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制动器试验台转速控制研究 摘要 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。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。而试验台主轴转速是一个非常重要的参数，本文在分析了 大量专业书籍和文献的基础上，对主轴转速的控制进行了研究。 为了达到精确控制惯性系统转速的目的，本系统将采用他励直流电机为主 驱动电机，以可控硅整流装置供给其可调电压，转速、电流双闭环直流调速系 统来控制系统转速，同时要保证系统输出无静差，具有快速的转速响应和良好 的鲁棒性。 本文第三章主要介绍了试验台的恒定力矩式制动试验项目为例，对直流调 速控制进行了研究，讨论了他励直流电机的动力学方程、机械特性、调速特性 和动态模型，介绍了可控硅一电机系统以及可控硅触发整流装置，分析了双闭 环直流调速系统各组成环节同时得出其动态模型，进行系统的稳态特性和动态 特性分析，引入了用工程设计方法设计双闭环中的转速环和电流环，并指出了 采用传统p i d 调节器的一些缺点及其解决思路。而在本文第四章依据电流转 速双闭环控制为基础，讨论了电惯量控制下的转速调节方法。 关键词：制动器试验台直流调速电惯量 r e s e a r c ho i lr o t a t es p e e do fb r a k et e s t b e d a b s t r a c t b r a k ei sa ni m p o r t a n ti n s t a l l m e n ti nv e h i c l e s ，c r a w l i n gm a c h i n ea n d f i x e d e q u i p m e n t ，u s i n gt od e c r e a s et h er u n n i n g r a t eo rc a u s ei t ss t o p t h eb r a k e t e s t b e di sa ne q u i p m e n tt od e t e r m i n a t ea n da n a l y s i so ft h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e a b o u tb r a k e t h em a i na x l er o t a t i o n a ls p e e di sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp a r a m e t e r b a s e do na n a l y z i n gl o t so fs p e c i a l i z e db o o k sa n dl i t e r a t u r ed a t a ，t h i sp a p e rh a s c o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h em a i na x l er o t a t i o n a ls p e e dc o n t r 0 1 i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ，t h i st e s t b e du s et h ed i r e c tc u r r e n t t h e t h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h et e s tp l a t f o r m ，c o n s t a n tm o m e n to ff o r c et y p e b r a k et e s tp r o j e c ti sa ne x a m p l e ，h a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h ed i r e c t c u r r e n t v e l o c i t ym o d u l a t i o nc o n t r o l ，d i s c u s s e dt h es e p a r a t ee x c i t a t i o nd i r e c tc u r r e n t m a c l a i n ed y n a m i ce q u a t i o n ，t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev e l o c i t ym o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed y n a m i cm o d e l ，i n t r o d u c e dt h es i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r - e l e c t r i c a lm a c h i n e r ys y s t e ma sw e l la st h es i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rt r i g g e r i n g r e c t i f i e ru n i t ，a n a l y z e dt h ed o u b l ec l o s e dl o o pc u r r e n tv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m e a c hc o m p o s i t i o nl i n ks i m u l t a n e o u s l yt oo b t a i ni t sd y n a m i cm o d e l ，c a r r i e do nt h e s y s t e mt h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed y n a m i ca n a l y s i s ，h a si n t r o d u c e dw i t h t h ee n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d sd e s i g nd o u b l ec l o s e dl o o pi nr o t a t i o n a ls p e e dl i n k a n dt h ee l e c t r i cc u r r e n tl i n k ，a n dh a dp o i n t e do u tt h et r a d i t i o n a lp i dr e g u l a t o rs o m e s h o r t c o m i n g sa n dt h es o l u t i o n k e yw o r d ：b r a k e ，t e s t - b e d ，c o c u r r e n tv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，e l e c t r i ci n e r t i a 插图清单 图l 一1k r a u s s 摩擦制动器试验台的结构简图3 图2 一l鼓式制动系工作原理示意图5 图2 2 鼓式制动器示意图。6 图2 3 制动器试验台机械结构图1 3 图2 4 控制系统框1 4 图3 一l 单轴电机拖动系统1 5 图3 2 他励直流电机电路原理图和他励直流电机机械特性曲线1 7 图3 3 他励直流电机动态等效电路1 9 图3 4 他励直流电机动态结构图2 0 图3 5 可控硅一电机直流调速系统2 l 图3 6 转速、电流双闭环直流调速系统2 3 图3 7 双闭环直流调速系统稳态结构图2 3 图3 8 直流电机动态结构图的变换2 4 图3 9 双闭环直流调速系统的动态结构图2 5 图3 1 0 双闭环直流调速系统的动态结构改进图2 7 图4 一l 双闭环直流调速系统的动态结构变形图3 1 图4 2 恒定力矩制动时的输出转速3 7 图4 3 电惯量系统动态模型结构图4 0 图5 1 试验台台架安装4 2 图5 2 集流环和编码器4 3 图5 3 试验台夹具4 3 图5 4 测力臂4 4 图5 5 试验台控制柜4 5 图5 6 控制柜键盘4 5 图5 7 试验流程示意图4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆工些盔堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 勘辨龟 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆i ：些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒胆王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 啪伸 砰诵斗 导师签名 签字日期 电话：。1 f6 一| 歹胁拳一q 邮编：纠f 子。 l 驷 钼 卫厂 弘 期日字簦 faj 战胡 矽肌 -d 叫汐恨 。一，引，n 致谢 在硕士论文完成之际，我首先要感谢我的导师刘光复教授、刘志峰教授为 我倾注了大量心血。两位老师严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学 科发展超前的敏锐洞察能力，将使我一生受用无穷，他们对我的深切期望将激 励我永远奋发前进! 感谢谢峰教授在我论文完成期间给予的极大帮助，谢峰老师随和的生活作 风，加上对工作的执着和认真，形成了别具一格的人格魅力，是我学习的榜样! 再次感谢谢老师在日常生活和学业上的指导和帮助! 感谢林巨广老师为我提供了一个很好的学习研究的机会。林老师深厚的学 术功底、严谨的学术指导、虚怀若谷的学术作风影响着所有和他接触的人，我 为能接受他的指导而庆幸不已! 感谢汽车装备工程技术研究所的各位师兄师弟以及各位老师的支持和帮 助! 最后，感谢我的家人，他们为我付出了很多很多 作者：彭战争 2 0 0 6 年1 1 月l o 日 第一章绪论 1 1 引言 进入2 l 世纪以来，我国的公路建设进入了一个崭新的时期，道路建设的迅 速发展，一方面积极促进了经济的发展，另一方面又带来了交通事故逐年上升 的负面影响。据统计，2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元【1 1 ；其中道路交通事故死亡人 数占总数的9 0 ；全国安全生产事故死亡人数约为1 2 万人，道路交通事故死 亡人数所占比例为7 8 ，与其他方面的安全相比，道路交通方面的安全问题最 为严重。 此外，我国的机动化水平还很低，公安部统计，截至2 0 0 4 年底，中国机 动车保有量已达到1 0 7 亿辆，而2 0 0 5 年全国机动车保有量比2 0 0 4 年增长 2 0 7 。，不过这个数据远远低于美国、日本、德国等发达国家，说明我国的机 动化发展的空间还很大，人均汽车拥有量将会大幅度增长，这也隐含着道路交 通事故继续上升的可能性。因此在未来的几十年里，我国道路交通安全将面临 更为严峻的形势。 道路交通事故的引发因素是多方面的，其中的车辆制动系问题就是一个比 较典型的原因。因此，对制动器性能的检测就变得尤为重要。 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。制动器有摩擦式、液力式和电磁式等几 种。电磁式制动器虽有作用滞后小、易于连接且接头可靠等优点，但因成本高 而只在一部分重型汽车上用来做车轮制动器或缓速器。液力式制动器通常只用 作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器【2 l 。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，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1 3 1 。 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； 记录制动时间和输出力矩的关系1 4 】。 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，建立各类测试模板，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 m s 系统。 我们研制了一套汽车制动器惯性试验台系统。该系统自动化程度高、测试 项目多，实时性强、有良好的人机界面，操作方便。 1 2 制动器惯性实验台 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 h a s e 制动试验台，国产m m 1 0 0 0 摩擦试验台以及吉林大 学机电设备研究所j f 系列试验台等。其中在电惯量模拟方面，吉林大学研究的 比较成熟，已经把它转化为具体应用，在速度控制方面依然采用目前比较成熟 的双闭环直流调速控制。 在摩托车制动器试验台设计中，天津大学与天津内燃机研究所研制的z d q i 型试验台比较具有代表性，它采用国内首创的机械模拟和电模拟相结合的 方式模拟转动惯量，转速和制动操作力均由计算机进行闭环调节。具有较高的控 制精度和自动化程度，于1 9 9 8 年7 月通过了天津市市级鉴定，属“国内领先水 平”。该试验台遵照国家汽车行业标准摩托车和轻便摩托车制动器台架试验方 法( 送审稿) 的规定，可对摩托车用鼓式和盘式制动器进行全部性能试验和耐久 性能试验1 6j 具体实现是惯性轮系统由一个固定轮、两个可调轮和两个电磁离合 器组成。惯性轮的选择由计算机根据计算的转动惯量决定，并通过电磁离合器自 动挂轮。不同以往的是在惯性轮模拟的转动惯量级差方面，采用了电惯量模拟 予以补偿，电惯量模拟在本文第四章有详细的介绍。 图1 1 给出了k r a u s s 摩擦制动器试验台的结构简图。 如图1 - l 所示，该试验台在惯量模拟方面选择的是目前广泛应用的利用惯性 飞轮来模拟旋转机械装置惯性的方法。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，在角速度下降时释放能量，因此它可以用柬模拟制动 器负载【6j 。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，在变化的滑转速度下实现转动轴制动。 试验台主机由直流电机、测速电机、惯性轮系统、测力与操作系统、风速 模拟系统、被试制动器装卡系统及喷水装置等组成；驱动电机选择双端输出式 电机；机械惯量盘( 即飞轮) 是该试验台的核心部件，将惯量盘设计成多片， 根据在该台架上所模拟的旋转机械装置总重，计算出转动机械惯量并逐级分配 到各大小飞轮上，即可实现运动质量惯性模拟。 同时为了系统安全，采用严格可靠的惯量盘和试验件防护装置隔离因巨大 的离心力而产生的破坏力；所有观察窗采用厚防弹玻璃，确保人身安全【7 j 。 卜双端浮动交流伺服电机2 一电机右端浮动支承3 一电磁离台器4 一轴承座5 一飞轮保 护装置6 一弹性连轴器7 一试验件右冷却可调速风机8 一轴承座9 一扭矩传感器1 0 一底座 1 卜滑台1 2 一气压泵站及操作系统1 3 一鼓式制动器1 4 一轴承座1 5 一大飞轮1 7 一光电编码 器1 8 一热电偶测温1 9 一保护罩2 0 一小飞轮 图l 一1k r a u s s 摩擦制动器试验台的结构简图 试验台的工作循环为：将惯性质量启动到给定速度，关闭传动电机并打开 记录装置，接通被研究的制动机构传动，直到将惯性质量制动到完全停止。试 验台采用手操纵或带有一定制动间隔的自动操纵：当要获取制动机构制动特性 时，采用手操纵；当进行制动机构耐久性试验时，采用自动操纵。在试验过程 中，可记录下各种模拟工况的阻下参数：飞轮转动惯量、惯性质量初速度、制 动管路空气压力、制动鼓( 盘) 温度、制动衬片( 块) 温度、制动距离、制动时间、 制动扭矩和制动噪声声级等测试项目数据，并显示或打印各种需要的曲线和图 表 9 1 1 0 1 。 1 3 本文的主要研究内容 依据国家标准g b t 1 2 7 8 0 ，需要在不同的速度下测量制动器的各种性能， 如何控制好制动轴转速，成为实验台设计的一个关键因素。 为了达到精确控制惯性系统转速的目的，本系统将采用他励直流电机为主 驱动电机，以可控硅整流装置供给其可调电压，转速、电流双闭环直流调速系 统来控制系统转速，同时要保让系统输出无静差，具有快速的转速响应和良好 的鲁棒性。 本文主要以试验台的恒定力矩式制动试验项目为例，对直流调速控制进行 了如下研究： 1 、介绍了试验台整体的结构设计。 2 、介绍了常见制动器的结构、原理以及应用。 3 、讨论了他励直流电机的动力学方程、机械特性、调速特性和动态模型， 介绍了可控硅一电机系统以及可控硅触发整流装置，分析了双闭环直流调速系 统各组成环节同时得出其动态模型，进行系统的稳态特性和动态特性分析，引 入了用工程设计方法设计双闭环中的转速环和电流环，并指出了采用传统p i d 调节器的一些缺点及其解决思路。 4 、依据电流转速双闭环控制为基础，讨论了电惯量控制下的转速调节方法 5 、结合具体的试验，通过实践中对速度的测量记录，来说明该控制方法的 成效以及不足。 1 4 本文的研究意义 本文研究的转速控制是制动器试验台测量控制系统的核心环节，也是试验 台系统设计中的难点和热点，在本文第四章讨论了电惯量技术以电机模拟机械 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，减轻其重量； 2 、实现对模拟负载惯量进行无级调节； 3 、可对所有制动工况进行模拟试验，包括垂直制动工况； 4 、大大完善了系统功能，提高了设备的加载精度和自动化程度； 5 、在试验台上实现制动工况再现成为可能： 6 、充分发挥了原系统电机的功用，实现了资源的再利用。 制动器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、测试项目多、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的研制为进行制动器的基础 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，具有广泛的应用前景。同时，本文将要阐述的电惯量系统的理论基础 与控制方法，对具有大转动惯量的各类试验系统的控制方法研究和系统设计均 有借鉴作用，如汽车台架试验系统、同步器试验台、车辆转鼓试验台等。 4 第二章制动器实验台总体设计 2 1 制动原理以及常见制动器及其分类 2 1 1 制动原理 制动系一般是利用与车身和车架相连的非旋转元件和车轮或与传动轴相连 的旋转元件之问的相互摩擦，来阻止车轮的转动或转动的趋势，并将运动着的 汽车的能量转化为摩擦副的热能耗散到大气中。 图2 3 为一般鼓式制动系工作原理图。在车轮轮毂上固定一个以内圆面为 工作表面的金属制动鼓8 ，随车轮一同旋转。在固定不动的制动底板1 1 上，有 两个支撑销1 2 ，支撑着两个弧形制动蹄1 0 的下端，制动蹄的外圆面上装有摩 擦片9 。制动底板上还装有液压制动轮缸6 ，用油管5 与装在车架或车身围板上 的液压制动主缸4 相连通。主缸活塞3 可由驾驶员通过制动踏板l 来操纵。 图2 一l鼓式制动系工作原理示意图 1 制动踏板2 推杆3 主缸活塞4 制动主缸5 刹车油管6 制动轮缸7 轮缸活塞 8 制动鼓9 摩擦片1 0 制动蹄n 制动底板1 2 偏心支承销1 3 制动蹄同位弹簧 制动系不工作时，制动蹄上摩擦片的外圆面与制动鼓的内圆面之间有一定 的间隙，因此车轮与制动鼓可以自由旋转。要使行驶中的汽车减速或停车，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 推动两制动蹄绕支撑销转动，上端向两 边分开而以其摩擦片压紧在制动鼓的内表面上。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，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力 矩传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周 缘力，同时路面也对车轮作用着一个向后的反作用力，即制动力。当放开制动 踏板时，回位弹簧1 3 即将制动蹄拉回原位，制动作用终止。 制动时，车轮的运动有滚动和抱死拖滑两种状态。当制动踏板力较小时， 制动器的摩擦力矩不大，路面与轮胎问的摩擦力，即地面制动力足以克服制动 器的摩擦力矩使车轮转动。当车轮滚动时，地面制动力就等于制动器的制动力。 但地面制动力有时小于制动器所能产生的最大制动力，即口p tm a x 使制动器 的作用不能充分发挥。比如一个制动器性能良好的汽车在冰雪路面上制动时， 地面制动力很小，车轮在很小的制动踏板力时就抱死拖滑，这是由于冰雪路面 附着系数小的缘故。也就是说，地面制动力受到车轮与路面间附着条件的限制， 其最大值不可能超过附着力。 附着力是指在汽车制动时，轮胎与地面之间的摩擦力，附着力除以汽车重 力的商称为附着系数。在汽车制动时，附着力限制了制动力的最大值。同一辆 汽车在于燥的沥青路面e 制动与在冰雪路面上制动，制动距离相差很大，就是 由于附着系数不同造成的。由于冰雪路面附着系数小，不可能产生较大的地面 制动力。 2 1 2 鼓式制动器及其分类 鼓式制动器分为领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向增 力式、双向增力式等几种，见圈2 - 2 a f d 门1 。r 。、 f 。夺 逝 图2 2 鼓式制动器示意图 广、f 不同形式鼓式制动器的主要区别有：蹄片固定支点的数量和位置不同。 张开装置的形式与数量不同。制动时两块蹄片之间有无相互作用。因蹄片 的固定支点和张开力位置不同，使不同形式鼓式制动器的颁、从蹄数量有差别， 并使制动效能不同。 制动器在单位输入压力或力的作用下所输出的力或力矩，称为制动器效 能。在评比不同形式制动器的效能时，常用一种称为制动器效能因数的无因次 指标。制动器效能因数的定义为，在制动鼓或制动盘的作用半径上所得到的摩 擦力( m r ) 与输入力f o 之比，即 k ：旦( 2 1 ) e r 式中，k 为制动器效能因数；m 为制动器输出的制动力矩。 制动器效能的稳定性是指其效能因数k 对摩擦因数f 的敏感性( d k d f ) 。实 际中f 随温度和水湿程度变化。要求制动器的效能稳定性好，即是其效能对f 的 变化敏感性较低。 1 领从蹄式 领从蹄式制动器的每块蹄片都有自己的固定支点，而且两固定支点位于两 蹄的同一端f 图2 - 2 a ) 。 领从蹄式制动器的效能和效能稳定性，在各式制动器中居中游；前进、倒 退行驶的制动效果不变；结构简单，成本低；便于附装驻车制动驱动机构；调 整蹄片与制动鼓之间的间隙工作容易。但领从蹄式制动器也有两蹄片上的单位 压力不等( 在两蹄上摩擦衬片面积相同的条件下) ，故两蹄衬片磨损不均匀，寿 命不同的缺点。此外，因只有一个轮缸，两蹄必须在同一驱动回路作用下工作。 领从蹄式制动器得到广泛应用，特别是轿车和轻型货车、客车的后轮制动 器用得较多。一汽奥迪1 0 0 型轿车、捷达轿车、前轮驱动的宝来a 4 轿车和上 海桑塔纳轿车的后轮制动器都是采用了这种领从蹄式制动器。 2 双领蹄式 双领蹄式制动器的两块蹄片各有自己的固定支点，而且两固定支点位于两 蹄的不同端，如图2 2 b 所示，领蹄的固定端在下方，从蹄的固定端在上方。每 块蹄片有各自独立的张开装置，且位于与固定支点相对应的一方。 汽车| j 进制动时，这种制动器的制动效能相当高。由于有两个轮缸，故可 以用两个各自独立的回路分别驱动两蹄片。除此之外，这种制动器还有调整蹄 片与制动鼓之间的间隙工作容易进行和两蹄片上的单位压力相等，使之磨损均 匀，寿命相同等优点。双领蹄式制动器的制动效能稳定性，仅强于增力式制动 器。当倒车制动时，由于两蹄片皆为双从蹄，使制动效能明显下降。与领从 蹄式制动器比较，由于多了一个轮缸，使结构略显复杂。 这种制动器适用于前进制动时前轴动轴荷及附着力大于后轴，而倒车制动 时则相反的汽车前轮上。它之所以不用于后轮，还因为两个互相成中心对称的 7 轮缸，难以附加驻车制动驱动机构。 3 双向双领蹄式 双向双领蹄式制动器的结构特点是两蹄片浮动，用各有两个活塞的两轮缸 张开蹄片( 图2 - 2 c ) 。 无论是前进或者是倒退制动时，这种制动器的两块蹄片始终为领蹄，所以 制动效能相当高，而且不变。由于制动器内设有两个轮缸，所以适用于双回路 驱动机构。当一套管路失效后，制动器转变为领从蹄式制动器。除此之外，双 向双领蹄式制动器的两蹄片上单位压力相等，因而磨损均匀，寿命相同。双向 双领蹄式制动器因有两个轮缸，故结构上复杂，且调整蹄片与制动鼓之间的间 隙工作困难是它的缺点。 这种制动器得到比较广泛应用。如用于后轮，则需另设中央驻车制动器。 4 双从蹄式 双从蹄式制动器的两蹄片各有一个固定支点，而且两固定支点位于两蹄片 的不同端，并用各有一个活塞的两轮缸张开蹄片( 图2 2 d ) 。 双从蹄式制动器的制动器效能稳定性最好，但因制动器效能最低，所以很 少采用。 5 单向增力式 单向增力式制动器的两蹄片只有一个固定支点，两蹄下端经推杆相互连接 成一体，制动器仅有一个轮缸用来产生推力张开蹄片( 图2 - 2 e ) 。 汽车前进制动时，两蹄片皆为领蹄，次领蹄上不存在轮缸张开力，而且由 于领蹄上的摩擦力经推杆作用到次领蹄，使制动器效能很高，居各式制动器之 首。与双向增力式制动器比较，这种制动器的结构比较简单。因两块蹄片都是 领蹄，所以制动器效能稳定性相当差。倒车制动时，两蹄又皆为从蹄，结果制 动器效能很低。因两蹄片上单位压力不等，造成蹄片磨损不均匀，寿命不一样。 这种制动器只有一个轮缸，故不适合用于双回路驱动机构；另外由于两蹄片下 部联动，使调整蹄片间隙工作变得困难。 少数轻、中型货车用来作前制动器。 6 双向增力式 双向增力式制动器的两蹄片端部各有一个制动时不同时使用的共用支点， 支点下方有一轮缸，内装两个活塞用来同时驱动张开两蹄片，两蹄片下方经推 杆连接成一体( 图2 - 2 f ) 。 与单向增力式不同的是次领蹄上也作用有来自轮缸活塞推压的张开力，尽 管这个张开力的作用效果较小，但因次领蹄下端受有来自主领蹄经推杆作用的 张开力很大，所以次领蹄上的制动力矩能大到主领蹄制动力矩的2 3 倍。因此， 采用这种制动器以后，即使制动驱动机构中不用伺服装置，也可以借助很小的 踏板力得到很大的制动力矩。这种制动器盼进与倒车的制动效果不变。 双向增力式制动器因两蹄片均为领蹄，所以制动器效能稳定性比较差。除 此之外，两蹄片上单位压力不等，故磨损不均匀，寿命不同。调整间隙工作与 单向增力式一样比较困难。因只有一个轮缸，故制动器不适合用于有的双回路 驱动机构。 应该指出，鼓式制动器的效能并非单纯取决于根据制动器的结构参数和摩 擦因数计算出来的制动器效能因数值，而且还受蹄与鼓接触部位的影响。蹄与 鼓仅在蹄的中部接触时，输出制动力矩就小，而在蹄的端部和根部接触时输出 制动力矩就较大。制动器的效能因数越高，制动效能受接触情况的影响也越大， 故萨确的调整对高性能制动器尤为重要。 2 3 3 盘式制动器及其分类 按摩擦副中固定元件的结构不同，盘式制动器分为钳盘式和全盘式两类。 钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动块，装在与车轴连接且不能绕车轴轴 线旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面很小，在盘上所占的中心角一般 仅3 0 。5 0 。，故这种盘式制动器又称为点盘式制动器。 全盘式制动器中摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩 擦表面全部接触，作用原理如同离合器，故又称离合器式制动器。全盘式中用 得较多的是多片全盘式制动器。多片全盘式制动器既可用作车轮制动器，也可 用作缓行器。 钳盘式制动器按制动钳的结构不同，有以下几种。 1 固定钳式 制动钳固定不动，制动盘两侧均有液压缸。制动时仅两侧液压缸中的制动 块向盘面移动。这种形式也称为对置活塞式或浮动活塞式。 2 浮动钳式 滑动钳式，制动钳可以相对于制动盘做轴向滑动，其中只在制动盘的内侧 置有液压缸，外侧的制动块固装在钳体上。制动时活塞在液压作用下使活动制 动块压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的 另一侧，直到两制动块受力均等为止。 3 摆动钳式 它也是单侧液压缸结构，制动钳体与固定于车轴上的支座铰接。为实现制 动，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。显然，制动块不可能全 面均匀地磨损。为此，有必要将衬块预先做成楔形( 摩擦面对背面的倾斜角为6 。左右) 。在使用过程中，衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀( 一般为l m m 左右) 后即应更换。 固定钳式的优点有：除活塞和制动块以外无其它滑动件，易于保证钳的刚 度；结构及制造工艺与一般的制动轮缸相差不多：容易实现从鼓式到盘式的改 9 型；很能适应不同回路驱动系统的要求( 可采用三液压缸或四液压缸结构) 。 固定钳式的缺点有：至少有两个液压缸分置于制动盘两侧，因而必须用跨 越制动盘的内部油道或外部油管来连通，这一方面使制动器的径向和轴向尺寸 增大，增加了在汽车上的布置难度，另一方面增加了受热机会，使制动液温度 过高而汽化与辅助制动钳式比较，它能产生可靠的驻车制动力矩。 浮动钳式制动器的优点有：仅在盘的内侧有液压缸，故轴向尺寸小，制动 器能更进一步靠近轮毂；没有跨越制动盘的油道或油管，加之液压缸冷却条件 好，所以制动液汽化可能性小；成本低；浮动钳的制动块可兼用于驻车制动。 制动钳的安装位置可以在车轴之前或之后。 与鼓式制动器比较，盘式制动器有如下优点： 1 ) 热稳定性好。原因是一般无自行增力作用，衬块摩擦表面压力分布较鼓 式中的衬片更为均匀。此外，制动鼓在受热膨胀后，工作半径增大，使其只能 与蹄中部接触，从而降低了制动效能，这称为机械衰退。制动盘的轴向膨胀极 小，径向膨胀根本与性能无关，故无机械衰退问题。因此，前轮采用盘式制动 器，汽车制动时不易跑偏。 2 ) 水稳定性好。制动块对盘的单位压力高，易于将水挤出，因而浸水后效 能降低不多；又由于离心力作用及衬块对盘的擦拭作用，出水后只需经一、二 次制动即能恢复正常。鼓式制动器则需经十余次制动方能恢复。 3 1 制动力矩与汽车运动方向无关。 4 ) 易于构成双回路制动系，使系统有较高的可靠性和安全性。 5 1 尺寸小、质量小、散热良好。 6 1 压力在制动衬块上分布比较均匀，故衬块磨损也均匀。 7 1 更换衬块工作简单容易。 8 ) 衬块与制动盘之间的间隙小( o 0 5 0 1 5 m m ) ，这就缩短了制动协调时 间。 9 ) 易于实现间隙自动调整。 2 2 制动器实验台转速要求 依据q c t4 7 9 1 9 9 9 货车、客车制动器台架试验方法以及江淮集团制动 器台架试验标准我们确定了试验台安装制动鼓( 盘) 轴的转速应控制在规定车 速的相应转速，允差为2 。 根据o c t4 7 9 - 9 9 的规定，试验过程分为几个部分：磨合，第一次效能试 验，第一次衰退一恢复试验，第二次效能试验，第二次衰退试验，第二次磨合， 第三次效能试验以及制动器磨损试验等八个过程。每个试验过程要求的转速也 l o 不尽相同，各个试验过程和对应的转速列与下表： 表1试验过程与对应转速 试验过程转速要求 磨合制动初速度5 0 k m h ；从制动初速度进行制动， 到终速度为零 第一次效能试验3 0 和5 0 k m h 或8 0 v m a x 但不得超过8 0 k m h ( t 。 类车) ； 3 0 和5 0 k m h 或8 0 v m a x 但不得超过6 5 k m h ( l 类车) ； 3 0 和5 0 k m h ( t 。类车) 。 第一次衰退一恢 基准校核阶段，制动初速度为3 0 k m h 制动直 复试验到速度为零；衰退试验阶段制动初速度为 6 5 k m h ( t 。类车) 或5 0 k m h ( t 、t 。类车) ；恢复试验 制动初速度3 0 k m h 第二次效能试验同第一次效能试验 第二次衰退试验制动初速度：4 0 k m h ( t 。类车) ， 3 0 k m h ( t 。、t 。类车) 第二次磨合同第一次磨合试验 第三次效能试验同第一次效能试验 制动器磨损试验指动初速度3 0 k m h ，制动器初温不超过1 0 0 、2 0 0 、2 5 0 各制动5 0 0 次；制动初速度 5 0 k m h ( 除t l 类外) 制动器初温不超过1 0 0 、2 0 0 、2 5 0 c 各制动5 0 0 次；制动初速度6 5 k m h ，t t 类车，不超过1 0 0 c 、2 0 0 、2 5 0 。c 各制动5 0 0 次 其中： t l 一总质量为1 8 0 0 k g 至6 0 0 0 k g 的货车、客车； t m 一总质量为大于6 0 0 0 k g 至1 4 0 0 0 k g 的货车、客车； t h 一总质量为大于1 4 0 0 0 k g 至2 0 0 0 0 k g 的两轴货车、客车和至3 0 0 0 0 k g 的三轴货车、客车。 本次设计的试验台所检测的制动器针对的是t l 和t m 类型的中卡和轻卡， 因此可以根据上表选择试验过程中需要的转速。下面针对某一车型来计算试验 台的转速。 计算依据n = 2 6 5 v r ( 2 - 2 ) n ：安装制动鼓盘轴的转速( r m i n ) v ：实验车速( k m h )( 参考q c t4 7 9 - 9 9 确定如下) 第一次磨合 v = 5 0 k m h 第一次效能试验v = 3 0 k m h 、5 0 k m h 、 t l 时，加速度d n d t 为正，传动系统为加速运动；当t = o ，在零时刻恒定力矩m 开始作用，对应于不同的h 值，各 系数c 、d l 、d 2 、a 、8 、p 都有相应的取值。 图4 - l 双闭环直流调速系统的动态结构变形图 4 4 电惯量控制的实现方法 由式( 4 1 ) 与式( 4 5 的a n 女( t ) 和a n l ( t ) 可以看出，由于电机控制系统 的结构形式不同，在同样的恒定转矩作用下，两电机系统的转速变化规律大相 径庭。在传统的制动器试验台中，电机控制系统不存在闭环反馈，只有飞轮与 制动恒定力矩两个环节，因此系统的转速变化规律是按照式( 4 1 ) 进行的。当 引入转速、电流反馈双闭坏控制后，系统数学模型即输入与输出之间的关系发 生改变，导致系统转速变化规律改变，即得式( 4 5 ) 。 设想减小或取消传统制动器试验台的飞轮转动惯量，得到的新系统为符合 传统试验台的真实工作情况，可以通过改变电机控制系统的各种给定信号，使 电机输出转速变化能准确地模拟传统机械惯量系统的转速变化，由此即构成了 实现电惯量的制动器试验台。本文4 4 2 至4 4 4 小节将针对转速、电流双闭 环直流调速系统来讨论改变控制系统的各种给定信号得到的电惯量控制方法。 在研究电惯量系统实现的方法之前，让我们先简单谈谈飞轮与电机。 4 4 1 转动惯量的飞轮模拟和电模拟 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，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，但在制动器试验台中仅 用飞轮存在以下一些缺点： 1 、飞轮的动平衡要求较高，故其加工较困难【i “，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； 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 1 2 1 ； 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1 3 1 ； 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【3 】。 电机可以认为是电能与机械能相互变换的机器，在电机内部电功率与机械 功率是平衡的，功率流动的方向取决于外来的作用。因此，一台电机在一定的 外界条件下，可以转化为发电机运行，反之亦然，即电机具有可逆性。因此， 电机可以用来模拟制动器的负载。但是，如果在制动器试验台中仅用电机模拟 机械惯量时将产生下列问题： 第一在欲模拟的制动器负载机械惯量较大时，模拟制动初期的误差较大； 第二在一般情况下，初始几次的控制系统调节量较大，往往造成被调量的 波形振荡严重 8 1 ； 第三电机容量大，直流调速装置等配套设备功率都要大，使成本增加【9 1 。 综上所述，单独使用飞轮或者电机来模拟制动器的机械负载都存在缺点。 为此，本文提出的电惯量控制方法是利用l 2 片固定小飞轮和电机联合模拟制 动器机械负载的i s 。 实际上，在系统的输出转数变化与负载电流变化之间的闭环传递函数式 ，! n 2 ( 4 4 ) 中，l = 磊熹，它体现了小飞轮机械惯量环节的存在，整个调速系 j ，) l p l ” 统是电机控制系统和小飞轮机械惯量的结合。 4 4 2 改变转速环给定电压实现的电惯量控制 由图4 - 1 可知，转速、电流双闭环直流调速系统的给定信号可以有两处，一 处为转速环给定电压a u 。( s ) ，另一处为电流环给定电压u + i ( s ) 。本小节先讨 论只改变转速环给定电压实现的电惯量控制方法。 采用4 1 3 节推出式( 4 4 ) 的方法，可以得到零初始条件下，双闭环控制系 统输出转速变化与转速给定变化之间的闭环传递函数1 3 0 l 为： 堡垒! ：! ! ! ! ：! ( 4 6 ) “b ) 口 堡乓s ，+ 堡足s z + 厅ks + 1 h + l 厶”h + l 厶” 厶” 式中n ；( s ) 为转速环给定信号变化下系统速度响应变化的拉氏变换，u 。( s ) 为转速环给定信号输入变化的拉氏变换。 式( 4 6 ) 反映的是图4 - 1 所示系统输出转速变化与转速环给定电压变化 之间的比值，描述的是给定电压单独作用而制动转矩不变化的情况。在电惯量 系统中，输出转速变化量是速度环给定变化作用下的转速响应与负载转矩作用 下转速响应的迭加。为达到拟合传统系统的制动曲线的目的，要求原机械惯量 系统与电惯量系统在初始速度和制动转矩大小相同的情况下，两者输出转速变 化一致，郎要满足下式： a n ，0 ) + 细。g ) = a n 大g ) ( 4 7 ) 式中a n ，g ) + a n 。g ) 是电惯量系统的输出转速变化的拉氏变换，nx ( s ) 代表原 机械惯量系统的输出转速变化的拉氏变换。 将式( 4 2 ) 、式( 4 4 ) 和式( 4 6 ) 代入式( 4 7 ) ，可得电惯量系统的转速 环给定电压变化的拉氏变换应该为： 阢6 ) ：口f 堡苎堕+ 堡竺! 坠二竺竺生! 二竺竺以 ”、7 fh + l 厅丁 。s + 1 h + 1 每。s + 1l + 丽h k m m 剞t t + 桷 s ， 对上式进行拉氏反变换得： 竺掣一2 h 2t?，、肘阮一以p(f)一kmmth 1口+ 己” 、。” + 1 2 _ 0 - h ) m ( k 。一k 。x 匾 ( 4 9 ， 式中t = 0 且制动力矩作用的瞬间为零时刻，6 ( t ) 为单位脉冲函数 3 1 1 。 理论上，当电惯量系统受到相同的恒定制动转矩且初始速度一致时，如果 其转速环的给定电压信号变化如式( 4 9 ) ，则该系统的输出转速变化能完全模 拟原机械惯量系统的转速变化，从而得到相同的制动曲线。 根据3 4 节可知，电惯量系统的初始速度是由转速环给定电压的初始值 u + 。( o )决定的。设机械惯量系统制动时的初始速度为1 1 o ，要保证两系统的 输出初始速度相等，必须满足下式： u n ( o ) = dn o ( 4 1 0 ) 图4 1 所示的双闭环直流调速系统不仅包括转速环给定输入，还包括一个 电流环的给定输入。因此，电惯量系统还可以采用改变系统电流环的给定信号 或同时改变转速环和电流环的给定信号两种方法来模拟机械惯量系统。 4 4 3 改变电流环给定