汽车制动性能测试系统的研究与设计--论文.doc

机械测试技术题目：汽车制动性能测试系统的研究与设计 院 系：机械工程学院 班 级：车辆2013-01班 姓 名： 学 号： 2015.92015.12目录一、摘要.11.1 项目概述.11.2 国内外研究进展.11.3 本文的研究内容.3二、机械设计.42.1 机构设计.42.2 滚筒尺寸确定.52.3 零件设计.83、 传感检测部分.103.1 检测系统设计.103.2 数据采集系统的工作原理和构成.103.3 编码器工作原理及特点.123.4 光电编码器工作原理.143.5 光电编码器的选取.153.6 数据采集卡的选取.174、 测控部分.184.1 软件功能介绍.184.2 软件控制过程.194.3 制动系统流程框图.19五、总结.20六、参考文献.20一、摘要1.1 项目概述 汽车制动性是汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向不变和在坡道上长时间保持停驻的能力。汽车的制动性是汽车安全的主要性能之一，制动性能的优良与否直接关系到汽车性能的安全性，是汽车行驶安全的重要保障。有关资料表明，因制动不良而导致的道路交通事故占事故总数的 1/3。汽车制动性能好坏是安全行车最重要的因素之一，因此也是汽车检测诊断的重点。随着我国经济的不断发展，汽车逐步走进了千家万户，其安全性能越来越受到社会的关注。汽车制动性检测的研究与发展就显得越来越重要。1.2 国内外研究进展 汽车制动性检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展早期，制动性检测主要是有经验的专业人员通过眼看、耳听、手摸的方式进行。随着现代科学技术的进步，人们开始运用各种先进的仪器设备，安全、迅速、准确地对汽车进行不解体检测，其发展日趋完善。 一些发达国家早在二十世纪四五十年代就研制成功了一些功能单一的检测或诊断设备，并发展成为以故障诊断和性能测试为主的单项检测诊断技术。进入二十世纪六十年代后，检测设备应用技术获得较大发展，设备使用率大大增加，逐渐将单项检测诊断技术联线建站，成为既能进行维持诊断，又能进行安全环保 检测的综合检测技术。随着微机的发展，不仅单个检测设备实现了微机控制，而且于二十世纪七十年代初出现了检测控制自动化、数据采集自动化、数据处理自动化、检测结果自动存储并打印的现代综合检测技术，其检测效率极高。进入二十世纪八十年代后，一些发达国家的现代检测技术已达到广泛应用的阶段，不仅社会上的汽车检测站众多，而且汽车制造厂装配线终端和汽车维修企业内部也都建有汽车检测线，给交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本和提高运输能力方面，带来了明显的社会和经济效益。我国的现代仪器设备诊断起步较晚。在二十世纪六七十年代，国家有关部门虽然也从国外引进过少量检测设备，国内不少科研单位和企业对检测设备也组织过研制，但由于种种原因，该项目技术一直发展缓慢。进入二十世纪八十年代以后，随着国民经济的发展，特别是随着汽车制造业、公路交通运输业的发展和进口车量的增多，我国的机动车保有量迅速增加。汽车增加必然带来一系列社会问题，如何保证这些车辆安全运行和降低社会公害，逐渐提到政府有关部门的议事日程上来，因而促进了汽车诊断与检测技术的发展，使之成为国家“六五”期间重点推广的项目，并视为推进汽车维修现代化管理的一项重要技术措施。目前我国已建成的汽车检测站中，其制动检测普遍采用反力滚筒式制动检测台。随着科学技术的发展，人们在汽车制动性能方面做了大量的工作，如ABS（汽车制动抱死系统）、EBD（制动力分配装置）、ESP（电子稳定程序）、BAS（制动辅助系统）、ASR（驱动防滑系统）、EBA（电子刹车辅助系统）。但就目前的汽车制动性能检测设备，在汽车检测中存在许多不足之处，不能适应汽车新技术的发展。ABS是目前汽车研究开发中的热点，美、日、欧等国家和地区的汽车制造商已相继推出许多新型ABS产品，ABS技术在国外已相当成熟并得到广泛应用。1.3 本文的研究内容我们通过研究国内外资料，分析了多种汽车制动检测技术。考虑到自身知识水平有限，我们决定利用现有的检测方法加以改进。惯性滚筒制动方法的实验条件接近汽车实际行驶条件，可以在任何车速下进行测试；此外，滚筒式制动试验台工作原理相对简单，而且测量数据的方法和过程相对简洁，同时对数据的处理也更加方便，所需要的理论推导也相对简单。滚筒式制动试验法所需要的元件比较多而且重量比较大，占地面积也比较大，切检测的车型范围受到一定的限制。本文的主要目标是设计一套汽车制动性能试验台，着重于计算机控制技术的应用,使之具备功能齐全、性能良好、使用方便、高精度、高可靠性，以及“智能化”和“自动化”的特点。本试验台采用的是惯性式滚筒制动性能试验台，主要基于现有的汽车滚筒检测平台，通过适当的计算、修改以及重建，从而构建完成汽车制动过程中的制动距离、跑偏量的测试系统，该系统对汽车行车时的安全性有着至关重要的作用。二、机械设计2.1 机构设计 在整体上采用了单电机，一个离合器，涡轮蜗杆减速器，通过链条、齿轮带动滚筒。整体结构图如下：测控系统原理简图滚筒滚筒减速器编码器编码器滚筒滚筒电动机变频器D/A转换数据采集卡显示器打印机主机2.2 滚筒尺寸确定设计要求 ，尺寸计算滚筒组相当于一个活动的路面，用来承载被检测的车辆，承受和传递制动力。车轮制动力测试单元由一对直径相同的主、从动滚筒组成。每个滚筒的两端分别用滚筒轴承与轴承座支承在框架上，且保持两滚筒轴线平行。当质量为=150kg的小车在车速=10m/s时刹车时，系统总能量表达式为：总能量=人和车的平动动能+四个轮子的转动动能，即其中：=10m/s，=150kg，=60kg,=400mm。最后的到小车运动时的总能量为：=（M人+M车）=10500J因为所用的圆筒为空心圆柱，其质量远远小于飞轮质量，则可忽略其转动惯量。假定一个飞轮的质量为M飞轮，则转动惯量可近似为：于是有：化简得假定用合金钢材料制作滚筒，密度为：设计滚筒的长度为 ：根据公式计算滚筒半径，有：根据上面的结构示意图我们可以得到安置角公式由此可以看出滚筒直径、车轮直径和滚筒中心距是制动台主参数。车轮在滚筒上的安置角是指车轮与滚筒接触点的切线方向与水平方向的夹角，经查阅资料以及由经验值可知道，当安置角时，为滚筒的最佳安放位置，带入上面的公式可以得出，滚筒中心为。 制动检测台滚筒设计尺寸表参数名称参数值滚筒半径109mm滚筒长度400mm滚筒中心距370.8mm滚筒安置角36.87滚筒和车轮安放示意图GFn1Fn2FF2F1L2.3 零件设计检测机构单元示意图检测机构主要工作部分示意图 副滚筒 主滚筒 电机与飞轮离合器传动链条 飞轮飞轮与主滚筒联轴器 电动机滚筒支架 渲染效果图 原编码器 3、 传感检测部分3.1 检测系统设计在本设计中，使用的硬件主要由圆编码器，数据采集卡，变频器等，其中变频器控制电机带动滚筒旋转，圆编码器在滚筒转动时输出脉冲信号，数据采集卡采集脉冲，在转速调整阶段，供计算机进行制动距离计算。数据采集卡将圆编码器输出的脉冲电压信号转化为数字信号并输入计算机。 车辆制动性能检测硬件平台结构电动机2变频器1变频器2电动机1主滚筒2主滚筒1圆编码器副滚筒2离合器1离合器2副滚筒1飞轮2飞轮1数据采集卡计算机3.2 数据采集系统的工作原理和构成 数据采集是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理的过程。数据采集功能包括采集安装在滚筒端部的圆编码器输出的脉冲信号和采集车辆制动踏板踏下时发出的制动信号。数据采集通过数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡。 制动信号由操作者踩踏制动踏板产生。制动踏板和行程开关相连，当制动踏板被踏下时，开关闭合。由此发出一个制动信号。数据采集卡具有数字输入功能，无输入时默认为高电平，因此可以将行程开关与地相连。当开关闭合时，输出低电平信号。采集制动信号后，同时给离合器发送工作命令，电机与滚筒脱离，从而进入制动状态。 数据采集系统的基本组成如图3-2所示。由计算机作为数据采集系统前端处理机，并将信号传递给电机，控制电机逐步加速。同时，以圆编码器为主要探测部件对滚筒转动情况进行测量，并以脉冲信号形式反馈给数据采集卡，采集卡将数据传递给计算机，以便计算机做进一步的处理。数据采集过程及系统构成计算机变频器2变频器1电动机2电动机1离合器1离合器2滚筒1滚筒2圆编码器1圆编码器2数据采集卡N两滚筒转速相等且达到预定转速？Y数据采集卡计算机3.3 编码器工作原理及特点 编码器（Encoder）为传感器（Sensor）类的一种，一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，主要用来检测机械运动角速度。 编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有明、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90的相位差（相对于一个周波为360），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 根据编码器刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器，本测试系统选用增量式编码器。增量式编码器工作原理图 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断处旋转的方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。其级数起点可任意设置，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。一般地，信号连接一编码器的脉冲信号连接计数器、PLC、计算机，信号连接一编码器的脉冲信号连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块和高速模块之分，开关频率有低有高。3.4光电编码器工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲量或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如下图所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速，此外，为判断旋转方向，码盘还可以提供相位差为90的两路脉冲信号。光电编码器结构原理图 3.5 光电编码器的选取 编码器的分辨率，是指以每旋转360提供多少的明或暗刻线或可读取并输出的最小角度变化，其对应的参数有：每转刻度数（line）、每转脉冲数（PPR）、最小步距、位等，线数一般在每转510000线。分辨率的确定：测量过程中，需要通过光电编码器测量滚筒从制动开始到停止转动为止，滚筒所转过的圈数，由于实际测试中要求测量误差近似为0.1m即可，所以要求的传感器的精度为： 0.1m，其中s为线数，r为滚筒半径且大小为0.1m，则可得出光电编码器每圈输出脉冲数s应大于6，但是这只是理论推算值，根据实际情况为了提高系统的测量精确度肯定不能选用分辨率如此小的编码器，故需要选择编码器线数大于6的编码器，而市面上大多数编码器都能满足这一要求，所以根据经济性、实用性原则选择了IHA8030型号的编码器，此编码器是增量式光电编码器，且2500脉冲DC5-24V空心旋转编码。IHA8030型编码器 IHA8030型编码器技术参数表3.6 数据采集卡的选取 数据采集DAQ，是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。 数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系数。数据采集卡，即实现数据采集DAQ功能的计算机扩展卡，可以通过USB等总线接入这个计算机。 运行时的数据由数据采集卡送给PC机，通过运行在PC机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。我们知道，安装在滚筒端部的圆编码器输出的是脉冲信号，即为模拟信号，然而直接的脉冲信号是无法被计算机识别的，所以在测试过程中要先将模拟量转化为数字量才能被计算机识别，故需要数据采集控制卡采集到脉冲信号后进行A/D转换，进而传给计算机进行识别处理。首先在满足实际需要的基础上选取了几张数据采集卡，再从节约成本方面考虑，最后选定了研华PCI-1711总线数据采集卡，具有独特的电路设计和完善的数据采集与控制功能，支持即插即用，具有16通道单端模/数输入、16通道数字I/O和2通道数模输出，采集速率可达100kHz，可编程的计数/计时器可作为A/D转换的速度触发。内部结构主要有单端模拟输入通道、模拟输出通道和触发源连接三部分。研华PCI-1711数据采集卡PCI-1711数据采集卡规格表I/O接口类型68针 SCS-II孔型接口尺寸175100 (6.9”3.9”)功耗典型PCI-1711+5V,850mA最大温度工作0-60储存-20-70相对湿度5%-95% RH,无凝结4、 测控部分4.1 软件功能介绍本软件将实现汽车制动性能检测平台的功能，其中包括制动滚筒启停，调节滚筒速度，接收圆编码器传来的数据，记录刹车制动距离，计算跑偏量，显示并记录相关数据。4.2 软件控制过程 车辆制动性能检测系统是一个完整的测控平台，它具有数据采集，自动控制，数据处理等功能。其中，数据采集功能包括