鼓式制动器制动力矩和温度测试台架的设计

方 涛，高 洪，洪 峥，纪 拓，胡如方



鼓式制动器制动力矩和温度测试台架的设计

*方 涛，高 洪，洪 峥，纪 拓，胡如方

（安徽工程大学先进数控与伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽，芜湖 241000）

基于多体动力学和斯特藩·玻尔兹曼定律，设计计算鼓式制动器制动力矩及温度测试台架，简述了传感器模块、信号处理模块、数据处理及显示终端三大模块的设计思路。与传统的试验台架相比，所设计的试验台架具有结构简单，数据采集干扰小和测量精度高的优点。

鼓式制动器；制动力矩；制动温度；实验台架

0 引言

制动器是汽车重要安全部件之一。汽车制动时，由摩擦导致制动鼓温度的升高，会使其产生形变导致制动性能下降；汽车制动力矩不足会导致制动距离延长，降低行车安全性；制动力矩过大会导致轮胎抱死，引起打滑[1]。因此，测量制动过程中制动力矩和温度的变化情况非常必要。实验测量制动力矩一般采用平板式制动力试验台或者反力式制动滚筒试验台，通过倒拖法使轮胎停转，从而测出制动力[2]。这种传统方法除汽车试验台架外，还需另加试验台，结构复杂、成本高[3]。本文通过测量半轴扭矩和轮速，间接求得制动力矩，通过合理布置非接触式温度传感器以测试制动鼓温度。

1 试验台架基本组成及测试基本原理

1.1 实验系统组成

结合试验台测试参数及其精度要求，给出试验台总体设计方案，包括单轮制动试验台机械本体如图1和三大模块（传感器模块、信号处理模块和数据处理及显示终端）如图2。

图1 单轮制动试验台机械本体

图2 试验台检测系统三大模块

试验台机械本体设计结果及传感器的布置如图1-3所示，包括驱动输入模块1和单轮测试系统模块2。

1-驱动输入模块 2-单轮测试系统模块

试验台机械本体的工作过程：电机离合器、变速器、联轴器依次相连，电机的旋转通过联轴器、变速器、离合器带动输出轴的旋转，输出轴的旋转带动轮毂及制动鼓的旋转。当输出轴达到一定速度，松开离合器，同时制动蹄由液压轮缸驱动与制动鼓接触产生摩擦进行制动。

传感器模块包括安装在半轴上的扭矩传感器和轮速传感器以及安装在促轮缸上的测温传感器，如图3；信号处理模块将传感器输出的模拟信号转换变为数字信号的信号处理电路；算法模块包括传感器数据转换和制动力矩的间接计算。

该试验台架选用接触式应变片式扭矩传感器、霍尔式轮速传感器和红外温度传感器。扭矩传感器和轮速传感器均安装在半轴上，如图4所示，3A为应变片式扭矩传感器，3B为霍尔式轮速传感器齿圈，3C为霍尔式轮速传感器。

图4 扭矩传感器和轮速传感器的布置

将红外温度传感器的三个红外测温探头在促动轮缸上方，正对轮毂内表面如图5.

1-制动鼓 2-制动蹄 3-促动轮 4-红外温度传感器

1.2 制动力矩测试的基本原理

通过半轴上的扭矩传感器测得半轴驱动扭矩M，利用轮速传感器测得轮毂转动角速度，角加速度为。已知该测试装置中半轴半径质量;假设制动鼓形状近似无底圆筒，已知制动鼓外半径,内半径和质量。假设半轴和制动鼓质量为均匀分布，则半轴转动惯量为：

制动鼓转动惯量为：

(2)

则系统的转动惯量为：

令制动力矩为T，则有如下关系式：

(4)

即

1.3 制动温度测试原理

红外热电偶温度传感器是根据斯特藩·玻尔兹曼定律和马克斯·普朗克基本原理（红外辐射能量大小和波长分布与表面温度关系）测物体表面温度，物体温度越高单位时间热辐射越多，介质越少，热辐射率越高，具体是通过热电偶来检测。热电偶是两种不同金属组成闭合回路，当金属两端接触不同温度时会产生电动势，其中一种温度为工作温度，另外一种为环境温度。

辐射热流：

由式（6）通过变换得制动鼓温度：

2 三大模块的设计

2.1 传感器

2.1.1 接触式旋转应变片式扭矩传感器

该测试台架传感器模块中采用的应变片式扭矩传感器。在半轴上安装精密电阻应变片，并搭建（惠斯顿）电桥，如图6所示。轴的形变引起应变片阻值变化，应变桥阻值的变化产生微弱的电压信号。电压信号通过固定在轴上的滑环和固定在传感器上的刷臂实现从旋转到静止传递，由于应变e与主轴的转矩成比例，可求得半轴的驱动扭矩:

式中为半轴材料的弹性模量，为半轴的直径，为半轴材料的泊松比。

图6 接触式旋转应变片式扭矩传感器

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

汽车发动机输出轴扭矩一般范围为100~300 N.m，因此选用法国的FGP公司CD1050接触扭矩传感器（输出： 2 mV/V, 0.5 to 4.5 Vdc, +/-5 V；量程：± 5~ ± 7 K (± 4~ ± 5,6 K)）。

2.1.2 霍尔式轮速传感器

霍尔式轮速传感器分为杆式传感器和差分式传感器[4]。杆式传感器模块中采用的霍尔轮速传感器包括安装在半轴上的传感器计数齿轮及与其相匹配的霍尔式轮速传感器，安装在固定基座上，在半轴高速旋转时，齿轮与半轴同步转动，霍尔传感器的传感头通过霍尔磁力线的分散与集中，产生交变的霍尔电压，如图7。

1-电磁铁 2-传感头 3-齿轮

交变电压的频率与转速成正比，由主轴的角速度与车轮角速度相等，可得：

车轮角速度

瞬时角加速度

其中T为采样周期。

由于利用单个霍尔元件检测的电压只有毫伏级正弦波电压，信号占空比大，影响检测的精准度[5]。利用双霍尔元件差分式接法的差分式传感器可减小这方面的影响（两个探头之间距离为半个齿距），如图8。

图8 霍尔式差分传感器中双探头的布置

电压信号通过差分放大，滤波得到清晰模拟信号，模拟信号通过模数转换送入数据采集卡，再通过通讯接口进入PC进行数据处理。针对本测试台架，采用UGN3019开关型集成霍尔元件[6]，将正弦波电压转化为标准脉冲电压。

2.1.3 非接触式红外温度传感器

图9非接触式红外温度传感器基本原理

非接触式红外温度传感器基本原理如图2-4。探测器接受透过光学系统聚集的物体辐射红外能量并将其转换成电信号[7]。利用非接触式红外热电偶温度传感器测制动器制动时产生的热。

针对本次试验采用非接触式红外温度测温仪德国diasDT40系列中的DT40L（温度范围：0～1000℃；测温精度1.0％），将三个红外测温探头（取三组数据的平均值）安装在促动轮正上方，测促动轮正上方制动鼓内表面的温度。因制动鼓制动温度变化为50~250 ℃，则该传感器温度范围符合要求。

2.2 信号处理模块

根据测试项目要求所需传感器的数目有5个：1路为应变扭矩传感器，2路为霍尔轮速传感器，3路为红外温度传感器，如图10。各路传感器的输出均为电压信号，并且同时采集。由传感器模块通过多路选择开关与信号处理模块通过单芯通信电缆连接；信号处理模块包含信号滤波器、放大器、模数转换器、接口电路[8]，通过数据线与计算机终端连接。因为有源滤波器与无源滤波器相比可提高电压放大倍数和负载，并且一阶滤波精度低而高阶滤波时间长，故可选用二阶有源低通滤波器；由于差动放大器可以抑制零点漂移，故此实验放大器可选用差动放大器。

图 10 信号处理电路

2.3 数据处理及显示终端

通过安装在计算机内的数据采集卡同时采集5路信号，计算机终端通过对输入的数字信号经过必要的数据处理。可得到各采样时间点半轴输入转矩、瞬时角速度、瞬时角加速度及制动鼓温度的数值；根据动态力矩平衡原理，间接求得制动力矩；以及通过绘制制动力矩和制动热变化趋势曲线，可测试制动器整体效能。

3 结论

1)与传统测制动力矩的试验台相比，无需另加试验台，装置简单，并且测到的数据采集干扰小，测量精度高。

2)数据实时显示，同时避免人工采集误差，保证采集数据精确性。

3)本实验台可得到制动力矩和制动热的变化趋势曲线，可测试制动器整体效能。

参考文献：

[1] 陈家瑞,张建文.汽车构造:下册[M].北京：机械工业出版社,2001.

[2] 蔡健.关于反力式滚筒制动试验台检测制动力的探讨[J].交通标准化,2004(1):52-53.

[3] 高洪,胡如方,宁世玉,等.一种汽车自增力式鼓式制动器性能测试装置:中国,201320494090.5[P].2013,12.

[4] 德国BOSCH公司.汽车电气与电子[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[5] 陈彦夫.ABS轮速传感器性能试验研究[D].合肥：合肥工业大学,2008.

[6] 丁芝琴.基于霍尔传感器的电机测速装置设计[J].农机化研究,2010(5):81-83.

[7] 晏敏,颜永红,曾云,等.非接触式红外测温原理及误差分析[J].计量技术,2005(1):23-25.

[8] 姬虎艳,栾忠权,杨庆东,等.直驱电机测试系统多路信号采集的调理电路设计[J].机械设计与制造,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年度芜湖市科技计划项目（产学研合作专项）（2012cxy02）

*方 涛(1986-），男，安徽桐城人，硕士生，主要从事数字化设计与制造研究(E-mail：1553145615@qq.com）；

高 洪(1963-），男，安徽枞阳人，教授，博士，硕士生导师，主要从事现代设计理论与CAD等研究(E-mail:gaohong0706@sina.com）；

洪 峥(1989-），男，安徽绩溪人，硕士生，主要从事数字化设计与制造研究(E-mail:530307510@qq.com)；

纪 拓(1991-），男，安徽池州人，硕士生，主要从事数字化设计与制造研究(E-mail:304235740@qq.com)；

胡如方(1986-），女，山东菏泽人，硕士生，主要从事数字化设计与制造研究(E-mail:1415602593@qq.com).