滾筒軸距可調(diào)的反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

黃萬(wàn)友 王琪 于明進(jìn) 孫鵬

摘 要：隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加和行駛車(chē)速的提高，機(jī)動(dòng)車(chē)的運(yùn)行安全越來(lái)越引起人們的關(guān)注，機(jī)動(dòng)車(chē)的制動(dòng)性能是機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全的主要性能之一，汽車(chē)制動(dòng)性能檢驗(yàn)臺(tái)是測(cè)試汽車(chē)制動(dòng)性能的主要手段。本文在反力式汽車(chē)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作原理的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種滾筒軸距自動(dòng)調(diào)節(jié)的反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)被檢機(jī)動(dòng)車(chē)輪胎直徑，并根據(jù)輪胎直徑自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒軸距找到最佳安置角；設(shè)計(jì)了基于英飛凌 XE164FN單片機(jī)的新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件電路；根據(jù)檢測(cè)要求和所要實(shí)現(xiàn)的功能編制上下位機(jī)軟件，上位機(jī)采用 Delphi軟件進(jìn)行編程，下位機(jī)采用 Keil軟件進(jìn)行編程，兩級(jí)控制系統(tǒng)的軟件配合實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能的檢測(cè)。最后，利用新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，檢驗(yàn)

臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性好，可準(zhǔn)確捕獲機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)全過(guò)程。關(guān)鍵詞：滾筒軸距自調(diào)；反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)；測(cè)控系統(tǒng)；制動(dòng)性能

1 引言

目前， GB21861-2014和 GB7258-2012都規(guī)定，機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)檢驗(yàn)宜采用滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)或平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)，其中滾筒反力式制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)應(yīng)用最為廣泛，這種方法方便快捷，但是隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，車(chē)型急劇增多，現(xiàn)有的滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)在實(shí)際檢測(cè)中表現(xiàn)出的弊端越來(lái)越明顯。這種檢驗(yàn)臺(tái)因滾筒軸距固定，當(dāng)輪胎直徑超過(guò)一定值或車(chē)輛輪荷不足時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪在檢驗(yàn)臺(tái)滾筒上打滑的現(xiàn)象，使得制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果偏小、無(wú)法真實(shí)反映車(chē)輛的實(shí)際制動(dòng)性能狀況 [3][4]，如果按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定的“制動(dòng)力與軸荷比”對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，缺乏合理性 [5]。所以本文開(kāi)發(fā)一種滾筒軸距自動(dòng)調(diào)整的制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)”），這種檢驗(yàn)臺(tái)可以模擬改變車(chē)輪輪荷，以測(cè)出車(chē)輛制動(dòng)器最大制動(dòng)力。

2 新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理

新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)較之現(xiàn)有的反力式檢驗(yàn)臺(tái)，增加了自動(dòng)檢測(cè)被檢機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)輪直徑并自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒軸距的功能，對(duì)不同的車(chē)型都可以自動(dòng)調(diào)整到合適安置角，克服了現(xiàn)有檢驗(yàn)臺(tái)滾筒軸距不可調(diào)的弊端，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)及組成

新型制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輪直徑并自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒軸距的功能，增加了輪胎直徑檢測(cè)裝置，滾筒軸距檢測(cè)調(diào)節(jié)裝置和軸距變化的鏈張緊機(jī)構(gòu)。新型制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)主要由左右對(duì)稱(chēng)的制動(dòng)檢測(cè)裝置構(gòu)成，包括滾筒組、滾筒驅(qū)動(dòng)組、制動(dòng)力測(cè)量裝置、舉升裝置和指示與控制裝置，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

滾筒組主要包括主滾筒、副滾筒和第三滾筒，主滾筒通過(guò)軸承座固定支承在機(jī)架上，副滾筒通過(guò)軸承座支承在機(jī)架的導(dǎo)向滑軌上。在車(chē)輛制動(dòng)檢測(cè)中，主滾筒和副滾筒用來(lái)模擬活動(dòng)的路面，同時(shí)也可以起到承載車(chē)輪的作用。第三滾筒安裝在主副滾筒之間，平時(shí)由彈簧使其保持在最高位置，第三滾筒上安裝有轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，分別用于計(jì)算車(chē)輪直徑和車(chē)輪速度。

滾筒驅(qū)動(dòng)組分為兩部分：一是負(fù)責(zé)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；二是負(fù)責(zé)滾筒水平移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。其中負(fù)責(zé)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)、減速器和鏈傳動(dòng)組成；負(fù)責(zé)滾筒水平移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置靠液壓控制，滾筒水平移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置主要由液壓站、液壓管路和液壓缸組成。

制動(dòng)力測(cè)量裝置主要由測(cè)力杠桿和力傳感器組成。測(cè)力杠桿兩端分別接著減速器殼體和力傳感器，車(chē)輪制動(dòng)檢測(cè)時(shí)測(cè)力杠桿與減速器殼體一起繞主滾筒軸線擺動(dòng)；力傳感器將測(cè)力杠桿傳來(lái)的、與制動(dòng)力成比例的力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸送到指示與控制裝置。

舉升裝置由舉升器、舉升平板和控制開(kāi)關(guān)組成，采用液壓式實(shí)現(xiàn)舉升，方便被檢機(jī)動(dòng)車(chē)駛上和駛離檢驗(yàn)臺(tái)。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)的組成

新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)包括軟件部分和硬件部分，軟件部分保證檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)和檢測(cè)過(guò)程的準(zhǔn)確性，包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的登錄和顯示制動(dòng)力檢測(cè)過(guò)程，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)的控制和數(shù)據(jù)采集。

1.框架

2.左減速機(jī)組件 3.左主滾筒鏈輪 4.左主滾筒 5.左制動(dòng)第三滾筒 6.左液壓舉升裝置 7.鏈傳動(dòng)及張緊裝置 8.右主滾筒鏈輪 9.右主滾筒 10.右制動(dòng)第三滾筒 11.右液壓舉升裝置 12.右主滾筒鏈輪 13.右減速機(jī)組件 14.右驅(qū)動(dòng)電機(jī) 15.右副滾筒鏈輪 16.右副滾筒 17.滾筒軸距調(diào)節(jié)裝置 18.輪胎擋輪

用于檢測(cè)被檢機(jī)動(dòng)車(chē)的車(chē)輪速度，安裝在第三滾筒下方，第三滾筒的一端鉆有 6個(gè)圓孔，每檢測(cè)到 6個(gè)信號(hào)即為旋轉(zhuǎn)一圈；車(chē)速傳感器，用于檢測(cè)滾筒的轉(zhuǎn)速，安裝在主滾筒的一側(cè)；軸距傳感器，用于測(cè)量主副滾筒之間的距離，安裝在兩個(gè)主滾筒組的中間位置；轉(zhuǎn)角傳感器，用于測(cè)量第三滾筒被壓下去的角度，從而得到被檢機(jī)動(dòng)車(chē)輪胎直徑，安裝在第三滾筒一端；力傳感器，用于測(cè)量被檢機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)力大小，與測(cè)力杠桿和減速器殼體相連。檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

3.3 新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)原理

當(dāng)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)時(shí)，舉升裝置升起，機(jī)動(dòng)車(chē)駛上檢驗(yàn)臺(tái)，被檢機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)輪停在檢驗(yàn)臺(tái)的主副滾筒之間，舉升裝置降下，輪胎將第三滾筒壓下，第三滾筒帶動(dòng)轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，控制系統(tǒng)根據(jù)此轉(zhuǎn)角信號(hào)、結(jié)合滾筒直徑和滾筒軸距計(jì)算出車(chē)輪直徑，然后根據(jù)當(dāng)前軸距信號(hào)以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的安置角自動(dòng)調(diào)節(jié)副滾筒位置，此時(shí)張緊機(jī)構(gòu)不工作，副滾筒在在導(dǎo)向軌道上移動(dòng)，直至被檢機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)輪處于最佳安置角位置，張緊機(jī)構(gòu)張緊，之后電機(jī)啟動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)減速器傳至主副滾筒，主副滾筒帶動(dòng)車(chē)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)提示引車(chē)員踩制動(dòng)踏板時(shí)，引車(chē)員踩下制動(dòng)踏板，車(chē)輪因受到制動(dòng)器的摩擦力矩，輪速下降，此時(shí)在輪胎與滾筒的接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)切向力，此力便是制動(dòng)力。為了減少輪胎磨損，當(dāng)被檢車(chē)輛滑移率達(dá)到設(shè)定值時(shí)，新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出指令，電機(jī)停止工作，這樣減少了輪胎的磨損。測(cè)量完成后，舉升裝置升起，車(chē)輛后軸駛?cè)?，舉升裝置降下，測(cè)試后軸制動(dòng)器制動(dòng)力。待前后軸測(cè)試完畢后，舉升裝置升起，機(jī)動(dòng)車(chē)駛離檢驗(yàn)臺(tái)。

3 新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的組成部分，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)性能檢驗(yàn)的基礎(chǔ)，它決定了新型制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)的響應(yīng)速度和測(cè)量精度。硬件設(shè)計(jì)的合理與否將直接決定整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能 [6][7]。

3.1 傳感器選型

傳感器的選型應(yīng)注意兩點(diǎn)：機(jī)械安裝尺寸和傳感器的分辨率。新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)所用的傳感器有輪速傳感器、車(chē)速傳感器、軸距傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、力傳感器。由于第三滾筒是由被檢車(chē)輛車(chē)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，測(cè)量第三滾筒轉(zhuǎn)速就可

以得到輪速，常用的測(cè)速傳感器有兩種：電感式傳感器和光電式傳感器，考慮到本檢驗(yàn)臺(tái)滾筒轉(zhuǎn)速低，試驗(yàn)車(chē)速為 2.5～5.0km/h，且安裝空間較小，本檢驗(yàn)臺(tái)采用的是電感式接近開(kāi)關(guān)，此類(lèi)傳感器靈敏度高，頻率響應(yīng)為 70Hz，重復(fù)定位精度高，瞬變過(guò)程短，工作穩(wěn)定可靠，紅色 LED顯示可以檢查傳感器的狀態(tài)，具有耐震，耐腐蝕等特點(diǎn)。制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)車(chē)速傳感器每轉(zhuǎn)需輸出 200個(gè)信號(hào)，滾筒轉(zhuǎn)速為 40～100r/ min，試驗(yàn)臺(tái)采用的是一種旋轉(zhuǎn)編碼器，可將角位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)，無(wú)接觸磨損，壽命長(zhǎng)，安裝隨意，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。軸距傳感器采用的是一種紅外測(cè)距傳感器，此傳感器由位置探測(cè)器、紅外發(fā)射二極管以及信號(hào)處理電路三部分組成，傳感器的測(cè)量精度不會(huì)受到被測(cè)物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間影響，新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)滾筒中心距的變化范圍為 471mm～771mm，存在 300mm的變化范圍，其輸出電壓與測(cè)量距離關(guān)系如圖 3所示，為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性和單值性，初始測(cè)量距離設(shè)為 250mm。力傳感器采用雙梁式結(jié)構(gòu)，帶過(guò)載保護(hù)功能，可測(cè)壓力和拉力，在此檢驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)量的是拉力，此傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，方便安裝的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)角傳感器采用一款精密電阻式角度傳感器，可轉(zhuǎn)角度為 345°，第三滾筒從最高位置移動(dòng)至最低位置，傳感器轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 16°，此傳感器滿(mǎn)足測(cè)量要求，它具有機(jī)械壽命長(zhǎng)，分辨率高，轉(zhuǎn)動(dòng)順滑，動(dòng)態(tài)噪聲小的特點(diǎn)。各傳感器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表 1所示。

3.2 單片機(jī)選型

根據(jù)檢驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)功能的要求，單片機(jī)要完成傳感信號(hào)采集、制動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)分析計(jì)算和數(shù)據(jù)通信等功能。針對(duì)檢驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)功能的要求，對(duì)單片機(jī)的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入和信號(hào)處理；具有高效的實(shí)時(shí)中斷系統(tǒng)，以滿(mǎn)足信息采集和通訊的要求；集成度高，片內(nèi)集成有 A/D，CAN，IO捕獲比較等模塊，以實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)臺(tái)有效采集各傳感器信號(hào)；單片機(jī)工作溫度范圍等指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足檢驗(yàn)臺(tái)的工作要求 [8]。據(jù)此選擇英飛凌公司生產(chǎn)的 16位微控制器 XE164FN，優(yōu)化的編譯器可支持 CPU與 MAC單元的強(qiáng)大功能結(jié)合，從而使該產(chǎn)品與 32位系統(tǒng)之間不存在任何差異。 XE164FN具有 4個(gè)捕獲 /比較單元， 2個(gè)數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器， 13個(gè)并行端口，通過(guò)內(nèi)嵌外設(shè)可將 CPU與外部世界連接，將原本需要在片外添加的功能集成到片內(nèi)；具有 96個(gè)單獨(dú)的中斷節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成 16級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可對(duì)各種中斷請(qǐng)求做出快登錄界面至最適安置角，通過(guò)液壓裝置進(jìn)行張緊，電機(jī)工作，滾筒帶動(dòng)輪胎勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，駕駛員根據(jù)提示踩下制動(dòng)踏板，若滑移率達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的范圍，電機(jī)停止工作。系統(tǒng)程序框圖如圖 8所示。

5 新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)功能驗(yàn)證

完成汽車(chē)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)后進(jìn)行軟硬件調(diào)試，電路板線路連接正常后進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，使各個(gè)繼電器工作正常；之后系統(tǒng)空載試驗(yàn)，查看機(jī)械和電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作情況；最后進(jìn)行加載實(shí)車(chē)試驗(yàn)，試驗(yàn)車(chē)為本田

互作用而產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)，隨后制動(dòng)力快速增長(zhǎng)，最大制動(dòng)力出現(xiàn)在車(chē)輪與滾筒之間的滑移率為 15%～20%左右時(shí)，之后車(chē)輪沿著滾筒滑轉(zhuǎn)，制動(dòng)力逐漸減小且有波動(dòng)存在。在軸距由 26mm增加到 150mm時(shí)，測(cè)得的車(chē)輛制動(dòng)力相應(yīng)增加。測(cè)試結(jié)果表明，在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)成功捕捉到了最大制動(dòng)力以及制動(dòng)力變化過(guò)程，各傳感器工作可靠，且呈現(xiàn)了非常好的穩(wěn)定性和精確性，測(cè)試得到的曲線與理想制動(dòng)過(guò)程的曲線吻合。

6 總結(jié)輸入

思域 1.3L混合動(dòng)力轎車(chē)，此轎車(chē)輪胎規(guī)格為 195/65 R15，輪荷為 712kg，在新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試得到的制動(dòng)力曲線如圖 9所示。從圖中可以看到，被測(cè)車(chē)輛阻滯力為 150N左右，踩下制動(dòng)踏板后，因?yàn)闈L筒與輪胎之間的相

本文以英飛凌 XE164FN單片機(jī)為核心，開(kāi)發(fā)了滾筒軸距自動(dòng)調(diào)整的反力式汽車(chē)制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，構(gòu)建了試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)了所需的信號(hào)采集、計(jì)算、通訊、控制等功能。新型制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明，檢驗(yàn)臺(tái)電路系統(tǒng)穩(wěn)定，工作可靠，檢測(cè)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，這對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)設(shè)備更新?lián)Q代具有重要意義。

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