制动器试验系统（精选十篇）
制动器试验系统 篇1
关键词：制动器试验台,低通滤波器,控制系统,瞬态性能指标,鲁棒性
目前汽车工业正以前所未有的速度发展，汽车制动器是体现制动性能的关键部件，其质量至关重要，优良的控制系统是保证汽车质量的前提，汽车制动器的性能优劣直接关系到车辆和人身的安全。为了检测制动器的综合性能，需要在各种不同情况下进行大量路试。但是，车辆设计阶段无法路试，只能在专门的制动器试验台上对所设计的路试进行模拟试验。通过对制动试验台原有的控制系统试验所测得的数据进行分析，发现这种控制方法存在着鲁棒稳定性差的不足，为了改善系统的性能，需要对系统加以改进。
1 问题分析
1.1 制动过程分析
惯量电模拟的基本原理是：只要使电惯量系统受载后的动力特性与机械惯量系统动力特性一致,即转速变化一致,即可以实现惯量的电模拟。实时控制异步电动机的转速和惯量盘的摩擦能量,使试验系统在较小机械惯量配置的前提下,实现对试验系统惯量的无级调整，提高试验台的自动化程度。
已知驱动电流I与其产生的扭矩ΔM成正比，其比例系数为k，则有：
在制动的过程中，切断动力电源的情况下，电动机的输出力矩M(t)为零，并且，在此过程中，相对于制动力矩来说，机械系统转动的摩擦力矩小很多，忽略不计。在上述条件下可得：
在恒制动力矩试验中，制动器试验系统通过调节制动管压使制动力矩为常量Mf，因此可以得出角加速度
驱动电流可以产生转速，则驱动电流与角加速度、转动惯量之间的关系可表示为：
1.2 系统的瞬态性能指标
分析系统的特性时，通常要研究系统的时域特性和频域特性。系统的瞬态性能是分析和计算系统时域和频域的常用的性能指标。系统的瞬态性能是用系统的阶跃响应特征来定义的。常用来描述瞬态性能指标的参数有：
1)上升时间tr：响应曲线从稳态值的10%上升至稳态值的90%所要的时间。
2)峰值时间tp：响应曲线第一次到达最大峰值所需要的时间。
3)最大超调量Mp
4)调整时间ts：瞬态响应曲线进入并永远保持在±Δ允许误差范围内的最小时间。通常，Δ取稳态值的2%或5%，本文中Δ取4%。
1.3 评价系统性能
已知制动器试验台的工作原理是主轴的扭矩和转速通过原有控制系统产生电动机的驱动电流，然后驱动电流再调整扭矩和转速。在所设计的路试等效的转动惯量为48 kg·m2，机械惯量为35 kg·m2，主轴初转速为514转/分钟，末转速为257转/分钟，时间步长为10 ms的前提条件下试验，然后对所测得的数据进行分析，得出系统的四个瞬态性指标，进而对该控制系统进行评价。
根据原有控制系统所测得的数据，依照系统的瞬态性指标，对题中的控制方法所产生的数据进行分析，利用MATLAB计算出扭矩与时间的响应曲线的上升时间tr=0.58s，峰值时间tp=2.78s，最大超调量Mp=4.06%，调整时间ts=4.24s。
从图3、4也可以看出，在控制方法改进前，电动机的驱动电流产生的瞬时扭矩达到峰值后随时间的变化波动比较大，即扭矩不稳定，同时，转速的降低是非线性的，二者都与路试的理想值变化趋势有很大偏差。所以，题中所用的控制方法需要进一步的改进。
2 控制系统改进原理
针对上述控制方法的缺点，本文对其做了进一步的改进，在上述控制系统的基础上，将低通滤波器运用到控制方法中。低通滤波器是将输入端的信号过滤后，输出一低频信号，具有稳压的作用。将驱动电流所产生的扭矩和转速输入到低通滤波器中，经过处理，输出优化的扭矩和转速，由此达到了改善系统的性能的目的，改进后的控制方法原理图见图1。因为低通滤波器是一个线性系统，电流通过低通滤波器所产生的效果可以等效为扭矩和转速分别通过同一个低通滤波器，等效原理图见图2。
3 改进效果分析
运用上述原理对控制系统改进后，利用MATLAB编程分别画出改进前后的瞬时扭矩和瞬时转速的时域曲线图，如图3、4所示。其中，在图4中，因为差别细微，为了更清楚地表现出改进后的瞬时转速随时间变化趋势更加接近理想的直线，特截取了其中的一部分。
利用系统的瞬态性指标，根据改进的方法，计算出扭矩与时间的响应曲线的上升时间tr=0.70s，峰值时间tp=2.92s，最大超调量Mp=1.02%，调整时间ts=0.77s。与改进前系统的瞬态性指标相比，改进的系统，即加入低通滤波器后，具有最大超调量小、调整时间短的特点。由图3可以得出,瞬时扭矩无论是暂态的上升,还是稳态的振荡,都比改进前更加平滑、稳定,这就说明,运用低通滤波器所设计的制动器试验台的控制方法确实很好地优化了原来的控制系统,提高了系统的鲁棒稳定性。同时，由图6很明显可以看出，瞬时转速的变化趋势比改进控制方法前更加接近期望直线，说明在很大程度上增强了试验台制动器的制动过程与路试车辆上制动器的制动过程的一致性。另外，综合图3、图4，还可以看出系统改进后存在不足：瞬时扭矩的响应曲线的上升时间和峰值时间都较改进前有细微增大，即曲线向右偏移;并且瞬时转速的响应曲线也稍微向上偏移。综合以上分析，系统的改进，是牺牲了上升时间和峰值时间，去争取最大程度上与路试的实际制动过程相一致。
M1—原始扭矩;N1—原始转速;CS—控制系统;I—驱动电流;LPF—低通滤波器;M2—优化的扭矩;N2—优化的扭矩
4 结束语
本文通过对题中原有制动器试验台控制系统试验所得到的瞬时扭矩和瞬时转速的分析，得出原有控制系统试验所得到的数据与路试制动过程的期望值有很大偏差的结论，主要表现在瞬时扭矩的稳态有振荡，并且瞬时转速的变化趋势与路试情况下的直线相差较大，即系统的鲁棒稳定性差。针对不足，本文在原有控制系统的基础上，加入低通滤波器进行改进，利用低通滤波器的抑制高频特性，并对改进前后的控制系统的性能进行对比分析。分析结果表明加入的滤波器大大降低了最大超调量，缩短了调整时间，这说明瞬时扭矩与原来相比，可以更快地进入稳态，并且振波动幅度明显减小，提高了系统的鲁棒性。另外，改进的系统也存在着不足，体现在瞬时扭矩的响应曲线的上升时间和峰值时间增大，即暂态的时间变长，还需要进一步的改进。
参考文献
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[6]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京:电子工业出版社,2006.
制动器试验系统 篇2
方法
基本信息
【英文名称】Characteristics evaluation of brake linings for automobile―Small sample bench test method 【标准状态】现行 【全文语种】中文简体 【发布日期】1998/8/19 【实施日期】2013/9/1 【修订日期】2012/12/31 【中国标准分类号】Q69 【国际标准分类号】43.040.40
关联标准
【代替标准】GB/T 17469-1998 【被代替标准】暂无
【引用标准】暂无
适用范围&文摘
本标准规定了汽车制动器衬片（以下简称“衬片”）摩擦磨损性能的小样台架试验程序及摩擦系数的级别和标记。
制动器试验系统 篇3
关键词：ABS系统；道路试验；评价指标
中图分类号：U463.5 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）05-0059-04
Test Study and Analysis on Anti-lock Braking System
GU Su-qin1，RUAN Ting-chuan2
（1.China Automotive Engineering Redearch Institute，Chongqing 400039，China；
2.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.，Ltd，Baotou 014030，China）
Abstract:It is a serious problem that if an Anti-lock Braking system can meet a vehicle request. So in order to optimize the ABS testing method，many tests under different road adhesion coefficient， different vehicle speed and vehicle load. can be done.At last，to validate if the testing method is suitable for evaluating ABS behavior basing on measured vehicle deceleration and wheel angle speed. This paper also introduces two new evaluating index:yaw angle and yaw angle speed to evaluate ABS behavior.
Key words:anti-lock braking system；road testing；evaluating index
汽车防抱死制动系统( Anti-lock Braking System ) 简称ABS，是基于汽车轮胎与路面之间的附着性能随滑移率改变的基本原理而开发的电子控制制动系统，它从防止制动过程中车轮“抱死”的机理出发，避免汽车后轮侧滑和前轮丧失转向能力，以达到提高汽车行驶稳定性、操纵性和制动安全性的目的［1］。
统计资料表明汽车发生事故时，有51.59%是因为制动时发生车轮抱死，随之发生侧滑的也占事故车总数的21.34%［2］。采用ABS后，由于避免了汽车后轮侧滑和前轮丧失转向能力，进而提高了汽车行驶稳定性、操纵性和制动安全性，可有效地避免或者减轻事故造成的损失。我国也对汽车的制动系统性能制定了相关国家标准。GB 12676-1999《汽车制动系统结构性能和试验方法》规定从2003年10月起，M3类旅游客车，N3类载货汽车和O4类挂车必须装用防抱死制动装置，2003年颁布了具体的防抱制动系统试验方法GB/T13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》，2004年又具体规定了必须安装的车型和时间(见GB 7258—2004《机动车运行安全技术条件》)，同时交通部规定高速公路营运客车必须装备ABS系统［3］。
目前国内汽车制造商在应用ABS系统时遇到一些问题，即ABS系统与车辆的匹配问题，即验证某一特定车辆安装ABS制动系统后，其制动性能是否达到了国家标准和相关的规定，这需要通过整车道路试验验证是否满足国家标准的要求。
1 ABS的工作原理
汽车在制动过程中，车轮与路面会产生相对滑移，滑移成份在车辆纵向运动中所占比例称为滑移率，定义见公式（1）［4］。
=×100%（1）
式中：为车辆行驶速度，m/s; r为车轮半径，m；为车轮转速，rad/s。
试验发现，在硬实的路面上，弹性轮胎与路面间的附着系数μ和滑移率?姿存在如图1所示的一般性关系。
图 1 附着系数与滑移率的一般关系
从图1中可以看出：当车轮的滑移率处于峰值附着系数μp的附近范围内时，侧向附着系数μs约为最大纵向附着系数的50%~75%。如果能够将车轮的滑移率控制在这一范围时，车轮的纵向附着系数最大，同时车轮的侧向附着系数也较大，从而保证获得充分的制动力和足够防止侧向滑移所遇的侧向附着力。
ABS系统正是利用道路与轮胎之间的这种关系，在制动过程中利用车轮轮速传感器测得车轮的角速度，根据角速度及角速度的变化率估计整车速度，并按公式（1）计算滑移率。通过压力调节器控制制动力的大小，使滑移率保持在μp附近，使路面附着性能得到充分的发挥，从而达到最佳的制动效果。
2 装备ABS系统车辆的道路试验结果及分析
ABS必须与汽车制动系统匹配，否则不可能得到良好的制动性能。单独评价ABS的性能没有实际意义，ABS的性能最终应体现在装用该ABS的车辆的制动性及制动稳定性上，因此必须用安装ABS的汽车进行道路试验，对整车试验结果进行分析评价才有实用价值。
下面是一次具体的ABS道路试验结果：依据GB/T 13594-2003《机动车和挂车防抱制动性能和试验方法》，对某客车在ABS专用性能试验道路上进行的试验。
2．1 试验结果
ABS系统失效时车辆剩余制动效能试验结果如表1所示。
表 1 ABS系统失效时车辆剩余制动效能试验结果
2．2 计算结果
附着系数利用率ε测量计算结果如表2所示。
表2 附着系数利用率测量结果
2．3 对接路面试验
对接路面试验主要用于评价ABS系统控制逻辑中路面识别功能的优劣性，反应灵敏性。
试验客车采用空载和满载两种工况，从高附着系数路面驶入低附着系数路面进行试验，试验时分别以初速度40 km/h和80 km/h急促全力制动（试验曲线见图2），15 km/h以上车速时均未发生车轮抱死现象，保证方向稳定性、转向操纵性。
图2 高附到低附试验的车速及车轮转速曲线
试验客车采用空载和满载两种工况，从低附着系数路面驶入高附着系数路面进行试验，试验时以初速度50 km/h急促全力制动（试验曲线见图3），ABS反应灵敏，能在短时间内达到适应于高附着系数路面的最大的减速度，保证制动效能的要求。
由图2可知，可以明显看到路面跳跃点。车速曲线的斜率在路面转换点有明显的拐点，其斜率由陡变缓。高附路面制动时制动系统有较高的制动压力，当车辆跳变到低附着系数后，ABS系统降低制动压力，使其制动压力与路面附着系数相适应。在过渡处有一个较大波动，尤其是低速制动时在过渡处存在短暂抱死，这是由于压力降低没有变换的过程快。
由图3可知，车速曲线的斜率在路面转换点也存在拐点，其斜率由缓变陡。低附着路面制动时制动系统压力低，制动循环比较大，当车辆跳变到高附着系数后，ABS系统压力持续升高，使其制动压力与路面附着系数相适应，接近系统最大制动压力。
图3 低附到高附试验的车速及车轮转速曲线
2.4 对开路面试验
对开路面制动因左右侧车轮制动力不等造成横摆现象，通过试验对ABS的控制逻辑和控制驱动方式的优劣性作出评价。
试验客车采用空载和满载两种工况，左右车轮分别位于高附着系数和低附着系数路面进行试验，试验时以初速度50km/h急促全力制动（试验曲线见图4），均未发生车轮抱死现象，制动过程中方向盘轻微转动修正行驶方向保证了方向稳定性。
图4 左侧附着系数高的道路试验
由图5可知，ABS系统对车轮抱死现象进行了很好地控制，无论高速还是低速，附着系数高的路面一侧轮制动过程中控制循环比较少，制动力较大，减速度稳定，速度波动小；附着系数低的路面一侧车轮制动控制循环比较多，控制循环比较大且有短暂抱死现象。
图5 右侧附着系数高的道路试验
3 结论
试验结果表明：该样车符合GB/T 13594-2003《机动车和挂车防抱制动系统性能和试验方法》要求，但没有对整车制动稳定性和方向操纵能力做出定量的要求。同样，通过对其它ABS法规分析可知：附着系数利用率ε作为评价指标侧重于制动效能的评价，没有兼顾ABS工作时整车的制动稳定性和方向操纵能力。实际上我们在进行整车ABS道路试验时，经常遇到车辆激转、严重侧滑甚至翻车等事故，这说明：对ABS性能的评价必须通过在整车上进行道路试验才能得到认定，我国现行的GB/T 13594-2003《机动车和挂车防抱制动系统性能和试验方法》标准，对ABS工作时整车的制动稳定性和方向操纵能力缺乏定量的要求，评价指标的完整性和科学性有待进一步提高。
参考文献:
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制动器试验系统 篇4
汽车制动器摩擦试验台 (简称摩擦试验机) 是一种完成汽车制动器摩擦衬片试验的室内台架试验系统。摩擦衬片是汽车制动系统的重要部件, 影响其性能的因素有很多。在众多因素当中, 温度对于摩擦衬片的影响最大。目前, 常用的温度试验方法有小样试验和台架试验等汽车制动器摩擦试验台 (摩擦试验机) , 所使用的设备中有从日本, 美国、德国进口的各种类型的试验检测设备, 也有国内厂家生产的检测设备。其试验原理、试验方法和设备技术水平有较大的差异。测试方法依旧是小样试验, 破坏原有的结构, 采集的数据不能完整反映整个摩擦衬片的性能。其中台架试验规模体积较大, 数据的采集和处理也不够精确, 特别没有对采集的温度数据进行处理分析, 很大程度上影响了对摩擦衬片性能的评估[1,2]。
虚拟仪器作为一种基于计算机的自动化检测系统, 是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物, 也是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。是利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接, 以计算机为核心、充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力, 提供对测量数据的分析和显示[3]。
针对一新型便携式制动器摩擦试验机温度测试系统的研发, 为保证系统要求和控制精度, 采用了基于Labview语言的图形化编程软件系统和数据采集卡USB-9211来构建温度测试系统。通过传感器接收温度信号, 通过数据采集卡输出模拟信号, 再通过信号处理并通过Labview对测试系统进行分析[4]。整个测控系统结构简单, 程序的设计和调试工作量小, 测试采集量和数据计算结果的显示通过计算机显示器完成, 是一个理想的汽车制动器摩擦衬片温度采集平台。
1 温度测试系统的工作原理
该温度测试系统以热电偶为测量基础, 如图1。热电偶测量温度时要求其冷端 (通过引线与测量电路连接的端称为冷端, 测量端为热端) 的温度保持不变, 其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时, 冷端的 (环境) 温度变化, 将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿。由冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿[5]。其补偿式 (1) 如下:
式中:E (T0, 0) 是实际测量的电动势, T代表热端温度, T0代表冷端温度, 0代表0℃。在制动器摩擦试验机现场测量中, 热电偶温度一般不为0℃, 而是在一定范围变化着, 因此测得热电动势为E (T0, 0) 。如果要测量的真实被测温度所对应的热电动势为E (T, 0) , 就必须补偿冷端不是0℃所需要的补偿电动势E (T0, 0) , 而且补偿的电动势随温度的变化特性必须与热电偶的热电特性相一致, 才能获得最佳补偿效果。
设热电偶热端温度为T, 冷端实际温度为Tn, 补偿导线冷端温度为T0, 则回路总接触电动势表示为:
若各节点温度均为Tn, 在其接触面上没有电动势, 故
将式 (2) 减去式 (3) :
因热电偶产生的热电势与回路中间温度无关, 所以回路总热电势等于热电偶热端温度为T, 冷端温度为T0时的热电势。用补偿导线很好地消除了指示误差, 完成了冷端温度补偿。
2 温度测试系统的研究方法
2.1 热点偶和数据采集卡
试验中要尽可能的接近实际检测过程中各种场合下的温度。故要求:温度在-200℃~500℃输出, 并将其信号进行放大。而镍镉-镍硅热电偶 (K) 型, 具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、1 000℃下的抗氧化能力强、性价比高等特点, 可在检测刹车片各种模拟路况环境中长期使用。而且对热电偶信号的冷端补偿, 也可以很好地消除环境对测温的影响。
经过综合分析温度测量点数、分辨率、精度要求, 决定采用NI公司生产的USB-9211数据采集卡。这是一种性价比高, 可直接与计算机连接的采集卡, 可以采集模拟信号、数字信号, 拥有定时器的功能, 同时还具有模拟输出的功能。USB-9211专为热电偶测量设计, 具有超高的24位模拟-数字转换器的分辨率精度, 还包含即用型数据记录器, 能采集和记录高达四路通道的热电偶数据。该数据采集卡具有高性能的数据采集和控制能力[6]。
2.2 Lab SQL与Access的数据库搭建
Lab SQL是一个完全免费并开源的数据库访问工具, 是一个由许多个VI组成的数据包, 因此可以像调用普通的VI一样来调用。Labview本身不能直接访问数据库, 但是由于Labview提供了丰富的外部程序接口, 例如Active X和.NET, 所以可以通过ADO (Active XData Object) 、DAO (Data Access Object) 、ADO.NET等方法与数据库进行连接。Lab SQL是一个基于ADO技术的Labview数据库访问包, 通过Lab SQL, 用户可以直接在Labview中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。Lab SQL按照ADO对象分了3类, 并分别位于Command, Connection, Recourdset这3个不同的文件夹内。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作。Connection VIs用于管理Labview与数据库之间的连接。Recordset VIs用于对数据库中的记录进行各种操作, 例如创建或删除一条记录, 对记录中某一条目进行读写。SQL是关系型数据库管理系统的标准语言, 因此用它可以访问各种支持SQL语言的关系型数据库[7,8]。图2为Lab SQL数据库连接前面板。
3 温度测试系统的组成
该温度系统如图3所示。温度传感器 (热电偶) 直接测量温度, 把产生的温度转换成热电势信号;信号调理电路对温度传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理;数据采集卡 (DAQ) 采集信号调理电路的电压信号, 转换成计算机能处理的数字信号;通过数据采集卡驱动程序, 将数字信号读入计算机, 计算机对信号进行处理, 以达到预期的目的。其中, DAQ助手模块是连接硬件电路与计算机的核心模块, 可以将硬件电路的信号采集到计算机中。
3.1 硬件系统设计
温度测量电路主要由温度传感器和信号调理电路组成, 热电偶传感器负责采集刹车片各点处的温度值, 处理放大后送入数据采集卡。经过仪器放大器增益为100, 放大器输入信号输入一个二阶2 Hz的滤波器。该信号通过不同的方式与各种数据采集卡连接, 实现热电偶信号的数据采集。冷端补偿输出信号也可以与各种数据采集卡连接, 实现冷端补偿信号的数据采集。
其温度信号调理电路如图4所示。
在信号调理模块中热电偶的信号调理包括三部分:热电偶信号放大、信号滤波和系统偏移量校准。热电偶信号放大是将热电偶传感器信号以差分输入到仪器放大器, 仪器放大器将热电偶传感器100 m V的信号进行放大, 其增益为100。信号滤波是用一个二阶2 Hz的有源滤波器对仪器放大器的输出信号进行滤波。系统偏移量校准实际上就是通过调整电位器进行调整减少放大器的漂移, 保证信号调理模块在0℃时误差最小。
3.2 软件系统设计
以Labview为软件平台的虚拟仪器测量技术, 采用可以组合搭配的数据采集卡和PC电脑构建主要硬件系统。其核心是通过快捷的Labview语言进行个性化的软件设计来实现强大的采集、分析、计算、显示及存储功能, 从而能够适应不同用户的特定要求, 并根据环境或硬件的变化不断地调整程序, 改进优化测试系统, 以达到用户的最终要求。
数据采集用Labview提供的DAQ以及各子VI并调用动态链接DLL完成信号采集参数配置和采集;数据管理模块利用Lab SQL ADO Functions中的VI与Office自带的Microsoft Access数据库进行连接, 可以完成数据写入、查询、调用。
图5所示前面板丰富的控件可以完成不同功能的切换。图6为温度信号采集界面。图7为温度信号查询界面。
采用24位8通道的数据采集卡设计了四通道温度信号采集, 编制数据采集的动态链接库文件 (adcard.dll) 。在各个通道会显示该摩擦衬片该部分的温度值。如果数据显示异常, 说明该部分摩擦衬片性能存在一定问题, 还需要进一步检测。
4 结语
设计用USB-9211数据采集卡、热电偶等连接硬件电路, 利用Labview软件实现对温度的监控, 实现了该系统预计的功能, 数据的多通道实时采集、显示、存储记录等, 并通过Lab SQL将数据导入Microsoft Access数据库, 基本实现了预期设计的所有功能。
参考文献
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煤矿防爆车辆制动系统影响因素研究 篇5
一、车辆制动时车轮的受力分析
车辆在一定的速度下开始制动直到停车的整个过程中，车辆本身受到的外力只有地面对轮胎产生的摩擦力和空气阻力，由于井下车辆行驶速度不高，空气阻力可忽略不计。以车辆在满载、水平干硬路面的条件为例，在实施制动的过程中，由车轮的力矩平衡得到Fb=Mn/r。同时地面对车轮的制动力Fb受路面附着条件的限制，即Fbmax≤Gφ，其值取决于作用在轮胎上的垂直载荷及地面和轮胎间的附着系数φ的大小。当制动器作用在车轮上的制动力小于附着力时，地面与轮胎之间的摩擦力对车轮产生的力矩大于制动器的摩擦力矩而使车轮处于制动的滚动状态时，制动力Fb与制动器所产生的摩擦力矩成正比。当制动力达到极限值Fbmax≤Gφ时，车轮被抱死而在路面上滑动，产生拖痕，这时与制动器本身所产生的摩擦力矩无关。
二、影响车轮制动力矩的主要因素
通过以上分析，车辆的制动过程是一个车轮从滚动到抱死滑动的渐变过程，从纯滚动到边滚边滑再到抱死拖滑。在车轮的制动过程中，当车轮处于纯滚动时，地面对车轮的制动力矩与制动器产生的`摩擦力矩相等，并且随着制动器摩擦力矩的增加成正比的增加，但制动力矩的增加不是无限的，它不会超过附着力所产生的力矩;也就是说，当地面对车轮的制动力增大到附着力时，车轮被抱死开始滑动，地面对车轮的制动力达到附着力的值后就不再增加了。因此，地面对车轮的制动力首先取决于制动器的制动力的大小，同时又受地面附着条件的限制。
(一)制动器的制动力矩
对于湿式多盘制动器，其制动力矩的计算公式为Mn=πP0μZk(D2-d2)/2式中：
D——制器摩擦片外径
d——制动器摩擦片内径
P0——制动器油液的压力
μ——制动器摩擦副的动摩擦系数
Z——制动器摩擦副的工作面数
k——压紧力损失系数
制动器试验系统 篇6
【关键词】真空热试验；测控系统；通用化设计；应用现状
真空热试验是一种耗资大、状态复杂和耗时长的试验项目，在航天器的研制过程中发挥着重要作用，通过对航天器在轨运行时所处的环境进行模拟，来验证其各项设计是否满足具体的需要。因此，真空热试验是一种提高航天器在轨运行可靠性的有效手段。在真空热试验中，外热流模拟与温度控制是两项十分关键的技术，而这两项技术的实现需要用到各种不同型号的测控仪器，这些仪器以数字采集仪器和程控电源为主。由于测控仪器的型号不同，其总线方式和通讯接口也不一样，因而它们具有不一样的驱动方式，使得程序的执行效率较低，无法满足实际需要。本文试图通过对真空热试验测控仪器驱动器进行通用化设计，以简化各种仪器的驱动方式，解决测控应用软件面临的诸多问题。
1.用于真空热试验的测控仪器
在真空热试验中，试验测控系统是测控系统的重要组成部分，而试验测控系统使用的仪器主要分为型号各异的数字万用表和程控电源两类。数字万用表主要用来测量热流和温度等参数，目前主要包括Mobrey公司的3595EA和3595EH、吉时利公司的K2750以及惠普公司的E1411B等几种型号；程控电源主要用来进行外热流模拟和温度控制，主要包括Sorensen公司的DLM150-4、安捷伦公司的N5750以及惠普公司的6655A等型号。在这些测控仪器中，除了Mobrey公司的两种数字万用表在连接控制计算机的时候需要专门的接口卡并通过S-NET网络进行数据交换之外，其他仪器可经过网关或直接与控制计算机进行连接，数据交换时可通过以太网进行。要实现统一驱动测控仪器的目的，首先要建立通用的仪器模型，下面进行具体的介绍。
2.通用模型
试验测控系统中虽然使用的是来自于不同厂家的仪器，并且它们在通讯方式和功能上存在着较大的差异，但是它们均支持SCPI命令规范和基于VISA的仪器驱动标准。基于以上两种标准，在描述不同的测控仪器时就可以采用统一的方式，而与这些仪器的面板控制和硬件组成无关。在通用仪器模型中，测控仪器可以当做是一个能用SCPI指令进行控制并用VISA地址进行直接访问的执行器。而要控制该执行器，就需要对驱动器进行通用化设计，以下达指令到测控仪器中。
3.驱动器的通用化设计
各种测控仪器要实现通用化驱动，就需要建立统一的驱动函数库。按驱动函数的实现功能与应用范围来划分可将其分为特定功能和通用功能函数。一般来说，特定功能函数包括与测量类和功能类有关的功能函数，用来实现仪器的特有功能；而通用功能函数，顾名思义就是适用于全部仪器，主要用于实现驱动程序与仪器设备的状态配置、测量仪器的通信联系以及信息查询等功能。
3.1测量仪器驱动函数
编写相关的驱动函数可以对测控仪器实行程序控制，通过进行控制可以建立仪器与控制计算机之间的连接，同时还可以完成两者之间的读写操作，这就是仪器驱动函数所要完成的功能。
3.2驱动函数的封装
为了共享可执行代码，Windows操作系统提供了一种基本手段—动态链接库（DLL），这是一种过程库，很多程序都可以共享调用，避免了对系统资源的过多占用。使用Visual Basic可以将之前编写的两种功能函数封装生成一个动态链接库文件，这样用户要想对测控仪器实现程序控制，只需要载入函数库并声明函数即可。此外，这个函数库是开放的，为了满足需要可以加入新的函数。
3.3驱动函数的调用
建立函数库后，需要对其是否可以实现对各类测控仪器的驱动进行验证。可引用动态链接库中的有关函数来实现数字万用表和程控电源测量电阻的功能。通过调用结果可知，只要设置好测量仪器的VISA地址，就可以通过调用数据库的函数对其实现驱动，而与仪器的厂家、种类和型号无关。同时，通过对特定功能函数的编写，用户可以随意调用，为测控软件的二次开发提供了便利。
4.应用现状
从上个世纪九十年代以来，随着计算机技术、试验设备技术、通信技术和网络技术水平的提高和不断增加的试验需求，世界各国的宇航机构对其测控系统和试验设备进行了升级改造。国外主要以热沉调温技术和太阳模拟器进行真空热试验，国内则使用红外加热笼、红外灯阵、薄膜加热器来进行温度控制和吸收热流模拟，使用的管理运行模式、控温模式与算法、设备也各不相同。
目前，国内水平较高的真空热试验来自北京卫星环境工程研究所，该所具有较大规模的航天器真空热试验测控系统，拥有比较先进的不同型号的程控电源和数据采集仪表，组建了各种试验测控局域网，并针对程控电源、数据采集器开发出了相应的温度控温软件、热流模拟软件、通用的实验数据监视分析软件以及数据采集软件。通过配置相应的运行参数，测量软件能够满足不同的测量需求，控温软件也能满足各种不同模式的控温需求。
5.总结
综上所述，本文对真空热试验测控仪器进行了介绍，建立了通用的仪器模型，并编写了相应的通用驱动函数，采用封装和调用等手段简化了测量仪器驱动的配置过程，大大减少了实际工作量。同时，介绍了真空热试验测控仪器驱动器的应用现状。实践证明，对测控仪器驱动器进行设计可以有效缓解热试验人员的劳动强度，也能进一步降低风险，提高真空热试验的质量。
【参考文献】
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[2]张景川，谢吉慧，王奕荣，裴一飞.航天器真空热试验测控系统应用现状及发展趋势[J].航天器环境工程，2012（3）.
制动器试验系统 篇7
液压制动软管是汽车制动装置的主要零部件,为了使刹车制动装置能够稳定有效的快速制动,对汽车液压制动软管的检测精度要求越来越高,市场急需高精度液压制动软管性能试验检测设备。本文设计的高精度液压制动软管挠曲疲劳试验机是以PLC为控制核心,综合协调软管活动安装端转动机构、软管固定安装端直线运动定位机构和液压加载系统,自动完成对一根或两根制动软管的疲劳寿命测试。
1试验机直线定位系统控制结构
近些年,伺服控制系统被广泛应用于定位要求较高的试验机中,这类定位装置通常采用半闭环控制结构,即以伺服电机的角位移进行位置反馈,而不是以位移传感器检测试验机的直线运动位移作为反馈信号,因而具有机械结构简单、高精度控制试验机定位系统的特性。直线定位机构如图1所示。
半闭环交流伺服控制系统一般采用双环结构,由位置控制板和交流伺服驱动器构成外环(位置环)和内环(速度环)。该控制系统按物理结构可分为交流伺服驱动器及伺服电机、直线运动机械结构、直线位移控制器及PC。伺服控制系统的反馈信号主要由光电编码器反馈产生,光电编码器同时又分为增量式和绝对式两种,增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把该电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数来表示位移的大小;绝对式编码器的每个位置对应一个确定的数字码,因此其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,即使伺服电机轴卡死也能输出绝对角度信息,所以主要用于高性能试验机定位控制系统中。
由于绝对式光电编码器的高精度反馈作用,伺服控制系统可以精准地获取角位移运动轨迹的反馈信号,为测试系统各运动参数提供准确信息,因此本文的伺服控制参数均来自于绝对式编码器。
2伺服驱动器及电机模型
2.1 一阶惯性系统模型
交流伺服电机驱动系统是一个电机调速系统,调速范围在0 r/min～2 800 r/min,定位精度一般都要达到±1个脉冲。其输入、输出变量都是时间的连续函数,以转速为被控变量,实现单步预测控制的动态系统,因此,建立的数学模型必须进行优化。最简单的优化方法是将该系统建立成一阶惯性系统[1],即以速度指令v(t)为输入,电机转速ω(t)为输出。系统传递函数表示为:
undefined。 (1)
其中:T为时间常数;K为增益。
2.2 系统参数的确定[2]
设系统的输入阶跃信号U(t)= u,其拉氏变换为U(s)=u/s,则系统阶跃信号响应为:
undefined。 (2)
式(2)经拉氏变换为undefined,由此得出当时间t→∞时,ω(∞)=K·u,所以有:
K=ω(∞)/u 。 (3)
当t=T时有:
ω(T)=Ku(1-e-1)≈0.632ω(∞) 。 (4)
伺服系统中电机转速上升时,0.632ω(∞)值对应的时间t即为系统时间常数T,可通过式(3)和(4)确定系统参数。
表1是松下大型MINAS V系列全数字式交流伺服驱动器MDD203AIV(其主要性能指标:适配电机额定功率为2 000 W,电源电压为3相220 V,编码器类型为2500P/R,与驱动器配套使用的交流伺服电机为MDM202A1)实测速度阶跃响应,其输入阶跃电压u=100 pV。
由表1的数据经计算得:ω(∞)=25.5 p/ms,K=25.5/100=0.255p/(ms·pV)=32.028 rad/(s·V)。
由于时间常数T较小,不容易测定,但是从测量结果还是可以得出8 ms≤T≤12 ms。
2.3 二阶系统模型
若以电机轴位置θ(t)为输出,则驱动器及电机系统传递函数可以表示为:
undefined。 (5)
式(5)是一个典型的二阶系统。
3建立直线定位系统仿真模型(Simulink)
Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的系统仿真软件,它支持线性和非线性系统、连续和离散时间模型,或者是二者的混合。系统还可以是多采样率的,如系统的不同部分拥有不同的采样率[3]。下面就利用Simulink建立整个定位系统的仿真模型。
位置控制系统采用工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式,位置环采用数字PID控制(偏差控制),其位置控制理想微分方程为:
undefined。
(6)
其中:Kp为比例系数 ;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;e(t)为偏差值 。
由于计算机只能处理数字信号,故上述理想微分方程必须加以变换,若设伺服驱动电机角位移的采样周期为τ,第k次采样得到的输入偏差为ek,调节器输出为pk,则有:
undefined。
undefined。
经过转换,式(6)便可改写成:
undefined。
其中:Ts为系统采样周期。
经Z变换,位置控制PID偏差控制器的Z传递函数为:
undefined。 (7)
其中:Ki为积分系数;Kd为微分系数。以Kp=1、Ki=2、Kd=1的P控制建立仿真模型,根据二阶系统函数得到的直线定位系统仿真模型如图2所示。
4直线定位控制系统仿真试验
4.1 推导时间常数T
时间常数T是在试验前必须确定的数值,通过对比实际运动曲线与Matlab建模仿真输出波形来分析确定T。
试验人员启动伺服控制系统记录编码器反馈的前150个点,并在Matlab中用PLOT命令将其绘成图形,如图3所示。
再分别令T=9 ms、10 ms、11 ms进行系统的阶跃响应仿真,仿真结果如图4所示。
通过Matlab仿真输出阶跃波形与实际运动波形进行对比,根据时间、速度、峰值等参数不难确定T≈11 ms。
4.2 系统斜坡及正弦信号的仿真
采用前述实测与仿真得到的K、T参数值进行的系统斜坡响应与正弦响应仿真结果如图5和图6所示。
为了检验仿真模型,本文又实际测试了液压制动软管挠曲疲劳试验机直线定位系统斜坡响应与正弦响应,结果如图7和图8所示。
通过直线定位系统测试与仿真,两种方法输出的波形有较好的拟合度,因此验证了Simulink建立的仿真模型可以满足直线定位系统的仿真需要。
5结论
本文利用Matlab/ Simulink建立液压制动软管挠曲疲劳试验机直线定位系统的仿真模型,可以提高工程人员对试验机伺服控制系统的理解。二阶仿真模型是交流伺服系统控制直线定位较为简化的理想模型,通过绝对式光电编码器反馈的电机轴角位置反馈信号确定电机的运动参数,得出简化模型的参数。简化的二阶直线定位系统模型能够较好地模拟实际系统的信号响应,实际应用中,该模型接近实际电机参数,可以为分析系统性能、控制试验机运行打下良好的基础。
参考文献
[1]谢锡棋,杨焕明.位置控制伺服电机实验建模[J].北京理工大学学报,1996(3):69-72.
[2]孙炳达,梁志坤.自动控制原理[M].北京:机械工业出版社,2000.
踏面制动单元测试系统试验台设计 篇8
关键词：列车,踏面制动单元,试验台,气动,数据采集
0 引言
踏面制动又称闸瓦制动,是空气制动的一种,以压缩空气为动力,制动缸活塞推力,经制动杠杆将闸瓦压紧车轮踏面,通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦,把列车动能转变为热能消散于大气之中,并产生制动力。踏面制动单元直接影响车辆的运行安全,因此踏面制动单元在装车前都要经过严格的调整量、气密性以及制动力的测试,并且需要定期对制动单元进行各项性能的检测,测试与检测过程试验种类繁多,试验过程繁琐。为了使试验数据更精确,并提高试验的可操作性,提高测试及检测效率,从而设计此测试系统试验台。此试验台可实现不同型号踏面制动单元的综合性能测试,其拥有对制动缸和弹簧缸(停放缸)的两路测试,因此对带有弹簧缸的踏面制动单元,亦可轻松完成其综合性能测试。
1 功能
1.1 踏面制动单元强度试验
将踏面制动单元安装在试验台上,闸瓦间隙为10 mm,将制动单元充风到0.8 MPa,在制动位保压10 s后排风缓解,记录在试验过程中踏面制动单元缓解是否正常,有无异常现象发生。
1.2 带停放踏面制动单元强度试验
闸瓦间隙为10 mm,将制动单元充风至0.8 MPa±10 k Pa,然后将弹簧制动器充风至1.2 MPa,在制动位保压20 s后先使制动单元排风缓解,然后使弹簧制动器排风,制动单元处于停放制动状态。记录在此过程中踏面制动单元的缓解状态,有无异常现象发生。
1.3 常用制动泄漏试验
将制动单元分次充风至0.08 MPa,0.6 MPa后切断气源,保压5 min,分别记录制动单元压力降。
1.4 弹簧制动器泄漏试验
将弹簧制动器分次充风至0.08 MPa,0.45 MPa后切断气源,保压5 min,分别记录弹簧制动器压力降。
1.5 手动缓解试验
闸瓦间隙为10 mm,向弹簧制动器内充入压力空气0.48 MPa,然后排风,待停放弹簧产生制动后,用力拉手动缓解手柄,记录由制动到缓解过程。
1.6 一次间隙调整量试验
一次间隙调整量测试应在闸瓦托退出30 mm~80 mm范围内进行,在缓解状态下把闸瓦托调至最短位置,选取测量参考点Y,此时测量闸瓦托与参考点Y的距离L1;向制动单元充风,待闸瓦托完全伸出后,测量闸瓦托与参考点Y的距离L3;在排风,闸瓦托顺利退回后,此时测量闸瓦托与参考点Y的距离L2。每充、排风一次即可得到一个L2与L1的差值,即为一次间隙调整量,L3与L1的差值即为一次制动闸瓦最大行程。
在0.45 MPa压缩空气的条件下,进行一次间隙调整量试验。
1.7 缓解间隙X试验
缓解间隙X测试应在闸瓦托退出30 mm~80 mm范围内进行,按试验2.6测得的L3与L2的差值即为缓解间隙X。
在0.45 MPa压缩空气的条件下,进行缓解间隙试验。
1.8 总调整量试验
在常用制动缓解条件下,将闸瓦托跳到最短位置,选取测量参考点Y,测量闸瓦托与参考点Y的距离L1,使制动单元反复充、排气,当闸瓦托推出量不再增加时,在缓解状态下测量闸瓦托的距离L4,L4与L1的差值即为总调整量。
在0.45 MPa压缩空气的条件下,进行总调整量试验。
1.9 弹簧制动器行程试验(制动单元处于无风压状态)
调整调节螺母使闸瓦托到初始行程位,将弹簧制动器充风至0.6 MPa,然后排风,进行制动、缓解,记录各零部件的移动是否平稳,有无卡滞,一次停放制动的闸瓦托行程值。
1.1 0 常用制动闸瓦压力测试(弹簧制动器处于缓解位)
调整闸瓦间隙为10±1 mm,制动单元内风压分次充至0.3 MPa,0.4 MPa,0.5 MPa,观测压力测试结果,缓解。记录测试结果。
1.1 1 停放制动压力测试(制动单元处于无风压状态)
调整闸瓦间隙为10±1 mm,向弹簧制动器内充风至0.48 MPa,然后把风排空,观测压力测试结果。记录停放制动压力的测试结果。
2 试验台结构设计
此踏面制动单元测试系统试验台由测试主机和操作控制台两部分组成,测试主机是试验台的执行部分,通过操作控制台可控制测试主机对踏面制动单元进行各项性能测试。
试验台主机结构简图如图1所示。
主机分为两个部分:床身10以及电器柜11,床身尺寸:2 250×830×670,床身两边分别焊接4个筋板,可承受踏面制动单元10 t的制动推力,其用于安放各种机械装置,依靠螺栓固定在电器柜之上,电器柜尺寸:2 100×700×600,电磁阀、比例阀、换向阀等气路装置和压力传感器、多功能数据采集卡等数据采集装置以及继电器板等电控装置均安装固定在电器柜之中,气动元件与电控装置分装在电器柜两边。
1—防护网罩;2—安装板;3—踏面制动单元;4-假轮;5—直线轴承;6—位移传感器;7-压力传感器;8—电磁制动电机;9—齿轮箱;10—床身;11-电气柜
图1 试验台主机结构简图
床身上主要有以下几个部件:防护网罩1可以保护操作人员不受意外伤害;踏面制动单元3用螺栓固定在安装板2上,通过丝杠带动安装板的移动可实现踏面制动单元的横向位移调节;假轮4用以模拟车轮,试验时用卡舌固定在闸瓦托上跟随闸瓦托一起运动;位移传感器6实时测量闸瓦位移,其与另一个位移传感器共同测算踏面制动单元的缓解间隙以及调整量;压力传感器7固定在齿轮箱9的输出轴上,其作用为测量踏面制动单元的制动力;电磁制动电机8为驱动装置,其与齿轮箱共同完成踏面制动单元闸瓦间隙的调节。通过鼠标操作试验面板分别对制动单元的制动缸和弹簧缸进行充风排风可实现对不同型号踏面制动单元的性能测试。
3 气动控制系统设计
试验台的气动控制系统主要由气源、过滤器、比例阀、球阀、电磁阀、换向阀、压力传感器等组成,通过工控机控制多功能数据采集卡输出A/D信号控制电磁阀的动作来改变气路,从而实现对踏面制动单元的充风、排风。气路控制系统简图如图2所示。
气路控制系统共有4条气路:2路控制弹簧缸动作、1路控制制动缸动作、1路控制防护罩动作。由于弹簧缸需要测试充风至1.2 MPa下的强度,而比例阀所调控范围为0.1~0.9 MPa,因此将控制弹簧缸的气路分为两路,一路由减压阀设定为固定气压值:1.2 MPa,一路经由比例阀调控,调控范围:0.1~0.9 MPa。需要测试高压下强度时将气路切换至1.2 MPa。其他试验将经比例阀调至设置气压,气路的选择及气压的调节均由系统根据所选择试验自动输出A/D信号,控制电磁阀的动作实现气动球阀的转向,最终实现对气路的选择。气压的调节是一个反馈调节的过程。防护罩的开闭由左右两个气缸共同推动。
图2 气路简图
4 电气控制系统设计
试验台采用NI公司的多功能数据采集卡PCI-6221来对数据进行采集以及实现工控机对试验台的控制。其包括2路模拟输出,16路模拟输入,24路数字I/O线,可实现对2个比例阀的控制,对4个气压传感器、2个拉压力传感器、2个位移传感器的数据采集,以及对电磁阀、继电器板等进行开关量控制。电气控制系统示意图如图3所示。
图3 控制系统简图
通过多功能数据采集卡的AO口输出0~10 V直流电压控制比例阀调节气压范围0.1~0.9 MPa;数据采集卡DO口输出电压为0 V/5 V,而电磁阀动作电压为24 V,因此电磁阀的控制需要增加继电器板来进行中继,通过数据采集卡的DO口控制继电器板的开闭来实现电磁阀的动作。同时,电磁制动电机的运转也通过继电器板来控制继电器实现(继电器通220 V交流电)。数据的采集由数据采集卡的AI口实现,采集到的数据上传至工控机进行处理后在显示窗口显示。
5 试验测试控制软件设计
试验测试控制软件采用labview8.6编写,其优点是可利用计算机强大的图形环境,采用可视化的图形编程语言和平台,在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时,用户只需通过鼠标或键盘来操作软面板,就可实现检验仪器的通信和操作。具有可视化强,编程简单,操作灵活方便的优点。
测试控制软件的操作流程如图4所示。
图4 操作流程图
试验时先打开试验软件,选择试验类型,进行试验参数设置,进行试验,制动缸试验和弹簧缸试验分开操作,方便快捷。在试验界面右部以试验报告形式显示试验数据,一目了然。试验数据以踏面制动单元编号为名称保存,方便查询。软件界面如图5所示。
图5 软件界面
制动缸操作面板进行制动缸试验,有弹簧缸的制动单元做弹簧缸试验时使用弹簧缸操作面板,计时区域在需要保压时进行计时操作,位移控制面板进行闸瓦间隙调整,手动缓解采集面板进行手动缓解试验。
6 结语
踏面制动单元测试系统试验台是集气动控制与电气控制于一体的试验设备,只需要将被试踏面制动单元按试验要求安装好后,操作人员即可操纵键盘和鼠标,通过微机试验程序在短时间内完成踏面制动单元的各项性能检测试验。试验台结构合理,性能可靠,装卸方便,试验软件操作简单,试验数据准确,极大地减轻了现场工人的劳动强度,提高了工作效率。高精度的压力传感器、位移传感器、比例调压阀及数据采集系统保证了试验检测结果的准确、稳定、可靠,试验数据的自动化处理大大提高了踏面制动单元出厂验收及检修作业的管理水平,是踏面制动单元生产厂家和车辆段检修踏面制动单元必不可少的设备之一。
参考文献
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汽车制动器试验台的仿真分析 篇9
关键词：能量误差分析,汽车制动,反馈控制
汽车的制动器联接在车轮上,它的作用是在行驶时使车辆减速或者停止。汽车制动器的设计是车辆设计中最重要的环节之一,影响着人身和车辆的安全。为了检验制动器设计的优劣,必须进行路试。因车辆设计阶段无法路试,只能在专门的制动器试验台上对所设计的路试进行模拟试验。模拟试验的原则是试验台上制动器与路试车辆上制动器的两个制动过程尽可能一致,以提高仿真效果。
1汽车制动器试验台的控制过程分析
制动器试验台通常由安装了飞轮组的主轴、驱动主轴旋转的电动机、底座、施加制动的辅助装置以及测量和控制系统等组成。被试验的制动器安装在主轴的一端,当制动器工作时会使主轴减速。路试车辆的指定车轮制动时承受载荷在车辆平动时具有的能量,等效地转化为飞轮和主轴等机构转动时具有的等效转动惯量Ja。主轴等不可拆卸机构具有基础惯量加上飞轮组的惯量之和就是机械惯量Jb。但是试验台的机械惯量并不一定与等效转动惯量相同,为了使两制动器的制动过程尽可能一致,使用一个电动机在一定规律的电流控制下参与工作,以补偿由于机械惯量Jb不足而缺少的能量。
评价控制方法优劣的一个重要数量指标是设计的路试制动器与实验台制动器在制动过程中能量误差的大小[1]。采用惯性飞轮对汽车行驶惯量进行模拟,给出了优化重组的方法,模拟的惯量大小在一定范围内可调并达到一定精度,但精度一般。本文在分析了能量误差的基础上,建立了基于补偿的电流反馈控制模型,以提高试验台和路试的仿真程度。
1.1车轮的等效转动惯量
路试车辆的单个前轮在制动时承受载荷F和车辆单个前轮的滚动半径r,故其等效的转动惯量就是承受载荷F所等效的质量M具有的转动惯量。把车辆的单个前轮看作是一个质量为M并且分布均匀的半径为r的圆环,由圆环的转动惯量公式[2],得等效转动惯量:ja=Mr2(1)
由F=Mg,得:
取F=6 230N,g=9.8N/kg,r=0.286m(该实验数据取自CUMCM 2009—A题,下同),得车轮的等效转动惯量为52kg·m 2。
1.2飞轮组组合产生的机械惯量
飞轮(见图1)为一个半径为R2,内径为R1,厚度为hii=1,2,3的圆筒,设飞轮上某一点到中心轴的距离为R(如图1所示),其微元为dR,圆筒的质量微元为dm,飞轮转动惯量的微元为djc,可得
dm=ρdV=ρhi2πRdR,由djc=R2dm,
因此 djc=ρhi2πR3dR, (3)
取h1=0.039 2 m,h2=0.078 4 m,h3=0.156 8 m,
ρ=7 810 kg/m3,R1=0.1 m,R2=0.5 m,可得jc1,jc2,jc3=30,60,120 kg·m2,从而与基础惯量可组合成C
22≤jb≤82,
2 基于能量误差补偿的电流控制模型
试验台采用的电动机的驱动电流I与其产生的扭矩Me成正比(比例系数为k),试验台工作时主轴的瞬时转速n与瞬时扭矩M是可观测的离散量。即 I=k·Me (5)
由物理公式[2]:
从而有
电动机驱动电流与时间之间的精确关系是很难得到的。记测到的瞬时转速为n与瞬时扭矩为M,考虑在一段时间Δt内,将微分方程(7)离散化,转化为差分方程。得出第i段Δt内的控制电流
式(8)中ωi为第i段Δt内的初角速度,ωi+1为第i段Δt内的末角速度,αi为第i段Δt内的角加速度。
2.1 电流控制方法
由式(8),设前面i-1个时间段的观测量M0,…,Mi-1和n0,…,ni是已知的,从而得到
2.2 驱动电流控制模型的建立
2.2.1 理论制动的模拟过程
通常汽车在制动过程中一般先慢慢踩下制动踏板,踩到底后以恒定的力踩住制动踏板。在设计中理想的认为加力的过程是匀速的,直到压力恒定。因此得汽车制动过程中F,α的变化如图2所示:
设αm为角速度的最大理论值,ω0为初始角速度,ωt为t1时刻的末角速度。理想地,
有
根据调研现实中汽车制动过程知,一般在1 s左右可将制动踏板踩到底使得压力恒定,因此不妨设
t0=1 s,所以
再根据α的理论变化图形,可得出:
由得到的角加速度α可以计算出角速度从ω0变化到ωt的变化函数为:
2.2.2 驱动电流的控制模型
通过监测得出t0时刻到ti时刻的观测量M0,…,Mi-1和n0,…,ni,再用这些观测量求出ti时刻的能量误差ΔWi。在预测第i个时间段的驱动电流Ii时,用能量补偿的方法使得ti+1时刻的能量误差ΔWi+1为零。这是该控制方法的核心。
根据刚体绕定轴转动的动能定理[2],得出ti时刻的能量误差ΔWi为:
在第i个时间段内进行能量补偿,所以有:
得
而
建立了驱动电流的控制模型:
3 实验台模拟分析与评价
3.1 计算相对能量误差
根据动能定理,当路试的初、末速度和试验台的初、末速度相等末速度相等时,ΔW为试验台与路试过程中消耗的能量之差,Wl为路试时消耗的能量,R为相对能量误差。有
得
3.2 模拟实例求解
3.2.1 实验参数
设Ja=48 kg·m2,Jb=35 kg·m2,
k=1.5,t1=5 s,Δt=0.01 s,i=1,2,…,500。
3.2.2 编程求解及实验结果
利用MATLAB编写驱动电流I的模型程序,该程序先利用在M和ω理论曲线上每20个点加上一个随机量的方法,来生成一组观测数据M0,…,Mi-1和ω0,…,ωi-1,再利用生成的观测数据反馈求出主轴转动惯量J和驱动电流I的实际值,同时程序还计算出驱动电流I的理论值。编写的Matlab程序:
求解得能量绝对误差ΔW和相对能量误差R的值:
ΔW=292.620 2J,R=0.56%。
主轴转动惯量及驱动电流结果数据如图3,图4所示。
3.3 实验结果评价
1)通过记录并利用前面时间段的观测数据,进行了能量误差补偿,因此能量绝对误差很小,相对能量误差也大大降低。从而大大提高了汽车制动试验台的仿真效果。2)通过反馈参数,反复修正其实际值与理论值的偏差,使得试验台的过程非常地逼近于路试的过程。
4 结束语
所设计的电流控制方法准确把握了电动机驱动电流与主轴的瞬时扭矩、瞬时转速之间的内在联系,设计的试验台驱动电流反馈控制模型,使得能量的绝对误差和相对误差大幅度降低,二制动过程非常接近,大幅度提高了试验台的仿真效果。模型准确清晰,贴近于实际,可行性高,适用于诸多的反馈控制系统,在各种试验台仿真分析、通信信号分析处理中,有着很强的实践意义,值得推广。
参考文献
[1]杨丽英,李旗号,谢峰.汽车制动器试验台飞轮组及其装卸系统设计.组合机床与自动化加工技术,2008;(10):83—85
制动器试验台的控制方法探究 篇10
汽车的制动性能是确保车辆行驶安全和提升车辆行驶动力性的决定因素之一。重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，制动器是制动系统中直接作用并制约汽车运动的一个关键装置，其性能的优劣直接影响到整车的安全性能[1]。进行制动器实验，检测其装配质量及其综合性能，成为改善制动器制动性能不可或缺的一部分[2]。因此，研制一种模拟性能好、试验精度高的制动器综合性能试验台十分必要。制动器试验台就是测定和分析制动器性能和质量的实验装置。
2. 数学建模
为了检测制动器的综合性能，需要在各种不同情况下进行大量路试。但是，车辆设计阶段无法路试，只能在专门的制动器试验台进行模拟试验。模拟试验的原则是试验台上制动器的制动过程与路试车辆上制动器的制动过程尽可能一致[3]。一般假设试验台采用的电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比，且试验台工作时主轴的瞬时转速与瞬时扭矩是可观测的离散量。计算机控制方法是：把整个制动时间离散化为许多小的时间段，然后根据前面时间段观测到的瞬时转速与/或瞬时扭矩，设计出本时段驱动电流的值，这个过程逐次进行，直至完成制动[4]。
3. 研究方法
3.1已知电动机的驱动电流I (t）与其产生的扭矩M (t）成正比，及其比例系数为K，可以求得电动机产生的扭矩，进而求得其驱动电流。补偿惯量是由电动机提供的，其对应的能量记为Ek, 此能量为电动机驱动电流所做的功，对此可以求制动器的速度v (t）关于时间的偏导，a (t）为制动器的角加速度。
根据功率和扭矩之间的关系，，由所给的电动机驱动电流I (t）与电动机产生的扭矩M (t）之间的比例关系以及物理学知识，最终建立电动机驱动电流依赖于可观测的数学模型，即：
由能量守恒定律可得在整个制动过程中制动器产生的扭矩做的功与路试对应的消耗能量。根据可观测量主轴的瞬时转速我们可以对所分的各时间段内制动力矩所做的功求和，所求得的结果可近似为对应路试所消耗的能量。假设所取的时间间隔为，则有：
由电动机驱动电流产生的扭矩之间的比例关系，得出电动机驱动电流依赖于可观测变量瞬时转速n (t) 的微分方程模型如下：
代入数据可求得I=174.85A和-262.24A
3.2由转动惯量与能量的关系式，计算出路试制动过程中损失的动能。再运用附表中给各时刻的数据，利用求和的方法可求试验台模拟过程中损失的能量，两者之差即为能量误差，能量误差小，则可说明试验台此种控制制动方法较合理；反之亦然[5]。
利用动能公式，由转动惯量求出初动能及末动能，初末动能之差为整个路试中过程能量损失：
求和得到试验台上模拟制动过程的能量消耗：
利用MALAB编程计算得：η=5.47%
此相对误差值大于标准误差，说明该计算机控制方法得到的数据未能较好的模拟实际路试制动过程，有待于进一步改进。
3.3由于制动器性能的复杂性, 很难对模型进行全面完整的评价。在此考虑以下两种情况以来减少误差:
一、制动器飞轮的角加速是定值。时间很短可认为是连续的，则有：
显然这种方法在时间间隔很小的情况下，可以取得很好的效果，在完全理想的状况下误差可以减小到零。但这样会大大增加计算机处理数据的时间，不利于计算机的控制实现。
二、制动器飞轮的角加速度改变量是定值。角加速度不稳定，因此在下一时间段补偿前一时间段产生的误差会大大减小能量误差，是实验台上的制动模拟过程更符合实际路试。由此可得出改进后的驱动电流Ii+1'公式：
改进后的相对能量误差η'为：
和改进前的比较，可以得出改进后的误差更小了。进而减小了能量损失。
4. 结束语
随着我国汽车工业和技术的快速发展，无疑给车辆制动器的性能质量和控制方式提出了更新更高的要求，该制动器系统试验台的研究，为进行制动器的基础研究和性能测试提供了有利的技术手段，对确保汽车、摩托车、制动系统正常可靠工作至关重要，可满足企业准确、快速、有效的对制动器各种综合性能检测的需要，具有广泛的应用前景。
摘要：采用微分方程模型及相关的物理学知识对制动器试验台的控制方法进行分析与研究, 本文考虑到模拟过程中出现的影响试验结果的多种因素, 一步步改进模型使误差减小到最小。对检测机动车辆装配质量, 改善制动器性能做出了重要贡献。该方法还可用于其他机动车辆的研究, 该理论应用于车辆制动性能的研究的方法是科学的、有效的。
关键词：制动器试验台,等效惯量,微分方程,误差补偿
参考文献
[1]杨耀峰, 吴春英.西北轻工业学院学报.第三卷.第13期.1995.9.
[2]王玉群.林向阳.汽车电子机械制动器的发展研究.2009.9.
[3]韩忠庚.数学建模方法及其应用.北京:高等教育出版社, 2005.6.
[4]姜启元, 谢金星, 叶俊.数学模型.北京:高等教育出版社, 2003.7.
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