卡丁车制动系统检测 测试技术.docx

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卡丁车制动系统检测测试技术

卡丁车制动性能检测系统设计

目录摘要：

一、车辆制动检测概述与检测标准。

二、制动性能检测系统分类及性能比较。

1、反力式制动检测系统。

2、惯性式制动检测系统。

3、平板式制动检测系统。

三、本文卡丁车制动性能检测系统的选择及设计。

1、设计方法的选择。

2、机械传动机构的设计与计算。

3、平台测控系统的设计与选件。

四、参考文献。

一、车辆制动检测概述与检测标准。

1.1辆制动性能检测概述及意义

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。

汽车具有良好的制动性能，遇到紧急情况，可以化险为夷；在正常行驶时，可以提高平均行驶速度，从而提高运输生产效率。

汽车制动系应具有行车制动、应急制动和驻车制动三大基本功能。

主要考虑制动时汽车的方向稳定性，即制动时不发生跑偏、侧滑及失去转向，及制动平稳性，在制动时制动力应迅速平稳地增加;在放松制动踏板时，制动应迅速消失，不拖滞。

而制动性能的好坏在测试中则体现在制动距离上，单轮距离是否合格，是否有跑偏量。

常见故障：

制动跑偏和制动力不足。

所谓的制动跑偏是指汽车直线行驶制动时，转向车轮发生自行转动，使汽车产生偏驶的现象。

由于汽车制动时，偏离了原来的运行轨迹，因而常常是造成撞车、掉沟，甚至翻车等事故的根源，所以必须予以重视。

引起跑偏的因素，就制动系统而言，一是左右轮制动力不等；二是左右轮制动力增长速度不一致。

其中特别是转向轮，因此要对制动力增长全过程的左右轮制动力差作出规定，且对前后轴车轮的要求不同；制动力不足即制动距离过长，超出了设定的距离，或者是制动能力完全丧失。

这些都可以通过试验台得以反映。

1.2制动性能检测标准

：

对制动力的要求：

制动力总和占整车重力的百分比，空载≥60%或满载≥50%；主要承载轴的制动力占该袖轴荷的百分比，空载≥60%或满载≥50%。

在GB7258-1997中，仍保持制动力总和与整车重力的百分比空载≥60%或满载≥50%的要求，由于对主要承载轴的理解容易有误，将主要承载轴的制动力与该轴轴荷之比改为前轴制动力不得小于前轴轴荷的60%。

对制动力平衡的要求：

原标准中是以轴荷为基准确定的，即前轴左右轮制动力差不得大于该轴轴荷的5%，后轴左右轮制动力差不得大于该轴轴荷的8%。

由于这种规定不能准确反映制动力差的数值应随制动力增加按正比例相应变化的实际情况，所以在GB7258一1997中改为：

在制动力增长的全过程中，左右轮制动力差与该轴左右轮中制动力大者之比，前轴不得大于20%，后轴不得大于24%。

这个要求的幅度与原标准比较，前轴要求适当放宽，对后铀的要求基本保持不变

二、制动性能检测系统分类及性能比较：

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。

本文选取目前使用较为广泛的三种制动性能检测平台进行介绍及对比。

2.1反力式滚筒制动检验台

2.1.1基本结构

反力式滚筒制动检验台的结构简图如图所示。

它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。

图2-4-1反力式制动检验台结构简图

2.1.2制动力测量装置

制动力测试装置主要由测力杠杆和传感器组成。

测力杠杆一端与传感器连接，另一端与减速器壳体连接，被测车轮制动时测力杠杆与减速器壳体将一起绕主动滚筒（或绕减速器输出轴、电动机枢轴）轴线摆动。

传感器将测力杠杆传来的、与制动力成比例的力（或位移）转变成电信号输送到指示、控制装置。

测力传感器受力点受力的大小与滚筒表面制动力的关系为：

滚筒表面制动力（N）=测力传感器受力（N×测力臂水平长度÷滚筒半径

2.1.3检测过程

进行车轮制动力检测时，被检汽车驶上制动试验台，车轮置于主、从动滚筒之间，放下举升器（或压下第三滚筒，装在第三滚筒支架下的行程开关被接通）。

通过延时电路起动电动机，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。

车轮在车轮制动器的摩擦力矩作用下开始减速旋转。

此时电动机驱动的滚筒对车轮轮胎周缘的切线方向作用制动力以克服制动器摩擦力矩，维持车轮继续旋转。

与此同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加一个与制动力方向反向等值的反作用力，在反作用力矩作用下，减速机壳体与测力杠杆一起朝滚筒转动相反方向摆动（如图2-4-2），测力杠杆一端的力或位移量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。

2.1.4反力式滚筒制动检测方法的不足

目前，采用的反力式滚筒制动检验台对具有防抱死（ABS）系统的汽车制动系的制动性能，还无法进行准确的测试。

主要原因是这些试验台的测试车速较低，一般不超过5km/h，而现代防抱死系统均在车速10km/h～20km/h以上起作用，所以在上述试验台上检测车轮制动力时，车辆的防抱死系统不起作用，只能相当于对普通的液压制动系统的检测过程。

2.2惯性式滚筒制动台

2.2.1基本结构

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。

2.2.2制动原理

粗略地说，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。

（具体计算过程将在后续工作中展开）

2.2.3检测过程

进行车轮制动力检测时，被检汽车驶上制动试验台，车轮置于主、从动滚筒之间，放下举升器（或压下第三滚筒，装在第三滚筒支架下的行程开关被接通）。

通过延时电路起动电动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮旋转。

待到转速稍高于指定转速时，断开电机的连接，让车轮在各种外界阻力因素下制动，此时，通过各类传感器可以测出外界阻力矩。

当转速达到指定转速时，踩下制动踏板制动，直到飞轮完全停止，将传感器所收集的信号传入电脑计算，最后输出所要参数的数值。

2.2.4惯性式滚筒制动检测方法的优点与不足

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，制动过程中存在各轴制动力分布不均的因素,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。

2.3平板式制动试验台

2.3.1基本结构

平板式制动试验台结构如图所示。

是一种新型的制动检测设备，它利用汽车低速驶上平板后突然制动时的惯性力作用，来检测制动效果。

属于一种动态惯性式制动试验台，除了能检测制动性能外，还可以测试轮重、前轮侧滑和汽车的悬架性能，又是一种综合性试验台。

这种试验台结构比较简单，主要由几块测试平板、传感器和数据采集系统等组成。

小车线一般由四块制动-悬架-轴重测试用平板及一块侧滑测试板组成。

数据采集系统由力传感器、放大器、多通道数据采集板等组成。

这种试验台结构简单、运动件少、用电量少、日常维护工作量小，提高了工作可靠性。

测试过程与实际路试条件较接近，能反映车辆的实际制动性能，即能反映制动时轴荷转移带来的影响，以及汽车其他系统（如悬架结构、刚度等）对汽车制动性能的影响。

该试验台不需要模拟汽车转动惯量，较容易将制动试验台与轮重仪、侧滑仪组合在一起，使车辆测试方便且效率高。

但这种试验台存在测试操作难度较大（测试重复性主要处决于车况及检验员踩刹车快慢）、对不同轴距车辆适应性差，占地面积大、需要助跑车道等缺点。

2.3.2基本原理

现代汽车在设计上为满足汽车行驶状态的制动要求，提高制动稳定性，减少制动时后轴车轮侧滑和汽车甩尾，前轴制动力一般占50～70%左右，后轴制动力设计相对较少。

除此以外还充分利用汽车制动时惯性力导致车辆重心前移轴荷发生变化的特点，使前轴制动力可达到静态轴重的140%,上述制动特性只有在道路试验时才能体现，在滚筒反力式检验台上，由于受设备结构和检验方法的限制，前轴最大制动力是无法测量出来的。

平板制动检验台是一种低速动态检测车辆制动性能的设备，其检测原理基于牛顿第二定理“物体运动的合外力等于物体的质量乘加速度”，即制动力等于质量乘（负）加速度。

检测时只要知道轴荷与减速度即可求出制动力。

从理论上讲制动力与检测时车速无关,与刹车后的减速度相关。

检验时汽车以5～10km/h（或按出厂说明允许更高）速度驶上平板，置变速器于空档并紧急制动。

汽车在惯性作用下，通过车轮在平板上附加与制动力大小相等方向相反的作用力，使平板沿纵向位移，经传感器测出各车轮的制动力、动态轮重并由数据采集系统处理计算出轮重、制动、及悬架性能的各参数值，并显示检测结果。

2.3.3过程分析

在车辆挂空挡驶上台面时，台面水平方向的测力传感器测取车辆当前轴空挡滑行阻力，称重传感器同步测取当前车轴的载荷，即可计算出车辆空挡滑行阻力与荷重之百分比。

车轴驶上台板后实施制动，此时前轴因为轴荷前移而制动力（见图2-4-5（a）与轴荷均迅速增加，同时后轴轴荷减少，制动增长相对前轴较小；前轴轴荷达到最大后，前桥向上反弹，轴荷减小，后桥轴荷增加；经几个周期振荡后前后桥轴荷处于稳定。

三、本文卡丁车制动性能检测系统的选择及设计

3.1.1设计方法的选择

通过对以上汽车制动性能检测系统的分析比对，考虑到需要得到小车的跑偏量，以及查阅相关书籍论文，我们选择使用滚筒惯性式制动性能检测平台。

3.1.2设计思路的确定

设计该测试系统的思路如下

3.2.1检测平台机械传动机构的设计

利用SolidWorks软件建立简化后单轴惯性式制动性能检测台的3D模型如下图所示：

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，断开离合器1以卸去该检测机构动力，同时断开离合器2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光电传感器1、2转变为电脉冲送入计数器记录。

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，并可以得到两轮的相对偏差。

3.2.2检测平台机械传动机构相关参数的计算与确定

由检测原理，我们可以知道，在数据计算过程中，遵从能量等效原则------检测时，卡丁车静止不动，车轮与滚筒接触，车轮转动带动滚筒与飞轮，应保证卡丁车平动动能等于飞轮、滚筒等结构件总的转动动能。

根据这一原则，我们确定了飞轮，滚筒，传动轴的尺寸。

3.2.2.1卡丁车的平动动能计算

（1）已知量

（2）计算公式

总能量=人和车的平动动能+四个轮子的平动动能+两个轮子的转动动能

（3）得出数据

忽略车轮的平动动能和转动动能，最后得到卡丁车运动时的总能量为：

3.2.2.2飞轮、滚筒等构件的参数选择

为了使我们设计的机构更为简洁，我们在设计时放弃使用外置飞轮的方案，而是将飞轮与滚筒合二为一，力求机构的精简。

我们求算机构参数的过程是：

首先确定飞轮的外径，在外径已知的情况下计算轴和滚筒的转动能量，最后根据能量相等原则计算出滚筒的长度。

如果滚筒长度不在可接受范围之内，则重新确定滚筒半径进行相同计算，直到得出可以接受的滚筒长度值为止。

（1）假定滚筒外径

计算转动角速度

获得计算的已知量

（2）计算主动轴的参数

已知量为

计算公式为

得

（3）计算从动轴参数

已知量为

计算公式为

得

计算滚筒应具有的能量

（4）确定滚筒尺寸参数

已知量为

待求量为

计算公式为

得

综上，通过计算，我们确定了检测台的一些具体参数，如下表：

参数名称

参数值

滚筒半径

100mm

滚筒长度

425mm

滚筒转速

800r/min

飞轮

经计算，不需要飞轮

3.3.1检测平台测控系统的设计

平台测控系统简图如下：

1）变频控速

于PC处理终端设定适用于该检测系统的电机输出转速后，PC处理终端通过所编程序计算得电机应有输入电压频率，并控制变频器，调节电机输入电压频率。

这种调节电动机转速的方法较变速箱更为精准、可调控。

2）刹车指示

电动机达到设定转速后，卡丁车进行制动前，PC处理终端自动给出刹车指示，提醒司机进行制动。

3）离合控制

电机达到所设转速时，PC处理终端控制离合控制器1断开电机及齿轮组与转轴的连接。

同样的，司机接收到刹车指示制动前，PC处理终端控制离合控制器2断开左右两滚筒联系，以分开测量左右两轮制动距离。

4）光电信号处理

卡丁车制动过程中光电传感器传出出的光电信号传至该处理部分，经一系列处理后达到计数效果，将计数结果传送到PC处理终端。

5）数据处理及输出

处理过的光电信号计数结果传至PC处理终端，其内置程序计算两轮制动距离及跑偏量并于屏幕或打印机输出结果。

3.3.2检测台控制系统元件的选择

（1）传感器（编码器）的选择

光电计数机构设计图：

根据检测方式分类，光电传感器可分为：

对射型、扩散反射型、回归反射型、距离反射型、距离设定型、限制反射型。

其各自特点为：

A、对射型：

动作的稳定度高；检测距离长（数cm～数十m）；即使检测物体的通过线路变化，检测位置也不变；检测物体的光泽、颜色、倾斜等的影响很少。

B、扩散反射型：

检测距离为数cm～数m；便于安装调整；在检测物体的表面状态（颜色、凹凸）中光的反射光量会变化，检测稳定性也变化。

C、回归反射型：

检测距离为数cm～数m；布线.光轴调整方便（可节省工时）；检测物体的颜色、倾斜等的影响很少；光线通过检测物体2次，所以适合透明体的检测；检测物体的表面为镜面体的情况下，根据表面反射光的受光不同，有时会与无检测物体的状态相同，无法检测。

D、距离设定型：

可对微小的段差进行检测；不易受检测物体的颜色影响；不易受背景物体的影响；有时会受检测物体的斑点影响。

E、限制反射型：

可检测微妙的段差；限定与传感器的距离，只在该范围内有检测物体时进行检测；不易受检测物体的颜色的影响；不易受检测物体的光泽、倾斜的影响。

光电传感器的决定：

通过对以上几种传感器的对比，发现限制反射型光电传感器性能最佳且适用于该检测机构。

综合考虑检测距离、检测精度及价格因素，我们选择欧姆龙（OMRON）E3S-LS3N限制反射型光电传感器，市场价约250元/套。

其参数如下：

  检测方式

项目         型号

限定反射型

E3S-LS3N（T/-LS3P（T

 检测范围

 白纸*

 20～35mm

 黑纸*

 20～30mm

 光源（发光波垂）

 红色发光二极管（660nm）

 电源电压

 DC12～24V±10%、脉动（p-p10％以下）

 消耗电流

 25mA以下

 控制输出

 负载电源电压DC24V以下、负载电流100mA以下（残留电压NPN输出1V以下、PNP输出2V以下）开路集电极输出型（NPN/PNP输出，根据型号不同）入光时ON

 响应时间

 动作·复位：

各1ms以下

 功能型（附带功能型）

 OFF延迟0.1～1.0s（旋钮可变式）

 使用环境照度

 受光面照度白炽灯：

5,000lx以下

 环境温度

 工作时：

－10～＋55℃、保存时：

－25～＋70℃（不结冰、结露）

 环境湿度

 工作时：

35～85％RH、保存时：

35～95％RH（不结露）

 绝缘电阻

 20ΜΩ以上（DC500V兆欧表）

 耐电压

 AC1,000V50/60Hz1min

 振动（耐久）

 10～55Hz复振幅1.5mmX、Y、Z各方向2h

 冲击（耐久）

 500m/s2X、Y、Z各方向3次

 保护结构

 IEC标准IP40

 连接方式

 导线引出式（标准导线长2m）

 质量（捆包状态）

 约80g

 材质

 外壳ABS

 ABS

 透镜部

 丙稀树脂

 附件

 使用说明书、M3螺钉、定时器调整用螺丝刀（仅限带定时器功能型）

*80×80mm

（2）变频器的选择

不同类型变频器适用范围：

参考该表，为保证变频精度以保证电机转速调节的精准度，同时考虑变频倍数范围及反馈装置的复杂程度等综合因素，我们选用富士FRN0.75E1S-7C电压矢量型变频器，市场价约1130元。

其参数如下：

输入电压等级      容量            输入交流电压

单相200V        0.1-2.2KW     单相200-240V/50，60Hz

三相400V        0.4-3.7KW     三相380-480V/50，60Hz

·输入电源容许波动

电压：

＋10%～－10%（单相200V，＋10%～－15%（三相400V

频率：

+5%～－5%

电压不平衡率：

2%以内（IEC61800-3（5.2.3为标准）

·容量范围

单相200V：

0.1～2.2KW

三相400V：

0.4～3.7KW

·输出频率范围：

0.1～400Hz

3.2.3光电信号处理部分设计

（1）轮速传感器系统硬件

光电传感器信号处理结构框图如下：

智能传感器信号处理结构框图

光电传感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。

（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，如图所示：

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。

（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。

四、参考文献：

[1]GB7258-1997《机动车运行安全技术条件》

[2]王翔，一种汽车制动性能检测仪的研制，传感器技术，2004，23-2：

[3]曹健，汽车制动性能的检测，中南汽车运输，1998，6-2：

13-14

[4]陈建平，汽车安全监测系统的设计与实现，微计算机信息，2006，12-2;