电涡流缓速器实验台讲解Word文档格式.docx
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1.1引言
由于道路条件的改善和车辆性能的提高,现代汽车的平均行驶速度较以前有了显著提高,这就意味着在同样的制动条件下、同样的时间内,现在汽车的制动器要产生更多的热量,要承受更多的热负荷。
然而,现在的车辆制动器虽经多方改进,其制动性能有所提高,但尚不能满足用户要求。
面临的现实是:
现在汽车的安全性能没有提升,反而大大降低了。
要使车轮制动器保持正常的制动性能和使用寿命,关键要控制制动器的温度,使之不至于上升到危害摩擦片的程度。
多年来人们对于车辆制动性能的改进,大多是围绕车轮制动器来进行的,如加宽制动鼓和摩擦片的尺寸,改变摩擦材料配方,由鼓式制动改为盘式制动等,但这些都不能从根本上解决问题。
因为能量是守恒的,制动器作为一种将动能转化为热能的特定装置,其产生热量的多少与制动负荷是密切相关的。
现有的车轮制动器,由于受空间尺寸的限制,其散热能力有限,频繁或长时间制动易造成制动鼓(盘)和摩擦片(即制动衬片)过热,导致制动力矩急剧下降(热衰退),甚至制动失效而引发交通事故[1-3]。
要解决这一矛盾,比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置,将车轮制动器的负荷进行分流,使车轮制动器的温度控制在安全范围内。
目前技术比较成熟,适合装车的辅助制动装置有:
发动机制动和排气制动、电涡流缓速器、液力缓速器和永磁式缓速器等。
然而它们均不同程度存在着缺点。
(1)发动机制动和排气制动:
发动机制动和排气制动的制动扭矩比较小,在坡度较大的道路上,无法满足汽车以正常车速连续下坡时的制动要求。
制动力矩随档位的变化而变化,在低档时制动力矩大,但汽车行驶速度比较低,而高档时车速提高,但制动力矩减少。
制动过程噪声比较大[4]。
制动力的大小不可调整。
(2)液力缓速器:
液力缓速器有体积和重量较大的缺点。
当车速下降时其制动力矩下降很快,低速制动能力差。
控制要求高,空转损失大。
制动响应较慢,响应时间大约为电涡流缓速器的20倍。
(3)永磁式缓速器目前装车的永磁式缓速器还不能根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩;
而且现有的永磁式缓速器制动力矩较小。
因采用永磁稀土材料,目前价格较贵。
(4)电涡流缓速器同样有着体积和重量较大的缺点。
1.2汽车电涡流缓速器综合性能试验台研制的背景
1.2.1电涡流缓速器的发展历程
19世纪中叶,法国物理学家利昂发现了电磁感应现象并对此进行的一系列探索,为电涡流缓速器的问世奠定了基础。
1903年STECKEL发明了世界上第一台电涡流缓速器的试验模型并申请了专利,但还不具有实用价值。
1936年法国人SARAZIN将第一台电涡流缓速器应用在车辆上,揭开了电涡流缓速器实际应用的序幕。
1938年,法国的SAEG公司将缓速器的性能进行了提髙。
后来,TELMA公司的缓速器设计上采用了开放式外壳、中心盘增加散热片的方式,使缓速器的散热能力和缓速性能有了很大提高。
采用此项技术的TELMA360、450、510系列相继问世,并在20世纪50-60年代获得一定程度的应用。
之后,TELMA公司开发了条型散热器C系列产品。
这种缓速器从根本上改变了传统结构,将转子盘做成两个并移到定子的外侧,这种新型结构使缓速器的整体性能有了质的飞跃,并由此打开了缓速器广阔的市场。
1.2.2电涡流缓速器的市场前景
国内目前已有部分大、中型豪华客车上装用双转子盘式电涡流缓速器,目前我国生产此类电涡流缓速器产品的厂商有深圳市特尔佳运输科技有限公司、扬州洪泉实业有限公司、浙江瑞立集团等。
而转筒式电涡流缓速器目前主要由日本的泽藤电机株式会社生产。
出于对潜在市场的保护,国外公司很少公开发表自己产品的关键技术。
从国内发表的文章看,基本都是对传统的双转子盘式电涡流缓速器结构、原理、维护和使用效果、以及设计方法方面的研究。
从学位论文看,长安大学2000年余强的交通运输工程专业博士学位论文《汽车下坡持续制动性能研究》,该论文从电涡流缓速器与发动机制动、排气制动联合作用的持续制动方式进行了探讨和研究[11];
江苏大学2004年何建清的车辆工程专业硕士学位论文《车用电涡流缓速器的设计方法及其性能分析》,该论文对电涡流缓速器的设计方法进行了深入研究[12]。
江苏大学2005年衣丰艳的车辆工程专业博士学位论文《车用电涡流缓速器设计理论与评价方法研究》运用Ansys软件建立了电涡流缓速器的1/8模型,并对电磁场三维分布进行了深入研究[13]。
文献检索尚未见到国内
有文章或学位论文对转筒式电涡流缓速器进行过研究。
因此,国内要开发出具有自主知识产权,而且性能优良、可靠性高的转筒式电涡流缓速器产品,需要对转筒式电涡流缓速器的关键技术进行深入的研究。
目前国内的少数缓速器生产厂商正在从事转筒式电涡流缓速器的研发工作,扬州洪泉实业有限公司和江苏大学江苏省汽车重点实验室正在开发该产品。
1.2.3电涡流缓速器工作原理
电涡流缓速器的工作原理是基于电涡流能量的转换。
当给定子线圈(一般为4组共16只线圈)通电时,定子线圈会产生磁场,而当转子在定子所产生的磁场中旋转时,在转子的金属面内侧产生了无穷无尽的电涡流,根据物理电磁学原理:
带电导体在磁场中运动时会受到电磁力的作用,这些电磁力的合力,则形成了与转子旋转方向相反的扭力。
基于这样的工作原理,把转子安装在车辆的传动系统中,让转子随着车辆的传动系统一起旋转,则只要给定子线圈通电,转子就会受到反向电磁力的作用,从而起到了减速的作用。
它的功用在于使高速行驶的车辆得到一稳定的减速度,如车辆在下长坡时,车辆前方有障碍物时(高速公路收费站口、道路维修点等)。
为了满足车辆在不同情况下对制动力大小不同的需求,在电涡流式缓速器的操作系统中,设计了4个档位(控制通电的定子线圈数量),分别输出25%、50%、75°
/。
、100%的总制动功率。
在操作控制中,既设计了手控操作,又设计了脚控全自动操作,以便使车辆在大部分需要减速的情况下都使用缓速器,这样就大大地提高了车辆的制动效率。
1.2.4电涡流缓速器主要优势
因为电涡流缓速器是无机械摩擦,采用逐步增加制动力矩的方式,使得高速行驶的车辆制动更平稳,安全性更好。
由于其独立于原制动系统,可降低轮毂、轮胎的温度,下降幅度可达30%〜40%,轮毂、轮胎寿命可延长3倍以上。
使用缓速器可增加制动力,制动的反应时间更短,紧急制动的距离缩短。
良好的控制性能,可以选择手控、脚控、手脚并控等操纵方式,符合中国客车驾驶员的驾驶习惯。
良好的散热性能,电涡流缓速器中空的设计和动力通风系统,巧妙地将缓速器的转子与通风功能相适应,进行自散热操作,并备有高温报警系统。
与电控相结合,通过客车电控信号综合总线系统与电控发动机、电控变速器、车桥、ABS等相结合,实现整车的协调控制。
较高的低速制动扭矩性能,与液力缓速器相比,在低速状态下通过电涡流原理,产生较大的制动扭矩。
电涡流缓速器万一损坏,可以将缓速器拆下,并将传动轴联上,车辆仍可以继续工作,而不影响正常的使用。
由于制动片在摩擦过程中会产生很多粉尘,粉尘中含有因高温作用而发生变异的有害物质,甚至含有致癌物质;
而且,制动器的频繁维修会产生较多的维修废弃物以及制动过程中的噪音,这些都对环境造成污染。
电涡流缓速器能够承担车轮制动器大部分的负荷,因而也就能大大减少车轮制动器对环境带来的影响,
它还能降低制动器的热衰退现象;
解决了制动侧滑跑偏问题:
避免了轮胎裂爆的行车安全隐患;
消除了汽车制动的尖锐噪声,适合安装在各种中、重型载货汽车及中、大型客车上。
用在新型大客车上的一种减速装置在各种车展上引起业内人士的注意。
1.3试验台开发的意义
虽然实车试验是检测缓速器的有效方法,但在实际应用中受到了一定的限制,这是因为实车试验存在以下问题:
由于制动工况的复杂多样性,决定了在路面实车试验必须针对各种不同工况分别进行试验,这包括不同的路面条件、不同的车辆载荷及不同的行驶条件等,试验周期较长。
尤其是所需专用试验场地,造价非常昂贵,使得进行全面试验评价的成本很高。
实车试验中,影响试验效果的因素较多并难以把握,所以试验参数的可控性及一致性差,这导致试验结果的重复性差。
某些工况的危险大,可能影响人身安全。
考虑到以上几方面的因素,开发一个试验台具有重要的意义:
1.可以对控制参数的调整进行快速试验。
2.可以进行整车匹配试验及实车道路试验前的参数预估。
3.可以节约大量的时间及费用。
4.本试验台有效地将机和电结合起来,运用了各种关键技术和理论分析,为以后进一步开发提供一定的基础。
第2章机电式电涡流缓速器样机研制与试验研究
2.1试验台的工作原理及其结构
到目前为止,国内机电式电涡流缓速器尚处于研制开发阶段,本课题组研制开发出了机电式电涡流缓速器的样机。
在经过一系列试验测试后准备实施量产。
机电式电涡流缓速器要进入量产,势必在装车前要进行各项性能检测,因此有必要研究机电式电涡流缓速器的台架试验方法。
机电式电涡流缓速器性能试验台工作原理如图2.1所示(不同类型的缓速器采用的传感器不同),该试验台的工作原理如下:
用电动机来驱动飞轮,用旋转飞轮的能量来模拟汽车行驶时的动能,以此作为电涡流缓速器的能量输入。
在电动机启动后,电机带动组合飞轮转动。
电涡流缓速器通过自身的涡流损耗来消耗这部分动能。
在试验过程中,缓速器产生的动能使得旋转飞轮的动能不断减少,另一方面转子转速不断降低,温度传感器用于测得缓速器定子绕组的发热情况。
速度力矩传感器可直接测得制动过程中的制动力矩和转子转速。
风机用来模拟汽车行驶过程中的风速,即模拟出缓速器的实际散热条件,也可用于试验中加速缓速器的快速冷却。
各种测试数据的采集和控制采用计算机来进行控制。
缓速器综合性能试验台的机械结构布置如图2.2所示,为了方便布置和调整机构位置,试验台的机械部分布置采用主轴共线的方式。
试验台的基本结构有:
(1)模拟制动能量部分,包括惯性飞轮组、主轴、高速轴承等;
(2)机械联接部分,包括刚性联轴器、支架、整体式地板等;
(3)测控系统,包括信号放大器、速矩传感器、其他传感器(磁感应强度传感器、电流传感器、电压传感器)、计算机及其软件等;
(4)动力部分,包括驱动电机、变频调速装置、全自动控制柜等。
2.2机电式电涡流缓速器的试验台
机电式电涡流缓速器转子是筒式结构,而之前研制的试验台主要是针对盘式电涡流缓速器设计的。
在试验安装时为了保证定子和转子之间的同轴度,即保证转子与定子的径向间隙一致,因此需要设计一个安装支架来确保试验台适合机电式电涡流缓速器。
图2.1机电式电涡流缓速器试验台的工作原理图
1-平板;
2-直流电机;
3-升速齿轮箱;
4-主轴;
5-可调惯量飞轮组;
6-防护罩;
7-转矩转速传感器;
8-电涡流缓速器;
9-温度传感器;
10-风机
图2.2试验台机械布置图
2.3机电式电涡流缓速器的运行工况
要研究机电式电涡流缓速器的试验方法,首先要了解它的实际工作状况。
根据我国有关法规的要求,缓速器作为辅助制动系统,主要装用在客车上,其中尤以城市客车为主。
因此分析客车实际运行工况便可得知缓速器的主要工作状况。
客车的实际工作状况复杂多样。
例如城市公共汽车在停靠站台时,需要频繁制动减速;
遇到红灯时也会制动停车;
在车辆前方有障碍物时(高速公路收费站、道路维修点等)也应减慢行驶速度。
在高速公路上行驶的汽车偶尔遇到紧急情况时需要使用缓速器配合主制动器紧急制动。
研究人员对典型的城市公共汽车在行驶过程中使用制动的强度和次数进行统计分析,统计结果表明,使用最为频繁的制动方式是低强度制动(制动减速度在0.2~1.2
,即所谓“点刹”),城市车辆在行驶中使用低强度制动的比例占了85%,越是繁华的闹市,这一比例就越高。
根据缓速器的实际运行工况,可以确定对缓速器一般性能要求如下:
(1)缓速器能够产生长时间、小强度的制动力,满足车辆低强度的制动要求。
(2)城市公共汽车一般行驶平均速度为15km/h左右,缓速器主要在这一范围工作,并且多数制动需要延至停车状态,这就要求缓速器具有良好的低速制动性能,即在低速时候仍能提供较大的辅助制动力。
(3)根据统计结果可知,城市客车30%的制动过程仅仅持续1秒或更短,这就要求缓速器动作灵敏迅速,瞬间做出反应,从而满足大多数制动的需求。
机电式电涡流缓速器一般装在10米左右的中型客车上,因此对制动力矩要求不是太高,一般设计要求在1200
。
而强调的要求是低速制动性能良好,系统瞬间反应快,满足多数制动需求,抗热衰退性能好,制动稳定性好,对主制动系统无影响。
2.4机电式电涡流缓速器台架试验项目和试验方法
通过分析汽车的各种运行工况,总结得到机电式电涡流缓速器的基本性能要求,从而确定机电式电涡流缓速器台架试验项目和试验方法:
(1)制动力矩—转速特性试验。
该试验项目反映了机电式电涡流缓速器所产生的制动力矩和转筒转速之间的关系,是缓速器的基本试验项目。
根据试验曲线可以确定在转筒转速变化过程中的最大制动力矩、最小制动力矩和制动过程中的平均制动力矩。
试验方法:
启动电机,使转筒转速达到2000rpm,断开电机,接通电磁换向阀,使缓速器工作,直至转筒转速为零。
试验中记录制动力矩、转筒转速、定子温度和转子温度等内容。
确保制动前转筒温度为室温。
(2)拖磨试验
拖磨试验也叫持续制动性能试验,即在某一恒定转速下,机电式电涡流缓速器产生的制动力矩随时间和温度变化的关系,以测试缓速器持续工作的能力。
根据试验曲线可以确定机电式电涡流缓速器的抗热衰退性。
启动电机,缓速器工作,使转子转速达到nrpm(建议取800rpm(此时对应车速约为30km/h)),进行拖磨试验,记录试验中制动力矩和转筒、定子温度,试验时间t(建议取500s),可以取得力矩—温度、力矩—时间特性曲线。
试验开始时转子温度必须是常温。
(3)制动时间试验
该试验项目测量缓速器在规定的惯量大小的条件下,从规定转速降低到某一较低转速所需时间,考察机电式电涡流缓速器的减速制动性能。
启动电机,使转子转速达到1600rpm,脱开电机,接通电涡流缓速器一组线圈使电涡流缓速器工作,将台架惯量盘制动到200rpm,记录仪表自动测得惯量盘从1600rpm制动到200rpm的时间t1。
重复上述步骤,分别测量得到机电式电涡流缓速器二档、三档、四档的制动时间t2,t3,t4。
分别与标准的制动时间T1,T2,T3,T4比较。
(4)温升试验
该试验项目测量机电式电涡流缓速器在最大制动力矩的状态下连续工作10min时机电式电涡流缓速器各部件的温度,考察机电式电涡流缓速器持续工作能力,电涡流缓速器持续工作500s,测量机电式电涡流缓速器各部件的温度。
(5)电能消耗特性试验
指机电式电涡流缓速器各线圈电流—时间关系曲线,得到机电式电涡流缓速器的最大工作电流和工作电压,检验电涡流缓速器工作时是否影响其他用电设备正常工作。
第3章试验台机械结构的设计与校核
3.1研究背景
在电涡流缓速器试验台的设计中,由于汽车轮子必须架空,即使车轮产生转动,也仅仅只有车轮的转动惯性力,它与车身的平动惯性力相比是很小的。
试验台对车轮的转动施加制动时,制动时间将会比路面制动减少很多,无法正确模拟实际车辆在路面上的制动。
因此,给试验台增加惯性力,使之与实际情况相符。
缓速器是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。
随着这些机器工作速度的不断提高,对缓速器的要求越来越高。
因此,迫切需要对缓速器进行深入研究。
台架试验是缓速器研究中不可缺少的重要环节,是评价缓速器能否满足使用要求的最重要试验之一。
所以,研究一种模拟性好,自动化程度高的缓速器试验台是非常必要的。
传统的惯性式试验台是利用飞轮模拟制动器的负载。
这种模拟方法存在以下问题:
(1)需用很多片飞轮;
试验台的体积庞大;
操纵麻烦。
⑵对缓速器垂直制动工况不能模拟。
(3)在试验中,不能改变负载,即无法实现缓速器工况再现。
3.2缓速器负载的分析
缓速器是用来降低机械速度或者使机械停止的装置。
根据被制动对象的运动,机械制动可分为两种基本类型:
水平制动和垂直制动。
水平制动:
被制动的对象沿水平方向运动。
如车辆在水平路面上行驶时的制动。
这类制动时,制动器的负载是机械中各部分旋转、直线运动的惯性动能。
垂直制动:
被制动的对象沿垂直方向运动,如提升设备的制动。
这类制动时,制动器的负载是机械中各部分旋转、直线运动的惯性动能和重力功二部分,并且重力功部分占的比例很大。
车辆在坡道上行驶时的制动可视为水平制动和垂直制动的综合。
此时制动器的负载为惯性动能和重力功。
3.2.1多分流加载法的模拟机理
飞轮是一种贮藏能量的机件,它在角速度上升时吸收能量,在角速度下降时释放能量。
因此,它可以用来模拟制动器负载,但仅用飞轮存在一些缺点。
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。
因此,一台电动机在一定的外界条件下,可以转化为发电机运行,反之亦然,即电机具有可逆性。
因此,电机可以用来模拟制动器的负载。
但是,如果仅用电机将产生下列问题:
(1)在欲模拟的制动器负载较大时,模拟初期误差较大。
(2)在一般情况下,初始几次的调节量较大,被调量的波形振荡严重。
同样仅用飞轮或其它都不能模拟汽车的转动惯量。
整个运动部分是连在一起的。
当制动时要使它们同时停下来。
综上所述:
单独使用飞轮或者电机来模拟制动器的负载都存在缺点。
为此,本章提出了一种新的模拟方法,即利用3片固定飞轮(飞轮常固定于飞轮轴上,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水乎制动工况和垂直制动工况制动器负载的原理进行分析。
1.水平制动工况
(3-1)
式中tB——制动力矩;
t1——制动开始时刻;
w——制动轴的角速度;
t2-制动结束时刻制动力矩。
在制动过程中,制动器吸收的能量可由下式表示:
(3-2)
将式
(2)代入到式
(1)可得
(3-3)
式中Jv——换算到飞轮轴上的等效转动惯量:
w1——制动开始时制动轴的角速度;
w2——制动结束时制动轴的角速度。
在传统的惯性式制动器试验台上,为了满足(3-3)式,Jv是由试验台上的飞轮片组合得到的。
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为Jw,需电机模拟的转动惯量为Js=Jv-Jm。
这样,在制动试验过程中电机
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