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h w f 5 往复摩擦磨损试验机智能测试系统研究 摘要 减振器是汽车、摩托车中一个关键的零部件，它是汽车、摩托车悬架与车 轮连接的柔性环节，起着缓冲隔振的作用，直接影响行驶的平稳性、舒适性和 安全性。其中最关键的零件就是导向套一活塞杆这对摩擦副，它们的失效很快 会导致整个减振器的失效。因此测试减振器的导向套一活塞杆这对摩擦副的动态 摩擦学性能，研究其磨损机理，提高其使用寿命非常重要。 本文所研究的h w f 一5 往复摩擦磨损试验机的智能测试系统，将计算机技 术、自动化技术以及测试技术与摩擦磨损试验机有机地结合起来，刑于减振器 轴套研究的深入开展有着重要意义。 文章首先在分析减振器往复运动的结构和功能的基础上给出了h w f 一5 往 复摩擦磨损试验机的总体模型，然后建立了往复运动的数学模型，并阐述了试 验信息的获取、传输、处理以及系统的抗干扰技术，最后详细介绍了系统软件 部分的功能、所采用的技术以及系统的性能。 系统利用p c i 一9 1 1 1 多功能a d 数据采集卡和c p 13 4 多功能串口数据采集 卡进行试验数据采集，并借助v b 6 0 和v i s u a lc + + 6 0 编制的测试软件以及相应 的接口电路和硬件设备实现_ ，对摩擦力、摩擦系数、载荷、线速度以及温度信 号的实时采集、分析处理、输出显示以及试验过程的自动调速和加载，可方便 地对摩擦磨损试验进程做出实时、量化的评估和测试。该系统软件部分操作界 面友好；并由于采用多线程技术，系统的稳定性和可靠性得到了保证。另外， 测试功能模块化的设计方法和面向对象软件技术的应用，给往复摩擦磨损试验 机后续升级带来很大的方便。 关键词：智能测试系统往复试验机摩擦磨损 v bv i s u a lc + + s t u d yo fi n t e l l i g e n tt e s t i n gs y s t e mo fh w f 一5r e c i p r o c a t i n g t r i b o m e t e r a b s t r a c t t h es h o c ka b s o r b e ri sak e yp a r ti na u t o m o b i l e so rm o t o r c y c l e s a st h e f l e x i b l ep a r tt oj o i nt h es u s p e n s i o na n dt h ew h e e l s ，i th a st h ef u n c t i o n so fb u f f e ra n d v i b r a t i o ni s o l a t i o n ，w h i c bw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ed r i v i n ge q u a b i l i t y ，c o m f o r ta n d s a f e t y t h ek e yp a r t si nt h es h o c ka b s o r b e ra r et h ef i i c t i o nc o u p i e s g u i d es l e e v ea n d p i s t o nr o d ，t h ef a i l u r eo f t h e s et w op a r t sw i l ll e a dt ot h ef a i l u r eo f t h es h o c ka b s o r b e r t h e r e f o r e i ti sv e r yi m p o r t a n tt om e a s u r ea n dt e s tt h ed y n a m i ct r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ， t oa n a l y z et h ew e a rm e c h a n i s ma n dt oi n c r e a s et h es e r v i c el i f eo ft h et h eg u i d es l e e v e a n dp i s t o nr o di nt h es h o c ka b s o r b e r i nt h i st h e s is ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a u t o m a t i ct e s t i n gt e c h n o l o g ya n d m e a s u r i n gt e c h n o l o g yw e r es u c c e s s f u l l yi n t e r g r a t e di nt h ed e v e l o p e di n t e l l i g e n t t e s t i n gs y s t e mf o rt h eh w f 一5r e c i p r o c a t i n gt r i b o m e t c r i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rt h er e s e a r c ho fg u i d es l e e v e si nt h es h o c ka b s o r b e r f i r s t l y ag e n e r a li n t e l l i g e n tt e s t i n gs y s t e mw a sb u i l tf o rt h eh w f - 5 r e c i p r o c a t i n gt r i b o m e t e rb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n o fr e c i p r o c a t i n gm o v e m e n to ft h es h o c ka b s o r b e ri nt h et h e s i s t h e n ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lf o rt h e r e c i p r o c a t i n g m o v e m e n tw a se s t a b l i s h e dt h e i n t e l l i g e n tc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s i n go ft h et e s t i n gs i g n a l sa n dt h e a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e mw e r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n s o ft h ed e v e l o p e di n t e l l i g e n tt e s t i n gs o f t w a r e t h eu s e dt e c h n i q u e sa n dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h ed e v e l o p e ds y s t e m ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nw a sp e r f o r m e db yu s i n ga p c i 一9 11lm u l t i f u n c t i o na dd a t aa c q u i s i t i o nc a l da n dac p - 1 3 4m u l t i - f u n c t i o n s e r i a lp o r td a t aa c q u i s i t i o nc a r d ；t h ef u n c t i o n so fr e a l - t i m ec o l l e c t i o n ：o n l i n e a n a l y s i s s a v i n ga n dd is p l a yo ft h es i g n a l so ff r i c t i o nf o r c e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， l o a d ，l i n es p e e d ，a n dt e m p e r a t u r ew e r ep e r f o r m e dw i t ht h es u p p o r t so ft h e d e v e l o p e d s o f t w a r e p r o g r a m m e db y v b 6 0 v i s u a lc + 十6 0a n dt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c ec i r c u i t sa n dt h eh a r d w a r e f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e mc a n a u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h es p e e da n dl o a da c c o r d i n gt ot h e s e tp r o c e s s e sd u r i n g t h et e s t t h e r e f o r e ，t h e r e c i p r o c a t i n g t e s t p r o c e s s c a l lb e r e a l - t i m e l ya n d q u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e da n dm e a s u r e d t h es o f t w a r eh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e s 2 d u et ot h eu s eo ft h em u l t i t h r e a di nv i s u a lc + + t h es t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y o ft h es y s t e mc a l lb ee n s u r e d i na d d i t i o n ，t h eu s eo ft h eb l o c k i n gd e s i g no ft h e t e s t i n gf u n c t i o n sa n dt h eo b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r et e c h n i q u ew i l lm a k ei tm o r e c o n v e n i e n tt ou p g r a d et h es o f t w a r eo ft h er e c i p r o c a t i n gt r i b o m e t e r k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt e s t i n gs y s t e m ，r e c i p r o c a t i n gt r i b o m e t e r ，f r i c t i o n a n d w e a r v b v i s u a ic + 十 3 插图清单 图卜i 摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动方式 图2 1h w f 一5 往复摩擦磨损试验机功能结构图 图2 2 往复试验机机械部分装配图， 图2 3 基本型测试系统框图 图2 4 往复试验机测试系统总体框架图 图3 1 液压减震器结构原理图 图3 2 往复试验机结构简图 图3 3 往复运动简化几何图， 图3 4 测力传感器安装位置图 图3 5 加载示意图 图3 - 6v ( t ) 、a ( t ) 波形对比图 图3 7 变频器4 8 5 总线始、终端匹配示意图 图4 1 计算机数据采集系统的硬件基本组成 图4 2 双积分a d 转换器 图4 - 3 逐次逼近式a d 转换器 图4 4 基于p c i 总线的系统逻辑图 图4 - 5r s 一4 8 5 总线拓扑结构图 图4 - 6 模拟输入通道接线图 图5 一l 测试软件界面及功能流程图 图5 2 测试系统设置主界面 图5 3 项目参数设置界面， 图5 4 导向套参数设置界面 图5 - 5 活塞杆参数设置界面 图5 - 6 机构参数设置界面 图5 7 实验设置界面。，。，。 图5 8 测试界面 图5 9 双缓冲区的工作方式示意图 图5 1 0 无触发、双缓冲异步模拟输入操作的功能流程 图5 1 1h w f - 5 往复摩擦磨损试验机试验报告头 图5 1 2h w f _ 5 往复摩擦磨损试验机试验报告数据表格 图5 1 3h w f 一5 往复摩擦磨损试验机试验数据曲线图 图5 1 4 往复试验任意时段瞬态波形显示图 图5 一1 5 示波器显示的摩擦力信号波形 8 0 1 2 1 4 1 6 1 7 1 9 2 1 2 3 2 6 2 8 3 1 3 1 3 4 3 6 3 8 4 2 4 2 4 3 4 3 4 4 4 4 。4 5 4 5 4 7 4 9 5 2 5 3 5 3 5 4 5 4 表格清单 表4 1 工业主要主要通讯标准对比表 表5 - 1p c i 一9 1 1 l 卡操作函数接口介绍表 表5 2 往复摩擦磨损试验机性能参数表 s 3 5 4 8 5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得盒自b 王些太堂 或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 麈要毒 签字日期；驴侔7 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权金月b 王些盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名茂琢 签字日期：6 舞7 月厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：口移年7 月匆日 电话 邮编 己过 厶研 致谢 在论文完成之际，谨向我的导师俞建卫和焦明华老师表示由衷的感谢! 在 我的硕士研究生阶段，两位老师无论在学习还是生活上都给予我最无私的关怀 和帮助。特别是在科研工作中，两位老师渊博的知识、严谨的治学态度以及丰 富的实践经验使我受益终生。同时，从两位老师身一卜学到的为人处事的道理以 及对人生的态度，亦是我研究生学习期间得到的一份宝贵财富。 在我的学习与论文写作过程中，解挺老师、胡献国老师、刘煜老师、尹延 围老师、田明老师也给予我极大的关心和帮助。在此，向几位老师表示最诚挚 的谢意! 今后无论是在生活还是工作中，我都会牢记他们的谆谆教诲，不甘落 后，勇往直前，做有益于社会的人。 感谢尤涛师兄( 兼老师) 在软件设计等方面给予的极大帮助。 同样感谢开元海、陈雪辉、马峰、倪王 、代芳、程鹏等同学，他们给我最 珍贵的友谊的同时，亦在工作学习中提出很多宝贵的建议，使我快乐充实地度 过硕士研究生生活并顺利完成毕业论文。 对于以上老师和同学的关心和帮助，我只希望自己在今后的人生道路上能 够取得更多、更好的成绩，以不负他们的期望。同时衷心祝福他们能幸福一生。 4 李建芳 2 0 0 6 6 1 1 摩擦学定义 第一章绪论 l9 6 6 年英国学者h p j o s t 发表了著名的报告一润滑( 摩擦学) 、教育和 研究( ar e p o r t0 1 1t h ep r e s e n ta n di n d u s t r y sn e e d ) ，系统的阐述了“摩 擦学( t r i b o l o g y ) ”及其在国民经济中的重大意义并被人们普遍关注，也标志 着摩擦学发展成为一门包括摩擦、磨损和润滑在内的跨学科的科学。 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技 术。实际上，摩擦学是研究两表面摩擦、磨损、润滑这三项相互关联的科学技 术的总称，是涉及力学、机械学、材料科学、物理化学、冶金学及生物科学等的 一门交叉性综合学科。摩擦学的研究在_ 丁业生产中对减少损耗、提高效率、节 约能源、提高经济效益方面发挥了重大作用2 “。 摩擦学具有两个重要属性：多学科性，即摩擦学的研究涉及材料、化学、 机械、测试、物理和力学等多个领域；实践性，即摩擦学理论分析往往需要大 量实验研究的支持，其应用更是直接服务于各种生产实践”。在摩擦学研究中， 机械零件的摩擦磨损实验研究及其测试技术的研究对于摩擦学问题的解决具有 重大的意义。 1 2 摩擦磨损试验技术 1 2l 摩擦磨损试验方法分类 摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评 价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用条件的摩擦副元件的最 优参数。= 。摩擦磨损试验研究的内容比较广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机 理以及影响摩擦、磨损的诸因素；评定新的耐磨减摩及摩阻材料和润滑剂性能 等。由于摩擦磨损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁 多，如何准确地获取摩擦磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。 为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素，人们必须 掌握摩擦磨损试验的测试技术和分析方法，因此在摩擦学研究中摩擦磨损试验 的测试和分析具有重要的地位。 摩擦磨损试验可根据实验条件和目的分为两大类：第一类是现场实物摩擦 磨损试验；第二类是实验室摩擦磨损模拟试验。第一类试验是在实际使用条件 下迸行的，这种试验的真实性和可靠性较好，但机器零件在实际使用中的磨损 一般较慢，因而需要较长的周期才能得到试验结果，而且磨损量还需要可靠和 精确的仪器测量。机器在不同工况下运行，由于运行的条件不固定，因而所取 得的测试数据重现性较差，不便研究摩擦磨损的规律性，也难以进行单项因素 对摩擦磨损影响的观察。第二类试验不需要进行整机运行，只需要模拟机器零 件和部件的使用条件，同时可改变各种参数来分别测定其对摩擦磨损的影响， 而且测试数据重现性和规律性较好，便于进行对比分析：还可以通过强化试验 条件，来缩短试验周期和减少费用，可用来重复地对大量的试件进行试验：。 实验室摩擦磨损模拟试验可细分为实验室试件实验和模拟性台架实验：实 验室试件实验是根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损实验机上对试件进行 实验。由于实验中影响因素和工况参数容易控制，因而实验数据的重复性较高， 实验周期短，实验条件的变化范围宽，可以在短时间内进行比较广泛的实验。 试件实验主要用于各种类型磨损机理和影响因素的研究性分析，以及摩擦副材 料、工艺和润滑剂性能的评定。但由于试件实验的条件与实际工况不完全符合， 因而实验结果往往不十分可靠，不能直接应用。模拟性台架实验是在试件实验 的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，并在模拟使用条件下进行台架 试验。由于台架实验的条件接近实际工况，增强了实验结果的可靠性。同时， 通过实验条件的强化和严格控制，可以在较短的时间内获得系统的实验数据， 还可以进行个别因素对磨损性能影响的研究，因此台架实验通常用于校验试件 实验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性1 。 1 2 2 摩擦磨损试验机概述 随着对摩擦学研究的不断深入，人们对摩擦磨损试验的要求也越来越高。 人们根据摩擦磨损的特点制造了具有通用意义的摩擦磨损试验机，用来研究在 不同速度、载衙、温度和介质条件下各种材料和润滑剂的性能，也可以用来进 行各种磨损形式的机理研究。 摩擦磨损实验机试件之间的相对运动方式可以是纯滑动、纯滚动或者滚动 伴随滑动的复合运动，大多数实验机的试件采用旋转运动或是往复运动。试件 的接触形式可以分为面接触、线接触和点接触三种，可以在干摩擦或者介质润 滑的条件下，对摩擦副材料进行粘着摩擦磨损实验、磨粒磨损实验以及接触疲 劳磨损实验研究“1 。通常面接触试件的单位面积压力为8 0 1 0 0 m p a ，常用于磨 粒磨损实验，线接触试件的最大接触压力可达到1 0 0 0 一15 0 0 m p a ，适合于接触 疲劳磨损实验和粘着磨损实验，点接触试件的表面接触压力更高，最大可达 5 0 0 0 i p a ，适用于需要很高接触压力的实验，例如胶合磨损或高强度材料的接触 疲劳磨损实验1 。常见的试验机有以下几种形式： 1 销一盘式磨损试验机： 由一个旋转的平圆盘和一个压在盘上的圆柱销组成，销是试件，其端部可 做成平面、半球形、锥形等，可进行各种摩擦副及润滑材料的摩擦磨损性能试 验，也能进行粘着磨损规律的研究。国内产品型号有m d - - 2 4 0 定速式摩擦试验 机等。 2 滚子式磨损试验机： 上下两个母线接触的圆盘为试样，上下试样的转速不同，可获得纯滑动、 纯滚动、滚动兼有滑动等运动形式。可对材科及润滑剂进行摩擦及磨损性能试 验。适用于研究疲劳磨损等，国产型号有m m 一2 0 0 摩擦磨损试验机，国外型号 阿姆斯勒( a r n s le r ) 磨损试验机等。 3 环一块型试验机： 国外型号有梯姆肯( t i m k e n ) 试验机等。试件用被测材料做成约小于1 0 x2 0 毫米2 的方形平面，试环硬度非常大，与其它材料特别是塑料复合材料等对磨 时，可认为是不被磨的。因此可以直接测量试块在摩擦过程中被磨掉的体积。 据此决定磨损量的相对值。较多用于快速筛选材料的耐磨损性能试验，试验中 如能测出摩擦力的数值可以此计算摩擦系数。 4 四球式试验机： 上球卡在夹头内，可以在不同速度下旋转，下面三个球固定，四个标准球 均为4 ) 1 2 7 毫米，可从：面或下面施加载荷，主要用来评定润滑剂承裁能力， 也可测定摩擦副疲劳磨损寿命，国内有m q 一8 0 0 型，国外有壳牌网球机等型号。 5 端面摩擦磨损试验机： 端面摩擦磨损试验机采用面接触形式，如合肥工业大学摩擦学研究所研制 的 i d m1 0 端面摩擦磨损试验机采用上试样( 圆环接触面，外径中3 0m m ，内 径中2 2m m ) 旋转，下试样( 网片状) 静止的端面接触滑动摩擦形式，在油润 滑和无油润滑条件下，对试样的摩擦磨损性能进行试验检测，该试验机特别适 合于评定自润滑轴承材料、表面薄层或层状复合材料、固体润滑材料的减摩耐 磨特性和综合使用性能。h d m 一1 0 端面摩擦试验机在实际使用中，呵以在很宽的 范围内通过对负荷、转速、时间、温度以及摩擦副配偶材料、光沽度、硬度等 参数进行调整选择，考察试验材料在各种影响因素作用下其摩擦磨损性能的变 化，并根据不同条件下试验参数的变化和试样表面的磨损状况来评定在干摩擦 或油润滑条件卜试样材料的摩擦学特性及其综合使用性能。 6 往复摩擦磨损试验机 在往复摩擦磨损试验机中，采用凸轮顶杆机构对导向套进行加载，i n l 轮顶 杆对顶杆下部的弹簧施加压力，弹簧压缩，产生预紧力，通过弹簧与导向套之 间的顶杆向导向套施加交变载荷。活塞杆的往复式直线运动由曲柄滑块机构实 现，曲柄的旋转是通过电动机带动的，随着电动机转速变化，活塞杆做随机性 往复运动。试验可通过测量摩擦力、摩擦系数和导向套的磨损量来评定试验材 料在载荷、转速、温度、时间等影响因素下的摩擦磨损性能。 常见的摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动方式在图卜l 中列出，其中( a ) 图所示的是四球摩擦磨损试验机的摩擦副接触及运动方式。( b ) 图所示的是环块 试验机的摩擦副接触及运动方式。( c ) 图所示的是往复试验机的摩擦副接触及运 动方式。( d ) 图所示的是端面摩擦磨损试验机的摩擦副接触及运动方式。( e ) 图 p v 摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动方式。 _ 三 ( b )( c ) 图1 1 摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动力式 1 - 3 摩擦磨损试验技术的现有问题及发展 经过研究工作者多年的研究，摩擦磨损试验技术取得了一定的进展，但是 在以下的几个方面还存在不足”“： 1 虽然测试技术和测量仪器仪表的发展为摩擦学的研究提供了方法和设 备，但是局限于测试技术以及电子式仪器仪表设备的发展，试验过程中，通常 仍采用人工读数方式，从而引入了大量的人为误羞，即使是在传统摩擦学试验 系统中采用的记录仪，其读数也只是一种很粗糙的定量表示，仍旧不能满足现 代摩擦学试验对于精度的要求； 2 传统的摩擦磨损试验机，其测试原理是基于传统的测试系统理论，一般 采用不连续测定法，如试验前后称重，测定体积变化等等，摩擦磨损测试往往 不能体现摩擦学的系统性和时变性； 3 测量仪器多采用基于模拟技术的记录仪如电压式记录仪、电流式记录仪， 系统抗干扰性能较差，不能满足现代摩擦学试验的要求，其测量结果也无法反 映极短周期内发生的变化( 例如动静摩擦系数过渡变化、擦伤、咬死等) ，可能 导致试验结果的误差乃至错误的结论。 4 试验参数可变性差( 如：速度、负荷、温度、频率等) ，如国内很多老 式试验机一旦运行就无法改变摩擦运动速度和载荷，对真实工况的模拟就显得 不足。有些试验机电气调速方面多采用基于大功率晶体管、晶闸管和大功率整 流技术甚至直流发电机一直流电动机技术的直流调速系统，速度控制精度上也无 ，b如车意 法满足要求。 5 逻辑控制部分，最初采用按钮和开关进行手动控制，后来出现了继电器、 接触器及其控制系统，用于控制试验机的启动、停止和有级变速，由于这种控 制装置结构简单、直观易懂、维护方便、价格低廉，所以在摩擦磨损试验机控 制上得以广泛应用，但控制系统难以改变控制程序，由机械触点实现开关控制， 触点容易出现松动和电磨损，可靠性较低。 随着计算机的普及，出现了利用计算机辅助摩擦磨损试验的试验机，这种 试验机多采用“传感器+ 信号调理+ 数据采集卡+ 软件”这样一种基于模 数采集卡的基本形式。来自传感器的微弱信号经过后面配接的信号调理电路的 放大和预滤波后输出标准的模拟电压或电流信号，经传输导线送入计算机中的 数据采集卡采样、a d 转换后，存储于计算机中进行运算分析与处理，以适当 的形式输出、显示或记录测量结果n “。 目前，摩擦磨损试验的全自动化、无人化职守已成为一种发展方向，它改 变了试验员在试验工作中的具体定位，将试验员从繁重的试验工作中解放出来， 可以实现在人工最少参与的情况下，按预先编制好的测试程序，完成摩擦磨损 测试、分析处理、显示或输出结果。系统一旦正常工作，各种操作一般都可以 由系统自动完成，可以完成长时间定时或不间断测试。总之，计算机技术的发 展为摩擦磨损在线测试技术提供了新的契机，使其朝着性能提高、功能发展、 价格降低、技术成熟的方向发展一”。 1 4 本课题的研究意义及主要内容 汽车、摩托车减振器( 以下简称减振器) 是汽车摩托车中一个关键的零部 件。它是汽车、摩托车悬架与车轮连接的柔性环节，起着缓冲隔振的作用。减 振器的失效，会直接影响车辆行驶的平稳性和舒适性，有时甚至会导致行驶事 故；而其中最易失效的就是导向套一活塞杆这对摩擦副，它们的失效很快会导 致整个减振器的失效。因此测试导向套一活塞杆往复运动摩擦副的动态摩擦学 性能，研究其磨损机理，提高其使用寿命是一项十分有意义的丁作。 本课题结合模拟此类减振器实际运行工况，研制，一套导向套一活塞杆摩 擦磨损试验台，并对导向套一活塞杆往复运动摩擦副的动态摩擦学特性进行实 时测试。首先，对导向套一活塞杆往复运动机理进行分析，并将其简化，建立 速度、载荷、摩擦力、摩擦系数等信号测量的数学模型：然后进行智能测试系 统的硬件部分和软件部分的设计。 硬件部分包括： ( 1 ) 往复试验机主机、控制柜以及相应的测量机构的设计； ( 2 ) 测试系统中用于信息获取及传输的传感器和二次仪表的选用； ( 3 ) 进行数据采集的数据采集卡的选用； ( 4 ) 在信号获取、传输及处理的整个过程中用于抗干扰的硬件措施。 软件部分包括： ( 1 ) 通过调用数据采集卡驱动程序进行a d 转换以及读取数据信号； ( 2 ) 根据数学模型对采集的信号进行相应的处理； ( 3 ) 信号抗干扰的软件措施； ( 4 ) 试验数据的实时采集、分析处理、输出显示、试验报告打印及试验过 程中报警措施，实现良好的人机对话功能。 1 5 本章小结 本章为绪论部分。首先给出了摩擦学的定义，随后对摩擦磨损实验的目的、 分类方法进行了分析总结；然后简单介绍了几种常见的试验机，并归纳了几种 常见的摩擦副接触形式及运动方式；摩擦磨损试验技术虽然取得了一定的进展， 但仍存在一定的问题，本章对此问题也做了简要概况。在本章最后简单介绍了 本课题研究的意义和主要内容。 第二章h w f 一5 往复试验机测试系统的总体设计 h w f5 往复摩擦磨损试验机是一种高阶非线性系统。它有别于一般的纯机 械系统，有着不同的分析和设计方法。传统设计方法通常是以功能为目标，首 先进行机械主体设计，即从物理的和力学的分析出发，先决定系统的基本机构， 而后把控制系统作为子系统加入到机构当中，或者取代一些机械结构。这是一 种添加和取代的设计方法。添加和取代的设计方法能较容易的提高原有机械设 备的部分性能，对原有设备改动不大。但这种机械技术与电子技术的结合还仅 仅是外部的浅层次的组合，往往不能充分发挥电子技术的优势。 而 i w f 一5 往复摩擦磨损试验机的设计将机械与测试融合在一起作为一体化 的智能体来考虑。在产品设计的开始阶段就充分考虑电子技术、计算机技术、 测试技术与机械技术的结合与集成，将测试系统、传感器等信号处理系统的存 在作为前提来考虑，并采用数字传输测试技术实现对试验过程的智能化控制。：“ ”3 。其功能结构如图2l 所示。 输入能量 拧制信号 一事一一一 ；南e 了 图2 1h w f 一5 往复摩擦磨损试验机功能结构图 2 1 往复试验机机械部分总体设计 往复试验机机械部分主要有电动机、齿轮变速机构、传动机构、加载机构、 往复运动机构等组成，如图2 2 所示。 传统的往复式摩擦磨损试验机加载一般情况下仅限于定量加载，不能够模 拟车辆行驶过程中减振器受力的实际变化，而我们研制的新型往复式摩擦磨损 试验机的加载是由电动机带动凸轮顶杆机构来实现的。为产生变化的载荷，这 里，我们采用偏心凸轮，电动机通过齿轮变速机构减速，带动偏心凸轮做旋转 运动，推动与偏心轮相接触的顶杆作周期性运动。弹簧安装在凸轮顶杆的下部， 安装时加上预紧力，并与顶杆接触。凸轮顶杆在运动过程中对下部的弹簧施加 压力，弹簧压缩量随之变化，对另一方向的顶杆产生交变的力，即对导向套施 加了交变载荷，从而产生了交变载荷p ( t ) 。导向套采用双环结构，交变载荷p ( t ) 对导向套a 加载，并通过活塞杆将力传递给导向套b ，导向套b 承受的载荷与 p ( t ) 大小相同但是方向相反。交变动载荷p ( t ) 可以模拟工况条件在机械设计中 人为设定，如设计成一个频率固定的周期函数，其信息的获得可以通过安置在 加载弹簧下端的测力传感器测得。 图2 - 2 往复试验机机械部分装配图 活塞杆的往复式直线运动由曲柄一滑块机构实现，其结构可以简化为最简单 的曲柄连杆机构。曲柄的旋转是通过电动机带动的，随着电动机转速变化，活 塞杆做随机性往复运动，模拟减振器在复杂的路况下的随机性的往复式运动。 2 2 往复试验机测试部分总体设计 2 2 1 测试技术概述 测试技术( 亦称检测技术) 包含测量( m e a s u r e m e n t ) 和试验( t e s t ) 两个内容， 是指具有试验性质的测量。测量内容指的是把被测对象的某种信息检测出来， 并加以度量；试验内容指的是通过某种人为的方法，把被测系统所存在的某种 信息，通过专门的装置，人为地把它激发出来并加以测量。 我们将包含对被测对象的特征量进行检出、变换、传输、分析、处理、判 断和显示等不同功能环节所构成的一个总体称为测试系统，严格的讲，它还应 包括使被测对象置于预定状态下的试验装置，连接和协调各环节工作的传输手 段及控制部分“。 从被测特征量的检出到最后的处理和显示所连成的一个完整的测试系统， 还可以进一步划分成由若干个较小的分系统组成。例如，以将被测特征量转换 成以电量为主要信号形式的传感器为中心的检出分系统；对检出信号进行变换， 以提高测量效率和便于作数据处理的信号变换分系统；进行测量的测量分系统； 按测试目的对数据进行分析、处理的数据分析处理分系统；以及将所得的有用 信号及其变化过程显示或记录下来的显示或记录分系统等。 一般来说，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 测试过程中的传感器完成信息的提取工作，即将反映被测对象特性的物理量， 如压力、加速度、涅度等，检出并转换为电量( 如电压、电流等) ，然后传输给 中间变换装置；中间变换装置对接受到的电信号用硬件电路进行分析处理，或 经过a d 变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信号或数字信号的方式传 输给显示记录装置；最后由显示记录装置( 如显示器、指示器、记录仪等) 将 测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。一般情况下，一个基 本型的测试系统的组成可用图2 3 来表示n ： 随着信号处理技术的迅速发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，计 算机( 包括其硬件和相应软件) 已成为现代测试系统的有机组成部分。 幽2 - 3 基本型测试系统框图 综上所述，检测技术归纳起来，具有如下三种功能： 过程中参数测量功能； 过程中参数监测控制功能； 测量数据分析判断功能。 2 2 2 现代测试技术的特点 现代测试技术的方向是实现智能化检测，而要达到真正的智能化测试，就 应当包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传 统的测量远远丰富的范畴，是测试设备模仿人类专家信息综合处理能力的结晶 “”。智能检测系统充分利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件 实现系统功能，它具有以下特点： 1 测量过程软件控制 智能检测系统可实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报 警、过载保护、非线形补偿、多功能测试和自动巡回检测。测量过程的软件控 制可以简化了系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性 和自动化程度。 2 智能化数据处理 由于计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此通过计算机使用软件可 对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另外，可以对测量结果进行 再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。 3 高度的灵活性 智能检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都比较容易，功能和 性能指标更改方便。比之传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性大， 每次更改都牵涉到元器件和仪器结构的改变，其优点是不言而喻的。 4 可实现多参数测量和信息融合 智能测试系统可使用多个通道，由计算机对多路测量通道进行高速扫描采 样。因此，智能检测系统可以对多种测量参数进行测试。在进行多参数测试的 基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能测试系统的多传感器信息融 合，从而提高测试系统的准确性、可靠性和容错性。 5 测量速度快 高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所渭检测速度，是指从测量开 始，经过信号放大、整流滤波、非线形补偿、a d 转换、数据处理和结果输出 的全过程所需的时间。目前，高速a d 转换的采样速度在2 0 0 m i l z 以上，3 2 位 p c 机的时钟频率也在1 g l q z 以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速 打印、高速绘图设备也日臻完善。这些都为智能测试系统的快速检测提供了条 件。 6 智能化功能强 以计算机为信息处理核心的智能测试系统具有较强的智能功能，可以满足 各类用户的需要。其智能功能包括：测量选择功能，智能测试系统能够实现量 程转换、信号通道和采样方式的自动选择，使系统具有被测对象的最优化跟踪 检测能力；故障诊断功能，智能测试系统结构复杂，功能较多，系统本身的故 障诊断尤为重要，系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力， 检查各单元故障，显示故障部位、故障原因和采取的故障排除方法；其他智能 功能，智能测试系统还可以具备人机对话、自动校准、打印、绘图、通信、专 家知识查询和控制输出等智能功能。 现代科学技术的迅速发展为测试技术的进步和发展创造了条件。同时，也 不断向测试技术提出更高更新的要求。尤其是计算机技术和微电子技术的发展， 使得测试技术和仪器仪表得到了划时代的进步和发展。仪器仪表向智能化、数 字化、小型化、网络化、多功能化方向发展。近年来，由于计算机软件技术和 数据处理技术的巨大进步，微型、智能、集成传感器的迅速开发，使仪器仪表 的面貌发生很大的变化。测试技术中数据处理能力和在线测试、实时分析的能 力大大增强，仪器仪表的功能得以扩大，精度和可靠性有了很大的提高，与传 统仪器仪表大相径庭的虚拟化仪器也以全新的面目出现“”。 因此，测试技术与计算机技术相结合形成了计算机测试系统。计算机测试 系统具有几方面优越性“： 具有高精度、高分辨率、高灵敏度的特点； 具有高速采集数据的特点； 具有读数准确、方便、操作简便等特点； 具有数据处理功能： 具有先进的显示方式； 具有随意存取测试结果的功能； 具有自检测或自诊断功能。 把计算机的数字处理技术与测试技术相结合，对往复摩擦磨损试验参数进 行在线测量，利用计算机进行试验数据分析处理进而来控制试验过程的方法， 是本课题的研究方向。其中测试系统的总体设计是这一研究过程的前提和基础。 2 2 3 往复试验机测试部分总体设计 本课题以往复摩擦磨损试验机为例，在前期利用计算机辅助摩擦磨损测试 的基础上结合智能仪器、p c i 端口通信技术、面向对象的软件技术来进行摩擦 磨损试验机测试技术的研究。 在上述思想基础上开发的试验机测试系统，包括摩擦磨损试验机硬件部分 和软件部分的开发。硬件部分包括：测试系统中用于信息获取的传感器的选用 以及相应的测量机构设计，信号的放大、整流和滤波的硬件处理，数据采集卡 的选用，还有在信号获取、传输及处理的整个过程中用于抗干扰的硬件措施等。 软件部分包括：通过调用数据采集卡驱动程序进行a d 转换以及读取数据信号， 根据数学模型对采集的信号进行相应的处理；信号抗干扰的软件措施以及整个 系统的分析处理功能，试验数据的实时显示、实时统计、试验数据的保存、试 验报告打印及试验过程中报警措施。 往复摩擦磨损试验机试验过程中，所需测量的物理量有：摩擦力、载荷、 线速度、温度。针对不同的被测量，选用相应的传感元器件，传感器将测得的 物理量转换成电信号，通过二次仪表的信号调理电路对这其进行整流、滤波、 放大处理和进行模数转换成数字量，并由编制的软件程序经p c i 端口发出读取 指令将数字量送入微机系统( 通过与p c i 总线相连接的p c i 一9 1 l l 数据采集卡和 c p 一1 3 4 多串口卡) 进行试验过程中试验数据实时处理、实时记录、动态显示。 由于系统还具有报警功能，当温度和摩擦力超过它们的最大允许值时，系统会 显示一些报警信息，并可自动停止测试和关闭系统，因此系统可基本实现摩擦 磨损试验的自动化和无人职守。 测量摩擦力、载荷采用的二次仪表是与荷重拉压式测力传感器匹配的 x s b i 型称量显示控制仪，通过p c i 一9 1l1 数据采集卡与计算机通讯。温度信号 采用的二次仪表为w p 系列智能温度控制仪，通过r s 一4 8 5 串口将数据传输到计 算机。速度信号的采集和控制是用西门子公司的通用串行接口协议( u s s ) 和 m i c r o m a s t e r 4 4 0 变频器进行通信实现的。 测试系统总体框架如图2 4 所示，本系统包括测量、检验、信息处理和决 策输出等内容，充分利用计算机资源达到了测量过程实时数据处理，高度灵活， 多参数测量，测试数据数据库保存以及实时测量等，已经成为真正意义上的智 能测试系统”。 温度信号l l r s 4 8 5 n 勺 温度传感器i f 温度调节仪| + +葛 p c i 数 多 卜 据 试验数 立 +据处理 交流调速电机 塑幅吨驴 盅 接口 口 时 卡 分 p c i 析 1r q “l l l a x ，则上限报警，否则继续执行原定操作。 下限报警，若“一 f l j - m a x ，则上限报警，否则对下式作判断：“” 五r a i n 否? 若是则下限报警，否则继续原定操作。 3 5 2 软硬件抗干扰技术 干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因 素。干扰既可能来源于系统外部也可能来源于系统内部。外部干扰指那些与系