多棘齒駐車手剎力測量系統的設計

周波 莫英桂 蘇翼雄 馬振鶴

摘 要：文章通過分析汽車棘爪和棘輪相互作用對拉力測量的擾動特點，采用特征提取和模式識別的方法提取測量數據，同時考慮測試手柄人體工程學設計等關鍵要素，采用高性能單片機以及A/D轉換集成電路作為測試數據處理單元，設計了一種用于多棘齒駐車手剎力測量的系統，實現了一次性測量出多棘齒機械結構多個檔位的駐車手剎力值，可有效解決現有手剎力計專用性差、檢測效率低的問題。

關鍵詞：多棘齒;手剎力;測量系統

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-106-03

Abstract： The multi-ratchet brake force measurement system is designed in this paper by applying the method of feature extraction and pattern recognition to extract the measurement data after analysing the disturbance characteristics of the interaction between the pawl and the ratchet wheel， and using high-performance single-chip microcomputer and A/D conversion integrated circuit as the test data processing unit. At the same time， the key elements such as the ergonomic design of the test handle are considered. The system can measure the parking handbrake force of multiple gears of multi-ratchet mechanical structure at one time， which can effectively solve the problems of poor specificity and low detection efficiency of the existing handbrake dynamometer.

Keywords： Multi-ratchet; Handbrake force; Measurement system

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-106-03

前言

手剎是駐車制動的常用裝置，通過棘爪鎖定棘輪不同齒位提供不同檔位的制動力，以實現駐車制動。測量拉動手剎到達不同檔位所需拉力是駐車制動裝置應檢測指標之一，也是汽車出廠檢測的重要技術指標。目前國內現有手剎力測量設備多為基于拉力計改造的[1]。拉力計具有成本低、使用方便、通用性強等優點，但其功能單一，只能測量實時拉力值或者拉力峰值，并不適合測量多棘齒機械結構的手剎力[2，3]。此外，目前測量手剎力時通過扎帶將測力計捆綁在駐車手柄上的方式會造成相對滑移進而導致測量值不準[4]。本文綜合考慮手剎棘輪效應、測力手柄人機工程學設計等關鍵要素，設計了一種用于手剎力檢測的多棘齒駐車手剎力測量系統，可有效解決現有手剎力計專用性差、檢測效率低的問題。

1 基本原理

多棘齒駐車手剎力測量，是通過與手剎裝置連接的力傳感器，將手剎到達不同檔位時作用于手剎裝置上的力轉化為對應的電信號，前置放大后通過數據線輸入數據采集模塊，數據處理模塊將采集到的數據進行分析計算得到手剎不同棘齒（檔位）處的拉力值，采集到的拉力波形與各齒位拉力值通過液晶屏顯示[5]。

手剎使用時需要向上拉動手柄，帶動棘輪轉動，棘爪連續劃過不同棘輪齒位。圖1顯示了典型的手剎測試拉力曲線，曲線為實時記錄的拉力值。在拉動手剎的初期，棘輪齒位較松，棘齒抬升所需拉力較小且齒位間差別不大，對應曲線平坦段。當拉過一定棘齒后，抬升所需拉力明顯增加，對應上升段。將棘齒拉升到最大檔位后，測試終止并停止施加拉力。圖1曲線顯示有若干微小擾動，這是由于手剎檔位拉升的過程中，每劃過一個棘輪齒位，棘爪進位棘輪反轉而導致拉力波動。根據該擾動波形的特點，可確定通過檔位的時間，而與之相對應的拉力值即為該檔位拉力值。圖2曲線為測量實時拉力曲線，顯示了上升段不同檔位拉力提取過程;圖2下曲線為特征提取結果，向下尖峰為擾動起始位置。結合圖1曲線和圖2曲線的特點，通過特征提取與模式識別的方法，即可在只測量一次的情況下，提取出每個檔位的拉力值。

2 系統整體設計

研制的系統框圖如圖3所示，系統主要由手柄模塊和盒體模塊組成。

手柄模塊包括了專用拉環和力傳感器，是用來完成手動機械操作的重要部件。為提高手柄操作的舒適性，根據人體手部形狀對手柄抓持部分進行了特殊設計，即使用三維掃描儀獲取掌心及手指抓握狀態的幾何參數后再經逆向工程和拓撲優化設計獲得手柄形狀。專用拉環用于套住汽車手剎拉手，連接手剎力計和汽車手剎。拉力傳感器封裝于手柄模塊內部，通過魚眼軸承與專用拉環另一端連接。測量時，手部對手環施加拉力即可拉動汽車手剎，與手環固定在一起的拉力傳感器將力轉變成模擬電信號。為適應各車型手剎拉手的形狀及尺寸，拉環使用尼龍材質材料，寬度18mm，直徑為32mm。拉力傳感器選用量程為0-500N的S梁微型精密拉力傳感器。該傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，具有測量精度高、穩定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好的特點。傳感器外形尺寸為25×30×10mm，供電電壓為12V，輸出信號范圍為0～5V，精度為滿量程±0.05%，疲勞次數10萬次，能夠滿足手剎力測量需求。

盒體模塊集電源、控制、數據采集與分析、顯示等功能于一體，盒體將這些功能器件封裝到一起。盒體模塊與手柄模塊通過數據線連接，手柄模塊上的拉力傳感器輸出的模擬電信號通過數據線傳輸到盒體模塊的采集模塊。模擬電信號經A/D轉換集成電路轉換后采集進入單片機，單片機分析數據并將原始拉力波形與不同檔位拉力值顯示到液晶顯示屏上。多棘齒駐車手剎力計的結構示意圖如圖4所示。

3 系統硬件設計

硬件系統主要由電源、傳感器、信號放大器、顯示屏、單片機、開關、按鍵組成，用于實現手剎拉力的測量與顯示，如圖5所示。

電源模塊將外接220V交流電轉換成9V直流電，為液晶顯示屏、單片機和傳感器供電，以及為電池充電。電源管理芯片是電池充電控制芯片，其狀態位是可提供電池電量的狀態。電源模塊還有過電保護功能，以保護系統。

單片機選用STM32F103VCT6嵌入式微控制器，M3內核，速度72MHz，FLASH程序存儲器256K容量，A/D16×12b，內部振動器，100-LQFP封裝。實際采集速度5kHz，采集時間3秒。

顯示器選用信利（TRULY）3.2寸FTF-LCD液晶模組，型號為TFT3P4947-E，顯示分辨率為240（RGB）×320 （QVGA），寬高比為3：4，像素采用RGB垂直條狀排列，顯示區域尺寸為48.6（寬）×64.8（高）mm。測量時，顯示器可同時顯示拉力最大值和當前值，并動態顯示和記錄拉力曲線。根據實際需求，拉力值顯示范圍設定為[180N，400N]。并設置有校準和清除菜單，配合按鍵實現相應功能。

系統前面板設有6個按鍵，分別為開機鍵、功能鍵和上下左右移動鍵。長按開機鍵啟動和關閉系統。啟動狀態下，短按開機鍵進入校準界面，可用三個標準砝碼校準系統。在拉力傳感器無拉力輸入的情況下，短按清除鍵，可清除當前顯示的曲線和數值。四個移動鍵負責系統菜單間的切換。本設計采用并口液晶顯示器，數據以16個引腳并行發出。揚聲器與指示燈用于系統狀態顯示。系統實物照片如圖6所示。

4 測量結果

測量系統設計完成后，分別對A與B兩款車型的手剎進行了測量，系統數據采集速度設置為5000點/秒，通過最高檔位后不在施加拉力。圖7、圖8分別顯示了采集到的拉力曲線。根據實際需求，提取了兩款手剎最后四個檔位的拉力值測量結果見表1。比較圖7和圖8，可見兩款手剎拉力曲線形狀差別明顯;根據提取出的測量結果（表1）可知，兩款車手剎相同檔位的拉力值差別明顯，A車偏大。

5 結束語

本文針對汽車駐車制動的安全檢測要求及多棘齒機械結構的駐車手剎力測量的需求，設計了一種用于多棘齒駐車手剎力測量的系統，并且首次通過特征提取與模式識別的方法，實現了一次性測量即可獲得汽車手剎不同檔位拉力。測量結果表明，此款測力儀有效解決了傳統拉壓測力儀專用性差的問題，提高手剎力測量效率。

參考文獻

[1] 崔娜，汪立力.汽車制動檢測系統的應用研究[J].儀表技術與傳感器，2009（6）：62-63.

[2] 趙光遠，李業德.基于單片機的汽車制動踏板力計的設計[J].微計算機信息， 2007（23）：255-257.

[3] Lee Y. Stability Analysis of an Electric Parking Brake （EPB） Systems with a Nonlinear Proportional Controll[C]//World Congress.2008： 14247-14253.

[4] 北京汽車股份有限公司.手剎拉力測試儀[P].中國：ZL201721089 741.7，2017.

[5] 高奎賀.汽車手剎力計測量結果曲線擬合的研究[J].輕工標準與質量，2016（4）：54-55.