鼓式制動(dòng)器制動(dòng)力矩和溫度測試臺(tái)架的設(shè)計(jì)

方 濤，高 洪，洪 崢，紀(jì) 拓，胡如方

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鼓式制動(dòng)器制動(dòng)力矩和溫度測試臺(tái)架的設(shè)計(jì)

*方 濤，高 洪，洪 崢，紀(jì) 拓，胡如方

（安徽工程大學(xué)先進(jìn)數(shù)控與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽，蕪湖 241000）

基于多體動(dòng)力學(xué)和斯特藩·玻爾茲曼定律，設(shè)計(jì)計(jì)算鼓式制動(dòng)器制動(dòng)力矩及溫度測試臺(tái)架，簡述了傳感器模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理及顯示終端三大模塊的設(shè)計(jì)思路。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架相比，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架具有結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)采集干擾小和測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

鼓式制動(dòng)器；制動(dòng)力矩；制動(dòng)溫度；實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

0 引言

制動(dòng)器是汽車重要安全部件之一。汽車制動(dòng)時(shí)，由摩擦導(dǎo)致制動(dòng)鼓溫度的升高，會(huì)使其產(chǎn)生形變導(dǎo)致制動(dòng)性能下降；汽車制動(dòng)力矩不足會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離延長，降低行車安全性；制動(dòng)力矩過大會(huì)導(dǎo)致輪胎抱死，引起打滑[1]。因此，測量制動(dòng)過程中制動(dòng)力矩和溫度的變化情況非常必要。實(shí)驗(yàn)測量制動(dòng)力矩一般采用平板式制動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)或者反力式制動(dòng)滾筒試驗(yàn)臺(tái)，通過倒拖法使輪胎停轉(zhuǎn)，從而測出制動(dòng)力[2]。這種傳統(tǒng)方法除汽車試驗(yàn)臺(tái)架外，還需另加試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[3]。本文通過測量半軸扭矩和輪速，間接求得制動(dòng)力矩，通過合理布置非接觸式溫度傳感器以測試制動(dòng)鼓溫度。

1 試驗(yàn)臺(tái)架基本組成及測試基本原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)測試參數(shù)及其精度要求，給出試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案，包括單輪制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械本體如圖1和三大模塊（傳感器模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)處理及顯示終端）如圖2。

圖1 單輪制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械本體

圖2 試驗(yàn)臺(tái)檢測系統(tǒng)三大模塊

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械本體設(shè)計(jì)結(jié)果及傳感器的布置如圖1-3所示，包括驅(qū)動(dòng)輸入模塊1和單輪測試系統(tǒng)模塊2。

1-驅(qū)動(dòng)輸入模塊 2-單輪測試系統(tǒng)模塊

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械本體的工作過程：電機(jī)離合器、變速器、聯(lián)軸器依次相連，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器、變速器、離合器帶動(dòng)輸出軸的旋轉(zhuǎn)，輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪轂及制動(dòng)鼓的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輸出軸達(dá)到一定速度，松開離合器，同時(shí)制動(dòng)蹄由液壓輪缸驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)鼓接觸產(chǎn)生摩擦進(jìn)行制動(dòng)。

傳感器模塊包括安裝在半軸上的扭矩傳感器和輪速傳感器以及安裝在促輪缸上的測溫傳感器，如圖3；信號(hào)處理模塊將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的信號(hào)處理電路；算法模塊包括傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和制動(dòng)力矩的間接計(jì)算。

該試驗(yàn)臺(tái)架選用接觸式應(yīng)變片式扭矩傳感器、霍爾式輪速傳感器和紅外溫度傳感器。扭矩傳感器和輪速傳感器均安裝在半軸上，如圖4所示，3A為應(yīng)變片式扭矩傳感器，3B為霍爾式輪速傳感器齒圈，3C為霍爾式輪速傳感器。

圖4 扭矩傳感器和輪速傳感器的布置

將紅外溫度傳感器的三個(gè)紅外測溫探頭在促動(dòng)輪缸上方，正對(duì)輪轂內(nèi)表面如圖5.

1-制動(dòng)鼓 2-制動(dòng)蹄 3-促動(dòng)輪 4-紅外溫度傳感器

1.2 制動(dòng)力矩測試的基本原理

通過半軸上的扭矩傳感器測得半軸驅(qū)動(dòng)扭矩M，利用輪速傳感器測得輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，角加速度為。已知該測試裝置中半軸半徑質(zhì)量;假設(shè)制動(dòng)鼓形狀近似無底圓筒，已知制動(dòng)鼓外半徑,內(nèi)半徑和質(zhì)量。假設(shè)半軸和制動(dòng)鼓質(zhì)量為均勻分布，則半軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(2)

則系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

令制動(dòng)力矩為T，則有如下關(guān)系式：

(4)

即

1.3 制動(dòng)溫度測試原理

紅外熱電偶溫度傳感器是根據(jù)斯特藩·玻爾茲曼定律和馬克斯·普朗克基本原理（紅外輻射能量大小和波長分布與表面溫度關(guān)系）測物體表面溫度，物體溫度越高單位時(shí)間熱輻射越多，介質(zhì)越少，熱輻射率越高，具體是通過熱電偶來檢測。熱電偶是兩種不同金屬組成閉合回路，當(dāng)金屬兩端接觸不同溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，其中一種溫度為工作溫度，另外一種為環(huán)境溫度。

輻射熱流：

由式（6）通過變換得制動(dòng)鼓溫度：

2 三大模塊的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

2.1.1 接觸式旋轉(zhuǎn)應(yīng)變片式扭矩傳感器

該測試臺(tái)架傳感器模塊中采用的應(yīng)變片式扭矩傳感器。在半軸上安裝精密電阻應(yīng)變片，并搭建（惠斯頓）電橋，如圖6所示。軸的形變引起應(yīng)變片阻值變化，應(yīng)變橋阻值的變化產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)通過固定在軸上的滑環(huán)和固定在傳感器上的刷臂實(shí)現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)到靜止傳遞，由于應(yīng)變e與主軸的轉(zhuǎn)矩成比例，可求得半軸的驅(qū)動(dòng)扭矩:

式中為半軸材料的彈性模量，為半軸的直徑，為半軸材料的泊松比。

圖6 接觸式旋轉(zhuǎn)應(yīng)變片式扭矩傳感器

Fig. 6 Basic principle of contact and rotation the strain type torque sensor

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩一般范圍為100~300 N.m，因此選用法國的FGP公司CD1050接觸扭矩傳感器（輸出： 2 mV/V, 0.5 to 4.5 Vdc, +/-5 V；量程：± 5~ ± 7 K (± 4~ ± 5,6 K)）。

2.1.2 霍爾式輪速傳感器

霍爾式輪速傳感器分為桿式傳感器和差分式傳感器[4]。桿式傳感器模塊中采用的霍爾輪速傳感器包括安裝在半軸上的傳感器計(jì)數(shù)齒輪及與其相匹配的霍爾式輪速傳感器，安裝在固定基座上，在半軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪與半軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器的傳感頭通過霍爾磁力線的分散與集中，產(chǎn)生交變的霍爾電壓，如圖7。

1-電磁鐵 2-傳感頭 3-齒輪

交變電壓的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，由主軸的角速度與車輪角速度相等，可得：

車輪角速度

瞬時(shí)角加速度

其中T為采樣周期。

由于利用單個(gè)霍爾元件檢測的電壓只有毫伏級(jí)正弦波電壓，信號(hào)占空比大，影響檢測的精準(zhǔn)度[5]。利用雙霍爾元件差分式接法的差分式傳感器可減小這方面的影響（兩個(gè)探頭之間距離為半個(gè)齒距），如圖8。

圖8 霍爾式差分傳感器中雙探頭的布置

電壓信號(hào)通過差分放大，濾波得到清晰模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入數(shù)據(jù)采集卡，再通過通訊接口進(jìn)入PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。針對(duì)本測試臺(tái)架，采用UGN3019開關(guān)型集成霍爾元件[6]，將正弦波電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓。

2.1.3 非接觸式紅外溫度傳感器

圖9非接觸式紅外溫度傳感器基本原理

非接觸式紅外溫度傳感器基本原理如圖2-4。探測器接受透過光學(xué)系統(tǒng)聚集的物體輻射紅外能量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[7]。利用非接觸式紅外熱電偶溫度傳感器測制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱。

針對(duì)本次試驗(yàn)采用非接觸式紅外溫度測溫儀德國diasDT40系列中的DT40L（溫度范圍：0～1000℃；測溫精度1.0％），將三個(gè)紅外測溫探頭（取三組數(shù)據(jù)的平均值）安裝在促動(dòng)輪正上方，測促動(dòng)輪正上方制動(dòng)鼓內(nèi)表面的溫度。因制動(dòng)鼓制動(dòng)溫度變化為50~250 ℃，則該傳感器溫度范圍符合要求。

2.2 信號(hào)處理模塊

根據(jù)測試項(xiàng)目要求所需傳感器的數(shù)目有5個(gè)：1路為應(yīng)變扭矩傳感器，2路為霍爾輪速傳感器，3路為紅外溫度傳感器，如圖10。各路傳感器的輸出均為電壓信號(hào)，并且同時(shí)采集。由傳感器模塊通過多路選擇開關(guān)與信號(hào)處理模塊通過單芯通信電纜連接；信號(hào)處理模塊包含信號(hào)濾波器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接口電路[8]，通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)終端連接。因?yàn)橛性礊V波器與無源濾波器相比可提高電壓放大倍數(shù)和負(fù)載，并且一階濾波精度低而高階濾波時(shí)間長，故可選用二階有源低通濾波器；由于差動(dòng)放大器可以抑制零點(diǎn)漂移，故此實(shí)驗(yàn)放大器可選用差動(dòng)放大器。

圖 10 信號(hào)處理電路

2.3 數(shù)據(jù)處理及顯示終端

通過安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集5路信號(hào)，計(jì)算機(jī)終端通過對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理。可得到各采樣時(shí)間點(diǎn)半軸輸入轉(zhuǎn)矩、瞬時(shí)角速度、瞬時(shí)角加速度及制動(dòng)鼓溫度的數(shù)值；根據(jù)動(dòng)態(tài)力矩平衡原理，間接求得制動(dòng)力矩；以及通過繪制制動(dòng)力矩和制動(dòng)熱變化趨勢曲線，可測試制動(dòng)器整體效能。

3 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)測制動(dòng)力矩的試驗(yàn)臺(tái)相比，無需另加試驗(yàn)臺(tái)，裝置簡單，并且測到的數(shù)據(jù)采集干擾小，測量精度高。

2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)避免人工采集誤差，保證采集數(shù)據(jù)精確性。

3)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可得到制動(dòng)力矩和制動(dòng)熱的變化趨勢曲線，可測試制動(dòng)器整體效能。

參考文獻(xiàn)：

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TEST BENCH DESIGN OF BRAKE TORQUE AND TEMPERATURE ON DRUM BRAKES

*FANG Tao, GAO Hong, HONG Zheng, JI Tuo, HU Ru-fang

(Anhui Key Laboratory of Advanced Numerical Control ＆ Servo Technology, Anhui Ploytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

We designed test bench of brake torque and temperature on drum brakes based on Multi-body dynamics and Stefan Boltzmann's law. Furthermore, we introduced briefly the design of sensor modules, signal processing module and display terminal module. The test bench has advantages of simple structure, small disturbance by the data acquisition and high precision measurement compared with the traditional test bench.

drum brakes; braking torque; brake temperature; test bench

1674-8085(2015)01-0065-05

U463.51+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.01.013

2014-06-30；修改日期：2014-12-03

2012年度蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目（產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)）（2012cxy02）

*方 濤(1986-），男，安徽桐城人，碩士生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail：1553145615@qq.com）；

高 洪(1963-），男，安徽樅陽人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與CAD等研究(E-mail:gaohong0706@sina.com）；

洪 崢(1989-），男，安徽績溪人，碩士生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail:530307510@qq.com)；

紀(jì) 拓(1991-），男，安徽池州人，碩士生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail:304235740@qq.com)；

胡如方(1986-），女，山東菏澤人，碩士生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究(E-mail:1415602593@qq.com).