驻车制动手柄第二章

1、第一章 绪 论11.1研究背景11.2课题研究的意义21.3国内外研究现状31.4本文的主要研究内容31.5性能指标要求41.6论文的内容安排4第二章 试验条件分析及方案设计62.1驻车制动手柄载荷加载点的选取62.2驻车制动手柄性能仿真分析72.2.1手柄冲击强度特性的分析72.2.2静应力分析72.3各部分试验方案设计92.3.1静强度试验部分92.3.2疲劳试验部分102.3.3冲击试验部分102.3.4测量控制系统112.4四杆机构的设计122.6本章小结13第三章 驻车制动手柄性能试验系统机械设计143.1试验系统结构底座的设计143.2手柄夹具、手柄固定机构及砝码加载机构的设计14

2、3.3疲劳强度试验台的结构设计153.4冲击试验台的结构设计173.5横向加载试验台的结构设计193.6本章小结19第四章 测控系统的硬件设计和力矩电机控制系统的模型214.1测控系统214.1.1方案选取214.1.2测控系统整体结构224.2测控系统硬件选型234.2.1力矩电机234.2.2步进电机254.2.3电磁铁264.2.4激光测距仪274.2.5压力传感器284.2.6位移传感器304.2.7编码器314.2.8控制器的选型334.2.9数据采集卡334.3矩加载系统的设计354.3.1力矩加载系统的控制原理364.3.2力矩电机及负载的数学模型374.3.3力矩电机的双极性驱

3、动可逆PWM系统384.3.4传动机构的速度折算404.4本章小结40第五章 测控系统的软件设计415.1虚拟仪器开发平台概述415.2数据采集程序设计425.2.1数据采集卡的初始化设置425.2.2数据采集程序流程435.2.3数字滤波技术的应用445.3多线程技术的应用445.4力矩电机的控制算法465.5软件设计485.5.1静强度试验测控系统软件的设计495.5.2冲击试验测控系统软件的设计515.5.3疲劳试验测控系统软件的设计525.5.4辅助功能的设计545.6本章小结55第六章 总结和展望566.1工作总结566.2展望：5614第一章 绪 论1.1研究背景根据公安部2011

4、年1月份发布的交通管理工作简报，截止2010年底，我国机动车保有量达2.07亿辆。其中，汽车约9千万辆，占总量的43.88%。从统计数据看，近年来汽车保有量呈快速增长趋势，汽车占机动车的比率逐年提高，从2006年的33.2%提高到2010年的43.88%，越来越多的人有能力选择汽车作为代步工具。随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高，汽车不再仅仅是一种代步工具，其安全性和舒适性越来越受到各汽车生产厂家和人们的重视。在汽车安全系统中，汽车的制动系统起着非常重要的作用。按制动系统的作用划分，汽车制动系统又可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统和辅助制动系统。行车制动系统，俗称“脚刹”，

5、是汽车在正常行驶时降低汽车行驶速度的制动装置。在一些特殊情况下，行车制动系统可能失效，此时可以使用应急制动系统，又称为第二制动系统。辅助制动系统是指行车制动系统的辅助装置，如ABS(防抱死刹车系统)系统可以防止汽车在紧急制动下轮胎抱死，还有EBD(电子制动力分配)系统等。本文的研究对象是汽车驻车制动系统中起操纵作用的制动手柄，俗称“手刹”，如图1.1中所示。所谓驻车制动系统是防止静止的汽车溜滑而保持原地不动的装置。在坡路起步时，它可以避免车辆下滑；在车辆行驶中，若遇到紧急情况，又可配合脚刹车紧急制动。驻车制动手柄安装在驾驶员的右侧，当停车制动时，驾驶员用手将驻车制动手柄拉起来，手柄通过拉绳控制

6、制动器锁紧车轮。棘轮的作用是保持手柄的位置，当按下手柄的按钮时则可以释放手柄至初始位置。在车辆的使用过程中，驻车制动手柄的使用频率很高，其性能的好坏会对整车的安全性能产生重大影响。驻车制动手柄在使用过程中会产生磨损，在驻车状态下会持续承受一定的载荷，因此驻车制动手柄会产生制动力下降、疲劳破坏等问题。 驻车制动手柄主要由薄壁冲压而成，受材料质量、工艺、使用环境、人为操作等因素影响，难以精确确定手柄的性能，因此研制一种合适的试验台测试手柄的性能是十分必要的。目前，对驻车制动手柄性能检测主要根据国家制定的试验标准来进行测试。通常使用的方法有小样试验方法和台架试验方法。前者经济但准确度相对较低，只是在

7、一些中小型企业中应用比较广泛。后者是一种权威性相对较高的试验方法，它可实现的测试项目丰富，精度高，自动化程度高，功能完善。我国汽车工业相对国外起步晚，发展较为缓慢，国内技术相对落后，国产的台架试验设备在精度方面达不到规定的要求，很多设备依靠国外进口，造成关键技术受制于人，而且国外进口设备价格昂贵。基于此，本文吸收国内外现有台架试验设备的优点，结合本文的研究内容，对驻车制动手柄性能试验技术进行了研究。1-按钮 2-手柄皮套 3-按钮压簧 4-棘轮 5-调整螺母 6-驻车制动杆 7-大铆钉 8-拉杆螺栓9-拉线夹 10-线夹铆钉 11-拉索平衡拉臂 12-棘爪拉杆 13-棘爪14-小铆钉 15-销

8、子图1.1 驻车制动手柄组成示意图1.2课题研究的意义本课题针对驻车制动手柄的性能试验项目，设计了测试功能完善的试验台。课题研究的意义主要有如下几方面：第一，本课题依据试验大纲的要求，完成了试验大纲规定的测试项目。在保证台架试验精度高、自动化程度高、功能完善的基础上，采用模块化设计，针对不同的测试项目选择相应的模块进行试验，拆装调整方便，大大降低了试验成本。第二，本课题试验内容涉及冲击试验、疲劳试验等内容，在试验台设计上借鉴国内外试验台技术，结合本课题研究内容，设计出一套经济性好、功能性强的试验装置，对其他试验机的研究有一定的研究价值和现实意义。第三，本课题为达到试验大纲规定的试验条件，完成精

9、准的试验数据采集工作，在试验装置中安装了多个高精度传感器来完成数据的采集工作。在试验过程中采集了丰富的实验数据，绘制完成了多幅载荷-位移图，为改进驻车制动手柄性能提供了试验依据。1.3国内外研究现状产品性能的测试是一项复杂的工作，涉及的专业领域也较为广泛，主要包括理论力学、材料力学、机械结构、液压技术、传感器技术、计算机技术、数据采集技术等。欧洲、美国、日本等发达国家的制造业和汽车工业经过长时间的发展，积累了丰富的测试技术，加上政府制定的较为健全的法律法规，强制各生产厂家测试和改善各自产品的性能，因而在试验机设计方面已较为成熟，技术也较为完善。国内试验机的研究起步较晚，很多测试标准都是借鉴国外

10、经验，许多关键技术受制于人。过去，很多试验台的设计也只是针对国防和航天等尖端技术领域，在普通的民用产品中应用较少。随着我国经济的发展，制造业有了很大进步，试验技术也随之得到提高。目前，国内许多科研院所、高等院校、企业、政府机构已经加大对产品性能测试的研究以及法律规范的制定。在经济市场中，也涌现出很多试验机制造单位。较具代表性的有清华大学汽车安全与节能试验室、哈尔滨工业大学复合材料研究所、国家汽车质量监督检验中心（长春），中国汽车技术研究中心、威海试验机厂等。总体来看，国内的试验机技术正日臻成熟，与发达国家的差距也越来越小16。有关汽车制动器性能测试的台架试验技术的研究已经由来已久，文献32和3

11、3等研究了汽车制动试验台的相关技术，主要是指汽车行车制动系统。具体到本项目来说，专门测试驻车制动操纵手柄性能的试验台在国内还比较少，日本大发(DAIHATSU)工业株式会社对驻车制动操纵手柄的性能测试做过研究并制定了相关的试验大纲，本课题依据的试验大纲就是以此为蓝本修改的。应该说，国内在驻车制动操纵手柄的研究处于刚刚起步阶段，相对日本等国还有一段距离。1.4本文的主要研究内容46210-D82A0驻车制动操纵手柄总成试验大纲（以下简称试验大纲，见附录）要求完成的测试项目有：1. 驻车制动手柄的静强度试验测试，其中包含三项内容：向上拉、向下压和横向力矩加载试验；2. 驻车制动手柄的冲击强度试验测

12、试；3. 驻车制动手柄的连续高负荷强度试验测试；4. 驻车制动手柄的操作耐久性能试验测试；5. 强制解除耐久性能测试；6. 满行程性能测试；7. 棘齿啮合性能测试；8. 高低温环境试验测试。分析试验内容、试验条件和试验结果评价标准，试验中需要测量的物理量主要有：压力、位移（手柄形变）、重锤高度、手柄转过的角度等；需要控制的装置有：手柄的力矩加载机构、重锤的高度、重锤的提升和释放等。本文主要完成前四个试验项目的设计工作。根据如上所述测试项目及对其的分析，试验中用到的传感器较多且类型不同，涉及到的控制内容也较多，如何较好的完成各试验内容并能出色的管理各元器件的工作是试验的难点和重点，特提出以下五个

13、方面的研究内容：试验台机械结构的设计，尤其是着重于操作耐久性能试验台的整体结构设计；选用力矩电机完成手柄载荷的加载，了解力矩电机的工作原理和主要参数，研究力矩电机的控制方法和常用的控制电路，着重研究了基于PID的力矩电机控制方法，依据本次试验的要求选择合适型号的力矩电机；了解常用的压力传感器、位移传感器、激光测距仪的原理和使用方法，选择合适的传感器完成各物理量的采集；研究数据采集的原理和方法，选择合理的数据采集卡，搭建合理的数据采集电路；了解虚拟仪器的组成，选择合适的控制器，研究基于LabWindows/CVI测控系统的软件开发。1.5性能指标要求为达到试验目的，满足试验要求，试验要求满足以下

14、技术指标：1.依据46210-D82A0驻车制动操纵手柄总成试验大纲试验项目评价标准；2.力传感器精度：±1FS；3.位移传感器精度：±1FS；4.可适应多型号驻车制动操纵手柄的性能测试；1.6论文的内容安排根据1.4节提出论文的研究内容，对论文的内容安排如下：第一章：绪论。主要介绍了课题研究的背景和意义，简单介绍了研究对象的组成和用途，然后结合国内外研究现状和试验大纲的要求提出了论文的研究内容。第二章：驻车制动手柄性能试验理论分析及方案设计。首先介绍了驻车制动手柄的工作原理，然后利用CAD/CAE技术对驻车制动手柄进行了建模和性能仿真分析，并结合试验内容提出了试验方案。第

15、三章：驻车制动手柄性能试验系统结构设计。主要介绍了试验台机械结构的设计。第四章：测控系统的组成和设计。首先介绍了基于虚拟仪器的测控系统的方案设计，然后介绍了力矩电机、步进电机、压力传感器、位移传感器、电磁铁等器件的选型，最后介绍了本试验中力矩电机的控制方法。第五章：测控系统的软件设计。本章主要介绍了基于LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台设计的测控系统。第六章：总结和展望。总结了研究工作的内容，分析了工作过程中遇到的问题并提出了对问题的解决思路和今后研究的方向。第二章 试验条件分析及方案设计驻车制动手柄的性能包括多个项目，依据试验大纲规划的试验项目，本文主要研究驻车制动手柄的强度耐

16、久性能，其中包括静强度、冲击强度、连续高负荷强度、操作耐久性能和满行程性能试验。为方便研究，将试验大纲简化分为静强度试验部分、疲劳试验部分、冲击试验部分和测量控制系统四大部分，逐一对其试验内容、试验条件、评定标注进行分析，提出一种可行的解决方案。2.1驻车制动手柄载荷加载点的选取汽车驻车制动系统主要由操纵手柄、拉绳、制动器等组成，当汽车停止运动后，须将驻车制动手柄拉起，手柄通过拉绳作用于制动器上，锁死汽车车轮，达到制动的目的。手柄拉起后通过自身的棘齿和棘轮达到自锁的目的，在手柄释放前，整个制动系统一直处于工作状态。在日常使用过程中，按照手柄的结构和人们的使用习惯，手柄前端约50mm处是手柄载荷

17、主要作用点，图2.1形象地表示了手柄载荷加载点的位置。在一些特殊情况（如紧急制动）下，驾驶员会本能的迅速拉起制动手柄，此时手柄会承受更大的负载。为使试验条件贴近实际使用环境，本项目的力矩加载点、重锤冲击点都是在此处，横向加载时力的方向垂直于图2所在的平面。随着使用次数的增加，棘爪和棘轮的磨损也会比较严重，本项目中也涉及到这方面的测试，具体试验测定项目和评价标准见附录。图2.1 手柄加载点说明图2.2驻车制动手柄性能仿真分析为更好的了解手柄的性能以及理解试验条件和试验评价标准，为试验台的机械结构设计和传感器的选型提供数据参考，我们首先使用建模分析软件对手柄的静强度和冲击强度性能进行了仿真研究。借

18、助CAD和CAE技术，我们可以对研究对象的结构、外形、静态结构、动态特性等进行认知和研究。CAD和CAE软件不仅仅完成了“传统设计方法”中的人工计算、绘图等工作，其强大的造型功能更是帮助设计者完成更富有想象力的结构和外形设计。不仅如此，设计者还可以借助它们强大的分析算法和求解器完成力学性能、结构性能等的仿真和优化。常用的CAD/CAE软件有CATIA、SolidWorks、ANSYS、ADAMS等。首先，我们测量了驻车制动手柄实物的尺寸参数，并使用SolidWorks三维建模软件进行三维模型的建立，如图1.1所示。然后我们使用CAE工具对手柄的疲劳试验和冲击试验进行了仿真研究。我们选择使用AN

19、SYS_Workbench软件完成这些工作。ANSYS_Workbench较经典ANSYS来说界面更加友好和人性化，并且Workbench与众多CAD软件有良好的接口，有利于模型信息的导入。因篇幅有限，对分析前的处理，如材料属性的定义、单元格的划分、约束的添加等工作不做详细说明。2.2.1手柄冲击强度特性的分析为保证与实际试验环境一致而又不缺少仿真试验的意义，仿真时我们对重锤的质量从小到大加载，直至与试验条件要求一致，其他试验条件不变。我们逐一分析了手柄所能承受的冲击。当重锤的质量为2kg，下降距离为600mm时，对手柄冲击强度的分析结果如图2.2所示。从图中可以看出，棘齿处的应力较小，并没有

20、受到破坏。继续加大重锤的下降高度，当重锤高度约1300mm时，棘齿破坏较严重，此高度可以认定为手柄的破坏高度，所以在冲击试验台的设计时，试验台支架高度必须满足此要求。2.2.2静应力分析按照试验要求分别对手柄做向上拉、向下压和横向加载仿真分析。手柄的形变分析结果如图2.4所示。从仿真分析结果可知，手柄受横向载荷时产生的形变较大，最大形变位移达到了3.6mm左右。图2.2 手柄冲击试验应力分布图a：向下压试验 b：向上拉试验 c：横向加载试验图2.4 向下压试验应力分布图2.3各部分试验方案设计2.3.1静强度试验部分在静强度试验中，分为向上拉、向下压和横向加载三个试验。这三个试验都是在手柄加载

21、点施加载荷，测量力矩加载过程中操纵手柄产生的位移量，根据载荷位移图判断手柄是否达到标准。力矩加载的实现有多种方式，常用的有液压加载、气压加载和力矩电机加载等。液压系统可以实现较大的力矩加载，输出位移受外负载影响小，动作响应性快，但液压系统容易发生泄露污染环境，使用和维护保养存在一定困难。气压系统以空气为工作介质，成本低，即使泄露，对环境污染也很小，但气压系统存在运动不平稳、响应速度慢、刚性差、控制元件的体积较大等不足。文献16、3435都使用了气动加载方式，由于本试验台体积的限制以及为了使试验台更加轻量化、控制更加集成化，我们否定了气动力矩加载方案。力矩电机体积较小、响应快、力矩输出波动小、控

22、制方便，突出的特性是它具有软机械特性，可以堵转。与力矩加载电机相比，液压系统和气压系统相对比较复杂，占用体积较大，维护不方便且维护费用较高。基于以上分析，力矩加载我们选用力矩电机来实现。在向上拉和向下压试验中，可以使用四杆机构来完成执行动作。选用四杆机构可以模仿实际使用时人拉压手柄的动作，并且综合考虑了2.2节中疲劳试验系统的特点。机构示意图如图2.5和图2.6所示。本试验中的压力传感器和位移传感器都需要固定安装，为此需设计专用的安装夹具。在横向加载试验中，由于加载力矩的方向发生了变化，需要改变电机的安装位置，拟设计一种可以调整安装方向的通用底座。 图2.5 向上拉、向下压结构原理图 图 2.

23、6 横向加载结构原理图力矩电机虽然可以不通过减速装置直接与负载连接，但本试验中最大载荷达1000N，直接连接负载电机很难正常工作。所以在试验中，设计了摩擦型皮带传动机构作为系统的动力传动装置，主要考虑到皮带传动有过载保护功能。皮带传动还有其他的一些优势：如传递平稳、吸振、两轴心间距较大等。2.3.2疲劳试验部分疲劳试验系统主要指在连续高负荷强度试验和操作耐久性能试验中完成模仿真人操作制动手柄的动作：包括手柄的往复循环和相应的按钮操作。试验时，将被测试手柄按实车状态固定在试验台上。手柄的往复动作的完成采用2.1节中的四杆机构，如图2.7所示。动力元件可以选用2.1节中的力矩电机。在静强度试验中的

24、，棘爪和棘齿始终是啮合在一起的，手柄的按钮始终处于释放状态，而在手柄的往复运动中，需要在手柄复位运动（即向下运动）时将按钮按下，保持与实际使用中的操作相同。在本试验中我们选择一款体积相对较小、重量较轻的可以产生推拉动作的电磁铁完成手柄按钮的按动和释放。图2.7 疲劳试验结构原理图本试验的难点是需要确定手柄棘爪的具体位置，控制系统需要依此控制电机的正反转，棘爪的位置可以通过角度传感器测量手柄转过的角度来确定。根据试验要求，连续高负荷强度和满行程试验棘爪行程为1到12齿，操作耐久性能试验棘爪行程为1到5齿。也就是说，棘爪从第1齿运动到第5齿或第12齿时，控制系统需要判断出棘爪到达了此位置，并控制电

25、磁铁动作释放手柄按钮和控制力矩电机执行反转，当回到初始位置时又可进行同样的操作。2.3.3冲击试验部分冲击试验是为了检测驻车制动手柄在受到外力冲撞时其安全性和可靠性是否符合要求的试验项目。冲击试验机分为落锤式和摆锤式，本小节主要研究落锤式冲击试验装置。试验大纲要求，拉杆以200N的载荷弹性固定于第四齿，用2kg重物自由落体冲击手柄加载点，测量对手柄棘齿造成完全破坏时重锤下降的高度，本文中称其为破坏高度。根据试验要求，冲击试验采用落锤式冲击方式。在是否为重锤安装导轨的问题上我们进行了反复讨论和验证。为保证落锤能准确对手柄加载点冲击，以及防止冲击过后重锤产生不确定性运动，为重锤设计了导轨引导其下落

26、，在冲击完成后又可防止重锤随意跌落。但是加入导轨的落锤在下落过程中难免会与导轨产生摩擦，这是与试验条件相悖的地方。根据文献1的介绍，使用每秒2000-2500帧的高速摄像机，测得加入导杆前后，落锤与被测件接触速度误差小于%51，这一结论表明自由落体的重锤和加入导轨的重锤在冲击手柄前的速度相差甚小。根据动能定理，在此过程中能量损失很小，可忽略不计。综合上述分析和安全考虑，试验中选择为重锤加装导轨的方法。重锤的质量只有2Kg，所以他的提升可以使用步进电机来完成，释放动作可以使用电磁铁完成，它与手柄的距离则可以通过激光测距仪获得。2.3.4测量控制系统测量控制系统（以下简称测控系统）的种类很多，大体

27、可分为基于单片机的测控系统、基于PLC的测控系统和基于计算机的测控系统。根据所做试验的需求搭建合适的测控系统，不仅能够出色完成测控任务，还能实现较好的性价比。本课题试验项目较多，不同的试验所使用的传感器类型、执行机构不同，要求不但能够实时展现当前手柄、各传感器、各执行机构等的状态，而且能够实现数据的存储、显示、打印等功能，基于此并考虑到降低经济成本，我们选择使用基于虚拟仪器技术的计算机测控系统。计算机测控系统具有良好的应用灵活性和控制多样性，在以后的系统维护和升级提供了便利。基于PC机的测控系统的典型结构如图2.8所示5。关于计算机测控系统更详细信息可参见本文4.1节的内容。图2.8微机化测控系统的典型结构就本试验来说，对力矩电机等执行器的控制可以选用运动控制卡（或者具备控制功能的数据采集卡），工控机主机发送开关量信号对运动控