汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構的設計

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的設計

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的重要性，提出了從慣量飛輪制動系統的結構設計、制動器類型選取到慣量飛輪制動系統核心參數（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果進行對比，通過對比試驗數據的驗證，為汽車變速箱試驗臺慣量飛輪制動機構的設計提供了參考方法。

變速箱；試驗臺；慣量飛輪；制動；氣動制動器

0　引言

汽車工業是我國國民經濟五大支柱產業之一，汽車變速箱是汽車傳動系統的重要組成部分，其性能的優劣直接影響到傳動系統的性能, 關系到整車的動力性、燃油經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量的試驗設備, 已經引起了國內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鍵設備，為了在測試中更接近變速箱的工作實況，在試驗臺的設計中往往會加入大轉動慣量的慣量飛輪，在變速箱測試結束后，如何使隨動高速轉動的慣量飛輪在短時間內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　慣量飛輪制動機構的結構設計

試驗臺設計中，綜合考慮變速箱的工作實況，設計中參考參考文獻[2]，對試驗臺慣量施加部分進行計算設計，得出試驗臺慣量飛輪直徑為450mm，飛輪部分厚度為200mm，整體質量為204.2kg，其轉動慣量為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所示裝配構成慣量飛輪制動機構。

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，機構尾部串聯編碼器隨時獲取慣量飛輪轉速。整體結構充分滿足功能需要，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的軸承座對于飛輪兩端伸出的軸端支撐。這種設計在保證慣量飛輪在低阻力高速轉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進行制動，由此制動器的合理選擇成為試驗臺合理設計的一項重要標準。

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點，但因成本高，只在一部分總質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分布兩個摩擦片，摩擦片受驅動力壓向制動盤發生摩擦進行制動。由于盤式制動器構造簡單、重量輕、散熱快、調整方便等自身特點，又由于試驗臺慣量飛輪與制動盤通常采用串聯連接的結構特點，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構要求。

3　慣量飛輪制動系統的計算

3.1系統的轉動慣量計算

機構的制動性能與整個系統的轉動慣量、制動器的制動力、飛輪的轉速等參數密切相關。

整個試驗臺系統的總的轉動慣量為：

式中J0為慣量飛輪轉動慣量，kg.m2；

J1為檢測中變速箱軸齒的轉動慣量，kg.m2；

J2為設備中隨動部分的轉動慣量，kg.m2。

由式(2)可知，物體轉動慣量只決定于剛體的形狀、質量分布和轉軸的位置，物體的轉動半徑越大轉動慣量越大，且成平方關系，通過對試驗臺及變速箱內軸系的外形結構分析，系統的總轉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)的轉速，n.s-1。

由式(6)、式(7)可知：

綜上可知制動機構的制動力矩為：

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停車時間與慣量飛輪的轉動慣量、慣量飛輪轉速、制動力及制動盤直徑緊密相關。

3.3制動器的選擇

由3.2節可知控制系統停車時間與慣量飛輪的轉動慣量、慣量飛輪轉速、制動力及制動盤直徑緊密相關。其中制動力大小及制動盤尺寸為制動器選取設計的重點。

考慮到實際變速箱試驗停車時間可設定為10s，又由慣量制動機構結構限制，設計制動盤直徑為280mm，厚度10mm。

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

由式(9)、式(11)可知制動力為：

將上述參數帶入式(12)中可得所需制動力為942N。

鑒于試驗現場氣源一般為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。在上述參數條件下，根據文獻[4]計算制動器的發熱數據對比選用制動器的散熱功率可知，在制動時，制動盤的發熱在可允許的范圍之內，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，理論計算數據及實際設計慣量飛輪制動機構制動數據如表1所示(慣量飛輪轉動慣量為：6.27kg.m2)。

表1　試驗臺慣量飛輪系統制動時間對比表

4　結束語

介紹了變速箱綜合性能試驗臺中慣量飛輪制動系統的設計過程，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核心參數的設計過程。

通過所研究確定的設計參數，對比試驗數據，完全符合實測結果。

由此，所提出的設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設計的一般方法。

圖3　現場應用情況

[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,2007(07):46-49.

[2] 林巨廣,江宏勇,蔡高坡.空載試驗臺飛輪系統設計及其模態分析[J]. 組合機床與自動化加工技術,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關鍵技術的研究 [D].合肥:合肥工業大學.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

尹健（1983 -），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線的應用與開發技術。