高速转向稳定模拟实验装置

杨全利，张 丛

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

高速转向稳定模拟实验装置

杨全利，张 丛

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

应用动力学中陀螺力矩及陀螺效应的基本理论，设计制作了高速转向稳定模拟实验装置。该装置可以直观地显示出陀螺效应，通过装置所显示的陀螺转速、物体转向转速和陀螺力矩的数值，定性、定量地模拟出对高速转向物体施加陀螺力矩的实际效果。实验证明，该装置测试的陀螺力矩数值与理论计算值的误差在5%以内，可作为理论力学实验教学的重要仪器，为重心较高的高速转向物体的设计和制造提供重要的参考数据。

陀螺力矩；陀螺效应；模拟实验装置

0 引言

车辆或轮船一些重心比较高的物体，在高速度下转向时，离心力会使其受到侧翻力矩作用，在此类物体上加装高速旋转的陀螺转子，利用其转向时的牵连角速度对该物体施加陀螺效应，所产生的陀螺力矩可部分抵消这些物体转向时离心惯性力所产生的侧翻力矩，从而提高其转向时的稳定性。本文应用动力学中陀螺力矩及陀螺效应的基本理论，设计制作了高速转向稳定模拟实验装置。

1 高速转向稳定模拟实验装置总体设计

1.1 控制箱与主体的设计

1）电控制箱

包括开关及其他电器元件的选择与控制柜的设计制作，根据元器件的大小极其类别，将控制柜设计三层，为了能直观的观测测试数据，将测力仪搁置上层中间，由于励磁调速器只起控制作用，不显示数据，放置于底层内部，为了在实验中人性化拨动转向开关，将转向控制开关放置面板左下角，为了匹配控制单元，不使操作者在操纵开关过程中混乱，将转向转速调节旋钮和转向开关按钮搁置转向控制开关的旁边，与其对应，将转向转速显示仪搁置在转向控制单元的上面中间层板的左边，陀螺转速测速仪与转向转速显示仪采用的是同一型号的仪器，为了使控制面板看起来美观及其合理性，将陀螺转速测速仪搁置在中间层板的右边，相应的将陀螺转速调节旋钮搁置在下方，将总电源开关搁置在转向开关与陀螺转速调节旋钮的中间。最终设计效果图如图1所示。

图1 电控制箱

2）装置主体

包括陀螺转子轴、板件、传动部分的参数选择与设计制作，及电机的选择。为了能使电机的转动带动装置的转向，采用蜗轮蜗杆传动，根据选用的传感器装置的大小，保证陀螺托板与传感器层板的间距至少要高出传感器的高度1～2mm，为了使受力均匀及美观，将层板支撑筋搁置中间，为了避免在测试过程中受装置自重的影响，将电机与陀螺转子轴放置在重力矩相互平衡的地方，以免装置在转向过程中连续转向角使电线缠绕，将装置转向行程设置为-90°～90°，其示意图如图2所示。

1.2 控制箱与主体控制线路图与功能说明

控制箱的各个部分相应元件控制主体每个单元动作，见图示3。其中“励磁I”连接“转向控制器”和转向“调速I”旋钮，连接主体转向电机，控制着装置整体转向，由“转速传感器II”反馈至“转向转速”显示仪上。“励磁II”连接“调速II”旋钮，连接主体“陀螺驱动电机”，控制陀螺转速，由“转速传感器I”反馈至“陀螺转速”显示仪上。动反力由“测力传感器I” 和“测力传感器II”反馈至“测力显示仪”上。“限位装置”与“转向控制器”连接，当装置转向达到转向最大行程（-90°～90°）时，限位开关起作用，使装置停止。其动作原理图如图7所示。

图2 装置整体

2 驱动电机的选择与陀螺的设计

2.1 陀螺力矩的计算与电机的选择

本装置的测力点距中心支点的距离为0.22m，取转向转速为10r/min，则：

转子的质量m=7.85kg，回转半径R=60mm，则：

转子的额定转速为：

则陀螺力矩：

根据转子的额定转速和陀螺力矩的最大值，选择螺驱动电机为上海金陵雷戈勃劳伊特电机有限公司的单相串激电动机，型号为：U400/800-220，质量为6kg，额定转速为8000r/min，功率为400W，电压为220V，电流为3.5A，启动力矩为2N.m。即陀螺驱动电机转动惯量：

启动力矩的计算：J1α= M2，若取ω=837rad/s，则2秒内α=28rad/s， M2=0.3N.m，即所选电机符合实验设计要求。

2.2 陀螺转子轴的设计及滚动轴承的选择

1）按扭转强度进行计算

按照扭转强度进行计算，按转矩T来计算，许用扭转应力[τ]予以降低，以补偿弯矩的影响。对于实心轴，其强度条件式为：

图3 控制线路图

改写成计算轴的直径的设计计算公式则为：

式中：T为工作扭矩（Nmm），Wt为轴的抗扭截面系数（mm3），P为轴传递的功率（kw），n为轴的转速（r/min），C为与许用扭转应力[τ]有关的系数，对于45号钢，C=107～118（对应的[τ]=40～30N/mm2）。只承受扭矩或所受弯矩与扭矩相比较小时，C取较小值，反之取较大值。

计算轴的直径为：

2）按扭转刚度进行计算

对于扭转刚度要求较高的轴，可用此法计算。

圆柱轴扭转角ϕ的计算式为：

若限制轴的扭转变形，使轴每米长的扭转角不超过30°，并取钢的剪切弹性模量G=81000N/mm2，则轴的直径为：

计算轴的直径：d≥（91～108）。

即确定转子轴的直径最小要大于11.4mm。

3）动应力的校核

陀螺转子轴的最大转动角速度为：

其角加速度为：

按动静法，惯性力偶矩：

横截面上的扭矩：

最大扭转切应力为：

即陀螺转子轴满足动应力强度要求。

4）陀螺转子轴的受力分析

陀螺转子轴承支撑板间距为131mm，其中心受力：

其扭矩图如图5所示。

其弯矩图如图6所示。

图4 陀螺转子轴受力简图

图5 陀螺转子轴扭矩图

图6 陀螺转子轴弯矩图

根据陀螺转子轴的设计，查《机械设计手册》选择轴承的类型6804，d=20mm，D=32mm，B=7mm，额定动载荷4000N，额定静载荷2470N，极限转速n=22000r/min。

3 限位开关座

本装置设计的转向行程为-90°～90°，以免装置转向时过行程，在装置上加装限位开关。由行程范围可知，限位开关需安装在与装置中心共线并与装置在0°即不动作时垂直。传感器层板端面与支撑点的距离为250mm，蜗杆垫板与装置中心的距离为140mm，即行程开关可放置在140mm至250mm处，传感器层板距落地支架支板的距离为100mm，即所选择的为浙江天正电气股份有限公司的型号为LX(ME-8104)的限位开关。

限位开关座需设计一块托板和两块支撑板。限位开关与装置控制箱的转向开关连接控制装置整体的转向与停止。其电路如图7所示。

4 传感器

4.1 传感器组成框图

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如图8所示。

图8 传感器组成框图

敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。

最后，加强部门间沟通协调。科研项目实施单位要统筹协调好各部门，成立由项目管理部门、财务部门、项目实施部门共同参与的绩效评价工作小组，明确工作职责，多效并举，共同促进绩效评价工作规范有序进行。

敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装有一起，不过由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。

4.2 传感器的选择与安装

1）测力传感器

本实验装置的测力范围数值不大，所选用的是秦皇岛市信恒电子科技有限公司的CL-1型测力仪，配备的CLF-L1型的测力传感器：量程0～±490N（50kg）。

根据测力传感器件的装置结构和预先设计在旋转板上的传感器安放位置，在传感器层板上先行钻好工艺孔及攻丝，通过螺钉直接将传感器紧固在层板上。

2）测速传感器

本实验装置的额定转速为8000r/min。所选用的是大连美天三有电子仪表有限公司的MCS-Ⅱ型微机测速仪，测量范围为0～9999r/min。

5 陀螺力矩的测试

5.1 陀螺力矩的测试

测试装置在不同的转速下转向时的陀螺力矩。通过测力仪的左右读数窗口读出转向时的动反力值，传感器触点到陀螺陀螺托板轴承支撑点间的距离为220mm，动反力与其乘积即为陀螺力矩。下表为装置转向转速为5r/min和10r/min的动反力数值，并将实测值与理论值作比较。装置转向转速为5r/min（即ωe=v/r=0.38rad/s）时数据如表1所示，装置转向转速为10r/min（即ωe=v/ r=0.76rad/s）时数据如表2所示。

5.2 相对误差分析

通过测试的数据与理论计算值作比较，该装置测试的陀螺力矩数值与理论计算值的相对误差在5%以内，主要原因如下：

1）加工过程中质量误差；

2）安装过程中定位误差；

3）理论数据值计算误差；

4）实验过程中无法准确捕捉转向转速和陀螺转子转速的准确值。

6 结论

1）本模拟装置可以直观地显示出陀螺效应，通过所测定的陀螺转速，物体转向转速和动反力的数值，定性、定量地模拟出对高速转向物体施加的陀螺力矩的实际效果。

表1 装置转向转速为5r/min数据

表2 装置转向转速为10r/min数据

2）陀螺力矩可部分抵消重心较高物体转向时离心惯性力所产生的侧翻力矩，能够大幅度提高重心比较高的物体在高速下转向时的稳定性。

3）装置测试的陀螺力矩数值与理论计算值的相对误差在5%以内。

4）所设计制作的高速转向稳定模拟实验装置可作为理论力学实验教学的重要仪器。

5）为重心较高的高速转向物体的设计和制造提供重要的参考依据。

6）本设计仍存不足，如电机转动时产生噪声和振动，可选择综合性能高的电机和在联轴部分做改进，可以减小振动和噪音。

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Simulation experiment device of a stable at a high speed

YANG Quan-li, ZHANG Cong

TH12

A

1009-0134(2017)04-0128-05

2017-01-16

杨全利（1966 -），男，实验师，本科，研究方向为机械设计、机械制造、机械创新和材料力学等。