平板式汽车制动试验台设计

姚胜利 韦泽富 张康康 马玲玲

摘 要：针对国内现有的滚筒式汽车制动试验台静态检测，无法真实反映汽车在实际行驶过程中制动现象的局限性，设计一种制动过程与汽车实际路试时的制动过程较为接近，能反映车辆的实际制动性能的平板式汽车制动试验台。该试验台是一种动态的检测设备，不需要模拟汽车转动惯量，集侧滑与轴重检测于一体，大大提高了测试效率。本设计通过对整备质量小于3.5t的各类车型包括从A级车到E级车尺寸的研究，经过大量的计算，确定了制动检测台的整体尺寸，然后确定设备的选型及材料的选用，最后对关键部件做了刚度、强度以及挠度等的校核。制动板底部采用梯形槽定位、滚珠滑动的方式是该设计中一个创新点，是在现有的滚轮式设计上做了一定的改进。该平板式汽车制动试验台可以快速、准确地检测出整备质量小于3.5t轻型车的制动性能，精度高、可靠性高、使用方便、功能齐全，很好的实现了汽车的动态检测。

关键词：平板式;制动;动态;检测台

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

隨着我国经济的快速发展，机动车保有量迅猛增加，随之带来的交通事故也在逐年上升，道路交通安全形势十分严峻，国家当前对汽车安全性能检测十分重视，制动性能又是安全性能检测中很重要的一环。对于汽车生产部门来说，把好车辆的出厂检测这一关至关重要，同样，对于已出场的车辆要做好制动性能检测工作。

目前，国外的马哈公司、博世公司、法国的萨基姆公司、申克公司等，这些公司生产的汽车制动性能检测设备功能齐全，精度较高，不受温度的影响，耐磨度高，现代化水平很高。国内汽车工业起步较晚，目前大多采用滚筒式试验台，其优点是测试条件稳定、检测结果重复性好、试验台结构简单、使用方便、检测过程迅速安全，不受外界条件限制，但是由于制动时滚筒转速较低，与实际制动状况相差甚远，这将使制动协调时间延长，也不能正确反映防抱死制动（ABS）系统的功能，另外，汽车是静止不动的，所以在整个制动过程中不会出现汽车质心前移、轴荷的再分配问题，没有办法反映出汽车在实际行驶过程中制动时的现象，此外根据前面对滚筒式汽车制动试验台结构和工作原理的分析可以知道滚筒式制动试验台检测结果受很多方面因素的影响，比如结构参数（如安置角α、滚筒附着系数φ、主从动滚筒高度差）的差异对检测结果有明显的影响。

平板式制动试验台作为一种汽车在制动过程中的动态检测，与车辆实际制动情况相一致，考虑到了因为制动过程中由于轴荷转移而引起的制动力的差异，测量更准确。此外平板式制动试验台不需要模拟汽车转动惯量，结构简单，运动件不需外加动力，用电量少，日常维护工作量小且较容易与轮重仪，侧滑仪组合在一起，从而提高了测试效率，对于车轮抱死、司机对检测结果有质疑的以及9座以下前驱乘用车制动性能检测都可以用该试验台进行检测。

1 工作原理

此次设计的平板式制动试验台如图1所示，由制动平板、测量显示系统、踏板力计、制动力传感器、轴重传感器、位移传感器等组成，一共六块平板， 4 块为制动板，一块侧滑板，一块辅助板。底板是固定与地面的钢板，面板相对于底板可以滑动。检验台是双板结构，上层板为承载板，下层板与地面通过地脚螺栓固定。承载板采用面板与槽钢整体栓接，局部焊接的方式，有效地防止盖板的变形和翘曲，为增加盖板表面的摩擦力，在盖板的上面点焊丝网。

制动板与底板之间安装制动力、轴重以及侧滑传感器，在底板的四个角分别安装轴重、制动力传感器来检测轮胎作用于平板的垂直力以及水平力。在制动力传感器前加一预推力装置，通过车辆运动带动制动板运动从而推动制动力传感器测量出制动力大小。其次由于轴重、侧滑等的测量会对制动力的测量有一定的影响，应采取一定措施防止它们之间相互干扰。

在对汽车制动性能检测的过程中，先让车辆通过第一对红外线开关，这时启动计算机程序准备数据采集，车辆以 5～10 公里/小时的速度继续行驶，依次通过第一对制动板，中间侧滑板以及第二对制动板，当行驶到第二对制动板的时候，驾驶员采取紧急制动，直至停车，由计算机采集下数据，通过平板下面安装的各种传感器，制动力传感器、轴重传感器等测得制动产生的制动力大小，侧滑量以及轴重等参数，测量结束后，驾驶员将车辆驶出制动试验台，测得试验结果显示并打印。

2 总体尺寸确定

2.1 确定原则

该设计力求能够快速、准确地检测3.5t以下车辆的制动性能，所以收集了各种类型的车辆参数。收集各类车型尺寸数据可知：d=13～22英寸，B=155～290mm，D=530～815mm由以上数据可知，1200-290=910，又根据轮胎宽度155～290范围内，初选平板的宽度为700mm，两平板之间距离为800mm，验证如下：一般车辆轮距范围为1200mm～1800mm，轮距取最小时，要使平板中心跟车轮中心重合，那么1200- 700=500mm，两平板之间距离为500mm;当轮距为1800mm时，同样有1800-700=1100mm，综合两值初选两平板之间距离为800mm。轮距取平均值1500mm时平板中心跟轮胎中心重合。

2.2 整体尺寸确定

要使制动过程能很好的在该试验台上呈现，测试板的长度L应不小于最小长度Ln，Ln的确定公式如下：

根据上表算得：座位数≤9、整备质量≤4.5t和其它车辆，LP分别为0.9m、1.06m、1.24m，进过计算Ln分别为1.4m、1.53m、1.68m。因此制动板的长度应大于等于1.7m。初选800mm的空板长度，5mm的板间间隙，因此前后板距应为810mm。要使汽车前后轴都在制动板纵向中心上，一般车量轴距取2300-3200，轴距为2300mm时，此时2300-810=1490 mm，板长为1490mm;同理轴距取3200mm算得板长2390mm。结合算得的最小板长的取值，初选1900mm做为测试板长度。

为了使前后车轮都能落在平板上，驗证如下：

3 传感器的选择

传感器的选择需要综合考虑灵敏度系数、频率响应特性、线性范围、精度、稳定性等多方面的影响。

3.1 轴重传感器的选择

轴重传感器主要有S型、板环式、轮辐型、悬臂性、柱筒式等几种样式。考虑到本次轴重测量的高要求，选AT8517型悬臂梁称重传感器。由应变片、弹性元件组成，全桥连接。

制动板下方安装四个横向放置的轴重传感器，应变片采用串联的方法连接为全桥，这样即使车轮不在中心位置也可以准确测量出轴荷。

若在等臂电桥中仅有一个桥臂工作：

如果四臂都开始工作，则输出电压是单臂的四倍。

轴重传感器结构如图2所示。

3.2 制动力传感器的选型

测量制动力传感器选用LZ-LS7型柱式形拉压传感器，具有较高的测量精度和级高点的性价比，静动态特性、温度特性较好。结构如图3所示，参数见表3。

该传感器量程为100Kg～80t，由于该设计的最大承受载荷3.5t，左右制动力和达到轴荷的60%也即1t左右，由于有轴荷转移，所以选择传感器规格为1t。

4 材料的选择

以额定的3.5t推导车辆单轮作用力：

推导出单轮作用力Fw=3500/4×60%×9.8=5145N

初选1750Kg为单轴重。

根据以上计算再取1.2为作用力分布不平衡系数为，则每一块承重板承受的重量为：1750/2×1.2=1050Kg，由于对挠度的要求不大，只要强度足够就可以。由于底板和承载板承受的应力不集中，表面直接应用的频率很高而且材料的要求限制不大，所以初选Q275型号普通的碳素钢，该钢具有较好的切削加工能力和塑性、较高的强度和耐磨性、比较好的的焊接性能、小型零件可以淬火强化、易于加工、价格便宜、所以得到了广泛的应用，多用于制造要求强度较高的零件，如轴，齿轮，输送链，农机用型钢等。查钢表得σs =275MPa，σb=490～610MPa，δ=20%。对于塑性材料，[σ]= σs=275MPa。

5 制动试验台结构设计

5.1 底板的设计

平板式汽车制动试验台主要由四块制动板组成，下层板是与地面固定在一起的。图4为制动板底座图，16个地脚螺栓将底层板与地面固定。

5.2 上层板的设计

顶板和槽钢总体螺接、局部焊接，为了加强筋的，减少了弯矩，槽钢横向布置，也为下面传感器安装提供更多空间，制动平板上盖板如图5所示。

5.3 轴重传感器支座设计

轴重传感器安装与使用要尽可能地节省高度方向上的空间，还要限制平板的侧向与上下方向的自由度，采用轴重传感器横向布置的设计方案，并加工三个螺纹通孔，一孔安装一根螺纹轴，轴下加工成与底座相连接的梯形滑块，来限制平板水平方向的跳动;一孔用于传感器的固定，与制动板连接;一孔下端加工成倒V型槽，与底板通过滚珠连接，这样制动板可以通过钢珠在底板上沿纵向移动，又能限制平板左右方向的自由度，还起到支撑平板的作用。 结构如图6所示。

5.4 制动力传感器的支座设计

制动力传感器固定于底座上，轮胎或者轮胎组件施加到平板上的力致使平板沿纵向移动，进而带动推板运动来挤压制动力传感器，进而测得制动力。根据所选型的制动力传感器，设计相应的支座结构与之匹配，结构如图7所示。

5.5 平板总成

根据以上的设计说明采用合适的装配方法就可以最终确定出平板总成如图8所示。

6 关键部件的校核

6.1 制动板的校核

6.1.1 制动板强度校核

制动板受到两个方向的力，一是车轮组件施加的制动力，二是轴荷，下面对制动班的强度进行校核，以使平板能够安全可靠地工作，也能使传感器有足够的空间安装，由于该试验台测量整备质量在3.5t以下车辆，所以选最大轴重为1750 kg。

板重=1900×20×700×7.8=207.48kg

承重（每块板）P0=1750×1.2/2=1050kg

单个车轮承重F1=1750/2×9.8=8575N

单个车轮制动力F2=8575×60%=5145N

制动板总承重P1=（207.48+1050）×9.8=12323.304N

因此，板的强度满足要求。

6.1.2 滚珠校核

汽车制动时，制动板受到两个方向的力作用，一是垂直作用力，二是侧向压力，需要对两个面上的强度都要进行校核，校核如下：

因此强度符合要求。经过对制动板的校核，初选的Q275强度刚度都超过工作条件，所以选用强度刚度都略小的0Cr13AL不锈钢，其σb=410MPa，σ0.2=177MPa，δ=20%。。

6.2 槽钢校核

（1）强度校核

槽钢长度1.4m，刚的弹性模量E=200GPa，单轴重Fw=1.75t，Q275槽钢[σ] =225MPa最大弯矩为：

查热轧槽钢（GB707-1988）：8号槽钢Iz=101cm4，Wz=25.3 cm3，由于没有考虑槽钢的自重影响，所以初选跟Wz=26.7cm3比较接近的6.3号槽钢。6.3号槽钢：Iz=50.8cm4，Wz=16.1cm3，理论重量

则自重引起板最大弯矩：

（2）刚度校核

许可挠度[w]= =14mm，轴重引起的挠度，自重引起的挠度板的最大挠度查机械手册，并用叠加法得：

所以刚度也满足要求。

由上面对于槽钢强度和刚度的校核6.3号槽钢是可以满足强度和刚度要求的，但是根据前面制动力传感器的选择和对于制动试验台的机械结构设计，若选用6.3号槽钢横向布置，其h=63，b=40，而所选的LZ-LS7型柱式形拉压传感=52，L=93，所以在纵向以及高度方向上都做不到对于制动力传感器合理的安装，故最终选用h=140的14a型槽钢。

经查机械设计手册，螺栓性能等级6.8级σs=480MPa，又由机械设计手册得：M6-M16，S=3-4，取S=3.5，则[σ]=σs/S =480/3.5 MPa=137MPa，[τ]= σs/（3.5～5），取4.8，则[τ]= 100MPa对于紧螺栓连接，螺栓所需直径：

对其进行剪切和受挤压强度核算：

（1）校核剪切强度

即螺栓联接的剪切强度满足要求。

（2）校核挤压强度

即受擠压强度也满足要求。

7 结论

（1）在研究了平板式汽车制动试验台结构、工作原理的基础上，再通过对整备质量小于3.5t的各类车型包括从A级车到E级车尺寸的研究，并通过一定的计算，最后确定了制动检测台的整体尺寸，并对关键部件做了刚度、强度以及挠度等的校核，确定设备的选型及材料的选用。

（2）该平板式汽车制动试验台可以快速、准确地检测出整备质量小于3.5t轻型车的制动性能（一般车重在1～3吨），也就是说几乎涵盖了所有的9座以下的乘用车。

（3）国内大多检测台对轴重、制动性能的检测时分开进行的，此试验台作为复合型试验台能同时检测出车辆的制动性能和轴重，大大节省了空间，提高了检测效率。

（4）制动板底部采用梯形槽定位、滚珠滑动的方式是该设计中一个创新点，是在现有的滚轮式设计上做了一定的改进。

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