滾筒軸距可調的反力式制動檢驗臺測控系統開發

黃萬友 王琪 于明進 孫鵬

摘 要：隨著機動車保有量的增加和行駛車速的提高，機動車的運行安全越來越引起人們的關注，機動車的制動性能是機動車運行安全的主要性能之一，汽車制動性能檢驗臺是測試汽車制動性能的主要手段。本文在反力式汽車制動檢驗臺結構參數和工作原理的基礎上，開發了一種滾筒軸距自動調節的反力式制動檢驗臺的測控系統，實現制動檢驗臺自動檢測被檢機動車輪胎直徑，并根據輪胎直徑自動調節滾筒軸距找到最佳安置角；設計了基于英飛凌 XE164FN單片機的新型制動檢驗臺測控系統的硬件電路；根據檢測要求和所要實現的功能編制上下位機軟件，上位機采用 Delphi軟件進行編程，下位機采用 Keil軟件進行編程，兩級控制系統的軟件配合實現對機動車制動性能的檢測。最后，利用新型制動檢驗臺進行實車試驗，試驗結果表明，檢驗

臺測控系統性能穩定，可靠性好，可準確捕獲機動車制動全過程。關鍵詞：滾筒軸距自調；反力式制動檢驗臺；測控系統；制動性能

1 引言

目前， GB21861-2014和 GB7258-2012都規定，機動車制動檢驗宜采用滾筒反力式制動檢驗臺或平板制動檢驗臺，其中滾筒反力式制動檢測臺應用最為廣泛，這種方法方便快捷，但是隨著汽車工業的發展，車型急劇增多，現有的滾筒反力式制動檢驗臺在實際檢測中表現出的弊端越來越明顯。這種檢驗臺因滾筒軸距固定，當輪胎直徑超過一定值或車輛輪荷不足時，就會出現車輪在檢驗臺滾筒上打滑的現象，使得制動檢測結果偏小、無法真實反映車輛的實際制動性能狀況 [3][4]，如果按國家標準統一規定的“制動力與軸荷比”對制動性能進行評價，缺乏合理性 [5]。所以本文開發一種滾筒軸距自動調整的制動檢驗臺（以下簡稱“新型制動檢驗臺”），這種檢驗臺可以模擬改變車輪輪荷，以測出車輛制動器最大制動力。

2 新型制動檢驗臺結構及檢測原理

新型制動檢驗臺較之現有的反力式檢驗臺，增加了自動檢測被檢機動車車輪直徑并自動調節滾筒軸距的功能，對不同的車型都可以自動調整到合適安置角，克服了現有檢驗臺滾筒軸距不可調的弊端，提高了檢測結果的準確性。

2.1 新型制動檢驗臺機械結構及組成

新型制動檢測臺為實現自動檢測車輪直徑并自動調節滾筒軸距的功能，增加了輪胎直徑檢測裝置，滾筒軸距檢測調節裝置和軸距變化的鏈張緊機構。新型制動檢測臺主要由左右對稱的制動檢測裝置構成，包括滾筒組、滾筒驅動組、制動力測量裝置、舉升裝置和指示與控制裝置，結構如圖 1所示。

滾筒組主要包括主滾筒、副滾筒和第三滾筒，主滾筒通過軸承座固定支承在機架上，副滾筒通過軸承座支承在機架的導向滑軌上。在車輛制動檢測中，主滾筒和副滾筒用來模擬活動的路面，同時也可以起到承載車輪的作用。第三滾筒安裝在主副滾筒之間，平時由彈簧使其保持在最高位置，第三滾筒上安裝有轉角傳感器和轉速傳感器，分別用于計算車輪直徑和車輪速度。

滾筒驅動組分為兩部分：一是負責滾筒轉動的驅動裝置；二是負責滾筒水平移動的驅動裝置。其中負責滾筒轉動的驅動裝置由電動機、減速器和鏈傳動組成；負責滾筒水平移動的驅動裝置靠液壓控制，滾筒水平移動的驅動裝置主要由液壓站、液壓管路和液壓缸組成。

制動力測量裝置主要由測力杠桿和力傳感器組成。測力杠桿兩端分別接著減速器殼體和力傳感器，車輪制動檢測時測力杠桿與減速器殼體一起繞主滾筒軸線擺動；力傳感器將測力杠桿傳來的、與制動力成比例的力轉變成電信號輸送到指示與控制裝置。

舉升裝置由舉升器、舉升平板和控制開關組成，采用液壓式實現舉升，方便被檢機動車駛上和駛離檢驗臺。

2.2 測控系統的組成

新型制動檢驗臺的測控系統包括軟件部分和硬件部分，軟件部分保證檢測功能的實現和檢測過程的準確性，包括上位機程序和下位機程序，上位機主要負責系統的登錄和顯示制動力檢測過程，下位機主要負責實現對機動車制動性能檢測的控制和數據采集。

1.框架

2.左減速機組件 3.左主滾筒鏈輪 4.左主滾筒 5.左制動第三滾筒 6.左液壓舉升裝置 7.鏈傳動及張緊裝置 8.右主滾筒鏈輪 9.右主滾筒 10.右制動第三滾筒 11.右液壓舉升裝置 12.右主滾筒鏈輪 13.右減速機組件 14.右驅動電機 15.右副滾筒鏈輪 16.右副滾筒 17.滾筒軸距調節裝置 18.輪胎擋輪

用于檢測被檢機動車的車輪速度，安裝在第三滾筒下方，第三滾筒的一端鉆有 6個圓孔，每檢測到 6個信號即為旋轉一圈；車速傳感器，用于檢測滾筒的轉速，安裝在主滾筒的一側；軸距傳感器，用于測量主副滾筒之間的距離，安裝在兩個主滾筒組的中間位置；轉角傳感器，用于測量第三滾筒被壓下去的角度，從而得到被檢機動車輪胎直徑，安裝在第三滾筒一端；力傳感器，用于測量被檢機動車制動力大小，與測力杠桿和減速器殼體相連。檢驗臺測控系統結構如圖 2所示。

3.3 新型制動檢驗臺檢測原理

當檢測機動車時，舉升裝置升起，機動車駛上檢驗臺，被檢機動車車輪停在檢驗臺的主副滾筒之間，舉升裝置降下，輪胎將第三滾筒壓下，第三滾筒帶動轉角傳感器轉過一定角度，控制系統根據此轉角信號、結合滾筒直徑和滾筒軸距計算出車輪直徑，然后根據當前軸距信號以及系統內設定的安置角自動調節副滾筒位置，此時張緊機構不工作，副滾筒在在導向軌道上移動，直至被檢機動車車輪處于最佳安置角位置，張緊機構張緊，之后電機啟動，動力經減速器傳至主副滾筒，主副滾筒帶動車輪勻速轉動。當系統提示引車員踩制動踏板時，引車員踩下制動踏板，車輪因受到制動器的摩擦力矩，輪速下降，此時在輪胎與滾筒的接觸點產生一個切向力，此力便是制動力。為了減少輪胎磨損，當被檢車輛滑移率達到設定值時，新型制動檢驗臺測控系統及時發出指令，電機停止工作，這樣減少了輪胎的磨損。測量完成后，舉升裝置升起，車輛后軸駛入，舉升裝置降下，測試后軸制動器制動力。待前后軸測試完畢后，舉升裝置升起，機動車駛離檢驗臺。

3 新型制動檢驗臺測控系統硬件設計

硬件設計是整個系統設計中重要的組成部分，是實現汽車制動性能檢驗的基礎，它決定了新型制動檢測臺的響應速度和測量精度。硬件設計的合理與否將直接決定整個檢測系統的性能 [6][7]。

3.1 傳感器選型

傳感器的選型應注意兩點：機械安裝尺寸和傳感器的分辨率。新型制動檢驗臺所用的傳感器有輪速傳感器、車速傳感器、軸距傳感器、轉角傳感器、力傳感器。由于第三滾筒是由被檢車輛車輪帶動旋轉，測量第三滾筒轉速就可

以得到輪速，常用的測速傳感器有兩種：電感式傳感器和光電式傳感器，考慮到本檢驗臺滾筒轉速低，試驗車速為 2.5～5.0km/h，且安裝空間較小，本檢驗臺采用的是電感式接近開關，此類傳感器靈敏度高，頻率響應為 70Hz，重復定位精度高，瞬變過程短，工作穩定可靠，紅色 LED顯示可以檢查傳感器的狀態，具有耐震，耐腐蝕等特點。制動檢驗臺車速傳感器每轉需輸出 200個信號，滾筒轉速為 40～100r/ min，試驗臺采用的是一種旋轉編碼器，可將角位移轉換成一串數字脈沖信號，無接觸磨損，壽命長，安裝隨意，已在國內外得到廣泛應用。軸距傳感器采用的是一種紅外測距傳感器，此傳感器由位置探測器、紅外發射二極管以及信號處理電路三部分組成，傳感器的測量精度不會受到被測物體的材質、環境溫度以及測量時間影響，新型制動檢驗臺滾筒中心距的變化范圍為 471mm～771mm，存在 300mm的變化范圍，其輸出電壓與測量距離關系如圖 3所示，為保證測量結果準確性和單值性，初始測量距離設為 250mm。力傳感器采用雙梁式結構，帶過載保護功能，可測壓力和拉力，在此檢驗臺上，測量的是拉力，此傳感器具有精度高，穩定性好，結構緊湊，方便安裝的特點。轉角傳感器采用一款精密電阻式角度傳感器，可轉角度為 345°，第三滾筒從最高位置移動至最低位置，傳感器轉過的角度為 16°，此傳感器滿足測量要求，它具有機械壽命長，分辨率高，轉動順滑，動態噪聲小的特點。各傳感器技術指標參數如表 1所示。

3.2 單片機選型

根據檢驗臺檢測功能的要求，單片機要完成傳感信號采集、制動過程數據分析計算和數據通信等功能。針對檢驗臺檢測功能的要求，對單片機的選擇應考慮以下幾點：具有較強的數據處理和運算能力，以進行復雜的數據輸入和信號處理；具有高效的實時中斷系統，以滿足信息采集和通訊的要求；集成度高，片內集成有 A/D，CAN，IO捕獲比較等模塊，以實現檢驗臺有效采集各傳感器信號；單片機工作溫度范圍等指標應滿足檢驗臺的工作要求 [8]。據此選擇英飛凌公司生產的 16位微控制器 XE164FN，優化的編譯器可支持 CPU與 MAC單元的強大功能結合，從而使該產品與 32位系統之間不存在任何差異。 XE164FN具有 4個捕獲 /比較單元， 2個數字 /模擬轉換器， 13個并行端口，通過內嵌外設可將 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；具有 96個單獨的中斷節點，構成 16級中斷優先級，可對各種中斷請求做出快登錄界面至最適安置角，通過液壓裝置進行張緊，電機工作，滾筒帶動輪胎勻速轉動，駕駛員根據提示踩下制動踏板，若滑移率達到系統內設定的范圍，電機停止工作。系統程序框圖如圖 8所示。

5 新型制動檢驗臺功能驗證

完成汽車制動檢驗臺軟硬件設計后進行軟硬件調試，電路板線路連接正常后進行動態調試，使各個繼電器工作正常；之后系統空載試驗，查看機械和電控系統協調工作情況；最后進行加載實車試驗，試驗車為本田

互作用而產生一個波動，隨后制動力快速增長，最大制動力出現在車輪與滾筒之間的滑移率為 15%～20%左右時，之后車輪沿著滾筒滑轉，制動力逐漸減小且有波動存在。在軸距由 26mm增加到 150mm時，測得的車輛制動力相應增加。測試結果表明，在汽車制動過程中，新型制動檢驗臺成功捕捉到了最大制動力以及制動力變化過程，各傳感器工作可靠，且呈現了非常好的穩定性和精確性，測試得到的曲線與理想制動過程的曲線吻合。

6 總結輸入

思域 1.3L混合動力轎車，此轎車輪胎規格為 195/65 R15，輪荷為 712kg，在新型制動檢驗臺上測試得到的制動力曲線如圖 9所示。從圖中可以看到，被測車輛阻滯力為 150N左右，踩下制動踏板后，因為滾筒與輪胎之間的相

本文以英飛凌 XE164FN單片機為核心，開發了滾筒軸距自動調整的反力式汽車制動檢驗臺測控系統，構建了試驗臺數據采集及控制系統的基本結構框架，實現了所需的信號采集、計算、通訊、控制等功能。新型制動檢驗臺實車試驗結果表明，檢驗臺電路系統穩定，工作可靠，檢測結果具有較高的準確性，這對于機動車制動性能檢測設備更新換代具有重要意義。

參考文獻：

[1] GB 21861-2014.機動車安全技術檢驗項目和方法.[S]

[2] GB 7258-2012.機動車安全技術檢驗項目和方法.[S]

[3] 連福新 .新型制動檢測臺關鍵技術研究[D].濟南：山東交通學院汽車工程學院，2014.

[4] 王建章 .反力式滾筒制動試驗臺檢測系統使用中存在的問題分體 [J].公路與汽運，2006x（6）：15-17

[5] 趙哲峰 .可變滾筒軸距反力式制動檢驗臺的研究 [D].吉林：吉林大學 .2008

[6] 李建 .反力式滾筒制動試驗臺測控系統的研究 [D].寧夏：寧夏大學 .2013

[7] 張天罡 .滾筒反力式汽車制動檢驗臺檢測系統的研究 [D].吉林：吉林大學 .2008

[8] 黃萬友 .純電動汽車動力總成系統匹配技術研究 [D].山東：山東大學 .2012