〔大学论文〕E4LABVIEW的轿车制动器台架试验机测控系统设计（含word文档） .pdf

摘要摘要 先进的摩擦试验机测控技术对于制动器试验台性能研究的深入开展有着重要 意义。随着计算机技术的飞速发展，自动化测试技术也日趋成熟，将其应用于制 动器试验台己成为制动器试试验技术研究的一个重要内容。 本文中所研制的汽车 制动器台架试验机测控系统， 正是将计算机测控技术与制动器试验机有机地结合 的产物。 本文采用虚拟仪器技术， 进行了汽车制动器台架试验机性能试验自动测试系 统的硬件研究及软件设计。硬件上采用速度传感器、压力传感器和温度传感器等 检测各试验数据， 实现了对各参数的自动采集。 软件上在 labview 虚拟仪器开 发平台上，采用图形化、模块化设计方法，实现了采集信号的实时显示，控制信 号的准确输出， 试验数据的正确处理及应用数据融合技术对性能参数进行拟合从 而实现性能曲线的自动绘制。 整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全等优点，试验结果表明研制基 于虚拟仪器的制动器台架试验机自动测量控制系统， 增加了试验过程的稳定性多 样性，缩短了开发时间，节省开支，提高了测试精度和试验效率，可广泛应用于 科研院所和生产厂家，具有较高的推广应用价值。 关键词关键词:制动器试验台虚拟仪器数据采集labview abstractabstractabstractabstract the advanced brake testing technology has the important meaning to the thorough development of brake testing performance. along with swift development of computer technology,the automated test technology is also mature day by day, applies it in the brake testing machines has become an important content to the brake testing performance research. the brake testing machines performance system developed in this article is precisely combined by the computer technology and the brake testing machines. this article uses the virtual instrument technology, carried the hardware and the software design on the brake testing system .on the hardware we use the velocity sensor，the pressure sensor and the temperature sensor and so on to examine each testing data, it has realized automatic gathering of various parameters .on the software we use the platform of labview, adopted the modulation design method, has realized the gathering signal real time and display，control accurate output of signal ,correct processing of tentative data，draw and fit the performance curve of parameter through using data inoculation technology. the overall system has the merits of friendly surface， easily operation， completed function and so on, the test result indicated that the application of vl on brake testing system increased the testing stability, reduced the development time, the save expenses，improved the test precision and the experimental efficiency .the system can widely apply in the scientific research institute and the manufacture, and has the high promotion application value. keykeykeykey wordswordswordswords: brake testingvirtuall instrumentdataacquisitionlabview 目录 摘要1 abstractabstract2 1 1绪论绪论 4 4 1.1国内外汽车制动器试验台的发展现状5 1.2虚拟仪器 labview 的发展现状和应用.6 1.3课题背景及本课题研究的目的和意义8 1.4本课题研究的主要内容9 2 2制动器试验台结构及原理制动器试验台结构及原理 10 10 2.1 制动器试验台的机械结构及原理10 2.2制动器试验台的测量控制原理12 2.2.1制动器扭矩的测量.12 2.2.2制动器转速的测量.13 2.2.3制动器温度的测量.16 2.2.4制动器压力的测量.18 2.3制动器试验台的其他数据的获取20 3 3制动器台架试验机软件系统设计制动器台架试验机软件系统设计. . 22 22 3.1labview 程序设计原理22 3.2labview 操作界面23 4 4试验与分析试验与分析 24 24 4.1台架试验的基本原理24 4.2台架试验机试验标准流程26 4.3制动器试验台的操作面板和数据处理27 4.3.1制动器试验台的操作面板.27 4.3.2实验数据处理.28 5 5总结总结 30 30 5.1主要结论30 5.2未来发展展望30 参考文献参考文献 32 32 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论 自第一辆汽车的出现至今，轿车（即汽车）已经历了多个发展阶段。但无论 轿车如何发展以及今后又会出现新的更新换代,其制动系统的重要性却从未改 变。制动性能的好坏直接关系到行车安全。制动系统的好坏也是衡量整车质量的 一个重要因素。为此，对制动器试验台的研究尤为重要。 制动器试验台是制动器研究中不可缺少的重要环节， 是评价制动器能否满足 使用设计要求的最重要实验之一。至今为止，世界各地已出现一系列的成熟的制 动器试验机，包括德国krauss制动试验台，美国chase制动试验台，国产mm-1000 摩擦试验台以及吉林大学机电设备研究所jf系列试验台等针对这些制动器实验 机各研制部门有不同的软件平台控制，而随着测试技术的发展，虚拟仪器的不断 成熟， 将虚拟仪器与汽车制动器台架试验机相结合以形成新的测控系统将成为客 观的趋势。 以labview为代表的虚拟仪器开发和应用的活跃源于1986年的美国， labview是一种基于图形化的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚 拟仪器的概念， 将现有的计算机主流技术与革新灵活易用的软件和高性能的模块 化硬件结合在一起， 建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制 系统来代替传统仪器功能的研发、应用趋势。同时labview所具有的即时在线 检测控制与在线交流功能也将促使本课题的研究具有更广大的使用范围。 它与汽 车制动器试验台测控系统的结合也必将引领制动器测控行业未来的发展的趋势。 为此， 开发一套具有自主知识产权同时便于大规模推广的基于易操控的虚拟 仪器的轿车制动器试验台测控系统有着非常现实和重要的意义。 1.11.11.11.1国内外汽车制动器试验台的发展现状国内外汽车制动器试验台的发展现状国内外汽车制动器试验台的发展现状国内外汽车制动器试验台的发展现状 汽车制动器是指产生阻碍车辆运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中 也包括辅助制动系统中的缓速装置。 目前， 汽车所用都制动器几乎都是摩擦式的， 可分为鼓式和盘式两大类。 制动器实验台是检测制动器性能的主要装置， 如今国内外有关制动器试验台 的型式很多，其典型代表如德国 krauss 制动试验台，美国 chase 制动试验台， 日本的 jaso 制动试验台，国产 mm-1000 摩擦试验台以及吉林大学机电设备研究 所 jf 系列试验台等。图 1-1 给出了 krauss 摩擦制动器试验台的外观图。 图 1-1krauss 摩擦制动器试验台的外观图 对汽车制动器摩擦性能的测试设备为摩擦试验机，用它可以测试汽车摩擦 片在不同工况条件下的摩擦系数、制动力矩和磨损性能。目前世界各国所使用 的摩擦试验机大体分为以下几种类型： 1、小样摩擦试验机 这种试验机是对从摩擦片成品按规定要求取下的样品（试样）进行摩擦系 数和磨损性能试验。目前执行有定速式摩擦试验机、chase 摩擦试验机、mm 1000 摩擦试验机。 测试标准为：定速式摩擦试验机我国执行的是 gb/t5764-98 和 gb/t 17469-98 标准，日本采用的 jaso-c418、jaso-c4411，其它地区采用的是 cns 2586-d2002 标准。chase 摩擦试验机世界上通用的测试标准是 sae-j661 等，mm1000 摩擦 试验机我国采用的是 qc/t475-1999 标准。 2、实样摩擦试验机 实样摩擦试验机的特点是采用原尺寸刹车片、原配制动钳和制动盘为试验 对象，对鼓式制动器是采用原尺寸制动蹄和原配鼓为试验对象。目前国内外所 使用较普遍的是 krauss 试验机。 测试标准主要就是德国的 pv-3212 与 pv-3211 标准。 3、惯性台架试验机 惯性台架试验机又称 1：1 惯性试验台（dynamometer） ，是利用飞轮动能 等量模拟车辆动能对制动器加载，能较好地模拟车辆制动器的实际工况 测试标准为：qc/t479-1999（货车、客车制动器台架试验方法） 、qc/t564-1999 （轿车制动器台架试验方法） ，国际标准有 iso 11157，sae-j212、jaso-c441、 vw-tl-110 等标准。 我国汽车制动器摩擦衬片（或衬块）制造业发展较快，但是试验方法不完 整， 具有自主知识产权的汽车制动器试验台与国外先进汽车制动器试验台制造厂 商比仍具有相当大的差距。 我国目前已成为世界汽车生产大国，汽车零配件要对不同国家不同地区多 种型号、品牌汽车的生产进行供应，但是存在技术优势低、产品技术含量差、 缺少自主产权的问题。要扩大世界市场的竞争力，就必须采用高水平、经济实 用、国际认同的测试标准，提升产品质量以及科技含量。因此，在制动器摩擦 性能测试领域，应该研究开发更先进的试验方法和装置。 1.21.21.21.2虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器 labviewlabviewlabviewlabview 的发展现状和应用的发展现状和应用的发展现状和应用的发展现状和应用 电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪 器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代数 字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将 模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速 响应和较高准确度的测量。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行 自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪 器。它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而 言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现代计算机技 术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，r 如 今虚拟仪器产业发展已经大量普及并广受欢迎。 虚拟仪器开发和应用的活跃源于 1986 年的美国，以 labview 为代表。它 是一种基于图形化的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概 念， 将现有的计算机主流技术与革新灵活易用的软件和高性能的模块化硬件结合 在一起， 建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来代替 传统仪器功能的研发、应用趋势。虚拟仪器的实质是充分利用最新的电脑技术来 实现和扩展传统仪器的功能,由用户自己设计、自己定义,满足自己的特殊要求. 随着不断的发展其功能更加灵活、强大。另外还更容易与网络、外围设备,以及 其他应用连接,对于数据采集、系统控制、远程传送,都非常方便。 20 多年来广大的工程师和科学家们见证了 labview 的发展（如图 1-2）和创 新，labview 凭其核心的图形化编程理念，突破了原先数据采集与仪器控制的应 用领域， 蜕变为设计、 控制与测试的图形化系统设计标准平台， 其强大的特性 （详 全的专业附加工具包、灵活多样的计算模型、从 pc、fpga 到芯片级的运行平台 等）进一步帮助工程师在同一个 labview 平台上集成从设计、原型到发布的全过 程，全面提高整个工程流程的效率。 图 1-2labview 持续 20 多年的创新历程 如今的 labview 在测试、测量与自动化领域已经处于“无处不在”的领先地 位，帮助工程师和科学家们高效地完成各自的应用，实现工程创新.与此同时， 在消费电子（iphone 的产线测试） 、汽车电子（bmw 氢能7系硬件在环测试） 、航 空航天（波音飞机噪声定位测试） 、石油化工（nexans 公司石油勘察系统） 、绿 色工程（加州大学对哥斯达黎加进行雨林环境监测）等等领域，labview 也都扮 演着举足轻重的角色，甚至于2008年北京奥运会的“鸟巢”与“水立方”体育场 健康监测系统都是用 labview 来开发完成的。 最新的 labview 已经支持多线程技术并添加了多核技术，而未来的 labview 功能将更加强大，他在电子测量行业的运用将更加普遍和广泛，这样一来，研究 基于 labview 的轿车制动器台架试验机测控系统将更具有现实意义。 1.31.31.31.3课题背景及本课题研究的目的和意义课题背景及本课题研究的目的和意义课题背景及本课题研究的目的和意义课题背景及本课题研究的目的和意义 制动器试验台架的作用，就其本质来说是摩擦材料的试验和验证。我国的 摩擦材料试验检测设备是在引进国外设备的基础上发展起来的。目前，在用的设 备中有从日本、美国、德国进口的各种类型的试验检测设备，也有国内厂家生产 的检测设备，其试验原理、试验方法和设备技术水平都有较大的差异。近年来， 随着电脑的普及以及价格的不断降低， 给制动器检测设计工作提供了一种新的选 择， 即以电脑为核心设计一套专业应用软件并配备一定的外围装置而构成的新的 轿车制动器试验台测控系统。 本课题正是从以上问题出发， 研制一套基于 labview 的轿车制动器台架试验 机测控系统。该系统的基本特性为：性价比高、可操作性、灵活性高，能满足一 般轿车摩擦总成的摩擦特性的测试分析功能， 并能同目前市场上主流的数据采集 分析系统的数据格式相兼容。 基于 labview 的轿车制动器台架试验机测控系统的研究、 设计与推广对制动 器检测、 设计和研究及虚拟仪器的开发和应用在理论上和工程上都有着深远的意 义。 首先，labview 作为一种图形化编程语言将 adc 数据采集、信号分析、工程 算法、标准接口总线通信、可程控仪器驱动程序、文件 i/o 甚至网络联接，表示 为相应的图标，供编程者选用；编程者自编的应用子程序，也可形成带 i/o 的图 标；各应用程序的调入、运行、关闭，从内存释放及时间控制都由图标联结的方 块图表示。即使很复杂的特大型应用程序的层次也十分清晰，最上层流程方块图 简洁、明快。图形化编程语言继承了传统编程语言结构化和模块化的优点，而且 更直观。这不仅使得信号的采集、分析和处理过程变得更方便而精确，也促进了 虚拟仪器在测试系统中研究、发展和应用。 其次，在现实生产实践中，各种不同型号不同厂家的制动器台架试验机其检 测控制系统软件平台也各不相同，而将电脑与检测数据收集装置相连，利用已经 成熟并通用的虚拟仪器软件 labview 作为测控平台将大大提高检测的水平， 以便 研究开发新的高性能高安全性的制动器。 一方面，目前市场上出售的制动器台架试验机其操作系统和平台各异，不同 型号之间的检测数据只能被其自身硬件系统采集到的信号进行分析处理， 各类数 据分析系统之间的数据格式不兼容， 一个系统采集到的数据文件无法在另一种数 据采集分析系统上进行分析处理的。另一方面，对于测控系统的更新维护，也困 难重重，甚至必须重新购买整套制动器台架试验机，花费昂贵且不经济。而基于 lab view 的制动器台架试验机测控系统很好地解决了这些问题。数据采集，分 析处理，共享，以及软件操作和更新都可以简单实现。为广大用户提供了便捷与 实惠。 1.41.41.41.4本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 本课题是在考虑国内市场上的主要汽车制动器台架试验机测控系统的实际 测控原理及方法和技术参数等的情况下，采用基于 labview 的虚拟仪器设计思 想，设计一套基于 labview 的轿车制动器台架试验机测控系统。本文以武汉祥龙 摩擦材料设备模具有限公司的 xl258 汽车制动器试验台为参考进行系统硬件设 计，数据采集工作由数据采集卡完成，测控系统的测量控制部分基于虚拟仪器 labview 设计，其他功能均由软件实现，设计出一套基于 labview 的新型轿车制 动器台架试验机测控系统。 2 2 2 2制动器试验台结构及原理制动器试验台结构及原理制动器试验台结构及原理制动器试验台结构及原理 台架试验要真实的反映制动器的实际工作状态，必须对其实际工况进行全 面模拟，加之试验项目繁多、试验标准不统一，制动器台架试验机必然是一个 复杂的系统它包括机械系统、液压与气动系统、冷却除尘系统及中央测量控 制系统。本章在对台架试验机进行理论分析的基础上，设计了一套台架试验机 计算机测量控制系统，并对系统的各个环节进行了简要的介绍。 2.12.12.12.1 制动器试验台的机械结构及原理制动器试验台的机械结构及原理制动器试验台的机械结构及原理制动器试验台的机械结构及原理 进行试验台设计时,在满足试验台技术要求的前提下,还应考虑到各部分的 设计要素。 对于主传动系统,应该考虑能够使机械惯量正确模拟制动器实际工况, 并且保证工作可靠;对于试件夹具系统,应该考虑定位的准确与可靠;对于尾座系 统,应该考虑制动蹄与制动鼓对接时的同轴度,保证制动力矩的精确度。同时,设 计时还应考虑测量系统的精确性和滞后性、整个试验台的噪声和振动、试验台的 寿命与成本等问题。 试验台采用单端机械惯性试验台型式,分为机械、气液和电控部分。传动系 统采用直流无级调速电机驱动,直流电机具有启动力矩大、干扰小、可频繁启动 的特点。试验台通过机械惯量来模拟整车的惯量,具有很高的稳定性和可靠性。 被试制动器旋转部分(制动毂)经过渡法兰盘装于主轴上,非旋转部分装于滑台主 轴上,两者保持在车辆上的相对位置。 在计算机指令下,直流电机驱动主轴与飞轮 升速至设定的转速。然后制动器在设定的条件下对主轴进行制动。计算机系统经 过传感器和放大器记录下制动过程中的压力,力矩,温度,减速度,制动距离,制动 时间,磨擦功等信息,并可由 crt 显示,或彩色打印输出。冷却系统可按设定风速 冷却。 试验台计算机控制系统可以对检测的数据进行处理、显示、存储、检索及输 出并可进行实时控制,并结合预先输入的分组参数对产品进行质量性能的判断。 试验台的结构如图 2-1 所示。 1.基础底座系统 2.直流调速电机 3.导向键 4.联轴器 5.轴承座 6.锥轴 7.飞轮组 8.集流环 9.试件夹具系统 10.尾座滑移系统 11.测力臂 12.通风冷却系统 13.飞 轮装卸系统 图 2-1制动器试验台结构示意图 制动器试验台的工作原理是首先主电动机驱动主轴旋转， 接着由预先指定压 力的气压通过气缸对摩擦元件作正向(轴向)加压。 利用气压缸推动右侧机床滑台 轴向左运动，从而实现制动器的动盘和静盘相互摩擦，产生摩擦力矩实现对试验 台主轴的制动，在制动过程中，制动器不断吸收能量直至机床主轴停止运动。 摩 擦力矩通过安装在静摩头轴上的等强度梁传出， 摩擦温度由焊接在静摩块上的热 电偶传出，通过变送器进行转换。制动器动试件采用非接触式热电偶测温仪来检 测摩擦温度。气压的压力通过压力变送器进行转换，主轴的转速通过安装在摩擦 机上光电传感器进行测量。 磨损量通过装在试件的一侧的高精度激光位移传感器 测得。作刹车试验时，装配惯性轮以模拟实际惯量的一部分，其余采用电机来模 拟惯性能，达到设定转速后即可脱开离合器，送气加压刹车。在制动过程中通过 传感器检测制动力矩和速度以及压力， 从而计算出摩擦材料的磨损量及摩擦系数 等参数。如图 2-2 为制动器试验台结构原理图 测速发电机 数据采集卡调速器 计算机 扭矩、 转速 传感器 减速机 制动器直流电机 温度压力 传感系统 图 2-2制动器试验台结构原理图 2.22.22.22.2制动器试验台的测量控制原理制动器试验台的测量控制原理制动器试验台的测量控制原理制动器试验台的测量控制原理 制动器试验台作为汽车制动器各项性能测量的基本装置， 可以实时测量制动 器的很多参数量值。其中包括：制动扭矩，转速，摩擦片温度，踏板压力，制动 时间等。并可以由这些参数得出其他量值如车速，制动距离，制动减速度，平均 制动减速度，摩擦片摩擦系数，制动过程所做的功等。下面简述各个参数的测量 方法和原理。 2.2.12.2.12.2.12.2.1制动器扭矩的测量制动器扭矩的测量制动器扭矩的测量制动器扭矩的测量 扭矩的测量用于计算摩擦试验机的轴功率和效率。 电机转矩测量设备和测试 方法种类很多，就一般中小型电机来说，有机械测功机、涡流测功机、磁粉测功 机、电机测功机等。但这些测功机都只适用于测量静态和稳态力矩，电阻应变式 扭矩传感器可用于测量动态扭矩。 电阻应变式扭矩传感器是利用应变片将扭矩产 生的剪应变(通过某种装置转变成正应变)转换成电量而进行测量的。 本系统采用的 akc-205 扭矩传感器是以电阻应变计为电阻转换元件的传感 器。电阻应变计是基于金属电阻丝的电阻一应变效应。所谓应变效应是指金属导 体(电阻丝)的电阻值随应变(伸长或缩短)而发生改变的一种物理现象。 在传感器 的弹性体上粘贴有电阻应变计并组成惠斯通电桥。给电桥通上激励电压，在扭矩 的作用下， 弹性体产生变形， 应变计由此产生电阻变化， 从而使电桥发生不平衡， 电桥输出一与扭矩成线性关系的电压信号。然后通过导流环把信号引出来。 akc-205 扭矩传感器性能参数如下: 因扭矩传感器输出信号为 mv 信号，不能直接输入计算机中。所以用 ts-22 智能扭矩测试仪将 mv 信号转换成的 o5v 电压信号。ts-22 智能扭矩仪还具有峰 值保持和报警功能，采样速率为 1000 次/秒。试验时，将传感器通过联轴器加 装在摩擦试验机轴和电机轴之间，在电机带动摩擦盘转动的过程中，扭矩传感器 感受扭矩信号并转换成 o16mv 的电压信号，此电压信号再经过扭矩仪输出 o5v 电压进入数据采集卡，最后在计算机中进行处理。 2.2.22.2.22.2.22.2.2制动器转速的测量制动器转速的测量制动器转速的测量制动器转速的测量 转速计根据其工作原理可分为计数式、模拟式和同步式三大类。计数式转速 测量的方法是用某种方法数出一定时间内的总转速;模拟式的测量方法是测由瞬 时转速引起的某种物理量(如离心力、发电机的输出电压)的变化;同步式的测量 方法是利用己知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测出转速。 它的测量方法是利 用磁电转换器将转速变换成电脉冲，适用范围为测量中、高速的数字式转速计。 在本系统的试验机设计中， 上试样的旋转是通过电机来实现的。 要得到速度信号， 可以通过测量电机的转速获得并采用测速传感器进行测量。 本文采用新捷中旭公 司生产的 cs-cct-01 型磁电转速计(位置型测速传感器)。 磁电式转速传感器 cs-cct-01 该磁电式转速传感器常用于发动机速度测量，当齿轮旋转时，通过传感器 线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，通过对该电压处理 计数，测出齿轮的转速。 特点： 可检测齿轮、曲轴、轮辐、等转动且有缝隙的表面输出信号强 抗干扰性能力强 无需供电 无需控制装置提供任何激励电路 安装使用方便 可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用 输出电压的变化： 输出电压随转速增加而增加， 输出电压随气隙增大而减小， 输出电压波形取决于齿轮相对于敏感头的尺寸和形状。 主要参数： 检测距离（敏感头和齿轮之间垂直距离范围）：0.251.02mm 工作温度：-10+125 齿直径：0.51mm 直流电阻：20015(25) 测速范围：7099999 转/分 输出电压：130v 正弦波信号 输出阻抗 200 输出频率：hz=齿轮数量*齿转速/60 抗振动：20g 磁电转速传感器测速原理 图 2-3磁电转速传感器测量原理图 磁电式传感器结构如图 2-3 所示，中间的磁头与外面的金属壳构成磁力回 路，当被测轮的齿正对着磁头时，磁路中磁阻最小;被测轮的齿凹槽正对着磁头 时，磁路中磁阻最大。当被测轮旋转时，由于磁路中磁阻的变化引起磁通量的变 化，在传感器的感应线圈内磁通量发生变化，产生感应电动势，输出近似正弦波 电信号，该信号输入转速数字显示仪，负半波由仪器内部电路滤去，经放大整形 得方波。为了在 1 秒钟内测出电机的转速(r/m)，故被测轮边缘上制出 60 个齿， 轴转一圈产生 60 个信号，设轴每分钟转 n 转，一分钟等于 60 秒，此时一共可产 生信号为 （2-1） 则在 1 秒钟内产生的信号的个数刚好是每分钟的转速， 因此与传感器相连的转速 数字显示仪的测量时间定在 1 秒上。 （2-2） 其中 v(t)为瞬时线速度(耐 s)，cr(t)计算机采集到的转速(rpm)，r1 为摩 擦半径(m) 1 ( )( ) 2. 60v tcr tr= 2.2.32.2.32.2.32.2.3制动器温度的测量制动器温度的测量制动器温度的测量制动器温度的测量 大量试验研究证明，刹车片的工作机理是当有机基体刹车片与对偶件（一般 是铸铁）相摩擦时，复合材料的各自部分会按自身特性，形成不同的摩擦磨损形 式。其现象十分复杂。一般地，在制动初期，表面温度不高，但制动片的工作特 点在于短时间内，摩擦系数和温度的巨大变化。摩擦副要在极短的时间内耗散很 大的能量，致使摩擦面上产生大量的热。当制动器温度较高时（高于100）， 不仅制动力矩急剧下降，而且会导致相邻部件的损坏。随着行驶速度及载重量的 不断提高，高速重载下所产生的摩擦热也越来越大，单位面积所吸收的摩擦 热越来越大， 摩擦元件升温严重， 对制动器的抗热衰退性， 制动稳定性影响很大， 因此，制动器摩擦热的进一步研究势在必行。 制动器在工作过程中动态温度研究尤为重要。 但是测量制动器表面的动态温 度存在着许多困难。由于测试的是两个相互接触的表面，两种材料相互贴合， 测 试仪器布置困难，其次由于从微观角度看制动器表面摩擦属于微凸体接触问题， 即使同一区域温度相差也较大，闪点温度维持时间也很短，这给制动器表面动态 温度测量带来了很大的难度。 目前国内外在制动器温度测量技术上常采用的方法 有：热电偶测温技术；红外测温技术、制动片表面贴覆测温、温度记忆螺钉等。 红外热成像仪价格昂贵，测量精度易受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、 大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响；表面贴覆测温元件破坏被测表面 的温度场；温度记忆螺钉方法复杂，成本也较高。此处我选用热电偶。与其他测 温方式相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。这种测试手 段属于接触式温度测量，测试位置比较明确和灵活，测试数据动态响应快，具体 测量点的温度值准确度高。但是制动器摩擦表而的温度很难测量，所以表而温度 常用位置距表面0.51 mm 处的点来代替。此外，热电偶的鲁棒性、可靠性和快 速响应时间也是其重要的因素。且热电偶适用于中高温测量，价格低，正适合本 试验项目。 按中华人民共和国机械工业部部标准qc/t 5561999 汽车制动器温度测量 和热电偶安装规定， 规定用热电偶进行制动器温度的测量， 并推荐插塞式热电偶。 在靠近制动衬片（块）长宽方向的中心处，钻一通孔（孔径随安装的热电偶型式 而定），并应避开筋或散热片。将热电偶测量端固定于孔内，不得松动，偶头距 摩擦表面为1.0 mm。在制动鼓（盘）摩擦面宽度方向的中心，钻通孔（孔径随安 装的热电偶型式而定），将热电偶测量端固定于孔内，不得松动，偶头距摩擦表 面0.30.5 mm，将热电偶引出线与集流环连接。测量制动液温度时，热电偶安 装于制动轮缸的放气螺钉上，装用之前，需作压力试验，经过半小时，不得有泄 漏现象。压力试验应为制动轮缸最高工作压力的1.2 倍。 本试验台温度信号的采集采用集流环技术. 其工作原理：轴套（轴）随被测 量轴一起旋转，当用电阻应变片测量旋转轴上所承受的扭矩，及其他负荷引起的 应力等，可在被测轴上贴上电阻应变片、电阻应变片的引线焊在集流环接线盘的 焊点上，旋转时，轴受扭力，就会产生扭力，就会产生扭矩变形，使贴于其上电 阻发生变化，通过滑环及电刷将变化有信号引出，送至相应的二次仪表放大， 显 示或记录。适当调整检测体和测头间的距离l，就可调整脉冲信号的大小。测量 温度用的铜环与炭刷组成铜环炭刷集流环，以传递制动时制动鼓的热电偶信号。 本实验采用设计采用kw4802热电偶温度传感器作为采集温度数据的基础， 其参数 如下： kw4802型热电偶温度传感器为镍铬镍硅型，测温范围0-1100； 输出信号：4-20ma直流信号，接线方式：二线制，三线制，四线制 基本误差：0.5%f.s，0.2%f.s,0.1%f.s 工作电压：普通型12-35v，智能型12-45v，额定工作电压为24v 显示方式：pc控制面板 允许负载：250-350 工作环境： a.环境温度常规型：-10-85；数显型：-25-70；智能型：-20-75 b.相对湿度：5%-95%，机械振动f50hz，振幅0.05mm c.温度影响系数：0.05%/ 下面是用热电偶温度传感器测量温度的具体步骤和流程图： 选择实验项目， 针 对实验要求， 调节 好各项实验条件 进行试验并采集 数据 按计划逐渐调 整实验条件 计算机输出实验 结果 实验结束 固定试件 开始 图2-4 热电偶温度传感器的测量流程图 即：第一步，将被试制动器制动鼓（盘）通过夹具系统固定在试验台上， 同 时把制动片（块）固定在尾座滑移系统上；第二步，选择试验项目，并针对试验 要求，调节好电机转速、飞轮组惯量、制动管路压力等试验条件；第三步，进行 试验，通过传感器采集所需试验数据，并根据试验要求，在试验过程中调整试验 条件；第四步，通过计算机输出试验结果，停止试验。试验流程如下：准备磨 合第一次效能试验第一次衰退-恢复试验第二次效能试验第二次衰退 试验第二次磨合第三次效能试验制动器磨损试验记录。 2.2.42.2.42.2.42.2.4制动器压力的测量制动器压力的测量制动器压力的测量制动器压力的测量 工作原理 压电式拉力和压力传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 这 些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷; 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态。 本文采用 cky 型系列扩散硅压力传感器，其参数如下： cky 型系列扩散硅低、中压力传感器，该传感器采用了进口扩散硅充油芯片，具 有精度高、 可靠性好、 运行稳定等特点， 可广泛应用于对不锈钢无腐蚀性的石油、 化工、石化、机械、科研、建材、大专院校、食品等行业。 可选择内置式变送器，标准信号 010ma、420ma 或 05v 输出 技术参数：技术参数： 量程 kpa2.0、4.0、6.0、800 mpa1.0、1.2、3.0、5.0、10.0、20 输出mv/vmv 4-20ma 0-10ma 0-5v 0-10v 任选 综合精度%fs0.3 零点温漂%fs/100.2 工作电源v dc9v12v24v 工作温度-20+80（按客户要求） 输出方式二线、三线、四线 过载压力%fs200 压力介质与 316 不锈钢兼容的气体、液体 材质合金钢 缧纹接口m201.5 或m1211/4 管螺纹（按客户要求） 下图为其外形图： 用一元回归方程得到电压和力的关系。对其进行误差分析，分析每个点的非 线形度竹，结果列于表 2-2 中，由表可见，simax1%。电压输出和负载力保持 了良好的纷性关系，能满足摩擦学测试的要求。 表 2-2电压和力的相应关系 而其他参数如车速，制动距离等在数据处理里面讲到。 2.32.32.32.3制动器试验台的其他数据的获取制动器试验台的其他数据的获取制动器试验台的其他数据的获取制动器试验台的其他数据的获取 在系统通过一系列的传感器直接测得制动扭矩，制动转速，摩擦片温度， 压 力等参数的基础上，我们还可以通过有效的计算获得其他的有用参数。如摩擦片 的摩擦系数，制动减速度，平均制动减速度 mfdd 以及制动过程制动器所作的功 等。下面列举部分数据的获取方法： 车速：采用周期法进行车速脉冲的测量，根据车速传感器对应的计数器值 计算出实际车速： （2-3） 式中：v为实际车速；毛为基准参考时钟频率；m为车速传感器脉冲 当量；p为传感器参数；c为车速传感器对应的计数器值。 制动减速度：当采样区间无限减小时，三次样条函数及其一、二阶导数均 收敛于被插函数及其一、二阶导数，故用样条函数的导数近似车速在各采样节点 的导数，以节点处被插函数的二阶导数为参数来构造车速的三次样条插值函数， 则制动减速度为： （2-4）0 3.6f m km hv c =（/ ） 22 11 i111 ( )()()(),( ,) 226 iiii iiiii mmvvh v tttttmmtt t hhh + + =+ 其中 （2-5） 平均制动减速度：充分发出的平均制动减速度(mfdd)的计算公式为： （2-6） 式中：v为试验车的制动初速度，vb为08v试验车车速，vc为o1v试验车 车速； sb为试验车车速从v到vb的行驶距离， sc为试验车车速从v到vc的行驶距离。 另外，摩擦片摩擦系数也可以由一定的公式得出，这里就不做深究了。 1 11 2 3() 4 ii iii vv mmm h + + += 22 2 (/) 25.92() bc cb vv mfddm s ss = 3 3 3 3制动器台架试验机软件系统设计制动器台架试验机软件系统设计制动器台架试验机软件系统设计制动器台架试验机软件系统设计 3.13.13.13.1labviewlabview 程序设计原理程序设计原理程序设计原理程序设计原理 本系统是基于图形化编程语言 labview 为软件平台的制动器台架试验机测 控系统，根据已经分析的制动器实验台机械结构以及各参量的测量方法和途径， 通过以下流程进行软件设计。 当试验台开始运行，各传感器接受到相应的测量信号，然后通过 daq 数据采 集卡与 pc 机相连。 此前 pc 机上 labview 平台应事先根据各传感器特点对每个传 感器传送过来的数据进行接收处理，以获得有用的实时检测量值。对于虚拟仪器 平台还应将各传感器测量系统进行有机结合，在同一界面显示各直接测量数据， 如扭矩，温度，压力等，以及通过相应的变换、数据分析进行处理得到车速， 摩 擦系数，mfdd 等，利用这些数值对制动器的各项性能进行检测评估。 当然， 此之前在设计虚拟仪器平台系统的时候要根据各个传感器数据特征设 置相应的环境参数以及初始参数等。如下图，为其程序结构图： 开始 转 速 传 感 扭 矩 传 感 温 度 传 感 压 力 传 感 pci230 6 数 据 采集卡 参数设置 选择并开始试 验 计算机处理平台 显示数据打印 结束 图 3-1 程序结构图 3.23.23.23.2labviewlabviewlabviewlabview 操作界面操作界面操作界面操作界面 基于 labview 设计的软件测量控制系统不仅可以实时测量制动器的扭矩， 温 度，压力，转速等，还可以做相应的效能实验、衰退恢复试验。基于 labview 的汽车制动器台架试验机测控系统其软件操作平台具有全面的可观性， 简洁的面 板，清晰明了的操作流程以及精确、稳定的测量控制性能。下图为其操作界面之 一，为扭矩、压力、转速测量分析界面。 图 3-1温度、压力、转速测量分析界面 下图为这个系统的实时测量监控系统，除此外海可以对相应参数进行设置， 标定以及打印报表等。 图 3-2基于 labview 的试验机测控系统 4 4 4 4试验与分析试验与分析试验与分析试验与分析 4.14.14.14.1台架试验的基本原理台架试验的基本原理台架试验的基本原理台架试验的基本原理 通常，惯性台架试验是将整体的制动器安装在台架试验机上，采用飞轮或 电模拟惯量蓄能，按照规定的方法模拟汽车的实际制动过程，测试制动器总成 的制动效能、热稳定性、衬片磨损以及强度等项性能，从而得到制动器摩擦和 磨损性能的数据。 制动时，汽车的动能包含汽车平移质量运动的动能和旋转机件旋转时所贮 藏的动能两部分。惯性台架试验机采用旋转的惯性飞轮模拟汽车的上述两部分 动能，并略去非制动器的制动作用来进行制动器总成试验。台架试验中，要使 被试制动器总成与装在汽车上的制动器总成的工作状态相同，工作负荷相同。 图 3-2 说明了制动器总成在汽车和试验机上的动能关系。 由动能的概念得知： （4-1） 由此可知，汽车的动能与试验机的动能有如下关系： （4-2） 经推导得出： （4-3） 式中：ia汽车等价转动惯量，kg.m.s 2 g0汽车空载质量，kg ga汽车满载质量，kg r车轮滚动半径，m v0开始制动时的车速，m/s vi制动终了时的车速，m/s 汽车车轮角速度，rad/s g重力加速度，m/s2 汽车转动机件的当量空车质量系数 公式 4-3 给出的是整个汽车质量与试验机惯量的关系式， 试验中一般只对一 个制动器或两个制动器进行试验测定。汽车上四个车轮中每个车轮都承担负荷， 因此有必要考虑前后制动器的制动力分配比： （4-4） 式中：前、后车轮的制动力分配比 ff前轮制动器的制动力 fr后轮制动器的制动力 这样，每一个前后制动器负荷所对应的转动惯量为： （4-5） （4-6） 式中：if前制动器相对应的转动惯量 ir后制动器相对应的转动惯量 当量空车质量系数，载货车试验中取为 7% 台架试验中，还要保持试验机主轴转速与试验车速的相应关系： （4-7） 式中：v车速，km/h n试验台主轴转速，r/min 换算单位后得到： （4-8） 试验中，在保证试验条件与制动器实际工况相同的条件下，给被试制动器施 加一定的驱动力，即可测得该制动过程中制动器的制动力矩、制动时间、制动管 路压力、相当于整车状态的减速度以及制动器的温度等。 4.24.24.24.2台架试验机试验标准流程台架试验机试验标准流程台架试验机试验标准流程台架试验机试验标准流程 目前国际上台架试验标准多种多样， 各生产厂家采用的标准均不统一。 在此， 仅以我国的 qc/t479-1999货车、客车制动器台架试验方法为参考进行简要 介绍。 qc/t479-1999 规定了货车、客车的制动器总成台架试验的项目、方法及程 序，适用于总质量为 1800kg 至 30000kg 的车辆行车制动器。试验项目包括效能 试验、衰退恢复试验、噪声测定和磨损试验。试验台安装制动鼓轴的转速值由公 式 3-8 计算，试验中选用的飞轮惯量由式 3-5（前制动器）或 3-6（后制动器） 计算。详细的试验步骤见表 4-1。 表 4-1 qc/t479-1999 试验步骤 4.34.34.34.3制动器试验台的操作面板和数据处理制动器试验台的操作面板和数据处理制动器试验台的操作面板和数据处理制动器试验台的操作面板和数据处理 4.3.14.3.14.3.14.3.1制动器试验台的操作面板制动器试验台的操作面板制动器试验台的操作面板制动器试验台的操作面板 本文基于虚拟仪器 labview 设计了台架试验机的操作面板，已基本实现其 控制自动化，全部试验都是在计算机的控制下自动完成的。台架试验机的软件系 统提供了完整的试验程序设计、 执行、 试验数据保存、 分析、 试验报告生成功能。 其主操作界面如图 4-1 所示。 图 4-1制动器惯性试验机主操作界面 4.3.24.3.24.3.24.3.2实验数据处理实验数据处理实验数据处理实验数据处理 试验结束后，计算机自动对试验数据进行处理，生成试验报告。下面是以某 型制动器为基准的制动器总成试验结果： 图 4-2某型制动器实时监测结果 总成试验的同时，还可以通过相应界面对我们关心的参数进行全方位的测 量，下面是对扭矩，转速的测量以及摩擦系数的标定： 图 4-3制动器扭矩的测量 图 4-4制动器摩擦系数的标定 5 5 5 5总结总结总结总结 5.15.15.15.1主要结论主要结论主要结论主要结论 本课题源于实际工程项目， 核心任务是设计一种基于虚拟仪器 labview 的 制动器台架试验机的测量控制系统。制动器台架试验项目繁多，兼之试验标准不 统一，决定了制动器台架试验机的复杂性它必须包括机械部分、液压与气动部 分、冷却除尘部分及中央测量控制部分。由于试验机具有大惯性、大时延等特 性，难于精确建立数学模型，实现制动器台架试验机的自动控制有相当的技术 和工程难度。 在本文的成篇过程中，作者主要完成的任务和得出的结论如下： 1 对制动器的结构和理论进行研究，分析其常用的试验方法，进而确定制 动器台架试验机控制系统的基本要求。 2 研制制动器台架试验机的控制系统：以 590+调速器为中心构成转速、电 流双闭环调速系统，实现转速控制。 3 研究虚拟仪器 labview 的性能特点以及在工业自动化方面的应用，并根 据汽车制动器台架试验机的特点设计了一套基于 labview 的汽车