平板式汽車制動試驗臺設(shè)計

姚勝利 韋澤富 張康康 馬玲玲

摘 要：針對國內(nèi)現(xiàn)有的滾筒式汽車制動試驗臺靜態(tài)檢測，無法真實反映汽車在實際行駛過程中制動現(xiàn)象的局限性，設(shè)計一種制動過程與汽車實際路試時的制動過程較為接近，能反映車輛的實際制動性能的平板式汽車制動試驗臺。該試驗臺是一種動態(tài)的檢測設(shè)備，不需要模擬汽車轉(zhuǎn)動慣量，集側(cè)滑與軸重檢測于一體，大大提高了測試效率。本設(shè)計通過對整備質(zhì)量小于3.5t的各類車型包括從A級車到E級車尺寸的研究，經(jīng)過大量的計算，確定了制動檢測臺的整體尺寸，然后確定設(shè)備的選型及材料的選用，最后對關(guān)鍵部件做了剛度、強度以及撓度等的校核。制動板底部采用梯形槽定位、滾珠滑動的方式是該設(shè)計中一個創(chuàng)新點，是在現(xiàn)有的滾輪式設(shè)計上做了一定的改進。該平板式汽車制動試驗臺可以快速、準確地檢測出整備質(zhì)量小于3.5t輕型車的制動性能，精度高、可靠性高、使用方便、功能齊全，很好的實現(xiàn)了汽車的動態(tài)檢測。

關(guān)鍵詞：平板式;制動;動態(tài);檢測臺

Abstract： Aiming at the limitation of the existing braking test bench for automobile roll brake that is statically detected and is unable to truly reflect the braking phenomenon of the car during actual driving， A braking test bench for automobile flat brake is designed to reflect the actual braking performance of the vehicle. The test bench is a dynamic testing device， which does not need to simulate the car's rotational inertia， and integrates side slip and axle weight testing， which greatly improves the testing efficiency. In this design，? through the study of the size of various types of vehicles with a curb weight of less than 3.5t， including from A-class cars to E-class cars， after a large number of calculations， the overall size of the Braking Test Bench is determined， and then suitable equipment and materials are selected Checked the stiffness， strength and deflection of key components. A highlight of the design is the use of ball sliding and trapezoidal groove positioning at the bottom of the braking test bench. The braking test bench for automobile flat brake can detect the braking performance of the vehicles with a curb weight of less than 3.5t quickly and accurately. It has high precision， high reliability， convenience， and complete functions， and can well realize the dynamic detection of the automobile.

Keywords： Plat; Brake; Dynamic; Test bench

前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，機動車保有量迅猛增加，隨之帶來的交通事故也在逐年上升，道路交通安全形勢十分嚴峻，國家當前對汽車安全性能檢測十分重視，制動性能又是安全性能檢測中很重要的一環(huán)。對于汽車生產(chǎn)部門來說，把好車輛的出廠檢測這一關(guān)至關(guān)重要，同樣，對于已出場的車輛要做好制動性能檢測工作。

目前，國外的馬哈公司、博世公司、法國的薩基姆公司、申克公司等，這些公司生產(chǎn)的汽車制動性能檢測設(shè)備功能齊全，精度較高，不受溫度的影響，耐磨度高，現(xiàn)代化水平很高。國內(nèi)汽車工業(yè)起步較晚，目前大多采用滾筒式試驗臺，其優(yōu)點是測試條件穩(wěn)定、檢測結(jié)果重復(fù)性好、試驗臺結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、檢測過程迅速安全，不受外界條件限制，但是由于制動時滾筒轉(zhuǎn)速較低，與實際制動狀況相差甚遠，這將使制動協(xié)調(diào)時間延長，也不能正確反映防抱死制動（ABS）系統(tǒng)的功能，另外，汽車是靜止不動的，所以在整個制動過程中不會出現(xiàn)汽車質(zhì)心前移、軸荷的再分配問題，沒有辦法反映出汽車在實際行駛過程中制動時的現(xiàn)象，此外根據(jù)前面對滾筒式汽車制動試驗臺結(jié)構(gòu)和工作原理的分析可以知道滾筒式制動試驗臺檢測結(jié)果受很多方面因素的影響，比如結(jié)構(gòu)參數(shù)（如安置角α、滾筒附著系數(shù)φ、主從動滾筒高度差）的差異對檢測結(jié)果有明顯的影響。

平板式制動試驗臺作為一種汽車在制動過程中的動態(tài)檢測，與車輛實際制動情況相一致，考慮到了因為制動過程中由于軸荷轉(zhuǎn)移而引起的制動力的差異，測量更準確。此外平板式制動試驗臺不需要模擬汽車轉(zhuǎn)動慣量，結(jié)構(gòu)簡單，運動件不需外加動力，用電量少，日常維護工作量小且較容易與輪重儀，側(cè)滑儀組合在一起，從而提高了測試效率，對于車輪抱死、司機對檢測結(jié)果有質(zhì)疑的以及9座以下前驅(qū)乘用車制動性能檢測都可以用該試驗臺進行檢測。

1 工作原理

此次設(shè)計的平板式制動試驗臺如圖1所示，由制動平板、測量顯示系統(tǒng)、踏板力計、制動力傳感器、軸重傳感器、位移傳感器等組成，一共六塊平板， 4 塊為制動板，一塊側(cè)滑板，一塊輔助板。底板是固定與地面的鋼板，面板相對于底板可以滑動。檢驗臺是雙板結(jié)構(gòu)，上層板為承載板，下層板與地面通過地腳螺栓固定。承載板采用面板與槽鋼整體栓接，局部焊接的方式，有效地防止蓋板的變形和翹曲，為增加蓋板表面的摩擦力，在蓋板的上面點焊絲網(wǎng)。

制動板與底板之間安裝制動力、軸重以及側(cè)滑傳感器，在底板的四個角分別安裝軸重、制動力傳感器來檢測輪胎作用于平板的垂直力以及水平力。在制動力傳感器前加一預(yù)推力裝置，通過車輛運動帶動制動板運動從而推動制動力傳感器測量出制動力大小。其次由于軸重、側(cè)滑等的測量會對制動力的測量有一定的影響，應(yīng)采取一定措施防止它們之間相互干擾。

在對汽車制動性能檢測的過程中，先讓車輛通過第一對紅外線開關(guān)，這時啟動計算機程序準備數(shù)據(jù)采集，車輛以 5～10 公里/小時的速度繼續(xù)行駛，依次通過第一對制動板，中間側(cè)滑板以及第二對制動板，當行駛到第二對制動板的時候，駕駛員采取緊急制動，直至停車，由計算機采集下數(shù)據(jù)，通過平板下面安裝的各種傳感器，制動力傳感器、軸重傳感器等測得制動產(chǎn)生的制動力大小，側(cè)滑量以及軸重等參數(shù)，測量結(jié)束后，駕駛員將車輛駛出制動試驗臺，測得試驗結(jié)果顯示并打印。

2 總體尺寸確定

2.1 確定原則

該設(shè)計力求能夠快速、準確地檢測3.5t以下車輛的制動性能，所以收集了各種類型的車輛參數(shù)。收集各類車型尺寸數(shù)據(jù)可知：d=13～22英寸，B=155～290mm，D=530～815mm由以上數(shù)據(jù)可知，1200-290=910，又根據(jù)輪胎寬度155～290范圍內(nèi)，初選平板的寬度為700mm，兩平板之間距離為800mm，驗證如下：一般車輛輪距范圍為1200mm～1800mm，輪距取最小時，要使平板中心跟車輪中心重合，那么1200- 700=500mm，兩平板之間距離為500mm;當輪距為1800mm時，同樣有1800-700=1100mm，綜合兩值初選兩平板之間距離為800mm。輪距取平均值1500mm時平板中心跟輪胎中心重合。

2.2 整體尺寸確定

要使制動過程能很好的在該試驗臺上呈現(xiàn)，測試板的長度L應(yīng)不小于最小長度Ln，Ln的確定公式如下：

根據(jù)上表算得：座位數(shù)≤9、整備質(zhì)量≤4.5t和其它車輛，LP分別為0.9m、1.06m、1.24m，進過計算Ln分別為1.4m、1.53m、1.68m。因此制動板的長度應(yīng)大于等于1.7m。初選800mm的空板長度，5mm的板間間隙，因此前后板距應(yīng)為810mm。要使汽車前后軸都在制動板縱向中心上，一般車量軸距取2300-3200，軸距為2300mm時，此時2300-810=1490 mm，板長為1490mm;同理軸距取3200mm算得板長2390mm。結(jié)合算得的最小板長的取值，初選1900mm做為測試板長度。

為了使前后車輪都能落在平板上，驗證如下：

3 傳感器的選擇

傳感器的選擇需要綜合考慮靈敏度系數(shù)、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、精度、穩(wěn)定性等多方面的影響。

3.1 軸重傳感器的選擇

軸重傳感器主要有S型、板環(huán)式、輪輻型、懸臂性、柱筒式等幾種樣式?？紤]到本次軸重測量的高要求，選AT8517型懸臂梁稱重傳感器。由應(yīng)變片、彈性元件組成，全橋連接。

制動板下方安裝四個橫向放置的軸重傳感器，應(yīng)變片采用串聯(lián)的方法連接為全橋，這樣即使車輪不在中心位置也可以準確測量出軸荷。

若在等臂電橋中僅有一個橋臂工作：

如果四臂都開始工作，則輸出電壓是單臂的四倍。

軸重傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 制動力傳感器的選型

測量制動力傳感器選用LZ-LS7型柱式形拉壓傳感器，具有較高的測量精度和級高點的性價比，靜動態(tài)特性、溫度特性較好。結(jié)構(gòu)如圖3所示，參數(shù)見表3。

該傳感器量程為100Kg～80t，由于該設(shè)計的最大承受載荷3.5t，左右制動力和達到軸荷的60%也即1t左右，由于有軸荷轉(zhuǎn)移，所以選擇傳感器規(guī)格為1t。

4 材料的選擇

以額定的3.5t推導(dǎo)車輛單輪作用力：

推導(dǎo)出單輪作用力Fw=3500/4×60%×9.8=5145N

初選1750Kg為單軸重。

根據(jù)以上計算再取1.2為作用力分布不平衡系數(shù)為，則每一塊承重板承受的重量為：1750/2×1.2=1050Kg，由于對撓度的要求不大，只要強度足夠就可以。由于底板和承載板承受的應(yīng)力不集中，表面直接應(yīng)用的頻率很高而且材料的要求限制不大，所以初選Q275型號普通的碳素鋼，該鋼具有較好的切削加工能力和塑性、較高的強度和耐磨性、比較好的的焊接性能、小型零件可以淬火強化、易于加工、價格便宜、所以得到了廣泛的應(yīng)用，多用于制造要求強度較高的零件，如軸，齒輪，輸送鏈，農(nóng)機用型鋼等。查鋼表得σs =275MPa，σb=490～610MPa，δ=20%。對于塑性材料，[σ]= σs=275MPa。

5 制動試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 底板的設(shè)計

平板式汽車制動試驗臺主要由四塊制動板組成，下層板是與地面固定在一起的。圖4為制動板底座圖，16個地腳螺栓將底層板與地面固定。

5.2 上層板的設(shè)計

頂板和槽鋼總體螺接、局部焊接，為了加強筋的，減少了彎矩，槽鋼橫向布置，也為下面?zhèn)鞲衅靼惭b提供更多空間，制動平板上蓋板如圖5所示。

5.3 軸重傳感器支座設(shè)計

軸重傳感器安裝與使用要盡可能地節(jié)省高度方向上的空間，還要限制平板的側(cè)向與上下方向的自由度，采用軸重傳感器橫向布置的設(shè)計方案，并加工三個螺紋通孔，一孔安裝一根螺紋軸，軸下加工成與底座相連接的梯形滑塊，來限制平板水平方向的跳動;一孔用于傳感器的固定，與制動板連接;一孔下端加工成倒V型槽，與底板通過滾珠連接，這樣制動板可以通過鋼珠在底板上沿縱向移動，又能限制平板左右方向的自由度，還起到支撐平板的作用。 結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5.4 制動力傳感器的支座設(shè)計

制動力傳感器固定于底座上，輪胎或者輪胎組件施加到平板上的力致使平板沿縱向移動，進而帶動推板運動來擠壓制動力傳感器，進而測得制動力。根據(jù)所選型的制動力傳感器，設(shè)計相應(yīng)的支座結(jié)構(gòu)與之匹配，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5.5 平板總成

根據(jù)以上的設(shè)計說明采用合適的裝配方法就可以最終確定出平板總成如圖8所示。

6 關(guān)鍵部件的校核

6.1 制動板的校核

6.1.1 制動板強度校核

制動板受到兩個方向的力，一是車輪組件施加的制動力，二是軸荷，下面對制動班的強度進行校核，以使平板能夠安全可靠地工作，也能使傳感器有足夠的空間安裝，由于該試驗臺測量整備質(zhì)量在3.5t以下車輛，所以選最大軸重為1750 kg。

板重=1900×20×700×7.8=207.48kg

承重（每塊板）P0=1750×1.2/2=1050kg

單個車輪承重F1=1750/2×9.8=8575N

單個車輪制動力F2=8575×60%=5145N

制動板總承重P1=（207.48+1050）×9.8=12323.304N

因此，板的強度滿足要求。

6.1.2 滾珠校核

汽車制動時，制動板受到兩個方向的力作用，一是垂直作用力，二是側(cè)向壓力，需要對兩個面上的強度都要進行校核，校核如下：

因此強度符合要求。經(jīng)過對制動板的校核，初選的Q275強度剛度都超過工作條件，所以選用強度剛度都略小的0Cr13AL不銹鋼，其σb=410MPa，σ0.2=177MPa，δ=20%。。

6.2 槽鋼校核

（1）強度校核

槽鋼長度1.4m，剛的彈性模量E=200GPa，單軸重Fw=1.75t，Q275槽鋼[σ] =225MPa最大彎矩為：

查熱軋槽鋼（GB707-1988）：8號槽鋼Iz=101cm4，Wz=25.3 cm3，由于沒有考慮槽鋼的自重影響，所以初選跟Wz=26.7cm3比較接近的6.3號槽鋼。6.3號槽鋼：Iz=50.8cm4，Wz=16.1cm3，理論重量

則自重引起板最大彎矩：

（2）剛度校核

許可撓度[w]= =14mm，軸重引起的撓度，自重引起的撓度板的最大撓度查機械手冊，并用疊加法得：

所以剛度也滿足要求。

由上面對于槽鋼強度和剛度的校核6.3號槽鋼是可以滿足強度和剛度要求的，但是根據(jù)前面制動力傳感器的選擇和對于制動試驗臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，若選用6.3號槽鋼橫向布置，其h=63，b=40，而所選的LZ-LS7型柱式形拉壓傳感=52，L=93，所以在縱向以及高度方向上都做不到對于制動力傳感器合理的安裝，故最終選用h=140的14a型槽鋼。

經(jīng)查機械設(shè)計手冊，螺栓性能等級6.8級σs=480MPa，又由機械設(shè)計手冊得：M6-M16，S=3-4，取S=3.5，則[σ]=σs/S =480/3.5 MPa=137MPa，[τ]= σs/（3.5～5），取4.8，則[τ]= 100MPa對于緊螺栓連接，螺栓所需直徑：

對其進行剪切和受擠壓強度核算：

（1）校核剪切強度

即螺栓聯(lián)接的剪切強度滿足要求。

（2）校核擠壓強度

即受擠壓強度也滿足要求。

7 結(jié)論

（1）在研究了平板式汽車制動試驗臺結(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上，再通過對整備質(zhì)量小于3.5t的各類車型包括從A級車到E級車尺寸的研究，并通過一定的計算，最后確定了制動檢測臺的整體尺寸，并對關(guān)鍵部件做了剛度、強度以及撓度等的校核，確定設(shè)備的選型及材料的選用。

（2）該平板式汽車制動試驗臺可以快速、準確地檢測出整備質(zhì)量小于3.5t輕型車的制動性能（一般車重在1～3噸），也就是說幾乎涵蓋了所有的9座以下的乘用車。

（3）國內(nèi)大多檢測臺對軸重、制動性能的檢測時分開進行的，此試驗臺作為復(fù)合型試驗臺能同時檢測出車輛的制動性能和軸重，大大節(jié)省了空間，提高了檢測效率。

（4）制動板底部采用梯形槽定位、滾珠滑動的方式是該設(shè)計中一個創(chuàng)新點，是在現(xiàn)有的滾輪式設(shè)計上做了一定的改進。

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