转动惯量可近似为：
J1?mr2
vor则
E?2?化简求得一个滚筒的质量： m?1212mr(2)?mvo22
(M人?M)?105 kg卡假定用合金钢材料制作滚筒，密度为 ??7.7?103kg.m?3， 在此规定滚筒的长度
l筒?0.30m
则根据公式m???r2l筒可确定滚筒半径为：
r?m?0.1203m
??l筒（2）滚筒中心间距的确定
由此以上图示位置关系可得安置角公式??arcsinL2(R?r)，由此可看出滚筒
直径、车轮直径和滚筒中心距是制动台结构的主要参数。
车轮在滚筒上的安置角是指车轮与滚筒接触点的切线方向与水平方向的夹角，经查阅资料及由经验值可知道，当安置角??36.87?为滚筒的最佳安放位置，故带入上式中得到，滚筒中心距L?0.3844m。其中，车轮半径R?D/2?0.2m。
（3）试验台滚筒设计尺寸
参数名称 参数值 滚筒半径 滚筒长度 滚筒中心距 滚筒安置角 120.3mm300mm 384.4mm36.87 ?2.4.2 驱动装置
滚筒惯性式制动试验台驱动装置由电动机、减速器和链传动机构组成，下面将对这些机构进行参数确定。 （1）电机型号的选取
驱动滚筒的电机功率是根据车轮对滚筒的最大制动力和滚筒的线速度选择的，因而要选取合适的电机，就要对制动试验台进行力学分析。
当汽车作行车制动时，各轴车轮都产生制动效应。受检轴车轮将对滚筒产生制动阻力，滚筒则对车轮作用反作用力F1与F2（如图2-2所示）。驱动滚筒的电机功率是根据车轮对滚筒的最大制动力和滚筒的线速度选择的，它足以克服车轮制动时的阻力。在整个制动过程中，滚筒对车轮的反作用力与车轮的制动力相平衡。因此，通过驱动滚筒的扭力箱、传感器及显示仪表，测量滚筒制动力矩的反力F1与F2的代数和，即为受检轮的制动力。
车轮与前、后滚筒都保持接触是制动测试的初始状态，称为稳定状态。故稳定状态检测时，平衡方程为
?(N1?N2)sin??(F1?F2)cos??FN?0??(N1?N2)cos??(F1?F2)sin??GN?0 ?M?(F?F)R?012?T （1）
式中， N1、N2--前、后滚筒作用于车轮的法向力 F1、F2--前、后滚筒作用于车轮的切向力
FNGNR--非测试轴（其轮与地面附着）对测试车轮的水平作用力 --轮载质量的重力载荷 MT--车轮所受制动力矩
--车轮半径 L--滚筒中心距
r--滚筒半径 ?--安置角
若车轮与滚筒间的附着系数得到充分利用，且均为?，则F1、F2的最大值分别为F1max?N1?、F2max?N2?，代入式（1）解得
GN(sin???cos?)?FN(cos???sin?)?N?2?1(1??)sin2?? ?G(sin???cos?)?F(cos???sin?)N?N?N22?(1??)sin2??
（2）
车轮所受最大制动力为
Fmax??(N1?N2)??(GN??FN)(1??)cos?2 （3）
又有卡丁车和人总质量M?210kg，则轮载质量的重力载荷GN?2058N，车轮与滚筒间的附着系数为??0.7，代入公式（3）中可求得车轮所受最大制动力，再可由电机功率计算公式P?Fmaxv0，其中滚筒线速度等于车速v0?20km/h，可以得到选用电机的功率大约为5.5kW，因而试验台选用5.5kW的三相异步电机，同时选用继电器来用于三相异步电机的控制。所选电机具体参数如下：
型号Type Y132S1-2 功率Output（kW） 5.5 马力（hp） 7.5 电流Current（A） 11 转速Speed（r/min） 2900 效率 Efficiency ?（%） 85.5 功率因数Power Factor （cos?） 0.88
堵转转矩LRT (额定转矩RLT) 2.0
堵转电流LRA (额定电流RLA) 7.0 图2-3 Y132S1-2三相异步电机 重量Weight（kg） 68
图2-4 Y132S1-2型三相异步电机安装形式图
（2）减速箱的传动比确定
由于滚筒线速度等于车轮线速度也等于车速，故可求得滚筒角速度为
?筒?v0r?58.4rad/s，即滚筒转速为557r/min。
2900r/min557r/min?5.2。
因而可得减速箱的传动比为 ???机?筒?