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1、题目名称：卡丁车的制动性能的检测与研究 一、制动性能检测的重要性：汽车的制动性能是汽车重要的使用性能之一，汽车制动性能直接影响汽车行驶、停车的安全性，是保证汽车安全行驶的重要因素之一，因此也是汽车检测诊断的重要。汽车具有良好的制动性能。在紧急情况下可以化险为夷；在正常行驶时，由于制动系统的安全保障作用，可以提高汽车的平均行驶速度，从而提高汽车的运输生产效率。因此，汽车制动性能对于汽车行驶安全性和运输生产效率都有重要影响。因此，无论是新车出厂检测还是在用车辆，都将其作为重点测试项目之一。二、制动性能检测的原理：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方面来评价。其中，制
2、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，由制动力、制动减速度、制动距离和制动时间来评定。制动性能的检测通常可分为道路检测法和室内台架试验法。与道路检测法相比，室内台架试验法具有迅速、准确、经济、安全、不受外界自然条件限制。试验重复性好和能定量地指示出各车轮的制动力或制动距离等优点。因此，采用了制动试验台检测制动性能的方法。汽车制动试验台型式多样，按原理分为反力式和惯性式，按试验台支承车轮型式可分为滚筒式和平板式。目前用的最多的是反力式滚筒制动试验台。汽车制动力是指汽车制动时，通过车轮制动器的作用，地面提供的对车轮的切向阻力。汽车在制动力作用下迅速降低车速以至停
3、车。对于一定质量的汽车来说，制动力越大，制动减速度越大，所以制动力是从本质上评价汽车制动性能的参数。制动力对汽车的制动性能具有决定性的影响。进行检测时，被检测汽车驶上试验台，车轮置于主、从动滚筒之间，放下举升器。通过延时电路启动电动机，经减速器、链传动和主、从东滚筒带动车轮低速转动。车速稳定后，驾驶员踩上制动踏板，车轮在车轮制动器的摩擦力矩Tu作用下开始减速。此时，滚筒对轮胎边缘作用有切向的制动力，根据牛顿第三运动定律即作用力与反作用力定律知轮胎对滚筒有大小相等、方向相反的反作用力。在F1和F2的作用下，测力杠杆端的力经传感器化为与制动力大小成比例的电信号，传输到相应的数据采集机构，最终输入并
4、记录在主机中。在采集一定的数据后，主机发出指令使电动机停转，以保护车轮，期间第三滚筒的转速传感器起着至关重要的作用，检测结束后，车辆即可驶出制动试验台。图1为被测车轮在试验台上进行制动时的受力情况。根据力学平衡原理可列：G为轮重; N 、N 为滚筒对车轮的支撑反力；F 、F 是滚筒与车轮间产生的摩擦力即制动力；F为支撑在地面的非测试车轮通过车桥对受检车轮轴的作用水平推力；是摩擦角；是车轮与滚筒间所构成的夹角,即安置角;L 为前、后滚筒中心图 1 滚筒式制动试验台的受力关系 当车轮制动时，试验台提供的制动力极限值为： 制动距离是指汽车在规定的道路条件、规定的初使速度下紧急制动时，从脚接触制踏板起
5、至汽车停止时汽车驶过的距离。它包括制动系统反应时间，制动力增加时间和最大制动力持续制动时间内行驶的距离。其制动距离可估算为： 制动减速度是指汽车制动时，汽车速度下降的快慢程度，其制动减速度j与汽车制动力的关系可用下式表示： 汽车制动过程的经历时间，如图2所示。图2 制动过程曲线示意图（实线表示左制动，虚线表示右制动）主要的检测方法除了反力式滚筒检测方法外，还有惯性式制动检测方法。惯性式制动试验台的滚筒相当于一个移动的路面，试验台上各对滚筒分别带有、轮，其惯性质量与受检汽车的惯性质量相当。因此滚筒传动系统具有相当于汽车在道路行驶的惯性，制动时，轮胎对滚筒表面产生阻力，虽然这时驱动滚筒传动系统的动
6、力(如电动机或汽车发动机的动力)已被切断。但由于滚筒传动系统肯定有一定的惯性，因而滚筒表面将相对于车轮移过一定距离。这种试验台的主要检测参数是各轮的制动距离，同时还可测得制动时间或减速度。 惯性式滚筒制动试验台按同时检测的轴数不同可分为单轴式、双轴式。双轴惯性式滚筒制动试验台的结构简图，如图2所示。 图2 双轴惯性式滚筒制动试验台简图 1-飞轮 2-传动器 3、6变速器 4-测速发电机 5、9光电传感器7- 可移导轨 8、12- 电磁离合器 10-移动架 11-传动轴 13-万向节 14-后滚筒 15-前滚筒 16-举升托板 17-移动架驱动液压缸 18-锁紧液压缸 19-第三滚筒 20-第三
7、滚筒调节器 试验时，被检车驶上试验台后，前、后滚筒组之间的距离可用液压缸17调节，调节后用液压缸18锁紧。由汽车发动机动力驱动轮驱动后滚筒组旋转，左右主动滚筒用半轴与传动器2相连，并经变速器3、万向节13、电磁离合器12、传动轴11、变速器6、传动器2带动前滚筒及汽车前轮一起旋转。此时按被检车辆行驶时的惯性等效质量配置的飞轮1也一起旋转。当达到试验转速时，断开连接各滚筒的电磁离合器，同时作紧急制动。车轮制动后，滚筒飞轮依靠惯性继续转动，滚筒能转动的圈数相当于车轮的制动距离。在规定试验车速下，滚筒继续转动圈数取决于车轮制动器和整个制动系的技术状况。滚筒转动圈数由装在滚筒端部的光电传感器5转变为电
8、脉冲送入计数器记录，在滚筒的端部还装有测速发电机4测定试验车速。为防止汽车制动时向后窜出，在后滚筒组后装有第三滚筒19。三、制动性能检测的机构：由于反力式滚筒制动试验台具有以下：造价低；齿槽式滚筒（表面经镀铬或其它耐磨处理）耐磨性好，使用寿命能达10年以上；对轮胎磨损小。滚筒表面粘砂（或采取其它处理工艺）附着系数高测试能力强；测试速度较高,制动测试稳定性好；滚筒直径大，车轮与滚筒接触面增大，迟滞损失减小等优点。因此，我使用的机构为反力式滚筒制动试验台。3.1反力式制动检验台的结构简图： 反力式制动检验台的结构简图如下图3所示。图3 反力式制动检验台结构简图 反力式滚筒制动试验台是一种低速静态测
9、立式制动试验台，以各车轮的制动力作为检测参数，由滚筒装置、驱动装置、举升装置、测量装置、指示与控制装置等组成，各部分之间的关系如下： 滚筒装置：有左右独立装置的两对滚筒构成，可以单独测试同一轴左右车轮的制动力。被测车轮置于两滚筒之间，滚筒相当于活动路面，用来支撑被检车轮并在制动时承受和传递制动力。 驱动装置：由电动机、减速器和链传动组成，电动机转动经减速器驱动主动滚筒，主动滚筒有通过链传动带动从动滚筒旋转。 举升装置：由举升器、举升板和控制开关等组成。其功用是使汽车平稳地进入试验台。 测试装置：主要由测力杆和传感器组成。被测车轮制动时，测力杆和减速器壳体起绕主动滚筒轴线摆动，传感器将测力杆传来
10、的与制动力比例的力变为电信号输送到指示与制动装置。 指示与控制装置：目前制动试验台控制装置大多数采用电子式。为提高自动化与智能化程度，有的控制装置中配置计算机。指示装置有指针式和数字显示式两种。带计算机的控制装置多配置数字显示器，但也有配置指针式指示仪表的。图4 制动力测试原理图3.2传感器： 传感器是一种转换装置，是以一定精度将被测的物理量转换为与之相对应的容易检测、传输或处理的信号的装置。传感器装置技术是现代信息技术的主要内容之一，深入研究传感器的类型、原理和应用，研究开发新型传感器对科学技术、生产过程中的自动控制和智能化发展，以及不断提高人类认识自然都具有重要的现代意义，为适应现代科学技
11、术的发展，世界很多国家都将传感器技术列为现代的关键技术之一。 制动检测仪主要有以下各传感器所构成：加速度传感器，制动踏板力传感器及数据采集，微机处理器C8051F206、LCD显示器/键盘、微机打印机、串行通信及数据存储等组成，其硬件组成框图如图5所示：LCD显示器/键盘加速度传感器微机打印机RS232C8051F206单片机踏板开关DS1302AT24C256MAX756. 图5 制动检测仪（有各种传感器所组成）的硬件组成框图3.2.1 微处理器选择：经分析，我们决定采用C8051F206单片机。C8051F206芯片具有如下优点：一是运行速度快。该芯片采用流水线指令结构，70%指令的执行时
12、间为1个或2个系统时钟周期，当工作在最大系统时钟频率25MHz时，执行速度可达25MIPS；二是ADC输入口较多。最多可达32个12位ADC输入，每个引脚都可被配置为ADC输入。且采样速率100ksps，不必外加ADC芯片就能满足需要；三是片内存储空间大。该片具有8KB的FLASH存储器，256 B数据SRAM和1024 B的XRAM；四是调试方便。该片片内支持JTAG调试功能。五是安全机制可靠。该片具有7种复位源，大大提高了运行可靠性，并利用JTAG口编程对芯片加密，提高了系统的保密性；六是具有工业级工作温度范围，能满足系统的使用要求。3.2.2 加速度传感器的选择： 加速度传感器选择摩托罗
13、拉公司的2260D，该传感器用单一5伏电源，测量范围为1.5g，对应输出直流电压范围为1.3-3.7伏，线性度好，无须放大即可与单片机方便连接。3.2.3 LCD显示器的选择：LCD显示器选择LM3033B，该液晶显示模块均是使用带中文字库ST7920控制器进行驱动。主要特性有：内置汉字字库、提供8192个1616点阵汉字（简体）、内置128个168点阵字符、绘图显示画面提供一个64256点的绘图区域GDRAM、含CGRAM提供2组软件可编程的1616点阵造字功能、单5V电源供电、显示分辨率：12864点。3.2.4 数据存储及时间芯片选择：该仪器为便携式道路测试仪器，所以需要大量数据存储，为
14、便于接口及数据保存，选用AT24C256非易失串口存储器。用于保存最多256次测试结果。时间芯片选择DS1302用于保存每次测试的日期和时间。3.3制动性能检测检测台的设计： 相比于其他类型的检台，由于惯性式滚筒制动检测台结构简单、体积小、易于控制、操作方便，因此检测台的采用滚筒惯性式设计，检测参数有制动距离和跑偏量。3.3.1关于部分检测量的一些基本计算 不同类型的检测台需要检测的汽车制动性能的要求是不一样的，因此在检测汽车性能之前根据所检测的汽车相关的信息计算出所设计的检测台，从而比较精确地测出所需的各项数据，评价出汽车的性能。我所设计的检测台需要计算以下几个数据来体现汽车的综合性能：（1
15、）工作机所需功率及所需的转速 kw r/min r/min kwV -传送速度; D -鼓轮直径; T-鼓轮轴所需的功率(2)从电动机传送到工作机器的总效率 h 带传动V带的效率=0.940.97 取= 0.95一对滚动轴承的效率=0.980.995 取= 0.99一对齿轮传动的效率=0.960.98 取= 0.97联轴器的效率=0.990.995 取= 0.99 (3) 电动机的输出功率 KW(4)电动机的额定功率Ped 取 P ed= 5.5 kw 电动机额定转速的选择： 其中: -电动机转速; iv -V带的传动比; -高速齿轮的传动比； -低速齿轮的传动比; -工作机的转速；展开式双级
16、圆柱齿轮减速器传动比 =936；选取V带传动比 =24=802.626420.96 r/min飞轮滚筒的质量和轴径：传送速度 V= 0.7 m/s ，鼓轮直径 D= 300 mm ，鼓轮轴所需扭矩 T=900Nm制动距离是在规定的初速度下急踩制动踏板，从脚接触制动踏板至车辆停住时行驶过的距离。由于已得到实时车速，所以制动距离是实时车速的积分。（1）式中，S为制动距离(m); v为制动初速度(km/h)；t为协调时间(s)；i为制动减速度(m/s2)。3.3.2根据数据设计的制动检测台的基本结构 根据测试出的数据，我设计的检测台基本结构如图6所示。1电机 2、3、5传动链 4滚筒组 6光电式传感
17、器 7电磁离合器 8机架 图6测试试验台的局部图如图7：小齿轮大齿轮设计出的检测台基本组成由以下各部分：检测台由电机、传动链、滚筒、光电式传感器、电磁离合器、底架和控制装置（图6）组成。电机是用来提供动力。传动链包括皮带盘、两个皮带轮、四根轴、两条链条、四个链轮组成，一起用来传递动力。两个皮带轮用来减小电机提供给滚筒组的转速。链轮和链条用来确保每一组滚筒组的主从滚筒转速相同。滚筒组由4个大小相同的滚筒分为左右两组组成，用来传递动力带动车轮转动、传递制动力、承重和模拟汽车运动时的惯量。滚筒表面经切削加工形成沟槽，用来提高滚筒表面的附着系数使达到0.65左右。光电式转速传感器用来测定滚筒转速和制动
18、距离。电磁离合器结合光电式传感器用来使左右滚筒组在达到预定转速后分离开来。控制装置主要有计算机、放大器、A/D转换器、数字显示器和打印机等组成，用来对信号进行采集、处理和显示并打印出来。机架是用来安装检测台，具有好的刚度和相应的强度。3.3.3制动检测台的基本运行原理:在进行车轮制动力检测时，被检汽车驶上制动试验台，将一对车轮置于主、从动滚筒之间并将另一对车轮用东西卡住，防止在踩下刹车后卡丁车向后运动。起动电动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮低速旋转，待车轮转速达到30km/h并稳定后，光电式传感器把信号传给控制系统，控制系统经分析处理后切断电机电源、使电磁离合器分离并提示驾驶员踩下
19、制动踏板。滚筒在车轮制动器的摩擦力矩作用下开始减速旋转，直到完全停止下来。光电式传感器发出的电信号经放大滤波后，送往AD转换器转换成相应数字量，经计算机采集、贮存和处理后，计算出制动距离和跑偏量由数码显示并由由打印机打印出来。3.3.4测试检测台系统的硬件组成：测试检测台的检测主要功能是由硬件系统和软件系统的相互协调、相互配合所完成的。其硬件系统主要是由测量控制模块、信息采集模块和信息处理模块等三部分构成的。测量控制装置主要有计算机、变频器、串口转换器、电动机（有时测低速时加减速器）等器件组成；信息采集装置由轴式编码器和数据采集卡构成；信息处理装置主要用在于计算机的编程控制，软件设计等；数据处
20、理功能包括控制曲线图的显示，制动距离的计算，车辆跑偏量的计算以及数据保存等。如图8所示，为硬件系统的组成结构关系。图8 测试检测台系统的硬件组成结构3.3.5测试检测台的硬件组成及器件选型：测试检验台中的硬件系统中的器件主要是由电动机、编码器、数据采集卡、变频器、减速器等组成的。下面将会根据计算的结果来确定各种器件的类型。电动机：Y系列笼型三相异步交流电动机其效率高、工作可靠、结构简单、维护方便、起动性能较好、价格低等优点均能满足工作条件和使用条件。根据需要运送型砂，为防止型砂等杂物掉入电动机，故选用封闭式电动机。根据本装置的安装需要和防护要求，采用卧式封闭型电动机。 Y(IP44)笼型封闭自
21、扇冷式电动机,具有防止灰尘或其他杂物侵入之特点。故优先选用卧式封闭型Y系列三相交流异步电动机。依照上面理论计算选用下列型号：电动机型号 Y132S-4 额定功率kw 5.5 同步转速r/min 1500最大转矩额定转矩 2.3 满载转速r/min 1440 质量kg 68编码器：一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，主要用来监测机械运动角速度。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。由于不需要定位轴的转动角度，所以采用增量式编码器。其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。
22、数据采集卡：指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡。 变频器：把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。保证变频精度以保证电机转速调节的精准度，同时
23、考虑变频倍数范围及反馈装置的复杂程度等综合因素，我们选用富士FRN0.75E1S-7C电压矢量型变频器，市场价约1130元。其参数如下：输入电压等级 容量 输入交流电压三相400V 0.4-3.7KW 三相380-480V/50，60Hz减速器：减速器的作用是减速增扭，其减速比根据电动机的转速和滚筒的测试转速确定。由于测试车速较低，滚筒的转速也较低，一般在40-100r/min范围。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杆减速与一级齿轮减速。光电码盘：采用光电码盘进行检测。光电码盘测距基本原理如图9所示。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接
24、受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。 图9 光电码盘测距的基本原理图3.3.6硬件系统各器件工作的整体流程图 硬件系统各器件是通过下图的关系完成测试检测台的复杂过程的。在转速调整过程中，通过计算机的调节与控制使变频器，变频器则通过两个电机的同步转动时左右两轮的同步转动，其整个过程是通过数据采集卡的采集数据来实现的。子两滚筒转速相同时，由数据采集卡进行数据采集过程，也即制动性能检测的真正过程。 图10 硬件各系统工作的整个流程图3.4信号采集与处理：在“中介”数据采集卡采集数据以及信号之后，计算机及相关的硬件系统对信号的处理流程如图11所示。由
25、光电转速传感器接收信号，经过放大器以及光电转速传感器A/D转换计算机串行接口键盘打印机接口驱动电 机打印机显示器放大滤波 图11 信号处理流程图3.5软件开发：车辆制动性能检测系统是一个完整的测控平台，它具有数据采集，自动控制，数据处理等功能。其中，数据采集功能包括采集安装在滚筒端部的圆编码器输出的脉冲信号和采集车辆制动踏板踏下时发出的制动信号。自动控制功能体现在对滚筒转速的精确控制。数据处理功能包括控制曲线图的显示，制动距离的计算，车辆跑偏量的计算，数据保存等。因此该系统的软件部分由以下功能模块组成：变频器启动/停止命令子程序，变频器频率控制子程序，变频器串口通信子程序，转速控制子程序（PI
26、D控制，模糊逻辑控制），制动信号采集子程序，制动距离检测子程序。3.5.1滚筒转速检测程序：滚筒转速检测程序主要负责检测滚筒的转速以及车辆的制动距离。检测部分的程序思路为：创建一个定时循环，循环周期为0.5秒，当进入循环时，打开PCI-1780采集卡，读取计数器记录的脉冲个数，复位，关闭采集卡。如此反复循环，每0.5秒检测一次滚筒转动的角度，即可检测到滚筒的转速。3.5.2制动信号采集程序：制动信号是由操作者踩踏制动踏板产生。制动踏板和行程开关相连，当制动踏板被踏下时，开关闭合，由此发出一个制动信号。数据采集卡具有数字量输入功能，无输入时默认为高电平，因此可将行程开关与地相连。当开关闭合时，输出低电平信号。采集到制动信号后，同时给变频器发送停止工作命令，即进入制动状态。 程序收集数据并处理数据的具体流程如下：【参考文献】：赵英勋现代汽车检测与故障诊断北京国防工业出版社2007陈涣江 许洪国汽车检测与诊断技术北京人民交通出版社2009杨忠敏 肖永清汽车检测技术入门北京科学技术文献出版社2007麻友良，汽车电路分析与故障检测北京机械工业出版社2007王遂双汽车电子控制系统的原理与检修北京北京理工大学出版社1998陈涣江汽车检测与诊断（上册）北京机械工业出版社2007
