制动距离

制动距离（精选五篇）

制动距离 篇1

汽车制动性是汽车的主要性能之一, 是汽车主动安全性的重要评价指标。汽车制动性是汽车安全行驶的保证, 直接关系到交通安全, 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。改善汽车的制动性始终是汽车设计、制造和使用维修部门的重要任务。

一、汽车制动性的评价指标

1. 制动效能。

指汽车迅速减速直至停车的能力, 即在良好路面上, 汽车以一定的初速度制动到停车时的制动距离或制动时汽车的减速度。它是汽车制动性最基本的评价指标。

2. 制动效能的恒定性。

指汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。汽车的制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器的吸收转换为热能的过程。制动器自身温度升高以后, 制动力矩下降, 制动减速度减小, 制动距离增大, 称为制动器的热衰退。

3. 制动时汽车方向的稳定性。

通常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价。若汽车制动时发生跑偏 (制动时汽车偏驶, 后轮沿着前轮的轨迹运动) 、侧滑 (制动时汽车的一轴或两轴发生横向滑移, 前、后轮轨迹不重合) 、失去转向能力 (如前轮抱死, 汽车将失去转向能力) 等问题, 则汽车将偏离原来的路径, 对交通安全影响极大。

二、汽车制动距离的计算

《机动车制动检验规范》规定制动距离是指汽车以速度u0行驶时, 从驾驶员开始踩着制动踏板到完全停车为止所驶过的距离。假设在路面附着系数φ值不变时, 计算汽车制动距离。

1. 汽车的制动过程。

从汽车制动的全过程来看, 包括4个阶段, 分别为驾驶员反应、制动器起作用、持续制动和制动释放。图1是驾驶员在接受了紧急制动信号后, 汽车制动踏板力Fp、制动减速度ab与制动时间的关系曲线。

(1) 驾驶员反应时间τ1。驾驶员接收到紧急制动信号时, 并没有立即行动, 而是要经过τ1"后才意识到应紧急制动, 并开始移动右脚, 再经过τ1=τ1+τ1"后才踩着制动踏板。称为驾驶员的反应时间, 这段时间视驾驶员的素质而异, 一般为0.3~1.0s。

(2) 制动器起作用时间τ2。τ2=τ2+τ2", 制动系反应时间τ2为从驾驶员刚踩着制动踏板到汽车出现制动减速度为止所经历的时间。制动减速度上升时间τ2"是指制动减速度由零增长到最大所需要的时间。τ2取决于驾驶员踩踏板的速度和制动系结构形式, 一般为0.2~0.9s。

(3) 持续制动时间τ3。指汽车以基本不变的减速度制动的时间。

(4) 制动释放时间τ4。指从驾驶员松开制动踏板到制动力消除所需的时间, 一般为0.2~1.0s。这段时间过长会耽误随后起步行驶的时间。

2. 制动距离的计算。根据制动距离的定义, 它包括制动器起作用和持续制动两个阶段中汽车驶过的距离s2和s3, 即制动距离s=s2+s3。

(1) 制动器起作用阶段的制动距离s2。在τ2时间内, 汽车做匀速运动, 则:

在τ2"时间内, 制动减速度呈线性增长, 即

式中:κ=-abmax/2", abmax=φg, 故有:

因此:在2"时刻汽车的车速为:。由式 (3) 可得:

由式 (4) 可得时的距离为:

因此, 在2时间内的制动距离为:

(2) 持续制动阶段的制动距离s3。在持续制动阶段, 汽车以abmax做匀减速运动, 其初速度为ue, 末速度为零, 故:

(3) 总制动距离s,

因为τ2"很小, 可略去abmaxτ2"/24项, 且车速的单位为km/h, 则制动距离s (m) 可写成:

三、基于Matlab的汽车制动距离仿真计算

图2是将式 (9) 利用Matlab软件编程得到的汽车制动距离仿真计算结果。通过输入汽车制动时的初始车速及其他参数, 可以快捷地得到汽车的制动距离, 并且通过改变输入参数, 可以分析各参数对汽车制动性的影响。

四、汽车制动距离的影响因素分析

汽车制动距离的主要影响因素是制动器起作用时间、最大制动减速度和起始制动车速。

1. 制动器起作用时间2。

汽车制动时, 真正使汽车减速停车的是持续制动时间, 但制动器起作用时间对制动距离也产生影响。当驾驶员紧急踩下制动踏板时, 液压制动系的制动器起作用时间为0.1s或更短;真空助力制动系和气压制动系为0.3~0.9s;货车有挂车时可长达2s, 若精心设计汽车列车可缩短到0.4s。因此制动器起作用时间与制动系的结构密切相关。

改进制动系结构, 减少制动器起作用时间, 是缩短制动距离的一项有效措施。例如, 红旗CA770轿车的制动系由真空助力改为压缩空气-液压制动系后, 以30km/h起始车速做制动性能试验。结果表明, 制动距离缩短了32%, 最大制动减速度提高了3.5%, 制动器起作用时间减少了50%。由于最大制动减速度提高不多, 即持续制动时间变化不大, 因此可认为制动器起作用时间的减少是缩短制动距离的主要原因。

2. 起始制动车速u0。

从式 (9) 可以看出, 汽车制动距离随着起始制动车速的增加呈现平方关系增加, 因此高速行车是导致制动距离增加的重要原因。

3. 最大制动减速度abmax。

制动减速度反映了地面制动力, 它与制动器制动力、附着力有关。地面制动力是使汽车强制减速直至停车的最本质因素。汽车制动时能够达到的最大制动减速度abmax=φg。制动减速度一般控制在< (0.4~0.5) g, 当在 (0.7~0.9) g时, 将有害于人员与货物的安全。因此在保证行车安全的前提下, 应尽量避免紧急制动。

架线电机车制动距离测试安全措施 篇2

一、实验项目：重车制动距离测试

二、实验地点：+330运输大巷东翼。电机车全速后，开始制动操作：动力制动、撒砂、机械制动。

三、：实验目的：检测机车制动系统的可靠性，是否符合《》第351条的规定。

四、测试机车型号：ZK10-6/250

机车编号：3#、4#、6#、7#、8#、9#、#10

五、测试条件：坡度i=0.3%、长度200米

六、为确保测试工作、成功，特制定如下：

1、电机车司机必须经培训合格，取得电机车司机操作资格证，并持证上岗。测试过程中必须严格执行《电机车司机安全操作规程》。

2、所有参加测试工作人员必须听从测试工作负责人的指挥。认真听取注意事项，明确工作任务，学习本措施并签字。

3、矿车班指派专人检查并确认机车所挂矿车及其连接件完好。

4、铁道专职人员对测试工作区域轨道、道岔进行检查，确保轨道扣件齐全、牢固，轨距、枕距等符合质量标准要求，线路无障碍。

5、测试前，必须检查机车电力、机械制动系统是否正常，各段电阻连接是否紧固，撒砂装置是否完好沙箱是否有充足、合格的沙子，闸瓦的间隙必须调整至3——5毫米之间，所有参加测试的机车必须完好。

6、测试地点300米范围各行人通道必须设专人警戒，警戒处设拉绳并挂警示牌，确保测试过程中不能有任何人员进入测试区域，警戒人员不得从事其他工作。

制动距离 篇3

关键词：起重机,制动器,制动距离,制动时间,计算

0 引言

集装箱起重机4大机构——主起升机构、小车运行机构、俯仰机构、大车运行机构均设有制动器,其中主起升机构和俯仰机构由于吊载的是重物,对配备的制动器要求较高,特别是对制动器紧急情况下制动的距离和制动的时间有一定的要求。在此,笔者针对起升机构制动器制动距离和时间的计算展开分析。

1 起重机起升机构制动器工作工况分析

起升机构分机构的启动、制动和紧急制动3种状况。

1.1 启动情况

马达在建立起必要扭矩后制动器才松开,这样起升时,才不会发生负荷先下降一个行程后才起升的现象。为了防止这一现象的发生,电控调试时要精调,同时在电控程序设计时,使制动器打开的时间恰到好处。

1.2 正常工作中的制动

过去在PLC控制以前,主起升机构的制动控制完全由制动器实现,不论速度、载荷大小,一进入制动,制动器投入全部设定的制动力矩(该制动力矩是按额定负荷设置的),制动不平稳,冲击大,难以控制对位,无法适用于集装箱起重机上。

而现在的集装箱起重机大都用PLC电控,调速平稳,对位容易,因此负载的制动通过电机实现线性减速,以达平稳制动,容易实现对位。制动前,PLC获得负荷值太小,也就是扭矩已知,且制动减速度是已经设定好的,制动前的速度PLC也是已知的,因此要达到规定的减加速度制动,马达所要建立的扭矩值也已确定,只要马达建立需要的制动扭矩MB,机构就能按事先要求的减加速度a减速,在确定时间t内降至某个指定值,甚至为0,非常平滑的制动,从理论上说,它无需机构制动器也能将速度减至0。但这不能取代机构制动器,最后的制动和长时间的制动及安全必须配有制动器,由此可见,集装箱起重机主起升机构制动器虽然频繁地制动,但动态制动时速度已很低,一般电控设在速度降至5%～10%时,机械制动器才投入,而且制动力矩的建立是非常快的,因此它的投入不会对制动产生明显冲击。

所以,集装箱起重机的主起升制动器在机构正常工作的制动中,只在速度接近0时和马达断电过程中保持着全制动状态,而动态过程中的制动任务的90%左右都由马达实现。

1.3 紧停制动工况

起重机工作中遇见紧急状况时,司机或工作人员随时在相应的部位按下紧急停止按钮,这时可能是整机断电,也可能某个机构断电,起重机工作的各机构进入紧急停止状况,这就叫紧急停车。

主起升机构在紧停按钮动作后,主起升机构断电,马达立即失去扭矩,制动器进入制动状态(若卷筒轴也带有制动器时,也进入制动)。由于马达的断电,比制动器建立制动力矩的时间快得多,这段时间差范围,我们称之为制动器的滞后时间,如果机构是在起吊重物下降过程中,则载荷在重力下将加速下降。动能越来越大,这是考验制动器制动能量的严峻时刻,这时如制动器选择制动力矩不合适,制动器的制动瓦块和制动盘将被烧坏,不能有效地制动停止负荷,事故就将发生。有些虽制动负荷停止下降,但紧停距离太长,超过了标书要求值,这种情况的发生我们就说主起升制动器选用失败,或制动器制动力矩未能调到位;若属后者,继续调整增大制动力矩,如还不能满足要求,说明制动器选用错误,要重新选择。

由此可见,主起升制动器正常工作中,它只在速度接近0时投入制动,进入动态制动的时间很短,其余是静态制动,真正发挥其作用的机会是紧停。

2 制动器的选用和计算校核

2.1 正确掌握制动器的主要参数涵义

额定制动力矩MK指摩擦系数u=0.4时静态的制动力矩。动态制动时,摩擦系数将减至0.3,因此选用时应以0.75MK作为选用值。

2.2 确定选用制动器的MK值

式中,M卷为外负荷对卷筒的总扭矩;n为安全系数,按相关的规范或按标书要求选用;i为马达至卷筒的速比;η效率在制动器计算时应取大值。

2.3 校验制动器计算

校验是以紧停工况来计算的,最不利的工况是下降紧停,计算负荷下降的行程(或紧停制动的减加速度)和时间。在下降过程中,紧急停止(紧停状态),载荷下降距离为制动器扭矩MK值有效投入前加速下降的距离S1及高速轴制动器的全部制动力矩ΣMK(N·m)有效制动期间的减速制动的距离S2之和,即S=S1+S2。

ΣMK以及卷筒轴上的全部制动力矩:

(1)制动器扭矩MK值有效投入前加速下降的距离S1的计算:

当负荷LL(LL:起重机吊具下起重量)+LS (LS:吊具和上架重量)在以V0的速度下降时,突然按下紧停按扭,电机立即断电,失去扭矩,而此时,由于马达轴的制动器机械动作的滞后,这个滞后时间Δt=0.2～0.3 s(根据制动器提供的数值定,一般取大值,因此负荷在Δt时间内将以最初速度V0为基础,以比重力加速度小的加速度下降)。卷筒、减速器各级齿轮传动,马达及各联轴器在M电=(LL+LS).η绳·η齿·D卷/4i作用下加速旋转(M电为外负荷对马达轴的加速扭矩)。

式中,M电为外负荷对马达轴的加速扭矩(N·m);Jm为马达惯量(kg·m2);Jr为联轴器及减速器转化至电机轴的惯量(kg.m2):Δω为自马达断电后,MK未真正投入前的Δt时间内马达速度增加量:Δt为制动器的滞后时间(s)。

在MK投入时马达的速度n1:

式中,n0为马达转速(r/min);Δn=Δω·60/2π(r/min)为马达转速增加量。

这时卷筒上钢丝绳的线速度增加至式中,D卷为主起升卷筒直径(m);i为减速器速比(卷筒至马达)。而卷筒上钢丝绳的初始线速度Δt时间内,钢丝绳由卷筒放出量

紧停按扭按下,直至制动器力矩实际投入时(即制动器滞后的Δt时间内,负荷下降量S1):

S1=Δl1/2(当负荷至卷筒钢丝绳倍率是2时)

(2)S2的计算——有效制动距离:

制动时的电机转速角速度ω1=n12π/60 (rad/s)式中,n1为制动时的电机转速。

式中,M电为电机轴上的力矩(N·m);ΣMK为高速轴全部制动力矩(N·m)。

也就是说,卷筒上的钢丝绳线速度由V绳经过t制时间后降至0,绳放出量Δl2:

∴负荷下降量S2=Δl2/2(当负荷至卷筒钢丝绳倍率为2时)

(3)起升机构带负荷下降紧急停车时,负荷下滑行程:

S=S1+S2

其中,S限为标书的规定(一般情况,用户购买起重机时对紧停情况下下降距离S是有限制的,在此标示为S限)。

(4)验算有效制动时,制动盘的线速度不能大于联轴器的限定值。通常制动盘材料屈服强度为355 N/mm2时制动盘的线速度控制在85 m/s以下。

3 案例分析

振华重工一集装箱起重机产品,其参数如下:LL=637 000 N (起重机技术规格书常规标示为65 t);LS=176 400 N(起重机技术规格书标示为18 t);V=90 m/min(满负荷);i减=21.389;V0绳=180 m/min(卷筒上钢丝绳线速):D卷=1.365 m(卷筒直径);

电机:电机转动惯量J电=70 kg·m2;电机转速n0=898 r/min

减速器、联轴节转至电机轴上的惯量:J联=64.96 kg·m2

高速制动器:MKmax=20 000 N·m

动态MK动=0.75×20 000×2=15 000 N·m×2=30 000 N·m(“2”为2个制动器)

制动器的滞后时间:Δt=0.3 s

低速制动器:MK低=229 200 N·m

动态MK低动=229 200×0.75×2=343 800 N·m (“2”为2个制动器)

η绳为钢丝绳缠绕系统效率,取0.95;η减为减速器效率,取0.94。

在LL+LS负荷以90 m/min速度下降突然进行紧停的计算:

(1)紧停按扭后,制动器滞后Δt=0.3 s内,载荷下降距离S1:

S1=Δl1/2

式中,Δl1为Δt时间内钢丝绳从卷筒放出量。

式中,V0绳=180 m/min(卷筒上钢丝绳线速);V'绳为Δt时间后,卷筒钢丝绳的线速度。

式中,n1为马达在Δt时间后转速值(r/min)。

式中,M电为外负荷对马达轴的加速扭矩(N·m)。

式中,Δω为马达经过Δt时间后角速度增加值(rad/s)。

式中,Δn为马达在Δt时间后转速增减值r/min。

式中,V0绳为紧停前的卷筒线速度。

(2)求在制动器制动力矩MK动=15 000N·m×2投入后的减加速段的减速距离S2:

S2=Δl2/2

式中,Δl2/2为当马达转速在n1下在MK动作用时,直至马达停止的t制时间内卷筒绳的下放量(m)。

式中,t制为有效制动时间(s)。

(3)紧停过程——总时间和下滑路程:

若再计入低速制动器,MK低=343 800 N·m

转至电机轴为MK低高=MK低×η减÷i=343 800×0.94/i=343 800×0.94/21.389=15 109.26 N·m

则t制将会减小,这时的t制为:

(4)紧停开始直至速度至0时制动时间、距离和速度变化图如图1所示。

注:“Ⅱ”表示只有高速制动器作用时,有效的制动距离和时间;“П”表示高速和低速制动器同时作用时,有效的制动距离和时间。

4 结语

本文通过对起重机起升机构制动器制动距离和制动时间计算的详细分析,对关键参数制动器额定制动力矩进行了定义,给出了一些参数和计算公式的确定方法,并以一起重机起升机构制动器为例进行计算分析,最终得出制动距离和制动时间。

参考文献

[1]张质文,虞和谦,王金诺,包起帆.起重机设计手册.北京:中国铁道出版社,1998

[2]上海振华港口机械公司.F.E.M标准欧洲起重机械设计规范

制动距离 篇4

随着高层住房产业的不断发展, 高层办公楼和居民住宅的不断增加, 电梯也越来越普遍地进入人们的生活。 然而使用周期长达甚至超过10 年的老旧电梯早已成为不可忽视的安全隐患, 在2015 年7 月杭州新华坊电梯惨剧的发生震动了全国, 一位正值花季的少女生命不幸戛然而止。 经过电梯事故调查领导小组查实, 该涉事电梯制动器闸瓦有明显的严重磨损, 同时开展对辖区内电梯的隐患排查整治, 笔者作为一名工作在一线的电梯检验员参与了本次电梯隐患的排查行动。在通江桥小区的一幢高层住宅电梯进行排查时发现, 该住宅电梯上行制动试验无法有效制停, 轿厢长时间处于“ 失控”状态, 上行制动试验不合格, 电梯制动器工作状况不符合要求。

制动器的工作状况是否良好体现在制动能力上, 制动能力是保证电梯安全可靠运行的重要因素, 而垂直电梯的上行制动试验正是对于电梯制动器工作状况的检验。上行制动试验是电梯定期检验中对于制动器安全状态检查的直观体现, 杜绝电梯出现溜梯、冲顶、剪切等可能造成人员伤亡事故的发生。

1 上行制动试验的要求

根据 《 电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》 ( TSGT7001-2009) 中关于8.10 项上行制动试验的规定:轿厢空载以正常运行速度上行时, 切断电动机与制动器供电, 轿厢应当被可靠制停, 并且无明显变形和损坏。

然而电梯检验检规中并没有对上行制动试验的判定结果给予直观准确的描述, 造成了对于不同的检验工作者难以对试验结果作出准确判定的依据, 导致试验结果偏差, 甚至作出错误的报告。 对此笔者希望在检规和标准规定的基础上, 结合自身在实践检验中的经验, 对上行制动试验的制停距离的测量提出方法和结论判定准则, 有助于解决目前上行制动试验没有具体方法和具体合格判断标准的盲区。

2 制停距离的理解

对于垂直电梯的轿厢空载上行制动试验, 试验的目的是期望在切断主开关电源, 电动机停止转动的同时轿厢能够有效制停。

在实际检验操作中, 轿厢空载上行制动试验时, 轿厢会在主电源断开、电动机停转后, 继续向上运行一段距离后才会停止。这段轿厢从断电到完全停止的距离在理论上并不是真正意义上的制停距离, 其运动过程包括了主电源开关动作后, 信号传输到制动器接收信号的电气动作时间, 以及制动器由接收信号到抱闸开始动作的机械动作时间, 和制动器动作到轿厢完全停止的制动时间。 由于电气和机械动作时间极快, 可以认为在瞬间完成, 这段运行误差在实际试验操作中忽略不计。因此这段轿厢从断电到完全停止的距离在实际检验过程中即可认为空载上行制停距离。

3 制停距离的测量方法

现在要明确在实际电梯检验中上行制动试验中制停距离的测量方法:

①先将空载的轿厢在顶层平层若干次;

②将空载轿厢停靠在行程的上端站 ( 一般取总行程的2/3) , 在电梯机房地面开口上选取适当位置的钢丝绳, 在该段钢丝绳上标注明显清晰的记号;

③将空载轿厢由行程底部行驶至钢丝绳记号处出现在机房地面开口圈框的瞬间, 切断主电源总开关;

④待轿厢完全制停后, 再在机房地面开口圈框处的钢丝绳上作下明显标记, 作为测量点, 测量出该测量点至前面钢丝绳标记点的距离s ( 要考虑曳引比) , 即为轿厢的制停距离。

4 制停距离的减速度分析

根据《 GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范》 的设计标准如图1 所示, 空载电梯在额定速度运行时, 当制动器动作后, 对重侧拉力T2 大于轿厢侧拉力T1, 则造成轿厢加速上行, 可能造成轿厢冲顶。

因此要保证电梯轿厢从下端站至最顶层平层位置这段区域内, 任何一个位置内制动器紧急制动时, 轿厢有足够的制动减速度, 都能有效制停而不冲顶。

对电梯的基本构件建立模型, 假设轿厢的净质量为m, 对重的质量为M, 则电梯模型需满足:

式中, k—平衡系数 (一般取值0.4-0.5) ;

Q—电梯额定载重。

根据《 GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范》 对电梯轿厢在紧急制动工况要求:

式中:T1———紧急制动工况下, 曳引轮两侧的较大拉力;

T2———紧急制动工况下, 曳引轮两侧的较小拉力;

f———当量摩擦系数;

α———钢丝绳在曳引轮槽中的包角。

不考虑滑轮质量, 不考虑其转动, 因在空载轿厢上行制动试验下, 对重侧拉力T2大于轿厢侧拉力T1, 针对本模型考虑在最不利工况下, 即:

则有:

可得:

由于k, Q, m, M, f, α 在电梯设计标准中均为已知量, 即可根据, 计算出空载上行制停距离s。

现选取某台电梯, 其额定载重Q为1000kg, 轿厢净质量m为1500kg, 平衡系数k取值范围为0.4-0.5, 包角 α=165°, 当量摩擦系数f=0.15, 即efα=1.538, 额定速度v取值范围为0.5m/s-2.5m/s, 则其空载上行制停距离s的取值范围如图2 所示。

5 电梯标准中空载上行制动减速度

根据《 GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范》 对紧急制动工况要求如下:

T1/T2的动态比值应按照轿厢空载或装有额定载荷时在井道的不同位置的最不利情况进行计算。

任何情况下, 减速度不应小于下面数值:

①对于正常情况, 为0.5m/s2;

②对于使用了减行程缓冲器的情况, 为0.8m/s2。

由此可知, 在紧急制动工况下, 电梯保证其曳引能力条件的减速度为:

根据《 GB/T10058-2009 电梯技术条件》3.3 整机性能可知:3.3.2 乘客电梯起动加速度和制动减速度最大值均不应大于1.5m/s2。 3.3.3 当乘客电梯额定速度为1.0m/s<v≤2.0m/s时, 加、减速度不应小于0.5m/s2;当乘客电梯额定速度为2.0m/s<v≤6.0m/s时, 加、减速度不应小于0.7m/s2。

即可得:

根据制停距离, 即可得出表1 不同额定速度电梯的上行制停距离。

观察图2 中的数据, 均在表1 给定的数值范围内。

如果实际检验中, 测量的制停距离s大于表1 中的数值, 即可针对性地对该被检电梯的制动器工况提出怀疑, 对制动器的内容要求进行全面检查。

6 结束语

随着对上行制动试验该检验项目的检验结果的细化, 有助于在实际检验中制停距离测量数据的对比分析, 便于判定制动器工况是否合格, 最终保证电梯运行的安全可靠。

摘要：制动器的工况良好是保证电梯运行安全的重要条件, 空载上行制动试验是电梯定期检验中衡量制动器工况标准的重要项目。本文对电梯空载上行制动试验进行分析, 结合检规标准, 提出了制停距离的测量方法和判定依据。

关键词：空载上行制动试验,制停距离,制动器工况

参考文献

[1]TSG T7001-2009, 电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯[S].

[2]GB7588-2003, 电梯制造与安装安全规范[S].

制动距离 篇5

关键词：自行车碟刹,刹车模拟装置,惯性盘,制动距离

0 引言

在研发和生产自行车碟刹的过程中,需要按照安全标准对其产品进行测试,以保证产品的质量合格。目前,自行车碟刹的制动距离的测试主要靠测试人员骑自行车测试,这种测试方法存在很多缺陷。一方面测试人员全凭主观意识对自行车碟刹好坏进行判断,随机性大;另一方面,在碟刹的研发阶段,测试人员直接骑车测试,可能造成摔伤等事故。

为了解决这些问题,根据EN14764标准[1],本研究设计了自行车碟刹制动距离的模拟测试系统。这套自行车碟刹制动距离测试系统能较准确地测量出自行车的制动距离。

1 测试系统设计

EN14764标准的测试条件简述如下:自行车和负载的总质量为100 kg;行驶速度为25 km/h;握闸力不大于180 N。在如上所述的测试条件下本研究对自行车碟刹装置进行制动距离测试。整个测试系统主要包括自行车刹车模拟装置、信号采集控制箱和上位机软件三大部分。

1.1 自行车刹车模拟装置

自行车刹车模拟装置的结构如图1所示,包括变频器、电机、离合器、惯性盘、碟刹制动装置(由刹车钳和碟盘组成)、测速码盘、刹车线、拉力测试装置等[2,3,4,5]。

各个组成部分的作用如下:电机驱动整个惯性盘转动,通过变频器对电机转速进行控制,调至模拟自行车的行驶速度25 km/h;离合器的作用为当惯性盘调至设定速度25 km/h时,与电机轴脱离;测速码盘对惯性盘进行实时的测速;车把手通过刹车线与刹车钳相连,气缸置于车把手的上方,当需要制动时气缸下压车把手使整个惯性盘制动;为测量车把手处的握闸力,本研究在刹车线处安装拉力传感器。按EN14764标准确定车把手的施力点,根据车把手的力学结构,可知刹车线的拉力是车把手处受到的握闸力的2倍,即测得的拉力值不应超过360 N。

其中变频器对选用的三相异步电机的速度进行控制。本研究选用的变频器提供了RS485通讯接口,用户可以通过RS485/RS232转换器与上位机相连,进而通过上位机对变频器的工作参数进行设定。在对惯性盘的调速过程中,上位机通过串口按照变频器的RS485通讯协议发送命令,改变变频器输出的频率值,进而改变电机的转速和惯性盘的转速。

1.2 信号采集控制箱

信号采集控制箱如图2所示。

本研究选用的USB数据采集卡是一种基于USB总线的数据采集卡,可直接插在计算机的USB接口上,它有A/D模拟量输入功能、DI/DO数字输入/输出功能和CNT定时/计数器功能。

本研究选用的拉力传感器的量程是0~100 kg,输出的拉力值信号是4 m A~20 m A的电流。通过接一只250Ω的电阻,将4 m A~20 m A的电流转换为1 V~5 V的电压。表示拉力值的电压值信号通过USB数据采集卡的A/D通道采集并传送到上位机,上位机软件计算出实际代表的拉力值并显示在屏幕上。

本研究选用的增量式旋转编码器[6,7],输出分辨率为1 000 ppr。通过USB数据采集卡的CNT计数功能对编码器输出的脉冲数进行计数,并传送到上位机,上位机软件计算速度值并显示在屏幕上。

为了实现整个制动过程的全自动进行,本研究通过USB数据采集卡的DO数字输出功能,将控制信号传送给离合器和车把处气缸,使其动作。

1.3 软件实现

上位机软件将采集到的数据进行处理、计算并显示在屏幕上,并发送控制命令,使得整个制动过程自动完成。软件实现通过Visual C#完成。本研究通过上位机软件发送命令、控制整个制动过程,并计算出制动距离,记录把手力、自行车速度、制动时间等值。整个实现过程的主线程流程图如图3所示。

制动距离测试开始后,本研究首先对串口进行初始化,串口用来与变频器通讯;对USB采集卡进行初始化,采集卡用来采集编码器的计数值,刹车线的拉力值等。初始化完成后,在确保离合器闭合的情况下,上位机软件向串口发送命令,调节变频器的输出频率,则电机的转速发生变化,进而调节模拟装置的速度,若速度未达到25 km/h,上位机软件不断通过串口发送控制命令,调节变频器的输出频率,直到达到预定速度。当速度达到25 km/h时,上位机软件发送命令使离合器脱离,同时上位机软件开始记录各个采样点(下文中解释)的速度、时间、拉力等值。上位机软件发送命令使气缸下压车把手,直到惯性盘完全停止。当整个惯性盘停止时,整个制动过程结束,上位机软件发送命令使气缸弹回。最后,上位机软件计算制动距离,并显示在界面上。

上位机软件定时读取采集卡的数据,每次读取称为一个采样点。每个采样点记录的数据包括增量式编码器的计数值、刹车线的拉力值、时间等。为了使制动距离计算准确,上位机定时采样的间隔越小越精确,但由于受到操作系统环境的制约,定时精度达不到很高要求,经试验,当上位机间隔10 ms采样一次,能满足测试要求。如图3所示,从开始记录数据开始,到速度值0 km/s为止,本研究一直以10 ms的间隔记录采样点的数据。

2 制动距离计算

整个测试系统的目的是测试自行车碟刹的制动距离,当刹车过程结束后,本研究对刹车过程中记录的数据进行分析计算,得到制动距离。制动距离为自行车开始刹车到完全停止所行驶的路程。计算制动距离首先要确定开始刹车的刹车点,刹车点通过速度的降低来判断。所以制动距离计算的步骤为:计算自行车的行驶速度,确定刹车点,计算制动距离[8,9,10]。

2.1 自行车行驶速度的计算方法

计算自行车行驶速度需要的固定参数有:增量式旋转编码器输出分辨率B=1 000 ppr;模拟的自行车车轮周长C,该系统模拟的自行车为26英寸自行车,由计算得C=π×26×0.025 4=2.075 m。速度单位“m/s”与“km/h”的换算系数λ=3.6,自行车行驶速度的计算公式如下(单位为km/h):

式中:Vi—第i个采样点的速度,Ni—第i个采样点处编码器的计数值,Ti—第i个与第i-1个采样点的时间间隔。

2.2 制动点的确定

本研究通过阈值法来确定制动点。自行车的运行速度为25 km/h,通过对多组采集数据分析后,确定的阈值为24.3 km/h,即当采样点处的速度小于等于24.3 km/h时,该采样点为制动点。但由于Windows操作系统本身实时性较差,定时器存在误差,惯性盘抖动等因素,采样点的速度值会有波动,为了更准确地确定制动点,需要先对所有采样点的速度进行滤波。

本研究采用中值平均值滤波对所有采样点的速度进行数字滤波,中值平均值滤波能够克服因偶然因素引起的波动干扰。方法如下:取5个点进行滤波,将Vi-2、Vi-1、Vi、Vi+1、Vi+2进行升序排序,去掉最大值和最小值,然后对剩下的3个速度值取平均值后作为第i个采样点的速度值。

本研究对滤波后的速度值进行阈值判断,为避免扰动造成制动点的误判,从最低端,即速度为0向上进行查找,确定采样点。

2.3 制动距离的计算

制动点Nb至速度为0时的采样点为Ne,自行车行驶的距离为制动距离S。则制动距离的计算公式如下:

式中:B—增量式旋转编码器输出分辨率,C—模拟的自行车车轮周长,α—系统的校准系数。

校准系数α通过已在质量检测部门检测过的碟刹进行标定:

标定方法为:已知在质量检测部门检测过的碟刹的制动距离S0,在α=1的情况下利用该测试系统对已检测的碟刹进行测试,经多次测试,求制动距离的平均值S'0。

3 试验验证%

整个制动距离测试系统可自动实现制动过程的连续测试,从而可以对多次制动距离求平均值来得到碟刹装置的制动距离。通过对各个型号的碟刹装置进行反复试验,能够达到很好的精度。连续制动5次后的界面如图4所示。

4 结束语

自行车碟刹制动距离测试系统能够较准确地测量出自行车的制动距离。测试系统的硬件部分包括自行车刹车模拟装置和USB信号采集控制箱。核心算法包括自行车行驶速度的计算方法、制动点的确定、制动距离的计算等。上位机软件使用Visual C#语言编写,主要负责控制整个制动过程、计算制动距离并显示测试计算结果等功能。最后,该系统在某自行车碟刹生产公司进行了多次现场试验验证,试验结果表明,测试系统能够较准确地测出自行车的制动距离,并且性能稳定、简单易操作、实用性强,具有良好的实际应用价值。

参考文献

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