滚筒轴距可调的反力式制动检验台测控系统开发

黄万友 王琪 于明进 孙鹏

摘 要：随着机动车保有量的增加和行驶车速的提高，机动车的运行安全越来越引起人们的关注，机动车的制动性能是机动车运行安全的主要性能之一，汽车制动性能检验台是测试汽车制动性能的主要手段。本文在反力式汽车制动检验台结构参数和工作原理的基础上，开发了一种滚筒轴距自动调节的反力式制动检验台的测控系统，实现制动检验台自动检测被检机动车轮胎直径，并根据轮胎直径自动调节滚筒轴距找到最佳安置角；设计了基于英飞凌 XE164FN单片机的新型制动检验台测控系统的硬件电路；根据检测要求和所要实现的功能编制上下位机软件，上位机采用 Delphi软件进行编程，下位机采用 Keil软件进行编程，两级控制系统的软件配合实现对机动车制动性能的检测。最后，利用新型制动检验台进行实车试验，试验结果表明，检验

台测控系统性能稳定，可靠性好，可准确捕获机动车制动全过程。关键词：滚筒轴距自调；反力式制动检验台；测控系统；制动性能

1 引言

目前， GB21861-2014和 GB7258-2012都规定，机动车制动检验宜采用滚筒反力式制动检验台或平板制动检验台，其中滚筒反力式制动检测台应用最为广泛，这种方法方便快捷，但是随着汽车工业的发展，车型急剧增多，现有的滚筒反力式制动检验台在实际检测中表现出的弊端越来越明显。这种检验台因滚筒轴距固定，当轮胎直径超过一定值或车辆轮荷不足时，就会出现车轮在检验台滚筒上打滑的现象，使得制动检测结果偏小、无法真实反映车辆的实际制动性能状况 [3][4]，如果按国家标准统一规定的“制动力与轴荷比”对制动性能进行评价，缺乏合理性 [5]。所以本文开发一种滚筒轴距自动调整的制动检验台（以下简称“新型制动检验台”），这种检验台可以模拟改变车轮轮荷，以测出车辆制动器最大制动力。

2 新型制动检验台结构及检测原理

新型制动检验台较之现有的反力式检验台，增加了自动检测被检机动车车轮直径并自动调节滚筒轴距的功能，对不同的车型都可以自动调整到合适安置角，克服了现有检验台滚筒轴距不可调的弊端，提高了检测结果的准确性。

2.1 新型制动检验台机械结构及组成

新型制动检测台为实现自动检测车轮直径并自动调节滚筒轴距的功能，增加了轮胎直径检测装置，滚筒轴距检测调节装置和轴距变化的链张紧机构。新型制动检测台主要由左右对称的制动检测装置构成，包括滚筒组、滚筒驱动组、制动力测量装置、举升装置和指示与控制装置，结构如图 1所示。

滚筒组主要包括主滚筒、副滚筒和第三滚筒，主滚筒通过轴承座固定支承在机架上，副滚筒通过轴承座支承在机架的导向滑轨上。在车辆制动检测中，主滚筒和副滚筒用来模拟活动的路面，同时也可以起到承载车轮的作用。第三滚筒安装在主副滚筒之间，平时由弹簧使其保持在最高位置，第三滚筒上安装有转角传感器和转速传感器，分别用于计算车轮直径和车轮速度。

滚筒驱动组分为两部分：一是负责滚筒转动的驱动装置；二是负责滚筒水平移动的驱动装置。其中负责滚筒转动的驱动装置由电动机、减速器和链传动组成；负责滚筒水平移动的驱动装置靠液压控制，滚筒水平移动的驱动装置主要由液压站、液压管路和液压缸组成。

制动力测量装置主要由测力杠杆和力传感器组成。测力杠杆两端分别接着减速器壳体和力传感器，车轮制动检测时测力杠杆与减速器壳体一起绕主滚筒轴线摆动；力传感器将测力杠杆传来的、与制动力成比例的力转变成电信号输送到指示与控制装置。

举升装置由举升器、举升平板和控制开关组成，采用液压式实现举升，方便被检机动车驶上和驶离检验台。

2.2 测控系统的组成

新型制动检验台的测控系统包括软件部分和硬件部分，软件部分保证检测功能的实现和检测过程的准确性，包括上位机程序和下位机程序，上位机主要负责系统的登录和显示制动力检测过程，下位机主要负责实现对机动车制动性能检测的控制和数据采集。

1.框架

2.左减速机组件 3.左主滚筒链轮 4.左主滚筒 5.左制动第三滚筒 6.左液压举升装置 7.链传动及张紧装置 8.右主滚筒链轮 9.右主滚筒 10.右制动第三滚筒 11.右液压举升装置 12.右主滚筒链轮 13.右减速机组件 14.右驱动电机 15.右副滚筒链轮 16.右副滚筒 17.滚筒轴距调节装置 18.轮胎挡轮

用于检测被检机动车的车轮速度，安装在第三滚筒下方，第三滚筒的一端钻有 6个圆孔，每检测到 6个信号即为旋转一圈；车速传感器，用于检测滚筒的转速，安装在主滚筒的一侧；轴距传感器，用于测量主副滚筒之间的距离，安装在两个主滚筒组的中间位置；转角传感器，用于测量第三滚筒被压下去的角度，从而得到被检机动车轮胎直径，安装在第三滚筒一端；力传感器，用于测量被检机动车制动力大小，与测力杠杆和减速器壳体相连。检验台测控系统结构如图 2所示。

3.3 新型制动检验台检测原理

当检测机动车时，举升装置升起，机动车驶上检验台，被检机动车车轮停在检验台的主副滚筒之间，举升装置降下，轮胎将第三滚筒压下，第三滚筒带动转角传感器转过一定角度，控制系统根据此转角信号、结合滚筒直径和滚筒轴距计算出车轮直径，然后根据当前轴距信号以及系统内设定的安置角自动调节副滚筒位置，此时张紧机构不工作，副滚筒在在导向轨道上移动，直至被检机动车车轮处于最佳安置角位置，张紧机构张紧，之后电机启动，动力经减速器传至主副滚筒，主副滚筒带动车轮匀速转动。当系统提示引车员踩制动踏板时，引车员踩下制动踏板，车轮因受到制动器的摩擦力矩，轮速下降，此时在轮胎与滚筒的接触点产生一个切向力，此力便是制动力。为了减少轮胎磨损，当被检车辆滑移率达到设定值时，新型制动检验台测控系统及时发出指令，电机停止工作，这样减少了轮胎的磨损。测量完成后，举升装置升起，车辆后轴驶入，举升装置降下，测试后轴制动器制动力。待前后轴测试完毕后，举升装置升起，机动车驶离检验台。

3 新型制动检验台测控系统硬件设计

硬件设计是整个系统设计中重要的组成部分，是实现汽车制动性能检验的基础，它决定了新型制动检测台的响应速度和测量精度。硬件设计的合理与否将直接决定整个检测系统的性能 [6][7]。

3.1 传感器选型

传感器的选型应注意两点：机械安装尺寸和传感器的分辨率。新型制动检验台所用的传感器有轮速传感器、车速传感器、轴距传感器、转角传感器、力传感器。由于第三滚筒是由被检车辆车轮带动旋转，测量第三滚筒转速就可

以得到轮速，常用的测速传感器有两种：电感式传感器和光电式传感器，考虑到本检验台滚筒转速低，试验车速为 2.5～5.0km/h，且安装空间较小，本检验台采用的是电感式接近开关，此类传感器灵敏度高，频率响应为 70Hz，重复定位精度高，瞬变过程短，工作稳定可靠，红色 LED显示可以检查传感器的状态，具有耐震，耐腐蚀等特点。制动检验台车速传感器每转需输出 200个信号，滚筒转速为 40～100r/ min，试验台采用的是一种旋转编码器，可将角位移转换成一串数字脉冲信号，无接触磨损，寿命长，安装随意，已在国内外得到广泛应用。轴距传感器采用的是一种红外测距传感器，此传感器由位置探测器、红外发射二极管以及信号处理电路三部分组成，传感器的测量精度不会受到被测物体的材质、环境温度以及测量时间影响，新型制动检验台滚筒中心距的变化范围为 471mm～771mm，存在 300mm的变化范围，其输出电压与测量距离关系如图 3所示，为保证测量结果准确性和单值性，初始测量距离设为 250mm。力传感器采用双梁式结构，带过载保护功能，可测压力和拉力，在此检验台上，测量的是拉力，此传感器具有精度高，稳定性好，结构紧凑，方便安装的特点。转角传感器采用一款精密电阻式角度传感器，可转角度为 345°，第三滚筒从最高位置移动至最低位置，传感器转过的角度为 16°，此传感器满足测量要求，它具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的特点。各传感器技术指标参数如表 1所示。

3.2 单片机选型

根据检验台检测功能的要求，单片机要完成传感信号采集、制动过程数据分析计算和数据通信等功能。针对检验台检测功能的要求，对单片机的选择应考虑以下几点：具有较强的数据处理和运算能力，以进行复杂的数据输入和信号处理；具有高效的实时中断系统，以满足信息采集和通讯的要求；集成度高，片内集成有 A/D，CAN，IO捕获比较等模块，以实现检验台有效采集各传感器信号；单片机工作温度范围等指标应满足检验台的工作要求 [8]。据此选择英飞凌公司生产的 16位微控制器 XE164FN，优化的编译器可支持 CPU与 MAC单元的强大功能结合，从而使该产品与 32位系统之间不存在任何差异。 XE164FN具有 4个捕获 /比较单元， 2个数字 /模拟转换器， 13个并行端口，通过内嵌外设可将 CPU与外部世界连接，将原本需要在片外添加的功能集成到片内；具有 96个单独的中断节点，构成 16级中断优先级，可对各种中断请求做出快登录界面至最适安置角，通过液压装置进行张紧，电机工作，滚筒带动轮胎匀速转动，驾驶员根据提示踩下制动踏板，若滑移率达到系统内设定的范围，电机停止工作。系统程序框图如图 8所示。

5 新型制动检验台功能验证

完成汽车制动检验台软硬件设计后进行软硬件调试，电路板线路连接正常后进行动态调试，使各个继电器工作正常；之后系统空载试验，查看机械和电控系统协调工作情况；最后进行加载实车试验，试验车为本田

互作用而产生一个波动，随后制动力快速增长，最大制动力出现在车轮与滚筒之间的滑移率为 15%～20%左右时，之后车轮沿着滚筒滑转，制动力逐渐减小且有波动存在。在轴距由 26mm增加到 150mm时，测得的车辆制动力相应增加。测试结果表明，在汽车制动过程中，新型制动检验台成功捕捉到了最大制动力以及制动力变化过程，各传感器工作可靠，且呈现了非常好的稳定性和精确性，测试得到的曲线与理想制动过程的曲线吻合。

6 总结输入

思域 1.3L混合动力轿车，此轿车轮胎规格为 195/65 R15，轮荷为 712kg，在新型制动检验台上测试得到的制动力曲线如图 9所示。从图中可以看到，被测车辆阻滞力为 150N左右，踩下制动踏板后，因为滚筒与轮胎之间的相

本文以英飞凌 XE164FN单片机为核心，开发了滚筒轴距自动调整的反力式汽车制动检验台测控系统，构建了试验台数据采集及控制系统的基本结构框架，实现了所需的信号采集、计算、通讯、控制等功能。新型制动检验台实车试验结果表明，检验台电路系统稳定，工作可靠，检测结果具有较高的准确性，这对于机动车制动性能检测设备更新换代具有重要意义。

参考文献：

[1] GB 21861-2014.机动车安全技术检验项目和方法.[S]

[2] GB 7258-2012.机动车安全技术检验项目和方法.[S]

[3] 连福新 .新型制动检测台关键技术研究[D].济南：山东交通学院汽车工程学院，2014.

[4] 王建章 .反力式滚筒制动试验台检测系统使用中存在的问题分体 [J].公路与汽运，2006x（6）：15-17

[5] 赵哲峰 .可变滚筒轴距反力式制动检验台的研究 [D].吉林：吉林大学 .2008

[6] 李建 .反力式滚筒制动试验台测控系统的研究 [D].宁夏：宁夏大学 .2013

[7] 张天罡 .滚筒反力式汽车制动检验台检测系统的研究 [D].吉林：吉林大学 .2008

[8] 黄万友 .纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究 [D].山东：山东大学 .2012