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摘要 基于车轮模型的滚筒反力式制动试验台 摘要 汽车制动系是汽车结构的重要组成部分，良好的制动性能对于保证行车安全，加强环境保护，提高 运输能力和降低成本都具有重要意义。汽车制动性能是汽车检测的重要内容，也是高等学校车辆专业教 学和研究的重要内容，因此有必要对车辆制动系统进行详细的研究。 本文主要的内容是滚筒反力式制动试验台检测系统的研究。首先论文对国内外汽车制动检测技术的 发展历程和现状进行了综述。根据g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件中对汽车制动系提出的主 要技术条件，分析了评价汽车制动性能的检测项目及相关标准。依据这些标准，并结合东南大学成贤学 院汽车专业对汽车制动系教学试验的需要，设计了基于车轮模型的滚筒反力式制动试验台。对制动试验 台总体结构进行了详细的分析，提出选择试验台滚筒尺寸，转速及表面材料的方法，给出选择试验台电 机、减速器等主要部件的依据和参数。为了满足教学试验的要求，并结合现有的技术条件，设计了一套 独立的车轮模型，来模拟车辆的制动过程，以该车轮模型的制动系统作为检测对象。阐述了试验台的工 作原理和工作流程，对制动时试验台的受力情况进行了分析，继而分析了影响制动性能检测的因素。 依据汽车制动系统性能的相关评价和检测标准，设计了基于a t 8 9 s 5 2 单片机的制动试验台检测系统 硬件电路，包括传感器接口电路与a d 转换电路、显示装置电路、控制电机的电路、单片机与p c 机之 间通信的接口电路等。同时根据检测项目和功能要求设计了下位机和上位机( p c ) 软件，下位机采用 c 5 1 语言进行编程，上位机用高级语言编程，：两级控制系统的软件配合即可实现试验相关测试数据的采 集，检测系统的控制和对车轮制动性能的检测。 最后对检测系统进行了系统调试和性能试验。试验表明，车轮模型的制动性检测系统工作是可靠的、 数据是准确的，从而验证了本检测系统的硬件和软件系统的设计是合理的。 关键词：制动性能，制动试验台，车轮模型，检测系统，a t 8 9 s 5 2 东南大学硕士学位论文 r o l l e ro p p o s i t ef o r c et y p eb r a k i n g t e s tb e n c hb a s e do nw h e e l m o d e l a b s t r a c t a u t o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fa u t o m o t i v es t r u c t u r e g o o dp e r f o r m a n c eo f b r a k i n gs y s t e mh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ut r a f f i cs a f e t y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，e n h a n c i n gt r a n s p o r t a t i o n c a p a c i t ya n dr e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t a u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c ei sa ni m p o r t a n ta s p e c to fa u t o m o t i v e d e t e c t i o na n da l s oa ni m p o r t a n tt e a c h i n ga n dr e s e a r c ha s p e c ti nu n i v e r s i t ya n dc o l l e g e ，s oi ti sn e c e s s a r yt o c o n d u c tt h er e s e a r c ho nt h ev e h i c l eb r a k i n gs y s t e mi nd e t a i l r e s e a r c ho nt h et e s t i n gs y s t e mo fr o l l e ro p p o s i t ef o r c et y p eb r a k i n gt e s tb e n c hi st h em a i nc o n t e n to ft h i s t h e s i s f i r s to fa l l ，d o m e s t i ca n df o r e i g na u t o m o t i v eb r a k ed e t e c t i o nt e c l m o l o g yd e v e l o p m e n tc o u p ea n dc u r r e n t s t a t u sa r er e v i e w e d b a s e do nt h em a i nt e c h n i c a lq u a l i f i c a t i o no nt h ea u t o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mw h i c hh a sb e e n b r o u g h to u ti ng b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 ”s a f e t ys p e c i f i c a t i o n sf o rm o t o rv e h i c l e so p e r a t i n go nr o a d s ”，a na n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f a u t o m o t i v eb r a k et e s ti t e m sa n dr e l a t e ds t a n d a r d si sg i v e n b a s e do nt h er e l e v a n t s t a n d a r d sa n d ，i nc o n j u n c t i o nw i t ht h et e a c h i n ga n dr e s e a r c h i n gn e e df o rt h ea u t o m o t i v ep r o f e s s i o n a lf a c u l t yo f s o u t h e a s tu n i v e r s i t yc h e n x i a nc o l l e g e ，r o l l e ro p p o s i t ef o r c et y p eb r a k i n gt e s tb e n c hb a s e do nw h e e lm o d e li s c o n t r i v e d ad e t a i l e da n a l y s i so nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h eb r a k i n gt e s tb e n c hi sc a r r i e do u t m e t h o d so fc h o o s e r o l l e rd i m e n s i o n ，r o t a t i o n a ls p e e da n ds u r f a c em a t e r i a l so fb r a k i n gt e s tb e n c hh a v eb e e ng i v e n m e t h o d so f s e l e c t i n gt h eb a s i so ft h em a i nc o m p o n e n t sa n dp a r a m e t e r so fm o t o r , r e d u c e ra n ds oo nh a v ea l s ob e e np r o p o s e d i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft e a c h i n ga n de x p e d m e n t ，c o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ， as e to fi n d e p e n d e n tw h e e lm o d e la sd e t e c t i o no b j e c ti sd e s i g n e dt os i m u l a t et h ev e h i c l e sb r a k i n gp r o c e s s t h e n , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dw o r k i n gf l o wo f t h eb r a k i n gt e s tb e n c hi se x p a t i a t e d ，t h ef o r c ea n a l y s i so nt h eb r a k i n g t e s tb e n c hi st a k e na n dt h ei m p a c tf a c t o r so nd e t e c t i n gt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ， b a s e do nt h er e l e v a n te v a l u a t i o na n dt e s t i n gs t a n d a r d sf o ra u t o m o t i v eb r a k es y s t e mp e r f o r m a n c e ，b r a k i n g t e s tb e n c hh a r d w a r ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nm c ua t 8 9 s 5 2i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gs e n s o ri n t e r f a c ec i r c u i t , a dc o n v e r s i o nc i r c u i t , d i s p l a yd e v i c ec i r c u i t s ，m o t o rc o n t r o lc i r c u i t s ，m c u ，p cc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c i r c u i ta n ds oo n a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h et e s ti t e m sa n dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g no ft h e n e x t b i tm a c h i n ea n dh o s tc o m p u t e r ( p c ) s o f t w a r ea r ec o m p l e t e d ，t h en e x t - b i tm a c h i n ew i t hc 51m a c h i n e l a n g u a g ep r o g r a m m i n g , p cw i t hh i g h l e v e ll a n g u a g ep r o g r a m m i n g 1 1 1 et w o t i e rc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei s c o m p l e t e l y a b l et oa c h i e v et e s t - r e l a t e dd a t a a c q u i s i t i o n , c o n t r o la n d d e t e c t i o nf o rt h ew h e e lb r a k i n g p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ed e t e c t i o ns y s t e md e b u g g i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n ga r ea c c o m p l i s h e d 功ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e t e c t i o ns y s t e m so ft h eb r a k i n gt e s tb e n c ha l er e l i a b l e ，t h ed a t aa l ea c c u r a t e ，w h i c h v e r i f i e st h ed e t e c t i o ns y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e md e s i g ni ss u c c e s s f u l 【k e yw o r d s ：b r a k i n gp e r f o r m a n c e ，b r a k et e s tb e n c h , w h e e lm o d e l ，b r a k et e s t i n gs y s t e m ，a t 8 9 s 5 2 i i 东南大学学位论文独创性声 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢 = 6 ： 恳。 研究生签名： 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：至盅逛导师签名：日期：如7 歹2 5 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着社会的发展，汽车已成为人们工作、生活中不可缺少的一种交通工具。汽车在为人们造福的同 时，也带来大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。 安全、环保和节能构成了当今世界范围内汽车发展需解决的三大问题。减少汽车对人类环境的危害 和增强行车安全，保持车辆良好的技术状况一直是汽车生产企业和和使用者共同追求的目标。自2 0 0 1 年交通事故死亡人数就超过l o 万人，而且还在不断上升，对于影响交通事故的“人、车、路、环境”等 因素中，汽车本身是一个非常重要的影响因素，提高汽车本身的安全性能，减少交通事故及减轻事故过 程中对乘员及行人的伤害，从而提高交通安全性有着非常重要的意义。因此，在实际检测的基础上对在 用车辆的制动性能进行分析和研究，揭示其内在的统计规律性，找出其存在的问题并提出解决的方法， 对确保道路交通安全无疑具有非常重要的意义。制动性能是汽车在行驶中能人为地强制降低行驶速度并 根据需要停车的能力，是汽车的重要性能之一，制动性能的优良与否直接关系到汽车行车的安全性。资 料表明，因制动不良而导致的道路交通事故占事故总数的l 3 。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。因此，汽车的制动性能的检测研究为其制动性能试验研究和生产检测提供了条件，为改进驱动桥总 成制造装配工艺、提高制动性能提供了指导。随着电子技术及机械加工工业的发展，在传统检测方法的 基础上，逐步发展成现代汽车诊断与检测技术。汽车检测通常指使片j 现代检测技术和设备，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l l j 。汽车检测对于保证交通安全，加强环境保护，提 高运输能力和降低成本都具有重要意义。因此选择汽车性能检测作为研究课题是很有现实意义的。 1 2 国内外汽车检测技术发展概况 汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们主要是通过有经验的维 修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。即过去人们常讲的“望( 眼看) ”、“闻( 耳听) ”、“切( 手 摸) ”方式。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车测试技术也飞速发展。目前人们 能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、可靠。 1 2 1 国外汽车检测技术发展概况 汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在5 0 年代在一些工业发达国家就形成以故障诊断和性 能调试为主的单项检测技术和生产单项测试设备。6 0 年代初期进入我国的汽车性能检测设备有美国的发 动机分析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分析仪等，这些都是国外早期发展的 汽车检测设备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械 相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气 分析仪等都是光机电、机电一体化的检测设备。进入7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车 检测诊断、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基础上， 为了加强汽车性能检测的管理，各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化【2 1 。 东南大学硕士学位论文 概括的讲，工业发达国家的汽车检测在管理上已实现了“制度化”；在检测基础技术方面己实现了“标 准化”；在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展l j j 。 随着电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集自动化、检测结果直接 打印等功能的现代综合性能检测技术和设备。例如：国外生产的汽车制动检测仪、全自动前照灯检测仪、 发动机分析仪、发动机诊断仪、计算机四轮定位仪等检测设备，都具有较先进的全自动功能。进入8 0 年代后，计算机技术在汽车检测技术领域的应用进一步向深度和广度发展，已出现集检测工艺、操作、 数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的系统软件，使汽车检测线实现了全自动化，这样不仅可避 免人为的判断错误，提高检测准确性：而且可以把受检汽车的技术状况储存在计算机中，即可作为下次 检验参考，还可供处理交通事故参考h i 。2 0 0 0 年后至今，国外汽车诊断设备发展的重要特征是直接采用 各种自动化的综合诊断技术，不断开发新的汽车诊断专家系统，增加难度大的诊断项目，扩大诊断范围， 采用“智能化、自动化”的诊断方式，提高对非常复杂故障的诊断能力和预测故障的能力，使汽车与故 障诊断技术向着新的高度发展p j 。 1 2 2 国内汽车检测技术发展概况 我国的汽车检测技术发展同汽车生产一样，起步较晚，从6 0 年代开始研究汽车性能检测技术，为 满足汽车维修需要，当时交通部主持进行了发动机汽缸漏气量检测仪等检测仪器的研究、开发。7 0 年代， 我国大力发展了汽车性能检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目。由交 通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台、惯性式汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综 合检验台( 具有制动性检测、底盘测功、速度测试等功能) 。 进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发展。汽车检测及诊断技 术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，对汽车检测诊断技术和设 备的需求也与日俱增。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题。如 何保证车辆快速、经济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，已逐渐被提到政府有关部门的议事日 程，因而促进了汽车诊断和检测技术的发展。交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴 ( 轮) 重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等等。国家在“六五”期间重点 推广了汽车检测和诊断技术1 6 j 。 在单台检测设备研制成功的基础上，为了保证汽车技术状况良好，加强在用汽车的技术管理，充分 发挥汽车检测设备的使用，交通部1 9 8 0 年开始有计划的在全国公路运输和车辆管理系统筹建汽车检测 站，检测内容以汽车安全性检测为主。 与此同时，汽车的检测技术和设备也得到了大力发展。7 0 年代国内仅能生产少量的简单的检测、诊 断设备。目前全国生产汽车综合性能检测设备的厂家已达6 0 多个，除交通部门外，机械、城建、高等 院校等部门也进入汽车检测设备研制、开发、生产、销售领域。我国已能自己生产全套汽车检测设备， 如人型的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬挂检测台、制动检测台、排 气分析仪、灯光检测仪等等。为了配合汽车检测工作，国内已发布实施了有关汽车检测的国家标准、行 业标准、计量检定规程等1 0 0 多项。从汽车综合性能检测站建站到汽车检测的具体检测项目，都基本作 到了有法可依【7 1 。 1 2 3 国内汽车制动性能测试的发展现状 制动系是汽车底盘的主要组成之一，其技术状况变化直接影响汽车行驶、停车的安全性。汽车制动 性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离过长，紧急制动时发生侧滑等情况有关。随着 汽车行驶速度的提高，汽车制动性对保障交通安全尤显重要。因此它是汽车安全检测中的重点检测项目 之一。为此，交通部( 9 0 ) 1 3 号令汽车运输业车辆技术管理规定、国标g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全 2 第一章绪论 技术条件、交通部( 9 0 ) 2 9 号令汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法等法规中都要求对汽车制动 性进行定期检测并符合相应的技术条件。 我国在汽车制动性能测试设备经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进设备，到自主研究开 发推广应用；从单一性能检测到综合性熊检测，取得了很大的进步。与此同时，相应的法律法规建设也 逐步完善，出台了有关的车辆检测国家标准和行业标准。 国内汽车制动性能测试设备根据汽车制动性能检测方法分两大类： 台试法：室内模拟试验台。室内模拟试验台是最早投入实际应用的汽车性能测试设备之一，历史悠 久，技术上比较完善，实际使用效果和国外先进试验台相比差距不大，现在基本上都可以取代国外进口 设备，这方面的代表有山东威达、深圳大雷公司等。如今汽车制动性能试验台国内已自给有余，而且产 品类型多样。我们虽然取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定的距离。 路试法：车载式便携式试验装置。汽车制动系道路实测试验装置，也就是在马路或试车场上对汽车 制动系性能进行实际检测的设备，国内刚刚有一些机构开始了这方面的工作，而国外相关设备早在8 0 年代末9 0 年代初就随着计算机技术的兴起和制造业水平的提高而开始起步，迄今为止己经有许多技术上 非常成熟的产品。如福特、博世等公司开发的车载式汽车性能测试装置。这些装置测试精度高、测试参 数全，体积小、安装拆卸方便，大大提高了国外汽车制造厂商开发新车型的速度和质量从而使国外先进 汽车与国产车在开发速度、技术含量上差距越来越大【8 】。 道路试验法检测制动性能的优点是直观、简便，能真实地反映汽车行驶过程中汽车动态的制动性能， 如轴荷转移情况下制动力的变化等；能综合的反映汽车其它系统的结构性能对汽车的制动性能的影响， 如转向机构、悬架系统结构和型式对制动方向的、稳定性的影响；且不需要大型设备和厂房，但是也存 在很多不足之处：只能反映整车制动性能的好坏，而对于各轮的制动状况及制动力的分配，虽然能从汽 车在制动时的拖印做出定性分析，但是不易取得定量的判断；不易确定故障发生的具体部位；制动距离 的长短和制动减速度的大小往往因驾驶员操作方法、路藤状况和道路交通状况的不同而有很大差别，重 复性较差：除了人为冈素外，还受其气候条件、场地的限制，有造成事故的危险；对轮胎有较大磨损， 需消耗一定燃料，紧急制动时的冲击载荷对人体及汽车各部件都有不良影响。 台试法是用制动试验台来检测车辆的制动性能，它的优点是能迅速、准确地检测制动性能，不受气 候条件限制，试验重复性较好，能定量地指示各轮的制动力或制动距离，有利于分析前后轴制动力的分 配及每轴制动力的平衡状态，制动协调时间等参数，给故障诊断提供可靠的依据。所以台架试验检测已 成为汽车诊断与检测最常用的方法。 1 3 课题的来源 本课题来源于东南大学成贤学院汽车专业试验教学的需要，该项目要求开发出适用于教学试验的一 套仪器装备，用于演示汽车制动系统的工作原理和工作过程。本论文以基于车轮模型的滚筒反力式制动 性能试验台为设计对象，通过对相关领域知识的研究，并以计算机控制技术为核心，设计一套数据采集 和处理的装置，旨在使试验台达到性能良好、使用方便、精度较高，具有“智能化”和“自动化”的特 点。该系统设计完成后，可应用于学校汽车实验室进行教学试验研究。 1 4 本课题的研究任务与主要内容 本课题的任务是根据东南大学成贤学院汽车专业试验教学的需要，设计一个滚筒反力式制动试验 台，该试验台以一套单独设计的车轮和制动器为试验对象。 论文的主要内容包括以下几个方面： 1 对车轮在反力式制动试验台上的运动及受力情况进行分析，推导制动力、滚筒支承反力的解析表 3 东南大学硕士学位论文 达式，分析试验台的最大测试能力。 2 对制动试验台进行整体方案研究和进行结构设计。 3 制动试验台控制系统硬件设计，包括传感器选型、信号调理电路设计、数据采集系统设计、控制 装置的设计。 4 席0 动试验台控制系统软件设计，包括上位机( p c ) 与下位机( 单片机) 的程序设计。 根据需要将传感器等部件安装到试验装置上，在分别完成上位机的控制软件、下位机的控制软件之后， 对制动试验台进行试验联调。 本课题的工作是在以往工作的基础上开展的，在前一阶段的工作中仅是进行了系统部件的初步选取 和系统的初步构思。本文的重点在于硬件电路的具体电路板制作、调试与功能改进；各主要系统部件的 具体选型，以及在系统功能试验中检验其实际功能是否能够满足设计要求：另外，软件流程设计及其具 体代码编制、试验台架设计、试验设备的选取与设计也是此课题的工作内容。 4 第二章汽车制动系统的性能分析和评价 第二章汽车制动系统的性能分析和评价 汽车制动的过程，特别是行车制动和应急制动是一个复杂的、时变的过程，所以在研究汽车制动性 能检测系统之前，有必要对汽车制动系统及其性能评价参数等相关知识进行探讨。 汽车行驶时能在短距离内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的能力，称为汽 车的制动性。 汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离 太长、紧急制动时发生则滑等情况有关，故汽车的制动性是汽车安全行驶的重要保障。改善汽车的制动 性，始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。 2 1 汽车制动性能检测评价指标 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。 2 1 l 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 力、制动距离、制动减速度和制动时间来评定。 1 、制动力 汽车在制动过程中人为地使汽车受到一个与其行驶方向相反的外力，汽车在这一外力作用下迅速地 降低车速以至停车，这个外力称为汽车的制动力。一般汽车多用车轮制动器使汽车车轮受剑与汽车行驶 方向相反的地面切向反作用力的作用，故这时的汽车制动力又称为地面制动力【9 1 。 图2 1 制动时车轮受力图 图2 一l 为汽车在良好的硬路面上制动时的车轮受力图。图中t 。为车轮制动器的摩擦力矩，t p 为车轴 对车轮的推力，w 为车轮的垂直载荷，f z 是地面对车轮的法向反作用力。 在制动过程中滚动阻力矩、惯性力矩相对都较小时可忽略不计，地面制动f ) ( b 为： f 袖2 t 。r ( 2 1 ) 5 东南大学硕士学位论文 式中，r 为车轮制动半径。 地面制动力f ) ( b 是汽车制动时地面作用于车轮的外力，f x b 的值取决于车轮的半径与制动器的摩擦力 矩l ，但其极限值受到轮胎与路面间附着力r 的限制。 在轮胎周缘克服车轮制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力f 。即 f = t r ( 2 2 ) 式中：t 。为车轮制动器的摩擦力矩。 制动器制动力f 。取决于制动器的结构与尺寸大小、制动器摩擦副摩擦系数和车轮半径。一般情况其 数值与制动踏板力成正比，即与制动系的液压或气压大小成线性关系。对于结构、尺寸一定的制动器而 言，制动器制动力主要取决于制动踏板力与摩擦副的表面状况，如接触面大小，表面有无油污等。 一 毒 誓 o f p 踏板力f p 图2 2 制动过程中f x b 、f 币、f 与f p 的关系 图2 2 是在不考虑附着系数叩变化的制动过程中，地面制动力f x b 、制动器制动力凡及附着力f 母随 制动系的压力( 液压或气压) 的变化关系。车辆制动时，车轮有滚动或抱死滑移两种运动状态。当制动踏 板力f e ( f p f p 。) ，制动器制动力f 。由于制动器摩擦力矩 的增长而直线上升，但地面制动力f ) ( b 达到极限值f 后不再增加。可见，地面制动力f x b 首先取决于制 动器制动力f 。，但同时又受到地面附着条件( r ) 的限制。所以汽车制动时必须具有足够的制动器制动 力( 制动器摩擦力矩) ，同时路面又能提供高的附着力，才能获得足够的地面制动力。 由上述分析可见，制动力是评价汽车制动性能的最本质因素。制动力便于在制动试验台上测量，这 种检测方法在汽车综合性能检测站广泛采用。通过制动力的检测不仅可以测得各车轮制动力的大小，还 可以了解汽车前、后轴制动力合理分配，以及各轴两侧车轮制动力的平衡状况。 2 、制动距离 制动距离是指车辆在规定的初速度下急踩制动时，从脚接触制动踏板( 或手触动制动手柄) 时起至车 辆停住时止，车辆驶过的距离。它包括了制动协调时间和以最大减速度持续制动时间内汽车驶过的距离。 它是评价汽车制动性能最直观的一个参数，与汽车实际运行的制动情况最接近。制动距离不等于车轮在 路面上拖压印的长度，因为制动距离中包含有制动协调时间内汽车驶过的距离，在这一段时间内车轮尚 未拖压印。制动距离与制动踏板力即制动系中的液压或气压有关，故给出制动距离时必须指明相应的踏 板力或制动系中的压力。 用制动距离来评价汽车的制动性能具有一定的准确度，而且重复性较好。但需要有较大的试车场地， 6 第二章汽车制动系统的性能分析和评价 而且对轮胎的磨损较大。此外，制动距离是一个整车性能参数，它不能单独定量地反映出各车轮的制动 状况以及制动力分配情况( 从地面印痕只能大致看到) ，当制动距离延长时，也反映不出具体是什么故障 使制动性能变差。 制动距离必须和制动跑偏量一起作为检验制动性能的参数。对于一个确定的汽车来说，它的质量是 一定的，其制动器所能产生的制动力也是一定的，制动时汽车的初速度越大，制动距离越长，因此检验 时还必须规定汽车的初速度【1 0 】。 3 、制动减速度 制动减速度反映了制动时汽车速度降低的速率。对某一具体车辆而言，制动减速度与地面制动力是 等效的，因此也常用制动减速度作为评价制动效能的指标。制动减速度也是一个整车性能参数，它反映 不出各轮的制动力及分配情况。用制动减速度来评价制动性能时，也必须同时检验制动协调时间和跑偏 量。 通常车辆检测时用平均减速度或最大减速度作为制动效能的评价指标，在我国的安全法规中采用充 分发出的平均减速度i v l f d d ( m e a nf u l l yd e v e l o p m e n td e c e l e r a t i o n ) 。 m f d d ：j 笠i ( m s 2 ) ( 2 - 4 ) 2 5 9 2 ( s 。一s o 、 7 式中： v b = o 8 v o ； v e = 0 1 v o ； v o 为制动初速度( k m h ) 5 s b 为在速度v o 和v b 之间车辆驶过的距离( m ) ； s e 为在速度v o 和v e 之间车辆驶过的距离( m ) 。 从行驶安全的观点来看，制动减速度越大，则反映制动效果越好。反之，如果制动减速度很小，则 会使制动距离延长，这对行车安全是不利的。制动减速度与制动力有直接关系，一般地说，制动力越大， 则制动减速度越大。制动减速度作为评价汽车制动性能的标准，已经被一些国家在评价车辆制动性能时 所采用。 4 、制动时间 制动过程所经历的时间即制动时间，很少作为单纯的评价指标。但是作为分析制动过程和评价制动 效能时又是不可缺少的参数。如对于同一型号的两辆汽车产生同样制动力所经历的时间不同，则两辆汽 车的制动距离就可能相差较大，对行驶安全将产生不同效果。因此通常把制动时间作为辅助的评价指标。 jl f 矗 多，一 一、 曩b 一一 孵 - t 乜jt ” l 舶 b 一 t ， 一 b b 一 “ 一 图2 3 汽车制动过程与时间的关系曲线图 图2 3 是汽车制动过程与时间的关系曲线图。驾驶员接到停车信号时，并没有立即行动，而要经过 t 1 1 秒后才意识到应进行制动，并开始移动右脚，再经过t 1 2 秒后到达b 点才开始踩到制动踏板。这一时间 t l = t l l 托2 称为驾驶员反应时间，它与制动蹄的性能无关。在b 点以后，随着驾驶员踩踏板的动作，踏板 7 东南大学硕士学位论文 力迅速增加，到达d 点时达到最大值。不过由于制动系中有一定的残余压力，且蹄片由回位弹簧拉着， 蹄片于制动鼓之间存在着间隙，所以要经过t 2 1 秒踏下时间后到达c 点，地面制动力才起作用，使汽车开 始产生减速度。由c 点到d 点是制动力的增长过程所需要的时间h 2 ，h - - t 2 l + t 2 2 称为制动器的作用时间或 滞后时间，它的长短一方面取决于驾驶员踩踏板的速度，更重要的一方面受制动器结构与维修质量的影 响。由d 到e 为持续制动时间t 3 ，这一阶段车辆的制动力稳定，基本不变。到e 点驾驶员松开制动踏板， 但制动力的消除仍需要一定的时间，这段时间t 4 称为制动释放时间。 从制动的全过程来看，它包括：驾驶员做出反应、制动器起作用、持续制动和制动完全释放四个时 间过程。 在我国安全法规中还采用制动协调时间评价制动效能，制动协调时间是保证行车制动性能的一个重 要参数。该法规中所提到的制动协调时间是指实施制动时，从制动踏板开始动作至车辆减速度( 或制动 力) 达到车辆规定的充分发出的平均减速度( 或规定的制动力) 的7 5 时所需的时间。 5 、制动效能各评价指标之间的关系 根据汽车理论分析，制动效能各评价指标之间的关系如下： s - 警+ 羲或s ：等+ 等 ( 2 5 ) 式中：s 为制动距离( m ) ； v o 为制动初速度( k i n h ) ； m 为整车质量( t ) ； i 为制动减速度( r r d s 2 ) ； t a 为协调时间( s ) ； f 为制动力( n ) 。 由以上两式可知，制动距离、制动力( 或制动减速度) 和制动协调时间这三个参数，只要测得其中 两个就可以推得第三个参数。所以只要规定两个检验指标就可以较全面的评价车辆的制动性能，即制动 距离和制动力( 或制动减速度) ，制动力( 或制动减速度) 和制动协调时间，制动距离和制动协调时间都 可以较全面的评价车辆的制动性能。 2 1 2 制动抗热衰退性 汽车制动抗热衰退性能是指汽车高速制动、短时间重复制动或下长坡连续制动时制动效能的热稳定 性。因为制动过程实质是把汽车的动能通过制动器吸收转化为热能，制动过程中制动器温度不断升高， 制动器摩擦系数下降，制动器摩擦力矩减小，从而使制动能力降低，这种现象称热衰退现象。因此可以 用制动器处于热状态时能否保持冷状态时的制动效能来评价汽车制动抗热衰退性能。制动抗热衰退性是 衡量制动效能恒定性的一个指标。随着高速公路的发展和车速的提高，汽车制动性能的恒定性要求也越 来越高。但由于测试方法较复杂，在一般汽车综合检测站较难实施，而且对于在用汽车也无需检测制动 抗热衰退性。 2 1 3 制动稳定性 制动稳定性是指制动时汽车的方向稳定性。通常用制动时汽车按给定轨迹行驶的能力来评价，即汽 车制动时维持直线行驶或预定弯道行驶的能力。制动稳定性良好的汽车，在试验时不会产生不可控制的 效能使汽车偏离一定宽度的试验通道。汽车丧失制动稳定性通常表现为制动跑偏和车轴侧滑现象，特别 是后轴侧滑，是造成交通事故的重要原因。随着现代汽车车速不断提高，汽车制动稳定性将成为影响交 通安全的重要因素。 8 第二章汽车制动系统的性能分析和评价 2 2 汽车制动性能检测标准 g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件规定1 1 1 1 ，采用台式检测时，用制动力检验汽车的制动性 能应符合下面的要求： l 、制动力总和占整车重力的百分比：空载6 0 或满载 5 0 ；前轴制动力不得小于前轴轴荷的 6 0 。 2 、制动力平衡的要求：在制动力增长的全过程中，左、右轮制动力差与该轴左、右轮中制动力大者 之比，前轴不得大于2 0 ，后轴不得大于2 4 。 3 、阻滞力性能检测要求：车辆各轮的阻滞力不得大于该轮所在的轴荷的5 。 4 、驻车制动性能检测要求：驻车制动力总和应不小于该车在测试状态下整车重力的2 0 ；对总质 量为整各质量1 2 倍以下的车辆，此值为1 5 。 5 、制动协调时间要求：对采用液压制动系的车辆不得大于0 3 5 s ：对采用气压制动系的车辆不得大 于0 6 0 s ：汽车列车和铰接客车、铰接式无轨电车的制动协调时间不应大于o 8 0 s 。 6 、制动完全释放时间要求：汽车制动完全释放时间( 从松开制动踏板到制动消除所需要的时间) 不 应大于0 8 0 s 。 9 东南大学硕士学位论文 第三章基于车轮模型的制动试验台设计方案 制动试验台常见的分类方法有：按测试原理不同，可分为反力式和惯性式两类；按试验台支承车轮 形式不同，可分为滚筒式和平板式两类；按检测参数不同，可分为测制动力式、测制动距离式和综合式 三种；按试验台的测量、指示装置传递信号方式不同，可分为机械式、液力式和电气式三类：按试验台 同时能测车轴数不同，可分为单轴式、双轴式和多轴式三类【i 2 。 目前应用较为广泛的是滚筒反力式汽车制动试验台，其测试条件固定、重复性好、结构简单、操作 安全性能好，是我国各类检测站检测汽车制动性能的主要设备。 为了满足试验、教学的使用条件，本文研究采用滚筒反力式制动试验台，并构建了一套架设在摇臂 钻床摇臂主轴上的车轮模型，由摇臂钻床主轴的升降来实现车轮压紧在滚筒上，并产生一定的轴荷，由 试验台的动力装置来带动车轮的旋转，待车轮全速运转后，施加制动，以此来模拟汽车在路面的制动过 程，试验过程可检测车轮的拖滞力、制动力最大值、制动协调时间等参数，由于对制动力的评价是以制 动力与轴荷的比值来确定的，所以还需对车轮与滚筒之间的正压力，即轴荷进行测量。试验台的控制主 要是对试验台动力装置部分的控制，理论研究结果表明，当车轮制动时，滑移率达到2 0 时，此时的制 动力达到最大，因此需要对车轮的转速进行测量，用来计算滑移率，当滑移率达到2 0 ，试验台的控制 系统切断试验台的动力系统，此时检测的制动力即为最大制动力，简称为制动力。下面对滚筒反力式制 动试验台进行详细的介绍。 3 1 滚筒反力式制动试验台总体结构 滚筒反力式制动试验台主要由框架、驱动装置、滚筒装置、测量装置和指示与控制装置等组成。而 且试验台底座设置了轴荷测量装置。 1 驱动装置：由电动机、减速器和链传动机构组成，如图3 1 所示。电动机经过减速器内的蜗轮蜗 杆和二对圆柱齿轮的两级传动后驱动主动滚筒，主动滚筒又通过链传动机构带动从动滚筒旋转。减速器 输出轴与主动滚筒共用一轴，减速器壳体为浮动连接即可绕主动滚筒轴自由摆动。减速器的作用是减速 增矩，其减速比根据电动机的转速和滚筒测试转速确定。由于测试车速低j 滚筒转速也较低，因此要求 减速器减速比较大，一般采用两级齿轮减速或一级蜗轮蜗杆减速与一级齿轮减速。 87 1 滚筒座框架2 主动滚筒3 从动滚筒4 链传动 5 传感器6 电动机7 减速器8 测力臂 图3 1 滚筒座结构示意图 l o 第三章基于车轮模型的制动试验台设计方案 为保证制动试验台的驱动滚筒有足够大的功率来驱动，并考虑到使用的经济性，本试验台选择的电 动机功率为5 5 k w ，其满载转速为1 4 4 0 r r a i n 。 2 滚筒装置：滚筒组相当于一个活动的路面，来承载被检的车辆，承受和传递制动力。车轮制动力 测试单元由一对直径相同的主、从动滚筒组成。每个滚筒的两端分别用滚动轴承与轴承座支承在框架上， 且保持两滚筒轴线平行。 滚筒与汽车轮胎间的附着系数将直接影响制动试验台所能测得的制动力大小。为了增大滚筒与轮胎 间的附着系数，滚筒表面都进行了相应加工与处理。比较理想的滚筒表面应能满足以下要求： ( 1 ) 对不同类型( 子午线、斜交) 、不同尺寸、不同花纹的轮胎都有足够的附着系数，并且附着系 数不会因轮胎沾水、沾泥而下降太多； ( 2 ) 滚筒表面不易沾上泥土、油污。一旦沾上，也容易清除干净； ( 3 ) 使用寿命较长，附着系数不会较快地衰减； ( 4 ) 制造工艺简单，滚筒的品质易保持稳定。 目前常见的滚筒表面大致有两种：( 1 ) 表面有轴向槽的齿式滚筒；( 2 ) 表面涂复粘接剂和砂