（光学工程专业论文）基于教学的反力滚筒式汽车制动试验台.pdf

摘要 基于教学的反力滚筒式汽车制动试验台 硕士研究生：李晶 指导教师：任祖平副教授 东南大学机械工程学院 摘要 反力滚筒式制动试验台是的东南大学成贤学院现代汽车实验室的一个组成部分。设计基于教学 的制动试验台是课题的主要任务。 汽车制动试验是汽车性能检测的主要内容之一，经过多年的发展，制动性能的检测方法多种多 样，主要的检测方法有路试和台试两种。在了解了现在国内外汽车制动试验台的主要形式以及发展 状况后，结合成贤学院的实际情况，设计了基于教学的反力滚筒式制动试验台 教学用试验台最主要的目的是清晰的展示制动试验的工作过程和原理，并准确的获得所需要的 试验数据因此，试验台的检测对象为分离出来的汽车制动系统，试验台的举升机构产生载重可以 代替整车试验时汽车的自重。这样可以很好的模拟汽车的制动过程，获得精确的实验数据，同时， 可以观察到整个汽车制动系统的工作过程，满足了教学的要求。 为了获得精确的试验数据，准确的控制试验台，试验台采用了a i m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 单片机作 为检测系统整个检测系统包括有数据采集、数据处理和数据传输三部分。试验时，通过传感器采 集非电信号，并转换成模拟信号，之后，经过a d 转换系统把模拟信号转换成数字信号传送给 a t 8 9 s 5 2 单片机，a t 8 9 s 5 2 及时把数据传送给p c ，当达到最大制动力时a t 8 9 s 5 2 控制电机停止 转动，整个试验完成。 制动试验台可以准确的测量试验时制动系统的各个参数，由于试验方法简便，可以进行多次重 复试验。另外，分离的制动系统可以更换不同型号的车轮，通过举升机构施加不同的载重后，就可 以模拟多种车辆的制动情况，使试验台具有很好的扩展性。 关键字：制动试验；汽车；检测系统；单片机；数据采集 东南大学壤士学毪论文 c y l i n d e rt y p e a u t o m o b i l er e a c t i o nf o r c e b r a k e t e s t i n gp l a t f o r m b a s e do nt h ee d u c a t i o n 8 y l ij i n g s u p e r v i s e db yr e nz u - p i n g s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a n t i - e d g ed n a n - b r a k et e s t e ri st h ep a r to fm o d e r na u t o m o b i l et e a c h i n gl a b o r a t o r yi ns o u t h e a s t u n i v e r s i t yc h e n g x i a nc o l l e g e 帕em a i nt a s ko ft h es u b j e c ti st od e s i g nt h ea n t i - e d g ed r u m - b r a k et e s t e r b a s e do nt e a c h i n g t h eb r a k et e s ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta u t o m o b i l ec a p a b i l i t yt a t t s i nt h ep a s tf e wy e a 描，m a n y b r a k e t e s t i n g m e t h o d s h a v e b e e n d a v e l o p e d 。a m o n g t h e m , t h e r e a r e t w o m a i n w i d e l y u s e d m e t h o d s a t h o m ea n da b o a r d ：t h et e s t0 1 1t h er o a da n dt h et e s to nt h ei n s i d et e s t e r 1 色ea n t i - e d g ed r u m - b r a k et e s t e ri s c h o s e nc o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m a n to f c h e n g x i a nc o l l e g e 1 1 ”t w o i m p o r t a n t f u n c t i o n s o f t h e t a i t o r a r e t o d e m o n s t r a t e e x p l i c i t l y t h e p r i n c i p l e o f t h e b r a k e s y g t e l 珥t o 瓣t h e d a m o f 氇e t e s t p r e c i s e l y t h e r e f o r e , t h e b r a k e s y s t e m i ss e p a r a e d o u t t h e t e s t s u b j e 醢砸k w e i g h t t a , o v i d e d b y u f t m e c h a a i s m o f t h e t e s t e r - c a l l t a k e p l a c e o f t h a w e i g h t o f t h e a u t o m o b i l e a s a r e s u l t , t h e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e b r a k es y s t e m c a n b c c l e a r l y k n o w n s i n g l e c h i p a t 8 9 s 5 2 础c e d b ya 1 m i e l i s u s e d i n t h e t e s t i n g 雅a c o n t r o ls y s t e m 1 k w h o l e s y s t e mc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ：t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , t h ed a t ap r o c e s s i n g , s y s t e ma n d t h ed a t a 撤暾粕幽瞄s y s t e l ma f t e rt h es i 秘lg o t 毋氐黜黼哪，t h ea n a l o gs i g n a l sa r ec o n v e r t e di n t o g i 毫蘸| s i g m a s b y t h e a d s y s t e m 8 9 s 5 2s c a d s t h e d a t a t o t h e m 脚v h c n t h e b r a k i n g f o r c e r o a c h e s t h e m a x i m u m , t h em o t o rw i gb es t o p p e db yt h ec o n t r o is y l r c i i l t h e b i l g e t e s t e r 湖m e a s u r e t h e c a p a b i l i t y o f t h e b r a k e s y s t e m d u e t o t h e s i m p l i c i t y o f t h e t e s t i n g ， t h e t e s * i n _ _ g p r o c e s s 潍b e p 献d i f f e r e n t t y p e o f w h e e i s 蛳b e t e s t e d o n l y b y c h a n g i n g t h e l o a d o n t h e l i f t m e c h a n i 麟w h i c h e x t e n d s t h e c a p a b i l i t y o f t e s t e r0 0 s i m u l a t e d i f f e * e n t a u t o m o b i l e s a n d 击e e l 嚣 k e y w o r d s ：b r a k et e s t ；a u t o m o b i l e ；t e a ts y s t e m ；s i n g l ec h i pp r o c e s s o r ；, d a t aa c q u i s i t i o n 拜 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名：圭) 盘 日期：幽， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 老品 导师签名：e t 期：知g ，善 第一常绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 汽车从发明至今已经一个多世纪了，现代社会，汽车已成为人们工作、生活中不可缺少的一种 嶷通工具。汽车在为人们带来便利的同时，也带来大气污染、噪声和交通安全等一系列问蹶。汽车 本身又是一个复杂的系统，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断怨化。汽车 检测技术正是伴随着汽车技术的发展而发展的。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进 步，汽车检测技术也飞速发展。 汽率安全性能检测的主要内容有；制动系、转向系、照明信号装置、废气排放、速度表检测及 患要蘑成附件的， 观检查。遥过加强对汽擎的安全检测，可发现、消除和减少由于车辆憾熊欠德娃 及技术状况不塞瑟发生静交逶事赦；透过瓣汽攀啭声鞠废气躲控稍，可减少汽车对环境的蕺密# l 。 摆统计，在因汽车敲薅 l 超静事教孛，溯臻系缝效簿占6 0 疆上。汽车割动毪艉磐舔，怒安全 舒攀最重要静因素之一，困既氆是汽车羧测诊羝静燕点。汽车毒矗努翦截动桎巍，逶到紧急情况， w 以纯险为夷；在正常行驶畦，可班援离平均遮发，飙两握赢运输效率。随着汽车行驶速度静掇商， 汽率制动性能对保障交通安全尤为重要。为减少交通事故，我国有关法规明确规定汽擎必须经过定 期梭验合格后才允许上路行驶，在汽车定期检骏中，制动性能被作为判定车辆安全技术状况的主要 因素【2 】。 汽车制动性能检验作为安全检测的羹点棱测项目之一，它的目的在于检查评定汽率的制幼装置 照否齐全、可靠，制动性能是否良好，是帮符合国家制动标准要求。近年来，随着不解体截线梭测 技术的发展，汽车制动性能的检测与诊断己由疑骏定性型向仪器化的定量与定性相结合方向发展， 幽路试向台架检测发展用制动试验台检测汽率的制动性能，不仅可以测出每个车轮的制幼力和制 动力协调时间，通过计算求出汽车的单位制动力丽且可以测出同一轴两车轮的制动力差朔制渤力 上升时间差，割动器内部阻力和制动完全释藏时阍。这静方法可以免除用路试检测镪动性能的一蹙 棼瘸掰。 戴终，诗算辍痘翅鼓謇是汽车安全魏戆缎灏孛嚣常耋要匏一夸方覆。蒋嚣冀裁按恭敬矮乎汽车 羧测绫，称兔全鑫魂汽车检测系统，又髂诗舞瓿薄理系统。它垂疆箨襄簌尊嚣部分维戏，疆箨邸分 魏沣箕枫和辘韵设备蕴戒，计算机又因使蠲举辅w 分先申报规、工蕴嚣控机，主控极等。鳙赣设备 宥驻示屏、稳压电源、程穿提示显示屏、光电歼关、模拟转换等设备。软件部分则有检测程序、数 攒采集程序、数据库、打印、存储、检索程序、设备标定程序、检测标准设置及判定稷序、系统自 榆程序等。系统软件功能还可根据具体需要而增加，例如互联网及通讯软件等 计算机控制系统的控制方式一般有集中戏、分级式等控制方式。 榘中式除登录资料由一台计算机完成外，权限的检测流程、数据采集、处理、判定、照示、打 印，存储等均由一台主控计算机来完成。j 芸种方式的优点是结构简单、价格低。缺点是熏控计掉机 负担熏、可靠性查、发生故障时易造成全线停工。 分缓式一般采用二级分布方式、级为测掇工位控制，各工位分布有工位计算机来完成本工位 的控制、数据采集处理和通讯等任务；= 级共寅排列硷颡程序，全线调度，汇总综合判定、拄印结 蓉番l 存储蓄理数据库等管理h 。 1 2 国蠹外裁动试验研究瑰袄及发袋方蠢 伴随着电子技术、自动控制技术和帆槭棚童工业的发展，汽车性能的诊断和检测技术寐传统检 t 东南大学硕士学位论文 测方法的基础上有了革命性的进展，逐步发展成现代汽车诊断和检测技术。现代汽车诊断和检测技 术主要是利用先进的汽车检测仪器和设备，结合计算机、自动控制等高新技术来检测汽车技术状况， 它是以工程数学、故障物理、可靠性理论、电子学和电子技术、信息控制理论等为基础的一门综合 性应用科学 6 1 。 现代汽车检测诊断技术发展很快，在管理上己实现了“制度化”，在基础技术上实现了“标准化”， 在应用技术上正在向“智能化”、“自动化”方向发展。 国外对汽车制动性能的研究和检测发展比较早，从七十年代起，已经开始运用现代设计方法， 如计算机数字仿真、优化设计、可靠性设计、c a d c a m c a e 等取代传统设计方法。七十年代初， 美国密西根大学的学者们就将计算机模拟技术应用到汽车制动动态过程研究中。从九十年代起，国 外就不断开发汽车制动系统的设计专家系统，而且也涉及到整车设计专家系统的研究开发。如日本 开发的小型车制动专家系统，使得设计的车辆具有良好的制动性能，在省时省力的基础上得到最佳 设计方案。目前，国外生产的汽车制动性能试验台现代化水平很高。如法国的萨基姆( s a g e m ) 公 司、德国的博世( b o s c h ) 公司、申克( s c h e n c k ) 公司、意大利的马哈( m a h a ) 公司等等， 这些公司生产的汽车制动性能检测设备有精度高，功能全，滚筒耐磨损，不受温度的影响等特点。 我国的汽车工业起步较晚，研发能力还比较落后，目前呈现一种迅速追赶的态势。相应的，制 动性能检测诊断技术也经历了从引进技术、引进检测设备，到自主研究开发、推广应用的阶段，并 发布实施了有关的汽车检测国家标准和行业标准，取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还 有一定距离。我们应该加强汽车检测基础理论的研究，借鉴发达国家的先进经验和技术，在汽车检 测基础技术的标准化，汽车检测设备的智能化和检测管理的网络化等方面进一步研究和发展，尤其 要在检测设备的性能、精度，可靠性、稳定性、智能化和自动化等方面多下工夫，才能适应汽车工 业迅速发展的需要“j 。 制动性能的评价包括：制动效能、制动效能恒定性和制动方向稳定性三个方面。在g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件中，分别规定可用制动距离、制动力和制动系统协调时间三者其中之 一来检验车辆的制动效能。这便可根据具备的测试条件，分别采用不同的检测方法、不同的指标来 评价车辆的制动性能 制动性能的检测方法，可分为路试( 道路试验) 和台试( 室内台架试验) 两种 路试法一般是在受检车辆上，装置检测仪器，如减速度仪和第五轮仪，使车辆在道路上行驶， 检测车辆的制动距离、制动减速度和制动协调时间。传统的方法亦可在车辆上不装仪器，直接测量 车辆制动后在路面上留下的印痕长度，此法也称为拖印法这种方法比较简单，但不能全面反应车 辆的制动性能。路试法一般有以下几种形式： l 、采用第五轮仪检测车辆的制动性能： 2 、采用制动减速度仪检测汽车的制动性能； 3 、拖印法检测车辆制动性能。 路试法虽然简便、直观，且不需要大型设各，但是路试法只能测出整车的制动性能，而且制动 距离的长短和制动减速度的大小，往往受驾驶员操作方法、路面状况和行驶条件的影响，也无法检 查和控制踏板上的作用力；对轮胎有较大磨损；需消耗一定燃料；并对全车各机件都有一定程度的 损坏；还受其气候条件，场地的限制，有造成事故的危险。随着汽车行驶速度的提高和道路行车密 度的增大，如果在一般公路上进行制动试验，其难度可想而知。为此，室内台架试验法在国内外越 来越多的被采用嗍。 台试法是用制动试验台来检测车辆的制动性能。由于制动试验台能迅速、准确地检测制动性能， 且经济、安全，不受气候条件限制，试验重复性亦好，并能定量地指示出各轮的制动力或制动距离。 因而台试法已成为检测车辆制动性能的常用方法，并逐渐取代路试法。制动试验台通常可分为两种： 平板式制动试验台和滚筒式制动试验台。 1 、平板式制动试验台 汽车平板式制动试验台是一种新型的制动检测设备，集制动、轴重、侧滑和悬架效率等四项功 能与一体的多功能检测设备，属于一种低速动态式制动试验台 2 第一章绪论 ( 1 ) 平板式验台的结构与原理 平板式制动试验台通常由四块表面轧花的平板、力传感器、支承钢球、低架及指示、控制装置 等组成。四块平板前、后各两块并列布置，板问间距与受检车轮距相适应。各块平板如同路面，均 支撑在钢球上，各自独立，可做纵向移动 制动检测时，受检车辆以5 k m h 1 0 k m h 的车速驶向制动试验台，当前后轮分别驶达平板后置变 速器于空档，控制系统指示驾驶员急踩制动踏板，汽车便在惯性的作用下，通过车轮在平板上施加 一个与制动力大小相等、方向相反的作用力，使平板沿纵向位移，经力传感器测出各轮的制动力， 并由显示、打印装置输出检测结果。 ( 2 ) 平板式制动试验台的优缺点 采用平板式结构，检测过程更接近与路试，能够真实的反映出车辆在制动过程中制动力与轴重 的变化、悬架减振和侧滑等性能状况。平板式制动试验台能测出比静止轴荷时大得多的前轴制动力 ( 现在的汽车在设计上为了满足行驶过程中的制动要求，提高制动稳定性，减少制动时后轴车轮侧 滑和汽车甩尾，前轴制动力较大，后轴制动力设计相对较少，平板制动实验台能充分利用汽车制动 时惯性力导致重心前移轴荷发生变化的特点，使前轴制动力可达到静态轴重的百分之一百以上，这 种制动特性只有在路试时才能体现出来，在滚筒反力式实验台上，由于受设备结构和检验方法的限 制，前轴最大制动力是无法测量出来的) ，这是它的最大的优点。由于平板式制动实验台结构简单， 运动件少，检测速度快，检测过程与实际路试条件比较接近，并具有安装方便，占地面积小，耗能 少，操作维护方便及多功能等优点，越来越多的被维修和检测部门采用。 平板式制动试验台操作方便，工作效率高。维护简单，一次上台检测，可以检测出许多检测项 目，比滚筒式制动试验台更省时省力。利用它检测驻车制动可以防止驾驶员用脚踩制动来代替驻车 制动检测，出具假的检测结果。因为，用脚踩制动去检测驻车制动，在平板制动试验台上测出的数 据更低，受检车辆四轮都有制动时，两个前轮的制动力将会影响到驻车制动力。 在平板式制动试验台上，由于汽车车轮与平板间不发生相对运动，所以不能准确检测出车辆的 阻滞力，驻车制动力也不够准确。它的另一个缺点是检测数据的重复性不好，因为它的制动平板较 短，车辆在制动检测时，制动力几乎刚达到最高值就开始下降，没有持续的制动阶段，车轮似乎不 动，所以在重复性检测时，车轮与平板的接触部位不同以及车轮的鼓和蹄接触状况不同，会使检测 到的制动力不一样，在平板制动实验台上检测制动性能的好坏与检验员踩制动踏板的快慢也有关系， 所以它重复性不太好 2 、滚筒式制动试验台 滚筒式制动试验台在国内外汽车制动检测中得到了广泛的应用。滚筒式制动试验台按其测试原 理可分为反力式和惯性式两种 ( 1 ) 反力式滚筒试验台的结构与检测原理 滚筒反力式制动试验台由左右各一对滚筒、电动机、减速器、传动链、测力传感器和指示、控 制装置等组成。检测时，受检汽车驶上制动实验台，车轮停驻在滚筒上，电动机驱动滚筒带动车轮 转动，待车轮转速稳定后驾驶员按照指示急踩制动踏板，电动机继续驱动滚筒转动，向车轮施加一 个与制动力矩相反的力矩，直至控制系统采完数据为止，电动机停止转动。这就是滚筒反力式制动 试验台的检测原理。滚筒反力式制动试验台检测时，汽车不动，是滚筒带动车轮转动，因此是一种 静态检测。检测车速比较低，并且只有一个固定的车速。 ( 2 ) 滚筒反力式制动试验台的优缺点 在当今国内外的滚筒式制动检测台的主流产品是滚筒反力式制动试验台。反力式滚筒制动试验 台结构比较复杂，电动机和减速装置容易损坏，维修和保养工作量大，电动机耗电比较大，制动滚 筒磨损快，更换价格昂贵，检测成本比较高。但是，与平板式制动试验台相比较，反力式滚筒试验 台在检测中性能稳定、重复性比较好、检测数据准确，是很好的制动性能检测设备。由于它的制动 滚筒和检测车辆的车轮有一个相对的运动，可以方便准确的检测出被检测车轮的阻滞力、驻车制动 和各轮制动协调时间 基于以上原因，并考虑到场地原因以及测试效果。本课题选择反力式滚筒制动性能试验台为研 3 东南大学硕士学位论文 究方向。 我国使用的反力滚筒式制动试验台有两大类，其一是引进日本弥荣公司、日产公司的；其二是 引入西欧国家的，如德国马哈公司、申克公司，英国克雷普顿公司，意大利的钻石公司等。 日本式试验台的特点是摩擦滚筒直径小，一般直径为1 2 0 r a m 左右，且滚筒表面刻有矩形槽， 制动时线速度低，两滚筒之间有举重器，一般没有智能程序，数值显示多为指针式。 西欧式试验台的特点是摩擦滚筒直径大，一般直径在2 6 5 m m 左右，且筒表面涂敷摩擦材料， 摩擦系数较高，可达0 8 0 9 ，制动时线速度高，3 t 以下车辆的线速度为2 5 3 k m h ，3 t 到l o t 车辆 的线速度为5 k r a h 。在两滚筒之间有两个第三滚筒，数值显示为指针式。第三滚筒的作用主要有两 条： 1 、当车辆放在试验台上后，轮胎压下第三滚筒，限位开关脱开后，试验台才能启动运转。 2 、在测试过程中，当试验台转速达到稳定值后，制动后车轮速度下降，第三滚筒的速度也随着 下降，当第三滚筒转速下降到稳定转速的7 0 时，为了不使轮胎产生严重磨损，控制系统发出讯号， 使电机停止运转。 对反力滚筒式来说，最重要的结构技术参数和性能是：试验台滚筒转速、滚筒直径、滚筒表面形 状及材质、电动机驱动功率、制动力测量装置和测试精度等。其中影响测试可靠性的重要因素是试 验台滚筒与轮胎间的附着性能，因此滚筒直径及其转速、滚筒表面形状及材料、滚筒表丽的附着系 数成为模拟实际工况的重要参数，一直是研究的焦点。 从研讨的广度和深度来看，反力式滚筒制动试验台的技术研究己趋于全面成熟，今后汽车制动 检测设备的发展方向仍是以反力滚筒式为主，对滚筒式制动设备的研究也仍将是热点。反力式滚筒 制动试验台还要为消除台试与路试问的差异作努力，须做好以下几方面的工作： 1 ，结合国情进行技术改造，不同的待检车类型应配备不同测试要求的试验台； 2 、完善检测没备标准，划分制动检测设备类型，制订各自的标准并完善测试规程； 3 、滚筒直径要合理增大，并适当提高滚筒的转速 9 1 1 3 课题来源与主要研究内容 高等院校是培养人才的地方，是为社会发展提供储备力量的地方。同时，它也是先进科学和技 术诞生的地方。而人才的培养、技术的发展与实验设备是分不开的。因此，东南大学成贤学院在搬 至浦口新校区后，计划建立一个综合的现代汽车教学实验室 整个汽车教学实验室包括有三个系统，分别是多媒体系统、试验台架系统和测试系统下面一 一说明。 第一，多媒体系统。现在很多学校在授课时都已经用上了多媒体设备多媒体系统可以形象生 动的把汽车总成和零部件展示给学生看，把汽车各个机构的运动过程动态的展现给学生，还可以模 拟汽车各个系统是如何运行。此外，多媒体技术广泛的信息来源可以把最新的汽车技术呈现在课堂 上，让学生接触到前沿的汽车科技。实现上述的功能除了多媒体设备外，还要许多好的多媒体汽车 教学课件，教师可以结合当今汽车发展趋势，运用动画，图片，声音等多媒体手段制作生动的教学 课件，市场上也有一些较好的多媒体汽车教材，可以加以利用。当然运用多媒体并不是抛弃书本， 书本上的基础理论比较系统和完善，所以在教学时应当两者互相协调。 第二、试验台架系统。一辆汽车有数千个零件，无论是学习还是教学都不是一件容易的事。不 过虽然汽车系统纷繁复杂，还是有理可循的。汽车一般可分为发动机、底盘、车身、电器及控制四 个部分。试验室中的汽车一般都选择较典型的汽油机轿车，轿车体积较小便于教学和试验【1 0 1 实验室的组成结构如图1 1 所示。各个试验室中可以放置在试验台架上总成或零部件皆放于可 以移动的试验台架上，以增加整个试验室的灵活性，既可以在各个试验室中观察动手，也可以移动 至中间教室里，在课堂上讲解。这样在教学过程中可以分散成小组进行试验，也可以集中在一起， 由教师讲解。不拘泥与以前那种传统的方式，与多媒体系统相结合，大大的提高了学生的学习效率 4 第一章绪论 与学习的积极主动性，实践结果是比较理想的。 第三、测试系统。汽车技术的发展很大程度上取决于试验技术的发展。国内外技术处于领先地 位的汽车公司都拥有先进的测试技术和完整的试验设施。作为教学实验室，测试系统注重的是汽车 基本性能的测试，且多为室内试验台架测试。同时现代化的汽车已经应用了电脑控制，汽车自身会 记录多个参数，所以与此相对应的汽车测试手段也发生了改变，运用现代化的检测手段可以通过电 子检测设备，在汽车不解体的条件下直接获得汽车的各个性能参数，使得测试更为简洁、高效、准 确。在l 至9 各个试验室中都配备了相应的现代化测试仪器，学生掌握了足够的汽车知识之后便可 以在教师的指导下去测试汽车的各项数据，并通过获得的数据来判断该部件是否工作正常，哪些地 方出了故障j 。 图1 - 1 东南大学成贤学院汽车教学实验室平面图 1 发动机试验室；2 、离合器试验室；3 。变速器试验室；4 、悬架试验室；5 ，车 桥试验室；6 转向系统试验室：7 、制动系统试验室：8 、整车试验室：9 汽车零 部件以及电器设备展示试验室；1 0 讲台及多媒体系统；1 1 ，学生座位 汽车制动试验台作为汽车安全检测的一个重要内容是这个汽车实验室的一个重要组成部分。 现在，国内外常见的汽车制动试验台都是以安全检测为主。但是，作为教学和实验用的试验台 需要适合教与学的特点。这正是本课题的研究内容 作为教学和实验用的试验台应该具有以下的特点： l 、可以正确的反映汽车的制动性能： 2 、测得的数据具有真实性和可靠性，以便于教学分析； 3 、试验台架应采取开放式结构，便于观察各个部分工作运行情况； 4 、试验的多样性，可以完成多项的系列试验，便于横向和纵向分析。 为了达到上面这些要求，课题的要任务便是以反力式滚筒制动试验台原理为基础，开发具有独 立悬架，轴重可调式试验台。试验台通过单片机控制实验的开始与结束，实验期间通过多个传感器 把采集到的数据传给单片机，并通过单片机把数据发送给上位机，最后，上位机把采集到实验数据 根据要求进行分析处理。 5 东南大学硕士学位论文 第二章汽车制动试验台的总体设计 2 1 单片微型计算机系统 在反力滚筒式制动试验台中，单片机的控制是非常重要的。而且现在国内外很多汽车智能检测 仪表中。单片微型计算机也经常被用到。单片计算机( s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r 或o n e - c h i p m i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，它是在一块芯片上集成中央处理部件( c p u ) 、存贮器( r a m 、r o m 或e p r o m ) 和各种输人输出接口( 定时器，计数器、并行i o 或串行i o 以及a d 转换接口等) ，这 就构成了一台计算机的基本组成。由于它常常是针对工业控制以及与控制有关的数据处理而设计的， 因而又称为微控制器( m i c r o - c o n t r o l l e r ) 单片机按其c p u 的字长，可以分为1 位机、4 位机、8 位机和1 6 位机，但被工业界广泛接受的 微控制器通常是8 位和1 6 位机，而目前应用最广泛的即是8 位单片机。 单片机有以下几个特点： l 、片内的r a m 采用寄存器结构形式，这样可提高随机存取速度； 2 、指令采用紧凑格式，尽可能以单字节的形式出现，如i n t e l 公司的r c s 4 8 的7 0 指令仅为 一个字节，且5 0 以上的指令为单周期指令； 3 、片内有完善的输入，输出部件。 根据这些持点，仅有兼容型的芯片还称不上是真正的单片机，它仅仅是把原有的微处理器系列 中几块芯片集中在一块芯片内。真正的单片机是指独立型结构的微处理器，这类单片机因而也称为 微控制器。单片机的工艺多数采用n m o s ，目前正转向c m o s ，这就增强了单片机的应用活力。片 内的r a m 从早期的“字节增大到2 5 6 字节以上，片内的r o m 也越来越大，已达到8 k 字节。r o m 的形式也多样化，可为片内掩模式r o m 或e p r o m ，也可外接e p i 的m 方式，有的单片机还采用 d i 黯y b a c k 形式( 芯片背上带有e p r o m 的插座) ，这实际上是把片内e p r o m 与外接e p r o m 的形 式结合起来，使应用更为方便。片内的输入，输出部件的功能也越来越强，从早期的只带并行i o 口 发展到可带有串行i o 和a d 转换等接口。在1 6 位单片机开始引入了通道的概念 在芯片的结构上，各公司开始采用由t l 公司提出的“条状芯片”s c a t 结构( s t r i p c h i p a r c h i l c t i o r c ) 、控制单元、寄存器存贮器和i o 口都为独立的条状硅片模块，然后再按用户要求封装 在一块芯片内，这样很容易地设计出各种专用单片机。这种结构首先在t l 公司的t m s 7 0 0 0 单片机 实施，并取得较好结果i l “。 m c s 5 1 系列单片机是单片机中应用最广泛的一种。如图2 - i 所示为m c s 5 1 单片机的引脚及总 线结构图。单片机的管脚除了电源，复位、时钟接入、用户i o 口外，其余管脚都是为了实现系统 扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即：地址总线( a 1 1 ) ，地址总线宽度为1 6 位，因此其 外部存贮器直接寻址为6 4 k 字节，1 6 位地址总线由po 口经地址锁存器提供高8 位地址( a 8 - a 1 5 ) i 数据总线( 朋) ，数据总线宽度为8 位，由p o 口提供；控制总线( c b ) ，由p ，口的第二功能状态和 4 根独立控制线r e s e t 、e a 、a l e 、p s e n 组成。m c s - 5 1 系列单片机内结构如图2 - 2 所示，它由6 个部件组成，即微处理器( c p u ) 、数据存贮器( r a m ) 、程序存贮器( r o m e p r o m ) 、i o 口( p o 口、p l 口、p 2 口、p 3 口) 、串行口、定时器( s f r ) ，它们都是通过片内单一总线连接而成。其基本 结构依然是通过c p u 加上外围芯片的结构模式。但在功能单元的控制上却有了重大变化，采用了特 殊功能寄存器( s f r ) 的集中式控制方法。 6 第一二章汽车制动试验台的总体设计 v 渖0 8 0 5 1 i 3 4 ； j并 笱 7弘 i2 3 92 2 d2 1 p ” k p l ，p u p p u p p n k p u 鲫l 菲 8 7 5 1p “ 3 l 气， p 崔 k p a l e k i w 口目 k v - t 尊 缱 ) 篁 挂 图2 - 1 - c s - 5 1 系列单片机引脚及总线结构 ( a ) 管脚图；( b ) 引脚功能分类 m c s - 5 1 系列单片是在m c s - 4 8 基础上，推出的高档单片机和m c s - 4 8 相比，无论是在片内 r a m 容量、f o 功能、种类和数量，还是系统扩展能力、中断系统和c p u 处理能力方面，都得到 大大的加强，尤其是增加了布尔逻辑处理功能和串行通讯口，这对构成分布式微机控制检测系统的 下位机特别适合。此外m c s - 5 1 价格低廉，有较高的性能价格比，非常适应在我国汽车检测设备中 推广【1 3 j 。 图2 - 2m c s - 5 1 系列单片机内部结构简化框图 2 2 制动性能的评价 汽车行驶时，能在短距离内迅速停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速，以 及在坡道上长时间保持停驻的能力称为汽车的制动性。汽车制动性能直接关系着汽车的行车安全。 只有在保证行车安全的前提下才能充分发挥汽车的其他使用性能，诸如提高汽车车速、汽车的机动 7 、，、，-j 帆；!ij 东南大学硕上学位论文 性能等。汽车的制动性不仅取决于制动系的性能，还与汽车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的 附着条件以及与制动操作有关的人体工程特性有密切关系。汽车制动性主要由制动效能、制动抗热 衰退性和制动时汽车的方向稳定性三个方面来评价。 在良好的路面上，制动效能是汽车制动性能的首要考虑的因素，是最基本的评价指标。制动效 能的恒定性是用来评定汽车连续制动的能力，因为连续制动中会产生很大的热量，所以我们必须考 虑在高温情况下汽车的制动能力。此外，汽车涉水行驶，制动器还存在水衰退问题必须加以考虑。 制动时汽车的方向稳定性是评定汽车制动时能安给定路线行驶的能力。 2 2 1 制动效能 制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力，是制动性能最基本的评价指标。它是由 制动减速度和制动距离来评定。影响汽制动距离和制动减速度的因素有： l 、作用在制动踏板上里的力。作用在制动踏板上的力越大，制动的减速度就越大，则制动距 离就越短； 2 、路面条件和天气情况。路面条件主要是决定附着系数，系数越大，制动减速度越大，制动 距离越短，天气主要是影响空气湿度和路面的附水层，湿度越大则制动减速度越小，制动距离越长； 3 、制动器的热状况。衡量制动器热状况的指标是热衰退性，我国规定的是以一定车速连续制 动1 5 次。每次制动强度为3 m s 2 ，最后的制动效能应不低于冷制动时的6 0 。所以热衰退性好，则 制动减速度大，制动距离短； 4 、制动初速度。其只影响制动的距离，初速度越大，制动距离越长； 5 、驾驶员的反映时间。就是驾驶员判断需要知道到脚踩到制动踏板的时间，反映时间越长， 制动距离越长，而其只影响制动距离： 6 、制动器的作用时间因为制动器是由回位弹簧拉紧，蹄片与制动鼓间有间隙，所以要克服 这些之后才是真正的制动开始时间，所以制动器的作用时间越长，制动距离越长，但也不影响制动 减速度。 2 2 2 制动效能的恒定性，即抗热衰退性能 抗热衰退是指汽车高速行驶或下坡连续制动时受热影响后能保持制动性能的程度。影响汽制动 效能恒定性的因素： ( 1 ) 摩擦副的材料。这是影响制动效能的最主要因素； ( 2 ) 制动器的结构形式。一般来说，白增力的比无增力的效能好，上领蹄的比领从蹄的好； ( 3 ) 制动时间尽量避免长时间制动，制动时间过长会使抗热衰退性能下降； ( 4 ) 制动器的热容量和散热容积。热容量和散热面积越大，制动恒定性越好。 2 2 3 制动时汽车的方向稳定性 制动时汽车的方向稳定性，即汽车不发生跑偏，侧滑以及失去转向能力的性能。 汽车方向稳定性包括三个方面：制动跑偏，后轴侧滑，前轴转向能力的丧失。一般制动过程中 维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力称汽车制动时的方向稳定性。汽车试验中常规定一定宽度的 的试验通道，试验合格的车辆在试验中不允许产生不可控的效应使它离开这条通道。 ( 1 ) 汽车跑偏。其原因有两个：一个是左右两车轮的制动力不相等，一个是悬架导向杆和转向 系拉杆的运动干涉。前者是由于制造，调整误差造成，后者是由于设计造成，且后者总是造成向右 跑偏。 ( 2 ) 后轴侧滑。其原因是制动时后轴车轮比前轴的先抱死拖滑造成，汽车处于极危险的状态 8 第二章汽车制动试验台的总体设计 若能使制动是前轮先抱死或同时抱死就能防止后轴侧滑。现在的一些电子设备，如a b s ，电子制动 力分配系统，都是用来控制车轮抱死的装置，对汽车制动安全性的提高有很大帮助。 ( 3 ) 前轴丧失转向能力。其原因是前轮先抱死，而后轮滑动。这是即使转动方向盘也不能是汽 车转向，汽车继续以直线行驶，而相比后轮先抱死的情况，由于车身离心力作用，汽车处于相对稳 定的状态”q 。 2 3 反力式滚筒制动试验台的功能要求 反力滚筒式制动试验台是检测汽车安全性能的主要设备，由于影响测量的因素多，制动性能测 试项目也多，因此试验台结构比较复杂，对试验台的安装调试、标定和维护等的技术水平也较高。 以下是制动试验台测试的几个基本要求。 2 3 1 制动力测试 制动力测试是制动试验台的主要功能，要准确地反映出车轮的制动力，它不是只简单地对传感 信号数字化和量纲变化的问题。制动力测试的过程是滚筒受到制动反力后，通过减速机构将力传递 给传感器，传感器便输出和制动力大小正比的电信号。此电信号经放大器放大后，由a d 转换器变 换数字信号，然后由微处理机对采样来的数字信号进行分析，去伪存真，并找出稳定的最大制动力， 并将其记录 2 3 2 拖滞力测试 拖滞力是指汽车测量制动力时，制动踏板末踏时，由于制动蹄片未完全脱离制动，或者车辆传 动系统的阻滞力对制动试验台滚筒造成的反力拖滞力大，影响汽车的经济性，造成燃油消耗增加 和加剧机械磨损 2 3 3 防轮胎剥伤 在反力式制动台测量制动力时，如果制动力增长到最大值后，电机不及时停止，滚筒将可能对轮 胎局部剥离。造成轮胎损伤对于滚筒转速较高的试验台，损伤相更加严重，因此制动试验台必须 设置防剥自停功能。在制动力达到稳定值后及时关闭电机使滚筒停止转动。 2 3 4 制动协调时间测量 根据g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 的规定，制动协调时间是指在紧急制动时从踏板开始动作至制动力达到规定 值的时问。制动协调时间过长时，将使制动距离增大，因此一个完备的智能检测系统也应该设置协 调时间测量功能。 2 3 5 测量结果判定 制动试验台整个制动时间很短只有几秒钟的时间，但是制动力、转速等参数变化非常迅速，因此 必须通过数据采集系统把数据传送到上位机，以便于对数据进行分析处理。 9 东南大学硕士学位论文 2 4 制动试验台的总体方案设计 如图2 - 3 所示为反力滚筒式制动试验台的系统结构圈，检测开始前，传感器把轴重数据采集到 单片机，并通过数码管显示，以确定是否可以开始检测，检测时，传感器把采集到的信号通过放大 调理电路进行处理，通过a d 转换传送到单片机，单片机根据采集到的信号控制电机的起动与停止， 同时。把数据传送到上位机，进行下一步的处理与分析整个系统由数据采集、数据处理和数据输 出三大部分组成【1 6 1 。 2 4 1 数据采集 图2 - 3 反力滚筒武制动试验台系统结构图 数据采集也就是通过传感器把需要采集的非电量参数转化成电信号传送给单片机数据采集是 试验台工作的灏信号，没有输入信号，试验台的功能也就失去了意义，试验台的工作是否准确、可 靠，在很大程度上取决于输入信号是否准确、可靠当试验台出现故障时，应首先检查输入信号是 否正常，试验台的输入信号比较多，更应该特别注意。 压力传感器信号是制动试验台的基本输入信号，传感器经屏蔽信号线传送到信号放大系统后， 把放大后的信号送入单片机a 巾模块。这样可以提高信噪比。压力传感器的供电，应采用稳定度高 于0 1 的稳压电源，其交流成分应当尽量小。由于传感器包括有制动力测量，轴重测量以及转速测 量，以后还可扩展至其他参数测量，所以a 仍芯片应选择多路输入方式时，使传感器信号轮流送入 a d 转换器进行采样。根据制动台的结构不同。同时由于不同传感器的输出幅值不同，应注意调整 放大器的放大量 脚踏开关信号是用来测量制动协调时间的。脚开关可以放置于制动器踏板上，当实验员踩下制 动踏板时，给出开关量信号，并送至单片机系统作为协调时间的计时开始【1 7 1 。 2 4 2 数据处理 信号处理是由单片计算机，a d 转换器等构成。当主控机查询到滚筒电机启动情号后，则控制 多路开关送入力传感器信号，并启动a d 转换器进行采样，由于制动过程很短，一般2 3 秒即可完 成，而且信号变化幅度大，所以采样时间要求很快。为了不失真的反映出制动力增长情况的变化， 要求几个毫秒就要采样一点，存入单片机内的数据部存贮器，故一般的积分式a d 转换器己不能满 足要求，应采用逐次逼近式a d 转换器。根据测量精度的要求，选用a d c 0 8 0 9 型8 位8 通道转换 1 0 第二章汽车制动试验台的总体设计 器。经过a d 转换器得到数字量。 如果需要测量制动协调时间时，可在测制动力之前。把脚踏开关置于制动踏板之上，当单片机 接收到脚开关信号时，使定时器t l 中断，计数器开始计时，直到制动力达到轴重6 0 ，计数停止， 然后把所计的数值转换为单位时间值。 在数据采集过程中，单片机还需要根据制动力变化的情况，决定是否停止电机申请通讯等【“ 2 4 3 数据输出 制动力测晕是制动试验台的基本要求。由于是教学用试验台，而不是生产检测，为了保证数据 的准确性，所采集到的数据