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1、目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1概述11.2课题选题的目的意义11.3国内外研究现状21.4设计的主要完成内容21.4.1设计的基本内容21.4.2解决的主要问题3第2章低温实验室总体设计42.1低温实验室的设计要求42.2汽车低温实验室系统构成42.3实验室的整体布局设计52.4本章小结6第3章低温试验室制冷设备及附件设计73.1低温功能概况73.2低温试验室保温门的结构73.3保温墙体材料的选择73.4低温实验室的冷冻负荷计算73.4.1墙壁的漏热计算73.4.2设备负荷83.4.3发动机运行时热量计算83.4.4排气系统的散热计算93.4.5通风换热热量及操作热量计算9
2、3.4.6其他设备热量计算103.5制冷设备的选用113.6低温实验室的温度控制113.7本章小结12第4章整车低温测试装置的设计134.1整车测试台架的概述134.1.1汽车道路运行工况模拟134.1.2底盘输出功率的测量144.2滚筒装置的选择144.2.1滚筒结构概述144.2.2滚筒直径的确定154.2.3滚筒中心距164.3主要部件的选择164.3.1电机的选择164.3.2联轴器的选择164.3.3轴承的选择174.4功率吸收装置的选择174.5滚筒轴的校核184.6上车机构设计194.6.1液压缸的计算194.6.2滚筒锁止机构204.7本章小结21第5章发动机低温测试装置的设计
3、225.1发动机低温试验概述225.2测试用发动机及测功机的选择及其参数225.3低温测试功能实现235.3.1发动机台架固定方案及支持设计235.3.2发动机与测功机连接轴的计算245.4测试装置总体尺寸255.5测试装置设计校核255.5.1测试装置材料的选择255.5.2测试装置强度校核255.6本章小结27第6章实验教学研究功能实现286.1实验室开设的实验及试验项目286.2发动机低温试验功能286.3整车低温试验功能296.4本章小结30结论31参考文献32致谢34第1章 绪 论5.1 概述 本设计的主要内容是围绕黑龙江地区汽车低温试验室，结合现有的工程试验中心的场地完成实验室的设
4、计及其试验功能的实现。接下来将分为五个章节来进行分述实验室设计的各个组成部分。既然为汽车低温实验室，所以，其必须要有能进行汽车低温试验的相关设备。因此，本设计的主要内容包括低温实验室的总体设计、低温试验室制冷设备及附件设计、整车低温测试装置的设计、发动机低温测试装置的设计及实验室教学研究功能实现。5.2 课题选题的目的意义在北方冬季环境温度低，受到周围的低温环境以及排气降噪能量转换的影响，汽车的排气管会向外滴水，这是个很普遍的现象。哈尔滨的冬季，室外平均温度能达到-25左右，这种现象极为普遍，车流量大的街道非常容易形成老百姓常说的镜面路，由于路面的附着系数降低，造成制动性能降低，极易引发交通事
5、故。然而，单纯的室外试验不能保证温度恒定不变，也不能保证路面的附着系数保持恒定，同时也不能满足路面质量保持恒定。这些可变的因素往往对实验结果造成较大的误差，影响对比的效果。同时，低气温的情况下，在室外久置的汽车点火也是冬季时驾驶员的大难题。如果通过实验，研究试验现象得出结论，进而找出最有效的办法解决这个难题，将为北方的汽车企业提高市场竞争力。又由于外界气温波动性大，试验结果不能准确可靠，有针对性1。我国幅员辽阔，地形复杂，气候多样，特殊的自然地理条件对车辆的管理及其性能均能产生显著的影响。因此，要求汽车要有良好的地区适应性。低温试验是正兴起的一项可靠性实验项目。国际上，汽车的低温试验对于汽车性
6、能方面有着很重要的影响。是汽车出厂下线后一个极为重要的测试项目。老牌汽车产业都配有设施完善的低温实验室，以方便进行低温环境下的对比试验，同时制定了国际低温试验的标准。但是如果仅依托国外测试结果，并不能完全符合中国的国情，而且成本巨大，同时不能检测国产自主品牌，影响了国产车的市场竞争力。然而，室外试验的环境受地域季节等诸多因素限制，故我国低温实验室的建设十分必要。低温实验室模拟低温环境状态，与实地寒区试验相比，能节约人力、物力和财力，不受外界气候环境影响，不受季节限制，环境控制精度较高、稳定性好、重复性好。综上，针对东北寒冷的冬季，对乙醇汽油等燃料在寒冷地区的应用性能进行研究，从而设计出低温实验
7、室，进行整车和发动机的性能分析对比试验，对于解决汽车寒地使用以及缓解交通压力都有十分重要意义。同时，一方面，在学院中创建低温实验室，不仅扩大的了教学设备，完善了教学设施，为学生们了解汽车的性能并为日后能更好的应用到工作中去有着很大的帮助和意义。另一方面，有相关的低温实验室设备为相关研究员提供了可靠准确的信息数据，为进一步研究改进提供了坚实的基础。此外，通过依托学校的资源使得哈尔滨的汽车企业，如哈飞、东安发动机等厂家也能更方便的改进或改良本身产品的性能方面的设计。5.3 国内外研究现状在20世纪初至40年代，汽车工业采用了大规模生产技术及流水生产，此时的产品可靠性、寿命和性能方面的问题凸显出来，
8、就要求用试验研究工作加以解决。二战之后，由于汽车生产发展的需要，加上相邻工业、相邻学科的发展和渗透，汽车试验技术进入了一个新的发展时期。1924年美国通用汽车公司在全球率先建起了规模庞大、功能齐全的米尔费德（Milford）试车场。从此，汽车制造商竞相投建汽车试验场的大幕被拉开。20世纪80年代，美国国家仪器公司提出并制造出了世界上第一套虚拟仪器系统，此后，汽车试验仪器设备系统的构成发生了根本性变化。国际性的汽车公司为了提高其自身的竞争力，纷纷投资建设汽车实验室和汽车试验场2。伴随着汽车试验技术的不断成熟，汽车试验涉及的项目愈加完善，从最初的动力性试验到经济性试验，再到现今包括安全性、可靠性、
9、操纵稳定性等测试项目的普及，使得汽车的设计制造水平上升到一个新的高度。低温试验是适应性试验中的一部分。主要针对低温环境对发动机及整车的影响，改进或改良汽车的结构布置等项目，达到地区适应性提高的目的。正是由于经济的逐步繁荣，使得汽车的市场逐渐由南向北发展3。近几年来，各个大中型汽车制造厂开始设计制造汽车低温实验室。目的在于使自己的产品推广面更加广泛，提高自身的产品竞争力。高校建立汽车低温实验室一方面是为了拓展学生们的知识广度，同时，给研究人员准确的试验数据，方便进行有针对的研究；另一方面也为学生将来进入该领域打下基础，此外，也可以校企结合，达到双赢的目的。5.4 设计的主要完成内容5.4.1 设
10、计的基本内容实验室的设计总共分为四个部分，第一项为实验室总体设计，第二项为发动机台架及附件的设计 ，第三项为整车台架的设计与校核，第四项为实验室附件的设计及布置。1、实验室的总体设计（1）实验室的结构系统组成（2）实验室的整体布局2、低温试验室低温功能的实现（1）、低温保温门的选择（2）、墙体保温材料的选择（3）、冷冻负荷的计算（4）、制冷设备的选择（5）、试验室温度控制3、整车测试功能实现及设备布置（1）、总体结构的选定（2）、滚筒尺寸的选定（3）、中心距的确定（4）、举升液压缸的选择（5）、配套的其余设备选择4、发动机完成测试功能设备布置（1）、测试用发动机及测功机参数选择（2）、发动机四
11、脚支撑台架的选择（3）、发动机与测功机连接轴的计算（4）、发动机台架材料的选择（5）、发动机测试台尺寸的选定（6）、连接件的强度校核5、典型低温试验简介（1）、发动机低温冷启动试验（2）、整车空调系统检测试验5.4.2 解决的主要问题1、根据散热强度选择或设计制冷设备，使实验室能迅速制冷并保持恒温2、完成实验室仪器设备的布置3、能完成相关汽车及部件总成所有的低温试验内容第2章 低温实验室总体设计本次设计，根据低温环境条件下对汽车及发动机进行性能测试及分析，结合总体设计场地要求，进行低温试验室总体设计，并对其实现功能进行描述。2.1 低温实验室的设计要求通用的低温实验室的构成大都有低温实验间、制
12、冷机房和制冷系统、换气系统、冷却液系统、测控及观察间、实验数据采集与处理系统及通用系统及配电动力系统。低温实验间要求密封、保温、防腐，有足够的面积和高度，以及足够的地面承载能力，内设防潮、照明、冷风机和蒸发器及温度、压力、转速、CO报警器等各类传感器，并配有测试传感器、电源等需要的各类插座、排烟接口、拍摄支架等。低温试验间大门要能保证试验车辆通过，并要有良好的保温性能。制冷机房和制冷系统要提供冷源，包括制冷压缩机、冷却器、中冷器、蒸发器、管线、阀门、电源和配电柜、测量参数显示装置和有关报警装置，同时要设置机组操作人员值班室。换气系统则要排出室内有害废气，更换和补充低温试验间的新鲜的低温冷空气，
13、排除人员及试验样品散发的热量，维持试验规定的低温状态。冷却液系统是制冷系统必需的辅助设施，用以冷却制冷机组，包括冷却塔、水泵、水池和软化水装置等。测控及观察间要放置实验测量仪器，进行试验数据的采集和处理，是整个低温实验室的联络指挥中心。用计算机进行处理包括温度、电流、电压、时间、转速等各类试验参数的采集和处理。4本次实验室设计温度初定为-30。2.2 汽车低温实验室系统构成汽车低温实验室要既要保证实验室的低温特性，同时要满足汽车试验的功能。故有需要安置发动机试验系统，整车测试系统。制冷系统：制冷系统的作用是给汽车低温实验室提供制冷环境使实验室的环境温度达到要求。是整个低温实验室的关键。本次采用
14、的制冷主机为整体式风冷室外机组。整车测试系统：整车检测系统是用来模拟汽车在道路条件下行驶的装置，整车检测系统的选用要合理结合现有场地进行分析。由于低温实验室的室内面积较小，节省空间，本设计中采用双转鼓的转鼓试验台，采用半嵌入地面之下，保证前后轮位置平衡。发动机测试系统：发动机测试系统是用来接受发动机在各工况运行时各参数的变化值并进行分析对比。由于发动机测功机在低温环境中影响测试效果，故将发动机测功机置于低温环境仓隔壁的保温环境仓中。附属系统：附属系统是为保证实验室安全正常使用存在。附属系统包括数据处理系统，温度控制系统，报警系统，配电系统，控制系统等。2.3 实验室的整体布局设计结合场地位置，
15、设计低温实验室的整体布局。已知，总场地的长度为6.7 m，宽度为5.6 m,高为5.5 m。为了避免冷源浪费，故将长为5.4 m，宽为3.8 m的，高为3 m的场地封闭起来。由于测功机需要置于缓冲间中，故发动机测试台只能位于冷冻间的右侧。方案一：将风扇挂在冷冻间左右两面墙正中上部，将发动机测试台置于冷冻室的门口。此方案的优点是两侧风扇位置平衡，发动机及附属件安装调试位置方便。缺点是燃油、水温、油温控制管线过长，测功机同时和发动机保持一致，浪费了冷冻室外围面积。同时，无法安置整车测试台架。方案二：将风扇悬挂在冷冻间的左右墙正中上部，将发动机置于冷冻室的右上角，整车测试台架可以放置在冷冻室中间。此
16、方案的优点是两侧风扇位置平衡，发动机燃油、水温、油温等管线适中，入口处通畅，测功机位置适中，节约了空间。能安置整车测试的转鼓测试台。缺点是发动机测功机安装拆卸不便，同时水温、油温检测设备安装空间较小，安装时较不便。由于两个风扇较大，左右安置时，显得空间局促，不美观，同时，左侧的风扇冷却液管线较长。 方案三：将风扇分别悬挂于入口正面的墙面上方和右侧墙面，同时为了方便安装发动机，将右侧风扇距入口正对的墙面距离1.3 m 处。发动机测试系统置于冷冻室的右上角，整车测试台架靠近左侧墙面的位置。此方案的优点是利用了纵向的空间，使得房间布局较合理；发动机燃油、水温、油温等管线适中，入口处通畅，测功机位置适
17、中，节约了空间。缺点是缺点是发动机测功机安装拆卸不便，同时水温、油温检测设备安装空间较小，安装时较不便。综合上述方案，选择较为合理的方案三并根据其安排形式绘制结构简图。（如下图2.1）图2.1 实验室总体布置图本实验室内具有一个发动机测试台，安装发动机型号为DA465Q。测功机为电涡流测功机。整车测试台架采用双转股试验台。2.4 本章小结本章节主要说明了试验室的总体设计。对实验室的结构概况进行描述，概况总结了试验室的系统构成，同时设计几种不同的布置方案，从而体现优选的概念。第3章 低温试验室制冷设备及附件设计5.1 低温功能概况低温试验室最重要的部分就是维持稳定的低温环境。只有环境温度变化不大
18、时，进行对比试验的效果才能更加的明显。所以，既要满足能降低到足够的温度，还要保证其温度的波动不超过3。因此，本章的重点就是热负荷的计算，从而选定足够功率的制冷设备，以及温度控制。5.2 低温试验室保温门的结构采用双开门，门厚度150毫米；门洞尺寸为2.2m2.2m。门上带安全逃生装置，防止人不慎困于库内，产生危险。门边采用橡胶密封，同时此橡胶上附有电阻丝，避免低温环境中橡胶硬化失效，降低保温效果。此系统为全自动控制。无需人工操作，设定温度后自动运行、自动除霜；运行中出现异常情况，报警提示。电控装置中带有过流保护、短路保护、缺相、逆相保护等保护功能。整个制冷系统加装安全保护系统。具备高、低温报警
19、功能，保证实验安全。5.3 保温墙体材料的选择采用聚氨酯双面彩钢复合板；厚200毫米，容重为40公斤。聚氨脂（PU）双面复合型冷库板采用先进的复合材料作保温材料制成复合板壁，其重量轻、强度高、隔热性好、耐腐蚀、抗老化、防蛀、无毒、不霉、结构简单、安装方便、轻质高强度、造型美观；在超低温度下更能显示其优越性5。5.4 低温实验室的冷冻负荷计算对实验室进行冷冻负荷计算是选择制冷设备的前提条件，通过计算冷冻负荷来选择制冷机组的功率。冷冻负荷包括库体漏热、设备负荷、照明散热、操作热量、设备运行热量、开关门时散热、人员散热等。5.4.1 墙壁的漏热计算 （W） (3.1)式中，F传热面积（）；库内外温度
20、差（）；k低温实验室的传热系数，经验公式取k=0.28F=96.24 =1852.62 W5.4.2 设备负荷货物冷却热量计算参照下面公式：（kw） (3.2)式中，w进货量（kg），包括整车、动机、台架等，总质量为2170kg；进货焓值和最终焓值,查表得；Z完全冷却时间（h）；2.26（kw）5.4.3 发动机运行时热量计算假设运行中的发动机向周围传递的总热量的情况为一些简单形状的等效物体以一定的传热速率发出相同的热量，按照水平和垂直方向的投影面积计算（如图2.2）（单位为 mm），长宽高分别为0.7m、0.5m、0.4m它与最大输出功率为50kw的汽油机大致相等。由于本次应用于试验的发动机
21、额定功率为33.5kw,最大输出功率为47kw。故，如此估算大致等于发动机散热量。假设等效物体的表面温度为 80，室内温度为 -30，墙壁温度为25。热量通过两种方式散发：自然对流和辐射。图3.1 发动机模型图示1、对流散热量计算静止空气中由自然对流散失的热量的速率为： (3.3)式中，物体表面温度；室内空气温度；图中垂直于底面的平面总面积为： (3.4) 图2.2-1中相应的对流散失的热量为： W =649.78 W顶部水平面对流散热为： (3.5) W底部对流散热约为顶部的一半，因此，粗略估算对流的热损失为=155.85+311.71+649.78=1117.34 W又因为低温冷空气由风扇
22、吹入，故表面散热损失将为静止空气的2倍，故估计发动机对流散热为2234.68 W2、辐射散热量计算自然辐射时散热速率采用斯忒藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）方程描述： (3.6)其中，辐射系数，机器表面典型的辐射系数值为0.9；热物体的温度（）；周围环境温度（）；本例中，表面面积为1.67 ，故热辐射散热损失为： W5.4.4 排气系统的散热计算假设排气歧管和暴露的排气管相当于一根直径50 mm，长为1.6 m的圆筒，表面积为0.25，表面温度为400。其散热形式主要是辐射散热，采用斯忒藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）方程描述 (3.7)得到： W =2618.
23、02 W对流散失的热量为： W =930.10 W所以，估算发动机总体散热量为6826.95 W5.4.5 通风换热热量及操作热量计算1、 照明热量计算 (3.8)式中，S单位面积照明热量；q库内地面积；t开灯时间；h冷却时间；查表得：单位面积照明热量为10W/；开灯时间为2 h；所以，其热量为： Q=49.3 W2、 开门热量计算 (3.9)空气密度参照公式 (3.10)式中，Pa标准大气压力（Pa）；R气体常数（空气的气体常数取287）；空气温度； kg/m W3、 操作人员热量计算 (3.11)式中，q每人每小时放热；n工作人数；t工作时间；h冷却时间；得到： =205 W5.4.6 其
24、他设备热量计算冷风机放热量包括冷风电机放热和除霜加热器放热。其中，冷风机放热量计算参照公式： (3.12)式中，W冷风机电机功率； n冷风机个数； 运行时间，冷却时间得到： Q=800 W所以，总体的冷却负荷为12141.36 W。5.5 制冷设备的选用制冷系统设计成分体式，制冷主机为整体式风冷室外机组，低温实验室制冷系统采用冷库制冷分体机，根据总的热负荷选用半封闭式压缩机，根据制冷量要求以及冷冻负荷，选用冷风机。由于总的冷却负荷为12141.36 W，为保证能准确达到制冷的目的，故选用制冷量19.6kW的制冷机就可以满足实验室制冷的需求。制冷系统采用的为格润冷库制冷分体机，主机采用风冷低温双
25、级半封机组6。冷风机采用上海北峰新型高效蒸发器。 冷却剂选用R22 氟利昂制冷剂，选择两组悬挂式风扇向实验室提供低温冷空气。同时在冷冻库内安装两个温度传感器，利用电脑控制温度，保证其维持稳定的低温环境。5.6 低温实验室的温度控制低温制冷系统采用空气制冷原理，回冷式正升压制冷流程，主要利用压缩空气在涡轮膨胀机中的绝热膨胀并对外做功来获得低温气流。低温环境试验系统制冷原理流程简图如下图所示。图3.2 制冷原理流程图低温试验室为空气压缩机和制冷两个部分，压缩机组由空气压缩机给涡轮制冷设备提供空气。从空气压缩机送来的压缩空气经过涡轮压气机的二次增压后，在经过冷却、干燥和在回冷器中的预冷后通入涡轮的膨
26、胀机中进行绝热膨胀并对外做功，得到的低温空气进入低温试验室内，实现对实验室及被试品的降温。压气机把与之同轴的高压空气涡轮中的膨胀功吸收，此膨胀功用于对从空气压缩机来的压缩空气实现二次增压。7低温环境试验系统的工作目的在于，要为进行低温试验的试验设备等在实验室内提供满足温度波动度和平均度要求的低温环境，系统能够正常运行的关键在于保证涡轮冷却器的正常工作。气源系统应保证涡轮供气的压力、干燥度、颗粒度达到要求；自动控制系统应保障涡轮供气的压力波动度达到要求，并且要防止涡轮转速超调。传感器是一种将被测量转换为欲与处理量的装置，其功用可分为敏感作用和转换作用。敏感作用是感知被测量的变换，转换作用是将非电
27、量转换为便于传输、调理、处理和显示的量。本次实验室中采取的两个传感器为热敏电阻式传感器。8热敏电阻式温度传感器是利用某些金属氧化物或单晶锗、单晶硅等材料的电阻值随温度的变化而变化的特性工作的。由于实验室环境温度较低，故采用负温度系数型（NTC）。将其中一个悬挂在发动机试验台的上方，另一个悬挂在门口处，电脑通过传感器阻值的变化合理控制制冷设备的运行或停止。低温试验系统的主要控制指标如下：1、 试验室温度控制精度：2.0；2、 试验室压差：520 Pa；3、 实验室空气露点温度：-50；4、 试验室温度变化速率：10/min5、 涡轮轴承供气压力：0.650.05 MPa；6、 涡轮转速：4500
28、0 r/min(47000 r/min)。9控制界面在冷冻室的外面，采用触摸屏的方式，参考同系列规格，如下图，图3.3图3.3 低温试验室控制面板5.7 本章小结低温实验室的主要问题在于如何保证低温，而散热量则必须在其冷冻能力范围内，本次设计通过先计算所需的冷却负荷，得到总的制冷所需功率，通过这个数值比较分析，选择最为恰当的制冷设备及附属配件，保证其功能，同时节约能源，杜绝浪费，减少资金的支出。第4章 整车低温测试装置的设计根据现有的汽车性能检测方式方法，通常室内测试一般采用底盘测功机。本设计是依托在试验室低温条件下，使要进行的测试技术满足低温及测试要求改造，包括主要仪器设备低温使用能力及台架
29、功能实现，总体达到台架可以对整车低温运行等功能进行测试及分析。5.1 整车测试台架的概述进行室内整车测试通常采用底盘测功机，它通过在室内台架上模拟汽车在道路上行驶工况的方法来检测汽车的动力性和其他性能。由于低温实验室空间小，房间高度较低，同时为了保证房间散热较小，不能将选择尺寸较大的底盘测功机，故本次设计是设计双转股的转鼓试验台。同时将整个设备半置于地面至上，尽量减少破坏实验室底下保温结构。转鼓试验台不及底盘测功机的功能全面，而且，低温试验中不需要进行底盘输出功率的测量，故其仅需要满足汽车道路运行工况模拟。滚筒测试台基本结构如下图所示。图4.1 滚筒测试台结构简图5.1.1 汽车道路运行工况模
30、拟汽车在道路上行驶过程中存在着滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力等行驶阻力，要求在转鼓试验台上模拟汽车在道路运行状况，应解决汽车行驶阻力的模拟问题，这样才能用台试检测代替道路试验测试汽车运行状况的动态性能。为此，转鼓试验台设置了滚筒装置、功率吸收装置和惯量模拟装置用于道路运行工况的模拟10。滚筒装置用来进行路面模拟，即以滚筒的表面取代路面，滚筒的表面相对于汽车作旋转运动。滚筒装置是测功机的基本组成件，其结构和性能将直接影响测功机的测试精度。检测时，被检汽车驱动轮支撑在滚筒上，驱动轮带动滚筒转动，滚筒相当于活动的路面，模拟汽车在路面间的相对运动。11功率吸收装置用于模拟汽车在道路上稳定工况（
31、如等速运行）下所受的空气阻力、非驱动轮的滚动阻力及坡度阻力等。与滚筒串接的功率吸收装置（如电涡流测功机）用其定子对转子施加制动作用，进行加载以增加滚筒转动的阻力。汽车的运行阻力可根据监测的需要进行调节和控制。汽车等速运转时，驱动轮输出的动力与滚筒系统的转动阻力平衡。惯量模拟装置用于模拟汽车在道路上非稳定工况（如加速、减速运行）下的加速阻力，它有机械模拟和电量模拟两种型式。利用与滚筒串接的惯性飞轮的转动惯量来模拟汽车平动和转动惯量，采用电磁离合器切换飞轮的组合，在允许的误差范围内满足汽车的惯量模拟。5.1.2 底盘输出功率的测量电涡流测功机的定子对转子进行加载的同时，也受到大小相等、方向相反的力
32、矩作用，此反力矩使定子绕其轴摆动并经一定长度的杆臂传给测力传感器。功率吸收装置所吸收的功率、力矩和转速有如下关系： kW (4.1)式中，P功率吸收装置所吸收的功率（kW） F测得作用于定子上的反力（N） v汽车车速（km/h） M功率吸收装置吸收的力矩（N*m） n滚筒转速（r/min）在左右挡轮、纵向约束装置等安全措施保障下，控制系统按照检测的需要，根据侧力和测速传感器反馈的信息，向功率吸收装置发出增减滚筒系统转动阻力的指令（即增减汽车的行驶阻力），以调节和控制汽车驱动轮输出的功率，进而实现运行工况的模拟，以实现对汽车驱动轮输出功率的检测。5.2 滚筒装置的选择5.2.1 滚筒结构概述滚筒
33、结构的正确选择直接影响着实验台的工作效率和性能，因此滚筒机构分析至关重要。为了减小滚筒的重量及转动惯量，选择采用薄壁筒形结构，采用圆板支撑，为减少滚筒的转动惯量只采用两个圆板支撑。具体结构形式如图4.2所示。汽车在实验台上测试时，车轮与滚筒的接触面积小于车轮与地面的接触面积，且比压增大，因其滚动阻力增加，附着系数值下降。因此只有提高车轮与滚筒见得附着系数，才能在滚筒实验台上较真实的再现汽车在路面上的制动状况。但的提高受到滚筒表层结构和材料的限制12。目前采用较多的是表面带有沟槽的钢制滚筒，其表面附着系数在0.6-0.8之间，结构如图4.2所示。图4.2 转鼓结构图5.2.2 滚筒直径的确定滚筒
34、决定了车轮与滚筒的接触状况，滚筒直径大时，滚筒的曲率半径大，车轮在滚筒上运转接近在道路上行驶的状况，滑转率小，滚动阻力小，测试精确度高；滚筒直径小时，滚筒曲率就增大，车轮与滚筒的接触面积变小，滑转率变大，轮胎变形和滑移以及车轮滚动的迟滞损失增大，车轮滚动阻力增大。但是，滚筒直径过大，将使滚筒加工难度加大，此外，在线速度相同的情况下，滚筒转速将随直径变大而减小，这就增加了转鼓试验台匹配电涡流测功机的难度。图4.3 受力分析图车轮受力情况参考下列公式： （4.2）由式(4-1)可以解得： (4.3)而车轮与滚筒的最大制动力与滚筒对车轮的法向反力之比等于车轮与滚筒间的附着系数，故=。因为一般附着系数
35、在0.6-0.8之间为最佳，因此最佳安置角在，即最佳安置角为3138.6之间。根据GB/T 18276-2000 要求转鼓试验台需满足滚筒直径：290380 mm，本设计中，初选滚筒直径为 300 mm。5.2.3 滚筒中心距主、副滚筒中心距依据滚筒直径选取，两者关系为：A=（620+d）sin31.5 (4.4)式中，A主、副滚筒中心距（mm） d滚筒直径（mm）带入得：A=496.37 mm，圆整取A=500 mm5.3 主要部件的选择5.3.1 电机的选择这里设汽车的速度是60km/h，由于汽车车轮的线速度与滚筒的线速度相同，则实验台运转工作时，滚筒的线速度为60km/h。这里设滚筒的直
36、径为300mm，则滚筒的转速根据可以计算出，由于实验台的工作转矩比较大，设转矩为40Nm，电机的选择要根据以上数据选择。因此选用MGMA型伺服电机，它是一种低速大转矩的电机，额定输出功率为4.5kW，额定转速为1000r/min，最大转矩为107Nm，满足需求。5.3.2 联轴器的选择联轴器是用来实现轴与轴之间的连接，进行运动和动力的传递的。用联轴器连接的两轴轴线在理论上应该是严格对中的，但在制造、安装和环境的影响下，也会有一定的误差。联轴器的类型有很多，可以划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类，刚性联轴器要求被连接两轴轴线严格对中，因为它不能补偿两轴的相对位移，常用类型有：套筒联轴器、夹壳联轴
37、器和凸缘联轴器。13在本设计中，实验台要传递比较大的扭矩，因此应该选用刚性联轴器，因为刚性联轴器的刚度比较好，能够传递比较大的扭矩。常用的联轴器主要有三种，这里选用了凸缘联轴器。由于凸缘联轴器属于固定式刚性联轴器，对所连接两轴间的位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求很高。但由于其结构简单、成本低、传递转矩大，因此在固定式刚性联轴器中应用最广。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。螺栓可以用半精制的普通螺栓，亦可以用铰制孔用螺栓。采用普通螺栓连接时，联轴器用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中，转矩靠半联
38、轴器结合面间的摩擦力矩来传递。采用铰制孔用螺栓连接时，靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中，靠螺栓杆承受剪切及螺栓杆与孔壁承受挤压来传递14。本设计中主要采用第一种形式的凸缘联轴器。由于凸缘联轴器也是标准件，因此在选择时，可以根据连接轴的尺寸选择相应的型号，联轴器具体的尺寸就可以确定了。5.3.3 轴承的选择一般乘用车的重量是14t，在轴承载荷计算时，滚筒上轴承所承担的载荷根据汽车的重量来计算。由于实验台主要承受的是汽车的重力，因此轴承主要承受径向载荷，轴承的支撑相当一个简支梁，每个滚筒上都支撑一个车轮，因此每个轴承要支撑1/4汽车的重量，如图4.4所示。图4.4 轴承支撑简图因此可以计算出轴承的支撑
39、力是1/8汽车的重量，汽车最大是4t，则轴承所受到的支撑力最大为0.5t（500kg），都是径向力，所以轴承所受的当量静载荷为，查得有关资料，轴承当量动载荷与当量静载荷的就算公式如式(4-5)所示： (4.5)式中 、轴承的径向载荷和轴向载荷； 、 动载荷径向系数和动载荷轴向系数。查表可得=1，因此当量动载荷，。由于只受到径向载荷，选用深沟球轴承就可以达到支撑的要求，轴承是标准件，根据计算出的轴承的载荷，查相关手册，选用适当的轴承。滚筒轴选用轴承6308，它的额定载荷为24kN，足够达到支撑的能力，轴承各部分尺寸。5.4 功率吸收装置的选择用转鼓试验台检测汽车性能和汽车的技术状况，就必须能模拟
40、汽车在道路上行驶时所受的各种阻力。汽车在道路上行驶的外部阻力不同于在测功机上运转的阻力。在测功机上运转只有驱动轮转动，所引起的外部阻力较在道路上行驶时少。这些外部阻力，例如行驶时的空气阻力、爬坡阻力及从动轮的滚动阻力，需用功率吸收装置来模拟，以使汽车受力状况和道路行驶时相同。功率吸收装置的类型有水力式、电力式和电涡流式等。由于水力式功率吸收装置的可控性胶电涡流式差，电力式的成本较高，因而，双滚筒式转鼓试验台的功率吸收装置普遍采用电涡流式测功机。它具有测试范围广、成本低、尺寸小、耗电少和以实现自动控制等优点。5.5 滚筒轴的校核整个实验台主要是由2对滚筒支撑着汽车的2个前车轮，因此在滚筒设计完成
41、后要对滚筒轴进行强度的校核。两个滚筒要支撑一个车轮，平均一个滚筒要承受1/8汽车的重量，根据滚筒的结构可以得到滚筒周受到的弯矩情况，如图4.5所示。图4.5 滚筒轴弯矩图轴的结构简图参照图4.6图4.6 滚筒轴的结构图根据弯矩图可以得到滚筒周受到的最大弯矩，最大弯矩表达式如下所示： (4.6)式中 G汽车重量，为受检汽车的质量，N；滚筒支撑点到轴承的距离，m。其中=0.125m，由于汽车质量是14t，因此计算是按照最大值计算，即m=4t，则根据式(4-6)可以计算出弯矩最大值为306.25N。可以根据弯矩值计算出滚筒轴的弯曲应力，其计算表达式如下所示： (4.7)式中 M滚筒轴弯矩，Nm；W截
42、面弯曲惯量，其中d为轴截面的直径，d=50mm；根据式(4-7)计算可以得到滚筒轴弯曲应力=24.5MPa。由于滚筒旋转时，还要受到扭矩，因此滚筒轴还要受到扭转应力，对滚筒轴校核是也要考虑扭转应力的作用，扭转应力的计算表达式如下所示： (4.8)式中 T滚筒轴上的扭矩，Nm，其中，P为转动时需要的功率，单位是kW，n是轴的转速，单位是r/min；扭转截面惯量，其中。根据第2章的分析可以知道，实验台各轴的转速n=530r/min，功率为2.2kW，这里按3kW计算，则通过式(5-3)可以得到滚筒轴的扭转应力为2.16MPa，计算出了截面的各种应力，下面要对截面进行校核，可以根据式(5-4)进行计
43、算。 (4.9)其中=0.3，计算出=24.53MPa，校核滚筒轴必须保证，可以查找相应参考书得到，它与轴的材料有关，这里选用的轴是碳素刚，可以查得=45MPa，因此，滚筒轴满足强度要求，结构设计合理。5.6 上车机构设计5.6.1 液压缸的计算1、确定液压缸的输出推力： (N) (4.10)式中，工作机构的负载力（N）定前轴载荷为整车质量的70%故，得到：F=9923 N2、确定活塞杆直径： mm (4.11)式中，活塞材料的许用应力（MPa）,取为/(1.33)，其中，为材料的抗拉强度（MPa）材料选择35钢，抗拉强度为550M 得到，d=8.3 mm，圆整后，d 取12 mm。3、确定缸筒直径：本设计为单活塞杆液压缸，又已知速比（工作行程的速度，空回行程的速度，则）则， (4.12)故算得：D=23.6 mm，圆整后，D取25 mm4、确定工作压力 (4.13)计算得，p=26.28 MPa5、缸筒的最小壁厚 (4.14)其中，为缸的试验压力 缸体材料的许用应力，一般取110120MPa计算得，缸壁厚度为=4.1 mm
