卡丁车制动性能检测报告.docx

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卡丁车制动性能检测报告

卡丁车制动性能检测报告

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目录

一、汽车制动性能检测的意义

二、检测平台及原理

2.1反力式滚筒制动系统检测装置

2.2反力式滚筒制动系统检测装置

三、检测系统的设计

3.1设计方法的选择

3.2设计思路的确定

3.3检测台的工作原理

3.4检测台的结构简图

3.5机械传动机构参数的理论计算

3.6模型设计

3.7力学特性研究

四、检测台测控系统设计

4.1检测过程简述

4.2测控系统示意简图

4.3各部分功能介绍

五、元器件的选择与信号采集

5.1元器件的选择

5.2信号采集

六、软件平台部分的实现

6.1串口通信子程序

6.2变频器控制子程序

6.3制动信号采集程序

6.4滚筒转速测试程序

6.5刹车距及跑偏量计算程序

七、结语

八、参考文献

一．汽车制动性能检测的意义

汽车制动性能好坏，是安全行车最重要的因素之一，因此也是汽车检测诊断的重点。

汽车检测行业在近年来随着汽车制造技术和检测技术的进步，也不断发展壮大。

特别是随着我国公路建设和道路运输业的飞速发展，道路交通安全问题也越来越突出，要求进一步重视和加强机动车辆安全技术状况检测已成为维护社会安定的一个重要课题。

　　中国每年交通事故50万起，因交通事故死亡人数均超过10万人，稳居世界第一。

统计数据表明，每5分钟就有一人丧身车轮，每1分钟都会有一人因为交通事故而伤残。

每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。

在2001年至2010年这10年里，我国已经有近90万人死于各类道路交通事故。

汽车制动性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与汽车制动性能差有关。

制动距离太长或者紧急制动时发生侧滑等都会造成交通事故。

因此，对汽车进行制动性能检测具有重大意义。

二.检测平台及原理

目前制动性能检测系统主要分为路试，反力式和惯性式三大类，测试试验台则按测试原理不同，可分为反力式和惯性式两类；按检验台支撑车轮形式不同，可分为滚筒式和平板式两类。

下面对部分检测装置做简要分析。

2.1反力式滚筒制动系统检测装置

2.1.1结构及基本原理

图1.3反力滚筒式结构图

结构：

由结构完全相同的左右两套对称的车轮制动力测试单元和一套指示、控制装置组成。

每一套车轮制动力测试单元由框架（多数试验台将左、右测试单元的框架制成一体）、驱动装置、滚筒组、举升装置、测量装置等构成。

原理简述：

进行车辆制动力检测时，被检车辆驶上制动试验台。

车轮置于主、从动滚筒之间，放下举升器。

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。

待车轮转速稳定后驾驶员踩下制动踏板。

车轮在制动器摩擦力矩作用下开始减速旋转。

同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加与制动力方向等值反向的反作用力，在此力形成的反作用力矩作用下，减速器壳体与测力臂一起朝滚筒转动相反方向摆动，测力臂一端力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放大滤波后,送给测量采集模块处理。

2.1.2测试过程

原理部分已作部分阐释，然后是将滤波放大信号送往A／D转换器转换成相应数字量，经计算机采集、贮存和处理后，检测结果由数码显示或由打印机打印出来。

打印格式或内容由软件设计而定。

一般可以把左、右轮最大制动力、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。

2.1.3反力式滚筒制动检测装置的特点

设计思路比较复杂，信号处理等要利用积分电路等，对硬件提出较高要求，同时信号转换等计算机软件控制也较难实现；检测速度较低，对现代防抱死高速制动系统不起作用。

2.2惯性式滚筒制动系统检测装置

2.2.1基本结构及原理

结构：

惯性式滚筒制动检验台它由结构完全相同的左右两套对称的车轮制动测试单元和一套指示、控制装置组成，包括滚筒轴承、驱动电机、储能飞轮和一系列传感器。

利用

软件建立简化后单轴惯性式制动性能检测台的3D模型如图1所示：

原理简述：

惯性式滚筒制动台是利用储能飞轮储存和汽车在运动过程中具有的同样的动能，通过对轮胎对飞轮的制动性能的检测来等效检测轮胎对车身的制动性能。

汽车在运动时，由于自身质量的存在而具有一定的动能T，选择合适的飞轮转速，使飞轮所具有的能量E与汽车动能T相同。

此时踩下制动踏板，由于车轮对滚筒摩擦力的存在，飞轮会慢慢减速直至停止。

测出整个制动过程中的时间、飞轮转动角度以及初始转速等参数，就可以对之动过程中制动力、侧移量和制动距离等指标进行计算。

2.2.2测试过程

实验时，被检车驶上试验台，并将两主动轮分别置于左右两滚筒组之间。

发动机启动并通过传动齿轮组带动与滚筒相连的传动轴转动，前后两滚筒通过链式传动机构同时转动，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。

当达到试验转速时，卸去该检测机构动力，同时断开离合器以将左右两轮的检测机构分离。

同时被检车紧急制动，车轮制动后，滚筒飞轮依靠惯性继续转动，但在车轮跟与滚筒的摩擦下最终停止转动。

滚筒能转动的圈数相当于车轮的制动距离，滚筒转动圈数由装在滚筒端部的各自的光电传感器转变为电脉冲送入计数器记录。

通过对两个传感器得到的电信号的分析及处理，我们可以得到左右两轮各自的制动距离，并可以得到两轮的相对偏差。

2.2.3惯性式滚筒制动检测装置的特点

这种动态检验制动性能的使用发法的试验条件接近汽车实际行驶条件，具有在任何车速下进行制动测试的优点。

但这种试验台旋转部分分转动惯量较大，因此其结构较复杂，占地面积大，且检验的车型范围受到一定限制，所以应用范围不如反力式来得广泛。

三.检测系统的设计

3.1设计方法选择

惯性式制动力检测是一种动态制动力检测设备。

这种动态检验制动性能的使用方法的试验条件接近汽车实际行驶条件，具有在任何车速下进行制动测试的优点，同时考虑到方法的实用性及现有的实验条件，卡丁车制动性能检测平台采用滚筒式惯性制动试验台。

3.2设计思路确定

3.3检测台的工作原理

检测时，车辆驶上单轴惯性式滚筒试验台，被检车轮置于两滚筒之间，发动机熄火，变速杆置于空挡位置，然后启动电动机，通过滚筒的转动使车轮达到制动初速度。

制动前先关掉发动机电源，再按规定的踏板力或制动气压踩下制动踏板。

当车轮制动后，滚筒在惯性力矩作用下继续转动，其转动的圈数与滚筒周长的乘积即相当于车轮的制动距离。

在规定的制动初速度下，制动距离的大小取决于被测车轮制动器和整个制动系的技术状况。

滚筒的制初速度、制动减速度和依靠惯性力矩转动的圈数，由测速传感器发出电信号，用计数器记录。

为保证左右车轮的制动初速度相同，电机转速由计算机及变频器控制。

计算机接收左右两组滚筒上的测速传感器信号并进行比较、处理，然后发出控制信号至变频器，通过变频器改变左右滚筒转速，使其达到测试车速。

3.4检测台的结构简图

我们根据惯性式滚筒试验台的工作原理和流程自行设计出试验台。

试验台的二维俯视视图见下图。

8

3

2

1

7

6

4

5

注：

1传感器2齿带3轴承座4滚筒5、6联轴器

7减速箱8电动机

3.5机械传动机构参数的理论计算

惯性式滚筒制动试验台相当于一个移动的路面，用旋转飞轮及滚筒的转动动能来模拟车辆在道路上行驶时的平动动能，其惯性质量与受检车辆的惯性质量相当，使车轮在试验台上再现道路行驶的实际状况。

已知：

，

，

，

，

，

（1）车总能量=车平动能量+两车轮转动能量：

经计算可得到：

（2）为简化飞轮的设计，可把飞轮作为滚筒的一部分，即把卡丁车的平动动能全部用滚筒的转动动能来模拟。

滚筒中的主动轴与从动轴的转动能量可以忽略。

因此，每个滚筒所具有的能量：

测试时每个滚筒质量M，线速度v，转速n，外径

，内径

：

设滚筒平均密度为

，滚筒的长度为L，则有：

我们选用碳钢板为滚筒的原材料：

根据车宽选择合适的滚筒长度：

L=500mm

一般主、从动轴的尺寸

，则

，因此可求得外径为：

表3.6.1机构参数表

参数名称

参数值

滚筒材料

碳钢板

滚筒半径

20mm/80mm

滚筒长度

500mm

滚筒转速

50rad/s

3.6模型设计

根据以上计算得到的数据尺寸，利用

建立三维模型：

3.7力学特性研究

根据受力分析对测试平台的不稳定性进行分析

图3.1车轮与滚筒间受力示意图

注：

G为车重

、

分别为车轮所受主动轴与从动轴的压力（大小可做相等处理）

、

分别为车轮与主动轴从动轴间的摩擦力

3.7.1、由图可知：

其中，

与制动力成正相关性，一般情况下，试验检测平台给定后只有车轮直径D可调，从式子中可以看出：

车轮直径越小，则轮桶间压力越大，直接结果是制动力越大。

所以轮子越小，所需制动力越大。

3.7.2另外一组摩擦力平衡方程

其中，滚筒与车轮产生的摩擦力分别为F1、F2,水平分力为F1x、F2x,方向向左；与此同时,滚筒的推力制动力分别为P1、P2,其水平分力为P1x、P2x。

从表达式结果来看，当P2x=0、P2y=0时,检测效果才最佳；如果P2x>0、P2y>0,车轮将在右滚筒上产生向上浮动和滑移,这对制动力的检测效果不利。

实践中的结果是：

滚筒式制动试验台进行制动试验时,车轮在主从动滚筒上的负载发生转移,严重时车轮沿主动滚筒爬起,离开被动滚筒,导致测试状态不稳定。

由此可见,安置角是保证制动力测量精度的关键。

安置角由被检测车轮的半径R与滚筒半径r及两滚筒中心距l构成,而现有双滚筒式制动试验台的l一般不能调整。

因而被检测车轮的半径成为影响制动力测量精度的关键因素。

四、检测台测控系统设计

4.1检测过程简述

试验时，被检车驶上试验台，并将两主动轮分别置于左右两滚筒组之间。

发动机启动并通过传动齿轮组带动与滚筒相连的传动轴转动，前后两滚筒通过链式传动机构同时转动，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。

当达到试验转速时，被检车紧急制动，车轮制动后，滚筒飞轮依靠惯性继续转动，但在车轮跟与滚筒的摩擦下最终停止转动。

滚筒能转动的圈数相当于车轮的制动距离，滚筒转动圈数由装在滚筒端部的光电传感器1、2转变为电脉冲送入计数器记录，经计算机处理可以得到制动距离并显示。

通过对传感器1及传感器2得到的电信号的分析及处理，我们可以得到左右两轮各自的制动距离，并可以得到跑偏量。

4.2测控系统示意简图

编码器

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;在制动性能检测阶段，供计算机进行制动距离计算。

4.3各部分功能介绍

4.3.1传感器（光电编码器）

角度传感器，用来检测角度。

它的身体中有一个孔，可以配合越过的轴。

每转过一定角度，角度传感器就会计数一次。

往一个方向转动时，计数增加；转动方向改变时，计数减少；计数与角度传感器的初始位置有关。

滚筒转动，计数将采集到的信号以脉冲形式传递给数据采集卡。

4.3.2数据采集卡（D/A转换器）

将传感器的脉冲信号（数字信号）处理（如放大滤波等）后，转换为模拟信号传输给计算机。

4.3.3变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

使用变频器可以实现电机以启动功率启动，再改变频率将电机调节到正常转速旋转，所以在保证正常启动的同时避免了因多余转矩带来的能量浪费。

五、元器件的选择与信号采集

5.1元器件的选择

5.1.1编码器的选择编码器（Encoder）为传感器（Sensor）的一种，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。

其主要分为绝对脉冲编码器及增量脉冲编码器。

结构设计图：

参照相关资料（角度传感器相关）确定使用具有优良性能的美国EPC-755A型编码器，市场价约800元。

1、产品设计特点：

体积小（1.5英寸直径）；频率响应可达1MHz（兆）；高操作温度选择；脉冲可达30,000CPR；应用于伺服电机控制、机器人技术、医疗诊断器械、专业包装机械、数字绘图、打印机、排版和印刷机等领域。

2、755A型产品电参数：

输入电压：

0-70℃和0–85℃为4.75–28.0VDC0-100℃温度时为4.75–24.0VDC

输入电流：

最大无负载电流为100mA

输入波动：

在0–100KHz时，峰—峰之间为100mV

输出波形：

增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时，A通道的方波领先B通道。

输出电路：

NPN集电极开路输出每通道最大驱动电流100mA，推拉输出每通道最大驱动电流20mA，差动线驱动输出在5VDC时，符合RS422标准。

上拉电阻输出每通道最大可达100mA。

基准脉冲：

每转一周输出一个脉冲。

频率响应：

标准100KHz，可选高达1MHz。

抗干扰性：

经BSEN61000-4-2，IEC801-3，BSEN61000-4-4，DDENV50141，DDENV50204，BSEN55022测试，符合欧洲标准。

上升时间：

低于1微秒

3、755A型产品机械参数

最高转速：

7500转/分

转轴直径和转向：

0.250英寸，5mm,6mm双向转动

转轴材料：

不锈钢

转轴径向和轴向负载：

径向最大5磅轴向最大3磅

轴承：

ABEC，双封闭精密滚珠轴承

起动扭矩：

0.14盎司英寸零下40℃操作时为4盎司英寸

转动惯量：

2.8×10–4盎司英寸秒2

最大加速度：

1×105弧度/秒2

外壳：

黑色防腐漆金属外壳

安装：

4个伺服安装选择，法兰安装选择

重量：

3.10盎司

4、755A型产品环境参数：

操作温度：

0º到+70ºC（标准）-40º到+70ºC（低温选择）0º到+100ºC（高温选择）有些CPR高温选择0º到+85ºC

储藏温度：

-25ºC到+85ºC

湿度：

相对湿度98%

振动：

10g@58-500Hz；

抗震：

50g@11ms

5.1.2变频器的选择

变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。

选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求。

5.1.2.1相关组成部分

图4.1变频器基本结构

基本组成：

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

图4.2变频器电路组成

5.1.2.2原理简述

交流电动机的同步转速表达式位：

（1）

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式

（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

5.1.2.3确定变频器型号

按照检测系统电机功率所需要求（所需2.1kW），通过查阅相关资料及横向比较，最终确定选择ABB公司生产的ACS550-01-05A4-4型变频器（满足2.2kW）。

ACS550-01-05A4-4型号变频器的技术规范（参数说明）：

ACS550-01-05A4-4变频器的主电源连接要求为3相电源，电压在380V到480V之间，变频器可自动识别输入电压。

ACS550-01-05A4-4变频器的功率因数为0.98。

电机连接，电压范围为0至输入电压，频率为0至500Hz，加速时间为0.1到1800s，减速时间为0.1到1800s。

在最大环境温度40℃条件下的过载能力为，一般应用1.1×I2N，每十分钟允许一分钟；重载应用1.5×I2hd，每十分钟允许一分钟；最大过载1.8×I2hd，每60秒允许2秒。

防护部分采用的R模块，防护等级有IP21和IP54两种可供选择。

ACS550-01-05A4-4传动控制设备，在一般应用下400V时总视在功率SN为4KVA，电机额定功率PN为2.2KW，二次额定电流I2N为5.4A；在重载应用下400V时电机额定功率Phd为1.5KW，二次额定电流I2hd为4.1A。

5.1.3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。

综合考虑各种因素，此处选择PCI-1780书记采集卡，如图14所示：

图4.3PCI数据采集卡

5.2信号采集

5.2.1轮速传感器系统硬件

信号处理结构框图如下：

智能传感器信号处理结构框图

编码器产生的是正弦信号，在经过信号调理整形后产生方波信号，方波信号送外部中断/INTO引脚，将其设定为边沿触发方式，用T1作定时器对方波信号进行测量。

经计算得到轮速和跑偏。

轮速传感器系统硬件系统是以80C31单片微机为核心的（外部扩展8kROM和8kEROM）。

外围有信号处理电路、总线控制电路、及总线接口等电路。

其结构如下图所示。

传感器产生的信号经过滤波、整形、光电隔离后，送80C31的/INTO输入引脚。

SJA1000,82C250组成与CAN总线的控制和接口电路。

MAX813进行超时复位，确保系统可靠工作。

5.2.2信号处理电路

根据轮速传感器的信号特性，处理电路由限幅电路、滤波电路和比较整形电路组成，如图15所示：

图15信号处理电路图

限幅电路将轮速传感器输出信号Vi正半周的幅值限制在5V一下，负半周使其输出为-0.6V。

滤波电路设计成带负反馈的有源低通滤波器，其截至频率为2075Hz。

比较整形电路中设置成一定比例的比较电压，与滤波器输出信号相比较输出方波信号。

LM311N输出方波的幅值为10V。

经R5、R6分压后得幅值为5V的方波信号送光电隔离器。

5.2.3总线通信电路

总线通信电路包括传感器与CAN总线接口和仪表板节点与CAN总线接口。

通过总线接口电路实现传感器和节点间的数据、控制指令和状态信息的传递。

使用总线接口容易形成总线式的网络车辆局域网拓扑结构。

具有结构简单、成本低、可靠性较高等特点。

传感器与CAN控制器的接口以CAN控制器SJA1000为核心，通过82C250实现传感器与物理总线的接口。

CAN总线物理层和数据连路层的所有功能由通信控制器SJA1000来完成。

具有与各种微处理器相连的接口。

六、软件平台部分的实现

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。

软件平台应具有的功能：

变频器的启动/停止（命令子程序）、变频器频率调节子程序、转速调节子程序、通信子程序、自动信号采集子程序、控制面板、人机交互——人机交互界面应该友好，简洁方便，尽量实现大多数功能的直接控制，可以由自己用编译语言编写。

具体程序流程包括:

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控制），制动信号采集子程序，制动距离检测子程序。

流程图如下：

图7.1软件程序控制流程图

6.1串口通信子程序

包括：

与变频器进行通讯，控制变频器的输出频率部分；判断转速是否达到预期要求部分；刹车过程信息检测部分；将检测的数据传递给计算机部分。

6.2变频器控制子程序

6.2.1PID控制程序（控制电机转速相等）

1）、PID控制原理

PID控制通过比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。

通常情况下，其控制原理图如图所示。

图7.2PID控制原理图

PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

它根据给定值

和实际输出值

构成控制偏差

，对偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，作用于被控对象。

各控制环节功能如下：

（A）、比例（P）控制

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

（B）、积分（I）控制

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项也会随时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

（C）、微分（D）控制

具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2）PID计算公式

3）、PID控制流程图

图7.3PID算法流程图

6.3制动信号采集程序

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，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。

6.4滚筒转速检测程序

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。

6.5刹车距及跑偏量计算程序

当装置达到稳定状态（满足测量刹车距）时，将采集的信号通过串口通信程序传递过来后，通过积分程序及简单的数学比较对数据进行处理，实现刹车距及跑偏量的计算，最后通过相应的参量转换将结果输出到显示终端。

七、结语

以上通过现有的制动检测系统的优劣比较选择的惯性式检测系统；根据需要确定了装置的机械部分的尺寸，通过功率转矩计算确定电机的功率，三维造型形象的描述了结构各部分特征；通过受力分析分析检测过程可能出现的现象并作相关分析；控制系统部分依赖于机械部分的相应参数，综合考虑满足实验要求及市场现有元器件的品牌、性能优略、参数、价格等因素选择变频器、采集卡、传感器等；软件部分对相关算法作了简要说明。

八、参考文献

[1]余志生，汽车制动检测系统研究，机械工业出版社，2004

[2]蔡建，汽车理论，科学技术出版社，2006

[3]李子谦，汽车惯性式检测平台设计，《科技管理研究》，2005

[4]网络教育资源平台，吉林大学

[5]王志伟，卡丁车制动检测系统研究，科技导论，2006

[6]王建强，传感器原理及应用，高等教育出版社，2005

[7]小型汽车检测方法研究，硕士论文，长安大学，2006

[8]汽车惯性式检测平台研究，中国知网，2008