卡丁车制动性能检测平台设计

1、卡丁车制动性能检测平台设计姓名：王 峰班级：车辆一班学号：20101634指导教师：傅 攀第一章汽车制动性能检测技术现状1.1滚筒反力式制动检测台工作原理：将车辆开到检测台上，使车轮处于每对滚筒之间，滚筒在电动机驱动下带动车轮转动，相当于车不动，路以一定速度移动。然后对车轮采取制动，车轮的制动力作用在滚筒上，该力的方向与滚筒的转动方向相反，此时，与滚筒相连的减速器（扭力箱）在反作用力矩的作用下发生一定程度的翻转，通过测力装置，便可测量、显示出制动力的数值。因所测的制动力的方向与滚筒的转动方向相反，故称之为滚筒反力式制动试验台。滚筒反力式汽车制动试验台结构简图1.压力传感器 2.传力杠杆 3.减

2、速器 4.主动滚筒 5.从动滚筒 6.电动机 7.车轮测力杠杆与减速器壳体连接方式图1.2平板式制动检测台工作原理：被检汽车以510km/h的速度驶上该测试平板时，驾驶员迅速踩下制动踏板，使各车轮分别在每块制动、轴重悬架测试板上停住。此时测试平板将汽车制动时的前冲惯性力（数值与汽车制动力相等）和测试平板承受荷重变化分别传递给平板下的拉力传感器和压力传感器，即压力传感器和拉力传感器分别用于测量在制动过程中被检车轮作用于测试平板上的垂直力和水平分力。测量仪表通过对垂直力随时间的变化曲线进行处理和分析，除了得到被检车轮的轴重外，还可获知车身的振动情况，从而判断被测车轮悬架的技术情况。而对水平力随时间

3、的变化曲线的处理和分析，可得出各车轮制动力、轴制动力、轴动力平衡、全车制动力和制动协调时间、制动释放时间等测试结果，然后显示测试结果和各车轮制动力随时间的变化曲线。平板式制动检测台1.3惯性式滚动检测试验台工作原理：检测时，由被检汽车的驱动轮驱动后滚筒旋转，并经过电磁离合器，花键轴，变速器和差速器带动前滚筒即汽车前轮一起旋转。此时，按被检车辆行驶时的惯性等效质量配置的飞轮也一起旋转。当车轮制动后，滚筒及飞轮在惯性力矩作用下继续转动，滚筒转动圈数与其周长的乘积相当于车轮的制动距离。在规定制动初速度下，滚筒继续转动的圈数决定于车轮制动器和整个制动系的技术情况。滚筒转动圈数由装在滚筒端部的光电传感器

4、转变为电信号，送入计数器记录。在滚筒的端部还装有测速发电机，能把试验车速转变为电信号。惯性式滚筒制动试验台1.4三种检测试验台的优缺点比较1.4.1反力式制动检测台优点：1.安全保护作用，即只有在被测车轮同时压下左右制动检测台的第三滚筒时，滚筒才能被启动，因而可以避免操作人员误操作而造成伤害。2.滚筒反力式制动检测台测试工况稳定，重复性好。缺点：1.很难测得实际制动力，并且很难测得制动器的制动力最大值。2.悬架中减震器性能得不到检测。3.测试效率低，采用滚筒反力式制动检测台检测制动性能时，对车辆各轴的检测是分开进行的，从而影响了车辆的测试效率。1.4.2平板式制动检测台 优点： 1.结构简单，

5、省去了滚筒反力式的两个大功率电动机，耗电小，它的耗电量仅约为滚筒反力式的1/100。2.操作简单，测试速度大大加快，检测时只需开上测试平板踩一脚制动，即可同时完成前后桥的制动、轴荷、侧滑、减震器等检测，效率高。3.安装简单，降低了混凝土工程造价。4.维修保养量低，几乎不需要日常保养。 缺点：1.很难检测车轮阻滞力，车轮阻滞力是车轮不进行制动时的阻力，由于受平板长度限制，较难准确检测阻滞力。2.检测范围有限，对于双后轴、三后轴的车辆，很难单独测取各桥的制动力值。另外，不方便检测半挂车，全挂车，不能检测超长、超重、超宽车辆。3.检测数值重复性差，由于驾驶员踩制动踏板所用力不同，每次测试条件很难保持

6、一致，所以每次测得的制动力会有较大差异。1.4.3惯性式滚筒检测试验台优点：惯性式滚筒制动方法的实验条件接近汽车的实际行驶条件，可在任何车速下测试。缺点：其试验台结构复杂，占地面积大，且检验的车型范围受到一定限制。第二章检测平台机械结构设计2.1系统功能本系统适用于卡丁车测试其制动系统的工作情况，具体测试数据包括该卡丁车（车重150kg，车长1000mm，车宽600mm，轮宽200mm，车轮直径400mm，后轮制动）在20km/h速度下的制动距离及跑偏量。2.2机械结构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

7、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。当质量为的卡丁车在车速时刹车时，系统总能量表达式为：总能量=人和车的平动动能+四个轮子的转动动能，即：其中：，。如果忽略四个车轮转动动能，最后得到卡丁车运动时的总能量为： 又因为 因为所用的圆筒为空心圆柱，其质量远远小于飞轮质量，则可忽略其转动惯量。假定一个飞轮质量为，则转动惯量可近似为：则 ： 假定用合金钢材料制作飞轮，其密度为 ：，在此规定飞轮的厚度：则根据公式可确定滚筒半径为： 车轮在滚筒上的安置角是指车轮与滚筒接触点的切线方向与水平方向的夹角，经查阅资料及由经验值可知道，当安置角为滚筒的最佳安放位置，滚筒中心距。其中，车轮半

8、径。试验台滚筒设计尺寸表参数名称参数值滚筒半径100mm滚筒长度400mm滚筒中心距300mm飞轮半径274mm滚筒安置角30飞轮厚度80mm滚筒和车轮安放示意图检测机构主要工作部分示意图检测机构单元示意图主滚筒副滚筒传动链条电机与飞轮离合器飞轮与主滚筒联轴器：飞轮滚筒支架电动机圆编码器渲染效果图第三章传感器选择及数据采集3.1 检测系统设计在本设计中，使用的硬件主要有圆编码器，数据采集卡，变频器等，其中变频器控制电机带动滚筒旋转，圆编码器在滚筒转动时输出脉冲信号，数据采集卡采集脉冲，在转速调整阶段，供计算机计算车轮转速并通过控制变频器调节两组滚筒转速相同；在制动性能检测阶段，供计算机进行制动

9、距离计算。数据采集卡将圆编码器输出的脉冲电压信号转化为数字信号并输入计算机。车辆制动性能检测硬件平台结构图电动机2变频器2变频器1电动机1飞轮2主滚筒2主滚筒1飞轮1离合器1圆编码器离合器2副滚筒2副滚筒1数据采集卡计算机3.2数据采集系统的工作原理和构成数据采集是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，处理的过程。 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。数据采集通过数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡。制动信号由操作者踩踏制动踏板产生。制动踏板和行程开关相连，

10、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，同时给离合器发送工作命令，电机与滚筒脱离，从而进入制动状态。数据采集系统的基本组成如图3-2所示。由计算机作为数据采集系统前端处理机，并将信号传递给电机，控制电机逐步加速。同时，以圆编码器为主要探测部件对滚筒转动情况进行测量，并以脉冲信号形式反馈给数据采集卡，采集卡将数据传递给计算机，以便计算机作进一步的处理。数据采集过程及系统构成转速调整过程计算机变频器2变频器1电动机2电动机1离合器2离合器1滚筒2滚筒1圆编码器2

11、圆编码器1数据采集卡两滚筒转速相等且达到预设速度？NY数据采集卡制动性能检测过程计算机3.3 编码器工作原理及特点编码器（Encoder）为传感器(Sensor)类的一种，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。编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。根据编码器刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式

12、编码器，本测试系统选用增量式编码器。 增量式编码器工作原理图增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。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。 一般地，信号连接编码器的脉冲信号连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。3.4光电编

13、码器工作原理光电编码器，是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。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如下图所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。图12 光电编码器结构原理图3.5 光电编码器的选取编码器的分辨率，是指以每旋转360度提供多少的通或暗刻线或可

14、读取并输出的最小角度变化，其对应的参数有：每转刻线数（line）、每转脉冲数（PPR）、最小步距（Step）、位（Bit）等，线数一般在每转分度510000线。分辨率的确定：测量过程中，需要通过光电编码器测量滚筒从制动开始到停止转动为止，滚筒所转过的圈数，由于实际测试中要求测量误差近似为即可，所以要求的传感器的精度为：，其中为线数，为滚筒半径且值为， 则可得得出光电编码器每圈输出脉冲数应大于6，但是这只是理论推算值，根据实际情况为了提高系统的测量精确度肯定不能选用分辨率如此小的编码器。故需要选择编码器线数大于6的编码器，而市面上大多数编码器都能满足这一要求。所以根据经济性、实用性原则选择了IH

15、A8030型号的编码器，此编码器是增量式光电编码器，且2500脉冲DC5-24V空心旋转编码。IHA8030型号编码器IHA8030型号的编码器技术参数电气参数输出波形方 波消耗电流180mA响应频率0100KHz相位差9045电源电压DC 5V、DC5-12V、 DC 12-24V、DC 5-24V 输出电压高电平VH85%Vcc，低电平VL0.3V脉冲数240电路特征F-互补、L-长线驱动器机械参数最大转速4000r/min转动惯量410-5kgm2起动力矩510-2Nm(+25)轴最大负载径向40N；轴向30N抗冲击980/S2，6ms,XYZ方向各2次抗震动50m/S2,10-200H

16、Z,XYZ方向各2h工作寿命MTBF30000h（+25,2000rpm）重量约0.6kg（标准矩形插座侧出）物理参数外形尺寸58mm34mm孔径14mm环境参数储存温度-30-85工作温度-10-70防护防尘IP503.5 数据采集卡选取数据采集(DAQ)，是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。 数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB等总线接入个人计算机。运行时的数据由数据采集卡并送给PC机，通过

17、运行在PC机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。我们知道，安装在滚筒端部的圆编码器输出的是脉冲信号，即为模拟信号，然而直接的脉冲信号是无法被计算机识别的，所以在测试过程中要先将模拟量转化为数字量才能被计算机识别，故需要数据采集控制卡采集到脉冲信号后进行AD转换，进而传给计算机进行识别处理。首先在满足实际需要基础上选取了几款数据采集卡，再从节约成本方面考虑，最后选定了研华PCI-1711总线数据采集卡，它是是一款12位的低损耗且功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，具有独特的电路设计

18、和完善的数据采集与控制功能，支持即插即用，具有16通道单端模数输入、16通道数字I0和2通道数模输出，采集速率可达100kHz，可编程的计数计时器可作为AD转换的速度触发。内部结构主要有单端模拟输入通道、模拟输出通道和触发源连接三部分。具体规格简介如下： 研华 PCI-1711数据采集卡PCI-1711数据采集卡规格I/O接口类型68针 SCS-II孔型接口尺寸175100 mm （6.93.9）功耗典型PCI-1711+5 V ，850mA最大+5V ，1.0mA温度工作060（32140）存储-2070（-4158）相对湿度5%95% RH，无凝结第四章测控软件4.1软件功能本软件将实现卡丁车制动性能检测平台的功能，其中包括控制滚筒起停，调节滚筒速度，接收圆编码器传来的数据，记录刹车距离，计算跑偏量，显示并记录相关数据。4.2软件控制过程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（PID