（测试计量技术及仪器专业论文）汽车制动部件综合性能自动测试系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文楚围绕着汽车捌动鄢件综合性能蠡动测试系统豹研制丽展开| 拘。该测 试系统是基于工业控制计算机的机电一体化的自动测试系统。 孩测试系统是针对汽车制动系统部件性能进行检测斡没各，因此本文首先 剥汽车的制动过程进行了分析。 然后，本文论述了其主要设计思想与系统构成。在系统的设计中采用了虚 拟仪器的恐想，以软件为核心，用软件将订算机与功能模块硬件结合起来。用户 通过图形用户界面操作计算机，米控制各功能模块，实现工况转换，自动完成数 据采集，性能曲线最示、处理分析、数据保存、报表打印等。 系统综合利用了气动液压自动化技术，先进传感器技术，数据采集处到技 术，电子技术，计簿枧技术等。本文从气动液压同路、：e 控枧与数据采集处理模 块、机械模块三个部分介绍了系统的硬件构成。并在文中着重讨论了系统的测试 原理，电一气比例控制技术，和微小渗漏的差压测试。电气比例控制技术的应用 提高了系统的控制精度。 最后熏点介绍了系统软件的设科与实现。介绍了v i s u a jc + + 集成开发环境 下，面向对象的程序设计、多线程技术和数据淳技术等关键技术躯应用。弗对一 些制动部件测试结果进行了一定分析。 系统用睡器区加锁技术鼹决多线程的安全性目题，用消息枧剖解决线程通 信的问题。通过a d 0 数据库技术，解决了如何在测试系统中进行科学的数据管 理。这些关键技术的应用提离了软件的性能。 测试系统的建立为制动系统产晶设计、质量榆验掇供了强有力的工具。 关键词：汽车；制动系统； 囱动测试；虚拟仪箍 摘嬖 a b s t l t a c t t h i st h e s i sm l d i n l yr e s e a l - c h e so nt h ea u t o l n a t i ct e s ts y s t e mf b ra u t o m o b l l eb r a k e p a i t ss y n l h e s i s p e r j l o r m a n c e i ti sa ne l e c t r o m e c h a i l i c a li n t e g r a t e dt c s ts y s t e mb a s e d o nl p c ( i l l d u s r i 8 lp e r s o n a lc o m p u e 如 a l t h o u g hm e l e s ts y s t e ms e r v c sf o ra u t o n l o b i l eb r a k cp a r t sp e r f o r m a n c et e s t ，w e 王- f s ia n a l y z ea u t o m o b i l eb f a k ep m c e d u r ci nt h ep a p e f t h e nt h em a i nd e s i g np r i n c i p l ea 【1 da r c h i t c c t u r eo ft h os y s t e mi si n t r o d u c e d i m p l e m e n t i l l gw i t ht h ei d e ao fv i ( v i n u a li n s 仃u m e n t ) ，w ec o m b i n ec o m p u t e rw i t h 如n c t i o n a 强a 1 d w a f eb ys o f h v a r e ，w h i c hi st 1 1 eb m e lo f t h es y s t c m w oc a nc o n t r o la l l f u n c t i o n a lm o c l u l e sb ym e a n so f 伊a p h i cu s e ri n t e r f a c e t h es y s t e ma c c o m p l i s h e s m a n ya u t o n l a t i cf h c t i o n s ，s u e ha se 。n t r o l i i n gw o r ks t a g e s ， s a n l p l i n gd a t a ，s c a l i n g p e r 士1 0 r m a n c ec v c ，a n a l y z i n gd a t a ，s a v i n gd a t a ，p r i n t i n gr e p o r tf o r m s ds oo n p n e u m a t i ca u o m a t i o nt e c h n o l 。g y ，h y d f a u l i ca u o m a t i o nt e c h n 。l o g y ，a d v a n c e d s e n s o r t e c h n o l o g y ， d a t a a c q u i s i t i o n&p r o c e s s i f l gt e c h n o l o g y ， e l o c t r 。n i c s ， a n d c o m p u t e r 把c h n o l o g ya r ea p p l i e dj n 也es y s t e m f o rt h e 础c 1 1 “e c t u r co fh a r d w a r e ，w e a n a l y z ep n c u m a t i c a n d b y d l a u l i c c o n t r o l l o o n i p ca n dd a & cm o d u l e ，a n d m e c h a n i s mm o d u l e 1 e s tp r i n c j p 】e ，e l e c t i _ i c g a sp m p o r t i o nc o n n l o lt e c h n o l o g y ，a n d i e s t 内rt i n yl e a k a g et h r o u g ht h c 击f 凳i c n c co fp r e s s u r ca r em a i 荫l yd i s s e c t e d a p p l i c a t i o no fe l e c t r i c g a sp r o p o r t i o nc o n t l 0 1t e c h n o l o g yt ot h cs y s t e n li i n p r o v e si t s a c c u r a c y f i n a l l yt h ed e s i g na r l di m p i e m e n t a t i o no fs o n w a r ej sd e s c r i b e de m p l l a t i c a l l y t h ep a p e rg i v e sad c t a i l e di l l u s t r a t i o no fo e c t o r i e n t e dp m g r a m m i n 岛m u i t i t h r e a dt e c h n o l o g y ，d a t a b a s et e c h n o l o g y ，w h i c ha r ek e yt e c 】1 n o l o g ya n du s e di nv i s u a l c + + l d e ( 1 1 1 七e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o m n e m ) o t l l e r w i s e ，t e s tr e s u l t so fs o m e b r a k ep a r t sa r ea n a i y z e d l o c k i n gc r i t i c a ls e c t i o nt e c h n i q u ei su s e df o r t h es e c u r i t yo fm u l t i t h f e a d ， m e s s a g em e c h a n i s mi sh s e df o fc o m m u n i c a i o n sa 圭n o n gt l l f e a d s u s i 珏ga d o d a t a b a s e t e c l m o i o g y ，w eh a v cr e s o l v e di h ep r o b l e mo fs c i e n t i 矗cm 龇1 a g e m e n to fd a t ai i lt h e s y s t e m 。t 圭l c s ea p p l i c a t i o n so fk e yt e c h n o l o g y1 1 a v 。i m p r o v e dt h ep e 而r m a n c eo f s o f t w a r e r h ee s t a b l i s h m e l l to ft h et 嚣s ts y s 把n 1p r o v i d e sp o w e r m it o o lf o rn e wp r o d u c t s d e s 谗na n dq u a l i t yj n s p e c t i o ni nb r a k es y s e m k c yw o f d s ：a u t o 堇h o b i l e ；b r a k es y s t e l n ；a u t o f h a t i ct e s t ；v 酿u a li 芏l s t r u m e n t 第l 帝概述 第l 章概述 汽车从发明到今天已经有一个多世纪了，随着汽车工业的蓬勃发展，汽车 的保有量越柬越大，在工作、生活节奏越束越快的现代社会，汽车日益成为人 们不可或缺的工具。 我国的汽车工业发展也很快，截止到2 0 0 2 年底，我国的汽车生产能力超 过3 0 0 万辆，已成为汽车生产大国，汽车工业已经成为我国国民经济中的一个 支杠产业。随着汽车保有量的上升，公路交通的迅速发展，汽车逐渐进入家庭， 成为人们生活中的一部分。而同时交通安全问题也随之日益突出，对车辆安全 性提出了更高的要求。掘我国统计，在汽车交通事故中约有三分之一以上是因 制动不良而导致的，因此制动性能是机动车安全检测的重点指标之一。 制动系统是汽车的重要组成部分，直接决定着汽车制动性能好坏，对保证 行车安全至关重要。因此研究开发制动系统的检测设备，具有积极的社会效益 与经济效益。 1 1 研究汽车制动部件综合性能自动测试系统的目的和意义 党的十六大提出，继续完成工业化是我国现代化进程中的艰巨的历史性任 务，大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。以 信息化带动工业化、工业化促进信息化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨 越式发展。如何将蓬勃发展的新技术，如计算机技术，信息技术，现代测量技 术等应用到生产中来，以产生更高的经济与社会效益，实现国家工业化的战略 一目标，成为每一仰 研人员，所必须关心与关注的重大问题。 制动系统各部件的性能与质量，必须得到很好的保证，唯其如此，才能保 证汽车的制动性能，保证汽车行驶、停车的安全性，保证人们的生命财产安全。 我国近十几年来汽车工业得到了迅猛发展，同时带动了配套的汽车部件制造行 业，成长起了一批大中小型汽车相关企业，成为经济发展中新的亮点，为我国 经济的快速发展做出了巨大的贡献。但我们同时应清醒的看到，我们的整体技 术水平还是不高的，如何完善产品，提高质量仍然是我们需要努力解决的重点 问题。 纵观国内制动部件质量检测的现状，大部分企业仍然以手工操作为主，测 试效率低下，精度差、劳动强度大。测试设备大部分是普通仪表，所做的检测 大多集中于简单的测试上，而无法完成产品复杂动态工作特性的测试与精度很 高的测试。 第l 章概述 随着我们步入w t o ，面对越束越激烈的国际竞争，单靠低廉的生产成本 已经不能在激烈的市场竞争中取胜，产品的竞争力越束越取决于产品的内在品 质。我们必须有适应新要求的先进而科学的测试检验手段与设备，才能提高产 品质量、提升产品档次。 1 2 制动部件综合性能自动测试系统的研究与开发基础 自动测试技术创始于5 0 年代中期。像许多新技术发展一样，首先是由于 军事上的需求发展起来的。到了6 0 年代术，市场上就已经有了成套的自动测试 系统。到7 0 年代，出现了仪器仪表与计算机融为一体的智能化仪器。今天，各 种仪器功能卡应用于微机，使之成为计算机及仪器兼容的微型计算机仪器，称 之为“p c 仪器”。因其许多复杂的仪器功能及仪器操作“面板”都是软件实现 的，因此又称之为“虚拟仪器”。 从5 0 年代至今，自动测试技术发展过程大致分为三代【1 】： 第一代，无线电测量仪器处于向智能化方向发展的初级阶段，即充分利用 现有的电子仪器进行技术改造，借助于微机( 或单片机等) 等，从低频到高频 甚至微波范围，进行各种被测对象参数的测量。这是一种比手动操作更行之有 效的测试技术。 第二代，采用标准化的接口，由母线将测试系统中各有关设备按积木形式 连接起来，即测试系统中的各组成部分：微机、程控仪器、可控开关等各器件 以标准化的接口功能电路用统一的无源母线连接。该系统组建方便，且更改与 增加测试内容也很灵活。 在第一第二代自动测试系统中，微型计算机尚未充分发挥作用，因它主要 担任系统的控制及完成一些数掘的计算和处理工作，测试系统在很大程度上是 对人工测试的模仿。 第三代，自动化测试将计算机与测试设备更紧密地结合起来，用丰富地软 件代替仪器的硬件功能，特别是用微机参与信号的发生和测量特性的解析。因 此，它的自动测试功能很强，可靠性及性能价格比大大提高。 计算机技术的飞速发展，促进了测试测量和自动化仪器仪表的革新，当| ； 基于p c 机的测试系统正向高速、高效，智能化、多功能化，多样化发展。 虚拟仪器技术是计算机技术与仪器仪表相结合的产物f 引。通过虚拟仪器技 术，用户可以通过软件构造几乎任意功能的测量仪器。它代表着传统的硬件为 主的测量系统向软件为中心的测量系统的根本性转变。软件为中心的测量系统 充分利用了p c 机计算、显示、网络互联、数据库等诸多用于提高效率的强大 功能，为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。“软件就是仪器”是虚 2 第l 帝概述 拟仪器带给仪器工业的一次革命性概念1 3 】。 我们结合汽车制动系统工作的原理，充分运用了虚拟仪器的思想，结合计 算机技术、电子信息技术、现代测量技术的一些新成果，在制动部件自动检测 方面做了许多研究与实践，开发了基于p c 机的以软件为核心的功能强大的汽 车制动部件综合性能自动测试系统。 在研究开发中，我们将许多不断成熟的硬件与软件技术应用到自动测试系 统中来。现代传感器技术、数掘采集处理技术、自动控制技术、计算机实时显 示技术、多线程技术、数据库技术、面向对象编程技术等在系统中应用使得系 统较好的满足了自动测试系统的设计要求。 1 3 国内外制动检测技术的发展概况 汽车检测技术是从无到有逐步发展起束的。早在2 0 世纪5 0 年代，在一些 发达国家就形成以故障诊断和性能测试为主的单项检测技术并生产单项检测设 备，汽车道路试验速度分析仪等。6 0 年代后期，国外汽车检测技术发展很快， 并且大量应用电子，光学、理化与机械结合的光机电、理化机电一体化检测技 术。 进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了测试控制、数 掘采集、数据处理、结果显示打印自动化的检测仪器与设备。在此基础上，各 工业发达国家相继成立了汽车检测站，汽车检测中心，在汽车检测管理上实现 了“制度化”；同时在基础检测技术方面实现了“标准化”；在检测技术方面 向“智能化、自动化”方向发展1 4 j 。 我国汽车检测技术的研究从2 0 世纪6 0 年代开始，7 0 年代得到了大力发 展，许多测试技术及设备被重点列为国家科委的开发应用项目。我们在引进国 外先进的测试试验设备的同时，学习外国的先进经验，不断开发自己的设备， 如8 0 年代交通部主持开发了汽车制动试验台等检测设备。近年来，我国各地相 继建成了许多汽车安全检测线和综合性能检测站，制动试验台作为汽车制造、 运输、修理和检测部门所必须的检测设备被广泛应用。 在制动部件产品检测的标准化方面，我们参照制订欧美一些发达固家的标 准，制订了许多自己的试验方法与行业标准，使得制动产品质量检验方面“无 法可依”的局面得到改观。 目前用来测试车辆制动性的制动试验台主要分为反力式制动试验台、平板 式制动试验台及惯性式制动试验台3 种，其中又以反力式制动试验台最为普遍 嘲。在制动试验台上测量制动力的大小，同时以车轮制动力的大小和左右车轮 制动力的差值大小来评价汽车的制动性能的好坏，没有对整个制动过程的踏板 第1 帝概述 力，制动力和制动时间的关系进行记录与分析。这些测试方法均足对汽车整车 或接近于整车状态的制动性能测试，不能对组成制动系统的各个部分以及它们 之h j 的相互关系进行测试与分析，同时也不便于生产线上产品质量的检测控制。 经过国内的许多企业和科研机大量努力，近年来出现了大量制动检测设备 和许多的研究成果。被测参数主要有蹈板位移、踏板力、前腔输出压力，后腔 输出压力及真空度的制动系统自动测试装置【6 l 。测量制动气室的压力和制动反 应时间的专用设备一汽车制动系统反应时间测试仪l ”。重庆大学开发了机电一 体化设备，用于测试真空助力器系列产品的性能博】，上海交通大学开发了真空 助力器常温耐久性试验台1 9 l 。但据我们了解国内现在还没有一种很完善的针对 制动部件综合性能进行检测的设备。 我们从部件性能测试，产品丌发与设计验证，以及生产线上产品质量保证 的角度针对汽车广泛采用的液压制动系研究开发了汽车制动部件综合性能测试 系统。 系统采用虚拟仪器的设计思想，基于工业p c ，以软件为核心，实现自动 模拟加载，自动数掘采集分析处理，对制动部件综合性能进行动态或静态的测 试，并在此基础上对制动部件性能进行分析。 ， 系统采用模块化结构，由工业p c 机，模块化功能硬件和控制软件组成， 具有良好的可调整性与通用性。整个系统由操作人员通过显示屏上的面板，来 控制测试系统的工作，自动完成系统加载模拟与负载模拟，完成对各种被测信 号的采集与控制、分析与处理、显示与输出。整个系统的运行主要依赖软件， 因此具有良好的扩展性与可维护性，修改、增加功能或改善性能都非常灵活， 可以通过修改软件可增加它的适应性，延长其生命周期。也便于利用p c 机的 软硬件资源和直接使用p c 机的外设和网络功能。 系统的丌发成功，为制动系新产品的研制和丌发，为生产过程中更好的进 行质量控制，提供了有力的工具。 4 第2 帝汽干制动系统分析 第2 章汽车制动系统分析 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使 已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为制动。汽车的制动性直接关系着行车 安全。 对汽车起到制动作用的只能是作用在汽车上，方向与汽车行驶方向相反的 外力。故汽车上必须装设一系列专门装置，以便驾驶员能根掘道路和交通等情 况，借以使外界( 主要是地面) 在汽车某些部分( 主要是车轮) 施加与行驶方 向相反的力，对汽车进行一定程度的强制制动。这样一系列的专门装置称为制 动系。 我们丌发的自动测试系统主要是针对汽车液压制动系部件进行综合性能 测试的，深刻理解汽车制动系统工作原理，了解制动系统的构成，才能科学、 合理的进行测试系统的设计，因此有必要对汽车制动原理与制动系的构成做一 详细介绍。 2 1 汽车制动过程分析 当制动力足够时，根据汽车前后轮制动力的分配，载荷情况及道路附着系 数和坡度等因素，制动过程可能出现三种情况，即： 前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑； 后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑； 自f 后轮同时抱死拖滑。 情况是稳定工况，无侧滑，但在制动时汽车丧失转向能力，且附着条件 利用不充分；情况是不稳定工况，后轮可能出现侧滑，附着条件利用率低； 情况与前两种情况相比是最好的，前轮在最大制动强度时d 丧失转向能力， 后轮也避免了侧滑。 2 1 1 汽车制动受力分析 图2 1 是汽车在水平路面上制动时的受力图，其中忽略了汽车的滚动阻 力矩、空气阻力矩及旋转质量减速时产生的惯性阻力偶矩，同时也忽略了车轮 边滚边滑的过程，p 取定值。 笫2 市汽下制动系统分析 g 瓦 la t 害i 厂、l u 以 矗 f t f ” 工 图2 一l 汽下制动时的受力| 兰i 图中： 兄。一地面对自口轮的法向反力； b ，一地面对后轮的法向反力： e 一汽车重力； ，二。一前轮的地面制动力； 民：一后轮的地面制动力； a 汽车质心至前轴中心线的距离； b 一汽车质心至后轴中心线的距离： 矗，一汽车质心高度： f 一汽车制动时产生的惯性力； 对前轮接地点取力矩，得：兄：= g 口一c 。 对后轮接地点取力矩，得：兄l 工= g 6 + 以 可求得地面的法向反力为 p g b + f j h g f z 一5 半 p g d f j h g 兄：2 亍 在不同附着系数路面上制动时，前后轮抱死拖滑时， 凡= 匕。+ 民：= = g 妒，等= g 妒 此时 耻罢( 6 地) 耻兰( d 呐) 式中：c 一地面附着力； 妒一地面附着系数； g 一重力加速度； ! 兰一汽车制动减速度。 彬 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章汽卞制动系统分析 2 1 2 理想的前后轮制动力分配曲线o j 当前后轮同时抱死时，汽车的方向稳定性和附着力条件利用都较好。这时， 前后轮制动力瓦。和凡：的关系曲线就是理想的i ； 后轮制动力分配曲线a 在任何附着系数的路面上，前后轮同时抱死的条件是： 1 一十：= = 妒 。= 幔i ( 2 5 ) i ：= 叱： 将上式变形可得： ff l + f 2 = 妒g 叠：堕 ( 2 6 ) if p2f z2 将( 2 4 ) 式代入( 2 6 ) 式，得： i 一+ z = 妒 垒：竺堕 ( 2 7 ) 【：口一呶 消去口得： 耻三曙f 万一睁 c 2 叫 由上式绘成的曲线即为前后轮同时抱死的前后轮制动器制动力的关系曲线 一理想的前后轮制动力分配曲线，简称i 曲线，如图2 2 。 图2 2 理想的制动力分配曲线一i 曲线 7 第2 章汽中制动系统分析 2 1 - 3 实际前后轮制动力分配曲线】 制动力分配系数卢，晰轮制动力与总制动力之比，即= 鲁 ：= 旦巴- ，该直线称为i j 后轮制动力分配曲线，简称曲线。 ，山，娃蹬i 图2 3 某中的曲线与i 曲线 图2 3 给出了某车满载、空载的i 曲线及曲线，曲线与i 曲线( 满 载) 交点处的附着系数伊= 即称为同步附着系数。同步附着系数表明了通常 车辆只有在一种附着系数的路面上制动时，才能使i j 后轮同时抱死拖滑。 2 1 4 制动系统的控制调节及保护 根据不同的道路和交通等情况，驾驶员要借助制动系统对汽车施加一定的 制动力。制动力的调节、控制、分配等等都是依靠各种制动力调节控制装置和 制动力调节保护装置来完成的。 在汽车制动时，为防止后轮抱死而发生侧滑，汽车的实际j j i 后轮制动力分 配曲线( 曲线) 应总是在理想的j j 后轮制动力分配曲线( i 曲线) 的下方， 而又为减少因前轮抱死而失去转向能力，提高制动效能，曲线应尽量接近i 曲线。而对于一般汽车具有固定比值的前后轮制动力的制动特性，其实际制动 力分配曲线与理想制动力分配曲线相差很大，因此，在现代汽车上均装有各种 制动力调节装置，用来调节改变前后轮制动力的气压( 油压) 使之更接近于理 想的制动力分配曲线。 s 第2 幸汽车制动系统分析 2 2 汽车制动系构成与工作原理 2 2 1 一般制动系构成与工作原理 1 l 】 一般制动系的工作原理可用图2 4 所示的一种简单的液压制动系示意图 来说明。一个以内圆面为工作表面的金属制动鼓8 固定在车轮轮毂上，随同车 轮转动。在固定不动的制动底板l l 上有两个支承销1 2 ，支承着两个弧形制动 蹄l o 的下端。制动蹄的外圆面上又装有一块非金属的摩擦片9 。制动底板上还 装有液压制动轮缸6 ，用油管5 与装在车架上的液压制动主缸4 相连通。主缸 中的活塞3 可由驾驶员通过制动踏板机构l 操纵。 制动系不工作时，制动鼓的内表面与制动蹄摩擦片的外圆面之间保持有一 定的i 日j 隙，使车轮和制动鼓可以自由旋转。 图2 4 制动系上f f 原理示意幽 l 一制动踏板2 一推杆3 一主缸活塞4 一制动主缸5 一油管 6 一制动轮缸7 一轮缸活塞8 一制动鼓9 一摩擦片 l o 一制动蹄1 1 一制动底板1 2 一支承销1 3 一制动蹄回位弹簧 要使行驶的汽车减速，驾驶员应踩下制动踏板l ，通过推杆2 和主缸活塞 3 ，使主缸内的油液在一定的压力下流入轮缸，并通过两个轮缸活塞7 推使两制 动蹄绕支承销转动，上端向两边分开而以其摩擦片压紧在制动鼓的内圆面上。 这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩肘，其方向与 车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩m 。传到车轮后，出于车轮与路面问有附 着作用，车轮对地面作用着一个向前的周缘力f 。，同时路面也对车轮作用着一 9 第2 帝汽车制动系统分析 个向后的反作用力，即制动力以。制动力b 由车轮经车桥和悬架传给车架及 车身，迫使整个汽车产生一定的减速度。制动力愈大，则汽车减速度也愈大。 当放丌制动踏板时，回位弹簧1 3 即将制动蹄拉回原位，摩擦力矩和制动力消失， 制动作用即行终止。 任何制动系都具有以下四个基本组成部分： 供能装置一包括供给、调节所需的能量以及改善传能介质状态的各种部 件。其中产生制动能量的部分称为制动能源，人的肌体办可作为制动能源。 控制装置一包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。图2 4 中制 动踏板机构l 即是最简单的一种控制装置。 传动装置一包括将制动能量传输到制动器的各个部件，如图2 4 中的制 动主缸4 和制动轮缸6 。 制动器一产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力( 制动力) 的部件，其中也 包括辅助制动系中的缓速装置。 较为完善的的制动系还具有制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置 等附加装置。 制动系可按照制动能源来分类。如图2 4 所示的以驾驶员的肌体作为唯 一制动能源的制动系称为人力制动系。完全靠由发动机的动力转化而成的气压 或液压形式的势能进行制动的则是动力制动系。其制动能源可以是发动机驱动 的空气压缩机或油泵。兼用人力和发动机动力进行制动的制动系称为伺服制动 系。下面重点介绍液压伺服制动系结构。 2 2 2 典型液压伺服制动系 ， 。伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套动力伺服系统而形成 的，兼用人体和发动机作为制动能源。在正常情况下，制动能量大部分都由动 力伺服系统供给，而在动力伺服系统失效时，还可以全靠驾驶员供给( 即由伺 服制动转变为人力制动) 。 按伺服系统的输出力作用部位和对其控制装置的操纵方式的不同，伺服系 统可分为助力式( 直接操纵式) 和增压式( 间接操纵式) 两类。前者中的伺服 系统控制装置用制动踏板机构直接操纵，其输出力也作用于液压主缸，以助踏 板力之不足；后者中的伺服系统控制装置用制动踏板通过主缸输出的液压操纵， 且伺服系统的输出力与主缸液压共同作用于一个中闻传动液缸( 辅助缸) ，使 该液缸输出到轮缸的液压远远大于主缸液压。 1 0 第2 中汽中制动系统分析 图2 5 真空助力式伺服制动系示意图 l 一制动踏板机构2 一控制阀3 一真空伺服气室4 一制动轮缸5 一储液罐 6 一制动信号等液压开关7 一真空单向阀8 一真空供能管路 9 一感载比例阀l o 一左前轮缸l l 一左后轮缸1 2 一詹前轮缸1 3 一右后轮缸 图2 5 为奥迪1 0 0 型轿车的真空助力伺服( 直接操纵真空伺服) 制动示 意图，其中的液压制动系统是双回路的。串列双腔制动主缸4 的静腔通往左前 轮盘式制动器的轮缸1 0 ，并经感载比例阀9 ，通向右后轮鼓式制动器的轮缸1 3 。 主缸4 的后腔通往右前轮盘式制动器的轮缸1 2 ，并经感载比例阀通向左后轮鼓 式制动器的轮缸1l 。真空伺服气室3 和控制阀2 组合成一个整体部件，称为真 空助力器。制动主缸4 即直接装在真空伺服气室前端，真空单向阀7 直接装在 伺服气室上。真空伺服气室工作时产生的推力，也同踏板力一样直接作用在制 动主缸4 的活塞推杆上。感载比例阀9 属于制动力调节装置。下面对各主要部 件结构及其工作原理加以简要介绍。 真空助力器 图2 6 是奥迪l o o 和桑塔纳轿车的真空助力器。真空助力器的输出端与 液压制动主缸相连，控制端与制动踏板相连，低压腔通过软管与发动机相连。 真空助力器利用发动机气缸吸气时产生的负压作为动力源，使操纵者在较轻的 踏板力作用下，获得较高的制动轮缸液压，从而使制动操纵更加轻便，制动更 加可靠。 第2 章汽中制动系统分析 邪 图2 6 真空助力器结构示意图 l 一伺服气室前壳体2 一制动主缸推杆3 一导向螺栓密封套4 一膜片回位弹簧5 一 导向螺栓6 一控制阀7 橡胶反作用盘8 一伺服气室膜片座9 一橡胶阀门1 0 一大气阀座 “一过滤环1 2 一控制f 嘲推杆1 3 一调整叉1 4 一毛毡过滤环1 5 一控制阀推杆弹簧1 6 一阀 门弹簧1 7 一螺栓1 8 一控制阀柱塞1 9 一伺服气室后壳体2 0 一伺服气室膜片 在理想状态下，真空助力器的工作过程及原理如下：制动时，制动踏板被 踏下，踏板力经杠杆放大后作用在输入力推杆上。首先，推杆回位弹簧被压缩， 输入力推卡丁连同空气阀杠前移，当前移到控制阀皮碗与真空阀座相接触的位置 时，真空阀关阀f 此时前、后腔被隔丌，输入力推杆继续前移至空气阀即将开 启处，此处是助力器升压时的平衡位置，此时空气阀杜端部应刚好与反馈盘相 接触；随着控制阀推杆的继续前移，空气阀开启，外界空气经过滤后通过打开 的空气阀口及通道k ，进入到助力器的后腔，伺服力产生。由于反馈盘的材质 有要求受力表面各处压强相等的特性，使得伺服力随控制阀推杆输入力的逐渐 增加而成固定比例增长，从而使制动时具有良好的随动性和操纵感。 由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即后腔的真空度为零时， 伺服力将成为一个常量，此时助力器的输入力与输出力将等量增长。取消制动 时，随着输入力的减小控制阀推卡丁后移，当达到最大助力点时，空气阀刚好关 闭，随着输入力的继续减小，真空阀将处于即将开启的状态，此处是助力器降 压时的平衡位置。真空阀口刀= 启后，助力器的f ； 、后腔相通，后腔的真空度将 1 2 第2 章汽车制动系统分析 下降，伺服力减小，活塞体后移，真空阀再次关闭，助力器达到瞬j 日j 平衡，就 这样随着输入力的逐渐减小，伺服力也将成固定比例的减少，直至制动被完全 取消1 1 3 j 。 制动主缸 图2 7 是一种串列双腔制动主缸的结构简图。它的缸体内有两个活塞， 形成两个相对独立的工作腔，每个工作腔内产生的液压经各自的管路分别传到 前、后轮制动器。 当踩下制动踏板时，推杆推动后缸( 第一) 活塞f i i 移至掩盖住补偿孔后， 此腔液压升高。在后腔液压和后缸弹簧力的作用下，推动| j 活塞向| j i 移动，前 腔压力随之升高。当继续下踩制动踏板时，前后腔的液压继续升高，使前后制 动器制动。 若与前腔连接的制动管路损坏漏油时，则在踩下制动踏板时只后腔中能建 立液压，前腔中无压力。此时在液压差作用下，前腔活塞迅速j ；i 移道前缸活塞 前端项到主缸缸体上。此后，后缸工作腔中液压方能升高到制动所需的值。 若与后腔连接的制动管路损坏漏油时，则在踩下制动踏板时，起先只是后 缸( 第一) 活塞前移，而不能推动前缸( 第二) 活塞，因后缸工作腔中不能建 立液压。但在后腔活塞直接顶触前腔活塞时，前缸活塞前移，使前缸工作腔建 立必要的液压而制动。 串列双腔制动主缸形成了两个独立的制动回路，当一个回路失效时，主缸 仍能工作，另一回路仍可建立液压，只是所需踏板行程加大，将导致汽车的制 动距离增长，制动效能降低。 图2 7 主缸结构简幽 第2 章汽乍制动系统分析 制动轮缸 1 一士缸缸体2 一皮罔3 一第一活塞4 一土皮碗5 ，8 一亍廿液孔 6 一残留阀总成7 一第二活塞9 一第二制动腔l o 。1 4 一补偿孔 l i ，1 5 一供液孔1 2 一第二供液腔1 3 一第一制动腔1 6 一第一供液腔 制动轮缸有双活塞和单活塞两类。图2 8 是双活塞式制动轮缸，北京 b j l 0 4 l q 2 d g 型汽车和奥迪1 0 0 型轿车的后制动器轮缸都是双活塞制动轮缸。 缸体l 用螺栓固定在制动底板上。缸内有两个活塞2 。二者之日j 的内腔由两个 皮碗3 密封。制动时，制动液自油管接头和进油孔7 进入，活塞在液压作用下 外移，通过顶块5 推动蹄，对轮毂施加力而制动。 _ - 图2 8 双活塞制动轮缸 l 一缸体2 一活塞3 一皮碗4 一弹簧5 一顶块6 一防护罩 7 一进油孔8 放气孔9 一放气阀1 0 一放气阀防护螺钉 制动力调节装置【1 2 】 制动器对车轮施加制动力矩m 。( 参见图2 4 ) 时，通过车轮与路面问的附 着作用，车轮即对路面施一个向i j i 的制动周缘力f ，同时路面也对车轮作用 一个向后的切向反力，即制动力f 。同汽车在正常行驶中路面作用与车轮的 牵引力一样，制动力f 。也不可能超过车轮与路面问的附着力f ，即f 。f 。 = g 。其中g 为车轮对路面的垂直载荷；矿为轮胎与路面间的附着系数。 车轮上的制动力f 。一旦达到了附着力f 。的数值，车轮即完全停止旋转 ( 车轮被“抱死”) ，只是沿地面做纯滑移。这时即使进一步加大制动系促使 管路压力，以进一步加大制动器的制动力矩( 此时表现为静摩擦力矩) ，制动 1 4 第2 市汽午制动系统分析 力f 。也不会再随之增大。 在附着条件许可的情况下，希望制动力尽可能增大，以期获得尽可能大的 汽车减速度。但制动力大到等于附着力时，以致车轮抱死滑移，也不一定能收 到预期的最佳效果。 由试验得知，当车轮抱死滑移时，车轮与路面日j 的侧向( 垂直于车轮平面 方向上的) 附着完全消失。这意味着路面对车轮的侧向反力为零。这样，如果 只是前轮( 转向轮) 制动到抱死滑移而后轮( 制动轮也以成为从动轮) 还在滚 动，则汽车不可能在转向过程中制动。因为保证汽车转向的力只能是路面对偏 转了一定角度的转向轮的侧向反力，所以转向轮一旦滑移而丧失侧向附着，转 向即不可能继续。如果只是后轮制动到抱死滑移，而前轮还在滚动，则汽车在 制动过程中，即使受到不大的侧向干扰力( 例如侧向风力、路面凸起对车轮侧 面的冲击力等) ，也会绕其垂直轴线旋转( 甩尾) ，严重时甚至会转过1 8 0 度 左右( 掉头) 。无论是d 仃轮还是后轮单独滑移，都极易造成车祸，尤其是因后 轮单独滑移而发生甩尾现象所造成的交通安全事故更多，其后果也更为严重。 所以应当尽量避免制动时后轮先抱死滑移。 要使汽车能得到尽可能大的总制动力，又能保持制动时的行驶方向稳定性 ( 既不丧失转向操纵性，又不甩尾) ，就必须将制动系设计的能够将前、后车 轮制动到同步滑移。前后轮同步滑移的条件是，前后轮制动力之比等于前后轮 对地面的垂直载荷之比。 在结构型式、几何尺寸和摩擦力的摩擦系数既定的情况下，制动器的制动 力矩促动管路压力( 制动轮缸液压或制动气室气压) 。任何一种车型都各有其 理想的前后轮制动力( 制动力矩) 分配特性曲线，而且可以换算成理想的前后 轮促动管路压力分配特性曲线。理想的前后轮分配特性曲线，的一般形状如图 “8 的i 、i l 所示。由于汽车在满载与空载时的总质量不同，重心位置也不同，故 相应的理想前后轮促动管路压力分配特性曲线也不同。 6 0 年代以i ； ，大多数汽车的前后促动管路压力总是相等的，因而其前后 轮制动力矩( 或制动力) 之比为定值。显然，这种设计是远远不能满足理想的 制动要求的。目j j ，出于提高汽车制动安全性的考虑，许多国家有关汽车制动 的法规都对汽车制动效能和制动时方向稳定性提出了愈来愈严的要求。对于一 般的道路汽车，应尽量避免制动时后轮先抱死滑移，并在此前提下，尽可能充 分利用附着条件，产生尽可能大的制动力。这就促使现代汽车愈来愈多的采用 各种制动力调节装置，使前后促动管路压力的实际分配特性曲线在不同程度上 接近于理想分配特性曲线。 制动力分配装置主要有限压阀、比例阀以及在此基础上发展的感载阀等。 第2 市汽中制动系统分析 比例阀( 亦称p 阀) 也是串连于液压或气压制动回路的后促动管中的。其作用 是当前后促动管路压力p ，与p ：同步增长到p ，后，即自动对p ：的增长加以节制， 办即使p ：的增长量小于p 。的增长量。 图2 9 比例阉结构不意图 l 一阀fj2 活塞3 一弹簧 比例阀一般采用两端承压面积不等的差径活塞结构。图7 为其示意图。不 工作时，差径活塞2 在弹簧3 的作用下处于上极限的位置。此时阀门1 保持开 启，因而在输入控制压力p 。与输出压力p ：从零同步增长的仞始阶段，总是p 。= p ：的。但是压力p i 的作用面积为4 = 筹d 2 ，因而a2 a l ，故活塞上方液压 作用力大于活塞下方液压作用力。在p 1 、p ：同步增长的过程中，活塞上、下两 端液压作用之差胜过弹簧3 的预紧力时，活塞便开始下移。当p 。、p ：增长到一 定值p ，时，活塞内腔中的阀座与阀门接触，进油腔与出油腔即被隔绝。此即比 例阀的平衡状态。 若进一步提高p ，则活塞将会回丁卜，阀门再度丌启。汕液继续流入出油 腔，使p2 也升高但由于a ： a l ，p ：尚未增长到新的p 。值，活塞又下降到平 街位置。在任一平衡状念下，差径活塞的力的平衡方程为 p2 a 22 p i a i + f 即 p2 = p i + ( 2 9 ) 以2以2 此处f 为平衡状态下的弹簧力。 1 6 第2 帝汽市制动系统分析 图2 1 0 比例i l l l 静特性 i 一满载理想线i i 一空载理想线 上列方程的曲线即是图2 一l o 所示的比例阀静态特性曲线a b ( 图中假定 a 点位于满载理想特性曲线的下方) 。装用比例阀以后的实际促动管路压力分 配特性线即为折线o a b 。比例阀静特性线a b 的斜率为( a ，a ，) 1 5 0 0 v d c 采用2 0 p i n 或5 0 p i n 与数据采集卡连接 第3 帝系统i 5 计壕理1 7 构成 六工业控制计算机 用于工业控制的计算机主要有三类：单片机，p l c ，工业p c 。本系统采 用工业p c 作为控制器，它是系统的控制中心，并对采集的数掘进行后续加工 处理。 计算机尤其是微型计算机在各行各业的应用同益普及，工业控制领域也不 例外。工业现场一般条件比较恶劣，高温、高温、高寒、大振动、强冲击、强 电磁干扰、大粉尘等等。考虑到本系统既作为试验室研究使用，又要解决生产 过程中的一些问题的特点，系统选择了为适用工业现场应用的工业控制计算机， 即工业p c 。工业p c 有丰富的硬件及软件资源，借助于局域网可实现大规模的 分布式控制系统，将各控制单元协调起来，因此工业p c 在工业过程自动化控 制领域大有后来居上之势。目前世界上著名的工业p c 产品有研华工业p c ，艾 讯工业p c ，威达工业p c ，大众工业p c 等等。国内有北京华控、上海康泰克 等。 我们选用了以性能稳定，品质优异著称的台湾研华p c b a s e d 模块化工 业控制计算机。其基本配霄为： i p c 6 l o 带1 4 槽与p c a t 兼容的无源底板 1 9 ”全钢工业机箱，符合e n r s 3 1 0 c ，可防止电磁干扰 2 5 0 w 带除尘过滤器工业电源，具有足够的负载能力 支持p e n t i m i i i 处理器，带h i s 刖v g a ( a g p ) s c s i d 的c p u 卡。 。 k i n s t o n1 2 8 md d r r a m i n t e ip e n t i u m i i i9 3 3m h zc p ij 3 3 3 机披嫠坌的设计 系统机械采用分体式模块化结构，山一个轫、准机柜、一个综合测试操作台 和产品央具组成。其外形如图所示： 机柜采用1 9 ”立式标准机柜，容纳工控机、各种板卡和控制电路，并可 根据需要安装各种配件。 操作台采用定制的四面带t 形槽的铝合金型材，用定制的铸造三角形固 定件固定。外覆2 毫米厚可拆卸铝板。外形采用立柜式，左边为各种电控按钮 和指示部分，便于控制与观察测试状态。 电控部分和操作台完全隔离，防止与有腐蚀性的液体接触。操作台上安装 有带导油槽与安装夹具t 形槽的安装板，方便溅出制动液的回收与夹具的安装。 面板上分别是各种显示仪表和快插接头。夹具的安装采用一体化拉杆式结构， 第3 帝系统设计原理1 i 构成 与汽车的实车安装状态相一致。 图3 一1 1 机械部分外形图 l 一液压接口2 一夹具3 一数显表4 一按钮5 一压力表 6 一指示灯7 一台架8 一机柜 3 4 比例控制技术及其应用1 2 3 】【2 4 】【2 5 】 目前，随着工业自动化的发展，对气动控制系统的精度和调节性能都提出 了更高的要求，如在高技术领域中的气动机械手、柔性自动生产线等部分，气 动执行机构的输出速度、压力和位置等要按比例进行伺服调节，传统的点、位 控制已不能满足要求，将逐步被一些新型系统所取代。随着微电子技术、现代 控制理论与气动技术相结合的自适应控制气动元件如压力比例闷和流量比例阀 以及各种伺服阀的问世，气动控制系统已从以往的“开关控制”进入到高精度 的“反馈控制”。 在气动控制系统中，压力和流量控制是两个重要环节，