客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计

毕业设计说明书11绪论1.1论文研究的背景目前，随着人们对安全意识的提高，交通事故被世人所关注的程度在日益加深。据有关部门统计，全世界每年因车祸导致70多万人死亡，1200多万人伤残，造成直接经济损失5亿多美元；汽车总拥有量只占世界2％左右的我国交通事故死亡人数却占世界的15％，由此可以看出我国在汽车安全方面则更为严重。作为主要交通运输工具的车辆，其性能的好坏是影响交通安全的重要因素之一；在车辆因素中，由于汽车制动方面的原因造成的交通事故占总交通事故的1l％。汽车行驶时能在短时间内停车且方向稳定和在下长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。其能直接关系到行车安全，是汽车的主要性能之一。汽车的制动性取决于其制动系统，而制动器是制动系统的关键部件，其直接影响汽车制动系统性能的发挥，故而制动器是汽车安全行驶的重要保障，没有制动器汽车就不能安全行驶。客车用盘式制动器是一种应用十分广泛且成熟的制动方式，但是其制动性能无法实现在线动态监测，因而给客车的安全行驶带来了一定隐患。随着自动化技术的发展，可以借助于单片机构建在线动态检测系统，实现对盘式制动器制动性能的动态在线检测，从而为制动性能的评估提供基础数据。该课题的研究内容十分丰富，几乎囊括了机制专业、机电专业学生所学的全部专业课程知识，主要包括机械系统功能原理方案设计，以及机电一体化系统和测控单元的设计。1.2论文研究的目的和意义盘式制动闸的制动性主要取决于摩擦副的摩擦性能，这里摩擦副主要是由摩擦材料、对偶盘组成，其中摩擦材料和对偶盘之间的摩擦状况直接影响着制动器的性能。而现实中人们对盘式制动闸的制动性能在线检测的研究却比较少，根据目前制动闸使用的实际工作状况，利用微电子新技术，研制一种具有检测功能的制动闸装置，对制动闸进行监测，可以提高设备的安全可靠性，对实际工程应用有很重要的意义。特别是随着科学和社会的不断进步，对设备的要求也逐渐向自动化和人性化方向发展，要求使用的设备安全可靠、环保、节能，这样对制动系统也提出更高的要求。该选题将机制专业学生所学的专业课程，如机械系统运动模型设计、传感检测电路设计、机电一体化、单片机测控系统等课程知识有机的融合在一起，同时动手实践要求较高，对于提高本科生的理论应用于实践的能力有帮助，因而适合本科生作为毕业设计的选题。客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计21.3论文在国内外研究的现状该课题在国内外都取得了相当部分的研究成果。部分研究成果如下：1．王永臣陈刚王磊崔秀在《单片机制动器自动调节系统》中给出单片机制动器自动调节系统的结构，阐明了它的工作原理和特点。系统采用根据流过电机电枢的电流控制电机启停的方法和多种抗干扰措施。其控制方案新颖，工作可靠，抗干扰能力较强。2．庄光山王成国姚永强王海庆在《制动盘对盘形制动摩擦性能的影响》中研究了惯性力矩制动试验台。对多种不同石墨形态的铸铁制动盘与混杂纤维增强酚醛基制动器片配副时的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：制动盘对盘形制动摩擦性能有明显影响。3．程真启高顶张晓光赵番在《矿井提升机制动器间隙监测仪的设计》中绍了基于Meal6单片机的矿井提升机器间隙监测设备的设计方法，通过对煤矿提升机器间隙和空动时间的测量，能够实现对盘形器的监测，解决了煤矿提升的安全隐患问题，满足了煤矿安全生产的需要。4．贾福音李志佳王一宾孙晋响在《摩擦提升机滑绳安全可靠制动分析》中析了摩擦提升中绳滑动与绳静、动张力的关系。通过理论分析、参数分配提出了满足系统安全可靠制动的外力制动方式，此方式不仅可以解除滑绳事故，也可以保证制动器失灵状态下，对系统可靠制动。这套设备的研发成功，可有效控制滑绳事故的发生，为摩擦提升矿井安全高效生产提供保证。5．陈磊任中全熊双辉在《矿井提升机盘式制动器空动时间测试装置设计》中针对矿井提升机盘式制动器空动时间偏长对矿井提升机事故的影响,依据《煤矿安全规程》对盘式器空动时间测试方法进行了研究,采用了继电器的工作原理设计了测试盘式器空动时间的测试装置,并使用虚拟仪器测试系统,通过LabVIEW编程语言程序对本测试装置进行了验证。6．王宏德在《盘式制动器制动力矩下降原因分析与对策》中通过对盘式制动器制动力矩下降原因的分析,提出了相应的防范对策,取得了较好的效果。系统操作简单快捷,能够实现真正的自动排料。可靠性进一步提高,维护量大大减少,整个系统控制完全数字化,通过操作面板上的数码管显示及几个触摸按钮,即可完成全部操作。7．和田雄一等(日)在《新开发的制动器片和制动盘》中阐述新开发的耐磨耗制动器片和耐热裂纹制动盘的优良性能,两者组合使用时,经济效益颇佳。新开发的制动器片,与各国采用的器片相比,其耐磨性较佳,对制动盘也没有破坏作用。NCM制动盘耐热裂纹性好,也有减低摩擦副器片磨耗的效果。新开发的制动器片与制动盘组合使用时,对降低车辆维修成本具有很大的意义。8.XAVERWIRTH〔德国〕在《制动器片提高了盘形制动器的性能》中介绍德国铁路公司的高速列车与早期列车的四个制动盘相比,它在每根轴上只装两个制动盘,使用一种改善了接触模式的先进制动片,可以降低嗓声并使能全吸收能力提高了。9.庄光山王成国王海庆姚永强在《混杂纤维增强制动器片的制动性能研究》毕业设计说明书3中采用改性酚醛树脂为基体,炭纤维与钢纤维、矿物纤维等混杂材料作为增强材料,研制了适用于提速列车盘形制动的少金属制动器片。在惯性力矩试验台上对其制动性能进行了测试。试验结果表明,该制动器片在各种规定试验条件下的摩擦性能均能满足最高运行速度为120km/h~160km/h的提速列车的使用要求。10.赵建明吴鹏在《半金属基提速客车盘形制动器片摩擦特性的研究》中介绍了一种适用于制造提速客车盘形制动器片的半金属基摩擦材料的摩擦磨损特性方法。试验表明研制的配方半金属摩擦材料具有稳定的摩擦系数和较好的耐磨性及其抗热衰退性。实物惯性台架试验结果表明,研制的配方器片具有较高的摩擦系数,制动距离较短,制动性能稳定,完全能满足提速客车运行的制动要求。综上所述：以上文献中作者从多个思路对盘式制动器的工作原理及条件有详细描述，多有从材料的角度来阐述车用盘式制动器的摩擦性能，但在检测动态性能方面少有阐述尤其未曾涉及传感器，A/D数模转换的内容，所以众论文只是提供了盘式制动器的感性认识和制动状态描述。1.4论文课题主要工作内容和本研究要解决的问题本课题主要解决以下问题：(1)传感器的选型设计与计算(2)盘式制动器制动性能模型研究(3)基于单片机的数据采集单元的设计，主要包括检测传感器的选型设计、A/D转换设计、控制单元设计、通信设计等(4)制动系统软件程序设计本研究能达到的预期效果如下：1.制动性能模型研究主要有施闸及松闸过程中闸瓦运动学分析和制动力矩分析，此分析建立了制动器的制动动力学模型，得到了制动性能参数之间的相互影响关系，为检测系统的设计提供基础性理论指导，可为传感器和检测系统的设计提供基础性数据。2.检测系统总体设计（硬件）主要有传感检测部分、数据采集部分和系统监控部分，传感器可以选用速度传感器，压力传感器、位移传感器，数据采集器主要采集模拟量，分为信号调理模块、A/D转换模块、单片机、串行通讯模块和电源。A/D转换主要考虑转换速度和精度；本系统选用的单片机要能够控制选择A/D转换芯片并读取A/D转换数据，同时还应有与上位工控机进行串行通信的功能。数据采集器采用12V供电，为了提高系统的可靠性，在系统的硬件、软件设计上都必须采取相应的抗干扰措施。（软件）单片机系统软件：采集速度、压力，位移传感器输出的模拟信号，并实现单片机和工控机的串行通信；组成：主程序+中断程序主程序是完成单片机系统初始化并采集传感器输出的信号；串行中断程序是完成单片机系统与工控机的串行通信。客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计42盘式制动闸制动模型分析2.1制动系统的基本性能要求盘式制动闸是车辆系统中的一个重要部件，它的主要作用是使车辆在出现故障或者在需要停止时，使车能在人们要求的时间内停止运动，也就是说需要把车的动能尽快转化为其他形式的能量，达到消耗动能的目的。它的工作机理是靠两个相对运动的表面相互摩擦时所产生的摩擦阻力来转化车动能的，将车的动能转化为热能，从而达到停车制动的目的。盘式制动器相对于鼓式制动器具有制动性能稳定(制动因数与摩擦系数成线性关系)，力矩容量大、只承受轴向力、结构紧凑、散热性好等突出的优点，所以在实际中被广泛应用。近年来，随着人们对车辆的安全意识的提高、制动闸的安全可靠性能倍受重视，对制动闸的性能提出以下几点基本要求:(1)要有足够的制动力矩，这是保证安全制动可靠的基本条件。(2)摩擦副所产生的摩擦力矩要稳定，在受到外界条件的变化(速度、温度、湿度、驱动力等)的条件下，它的变化也要尽量小。(3)散热性好，避免摩擦表面温度过高。(4)工作中噪音低、对环境的污染小。(5)具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用寿命。(6)操作、维修简单方便。2.2制动系统工作原理分析盘式制动器又称为碟式制动器，其摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，称为制动盘，用螺钉固定在车轮的轮毅上。盘式制动器分为钳盘式与全盘式，其中钳盘式分为固定钳式和浮动钳式，而浮动钳式又分为滑动钳式与摆动钳式。通常制动器都是通过其固定元件对旋转元件施加逆向力矩，通过制动器摩擦副之间的相对滑动，把动能转化为热能由此达到摩擦减速制动的作用。盘式制动器摩擦副中的旋转元件是一个被安装在车轴的轮毅上，以端面为工作表面的金属圆盘，称作为制动盘。制动器的固定元件称作制动块，由两到四个工作面积大概为制动盘包角20°左右的的摩擦片镶嵌在一个质地较硬的金属背板上组成。内外制动块及其的助动装置都装在横跨制动盘两侧的一个安装在悬架上夹钳型支架中，总称为制动钳。当驾驶人员踩下制动踏板，与之相连的推杆于是会推动制动主油缸中的活塞前进，使得油缸中的液压升高，液压油在压力的作用下经过油管进入制动器油缸中，再把力传递到制动器油缸中的活塞上推动其法向移动，最后活塞接触到制动盘而产生制动力，并牢牢把制动盘加紧。制动器结构如图毕业设计说明书5图2-1盘式制动器结构图钳盘式制动器的制动钳既可以固定在车桥上，也可以浮动在悬架上，因此又可分为定钳盘式制动器和浮钳盘式制动器两类。如图所示为定钳和浮钳两类盘式制动器示意图。图2-2定钳盘式制动器在定钳盘式制动器中，跨置在制动盘1上的制动钳体5固定安装在车桥6上，它不能旋转也不能沿制动盘轴线方向移动，其内的两个活塞2分别位于制动盘1的两侧。客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计6图2-3浮钳盘式制动器在浮钳盘式制动器中，制动钳体2通过导向销6与车桥7相连，可以相对于制动盘1轴向移动。制动钳体只在制动盘的内测设置油缸，而外测的制动块则附装在钳体上。盘式制动闸的工作原理是：施闸时，减小从控制油口输入的控制油压，当控制油压在活塞上的作用力小于碟型弹簧弹性恢复力时，碟形弹簧推动筒体向前运动，安装在筒体上的闸瓦压向制动盘进行制动。松闸时，增大从控制油口输入的控制油压，当控制油压在活塞上的作用力大于碟形弹簧弹性恢复力时，活塞通过连接轴带动筒体压缩碟形弹簧，闸瓦远离制动盘实现松闸。盘式制动闸的制动力矩是靠闸瓦从两侧压向制动盘，使闸瓦与制动盘之间产生摩擦力而产生的。为了使制动盘不产生附加变形，滚筒主轴不承受附加轴向力，制动闸都是成对使用，每一对叫做一副盘式制动闸。根据制动力矩的大小，每辆客车可布置多副制动闸。2.3制动系统的结构分析目前盘式制动闸包括老式的碟形弹簧后置式和新式的碟形弹簧前置式两种。图2-4（a）为碟形弹簧后置式制动闸结构图，图2-4（b）为碟形弹簧前置式制动闸结构图。毕业设计说明书71、制动盘2、衬板3、活塞4、制动器体5、液压缸6、碟形簧后盖7、碟簧8、后盖9、连接螺栓10、控制油口11、筒体12、闸瓦(a)碟形弹簧后置式制动闸结构图1、筒体(带衬板)2、碟型弹簧3、弹簧座4、挡圈5、油缸6、泄漏油口7、活塞8、连接栓9、后盖10、液压缸盖11、控制油口12、制动器体13、连接轴14、压板15、闸瓦16、制动盘(b)碟形弹