惯性式汽车制动器试验台总体设计

天津工业大学

毕业设计（论文）

题目：惯性式汽车制动器试验台总体设计

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指导教师

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二○一四年六月一日

第一章绪论

1.1汽车制动器试验的必要性和意义

1.1.1汽车制动器试验的必要性

随着我国汽车工业的飞速发展和汽车保有量的急剧增加，汽车安全问题越来越引起我国政府和广大民众的高度关注。

众所周知，制动器是保证汽车安全形式的重要部件之一，而制动器的一对摩擦副——制动盘和摩擦垫块或制动鼓与制动蹄，是制动器中的关键配件，其摩擦磨损性能对汽车的制动性能起着十分重要的作用。

随着国家对汽车总成、零部件质量重视程度的逐步提高，汽车制动器试验任务不但增加，而且急需增加制动器试验能力。虽然目前国内外有一些制动器试验设备，但由于此类设备属于非标准设备，其试验侧重点、试验方法和控制手段各异，无法满足企业实际需求，因此，自主研制汽车制动器试验台势在必行。1.1.2汽车制动器试验的意义

制动器是汽车安全行驶的重要部件之一，其性能的好坏对汽车的行驶安全及动力性能发挥都有着很大的影响。通常，制动器性能都要根据权威机构制定的试验标准来进行测试。通常的试验方法有小样试验和惯性台架试验等。小样试验要进行制动尺寸模拟和形状模拟，因而准确度不高，但是成本相对较低，常用于摩擦材料的分级、质量控制以及新产品的开发。台架试验是制动器质量检测中最具有权威性的试验，能够相当真是的反映制动器的工作特性，已经逐渐成为制动器质量检测的主流。

目前，国产台架试验机普遍存在控制方法相对落后、控制精度不高、关键数据采集和处理精度不够等问题，而国外进口的同类设备价格昂贵，有些甚至达到国产试验机的几倍到十几倍。因此，应用先进控制理论和控制方法，提高制动器台架试验机的控制精度，开发具有自主知识产权的高水平试验机有着非常重要的现实意义。

1.2国内外汽车制动器试验台系统简介

汽车制动器的台架试验是用模拟汽车制动过程，以台架试验的方式来测试制动器的制动效能、热稳定性、衬片磨损以及强度等项性能。目前世界上通用的方法是用机械惯量或电惯量来模拟制动器总成的制动工况，从而测试其各项性能。本试验台主要针对是轻型轿车的制动器试验。

1.2.1国外汽车制动器试验台简介

在我国影响比较大的国外汽车制动零部件试验台公司有日本的HORIBA公司

（收购了德国SCHENCK公司）和美国的LINK公司。

LINK1620型压缩性能试验机是对摩擦材料的压缩性、热传到、热膨胀进行测试的专用设备，是对产品制造过程质量监控的主要设备之一，该设备能够提高产品的稳定性，提高公司的研发能力，使试验数据能够和欧美试验设备数据同步，使产品能够进入先进国家的汽车市场。

LINK3900型NVH汽车制动器惯量试验台。该试验台是当前世界上制动器的权威测试设备，可以提供温度及湿度控制以及制造极端试验环境，如温度可以控制在－20℃至+40℃；湿度可以控制在20%—90%(HR)，可以按照美国联邦法规FMVSS135、美国汽车工程师协会SAE、欧洲ECE、AK-Master、日本JASO系列标准以及通用、福特、德国大众、日本本田等国际著名汽车公司标准对汽车摩擦材料和制动系统进行噪音和性能测试，其测试方法和结果被欧美等汽车发达国家广泛认可，并被指定为定点测试设备。

LINK3801试验机是用于车辆制动系统道路试验的智能化数据采集和分析处理系统，主要对跑车过程中的噪音振动和摩擦性能进行测试。

1.2.2国内汽车制动器试验设备简介

我国现行法规及标准中，对制动系统及试验装置的形式、功能、技术参数、精度等未做统一规定；只对制动摩擦衬片试验的定速试验机做了统一规定，并推荐东风汽车公司设备厂生产制造的D-MS定速式摩擦试验机供全行业选用。

近年来，随着汽车工业的迅速发展、试验手段的不断完善，国内的汽车制造厂、制动专业厂、保修单位、研究机关所用的设备，如制动器性能和强度试验台、制动主缸试验台、制动轮缸试验台、制动气室和弹簧制动气室试验台等，大多根据需要自行设计和研制。

吉林工业大学自行设计和联合研制的JF132与NT11型单端制动器试验台，主要用于轿车盘式、鼓式及轻型汽车制动器及摩擦衬片的性能测试，具有优良的模拟性和数据重现性，被欧洲及全世界摩擦材料和汽车制造厂商所认可，成为一种权威性的测试设备。该设备可以按照欧美日等汽车发达国家标准对摩擦材料的摩擦磨损性能进行测试。

重庆汽车研究所研制了多种气压、液压制动系统试验台，已形成系列产品。东风汽车公司、一汽长春汽车研究所也都根据自己的需要研制了多种制动系统试验台。随着技术的进步，我国汽车制动器试验台制作水平越来越高，其控制与数据处理基本实现了计算机化，试验台的功能更加自动化。

通过对国内外试验设备的研究，研制符合中国汽车企业自身要求的制动器试验台架，使其更好地模拟制动器的实际使用模式和环境条件，更真实的反映制动器性能，从而提高制动器研发水平，提升制动技术，发展摩擦材料理论。研制高水平制动器试验台架，还可以提高制动器测试技术，提高试验台架的设计水平，

特别对制动器产品的研发、质量控制以及整车制动性能的提高都有十分重要的意义。

1.3相关技术概述

1.3.1制动器结构与工作原理

制动器一般分为盘式和鼓式两种形式。盘式制动器一般采用浮动钳盘式结构，固定原件为横跨制动盘两侧的制动钳，制动钳上没有制动轮缸、活塞和摩擦垫块。制动钳支承在前桥转向节上，摩擦垫块通过导向件悬装在制动钳上，可轴向移动。在制动过程中，制动钳内活塞移动，使摩擦垫块压向随车轮一起旋转的制动盘，产生摩擦制动力矩使汽车减速直至停车。

鼓式制动器工作原理基本相似。它是靠轮缸活塞推动制动蹄片与制动鼓产生摩擦来实现制动的。盘式制动器和鼓式制动器在结构上的最大区别在于：鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其摩擦工作表面为圆柱面；盘式制动器摩擦副中的旋转元件为以端面工作的金属圆盘即制动盘。

由于盘式制动器热稳定性、水稳定性以及抗衰减性能比鼓式制动器好，可靠性和安全性也高，因而得到广泛应用。但是盘式制动器效能低，无法完全防止尘污和锈蚀，兼做驻车制动时需要较为复杂的手驱动机构，因而在后轮上的应用受到限制，大部分车是采用前盘后鼓的制动系统组成。

电动汽车和混合动力汽车引入了新的制动理念。它是把制动需要消耗的能量用于驱动发电机向蓄电池反向充电，既达到了制动的目的，又节约了能源，是一种非常科学的制动理念。其电制动系统制动器是基于传统的制动器，也分为盘式电制动器和鼓式电制动器。鼓式电制动器由于制动热衰减性大等缺点，将来汽车上会以盘式电制动器为主。

1.3.2制动器性能要求

国标QC/T582-1999、QC/T239-1999对轿车以及货车、客车制动器性能提出了明确要求。

制动器性能试验评价指标有：

（1）第一次衰退率

F

1a

=

1min

1

B B

B

M M

M-

?100% (1-1) 式中：M——第一次衰退试验中，第一次制动时的制动力矩值，N.m；

M——第一次衰退试验中，第二次至第十次制动时的制动力矩的最小值，N.m；

该指标考核制动器在多次连续使用时制动力矩的衰变；

（2）第二次衰退率

F 2a =%100)()()(min max ?-P

M P M P M B B B (1-2) 式中：（M B /P ）max ——第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最大值；

（M B /P ）min ——第二次衰退试验中，单位管路压力的制动力矩最小值； 该指标考核制动器经过第一次衰退和恢复试验后，单位管路压力的制动力矩变化。

（3）恢复差率

恢复试验中，最后一次制动力矩与基准制动力矩的差值：

R=%100)()()(?-J

B end B J B M M M (1-3) 式中：(M B )J ——衰退恢复试验前，基准试验时的三次制动力矩平均值；

(M B )end ——恢复试验中最后一次制动力矩值；

该指标重点考核制动器在多次连续使用，冷却后的恢复能力。

（4）速度稳定性

试验中，在额定制动管路压力下，不同制动初速度时的制动力矩差值： %100)(?-=-n

m n n m st M M M V (1-4) 式中：V )(n m st -——车速m(km/h)与n(km/h)相比的速度稳定性，%；

M m 、M n ——效能试验中，在额定制动管路压力下，车速分别为m ，n 时的制动力矩；

该指标考核制动器输出制动力矩的速度稳定性。

做完全部规定的试验项目后，制动器应工作正常。

1）制动鼓或制动盘工作表面应无刮伤；

2）制动底板或制动钳应无影响制动器性能的变形；

3）制动衬片应完整、无脱层、无烧焦现象，允许有轻微裂纹；

4）制动轮缸应无渗漏现象。

1.4本文研究的主要内容

由于目前制动器台架试验已广泛应用于各种汽车，尤其是在轿车和客车领域得到了迅猛发展，但是传统的制动器试验台基本上已经无法满足检测要求，针对这种情况，本次设计就是在这方面作了一些尝试，设计了一种惯性式制动器试验台，主要工作如下：

1）总体方案拟定；

2）主要结构设计；

3）移动滑台系统设计；

4）机械系统的设计及装配图和零件图的绘制；

5）设计说明书和使用说明书的编写。

第二章试验台总体方案拟定

2.1基本原理

2.1.1模拟原理：

通常，惯性试验台是将整体的制动器安装在试验台架上，采用飞轮或电模拟惯量蓄能，按照规定的方法模拟汽车的实际制动过程，测量制动器总成的制动能效、热稳定性、衬片磨损以及强度等性能，从而得到制动器摩擦和磨损性能的数据。

制动时，汽车的动能包含汽车平移质量运动的动能和旋转机件旋转时所储存的动能两部分。惯性试验台采用旋转的惯性飞轮模拟汽车的上述两部分动能，并略去非制动器的制动作用来进行制动器总成试验。台架试验中，要使被试制动器总成与装在汽车上的制动器总成的工作状态相同，工作负荷相同。

2.2.2试验台工作原理：

1）电动机经过变频器调节转速后带动主轴转动。

2）主轴通过联轴器与飞轮轴相连接，直接驱动制动器总成。

3）制动器与飞轮轴用联轴器连接，飞轮用来模拟汽车行驶过程中的惯性质量。将不同的飞轮组合在一起可以模拟不同惯性质量（对应不同的车型或相同车型不同的载质量）。

4）固定制动器的滑台通过底板上的滑轨，间隙配合，滑轨起导向作用，固定制动器的滑台可以沿导轨做直线运动。

5）移动滑台与后面的挡板通过四根丝杠相连，用来调节移动滑台的位置，实现对制动器的固定和加载。

6）移动滑台上装有测力臂等机构，通过传感器系统可以测量汽车制动过程中的制动力矩。

2.2方案比选

目前，国内外汽车制动检测线上最常用的制动检测设备是反力式滚筒制动试验台。

但反力式滚筒制动试验台检测时，是将汽车放置在试验台上，汽车不动，只是滚筒带动车轮转动，是一种静态检测，不能检测汽车动态制动情况下的制动力。检测车速较低，一般在5km/h以下，且只有一个固定的车速。因此，测得的制动性能不能更好的反应出实际效果。

随着对制动器性能要求的不断提高，需要一种新的检测方法来检测汽车的制动性能，惯性式制动器试验台就是一种模拟道路行驶动能检测车辆制动性能的装

置。因此惯性式试验台的转速比反力式滚筒的转速高的多，速度一般都大于40km/h，检测结果更加可靠和可信。

本次设计就是设计一种主要用来检测轿车制动器制动性能的惯性式制动试验台。

目前惯性式制动试验台主要有两种，一种是整车检测，一种是制动器检测；而整车检测试验台也有两种，一种是平板式的，一种是滚筒式的。其中平板式制动试验台具有操作和安装简单，维修方便等优点，但也有致命的缺点，主要有如下几方面：

1）测试的重复性不好；

2）安全性差，若附着性能不好，汽车容易跑车，而造成事故；

3）检测技术也不成熟，定量分析以及传感技术和计算机后处理的要求很高，有待于电子技术的进一步发展。

而滚筒式制动试验台却没有这些缺点，它最大的缺点就是由安置角引起的，会因为轮胎直径的变化而引起检测结果的误差。因此在这些问题没有解决前还没有一种是最好的检测方法。

为此，设计了一种简便的惯性式汽车制动器试验台，它是以单独检测制动器的制动性能为目的，避免了上述几种方案的缺陷，设备和试验操作更加简单可靠。

2.3制动器试验设备组成

通过对试验设备的分析可知，制动器试验设备一般由试验、传动、加载、控制、测量等5部分组成。

（1）试验系统

这一部分是试验台最基本的部分。

（2）传动系统

传动部分由电机和传动系统组成，使制动器的对配件具有适当的速度（转速）和足够的力矩。

（3）加载系统

为试验部分提供所需的压力、制动管路压力等。加载方式可以是液压、气动等方式。

（4）控制系统

一般由电控系统组成，实现按一定程序控制试验台完成预定目的的试验。具体包括转速控制、加载控制、测量控制、试验条件控制（如冷却、加热等）和数据采集控制等。

（5）测量系统

实现对转速、压力、温度、摩擦力矩等的测量。通过测量，进而计算出摩擦系数等。

第三章 惯性式制动器试验台设计

3.1汽车制动过程简化模型

图3-1 汽车制动过程

总重量为W 的汽车，以速度0V 在水平路面上行驶，此时开始制动，使车速由0V 下降到1V ，如图3-1所示，则车辆的动能变化量可表示为：

t d A E E E += =2

)(2)(21202120ωω-+-a I v v m (3-1) =))((1800221202

a I mr n n +-π 式中：A E ——制动过程车辆动能变化量，J ；

d E ——车辆直动动能变化量，J ；

t E ——旋转零件动能变化量，J ；

0V ，1V ——车辆制动初始和结束时的车速，m/s ；

0n ，1n ——车辆制动初始和结束时的车轮转速，r/min ；

0ω，1ω——车辆制动初始和结束时的车轮角速度，rad/s ；

g ——重力加速度，2s m ；

r ——车轮滚动半径，m ；

a I ——换算到制动轴上的等效转动惯量，

m ——车辆的总质量，kg 。

为了简化计算，设汽车质量为m ，以速度为v 行驶的汽车制动停止，忽略道

路、空气等阻力，制动器通过制动衬片与制动盘的摩擦，将车辆的动能转化为摩擦功，并使车辆停止，则式3-1简化为：

t d A f E E E W +== ＝)(180022

2a I r m n +车轮车π （3－2）

式中：f W ——制动器摩擦功；

车m ——汽车质量；

车轮r ——车轮滚动半径；

车n ——车轮转速；

a I ——换算到制动轴上的等效转动惯量。

这些能量最终变成热量作用于制动盘/鼓和制动衬片上。

3.2惯性式制动器试验台设计思路

惯性式试验台的设计思路是利用惯性飞轮旋转的惯量来模拟汽车实际制动时的能量变化。

图3-2 惯性试验台制动过程

1－制动盘 2－制动器 3－飞轮

如图3-2所示，旋转质量的动能可表示为： 22

21800

21飞飞飞飞n I I W πωω== (3-3) 式中：ωW ——惯性飞轮储存动能；

飞I ——惯性飞轮惯量；

飞ω——惯性飞轮转动角速度；