滚筒反力式汽车制动试验台概述

1.汽车制动试验台基本结构 (1)

1.1驱动装置 (2)

1.2滚筒装置 (3)

1.3第三滚筒 (3)

1.4测量装置 (4)

1.5指示与控制装置 (5)

2 汽车制动试验台的工作原理 (5)

3 汽车制动试验台的力学分析 (6)

4 汽车制动试验台主要装置参数的选择 (7)

4.1主、从动滚筒参数的选择 (7)

4.2第三滚筒参数的选择 (8)

5.汽车制动试验台检测系统组成 (8)

6.单片机的选择 (8)

7.传感器与信号调理电路 (9)

7.1主、从动滚筒参数的选择 (9)

7.2制动力传感器 (10)

7.3传输调理 (11)

7.4车轮转速传感器 (12)

7.5车辆到位传感器 (12)

8.跑偏量的测量 (13)

8.1编码器的选择 (14)

8.2数据采集卡的选择 (14)

9.汽车制动试验台检测系统的软件设计 (15)

10对卡丁车项目和这门课的感想和体会 (17)

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滚筒反力式汽车制动试验台概述

汽车制动性能的检测是汽车检测的重点，目前应用较为广泛的是滚筒反力式汽车制动试验台，其测试条件固定、重复性好、结构简单、操作安全性能好，是我国各类检测站检测汽车制动性能的主要设备。

1.汽车制动试验台基本结构

滚筒反力式汽车制动试验台的结构简图如图2-1所示。它由结构完全相同的左右两套车轮制动力测试装置和一套指示与控制装置组成。每一套车轮制动力测试装置由框架、驱动装置、滚筒装置、第三滚筒和测量装置等组成。

1.1驱动装置：驱动装置由电动机、减速器和链传动机构组成，如图2-2电动机经过减速器内的蜗轮蜗杆和一对圆柱齿轮的两级传动后驱动主动主动滚筒又通过链传动机构带动从动滚筒旋转。减速器输出轴与主动滚一轴，减速器壳体为浮动连接即可绕主动滚筒轴自由摆动。减速器的作速增矩，其减速比根据电动机的转速和滚筒测试转速确定。由于测试车滚筒转速也较低，因此要求减速器减速比较大，一般采用两级齿轮减速蜗轮蜗杆减速与一级

齿轮减速。

1.2滚筒装置：滚筒组相当于一个活动的路面，来承载被检的车辆，承受传递制动力。每套车轮制动力测试单元由左右一对直径相同的主、从动滚筒成。每个滚筒的两端分别用滚

动轴承与轴承座支承在框架上，且保持两滚筒线平行。

1.3第三滚筒：第三滚筒安装在弹簧支撑的浮动臂上，平时保持在最高位在检测时，被检车辆的车轮置于主、从动滚筒之间，同时压下第三滚筒并保持可靠接触。当两个车轮制动测试单元的第三滚筒同时被压下时，通过开关和延时继电器的作用，两主动滚筒的驱动电机相继启动，同时带动主筒转动。主动滚筒带动车轮旋转，车轮又带动第三滚筒旋转，它们接触点速度相等。在第三滚筒上装有转速传感器。控制装置通过转速传感器即可被测车轮的

转动情况。在第三滚上的转速传感器产生一个脉冲信号，送到系统，再换算成车轮的线速度。

当被检车轮制动时，主动滚筒的线速度不三滚筒随车轮的线速度发生变化。当转速下降至接近抱死时，控制装置转速传感器送出的相应的脉冲信号使驱动电动机停止工作，主动滚筒停止，以防上滚筒剥伤轮胎并保护驱动电机。

1.4测量装置：制动力测试装置主要由测力杠杆和传感器组成。测力杠杆一端与传感器连接，另一端与减速器壳体连接（减速器壳体为浮动连接，即可绕主动滚筒轴自由摆动），被测车轮制动时测力杠杆与减速器壳体将一起绕主动滚筒（或绕减速器输出轴、电动机枢轴）轴线摆动。传感器将测力杠杆传来的、与制动力成比例的力（或位移）转变成电信号输送到指示、控制装置。测力传感器受力点受力的大小与滚筒表面制动力的关系为：

滚筒表面制动力（N）=测力传感器受力(N)×测力臂水平长度÷滚筒半径

测力传感器原理简化示意图

1.5指示与控制装置：试验台的指示与控制装置主要由单片机、放大器、转换器、数字显示装置和打印机等组成，其控制框图如图2-6所示。从感器送来的电信号，经传输调理，放大滤波后，送往A/D转换器转换成数，经单片机采集、存储和处理后，检测结果由数

码管显示或打印机打印出

2.汽车制动试验台的工作原理

进行车轮制动力检测时，被检汽车驶上制动试验台，遮挡制动试验台光电开关，光电开

关产生到位信号后输入计算机。此时车轮置于主、从动滚筒之间，压下第三滚筒，装在第三

滚筒支架下的行程开关被接通，通过延时电路启动电动机，经减速器、链传动和主从动滚筒

带动车轮低速旋转，待车轮转速稳定后驾驶员踩下制动踏板，车轮在车轮制动器的摩擦力矩

作用下开始减速旋转。此时电动机驱动的滚筒对车轮轮胎周缘的切线方向作用制动力以克服

制动器摩擦力矩，维持车轮继续旋转。与此同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加一个

与制动力方向相反的等值反作用力，在该反作用力形成的反作用力矩作用下，减速器壳体与

测力杠杆一起向滚筒转动相反方向摆动，测力杠杆一端的力或位移经传感器转换成与制动力

大小成比例的电信号。从测力传感器送来的电信号经传输调理及放大滤波后，送往A/D转换器转换成相应的数字量，经计算机采集、存储和处理后，检测结果由数码管显示或由打印机打印出来，打印格式与内容由软件设计而定。一般可以把左、右车轮最大制动力、制动力和、制动力差、阻滞力和制动力-时间曲线等一并打印出来。在制动过程中，当左、右车轮制动力和的值大于某一值(如5000N)时，计算机即开始采集数据，采集过程所经历时间是一定的(如3s)。经历了规定的采集时间后，计算机发出指令使电动机停转，以防止轮胎被剥伤。在制动过程中，第三滚筒的转速信号由传感器转变成脉冲信号后输入控制装置，计算车轮与滚筒之间的滑移率。当滑移率达到一定值时，计算机发出指令使电动机停转。如车轮不驶离制动台，延时电路将电动机关闭3-5s后又自动起动。检测过程结束，车辆即可驶出制动试验台.

3.汽车制动试验台的力学分析

当汽车制动时，各轴车轮都产生制动效应。受检轴车轮将对滚筒产生制动阻力，滚筒则对车轮作用反作用力F1 与F2 (如下图所示)。驱动滚筒的电机功率是根据车轮对滚筒的最大制动力和滚筒的线速度选择的，它足以克服车轮制动时的阻力。在整个制动过程中，滚筒对车轮的反作用力与车轮的制动力相平衡。因此，通过测量装置测量滚筒制动力矩的反力F1和F2的代数和，即为受检车轮的制动力的值。

车轮与主、从动滚筒都保持接触是制动测试的初始状态，称为稳定状态。检测时，滚筒的线速度(2~5km/h)很低，略去制动时车轮的惯性力矩和滚动阻力矩，平衡方程为：

)

(

0 sin

)

(

cos

)

(

0 cos

)

(

sin

)

(

2 1

2 1

2 1

2 1

2 1

=

+

-

=

-

-

-+

=

-

+

+ -

R

F

F

M

G

a

F

F

a

N

N

F

a

F

F

a

N

N

r N N

若车轮与滚筒间的附着系数得到充分利用，且均为φ，则 F1 、 F 2的最大值分别为F1 max=N1φ，F 2 max=N2φ ，代入方程组(2-1)解得：

a

a a F a a G N a

a a F a a G N N N N N 2sin )1()sin (cos )cos (sin 2sin )1()sin (cos )cos (sin 2221φφφφφφ+--+=+++-= 车轮所受最大制动力为：a

F G N N F N N cos )1()

()(221max φφφφ++=+=

4.汽车制动试验台主要装置参数的选择

4.1主、从动滚筒参数的选择

在这里滚筒的选择与他要储存的能量的大小有关，这里车速为20km/h 即5.56m/s ，车重为150kg ，所以

J mv E k 52.231856.51502

12122=??==

滚筒旋转所储存的能量为：22222256.54

141212121?==??==铁ρπl R mv w mR Jw E k 由上面两个式子可以得出单个滚筒的尺寸符合：

3

210

3

?

R-

=

l

121

.6m

又由于制动试验台采用滚筒中心距不可调式，因此减小滚筒直径，可使车轮在试验台上的安置角增大，增加试验台的稳定性，提高车轮与滚筒间的附着力，节省驱动电机功率。但滚筒直径不能过小，否则车轮的滚动损耗将明显增加，一般为100~200mm。综上所述，本汽车制动试验台选取的滚筒直径为120mm，滚筒长度为425mm，滚筒采用的是铁质的。

4.2第三滚筒参数的选择

第三滚筒在制动过程中不承受载荷，所以对其直径无特别要求。但考虑到第三滚筒的转速直接影响到测试的精度，故第三滚筒的直径最好为主动滚筒的1/3~1/5，这样就使第三滚筒的转速不致过高。本试验台选用的第三滚筒的直径为60mm，长度等于主动滚筒的长度。

5.汽车制动试验台检测系统组成

制动试验台检测系统采用两级结构，分为上位管理机和下位测控机。上位管理机为普通台式计算机，它的任务分为两类：一类是管理任务，完成车辆检测报表的部分数据录入(如车主、车号、车型等信息的输入)、数据处理、检测参数存储、检测信息查询及检测报表统计与打印等；另一类是控制下位机，上位机接收到输入的车型、检测类型、待测项目等数据信息后，根据下位机的当前状态和现有工作状况，向下位机发送命令，然后等待下位机检测结果，待所有检测结果全部送到管理机后，上位机就对各项数据进行分析，并给出总体结果下位机由单片机、传感器及信号调理电路、继电器控制单元、检测指示装置等部分组成，控制车辆检测过程，并进行采样和处理数据。制动试验台检测系统结构如图所示。

6.单片机的选择

根据检测功能的要求，单片机系统完成信号检测、数据处理、数据输入、自动测试、数据通信等功能。A T89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8K字节的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和256字节的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用A TMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合A T89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器2，56字节内部RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内晶振及时钟电路。同时，A T89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择的省电模式。空闲方式下，CPU停止工作，但

允许RAM、定时器/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。在掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，禁止其它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位。

7.传感器与信号调理电路

本系统所用传感器主要有制动力、称重、车轮转速及车辆到位等传感器。为防止信号间相互干扰，各个信号模拟地线单独连接，最后在下位机机箱汇合

7.1 汽车轴重、制动力传感器的选用

由于制动力检测技术条件要求是以轴制动力占轴荷的百分比来评判的，对总质量不同的汽车来说是比较客观的标准。为此滚筒反力式制动试验台还必须装有轴重测量装置，其称重传感器通常安装在每一车轮测试单元框架的4个支承脚处。本系统选用的轴重传感器为HT-305剪切悬臂梁式测力称重传感器。悬臂梁式传感器为一端固定，一端加载的悬臂梁式结构。具有外形高度低，结构强度高，防尘密封性好，量程范围广，精度高，性能稳定可靠，抗偏、抗侧向能力强，安装使用方便的特点。主要技术指标参数如表3-1所示。传感器结构图如图3-3所示。

7.2制动力传感器

本系统选用的测量制动力传感器为MCL-S系列S式拉压力传感器。测量范围宽，抗偏载能力强，高精度，低温漂，尤其适用于一些要求精度高的工业测量系统。因其高度可靠性及密封设计，即使在恶劣环境下，仍能长时间连续工作。主要技术指标参数如表3-2所示。传感器结构图如图3-4所示。

7.3传输调理

在汽车制动力检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中压力传感器信

号的变送与远距离的传输处理是影响信号精确度的重要因素之一，为使信号在传输过程中具有较强的抗干扰能力，以保证信号的准确性，一般要对传感器信号进行转换处理。常用的压力传感器信号处理方法有两种：(1)将信号转变为电压信号，直接以电压形式进行信号传送，再通过补偿后将电压值送入A/D转换以得到压力值；(2)将压力传感器信号转换成电流信号，以电流形式进行传输，再对电流进行隔离、放大、补偿处理转换为电压输出，最后送入A/D 转换得到压力值。由于制动力检测平台较大且操作现场有一定的危险性，检测仪表需远离平台一定的距离(一般大于10米)。这种远距离的传输会造成信号的衰减，而对于本身信号就很小的压力传感器信号来说，这一损耗就不能忽略了。第一种方法里电压在带屏蔽的多芯电缆线中传输会对信号测量带来较大的损耗误差，从而影响到检测的精度；而第二种方法先将压力传感器信号转换为电流，适宜于远距离的传输，通过电路调理得到线性度较好的对应电压值，减少了第一种方法所带来的误差，确保了检测信号的精确度和线性度，具有较好的抗干扰能力。综合了压力传感器信号特性及现场分析，本系统按第二种方法进行调理电路的设计，结构如图3-5所示。

7.4车轮转速传感器

制动力测试时，主、从动滚筒、车轮和第三滚筒的速度变化如图3-12所示，图中V1 V2 V3 V4 均为线速度

当电机启动至主动滚筒转速稳定，汽车制动踏板未踩下时，主、从动滚筒、车轮和第三滚筒的线速度应相等，即：V1 = V2 = V3 = V4 当踩下制动踏板时，主动滚筒的速V4 由于是由驱动电机带动的，所以它的线速度不变，而车轮的线速度由于汽车制动系的作用而降低变为V1 ′，同时第三滚筒的线速度变为V3 ′，因为第三滚筒是由车轮带动的，所以有V1′=V3′，故测量第三滚筒的转速即可测得车轮的转速。汽车在制动试验台的滚筒上制动时，车轮与滚筒表面制动力增加到等于附着力时，车轮抱死拖滑，制动力的采集值即为此时的值. 常用的测速传感器有三种：测速发电机、光电转速传感器和磁电式传感器。考虑到本试验台的工作环境，本试验台采用磁电式传感器。

7.5车辆到位传感器

在汽车制动试验台检测开始前，制动试验台要首先确定车辆是否到位，本

系统选用对射式光电开关来检测车辆的当前位置。对射式光电开关包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射端和接收端，发射端发出的光线直接进入接收端，当被检测物体经过发射端和接收端之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。发射端的光电开关有两根线，只要供上12V~240V

直流或24V~240V的交流电即可正常工作。正常工作的表现为：光电开关上的红色指示灯亮。接收端有五根线，其中两根线的颜色和发射端的两根线的颜色一样为电源供电线，另外三根线中有一根为公共端(检测线上接+5V电源)，一根为常开端，一根为常闭端，视光电开关的型号而定用常开或常闭触点将5V的电源提供给单片机。当电源工作正常的情况下，把发射端和接收端对在一条线上后，两端的光电开关指示灯全亮，否则是接收端的指示灯不会亮，正常检测时两个光电开关上的指示灯应该全亮，当车辆驶上检测台或驶入规定位置时，接收端的光电开关指示灯灭，将公用端和常开端导通，把5V电源传入单片机上的I/O转换板上，单片机接收信号后确认车辆到位，开始执行检测程序本制动试验台采用两对对射式光电开关的布置形式。当车辆驶入制动试验台时，只有当车轮把两对光电开关的光线都挡住时，系统才确定车辆已到位，只挡住其中一个光电开光的光线或都没被挡住时，则认为没有到位，检测程序将不继续执行下去。车辆到位及未到位示意图如下图所示。

8.跑偏量的测量

运用反力式汽车制动试验台测试的主要参数是制动力，为了测试小车的制动跑偏量，必须做到以下几点：

1.汽车左右轮应该同时启动，并同步转动；

2.用编码器精确记录左右轮电机的转动圈数，并转化成距离；

为了达到以上要求，特别设计了以下电路测试跑偏量：

8.1编码器的选择

编码器[8]是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

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。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

设计中选取增量式编码器型号—E2180，其分辨率为0.5，精度为±2~±5，最高允许转

速为100r/s，使用电压和工作环境均符合要求。

增量式编码器—E2180

8.2数据采集卡的选择

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，可以通过USB、PXI、PCI、

PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线

网络等总线接入个人计算机。

设计中选取PCI1798 并行数据采集卡，它采用并行设计，4片高速50Msps 12bit A/D转换器，4个独立程控增益通道，±100mV~±20V大动态信号采集，最高采样率为50Msps，测量精度高、具有相位一致性，符合设计要求。

9.汽车制动试验台检测系统的软件设计

上位机软件的主要功能是对检测系统的标定，下位机检测的监控，数据的处理，检测结果统计、存储及查询等。其主要由系统登录模块、标定模块、检测模块和数据库管理模块组成，如下图所示。

下位机软件的功能是控制车辆检测的全过程，对车辆的轴重及左、右车轮制动力进行数据采样和处理。获得采样数据后，为了避免电信号的不规则性还要经过软件滤波。通过对数据的处理求得国标所涉及的参数，如轴重、左右车轮制动力等。数字滤波就是通过一定的计算方法或判断程序，减少叠加在有用信号中的噪声干扰的比重，从而提高采集信号的质量。数字滤波是由程序实现的，不需要增加硬件，可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，所以具有稳定性好、功能强的特点。程序采用模块化，便于修改和功能扩充，查错和调试也方便。系统程序框图如下图所示。

10对卡丁车项目和这门课的感想和体会

本学期很幸运地选择了傅攀老师的《测试技术基础课》，刚刚开始上课的时候被老师发下来的英文讲义吓了一大跳，以为这一定是一门很难学的课程，但是慢慢地，傅老师一再强调我们不要有畏难情绪，并且鼓励我们只要用心就可以学的很好.除此之外，傅老师上课也很有意思，除了讲授讲义上的知识意外，还会每隔20分钟给我们展示几张特别的图片，每张图片都融入了老师对此的理解，很有意思，傅老师的图片除了大量的军事信息之外，最让我难忘的是傅老师给我们展示的关于活熊取胆的图片，唤起了我对黑熊不幸遭遇的深切同情！

最后，感谢傅老师半年来的谆谆教诲和对卡丁车制动系统的耐心指点，考试是我们这学期学习的终点，但却是我们再学习、再创造的开端，我会在以后的学习和工作中应加强对测试技术这门学科的学习和研究。