方 濤，高 洪，洪 崢，紀 拓，胡如方

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鼓式制動器制動力矩和溫度測試臺架的設計

*方 濤，高 洪，洪 崢，紀 拓，胡如方

（安徽工程大學先進數控與伺服驅動技術安徽省重點實驗室，安徽，蕪湖 241000）

基于多體動力學和斯特藩·玻爾茲曼定律，設計計算鼓式制動器制動力矩及溫度測試臺架，簡述了傳感器模塊、信號處理模塊、數據處理及顯示終端三大模塊的設計思路。與傳統(tǒng)的試驗臺架相比，所設計的試驗臺架具有結構簡單，數據采集干擾小和測量精度高的優(yōu)點。

鼓式制動器；制動力矩；制動溫度；實驗臺架

0 引言

制動器是汽車重要安全部件之一。汽車制動時，由摩擦導致制動鼓溫度的升高，會使其產生形變導致制動性能下降；汽車制動力矩不足會導致制動距離延長，降低行車安全性；制動力矩過大會導致輪胎抱死，引起打滑[1]。因此，測量制動過程中制動力矩和溫度的變化情況非常必要。實驗測量制動力矩一般采用平板式制動力試驗臺或者反力式制動滾筒試驗臺，通過倒拖法使輪胎停轉，從而測出制動力[2]。這種傳統(tǒng)方法除汽車試驗臺架外，還需另加試驗臺，結構復雜、成本高[3]。本文通過測量半軸扭矩和輪速，間接求得制動力矩，通過合理布置非接觸式溫度傳感器以測試制動鼓溫度。

1 試驗臺架基本組成及測試基本原理

1.1 實驗系統(tǒng)組成

結合試驗臺測試參數及其精度要求，給出試驗臺總體設計方案，包括單輪制動試驗臺機械本體如圖1和三大模塊（傳感器模塊、信號處理模塊和數據處理及顯示終端）如圖2。

圖1 單輪制動試驗臺機械本體

圖2 試驗臺檢測系統(tǒng)三大模塊

試驗臺機械本體設計結果及傳感器的布置如圖1-3所示，包括驅動輸入模塊1和單輪測試系統(tǒng)模塊2。

1-驅動輸入模塊 2-單輪測試系統(tǒng)模塊

試驗臺機械本體的工作過程：電機離合器、變速器、聯(lián)軸器依次相連，電機的旋轉通過聯(lián)軸器、變速器、離合器帶動輸出軸的旋轉，輸出軸的旋轉帶動輪轂及制動鼓的旋轉。當輸出軸達到一定速度，松開離合器，同時制動蹄由液壓輪缸驅動與制動鼓接觸產生摩擦進行制動。

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；信號處理模塊將傳感器輸出的模擬信號轉換變?yōu)閿底中盘柕男盘柼幚黼娐?；算法模塊包括傳感器數據轉換和制動力矩的間接計算。

該試驗臺架選用接觸式應變片式扭矩傳感器、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紅外測溫探頭在促動輪缸上方，正對輪轂內表面如圖5.

1-制動鼓 2-制動蹄 3-促動輪 4-紅外溫度傳感器

1.2 制動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動扭矩M，利用輪速傳感器測得輪轂轉動角速度，角加速度為。已知該測試裝置中半軸半徑質量;假設制動鼓形狀近似無底圓筒，已知制動鼓外半徑,內半徑和質量。假設半軸和制動鼓質量為均勻分布，則半軸轉動慣量為：

制動鼓轉動慣量為：

(2)

則系統(tǒng)的轉動慣量為：

令制動力矩為T，則有如下關系式：

(4)

即

1.3 制動溫度測試原理

紅外熱電偶溫度傳感器是根據斯特藩·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系）測物體表面溫度，物體溫度越高單位時間熱輻射越多，介質越少，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，當金屬兩端接觸不同溫度時會產生電動勢，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）通過變換得制動鼓溫度：

2 三大模塊的設計

2.1 傳感器

2.1.1 接觸式旋轉應變片式扭矩傳感器

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

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 接觸式旋轉應變片式扭矩傳感器

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

汽車發(fā)動機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數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，在半軸高速旋轉時，齒輪與半軸同步轉動，霍爾傳感器的傳感頭通過霍爾磁力線的分散與集中，產生交變的霍爾電壓，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

瞬時角加速度

其中T為采樣周期。

由于利用單個霍爾元件檢測的電壓只有毫伏級正弦波電壓，信號占空比大，影響檢測的精準度[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（兩個探頭之間距離為半個齒距），如圖8。

圖8 霍爾式差分傳感器中雙探頭的布置

電壓信號通過差分放大，濾波得到清晰模擬信號，模擬信號通過模數轉換送入數據采集卡，再通過通訊接口進入PC進行數據處理。針對本測試臺架，采用UGN3019開關型集成霍爾元件[6]，將正弦波電壓轉化為標準脈沖電壓。

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系統(tǒng)聚集的物體輻射紅外能量并將其轉換成電信號[7]。利用非接觸式紅外熱電偶溫度傳感器測制動器制動時產生的熱。

針對本次試驗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％），將三個紅外測溫探頭（取三組數據的平均值）安裝在促動輪正上方，測促動輪正上方制動鼓內表面的溫度。因制動鼓制動溫度變化為50~250 ℃，則該傳感器溫度范圍符合要求。

2.2 信號處理模塊

根據測試項目要求所需傳感器的數目有5個：1路為應變扭矩傳感器，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，并且同時采集。由傳感器模塊通過多路選擇開關與信號處理模塊通過單芯通信電纜連接；信號處理模塊包含信號濾波器、放大器、模數轉換器、接口電路[8]，通過數據線與計算機終端連接。因為有源濾波器與無源濾波器相比可提高電壓放大倍數和負載，并且一階濾波精度低而高階濾波時間長，故可選用二階有源低通濾波器；由于差動放大器可以抑制零點漂移，故此實驗放大器可選用差動放大器。

圖 10 信號處理電路

2.3 數據處理及顯示終端

通過安裝在計算機內的數據采集卡同時采集5路信號，計算機終端通過對輸入的數字信號經過必要的數據處理。可得到各采樣時間點半軸輸入轉矩、瞬時角速度、瞬時角加速度及制動鼓溫度的數值；根據動態(tài)力矩平衡原理，間接求得制動力矩；以及通過繪制制動力矩和制動熱變化趨勢曲線，可測試制動器整體效能。

3 結論

1)與傳統(tǒng)測制動力矩的試驗臺相比，無需另加試驗臺，裝置簡單，并且測到的數據采集干擾小，測量精度高。

2)數據實時顯示，同時避免人工采集誤差，保證采集數據精確性。

3)本實驗臺可得到制動力矩和制動熱的變化趨勢曲線，可測試制動器整體效能。

參考文獻：

[1] 陳家瑞,張建文.汽車構造:下冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2001.

[2] 蔡健.關于反力式滾筒制動試驗臺檢測制動力的探討[J].交通標準化,2004(1):52-53.

[3] 高洪,胡如方,寧世玉,等.一種汽車自增力式鼓式制動器性能測試裝置:中國,201320494090.5[P].2013,12.

[4] 德國BOSCH公司.汽車電氣與電子[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[5] 陳彥夫.ABS輪速傳感器性能試驗研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2008.

[6] 丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計[J].農機化研究,2010(5):81-83.

[7] 晏敏,顏永紅,曾云,等.非接觸式紅外測溫原理及誤差分析[J].計量技術,2005(1):23-25.

[8] 姬虎艷,欒忠權,楊慶東,等.直驅電機測試系統(tǒng)多路信號采集的調理電路設計[J].機械設計與制造,2009(9): 48-49.

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年度蕪湖市科技計劃項目（產學研合作專項）（2012cxy02）

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

高 洪(1963-），男，安徽樅陽人，教授，博士，碩士生導師，主要從事現代設計理論與CAD等研究(E-mail:gaohong0706@sina.com）；

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

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

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