（动力机械及工程专业论文）车辆零部件检测试验台电子仿真系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 制动器性能试验台是测试制动器性能和质量的重要装置，目前一般是利用机 械惯性飞轮束模拟转动机械惯量。这种方法可以比较充分和准确的再现制动机 构的工作状况，但是由于试验台中含有一组惯性质量飞轮组，这就造成了试验 台存在以下几个缺点：飞轮的动平衡要求较高；飞轮组的重量大，体积大；存 在模拟级差，不能无级调整惯量；不能模拟垂直制动工况等。因此成为国内外 厂商对试验台改造韵重点。针对制动器性能试验台惯性模拟系统的特点，本文 对制动器试验台仿真系统进行了探讨，在理论和试验中对惯性系统采用电子模 拟的方式进行了分析。 分析了制动器性能试验台的惯量系统结构，同时分析了电容元件的电学特 性，利用两个能量变化过程的相似性，对制动器性能试验台的惯量系统机型仿 真。 对制动器性能试验台的工作状态采用电子电路模拟的方式进行仿真，用电路 储能元件模拟惯性轮的储能。储能元件的冲放电过程模拟惯性轮加速及制动过 程，以实现试验台工作过程的模拟。 为了实现上述功能，设计了单片机控制电路，利用电容器冲放电过程中电压 的变化规律来模拟。同时针对惯量系统的功能。设计了由单片机控制多路模拟 开关选通不同电容、电阻组合的办法来实现模拟不同加速制动力矩和不同惯量 飞轮组台的模拟。 设计中引入了8 0 5 1 单片机作为仿真电路的控制部分，使用c 语言对单片机 程序进行设计，同时设计了a d 、i ) a 、i o 的接口电路，实现了与计算机之间 的通讯。同时对单片机的控制程序进行设计，提出了设计方案，并且对可控i l o 端口的程序进行设计。 本文还对仿真系统的软件进行设计，实现了仿真系统硬件和计算机之闯的通 讯，同时达到了数据采集处理和分析的目的。系统采用v i s u a l c + + 5 0 语言编写。 v i s u a l c + + 程序设计语言是应用非常广泛的可视化程序设计语言，是基于消息的 操作系统，使用户直接面对窗口，系统充分接受用户控制具有良好的人机交 互功能。 最后，按照硬件电路的设计，利用仿真软件e w b 对电路的可实施性进行了检 验，并且设计了仿真电路。 武汉理工大学硕士学位论文 关键词：制动器试验台，电路模拟，单片机，设计 a b s t r a c t t h et e s t i n gb e n c hw h i c hi st ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb r a k ei sa ni m p o r t a n t d e v i c et ot e s tt h ec h a r a c t o r i s t i ca n dm a s so ft h eb r a k e n o ww ec o m m o n l yu s e m e c h a n i c a li n e r t i a lf l y w h e e lt os i m u l a t er u n n i n gm e c h a n i c a li n e r t i a t h i sm e t h o dc a n r e p r o d u c et h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h eb r a k i n gs t r u c t u r e t h et e s t i n gb e n c hi n c l u d ea g r o u po fi n e r t i a lm a s sf l y w h e e l ，t h e r e f o r er e s u l t si ns e v e r a ld i s a d v a n t a g e s ：h i g h d e m a n do nt h ed y n a m i cb a l a n c i n go ft h ef l y w h e e l ，l a r g ev o l u m ea n dh e a v yw e i g h to f t h ef l y w h e e lg r o u p ，ad i f f e r e n c ei ns i m u l a t i n gr a t e ，i n e r t i ac a n tb ea d j u s t e di n f i n i t e l y , v e r t i c a lb r a k i n gw o r k i n gc o n d i t i o nc a n tb es i m u l a t e d s ot h i sh a sb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tp o i n tt h a tb u s i n e s s e sa th o m ea n da b r o a dw a n tt oi m p r o v eo nt h et e s t i n g b e n c h t 1 l i sa r t i c l ew i l ld i s c u s sa s i m u l a t i n gs y s t e mc o n s i s t i n go ft h et e s t i n gb e n c h f o rt h e b r a k es t a f ft oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ei n e r t i a ls i m u l a t i n gs y s t e m i nt h et h e o r y a n di nt h ee x p e r i m e n t ，e l e c t r o n i cs i m u l a t i n gm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ei n e r t i a l s y s t e r n e l e c t r o c i r c u i t m e t h o d i su s e d t os i m u l a t e t h e w o r k i n g c o n d i t i o n o f t h e t e s t i n g b e n c hf o rt h ec h a r a c t e d s t i co ft h eb r a k es t a f f e l e c t r u c i r c u i ts t o r e de n e r g yc o m p o n e n t i su s e dt os i m u l a t et h es t o r e de n e r g yo ft h ei n e r t i a lw h e e l ，c h a r g l n ga n dd i s c h a r g i n g p r o c e s so ft h es t o r e de n e r g yc o m p o n e n ti su s e dt os i m u l a t ea c c e l e r a t i n ga n db r a k i n g p r o c e s so ft h ei n e r t i a lw h e e lt oa c h i e v et h es i m u l a t i n go ft h ew o r k i n gp r o c e s so ft h e t c s tb e n c h t op e r f o r mt h ef i ，n c t 妇a b o v e s i n g l e c h i pj sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h e e l e c t r o c i r c u i t , t h e r u l e o f t h ec h a n g i n g o f t h e v o l t a g e i n t h e p r o c o f t h e c h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n go f t h ec a p a c i t o ri su s e dt os i m u l a t e 8 0 5 1s i n g l e c h i pi si n t r o d u c e di n t h ed e s i g n cl a n g u a g ei su s e dt od e s i g nt h ep r o g r a m m eo ft h es i n g l e c h i p m e a n w h i l e t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f t h e a d , d a , i ，oi sd e s i g n e dt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o n a m o n gt h ec o m p u t e r sa n ds i m u l a t i n gs o f t w a r e f i n a l l y , e w bi su s e dt ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo f t h ee i r c n i t 。s i m u l a t i n gc i r c u i ti sa l s o d e s i g n e d k e y w o r d s ：b r a k et e s t i n gb e n c h ，e l e c u ：o c i r c u i ts i m u l a t i o n ，s i n g l e c h i p ，d e s i g n 武汉理工大学硕士学位论文 i 1 引言 第1 章绪论 汽车作为现代社会最重要的代步工具之一，已经成为人们日常工作和生活中 不可缺少的物品。随着汽车工业的高速发展和人们对汽车性能要求的提高，使 各种高新技术得以在汽车上广泛应用，如电子学、光学、传感器技术以及新材 料、新工艺等。现代汽车对高安全性，低排放污染和低燃油消耗的要求与高度 成熟的电子技术相结合使汽车技术发展迅猛，目前汽车广泛采用的电子系统有 发动机电子控制系统、防拖死制动系统、自动变速系统、防碰撞系统、导航系 统和全球定位系统等“。这些新技术的应用使汽车发生了巨大变化。现代化电子 部件数量与日俱增，使汽车的维修己从机械修理变成了电子诊断和部件更换。 新型汽车需要用新型的检测设备来检测与维修，单靠传统的眼看、手摸、耳听 和拆装等经验式的方法来确定汽车技术状况和检查判断故障已经难以适应汽车 技术快速发展的需要3 。因此，汽车检测诊断技术的发展，要紧跟汽车技术飞速 发展的步伐，和汽车技术的总体发展趋势相一致，才能够更有效地对汽车实施 检测与维修。 1 2 国内外汽车零部件检测技术的发展现状 1 2 1 国外发展现状 汽车检测技术产生于2 0 世纪的2 0 年代，在这半个多世纪，特别是近一二 十年间，世界电子技术的飞速发展大大促进了汽车新技术的发展步伐。这期间， 汽车检测诊断技术随着电子技术、计算机技术、自动化控制技术、传感技术的 发展而不断发展，特别是工业发达国家，已经普遍应用高新技术改进和完善汽 车检测诊断设备，各种新型设备不断出现，并向多功能、小型化、数字化、智 能化和综合化的方向发展，国际汽车检测维修设备目前处于电子化、集成化的 发展阶段，并向一体化迈进：电子显示、电子控制等在这些设备的工作过程中 起到了重要的作用，不同功能的检测设备仪器通过电子基础实现信息传递，走 向集成化。如今国外部分汽车检测设备仪器已是机电一体化、智能化的综合体， 产品质量高、工艺性好、使用方便可靠。如日本、美国、德国、意大利等国家 汽车检钡5 诊断设备的种类、检测项目与参数、制造工艺质量、产品水平均处于 武汉理工大学硕士学位论文 世界领先地位，其产品已形成系列化、标准化和规范化。日本弥荣还把汽车制 动台、车速台、排放分析仪、噪声计等与四轮定位动态测定系统组合在一起。 不但可以测定汽车四轮定位参数，还可以测底盘输出功率、发动机功率、汽车 行驶状态模拟、振动与悬架以及制动与速度等检测项目，具有一机多能的特点。 1 2 2 国内发展现状 近十年来，随着经济的发展与科技的进步，我国汽车运输业发展迅速，汽车 保有量与日俱增。社会对保障行车安全和汽车行驶的经济性、可靠性、舒适性 的要求不断提高，同时汽车能源消耗及环保问题也日益突出。电子燃油喷射系 统、制动防抱死装置、电控自动变速器及各种电子技术在汽车上的应用，使国 内的汽车技术结构发生了很大的变化，对汽车检测诊断设备的需求也越来越大， 并对其性能、质量、可靠性等提出了更高的要求，促进了汽车检测技术的发展。 目前我国已经能够开发和生产具有一定水平的汽车检测诊断设备，有的产品已 经形成了独立的类别和系列。但国内在这个领域里起点低，起步晚，整体水平 比较落后，较为突出的问题是产品技术含量低，品种不全，不能形成系列产品， 产品质量不稳定等，但是从发展的角度看，我国的汽车检测技术正在以较快的 速度缩小与国际间的差距。随着汽车检测诊断技术的日臻成熟、国产检测设备 的日趋完善，已经可以用检测设备对汽车的安全性( 制动、侧滑、转向、前照 灯等) 、可靠性( 异响、磨损、变形、裂纹等) 、动力性( 车速、加速能力、底 盘输出功率、发动机功率、扭矩和供给系、点火系状况等) 、经济性及噪声和废 气排放状况等进行检测诊断，目前除对某些总成，如离合器、机械变速器、主 减速器等的故障诊断还没有快速、实用的检测技术和设备可使用外，己经能够 对汽车的整体技术状况、汽车维修质量、汽车制造质量等进行检测诊断并做综 合评价。汽车检测线是综合利用检测诊断技术的场所，近十年来发展很快，据 不完全统计，全国交通运输部门建成并通入运行的汽车综合性能检测线已达 1 0 0 0 多个，同时公安部门也建成了上千条汽车安全性能检测线，加上部队、石 油、冶金系统自用的检测线和汽车制造企业、汽车维修企业等所配置的自用检 测线，已初步形成了全国性的汽车检测网络。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 关于制动器性能试验台状况概述 制动是汽车在行驶过程中，需要减速或停车时而必须采取的一种操作方式。， 它要求在车轮上有和驱动相反的力矩作用，使汽车产生负的加速度，从面达到 减速或停车的目的。制动是汽车最重要的功能之一。长期以来，人们一直对汽 车的制动性能和制动稳定性能进行不断的研究，从理论上对汽车的制动过程有 了一定的了解。 制动器能用来减低机械设备的运行速度或者使其停止，是车辆、爬行机器和 许多固定设备安全工作的重要装置。摩擦制动器具有结构简单、工作可靠的优 点，已经广泛地应用在各种机械设备中而成为重要的组成部件之一，其工作原 理是利用摩擦副相对运动时接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度或 来停止运动。随着机械设备工作速度的不断提高，对制动器性能的要求也越来 越高，因此制动器生产厂商需要对制动器进行各种质量检测和性能综合评价“”。 台架试验是制动器研究中不可缺少的重要环节，是评价制动器能否满足使用 要求的最重要试验之一，因此研究一种模拟性能好、自动化程度高的制动器试 验台是非常符合实际工程需要的。 制动器试验台是测定和分析制动器性能和质量的试验装置。制动器生产企业 要求试验台系统能够检测制动器的各种性能，具体测试项目为：制动器效能试 验；制动器热衰退及恢复试验；制动衬片、块磨损试验：制动器噪声测定；试 验过程中温度的同步测量和记录；记录输入管路压力和输出制动力矩的关系； 记录制动时问和输出力矩的关系。 试验台系统同时适用液压和气压系统驱动的鼓式、盘式制动器，利用了成熟 可靠的机电设备和自控技术，使系统运行安全、稳定、可靠；利用国内标准化 的制动器试验模式，建立各类溯试模板，为企业产品分析、预测和决策管理提 供信息支持；并具有数据报表和测试诊断的友好界面，提供数据接口，需要时 可以并入企业的c i 雌系统。 目前国内外有关制动器试验台的型式很多，其典型代表如德国k r a u s s 制动 试验台，美国c e a s e 制动试验台，国产i 删- 1 0 0 0 摩擦试验台，武汉理工大学汽 车学院研制的摩托车制动器性能试验台，以及吉林大学机电设备研究所j f 系 列试验台等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 国外制动器仿真系统介绍 国外的制动器实时混合仿真系统通常由些专门从事制动器性能仿真系统 开发的大型公司研制，广泛应用于具体的动器开发工作，取得了显著的成效。 在一些公司，如果没有仿真系统，制动器的设计开发将成为不可想象的事情。 制动器仿真系统使更多新的设计思路得以验证，在缩短开发周期并节省开发费 用的前提下使产品性能更为可靠。 下面介绍2 种国外制动器性能试验仿真系统： i d e l c o 公司的制动器性能试验混合仿真系统 图1 一l 是d e l c o 公司于8 0 年代研制的制动器混合仿真系统的结构图。 限于当时计算机的运算能力，该系统结构十分复杂：使用了多台仿真计算机、 外部设备( 如；“磁带机”、“打印机”、“记录仪”) ，同时不得不采用大量的电子 设备和外部电路来辅助完成一部分仿真的功能。 图l 一1d e l c o 混合仿真系统结构图 d e l c o 公司开发的仿真系统的主要组成部分和工作原理如下： ( 1 ) “软件开发计算机”用于各种计算软件，控制软件的设计。 ( 2 ) “仿真控制计算机”是试验人员在仿真时操纵的计算机，由它对 “m i c r o v a x 计算机系统”进行控制。 ( 3 ) 由“m i c r o v a x 计算机系统”作为主控制计算机。它控制“a d l 0 0 计算 机系统”，并进行绘图，控制各种记录设备以存取试验数据。 ( 4 ) “a d l 0 0 计算机系统”模拟计算汽车、轮胎的运行状态和制动压力。当 4 武汉理工大学硕士学位论文 然，制动压力也可以由实际的液压制动系统提供。 ( 5 ) “接口电路”提供一些必要的信号，如：点火信号，制动踏板信号等。 “轮速传感器模拟器”产生的轮速信号也进入“接口电路”。它把各种必要的信 号输给实际的制动器控制器，使制动器控制器工作。同时把各种信号传送给 “a d l 0 0 计算机系统”，进行计算。图1 2 是该仿真系统的程序框图。鉴于当 时计算机的计算能力，这套控制软件的各种数学模型较为简单。其软件的主要 特点如下： ( 1 ) 采用7 个自由度的车辆模型。 ( 2 ) 基本没有液压制动系统的数学模型。当不使用实际的液压制动系时，制 动压力变化斜率使用一个较为简单的公式。由各个阀的开关状态判断出制动压 力的升降，压力变化斜率。制动压力由压力变化斜率积分得到。 车辅曲力挚 图1 - - 2 d e l c o 仿真程序框图 ( 4 ) 考虑了路面不平度和风阻的影响。 2 i t t t e v e s 公司的制动器混合仿真系统 图1 3 是i t t t e v e s 公司于9 0 年代研制的制动器混合仿真系统的结构 武汉理工大学硕士学位论文 图。该仿真系统中几乎所有制动系统真实部件都可以用相应的软件模型替代， 因此功能较强，结构也比较复杂。 该系统的硬件构成及工作特点如下： ( 1 ) 仿真系统建立了制动器制动过程中几乎所有实际系统的相应数学模型， 因而仿真时可以在液压系统、a b s 控制器、轮速传感器的数学模型与相应的真 实部件之间进行任意的组合。 ( 2 ) 仿真计算机可以代替a b s 控制器中e c u 的功能，直接控制实际制动系 统的压力。这样，在修改控制逻辑和控制参数时，不必每次重写制动器控制器 一! 巴熙一苎警曼篓真童j e 忙 图1 - - 3 i t t t e v e s 混合仿真系统结构图 中的e p r o m ，可以大大缩短开发时问。这相对于l u c a s 和d e l c o 公司的实时混 合仿真系统是很大的改进。 ( 3 ) 仿真系统充分利用了多处理器并行运算的功能，系统除了使用台p c 机提供用户界面外，还使用了的8 台t r a n s p u t e r ( 一种使用r i s c 指令处理 器的微机，每个t r a n s p u t e r 都是一块板卡) 。 其中，6 台t s 0 0 型t r a n s p u t e r 分别进行不同的运算；2 台t 2 2 2 t r a n s p u t e r 中，一台用于系统各种i o 操作，另一台用于图形处理此系统的 武汉理工大学硕士学位论文 软件功能也比较强，可以进行纯数字仿真和混合仿真。其仿真软件特点是： ( 1 ) 仿真软件包括车辆、液压制动系统、发动机及传动系、轮胎、道路、传 感器和制动器控制器等数学模型。由于轮速传感器、a b s 控制器和液压制动系 统模型的引入，该仿真系统既可以进行纯数字仿真也可以进行多种方式的混合 仿真。 ( 2 ) 车辆模型较l u c a s 有不小的简化，但传动系模型则复杂得多。 ( 3 ) 液压制动系统的模型更为复杂。为了简化计算，t e v e s 的软件在计算 液压系统的状态时，有时候与l u c a s 的系统相同，也用数学曲线来近似液压系 统的特性，避免求解描述实际物理系统的数学方程过于繁琐的问题。 相对而言，t e y e s 的仿真软件更多地应用了描述实际系统的数学方程，例如 把流经电磁阀的制动液处理为流经小孔的液体，使用伯努利方程来描述“”。 1 3 2 目前制动器性能台架试验中机械惯量的模拟方法 经过国内学者的不懈努力，制动器模型已日趋完善。虽然各车型的制动器在 结构和尺寸方面有较大的差异，但仍可以采用一个统一的公式来计算制动管路 中制动压力产生的制动力矩，从而得到通用的制动器模型。 经调查研究，目前汽车台架试验系统( 如汽车制动器试验台、汽车变速器同 步器试验台等) 为了保证试验条件和实际工况的一致性，大多采用以下几种方 式对机械惯量进行模拟： l 、机械飞轮模拟方式：即利用机械轮的惯性能量模拟机械的惯性能量。 采用这种模拟方式的检测系统中，大质量飞轮不仅造成设备结构庞大，而且测 试不同类型车辆时，模拟系统的惯量调整困难，不能模拟垂直工况( 如汽车下 坡时的制动工况等) ，尤其是不能够做到惯量的无级调接，造成检测误差。 2 、机械飞轮模拟和电模拟相结合的方式：即利用飞轮的惯性能量模拟机械 系统的部分惯性能量，其余的惯性能量由电机来模拟。这种方式不仅可以使检 测设备的体积有所减小，而且还解决了机械飞轮模拟方式中模拟系统惯量调整 困难的问题，能够实现机械惯量的无级调整，提高了检测精度。但是，其控制 系统较为复杂。 3 、电模拟方式：即取消了机械飞轮，利用调整系统及计算机控制进行补偿， 使实验系统动力特性与具有大质量惯性轮系统一致。采用这种模拟技术可以显 武汉理工大学硕士学位论文 著减小检测系统的结构尺寸，实现惯量无级调整，但是，当要模拟的机械惯量 较大时，电动机的功率消耗也会很大。 1 4 本文的主要研究内容 电子仿真的任务就是研究出一种机械转动惯量电子硬件模拟系统，该系统利 用硬件电路储能元件充放电模拟传统的惯性式摩擦制动器试验台中的飞轮惯 量。 假设传统惯性式试验台的大飞轮转动惯量为j 。，在大飞轮转速达到n 。 时，用恒定力矩m 制动，则其制动曲线如图所示，为匀减速运动。再假设机械 惯量系统的转动惯量为j + ( j 十 j ) ，同样在小飞轮转速达到n 大时， 用恒定力矩m 制动。 则制动曲线如图1 - 4 所示，图像o a _ c e 为加速力矩和制动力矩均较大时 的特性曲线；图像- c f 为加速力矩较大、制动力矩较小时的特性曲线；图 像0 - b d g 是加速力矩，制动力矩均较小对的特性曲线：图像o - 8 d - f 是加速 力矩较小、制动力矩较大时的特性曲线。 转 速 f n 图l 一4 制动器在不同工况下的速度一时间曲线 因此，电子仿真系统能否模拟出转动惯量的问题就转换成电子仿真系统中储 能元件的电压变化能否模拟传统惯性式试验台的输出转速的问题，即电惯量系 统的最终实现是以控制转速为手段的。 由此可见，电子仿真系统如果要模拟出原系统的工作状况，就必须按照图 1 6 中曲线运行。 按照上面的分析，本论文完成以下主要内容： l 、对进行制动器性能检测的意义进行研究； 2 、分析现有的制动器检测试验台，并在此基础上提出了适于汽车检测采用 的制动器台架检测的模拟方案； 3 、从能量角度对汽车制动过程进行分析，根据能量守恒理论对制动器性能 检测台的机械惯量电子模拟部分进行设计，并在此基础上提出电子硬件惯量模 拟的控制方案； 4 、对电子模拟的控制系统的软硬件部分进行研究设计： 5 、对电子模拟的控制系统进行仿真试验研究，验证控制方案的可行性。 1 5 本文的研究意义 制动器试验台需要有模拟被制动对象机械能的装置，目前得到了广泛应用的 是利用惯性飞轮来模拟旋转机械装置的惯性。 飞轮是一种贮藏能量的机械部件，它在角速度上升时吸收能量， 即 1 e 一- 1 j t o 。 r 1 1 1 2 一，为飞轮转动惯量 一为飞轮角速度 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。制动器试验 时，用电动机来启动飞轮，此后在惯性试验台上的制动器吸收达到一定速度的 飞轮动能晶在变化的滑转速度下实现转动轴制动。 上述的制动器台架试验系统，为了保证试验条件与实际工况的一致性，均采 用机械飞轮对工作实际惯量进行模拟，这种方法虽然可以比较充分和准确地再 现制动机构的工作状况，但是由于试验台中含有一组惯性质量飞轮组，这就造 成了试验台存在以下几个缺点： 1 、飞轮的动平衡要求较高，故其加工较匿难，安装精度要求较高，同时系 统需用很多片飞轮，使飞轮组耗用材料多； 武汉理工大学硕士学位论文 2 、飞轮组的重量大，体积大，致使整机设备运输不方便，而且试验台占厂 房面积大，振动大，噪声大； 3 、模拟精度越高，所需飞轮越多，且始终存在模拟级差，试验误差大； 4 、针对不同类型旋转机械装置进行试验时，系统惯量调整困难，导致了试 验的操作复杂性： 5 、利用飞轮的机械模拟方法不能对重力功进行模拟，即对制动器垂直制动 工况不能模拟； 6 、在台架试验中，不能改变负载，即无法实现制动器工况再现。 针对传统的惯性式制动器试验台的这些缺点，设想如果减小或取消机械惯量 部分“”。而利用仿真技术对机械惯量部分的特性进行模拟，使该试验系统动力 特性与具有大质量惯性飞轮系统动力特性一致，采用这种技术以后不仅系统结 构简单，自动化程度高，而且可提高试验精度，减小误差。而且还可以模拟制 动器试验台实际工作中遇到的各种载荷工况，和在此工况下进行数据的采集与 处理，实现了从制动器性能试验的模拟控制到数据的非现场采集。同时还可以降 低性能试验的研发周期和开发成本。 本文研究的机械惯量电子仿真系统是制动器试验台测量控制系统的核心环 节。该系统中运用的电子模拟技术以电路储能元件模拟机械转动惯量，该技术 的实现对制动器试验台将产生下列的影响： 1 、缩小试验台的结构尺寸，缩短开发周期； 2 、可对所有制动工况进行模拟试验； 3 、完善系统功能，提高设备的加载精度和自动化程度； 4 、对制动器试验信号进行信号仿真模拟： 5 、对试验台信号范缜可以进行虚拟调试，改进了设备性能； 6 、采用能量模拟系统，可以提高试验设备的能量模拟精度： 机械惯量电子仿真制动器性能试验台是综合测试制动器性能和质量的专用 新型设备，该试验台自动化程度高、实时性强、有良好的人机界面，操作方便， 具有优良地模拟实际工况的试验能力。随着我国汽车工业和技术的快速发展。无 疑给车辆制动器的性能质量和控制方式提出了更新更高的要求。该制动器性能 试验台仿真系统的研制为进行制动器性能试验台的基础研究和性能测试提供了 有力的技术手段，对确保汽车、摩托车制动系统正常可靠工作至关重要，可满 足企业准确、快速、有效地对制动器各种综合性能检测的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章制动器性能试验台参数及选择 2 1 试验台主机设计慨述 在描述仿真系统之前，首先介绍我院自行设计和研制了制动器惯性性艟试验 台。其外形如图2 一l 所示。 图2 1制动器性能试验台质量惯性模拟系统 制动器性能试验台分试验主机和微机控制系统两大部分。主机部分由交流调 速电机、质量惯性模拟系统、力矩测定机构、加载系统、风速模拟系统、喷水 系统、试件夹具等部分组成，其结构如图2 2 所示。 制动器性能试验台可进行制动效能、热衰退与恢复、水衰退与恢复、摩擦衬 片磨损等试验。对车速、操纵力、制动减速度、制动力矩、初始温度、大气温 度、冷却风速、制动时间等进行检测。 试验台主机造型改变了传统的开放式台架结构，以大型钢板框架式结构底座 和封闭式主轴箱实现试验台的整体性其中，主轴箱执行制动能量实际值的模 拟和变换，是由计算枧监控。 设备基础采用大块式结构，具有良好的减震性设备结构和外部造型完全按 照人机工程学原理进行设计，使实验人员操纵更加舒适，提高工作效率设备 武汉理工大学硕士学位论文 1 、交流调速电机；2 、质量惯性模拟系统；3 、矩测定机构 4 、加载系统；5 、风速横拟系统；6 、喷水系统；7 、试件夹具 图2 - - 2 主机部分 的旋转部位涂以醒目色彩，并在相应位置加有警示牌，在设各的外部有一个经 过喷塑处理的整体外罩通过外罩上的透视口可以观察设备的运转情况和试件 的测试过程。因此设备的安全性极高。 试件夹具按原车安装形式与主轴联接，且与力矩测定机构连成整体。加载系 统为由微机控制的气、液伺服系统，准确模拟实际行车中的制动操纵力。 制动器温升与制动器浸水后均会产生制动效能的衰退，在实际行车中对安全 性能影响极大。在试验循环中要求恒风速吹风及准确的浸水时间，由微机控制 的风速模拟系统和喷水系统实现。 2 2 质量惯性系统机械结构及工作原理 质量惯性模拟系统是制动器性能试验台主机部分的心脏，它由组合式惯性质 量盘组成“1 。驱动电机带动惯性质量达到设定转速后电机自动分离，相当于车辆 惯性质量的质量盘组就可以模拟车辆行驶时的惯量。本试验台质量惯性模拟系 统可通过不同质量盘组合，满足各种鼓式和盘式制动器性能试验的要求。 质量惯性系统是指模拟各种车型实际行驶惯量的当量回转惯性质量( 质量盘 组合) 。当量回转惯性质量为分级选择组合式，模拟精度可达- - 1 。操纵方式 采用机械拨叉机构操纵牙嵌离合器实现离合。 主轴上安装质量盘若干片，其中常结合盘一片，模拟车辆行驶惯量。活动盘 片，以不同的组合模拟各系列车辆实际行驶惯量。活动盘安装在带牙嵌的活动 武汉理工大学硕士学位论文 盘毂上，且与花键套之间以一对滚动轴承支承( 见图2 - - 3 ) 。若离合器与活动盘 毂牙嵌不接合，活动盘不随主轴转动，则不产生转动惯量。当需要某一盘的转 动惯量时，由两级杠杆式拨叉机构( 见图2 - - 4 ) 拨动牙嵌离合器，使之与活动盘 毂接合，将主轴旋转运动传给质量盘，该盘转动惯量随之产生m 。 n 避 议烂 武汉理工大学硕士学位论文 安装一对1 0 0 0 0 9 6 轴承，变滑动摩擦为滚动摩擦。常接合盘q 与六个活动盘a f 构成6 4 种惯性质量组合( 见表2 1 ) j q = j m 一2 8 7 k g 2 ； j = j = o 5k g m z ： j b = 2 a j = 1k g m 2 ： j c = 4 a j = 2k g - 1 1 1 2 ： j n = 8 a j = 4k g m 2 ： j e = 1 6 x a j = 8k g m 2 j r = 3 2 a j = 1 6k g 岔 袁2 1 质量盘基本惯量组合表 质量块惯量代号惯量值 q 28 7 q + aj o + j33 7 q 十b j q + 2 j 38 7 q + c j 。+ 4 j 48 7 q + d j 。+ 8 j 6 8 7 q + e j 。+ 1 6 j1 0 8 7 q + fj q + 3 2 j1 8 8 7 作为制动器性能试验台主机的核心部分，质量惯性模拟系统合理的结构和准 确的模拟精度至关重要。本系统模拟精度达1 ，且保证了模拟惯量选择的连 续性。随着时间的推移和行业的发展，在各系列车辆质量有较大改变( 超过氏， 和g i n ) 的情况下，本试验台的质量惯性模拟系统只需将质量盘的尺寸( 厚度h 和半径r ) 作适当调整，即可在保证模拟精度的前提下获得新的惯量组合。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 试验台电路部分 系统硬件构成查珏图所示，控案# 量通过帆转变为开关量，经输出调理后驱动 执行机构，控制被控对象。然后控制对象的被测物理量经传感器检测，滤波整流 等输入调理a d 转换器转换为数字量，输入计算机，经过处理后，可以动态地显示 于c r t 上，也可以存储在硬盘上或用打印机打印等。操作运行人员通过计算机实 现了集中监视、自动记录，方便的获取测试现场的信息和数据。在该系统中，计 算机不仅可以取代模拟调节器，而且不需要改变硬件，只需通过改变软件就可 以有效地实现多种控制方法。如图2 5 国2 - - 5 系统硬件构成图 2 4 软件的构成及原理 模块化设计是近几年来发达国家普遍采用的一种先进方法，数据采集与监控 系统的开发运用了模块化的设计方法，其软件构成如图2 6 所示。 系统采用v i s u a lc + + 语言进行编程，系统有七大模块组成，其中各个模块有 主控模块统一管理。主控模块的框架由v i s u a lc + + w f ca p p w i z a r d 生成，生成 时选择m u l t i p l ed o c u m e n t s 多文档应用程序。v i s u a lc 所提供的m f c 类库是 编制w i n d o w s 应用程序的有力工具。这个类库不仅提供了w i n d o w s 图形环境下 武汉理工大学硕士学位论文 的应用程序框架，而且提供了在创建应用程序时常用的组件。它成功的把面向对 图2 6 系统软件方框图 象和事件驱动这两个概念结合起来，显示出这两种程序设计风格协同工作的强 。大生命力。利用m f ca p p w i z a r d 可以快速地生成各种风格的应用框架，大大减轻 了编写代码的工作量，而把精力用于特殊代码的编写上。 在软件的编制中采用了覆盖技术，使程序运行时始终占用较少的内存，留出 较大的内存来存放采集的数据。程序编制还采用了菜单技术，使操作人员方便的 从显示屏上所列出的若干功能中选择要操作的项目。软件中参数的输入和数据 的输出内容按类提示，提示全部采用汉字，操作简单易行。为了确保程序的正常 运行，软件还对某些输入内容的类型和范围进行了限制。对于用户的错误操作。 系统能够及时准确地给予提示。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章仿真系统的总体设计方案 3 1 仿真系统设计思想 本课题是在惯性系统性能试验台基础上开发的仿真系统，对于制动器性能而 言，特性在试验台上表现为器制动所需时间。而试验台所模拟的惯性系统的功 能在于利用不同惯性飞轮组合来模拟车辆行驶过程中的能量。这样可以检测在 要求动量下制动器制动所需的制动时间。按照这样的原理，可以利用电路储能 元件冲放电过程与惯性飞轮加速制动过程的相似性，对惯性系统进行仿真。 一般仿真的方式可以有硬件仿真和软件仿真，软件模拟和硬件仿真各有各的 优势和不足。 软件模拟几乎不需特别的准备工作即可随时进行，而硬件仿真真正能够开始 前却需大量的准各工作。比如目标电路板的设计生产，目标系统行为及功能验证 专用软件的编制调试等工作都需投入较多的人力和时间。 尽管采取了多种技术措施，模拟速度与硬件仿真相比仍是无法比拟的。例如 同样的模拟测试码软件模拟需要花费一个星期时间，而硬件仿真只需几分钟即 可完成。 用软件模拟可以较早发现并改正设计中的大多数逻辑错误，用硬件仿真方法 虽然相对困难些，但对于死机错、中断错等用软件模拟方法很难发现的或需要相 当长模拟周期才能发现的设计错误，硬件仿真有其独到的作用。 本课题采用的方法是使用电子硬件电路来仿真制动器试验台的惯性飞轮系 统，然后采用软件控制参数选择和数据采集处理。 3 2 惯性轮的能量变化分析 首先我们分析一下制动器惯性轮的惯量变化过程。 制动器惯性轮在试验过程的能量计算式为； e = 妻m ( w ) 2 v w 速度的变化关系式 n h ；甜0 + a t 0 3 0 为角初速度 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 一f 为制动力 一7 为质量常数 一m 为角速度 d ，塑 ( 3 - - 3 ) j 一，m 为加速力矩 一- 厂为惯性轮转动惯量 一为加速阶段结束时的角转速 制动器惯性性能试验台工作原理是：根据车辆载荷与车辆运动速度，依照能 量守恒原理与运动学原理，模拟出车辆行驶过程中，不同车速与不同载荷的加 速、制动过程。用惯性轮的惯量来模拟车辆的质蠢；用转速来模拟车辆的车速。 制动器试验台受加速、制动力矩作用时，其角转速与时间满足下列关系式： f 4 tt s t l l t l t 3 个 式中：4 一争， j 个 且。擅 j a t l 一t t 2 ， 一，为加速力矩 一，为惯性轮转动惯量 一为加速阶段结束时的角转速 一，_ 为制动力矩。 对不同的惯量组合，在相同的加速力矩、制动力矩作用下的时间一转速特性 曲线如图3 1 所示，图像o _ a - c d 是较小惯量组合的特性曲线，图像o - b e - f 是较大惯量组合的特性曲线。 蓝堡堡三查兰堡主兰垡堡壅 转 速 i n 图3 1 相同的加速力矩、制动力矩作用下的时间一转速特性曲线 选用加速力矩t 自= 1 8 9 n 口的电机，制动力矩为t _ = 1 5 1n 时，可得不 同惯量组相应得加速及制动时间如表3 一l 所示。 表3 1基本惯量组合 惯量组合质量块 惯量值( k g m 2 )加速时间( s )制动时间( s ) qj 口 2 8 74 5 54 1 4 q + a j 一j 3 3 75 5 34 8 7 q + bj q + 2 x a j3 8 76 1 45 5 1 q + c j q + 4 a j 4 8 77 7 37 0 3 q + dj 。+ 8 x j 6 8 71 0 9 09 9 2 q + ej q + 1 6 j 1 0 8 71 7 2 51 4 5 6 q + fj a + 3 2 a j 1 8 8 7 3 0 2 4 0 1 3 3 电容器充、放电过程分析 同样，分析r c 电路的电容能量关系式： e ，! o ： 2 对于r c 电路的恒压充电电压变化曲线为 ( 3 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 一上f h c t a e r c r c 电路在恒压充电和恒流放电过程中 关系式： ( 3 6 ) 电容器两端的电压u c 与时间t 满足 f一土t l 阢e r ct s t l u c ； u o l “引2 l - i a t 2 + u jt 2 t 3 其中， u 。为充电电源电压， 时间常数f r c ( 3 - - 1 ) u 。为充电结束时电容器两端的电压，a t 2 一f f 2 ，i 为恒流放电时的电流值。 理论上讲，电路只有经过t = 一的时间才能达到稳定，但是由于电压变化的 指数曲线开始变化较快，而后逐渐缓慢，如表3 2 所列： 表3 2e t 随时间而衰减表 。 2 t3 r4 f5 f6 f 。t e 一2 e 一3 e 一 e 一5 e 一6 10 3 6 8 0 1 3 50 0 50 0 1 80 0 0 70 0 0 2 根据上面的表可以看出，实际上经过t = 5 r 的时间，就可以认为达到稳定 状态了，这时： u c = f o e “= 0 0 0 7 如= ( o 7 ) 酩( 3 8 ) u o 图3 - - 2 电容器充电u t 特性曲线 武汉理工大学硕士学位论文 根据r c 充电特性，充电时间近似为靳时，电容器的充电过程基本结束。但 是对于电压变化曲线，如图3 2 。 分析上面的曲线， 当t = r 时 u c = u 。e 。1 = ( 3 6 8 ) u 。 当t = 2 f 时 u c = u o e 4 = ( 1 3 5 ) u 0 当t = 3 f 时 u c = u q e l = ( 5 o ) u o 由此可以看出从2 f 到3 f 之间的曲线线性效果与之前的变化率相差较大， 为了使所选取得曲线能更好的模拟惯性轮的加速曲线，本试验只选取不大于2 r 时间的充电特性曲线，使其近似线性变化， 即令：t = 2 f 。 这样在模拟加速过程的曲线中模拟的线性效果更好，这样可以优化仿真效 果。 通过上面的分析，可以得到图3 3 中图像( 1 ) 为含有较大电阻时，电容器 的充、放电特性曲线，图像( 2 ) 为含有较小电阻时，电容器的充、放电特性曲 线。 t 2 t l 时闯 图3 3 相同电容，不同电阻时，电容的充、放电特性曲线 图3 4 中，图像( 3 ) 为含有较大电容时，电容器的充、放电曲线，图像( 4 ) 为含有较小电容时，电容的充、放电曲线。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 4相同电阻，不同电容时，电容的充、 3 4 仿真计算 t 3 时问 放电特性曲线 从上面的分析我们知道，制动器性能试验台能够得到不同惯性轮的性能加 速、制动速度一时间特性，当制动器惯性轮的质量转动惯量增大的时候，相同加 速力矩下加速到一定速度m 的时间增大，速度变化率减小，变化斜率也减小，反 之增加。 同样在电容器充、放电过程，同样存在与之类似的能量累加储存和消耗过程， 而且电压升高、降低过程这一电路的电压变化过程与模拟制动器惯性轮速度变 化过程类似。仿真系统就是利用这样的相似原理进行仿真的。 从仿真的原理上看，本系统有两种不同的仿真计算方式： 第一种时间仿真，让仿真系统用电压变化信号模拟转速信号，就是说充电时 间和加速时间相等，惯性轮的制动时间与电容器的放电时间相等。 即 t 2 t ，t _ = tn( 3 - - 9 ) 第二种就是能量 根据仿真原理计算式 三1e02k三cu2