电涡流缓速器试验台组合飞轮的研究与设计

鲁建峰

（杭州市萧山区技工学校，浙江杭州311200）

电涡流缓速器试验台组合飞轮的研究与设计

鲁建峰

（杭州市萧山区技工学校，浙江杭州311200）

本文对汽车制动过程进行分析，确定了要正确模拟汽车制动过程惯性力所需的各转动部分的转动惯量，提出了用飞轮组、电机和转动轴共同模拟的多分流加载方法。并对组合飞轮的进行优化设计和检测，使电涡流缓速器试验台能有效地模拟不同转动惯量的汽车。

电涡流缓速器试验台；转动惯量；飞轮组；优化设计

1 研究背景

电涡流缓速器是近年才传入国内的一种新型动态安全装置，安装在汽车的传动系统中，用来提高车辆的安全性能。在其实验台的设计中，由于汽车轮子必须架空，无法正确模拟实际车辆在路面上的制动。因此，应给实验台增加惯性力，使之与实际情况相符。

飞轮系统是汽车电涡流缓速器试验台用来模拟车辆惯性的关键部件。

本文针对目前存在的一些问题和现有的技术水平提出合理的飞轮组合设计。

2 多分流加载法的模拟机理

飞轮系统是一种机电能量转换装置，它可以把电能转换成高速旋转的飞轮的动能，并长期储藏起来；电机可以认为是电能与机械能相互变换的机器，在电机内部电功率与机械功率是平衡的，功率流动的方向取决于外来的作用。

车辆在坡道上行驶时的制动可视为水平和垂直制动的综合，此时制动器的负载为惯性动能和重力功。由能量守恒定理知，物体的平移动能可以用旋转动能来表示，那么汽车的质量也可以用飞轮系统的转动惯量来表达]。为此，本文提出了一种新的模拟方法，即利用3片固定飞轮（设其转动惯量为Jm）、轴和电机联合模拟制动器负载的多分流加载法。

下面对利用这种新方法模拟汽车制动器负载的原理进行分析。

式中TB——制动力矩；t1——制动开始时刻；

ω——制动轴的角速度；t2——制动结束时刻制动力矩。

2.1 水平制动工况

在制动过程中，制动器吸收的能量可由下式表示：

将式2代入到式1可得

式中JV——换算到飞轮轴上的等效转动惯量；

在利用多分流加载法加载时，JV是由飞轮、轴和电机共同模拟产生的，其中固定飞轮和轴的转动惯量为常数，需电机模拟的转动惯量为JS=JV-Jm。

根据式2，模拟大小为JS的转动惯量时，电机应输出的力矩为：

将式2与式4相除并整理得：

2.2 垂直制动工况

在垂直制动工况时，制动器的负载除惯性动能外，还有重力功，制动轴上的力矩平衡方程式为：

式中TW——重力力矩

在对垂直制动工况用制动器的制动试验中，需电机输出的力矩为：

将式7与式6合并可得

3 飞轮转动惯量的确定

在计算飞轮的转动惯量时，除了根据已知外力、给定的速度变化要求和构件质量外，还应当知道对机械系统运动速度波动的要求和限制。这种限制通常用速度不均匀系数的形式给出。速度不均匀系数：

平均角速度ωm的值可近似地等于ωmax与ωmin和的半值，即

3.1 汽车参数的影响

从实际状况分析汽车的转动惯量。图1给出了车的重心位置，并建立运动方程。

首先，设左右轮子制动力相等，从而将立体分析转变到平面分析。令车行使的方向为x轴，垂直于路面向上的为y轴。则可得出以下公式

3.1.1 挂质量运动方程

令车的质量为m，重心位置由图所示

式中，FW为空气阻力；FL为空气升力；Mr，MW1和MW2为车轮制动时的反力矩；FY1，FY2为悬架对悬挂质量的垂直作用力；FX1，FX2为悬挂质量对前后轮水平作用力；a为坡度角，r为前后轮半径。

3.1.2 前、后非悬挂质量方程

式中：轮子重量为mWig，MWi为制动力矩，ei为轮子拖距，FXi为地面对轮子的x轴向作用力，FYi为轴荷，为车轮角加速度，IWi为轮子的转动惯量，i（i=1或2）表示前后轮。

3.1.3 轴荷的分析

由公式15和式16可得

由公式19可得将（MW1+MW2）代入式20，则

再将式14代入式21可得：

再将式18和式22联立可得出

后轴轴荷公式为：

如果考虑路面制动是一种理想情况，而忽略风的阻力。则由式23和式24可得前后轴的载荷为

3.2 附着系数的影响

地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，它取决于车轮制动器产生的制动力和地面之间的摩擦力，即附着力。本文分析理想的前后轮制动的工况，即前后轮同时抱死。其条件是在任何附着系数的路面上，前后制动力之和等于附着力，并且前后轮制动力分别等于各自的附着力。则

而此时的加速度为

3.3 前后轮惯量

前面分析得到：当汽车开始制动时，其速度惯量通过主轴转换为转动惯量。在得到缓速器的工作状态后，我们只要给主轴一个转动惯量后，就可以模拟汽车的行使状况。

现有如下推导：

其中：Mφ1制动力矩；Fμ1制动器制动力；

r1为飞轮半径；I1为飞轮的转动惯量；

由式25、28和式31、32可得

由于汽车在制动时滑动量很小，则

由式30与式34可得

同理可得

试验台模拟汽车制动的当量转动惯量可求出。它与汽车参数、制动时的路面附着系数有关。

4 飞轮的设计

4.1 飞轮的设计原则

由于被检车辆的车型种类多种多样，平移质量也千差万别。因此飞轮组的分级应遵循以下原则：（1）能满足最大可测汽车的转动惯量；（2）模拟精度能满足最大误差要求；（3）在模拟精度相同情况下设计飞轮的数量应尽量少。

4.2 飞轮的分级原理

对飞轮转动惯量的分配方法直接影响着测量精度和飞轮的个数。因此根据实际情况科学地确定每一个飞轮的转动惯量至关重要的。

根据设计方案要求，设惯性系统最大模拟车辆平移质量为mmax。为避免惯性系统中飞轮数目多、单个飞轮质量太大等不合理设计，应采用优化设计方法，简化飞轮轴结构，使单个飞轮质量分布合理、通用性好，以利于飞轮、飞轮轴及联轴器的装配和调试[3]。

4.3 飞轮组的优化设计

本次研究的电涡流缓速器实验台能对35吨以下各种载重车辆进行惯性模拟，主要针对如公交车、大卡车等转动惯量很大的车种。下面具体介绍飞轮转动惯量优化组合的方法。

每种车辆所具有的最大转动惯量和最小转动惯量，当满载时转动惯量最大，而空载时转动惯量最小，现分别以Imax和Imin表示。按标准规定，转动惯量的允许误差为±5%[4]。如果不考虑装配要求，很容易用组合飞轮的转动惯量来满足标准要求。

如图4所示：一组飞轮，它有个飞轮和一根主轴组合而成。每个飞轮具有不同的转动惯量。

图4 飞轮组合

由于实验台模拟的汽车惯量很大，选用多个飞轮成本高且不实用。平移质量的合理匹配，就保证了转动惯量的合理匹配。如模拟20～35吨的被测车型。将20吨的质量代入公式算出最小转动惯量，以Imin表示。然后可看出剩余质量为15吨，通过所测吨位的要求分级其它飞轮为10吨和5吨。并分别算出各种质量对应下的转动惯量。同时考虑到转动惯量的允许误差。所以选择了三个组合惯性盘，这样基本上可以满足系统的试验需要。

4.4 轮转动惯量的实现方法

飞轮组放在飞轮轴上，如何实现对汽车模拟转动惯量？要通过设置一定装置选择所需车型的转动惯量，即起到调节作用。

本试验台设置了一种拨叉[5]。它的作用是：对飞轮起固定和松弛作用。拨叉通过特定套筒固定在飞轮轴上，当它通过螺栓和飞轮固定时，飞轮轴带动飞轮一起转动，从而使飞轮具有一定的转动惯量。当拨叉与飞轮松开时，由于飞轮与飞轮轴通过滚动轴承连接，飞轮不动。

由以上分析可得：当需要模拟一定的转动惯量时，可以选择一定的飞轮转动。

4.5 飞轮的校核

飞轮线速度的校核线速度：

其中，n：飞轮的转速；D：飞轮的直径；

G：力加速度；[σ]：材料的许用应力；γ：材料的重度。

4.5.2 飞轮转动惯量的校核

4.5.3 飞轮强度的校核

4.6 飞轮的安全检测

由于飞轮转速很高（轮边线速度达到160 m/s以上），因此不能采用铸件，实验台采用40Cr加工制成。飞轮盘采用锻造，并进行热处理。转动部分必须逐件进行单件动平衡，组装完成后还要进行整体动平衡。锻件还必须进行无损探伤。

综上所述，本文提出了利用飞轮系的不同组合来模拟不同吨位车辆的转动惯量，从而对不同类型的缓速器进行试验并测定其性能。为以后的电涡流缓速器实验台的研究提供了有力的平台。在组合惯性飞轮系模拟汽车转动惯量的研究上，提出了对惯性飞轮系的优化设计。即依据惯性系统模拟质量范围及模拟精度要求确定飞轮合理的组合形式。

[1]应富强，李敏，吕原君.车用电涡流缓速器试验台组合飞轮设计及优化[J].工程设计学报，2006，（13）：249-255.

[2]许沧粟，刘少林，占少民.电涡流缓速器测试台架的研究[J].机床与液压，2005，（1）：119-121.

[3]张鹏岭，周淑辉，王志中.汽车拖拉机制动器试验台惯性飞轮的基本优化组合[J].吉林工业大学学报，1995，（2）：86-89.

[4]BJORN Bolund，HANS Bernhoff，MATS Leijon.Fly–wheel energy and power storage[J].Renewable and Su-stainable Energy Reviews，2005:1-25.

[5]李慰立，余成波，张建国.摩托车制动器惯性式试验台的研制[J].振动、测试与诊断，2000，（1）：64-67.

［责任编辑：熊荣生］

Design and Research of Flywheel Sets on Electromagnetic Eddy Current Retarder Test Bed

LU Jian-feng
（Hangzhou Xiaoshan Technical School，Hangzhou 311200，China）

This paper first analyzes the break process of vehicles，defines the factor that possibly influences vehicle's actual working circumstance and thereby elicits the reasonable inertial simulation system by means of imitate the vehicle's inertia with the combined efforts of electromotor，flywheel and axes.By optimum design and monitor of flywheel sets on the given moment of inertia，electromagnetic eddy current retarder test bed can simulate varied vehicle.

electromagnetic eddy current retarder test bed；moment of inertia；flywheel sets；optimum design

U464.17文献标志码：A文章编号：1671-9565（2010）03-032-04

2010-07-04

鲁建峰（1975-），男，浙江杭州人，杭州市萧山区技工学校讲师，数控车工技师，主要从事数控技术方面研究。