（物理电子学专业论文）汽车刹车制动毂疲劳试验机的设计.pdf

摘要 针对国内汽车生产厂家的需求，本文就新型汽车刹车制动毂疲劳试 验机的软硬件设计及工作原理进行论述。 新型汽车刹车制动毂疲劳试验机采用电磁激励方式，应用机械系统 共振的原理进行刹车制动毂疲劳试验。系统由检测电路、功率驱动电路 与单片机控制及辅助电路三大部分电路一同协同工作，组成本系统的硬 件电路：软件设置自动检测驱动模式、手动固有频率检测模式、手动驱 动模式、测览模式、故降报警模式五种工作模式。整个系统软硬件紧密 配合形成功能完善的、高效的，高可靠性的新一代汽车刹车制动毂疲劳 试验机系统。系统控制手段灵活，疲劳试验可靠，测试准确性高。具有 国内领先水平和广泛的市场应用前号。 关键词：刹车制动毂疲劳试验共振电磁铁 a b s t r a c t f o rm a t c h i n gt h ed e m a n do fl o c a lc a r m a k e r s ，i t i sd i s c u s s e d i nt h i sp a p e rt h a tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i n ga n d t h e p r i n c i p l eo ft h en e wt y p eb r a k eh u bf a t i g u et e s t i n gd e v i c eo fc a r a c c o r d i n gt h ep r i n c i p l eo fs y m p a t h e t i cv i b r a t i o 几t h e 九e wt y p e b r a k eh u bf a t i g u et e s t i n gd e v i c eh a s t h ef a t i g u et e s t i n gb yt h e w a yo fe l e c t r o m a g n e t i cp r o m p t i n g t h eh a r d a r ei sc o m p o s e do f t e s t i n gc i r c u i t 、p o w e rd r i v e rc i r c u i t 、s i n g l e c h i dc o n t r 0 1a n d a s s i s t a n tc i r c u i t ，a l lp a r t sc o o p e r a t ee a c ho t h e r f i v em o d e s c a nb es e ti ns o f t w a r eo ft h ed e v i c e t h e ya r et h em o d eo fa u t o t e s t i n ga n dd r i v em o d e ，m a n u a lm o d eo ft h ep r o p e rf r e q u e n c y t e s t i n g ，m a n u a ld r i v em o d e ，b r o w s em o d e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e w o r ki nt h ew h o l es y s t e ma n df o r mt h en e wt y p eb r a k eh u bf a t i g u e t e s t i n gd e v i c eo fc a rs y s t e m t h ec o n t r o lm e t h o do ft h i ss y s t e m i sf f 【u l t i p l i c i t y ，t h ef a t i g u et e s t i n gi sd e p e n d a b l e ，t h ea c c u r a c y o ft e s t i n gish i g h t h en e wt y p eb r a k eh u bf a t i g u et e s t i n gd e v i c e o fc a rh a sl e a d i n gl e v e li nt h ed o m e s t i ca n de x t e 兀s i v em a r k e t k e yw o r d s ：b r a k eh u b f a t i g u et e s ts y m p a t h e t i cv b r a t i o n e l 。cc r o m a g n e t 第一章引言 随着社会经济的发展，人民的生活水平日益提高，伴随着中国进入 w t o 的步伐，中国的汽车产业得到了空前迅速的发展，汽车进入家庭 成为人们的代步工具已经成为目前社会经济发展的热门话题。汽车的安 全性能更加为普通消费者所关注。一直以来从事汽车制造业的生产厂商 都以保证汽车的安全性作为汽车产业健康发展的第一要务，为了保证汽 车安全行驶，在汽车制造业的生产过程中需要对车辆上各种配件的可靠 性、安全性进行严格的检测。刹车制动毂是利车制动系统中的关键部件 之一，它在汽车刹车制动过程中受振动和冲击最严重，可以说刹车制动 毂的可靠性是关系到交通安全的重要因素之一，因此对它的可靠性检测 就显得更为重要。 从事汽车刹车制动毂可靠性检测的机器称为汽车刹车制动毂疲劳 试验机。汽车刹车制动毂疲劳试验机的检测效率和准确性是疲劳试验机 的关键指标。如何提高汽车刹车制动毂的检测效率及准确性，这一问题 一直都是从事汽车产业的各大厂家及科技人员重点研究的课题之一。 传统的检测方法是将刹车制动毂侧向固定在一个转动的机械装置 上，施力杆一端水平方向插入制动毂的中心孔内，另一端施加一重物， 当制动毂随机械系统转动时，重物通过施力杆将产生的力矩作用在刹车 制动毂上，并随着转动不断改变施力点。经过5 万次动作后，通过测定 转数，可以判断制动毂有无产生裂纹等损伤。如果测定转数在允许测定 范围内，则再做5 万次动作然后测定转数，直至5o 万次动作结束后。 如果转数仍在允许测定范围内，别认为待测刹车制动毁经过5o 万次疲 劳试验合格；如果测定转数不在允许测定范围内，则认为待测刹车制动 毂疫劳试验不合格，并终止对待测刹车制动毂的疲劳试验。这种方法最 大的问题是：l 、检测效率低( 捡测一只刹车制动毂需十几小时) ：2 、 自动化程度不高，需要大量的人工介入，从而增加了人为误差产生的可 能性；3 、测试数据无法自动记录并输出、抽样测试统计结果需要人工 方式进行。这些都极大的制约了汽车刹车制动毂疲劳试验机检测效率和 准确性的提高。 目前，一种新型的j 气车刹车制动毂疲劳试验机设计思想正逐渐形 成。这种设计思想是利用共振的原理通过电磁激励的方式，在待测刹车 制动毂机械系统上施以与该机械系统国有频率同频的力矩，用以完成疲 劳试验过程。同时配传感装置，微处理器等检测控制单元，从而组成 完整的自动控制系统：这种新型的汽车刹车制动毂疲劳试验机可以大走 地提高汽车刹车制动毂的检测效率和检测可靠性。目前这种类型的汽车 刹车制动毂疲劳试验机系统，仅在工业发达国家如德国、巴西等少数国 家有应用报道在国内还处在研究阶段。可以说，这种电磁激励的汽车 刹车制动毂疲劳试验机在技术上具有国际领先水平。 根据国内汽车生产厂家的需求，我们在新型汽车刹车制动毂疲劳试 验机的研制开发方面进行了有益的探索，通过借鉴国外成功经验，采用 全新的设计思想，成功地研制出我国第一台电磁激励、智能化程度高、 高可靠性的汽车刹车制动毂疲劳试验机。其中电控部分全部由长春理工 大学电子技术研究所研制开发，机械部分与长春光机所合作开发。 该机采用单片机控制电控系统工作，通过检测装置对待测汽车刹车 制动毂机械系统的固有频率进行检测( 经过测定其机械系统固有频率一 般为3 5 5 5 h z ) ，并由单片机系统按其固有频率通过功率驱电路向疲劳 试验机的电磁系统提供每秒3 5 5 5 次电磁激励，并将其转化为驱动力 矩作用于待测汽车刹车制动毂机械系统上，使待测汽车刹车制动毂机械 系统产生同频谐振，以达到使刹车制动毂疲劳试验处于最优试验条件。 当进行到5 万次电磁激励驱动后，重新对待测汽车刹车制动毂机械系统 进行固有频率检测，并将新测得的固有频率值与刹车制动毂机械系统的 原始固有频率( 未作疲劳试验之前固有频率) 进行比较，如果绝对误差 在允许范围内，则认为待测刹车制动毂未损坏。然后，再进行5 万次电 磁激励驱动，并做出是否损坏的判断。直至5 0 万次电磁激励后，如果 检测频率与固有频率之差的绝对误差仍在允许范围内，则认为待测汽车 刹车制动毂5o 万次疲劳试验合格，结束本次疲劳试验。如果在疲劳试 验过程中任意一次检测频率与固有频率之差的绝对误差超出允许范围， 则认为待测汽车刹车制动毂疲劳试验不合格，终止本次疲劳试验。通过 这种方法测试一只刹车制动毂所需的时间可以缩短到3 小时以内，测试 中施力频率大小可调；由于采用共振原理使疲劳试验对驱动力矩的大小 要求进一步降低；系统可以自动判别产品是否合格；检测数据可以自动 记录并打印输出；产品抽样测试结果可以自动统计并打印输出。综上所 述，本设计为汽车产业提供了一台性能良好的汽车刹车制动毂疲劳试验 机。具有国内领先水平及广泛的市场应用前景。 本文所论述的内容是新型汽车刹车制动毂疲劳试验机的软、硬件设 计思想及工作原理。固本人能力有限难免有偏颇之处，请各位专家、读 者给予指正，以便进一步完善、提高设计。 第二章总体方案设计 众所周知，任何机械系统都有其固有振动频率，如果对这一机械系 统施加与其固有频率同频的外力，则这一机械系统会产生最大的振幅， 同时对此机械系统会造成最大限度的损害。因此，在一般机械系统设计 时，同频谐振是妊须想办法避免的。但我们所设计的汽车刹车制动毂疲 劳试验机系统恰恰应用了这一原理。通过汽车刹车制动毂疲劳试验机的 检测单元对待测刹车制动毂机械系统的固有频率进行检测，然后通过疲 劳试验机的电磁激励驱动电路为待测刹车制动毂机械系统提供与其固 有频率同频的驱动力矩作用，并在此条件下进行疲劳试验，以期达到为 待测刹车制动毂机械乐统提供最大破坏效果的目的。采用这种方法的另 一个突出优点是，由于施加了与待测机械系统固有频率同频的外力进行 破坏性试验，无疑会大大降低对外加驱动力大小的要求，并且可以有效 地提高系统的测试能力和效率。 汽车刹车制动毂疲劳试验机系统的工作原理如下： 将汽车刹车制动毂固定在稳定的试验台支撑架上，通过一根钢制 m 5 0 m m 左右的施力杆下端垂直插入刹车制动毂的中心孔中，并实现紧 配合。杆的上端两侧各安装一个由硅钢片压制而成的衔铁，两衔铁的外 电磁铁电磁铁 图2 1 汽车刹车制动毂疲劳试验机机械系统结构示意图 侧各安置一个电磁铁。其机械系统结构示意图如图2 1 所示。 如图2 1 制成的汽车刹车制动毂疲劳试验机械系统的固有频率经 检测一般在3 5 5 5 h z 之间。因此对电磁铁装置施加与汽车刹车制动毂 机械系统固有频率同频( 即每秒3 5 5 5 个脉冲) 的电磁激励时，通过衔 铁的牵引，施力杆会产生最大的振动振幅，刹车制动毂机械系统会受到 最大的破坏力矩的作用，对刹车制动毂造成最大的破坏，达到最优疲劳 试验条件。 汽车刹车制动毂疲劳试验机电控系统具体的工作过程如下：首先对 某一个电磁铁加一个单次电压激励脉冲，在电磁力作用下衔铁受到牵 引，并通过施力杆的传递作用，为刹车制动毂施加一力矩，随后施力杆 产生一个在其固有频率下的衰减振荡。固定在施力杆两侧的四个应雯片 构成测力电桥，检测出振动振幅信号，经放大处理后，可检测出振动的 固有频率。然后，电控系统按测得的频率为a 、b 两电磁铁提供相位相 差为1 8 0 度的电压脉冲，机械系统在电磁力的作用下产生振荡，此时外 力频率与其固有频率相等，刹车制动毂被施加很大的力矩进行破坏性测 试。当进行了系统工作参数设定的激励次数后( 系统默认为5 万次) ， 电磁激励停止，并再一次对此机械系统进行固有频率检测，若新测得的 固有频率与原始固有频率( 未进行疲劳试验前固有频率检测结果) 的绝 对误差未超出允许范围，则认为刹车制动毂没有发生损坏；如果新测得 的固有频率与原始固有频率之差超过规定的限度，则认为待测刹车制动 毂已损坏，终止本次疲劳试验。如果判断待测刹车制动毂未损坏，则继 续上述试验过程，直到满足合格测试的最大要求激励次数( 系统默认为 5 0 万次) 。如果其固有频率检测结果与原始固有频率绝对误差仍然在允 许范围之内，则认为被测试刹车制动毂通过5 0 万次疲劳试验测试合格。 在每次固定次数疲劳试验结束后，都要进行固有频率检测结果与原始固 有频率的比较工作，以资判断待测刹车制动毂是否已经损坏：通过系统 提供的显示、打印、报警、存储单元对疲劳试验结果进行必要的信息显 示、打印输出疲劳试验结果、报警指示及存储保存工作参数等操作。 该汽车刹车制动毂疲劳试验机系统支持多个抽样产品的疲劳试验 结果自动统计功能，例如对一组共1 0 0 个抽样产品进行疲劳试验，通过 疲劳试验机的系统软件与外部数据存储器单元相配合即可完成对疲劳 试验结果的自动统计功能。统计信息包括测试抽样产品数量、合格产品 数量、不合格产品数量、抽样产品合格率，以上统计信息在系统工作过 程中会实时在液晶显示屏上更新显示。统计信息初始值在进行系统工作 参数设定时写入，完成每一次单件抽样产品疲劳试验后修改，完成全部 抽样产品的疲劳试验后通过打印机输出。 2 1 系统设计要求 1 、驱动电脉冲频率f 可调，在3 5 5 5 h z 范围内。 2 、驱动电磁铁在电流激励下要求产生2 0 0 公斤左右的牵引力，且大小 可调。 3 、测控系统工作参数如单组驱动次数、循环驱动次数、频率检测阈度 等，可以根据需要自行设定调整。根据驱动频率检测结果，系统可以自 行调整驱动频率。 4 、系统应提供完善的自动控制功能，自动控制方式要求：自动测试过 程无需人工干预；系统界面清晰、明快，便于对测试过程进行设置及监 控；测试结果数据可以打印输出；可以自动统计抽样产品测试结果并打 印输出。 2 2 系统设计框图 信信 | | 一鼍未 传检 寸口 1 可 感翟 _ - 放 l _ 卜 处 - 什 尢理 一薪翌 器路 电电 路路 1 l 单 片 机 一l 嚣 控 电磁铁1 世 功变 功 l 制 盎 核 率换驱 j 心存储 电磁铁2 l 井电 一 动 一及其 。肌 关路电 l _ 它控 丑各 制电 路 图2 2 汽车刹车制动毂疲劳试验机系统设计框图 根据汽车刹车制动毂疲劳试验机机械系统设计及电控系统设计要 求，我们所设计的汽车刹车制动毂疲劳试验机电控系统是以单片机为控 制核心，通过单片机对系统的工作进行控制，系统的组成主要包括以下 3 大部分，如图2 2 虚线所示分别是：( 1 ) 信号检测电路：( 2 ) 电磁铁功率 驱动电路：( 3 ) 单片机及外围电路。 信号检测电路主要包括三个部分：传感器检测电路、信号放大电路、 信号处理电路。传感器检测电路用于检测传感器的变化，通过其可以完 成非电信号到电信号的转换；信号放大电路用于对经传感器检测电路所 得的小信号进行放大，以便为后续电路提供可供处理的合理幅值的不失 真信号；信号处理电路是对经检测放大后的信号进行整形、滤波处理， 得到t t l 电平的固有频率信号，送到单片机i o 口用于单片机对固有频 率的检测。 电磁铁功率驱动电路主要包括三个部分：功率驱动电路、功率开关 变换电路、电磁铁。功率驱动电路用于将由单片机发出的t t l 电平驱 动电脉冲转换为可以驱动功率晶体管工作的电脉冲，并以此驱动功率晶 体管工作；功率开关变换电路的功能是将驱动脉冲转变为控制电磁铁电 磁线圈得电、失电的电开关信号，实现对电磁铁的控制，同时提供低阻 抗放电回路，避免电磁线圈关断时过大的反电势造成外围电路损坏：电 磁铁可以实现机电能量的转化，即通过电磁铁可以将电磁激励转变为疲 劳试验驱动力矩。 单片机及外围电路包括：单片机控制核心、显示电路、打印输出控 制电路、故障及报警电路、存储及其它控制电路。单片机控制核心用于 实现单片机对整个系统的检测、驱动、显示，打印输出、信息存储等多 种功能电路的控制；显示电路用于系统工作信息的显示；打印输出控制 电路用于对打印机进行接口控制；故障及报警电路用于对系统故障进行 报警；存储及其它控制电路完成系统信息存储及其它电路控制辅助功 能。 信号检测电路、电磁铁功率驱动电路、单片机及外围电路三大功能 电路协同工作，构成了功能完善的、高效的、高可靠性的新一代汽车刹 车制动毂疲劳试验机系统； 第三章机械系统共振原理 新型汽丰刹车制动毂疲劳试验机的基本工作原理是利用机械系统 共振原理，通过产生与待测刹车制动毂机械系统固有频率同频的电磁激 励脉冲驱动电磁铁，从而产生与其固有频率同频的驱动力矩，引起待测 刹车制动毂机械系统在驱动力矩作用下产生共振，以达到在最优疲劳试 验条件下测试待测刹车制动毂的目的。 下面就机械系统共振的基本原理论述如下。 一切物质一固体、液体、气体一一都能振动。一台常用的机械有 许多运动部件，每个部件都是潜在的振源或冲击激励源。 振动或振荡通常可以分戍三类：( 1 ) 瞬态的；( 2 ) 稳态的：( 3 ) 随 机的。瞬态振动是衰减的，而且通常与不规则的振动有关；稳态振动常 和机器的连续运转有关，而且这种振动虽然是周期的，但不一定是谐振 或正弦振动。由于振动需要有产生振动的能量，并且产生能量耗散，以 致振动会降低机器或机械的效率。能量耗散有多种途径，譬如摩擦，由 摩擦产生的热传至周围；又如声波、噪声、应力波，通过机座和基础传 递出去。所以稳态振动总是需要有不断的能量输人，借以维持其振动： 随机振动指非周期振动，这种振动没有周期i 生的主要成分在内。 1 7 】 振动可以由某些初始条件或时间等于零时的扰动产生。如果零时刻 以后就无扰动或激振作用，则系统的振荡运动称为自由振动。故自由振 动表征系统振动的固有性质或固有模态。初始条件是一种能量输入，是 由起始时储入系统的能量而引起的。 振动还可以在外力激励( 或外施振荡) 下产生，该外力通常是时间的 函数，这种系统振荡运动称为强迫振动。强迫振动的频率就是激振力或 外施力的频率，亦即强迫振动的频率是同系统自振频率无关的一个任意 量。 实际上，每一个物体或系统都会在某种初始扰动之后按照自己本身 的特性而自由振动。机械振动或为稳定谐振力( 亦即在强迫振动情况) 引起的激振，或为初始扰动之后除了重力之外而没有外力下的振动( 即 自由振动情况) 。 共振是产生最大振幅的条件。当外施力的频率同系统的自振频率吻 合或接近时，系统即发生共振。在这种临界条件下，共振的机械系统会 产生大振幅和高应力。因此，对于一般的机械系统设计共振是妊须避免 的。但我们所设计的刹车制动毂疲劳试验机确恰恰利用了共振原理，由 于共振的机械系统会产生大振幅和高应力，因此对疲劳试验的驱动力矩 要求有一定程度的降低，同时效率显著提高。 如果系统中不存在阻尼，就没有能量耗散。初始条件使系统振动， 无阻尼系统的自由振动将不会随时问增长而消失。如果系统中有阻尼存 在，阻尼器就会消耗能量，而自由运动最后将会停止，系统将保持在静 平衡位置。因为所储能量决定于初始条件，故从初始状态渐趋为静止平 衡状态的自由振动同样能表征系统的固有性质。【l 副因此，根据这一原理， 我们设计汽车刹车制动毂疲劳试验机的刹车制动毂机械系统固有频率 检测，采用由单片机发出一个驱动脉冲，在电磁系统作用下产生一个固 定宽度的电磁激励脉冲，使得刹车制动毂机械系统产生一个在其固有频 率下的衰减振荡，通过对其振动振幅进行检测，即可得到刹车制动毂机 械系统的固有频率值。 由于阻尼存在会使自由振动幅值随时间而递减。如果要使振动持续 下去，由于阻尼而耗散的能量就一定要由外部的能源来补偿。基于这一 理论，汽车刹车制动毂疲劳试验机在驱动疲劳试验时要求电磁激励系统 产生周期性驱动力矩用以补偿疲劳试验系统共振过程因阻尼耗散的能 量，从而保证疲劳试验的顺利进行。 第四章电控系统设计 根据汽车刹车制动毂疲劳试验机系统总体设计，整个电控系统包 括：( 1 ) 信号检测电路：( 2 ) 电磁铁功率驱动电路；( 3 ) 单片机及外围电路， 三大组成部分。三大功能电路协同工作，构成了汽车刹车制动毂疲劳试 验机电控系统。 下面就各部分电路的具体设计及工作原理进行详细的论述。 4 1 信号检测电路设计 现代控制系统的信号检测主要包括传感器、信号放大电路、整形滤 波电路、模数转换电路几大部分组成，由于具体的被测量及使用的传感 器不同，信号检测及处理电路会有所不同。本系统的信号检测电路是对 汽车刹车制动毂的固有频率进行检测，本系统的信号检测电路主要包 括：传感器检测电路、信号放大电路、信号处理电路( 即整形电路) 三 个部分。 传感器检测电路主要根据待测的物理量选择合适的传感器，并针对 所选择的传感器设计相应的信号检测电路，完成对敏感信号的采集任 务；信号放大电路用于对由传感器检测电路所得的小信号进行放大处 理，处理后的信号用于后序电路进一步处理；信号处理电路是对经信号 放大电路放大后的信号进行整形滤波处理，祛除信号中的干扰成分将 信号处理为比较干净的不失真信号用于模数转换器输入或处理为标准 t t l 电平信号直接用于与数字电路或单片机端口连接，完戍触发或频率 检测等任务，本系统采用后者用于频率检测。 4 1 1 传感器的选择及工作原理 本系统需要检测的物理量是待测刹车制动毂机械系统的固有频率。 而固有频率的检测是通过单片机产生单次驱动脉冲，经驱动电路激励电 磁系统，由电磁系统产生驱动力矩并作用于施力杆，此后包括施力杆在 内的制动毂疲劳试验装置产生在其机械系统固有频率下的衰减振荡，通 过传感器对袁减振荡的振幅进行检测，经过传感器检测电路即可得到衰 减振荡的周期波形。基于上述分析，衰减振荡过程中施力杆产生形趸和 振动可以反映待测系统衰减振荡的振幅，并且施力杆便于实现对衰减振 荡的振幅检测，因此选择可以检测形变和振动的传感器实现对衰减振荡 振幅进行检测。 用于形变及振幅检测的传感器种类很多，例如电阻应变片、压电式 测力传感器、电容式仁枣器、 拇式传感器等等。基于本系统机械部分 的应用要求、实际测joi 度誊检测电路简易程度、成本体积等技术 经济指标综合考虑，在芦设计我们采用了以电阻应变片为主要组成部 分的应变式传感器，尹声声羁。2 jj 车制动毂机械系统衰减振荡的振幅检 测。 电阻应变片是一种o e 埒i 复测试件上的应变变化转换成电阻变化的 敏感元件。它是应变j t 仁感器tf o 主要组成部分。电阻应变片用途非常 广泛，它可以检测机j 。蔓器；的受力状态，如应力、振动、冲击、 响应速度、同步情况、，一，1“平衡力大小等等。使用时应变片可以 比较理想地粘贴在被。i 件的：一j l 立f 位。它也可以与弹胜元件制成专用 的力学传感器使用。 电阻应变片主要4 】t 叫；也亚变片和半导体应变片两大类。半导体 应变片主要用硅半兽，：。e 抖的、1 效应制作而成。与金属电阻应变片相 比，它的灵敏系数根j 。卜、1 ( j 2 0 0 ，但它的温度稳定性及重复性 方面不如金属电阻压蔓。十o ：属电阻应变片又分为金属丝应变片、 箔式应变片和薄膜式毫变片和。金属丝式应变片的敏感栅由直径 o 0 1 5 m m 0 0 5 m m 的金雇丝! ，扎戈栅状，是应用最早的应变片；金属 箔式应变片的敏感栅，_ j j ，岛纷! 色刻腐蚀成栅状，其具有横向效应小、 测量精度高、散热士予、i ，电 ，、测量灵敏度高及易于成批生产等多 方面优点；薄膜式应；矗1 采 ；空蒸发或真空沉积方法在薄的绝缘基 底上形成金属电阻材j ? 引羹以i ) 1 u m 以下) 作为敏感栅，其优点是 应变灵敏系数高允许t 叭j 暂族，易实现工业化生产，是一种新型的应 变片，但其在实际使月i 口三f 题是其电阻对温度和时间的变化关系 控制困难。因此，我m 嚣西训 吲了应用广泛且各方面工作特性优秀 的金属箔式应变片， ( 一) 金属电阳奄肇昔誓。乍原理 变形 应变效应。导体的电阻随着机械 效应。 ( 4 1 1 ) 式中：p 一电阻军h n n 、 s 一截面旁cl 、 l 一金属篓争誊焉 0 t。 当金属丝受外刀一i 二-一度和截面积都要发生变化，从而改变 了金属丝的电阻值。：，、j 一时，长度增加，截面积减小，电阻值 1 0 增加；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此， 只要能测出电阻的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为 r r = k n ( 4 1 2 ) 式中：r - 一金属丝电阻的变化量； 一金属材料的应变灵敏系数。( k o 主要由实验方法确定，且 在弹性极限内，基本上为常数值) ； 一金属材料的轴向应变值，即= l l ，因此又称为长度 应变值。 在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机 械零件的表面。当传感器中的弹性元件或机械零件受到作用力产生应变 时，电阻应变片便会感受到该变化，并随之产生应变。这时电阻应变片 便将力学量转换为电阻的变化输出。 ( 二) 金属电阻应变片的主要参数 ( 1 ) 敏感栅尺寸 应变片的敏感栅尺寸由敏感栅的基长和基宽组成。敏感栅的基长是 指敏感栅在纵轴方向上的长度。敏感栅基宽是指与应变片轴线相垂直的 方向上，应变片敏感栅外侧之间的距离。 ( 2 ) 初始电阻r 0 应变片的初始电阻r 0 是指应变片未粘贴前在室温下测得的静态电 阻值，常见的有6 0 、1 2 0 、2 0 0 、2 5 0 、6 0 0 乖1 0 0 0 q 等类型。 ( 3 ) 允许工作电流 电阻应变片的允许工作电流又称为最大工作电流，是指允许通过应 变片而不影响其工作特性的最大电流值。一般静态测量时的允许工作电 流为2 5 m a 左右，动态测量可以高一点。箔式电阻应变片的允许工作电 流比金属丝电阻应变片的允许工作电流要大许多。选取工作电流还应注 意被测构件的导热情况，对于导热好的被测构件，可以选得大一些；对 于不易导热的材料，要取得小一些。【3 】 ( 三) 本系统金属箔式电阻应变片选择 由于汽车刹车制动毂疲劳试验机工作于实验室或工厂的车间现场 室内，环境温度o 3 0 ，安装位置为钢制m 5 0 m m 左右施力杆上， 且施力杆为频繁振动工作条件下。根据以上分析并参照表4 1 1 列出的 常用的国产金属电阻应变片的技术参数。因此选择b j 1 2 0 箔式电阻应 变片用于待测刹车制动毂机械系统在其固有频率下的衰减振荡振幅检 狈4 。 表4 一卜1 常用的国产金属电阻应变片的技术参数。 敏感栅 阻值 灵敏系数敏感栅尺寸 型号 结构形式r ，( q ) k o( l b m f 【2 ) 8 1 20 圆角线栅1 1 8 2 l1 8x2 8 p z 1 7 图角线栅 l2 01 95 2 117 2 8 p 卜120圆角线栅l201 9 2 112 3 p j 一3 60 圆角线栅 3 6 02 0 2 11 1 1 1 p b 一5 箔式12 02 o 一2 25 3 b j 一12 0 箔式 1 2 02 o 一2 33 2 5 2 3 箔式 8 72 0 5 3 2 2 1 5 箔式 3 5 2 0 51 5 2 ( 四) 电阻应变片电桥电路设计 电阻应变片应用于力学测量时，需要 和电桥电路一起使用。应变电桥电路根据 供电电源是直流电源供电或者交流电源 供电可分为直流电桥或交流电桥。根据读 数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不 平衡电桥两种。 在实际的电阻应变片检测中：可根据 情况在电桥电路中使用单应变片法，双应 变片法和四应变片法。这四种应变电桥的 特性分析如下。如图4 1 1 应变电桥示意 图所示。 u o u t = u c d = u c b u d b = 王五 1 + g 2 蔫c 警一繁+ 等 图4 一卜1 应变电桥示意图 ( 4 1 3 ) 尺。( 4 - i 一4 ) j r 。 e ：一l f 盟+ 些1 + 旦r 些+ 些) ( 4 1 5 ) 月+ l r 。尺；h + i 。r ：尺， 其中：n = 鱼= 旦为应变电桥平衡条件 尺r 。 e 为应变电桥输出的非线性误差 固为刚 k f l 2 c m m r 3 成立，则式4 - 1 1 8 可近似为 式4 1 1 8 中，k f l 2 和c m r r l 2 为a l 和a 2 组成的前置级的理想闭环增益 和共模抑制比，c m r r 3 为a 3 组成的输出级的共模抑制比。 由式4 1 1 8 和式4 1 1 9 可以看出，为了提高整个应用电路的共模 抑制能力，除了设法提高前置级和输出级的共模抑制比c m r r 3 外，使 整个电路的增益主要由前置级承担，也是十分有利的。正如前述，这样 做会限制差动输入电压范围，故必须权衡利弊，全面考虑。一般应用中 差动运算放大器的主要问题是提高c m r r ，所以往往使输出级的增益取 低值( 注意，这对c m r r 3 不利，必须相应提高电阻匹配精度，才能保 证c m r r 3 不下降) ，前置级的增益取高值，把输入电压的工作范围放在 第二位考虑。 图4 1 3 的前置级是具有低漂移的电路结构，故a ，和a 2 以选用具 有场效应管输入级或超b 管输入级的运算放大器为最佳。电路的失调影 响将主要由输出级决定。整个应用电路折合到输入端的失调误差电压可 表示 式中u s r l 2 是前置级放大器折合到输入端的失调误差电压，由式 4 1 1 6 决定，u 。，3 是输出级放大器的失调影响折合到本级输入端的误差 电压。( 6 j 基于上述分析，对于直流全桥电路输出m v 级差动信号的放大电路 选择改进型的同相并联差动放大电路作为信号放大电路是合理的。 信号放大电路运算放大器选择o p 2 7 a 作为构成实际电路的运算放 大器。o p 2 7 a 是超低噪声、高精度集戍运算放大器，其具有如下特点： 低输入失调电压1 0 u v ：低温度漂移2 0 0 n v ；低输出阻抗( 输出电阻 7 0 q ) ；高增益( 6 0 0 i o o o ) ；高共模抑制比( 1 l o d b ) ；高输入阻抗( 共 模输入电阻3 g q ) ；高转换速率2 8 v u s ；低噪声3 8 n v 瓦( 1 k h z ) ； 最 大供电电源土2 2 v ；增益带宽积g b = 8 m h z 。由于本系统经传感器输出的 差动信号电压为m v 级，信号频率大致在2 0 h z 到6 0 h z 之间，且本系 统工作于实验室或测试工作间室内环境( 即o 4 0 ) ，因此采用 o p 2 7 a 在理论上可以满足设计精度要求。 实际信号放大电路选择了3 个d i p 8 封装的o p 2 7 a 组成运算放大电 路。运算放大器采用双电源士9 v 供电。经过对信号放大电路实际测试其 工作可以达到要求。 信号放大电路中运算放大电路参数选择如下： 如图4 1 3 所示，并根据式4 一l 1 7 选择放大器增益，如上述分析可 知通常第一级增益设计得大些，第二级小些，把提高第二级的共模抑制 比c m r r 放在首位，以提高整个放大器的共模抑制能力。因此r f o 取 1 0 0 k ，r f 取5 1 k ，r f 取l k ，以上各电阻均取l 8 w 电阻。电位器血w r w 采用1 0 k 多圈可调电位器，其具有对放大电路增益调节作用。由式 4 1 1 7 可得信号放大器理想闭环增益可调最大可达1 0 0 0 倍( 第一级放 大最大近2 0 0 倍，第二级放大5 倍) ，通过对电位器的调节保证运算放 大器电路放大输出电压最大幅值为6 v 左右，以满足后续电路处理需要。 输出波形如图4 1 6 波形示意图中v 2 所示。 4 1 3 信号处理电路设计 检测信号经过以上传感器电 路检测、信号放大电路的处理，在 a 3 运算放大器的输出端可以得到 最大幅值为6 v 左右的刹车制动毂 机械系统固有频率下的周期性衰 减信号，此信号不能直接送给单片 机进行处理，必须通过信号处理电 路整形后才能送给单片机。 翮高 巨型 图4 一卜4 信号处理电路 如图4 1 4 信号处理电路所示，信号放大电路输出的信号经电容c l 耦合送给a 4 ，a 4 是由专用比较器构成的过零比较器。将经过放大电路 处理后的信号与零电平比较，经过a 4 的处理在a 4 输出端得到与刹车 制动毂机械系统固有频率一致的t t l 电平脉冲序列，将此脉冲序列直 接送给单片机处理。即可得出待测汽车刹车制动毂机械系统的固有频 率。 过零比较器选用了专用比较器l m 2 9 3 n 。l m 2 9 3 n 工作电压范围 2 3 6 v 或l 土1 8 v ；低输出饱和电压2 5 0 m v f 4 n 认) ；低输入偏置电流 2 5 n a ；输入失调电压土1o m v ；输入电压可达3 6 v 。本系统中l m 2 9 3 n 采用+ 9 v 单电源供电。 信号处理电路中耦合电容c 1 采用2 2 u f 2 5 v 电容，r l 、r 2 为1 k ( 1 8 w ) 电阻。 完整的汽车刹车制动毂机械系统固有频率的检测电路如图4 1 5 所 示，参数选择请参照上面的分析说明部分。信号检测电路各单元电路输 出波形如图4 1 6 所示。 图4 一卜5 汽车刹车制动毂机械系统固有频率的检测电路示意全图 一t 一一一r _ r j1 、 、 r 、】扩、j l 一、ll 一、j1 。爿 ， - ，1m 卜。1 门rr 、7 t 图4 一卜6 信号检测电路波形示意图 9 4 2 电磁铁设计 电磁激励汽车刹车制动毂疲劳试验机中疲劳试验驱动力矩由电磁 机构提供，故电磁铁设计是本系统电控设计中关键问题之一。电磁铁设 计得是否合理将决定汽车刹车制动毂疲劳试验机的工作效率和可靠性。 电磁铁设计主要包括铁心及衔铁材料选择，电磁铁结构型式选择、 电磁线圈匝数及线径选择等多项技术指标的确定与选择。 电磁线圈是电磁铁主要组件之一，电磁铁的工作可靠与否，在相当 大程度上是由线圈结构型式和结构参数所决定。因此，电磁铁线圈设计 得是否合理，会直接影响到电磁铁的技术经济指标。 电磁线圈有串激和并激两种。串激线圈又称为电流线圈，它被串接 在主电路申，因而通过的电流大、匝数少；并激线圈又称为电压线圈， 它被并联在控制电源上，故匝数多、电阻大、电流小、匝间电压高。常 图4 2 1 系统机械结构示意图 用于电磁铁设计的线圈有直流并激线圈、交流并激线圈以及交、直流串 激线圈。交流线圈因其随交流电源一个周期两次过零，会产生振动噪声， 因此设计中必须增加分磁环以保证系统吸合时可靠工作，同时交流电磁 铁存在铜损和铁损。一1 因此在本系统设计中为了保证工作的可靠性，采用了直流并激线圈 作为电磁铁工作线圈。由于本系统电磁线圈为功率驱动方式，因此对电 源要求较低。并激线圈电源采用全桥整流电容滤波电路可以满足功率驱 动要求，直流并激线圈额定工作电压u e 为3 0 0 v ，允许温升6 5 。 由于汽车刹车制动毂疲劳试验机进行刹车制动毂机械系统回有颊 率检测时采用自由振荡方式，故要求电磁铁与刹车制动毂机械系统采用 非接触方式，因此电磁铁结构形式采用u 型直动式( 结构如图4 2 1 所 示) 。由于u 型电磁铁吸力特 性( 如图4 2 2 ) 较陡峭容易 产生冲击力矩，特别适合刹车 制动毂疲劳试验需要。 根据系统的机械设计及 驱动力矩要求：驱动力矩 1 k n m 、力臂o 5 m ，经简单计 算可得电磁铁初始吸力为 2 0 0 0 n 。u 型直动式电磁铁为 双气隙结构，设定电磁铁与衔 铁间的每个空气间隙6 为 1 c m 。汽车刹车制动毂疲劳试 f j i 、一 0 6 图4 2 2u 型直动式电磁铁吸力特性 验机机械系统结构如图4 2 1 所示。 ( 一) 电磁铁设计计算。 1 、磁势计算 直流电磁铁吸力计算公式有两种形式，即马克斯威尔公式 ，：照 ( 4 2 1 ) 2 熊5 2 从 和能量平衡公式 ，= j ( 州) 2 等 4 2 。2 其中：f 一表示吸力，单位牛顿( n ) 巾一表示磁通量，单位韦伯( w b ) 表示空气磁导率4 兀4 1 0 7 h i n b 一表示磁感应强度，单位特斯拉( t ) s 一表示磁极面积，单位平方米( m 2 ) i n 一表示磁势，单位安培( a ) 当工作气隙较大时，应用公式4 2 2 为佳。由于本系统气隙为l c m 故选择4 2 2 作为吸力计算公式。 因u 型电磁系统为双气隙结构，故气隙磁导为 n 一垡 ( 4 2 3 ) u5 2 占 代入4 2 ，2 式可得u 型电磁铁电磁吸力为 2 l ，；! f 删1 ：兰耸 ( 4 2 4 ) 4 、 。 6 一 根据机械系统设计需要并考虑加工便利，电磁铁采用电工钢片叠制 而成，铁心材料选择5 0 w 5 4 0 冷轧硅钢片，饱和磁感应强度为1 6 5 t 。 为避免铁心磁饱和，选择铁心截面积为8 0 c m 2 ，由于5 0 w 5 4 0 冷扎硅钢 片叠装系数为9 6 ，实际铁心截面积( s o 9 6 ) 为8 3 c m 2 ，选择铁心截面 为正方形各边长为9 1 c m 。 并且f = 2 0 0 0 n 、6 ；l c m ，代入上式计算可得n = 8 9 2 l a 。如果选择 电磁线圈工作电流为2 0 a 时可产生2 0 0 0 n 的吸力，则线圈匝数为4 4 6 匝。 2 、电感计算 因6 a = 6 厂b = o 1 l 0 2 ( a 、b 为方形铁心截面边长) ，方形铁心、方形 衔铁气隙磁导可按 g s = u o a b 6 ( 4 2 5 ) 估算，固a 睁9 1 c m 、6 = l c m 时，得g f l 0 4 l + l o 。6 h 。 根据磁路基尔霍夫第一定律公式 删= 川+ ，g ， ( 4 2 6 ) 由于铁心不饱和，忽略铁心磁阻、漏磁阻影响。考虑u 型电磁系 统双气隙结构，将g 5 结果代入4 2 6 式得中6 = r n g 一2 = 4 6 4 3 + lo j w b 。 由b 6 = m s 故可得b 6 = o5 6 t 。小于1 6 5 t 冷轧硅钢片5 0 w 5 4 0 饱 和磁感应强度，因此所选铁心截面积可以满足设计需要。 因l = 1 壬r i - n 中一i ，由以上结果可得l = 1 0 4 m h 。 3 、线圈导线选择 根据所选电磁线圈工作电流2 0 a ，按载流量3 m m z 计算所用导线 截面积为6 6 7 m m 2 ，查线规表选择导线截面积为7 7 9 3m m 2 圆铜漆包线， 线径为3 1 5m m ，最大外径3 2 3 3m m 。 ( 二) 电磁铁性能校验 电磁铁结构一定的条件，电磁线圈充电时间固定，通过改变驱动信 号脉宽，可以改变电磁线圈的电流，从而改变驱动力矩大小。为保证驱 动频率最大时可以获得2 0 a 电流，需要对最高激励频率下充电电流进 行 轰验， 根据刹车制动毂机械系统固有频率可知系统电磁激励频率为3 5 5 5 h z 。校验激磁频率为5 5h z 时的电流值。 驱动信号最小周期1 8 2 m s 取占空比为1 ：1 ，则单次驱动信号电 压脉宽为9 1n l s l 取p 8 m s 进行计算。由 u = d i 豫 ( 4 2 7 ) 则i 。j 叫三d ，有卜l 训饯2 3 0 0 + o 0 0 8 o 1 0 4 2 ，2 3 0 8 a ，大于2 0 a 要求 满足设计要求。 根据式4 2 4 ，可计算此时电磁吸力f = 2 6 6 3 n 大于2 0 0 0 n ，满足初 始吸力要求。 ( 三) 电磁铁结构尺寸 1 、线圈尺寸选择 根据工程经验公式，直流电磁铁线圈高度与线圈厚度可采用l 。= 铀。 设计，其中l 。为线圈高度( m ) ，b 。为线圈厚度( m ) 。p 值可按表4 2 1 选取。 电磁铁型式6 值 带极靴4 6 拍合式 不带极靴5 7 带极靴 5 7 u 型 不带极靴 6 8 单e 直动式 2 4 装甲螺管式 7 8 线圈尺寸必须同时满足电阻、温升和铁心窗口截面积等三个方面的 要求，即线圈尺寸应当同时满足下列三个方程式 i 。r 。= k t s 。，t 。 ， 凡。p ，等v l jr n s 。= j ? 奄：l ： 式中k t 线圈散热系数( w m 2 ) ； s 。一线圈散热面积( m 2 ) ； 矗一线圈填充系数； l 谢一线圈一匝的平均长度( m ) r 。一线圈电阻( o ) ； p x 一表示x 导线电阻率( o m ) s 。一导线截面积( m 2 ) 。 b 。一线圈厚度( m ) 1 。一线圈高度( m ) 【5 j 鼬 一 一 d 吨 屯 h h 卜 由于直流电磁铁线国内外表面均能散热，故散热面积s ；，= s l + k b s ， 其中s l 为线圈，j 表面积，s 2 为线圈内表面积，k b 为线匿内表面积与外 表面积的散热系数之比。k r 按以下经验数值选取：对于用导热一 生不好 的绝缘材料作骨架的线圈，k b = 0 ；无骨架线圈k b = o ，7 5 10 5 ；绕在 金属套筒骨架上的线圈内表面散热效果较好k b ；1 5 一l7 5 ；直接绕在 铁。上的线圈k n 一21 24 5 。 初算时可取k 口= 1 ，则s 。，= ：+ l 。b 。，由上述三个方程式可以求得 v 面( 洲1 取线圈允许温丹1 。一6 5 ，硒= 1 20 4 w ，m 2 ( 铁mk t 取值范固1 0 1 25 ) ， 初算= 04 5 ，d = 6 ( 由表4 2 1 选取) ， p 1 0 5 【= 23 3 9 + 1 0 4 n t m ，i n = 8 9 2 1 a 代八 下式 ，一 ( ) p ， ( 4 2 一n ) 虮2 归云7 万，： 得b 。=