汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)（可編輯）

1、汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì) 930925 Y 分類號(hào) 密級(jí)： UDC 編號(hào)： 汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì) 0FTHE DESIGN CARSBRAKEHUBFATIGUE TESTMACHINE 學(xué)位授予單位及代碼：苤盔壟三盤堂 !Q!2 學(xué)科專業(yè)名稱及代碼：墊墨墊至鱟 方 研 究 向：垡量壘型當(dāng)型壟墨絲 士 碩 指導(dǎo)教師：生互叢 墊 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 握 副指導(dǎo)教師 答辯委員會(huì)主席 研究生： !土叁墨 論文評(píng)閌人：型：壹至 論文起止時(shí)間：231 12：2Q蛆!i 堂盤 摘 要 針對(duì)國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠家的需求，本文就新型汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試 驗(yàn)機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)及工作原理進(jìn)行論述。 新型汽車剎車制

2、動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)采用電磁激勵(lì)方式，應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng) 共振的原理進(jìn)行剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)。系統(tǒng)由檢測(cè)電路、功率驅(qū)動(dòng)電路 與單片機(jī)控制及輔助電路三大部分電路一同協(xié)同工作，組成本系統(tǒng)的硬 件電路：軟件設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模式、手動(dòng)固有頻率檢測(cè)模式、手動(dòng)驅(qū) 動(dòng)模式、測(cè)覽模式、故降報(bào)警模式五種工作模式。整個(gè)系統(tǒng)軟硬件緊密 配合形成功能完善的、高效的，高可靠性的新一代汽車剎車制動(dòng)轂疲勞 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)控制手段靈活，疲勞試驗(yàn)可靠，測(cè)試準(zhǔn)確性高。具有 國內(nèi)領(lǐng)先水平和廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前號(hào)。 關(guān)鍵詞：剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)共振電磁鐵 ABSTRACT For thedemandlocal itis matching of car

3、makers，discussed inthis thatthesoftwareandhardware andthe paper designing ofthenew brakehub principle type deviceofcar fatiguetesting the of vibratio幾the九ew Accordingprinciplesympathetic type brakehub devicehasthe fatigue the testing fatiguetestingby of Thehardareis of way electromagneticprompting c

4、omposed driver testingcircuit、powercircuit、singlechiDcontr01and assistant all eachotherFivemodes circuit，partscooperate canbesetinsoftwareofthe arethemodeof devicethey auto and drive modeofthe testing mode，manual properfrequency drive modesoftwareand testing，manualmode，browse hardware workinthe whol

5、e andformthenew brakehub system type fatigue deviceofcar controlmethodof testing systemThe thissystem is is ff【ultiplicity，thefatiguetestingdependable，theaccuracy of is new brakehub testinghighThe device type fatiguetesting ofcarhas level leadinginthedomesticandexte兀sivemarket words：Brakehub Key tes

6、t vbrationEl。c Fatigue sympathetic cromagnet 第一章 引言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平日益提高，伴隨著中國進(jìn)入 wTO的步伐，中國的汽車產(chǎn)業(yè)得到了空前迅速的發(fā)展，汽車進(jìn)入家庭 成為人們的代步工具已經(jīng)成為目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱門話題。汽車的安 全性能更加為普通消費(fèi)者所關(guān)注。一直以來從事汽車制造業(yè)的生產(chǎn)廠商 都以保證汽車的安全性作為汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)，為了保證汽 車安全行駛，在汽車制造業(yè)的生產(chǎn)過程中需要對(duì)車輛上各種配件的可靠 性、安全性進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。剎車制動(dòng)轂是利車制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件 之一，它在汽車剎車制動(dòng)過程中受振動(dòng)和沖擊最嚴(yán)重，可以

7、說剎車制動(dòng) 轂的可靠性是關(guān)系到交通安全的重要因素之一，因此對(duì)它的可靠性檢測(cè) 就顯得更為重要。 從事汽車剎車制動(dòng)轂可靠性檢測(cè)的機(jī)器稱為汽車剎車制動(dòng)轂疲勞 試驗(yàn)機(jī)。汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性是疲勞試驗(yàn)機(jī) 的關(guān)鍵指標(biāo)。如何提高汽車剎車制動(dòng)轂的檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性，這一問題 一直都是從事汽車產(chǎn)業(yè)的各大廠家及科技人員重點(diǎn)研究的課題之一。 傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是將剎車制動(dòng)轂側(cè)向固定在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械裝置 上，施力桿一端水平方向插入制動(dòng)轂的中心孔內(nèi)，另一端施加一重物， 當(dāng)制動(dòng)轂隨機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重物通過施力桿將產(chǎn)生的力矩作用在剎車 制動(dòng)轂上，并隨著轉(zhuǎn)動(dòng)不斷改變施力點(diǎn)。經(jīng)過5萬次動(dòng)作后，通過測(cè)定 轉(zhuǎn)數(shù)，可

8、以判斷制動(dòng)轂有無產(chǎn)生裂紋等損傷。如果測(cè)定轉(zhuǎn)數(shù)在允許測(cè)定 范圍內(nèi)，則再做5萬次動(dòng)作然后測(cè)定轉(zhuǎn)數(shù)，直至5O萬次動(dòng)作結(jié)束后。 如果轉(zhuǎn)數(shù)仍在允許測(cè)定范圍內(nèi)，別認(rèn)為待測(cè)剎車制動(dòng)毀經(jīng)過5O萬次疲 勞試驗(yàn)合格；如果測(cè)定轉(zhuǎn)數(shù)不在允許測(cè)定范圍內(nèi)，則認(rèn)為待測(cè)剎車制動(dòng) 轂疫勞試驗(yàn)不合格，并終止對(duì)待測(cè)剎車制動(dòng)轂的疲勞試驗(yàn)。這種方法最 大的問題是：l、檢測(cè)效率低 撿測(cè)一只剎車制動(dòng)轂需十幾小時(shí) ：2、 自動(dòng)化程度不高，需要大量的人工介入，從而增加了人為誤差產(chǎn)生的可 能性；3、測(cè)試數(shù)據(jù)無法自動(dòng)記錄并輸出、抽樣測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果需要人工 方式進(jìn)行。這些都極大的制約了汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)效率和 準(zhǔn)確性的提高。 目前，一種新型

9、的j氣車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)思想正逐漸形 成。這種設(shè)計(jì)思想是利用共振的原理通過電磁激勵(lì)的方式，在待測(cè)剎車 制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)上施以與該機(jī)械系統(tǒng)國有頻率同頻的力矩，用以完成疲 勞試驗(yàn)過程。同時(shí)配傳感裝置，微處理器等檢測(cè)控制單元，從而組成 完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)：這種新型的汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)可以大走 地提高汽車剎車制動(dòng)轂的檢測(cè)效率和檢測(cè)可靠性。目前這種類型的汽車 剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，僅在工業(yè)發(fā)達(dá)國家如德國、巴西等少數(shù)國 家有應(yīng)用報(bào)道在國內(nèi)還處在研究階段。可以說，這種電磁激勵(lì)的汽車 剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)在技術(shù)上具有國際領(lǐng)先水平。 根據(jù)國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠家的需求，我們?cè)谛滦推噭x車制動(dòng)轂疲勞試 驗(yàn)

10、機(jī)的研制開發(fā)方面進(jìn)行了有益的探索，通過借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，采用 全新的設(shè)計(jì)思想，成功地研制出我國第一臺(tái)電磁激勵(lì)、智能化程度高、 高可靠性的汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)。其中電控部分全部由長春理工 大學(xué)電子技術(shù)研究所研制開發(fā)，機(jī)械部分與長春光機(jī)所合作開發(fā)。 該機(jī)采用單片機(jī)控制電控系統(tǒng)工作，通過檢測(cè)裝置對(duì)待測(cè)汽車剎車 制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行檢測(cè) 經(jīng)過測(cè)定其機(jī)械系統(tǒng)固有頻率一 般為3555Hz ，并由單片機(jī)系統(tǒng)按其固有頻率通過功率驅(qū)電路向疲勞 試驗(yàn)機(jī)的電磁系統(tǒng)提供每秒3555次電磁激勵(lì)，并將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力 矩作用于待測(cè)汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)上，使待測(cè)汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械 系統(tǒng)產(chǎn)生同頻諧振，以達(dá)到使剎車

11、制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)處于最優(yōu)試驗(yàn)條件。 當(dāng)進(jìn)行到5萬次電磁激勵(lì)驅(qū)動(dòng)后，重新對(duì)待測(cè)汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng) 進(jìn)行固有頻率檢測(cè)，并將新測(cè)得的固有頻率值與剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的 原始固有頻率 未作疲勞試驗(yàn)之前固有頻率 進(jìn)行比較，如果絕對(duì)誤差 在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為待測(cè)剎車制動(dòng)轂未損壞。然后，再進(jìn)行5萬次電 磁激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，并做出是否損壞的判斷。直至50萬次電磁激勵(lì)后，如果 檢測(cè)頻率與固有頻率之差的絕對(duì)誤差仍在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為待測(cè)汽車 剎車制動(dòng)轂5o萬次疲勞試驗(yàn)合格，結(jié)束本次疲勞試驗(yàn)。如果在疲勞試 驗(yàn)過程中任意一次檢測(cè)頻率與固有頻率之差的絕對(duì)誤差超出允許范圍， 則認(rèn)為待測(cè)汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)不合格，終止本次疲勞試

12、驗(yàn)。通過 這種方法測(cè)試一只剎車制動(dòng)轂所需的時(shí)間可以縮短到3小時(shí)以內(nèi)，測(cè)試 中施力頻率大小可調(diào)；由于采用共振原理使疲勞試驗(yàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的大小 要求進(jìn)一步降低；系統(tǒng)可以自動(dòng)判別產(chǎn)品是否合格；檢測(cè)數(shù)據(jù)可以自動(dòng) 記錄并打印輸出；產(chǎn)品抽樣測(cè)試結(jié)果可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并打印輸出。綜上所 述，本設(shè)計(jì)為汽車產(chǎn)業(yè)提供了一臺(tái)性能良好的汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn) 機(jī)。具有國內(nèi)領(lǐng)先水平及廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 本文所論述的內(nèi)容是新型汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的軟、硬件設(shè) 計(jì)思想及工作原理。固本人能力有限難免有偏頗之處，請(qǐng)各位專家、讀 者給予指正，以便進(jìn)一步完善、提高設(shè)計(jì)。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 眾所周知，任何機(jī)械系統(tǒng)都有其固有振動(dòng)頻率

13、，如果對(duì)這一機(jī)械系 統(tǒng)施加與其固有頻率同頻的外力，則這一機(jī)械系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生最大的振幅， 同時(shí)對(duì)此機(jī)械系統(tǒng)會(huì)造成最大限度的損害。因此，在一般機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，同頻諧振是妊須想辦法避免的。但我們所設(shè)計(jì)的汽車剎車制動(dòng)轂疲 勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)恰恰應(yīng)用了這一原理。通過汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的 檢測(cè)單元對(duì)待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行檢測(cè)，然后通過疲 勞試驗(yàn)機(jī)的電磁激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路為待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)提供與其固 有頻率同頻的驅(qū)動(dòng)力矩作用，并在此條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以期達(dá)到為 待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械樂統(tǒng)提供最大破壞效果的目的。采用這種方法的另 一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，由于施加了與待測(cè)機(jī)械系統(tǒng)固有頻率同頻的外力進(jìn)行 破壞性

14、試驗(yàn)，無疑會(huì)大大降低對(duì)外加驅(qū)動(dòng)力大小的要求，并且可以有效 地提高系統(tǒng)的測(cè)試能力和效率。 汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的工作原理如下： 將汽車剎車制動(dòng)轂固定在穩(wěn)定的試驗(yàn)臺(tái)支撐架上，通過一根鋼制 m50mm左右的施力桿下端垂直插入剎車制動(dòng)轂的中心孔中，并實(shí)現(xiàn)緊 配合。桿的上端兩側(cè)各安裝一個(gè)由硅鋼片壓制而成的銜鐵，兩銜鐵的外 電磁鐵 電磁鐵 圖21汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 側(cè)各安置一個(gè)電磁鐵。其機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。 如圖21制成的汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率經(jīng) 檢測(cè)一般在3555Hz之間。因此對(duì)電磁鐵裝置施加與汽車剎車制動(dòng)轂 機(jī)械系統(tǒng)固有頻率同頻 即每秒35

15、55個(gè)脈沖 的電磁激勵(lì)時(shí)，通過銜 鐵的牽引，施力桿會(huì)產(chǎn)生最大的振動(dòng)振幅，剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)會(huì)受到 最大的破壞力矩的作用，對(duì)剎車制動(dòng)轂造成最大的破壞，達(dá)到最優(yōu)疲勞 試驗(yàn)條件。 汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)具體的工作過程如下：首先對(duì) 某一個(gè)電磁鐵加一個(gè)單次電壓激勵(lì)脈沖，在電磁力作用下銜鐵受到牽 引，并通過施力桿的傳遞作用，為剎車制動(dòng)轂施加一力矩，隨后施力桿 產(chǎn)生一個(gè)在其固有頻率下的衰減振蕩。固定在施力桿兩側(cè)的四個(gè)應(yīng)雯片 構(gòu)成測(cè)力電橋，檢測(cè)出振動(dòng)振幅信號(hào)，經(jīng)放大處理后，可檢測(cè)出振動(dòng)的 固有頻率。然后，電控系統(tǒng)按測(cè)得的頻率為A、B兩電磁鐵提供相位相 差為180度的電壓脈沖，機(jī)械系統(tǒng)在電磁力的作用下

16、產(chǎn)生振蕩，此時(shí)外 力頻率與其固有頻率相等，剎車制動(dòng)轂被施加很大的力矩進(jìn)行破壞性測(cè) 試。當(dāng)進(jìn)行了系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定的激勵(lì)次數(shù)后 系統(tǒng)默認(rèn)為5萬次 ， 電磁激勵(lì)停止，并再一次對(duì)此機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率檢測(cè)，若新測(cè)得的 固有頻率與原始固有頻率 未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前固有頻率檢測(cè)結(jié)果 的絕 對(duì)誤差未超出允許范圍，則認(rèn)為剎車制動(dòng)轂沒有發(fā)生損壞；如果新測(cè)得 的固有頻率與原始固有頻率之差超過規(guī)定的限度，則認(rèn)為待測(cè)剎車制動(dòng) 轂已損壞，終止本次疲勞試驗(yàn)。如果判斷待測(cè)剎車制動(dòng)轂未損壞，則繼 續(xù)上述試驗(yàn)過程，直到滿足合格測(cè)試的最大要求激勵(lì)次數(shù) 系統(tǒng)默認(rèn)為 50萬次 。如果其固有頻率檢測(cè)結(jié)果與原始固有頻率絕對(duì)誤差仍然在允 許范

17、圍之內(nèi)，則認(rèn)為被測(cè)試剎車制動(dòng)轂通過50萬次疲勞試驗(yàn)測(cè)試合格。 在每次固定次數(shù)疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，都要進(jìn)行固有頻率檢測(cè)結(jié)果與原始固 有頻率的比較工作，以資判斷待測(cè)剎車制動(dòng)轂是否已經(jīng)損壞：通過系統(tǒng) 提供的顯示、打印、報(bào)警、存儲(chǔ)單元對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要的信息顯 示、打印輸出疲勞試驗(yàn)結(jié)果、報(bào)警指示及存儲(chǔ)保存工作參數(shù)等操作。 該汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)支持多個(gè)抽樣產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn) 結(jié)果自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，例如對(duì)一組共100個(gè)抽樣產(chǎn)品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，通過 疲勞試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)軟件與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元相配合即可完成對(duì)疲勞 試驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能。統(tǒng)計(jì)信息包括測(cè)試抽樣產(chǎn)品數(shù)量、合格產(chǎn)品 數(shù)量、不合格產(chǎn)品數(shù)量、抽樣產(chǎn)品合格

18、率，以上統(tǒng)計(jì)信息在系統(tǒng)工作過 程中會(huì)實(shí)時(shí)在液晶顯示屏上更新顯示。統(tǒng)計(jì)信息初始值在進(jìn)行系統(tǒng)工作 參數(shù)設(shè)定時(shí)寫入，完成每一次單件抽樣產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)后修改，完成全部 抽樣產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn)后通過打印機(jī)輸出。 21系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 1、驅(qū)動(dòng)電脈沖頻率f可調(diào)，在3555Hz范圍內(nèi)。 2、驅(qū)動(dòng)電磁鐵在電流激勵(lì)下要求產(chǎn)生200公斤左右的牽引力，且大小 可調(diào)。 3、測(cè)控系統(tǒng)工作參數(shù)如單組驅(qū)動(dòng)次數(shù)、循環(huán)驅(qū)動(dòng)次數(shù)、頻率檢測(cè)閾度 等，可以根據(jù)需要自行設(shè)定調(diào)整。根據(jù)驅(qū)動(dòng)頻率檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)可以自 行調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率。 4、系統(tǒng)應(yīng)提供完善的自動(dòng)控制功能，自動(dòng)控制方式要求：自動(dòng)測(cè)試過 程無需人工干預(yù)；系統(tǒng)界面清晰、明快，便于對(duì)測(cè)試過程進(jìn)

19、行設(shè)置及監(jiān) 控；測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以打印輸出；可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)抽樣產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果并打 印輸出。 22系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 信 信 寸 口 傳檢 | 可 1 一鼉未 放 處 _- l_卜 感翟 尢 理 -什 器路 電 電 單 一薪翌 路 路 1l 片 機(jī) 控 一l囂 制 功 l 核 電磁鐵1世 盎 功變 J心 存儲(chǔ) 率換 驅(qū) 一 ?一 及其 井電 動(dòng) 電磁鐵2l? l_ 它控 關(guān)路 電 。肌 制電 丑各 路 圖22汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 根據(jù)汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要 求，我們所設(shè)計(jì)的汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)是以單片機(jī)為控 制核心，通過單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制，系

20、統(tǒng)的組成主要包括以下 3大部分，如圖22虛線所示分別是： 1 信號(hào)檢測(cè)電路： 2 電磁鐵功率 驅(qū)動(dòng)電路： 3 單片機(jī)及外圍電路。 信號(hào)檢測(cè)電路主要包括三個(gè)部分：傳感器檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、 信號(hào)處理電路。傳感器檢測(cè)電路用于檢測(cè)傳感器的變化，通過其可以完 成非電信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；信號(hào)放大電路用于對(duì)經(jīng)傳感器檢測(cè)電路所 得的小信號(hào)進(jìn)行放大，以便為后續(xù)電路提供可供處理的合理幅值的不失 真信號(hào)；信號(hào)處理電路是對(duì)經(jīng)檢測(cè)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形、濾波處理， 得到TTL電平的固有頻率信號(hào)，送到單片機(jī)IO口用于單片機(jī)對(duì)固有頻 率的檢測(cè)。 電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)電路主要包括三個(gè)部分：功率驅(qū)動(dòng)電路、功率開關(guān) 變換電路、電磁

21、鐵。功率驅(qū)動(dòng)電路用于將由單片機(jī)發(fā)出的TTL電平驅(qū) 動(dòng)電脈沖轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)功率晶體管工作的電脈沖，并以此驅(qū)動(dòng)功率晶 體管工作；功率開關(guān)變換電路的功能是將驅(qū)動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂齐姶盆F電 磁線圈得電、失電的電開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的控制，同時(shí)提供低阻 抗放電回路，避免電磁線圈關(guān)斷時(shí)過大的反電勢(shì)造成外圍電路損壞：電 磁鐵可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)化，即通過電磁鐵可以將電磁激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠?勞試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力矩。 單片機(jī)及外圍電路包括：單片機(jī)控制核心、顯示電路、打印輸出控 制電路、故障及報(bào)警電路、存儲(chǔ)及其它控制電路。單片機(jī)控制核心用于 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、顯示，打印輸出、信息存儲(chǔ)等多 種功能電路的控制；顯示電

22、路用于系統(tǒng)工作信息的顯示；打印輸出控制 電路用于對(duì)打印機(jī)進(jìn)行接口控制；故障及報(bào)警電路用于對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行 報(bào)警；存儲(chǔ)及其它控制電路完成系統(tǒng)信息存儲(chǔ)及其它電路控制輔助功 能。 信號(hào)檢測(cè)電路、電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)及外圍電路三大功能 電路協(xié)同工作，構(gòu)成了功能完善的、高效的、高可靠性的新一代汽車剎 車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)； 第三章 機(jī)械系統(tǒng)共振原理 新型汽豐剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的基本工作原理是利用機(jī)械系統(tǒng) 共振原理，通過產(chǎn)生與待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)固有頻率同頻的電磁激 勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)電磁鐵，從而產(chǎn)生與其固有頻率同頻的驅(qū)動(dòng)力矩，引起待測(cè) 剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力矩作用下產(chǎn)生共振，以達(dá)到在最優(yōu)疲勞試 驗(yàn)

23、條件下測(cè)試待測(cè)剎車制動(dòng)轂的目的。 下面就機(jī)械系統(tǒng)共振的基本原理論述如下。 一切物質(zhì)一固體、液體、氣體一一都能振動(dòng)。一臺(tái)常用的機(jī)械有 許多運(yùn)動(dòng)部件，每個(gè)部件都是潛在的振源或沖擊激勵(lì)源。 振動(dòng)或振蕩通常可以分戍三類： 1 瞬態(tài)的； 2 穩(wěn)態(tài)的： 3 隨 機(jī)的。瞬態(tài)振動(dòng)是衰減的，而且通常與不規(guī)則的振動(dòng)有關(guān)；穩(wěn)態(tài)振動(dòng)常 和機(jī)器的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)，而且這種振動(dòng)雖然是周期的，但不一定是諧振 或正弦振動(dòng)。由于振動(dòng)需要有產(chǎn)生振動(dòng)的能量，并且產(chǎn)生能量耗散，以 致振動(dòng)會(huì)降低機(jī)器或機(jī)械的效率。能量耗散有多種途徑，譬如摩擦，由 摩擦產(chǎn)生的熱傳至周圍；又如聲波、噪聲、應(yīng)力波，通過機(jī)座和基礎(chǔ)傳 遞出去。所以穩(wěn)態(tài)振動(dòng)總是需要有

24、不斷的能量輸人，借以維持其振動(dòng)： 隨機(jī)振動(dòng)指非周期振動(dòng)，這種振動(dòng)沒有周期?I生的主要成分在內(nèi)。17】 振動(dòng)可以由某些初始條件或時(shí)間等于零時(shí)的擾動(dòng)產(chǎn)生。如果零時(shí)刻 以后就無擾動(dòng)或激振作用，則系統(tǒng)的振蕩運(yùn)動(dòng)稱為自由振動(dòng)。故自由振 動(dòng)表征系統(tǒng)振動(dòng)的固有性質(zhì)或固有模態(tài)。初始條件是一種能量輸入，是 由起始時(shí)儲(chǔ)入系統(tǒng)的能量而引起的。 振動(dòng)還可以在外力激勵(lì) 或外施振蕩 下產(chǎn)生，該外力通常是時(shí)間的 函數(shù)，這種系統(tǒng)振蕩運(yùn)動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率就是激振力或 外施力的頻率，亦即強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率是同系統(tǒng)自振頻率無關(guān)的一個(gè)任意 量。 實(shí)際上，每一個(gè)物體或系統(tǒng)都會(huì)在某種初始擾動(dòng)之后按照自己本身 的特性而自由振動(dòng)。機(jī)

25、械振動(dòng)或?yàn)榉€(wěn)定諧振力 亦即在強(qiáng)迫振動(dòng)情況 引起的激振，或?yàn)槌跏紨_動(dòng)之后除了重力之外而沒有外力下的振動(dòng) 即 自由振動(dòng)情況 。 共振是產(chǎn)生最大振幅的條件。當(dāng)外施力的頻率同系統(tǒng)的自振頻率吻 合或接近時(shí)，系統(tǒng)即發(fā)生共振。在這種臨界條件下，共振的機(jī)械系統(tǒng)會(huì) 產(chǎn)生大振幅和高應(yīng)力。因此，對(duì)于一般的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)共振是妊須避免 的。但我們所設(shè)計(jì)的剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)確恰恰利用了共振原理，由 于共振的機(jī)械系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大振幅和高應(yīng)力，因此對(duì)疲勞試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)力矩 要求有一定程度的降低，同時(shí)效率顯著提高。 如果系統(tǒng)中不存在阻尼，就沒有能量耗散。初始條件使系統(tǒng)振動(dòng)， 無阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)將不會(huì)隨時(shí)問增長而消失。如果系統(tǒng)中有阻

26、尼存 在，阻尼器就會(huì)消耗能量，而自由運(yùn)動(dòng)最后將會(huì)停止，系統(tǒng)將保持在靜 平衡位置。因?yàn)樗鶅?chǔ)能量決定于初始條件，故從初始狀態(tài)漸趨為靜止平 衡狀態(tài)的自由振動(dòng)同樣能表征系統(tǒng)的固有性質(zhì)。【l副因此，根據(jù)這一原理， 我們?cè)O(shè)計(jì)汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)固有頻率 檢測(cè)，采用由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，在電磁系統(tǒng)作用下產(chǎn)生一個(gè)固 定寬度的電磁激勵(lì)脈沖，使得剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)在其固有頻 率下的衰減振蕩，通過對(duì)其振動(dòng)振幅進(jìn)行檢測(cè)，即可得到剎車制動(dòng)轂機(jī) 械系統(tǒng)的固有頻率值。 由于阻尼存在會(huì)使自由振動(dòng)幅值隨時(shí)間而遞減。如果要使振動(dòng)持續(xù) 下去，由于阻尼而耗散的能量就一定要由外部的能源來補(bǔ)償?；谶@

27、一 理論，汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)在驅(qū)動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)要求電磁激勵(lì)系統(tǒng) 產(chǎn)生周期性驅(qū)動(dòng)力矩用以補(bǔ)償疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)共振過程因阻尼耗散的能 量，從而保證疲勞試驗(yàn)的順利進(jìn)行。 第四章 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，整個(gè)電控系統(tǒng)包 括： 1 信號(hào)檢測(cè)電路： 2 電磁鐵功率驅(qū)動(dòng)電路； 3 單片機(jī)及外圍電路， 三大組成部分。三大功能電路協(xié)同工作，構(gòu)成了汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試 驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)。 下面就各部分電路的具體設(shè)計(jì)及工作原理進(jìn)行詳細(xì)的論述。 41信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)代控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)主要包括傳感器、信號(hào)放大電路、整形濾 波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路幾大部分組成，由于具體的被測(cè)量及使用的傳感

28、器不同，信號(hào)檢測(cè)及處理電路會(huì)有所不同。本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路是對(duì) 汽車剎車制動(dòng)轂的固有頻率進(jìn)行檢測(cè)，本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路主要包 括：傳感器檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)處理電路 即整形電路 三 個(gè)部分。 傳感器檢測(cè)電路主要根據(jù)待測(cè)的物理量選擇合適的傳感器，并針對(duì) 所選擇的傳感器設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路，完成對(duì)敏感信號(hào)的采集任 務(wù)；信號(hào)放大電路用于對(duì)由傳感器檢測(cè)電路所得的小信號(hào)進(jìn)行放大處 理，處理后的信號(hào)用于后序電路進(jìn)一步處理；信號(hào)處理電路是對(duì)經(jīng)信號(hào) 放大電路放大后的信號(hào)進(jìn)行整形濾波處理，祛除信號(hào)中的干擾成分將 信號(hào)處理為比較干凈的不失真信號(hào)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入或處理為標(biāo)準(zhǔn) TTL電平信號(hào)直接用于與數(shù)字

29、電路或單片機(jī)端口連接，完戍觸發(fā)或頻率 檢測(cè)等任務(wù)，本系統(tǒng)采用后者用于頻率檢測(cè)。 411傳感器的選擇及工作原理 本系統(tǒng)需要檢測(cè)的物理量是待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。 而固有頻率的檢測(cè)是通過單片機(jī)產(chǎn)生單次驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)電 磁系統(tǒng)，由電磁系統(tǒng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩并作用于施力桿，此后包括施力桿在 內(nèi)的制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)裝置產(chǎn)生在其機(jī)械系統(tǒng)固有頻率下的衰減振蕩，通 過傳感器對(duì)袁減振蕩的振幅進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過傳感器檢測(cè)電路即可得到衰 減振蕩的周期波形?；谏鲜龇治?，衰減振蕩過程中施力桿產(chǎn)生形躉和 振動(dòng)可以反映待測(cè)系統(tǒng)衰減振蕩的振幅，并且施力桿便于實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減振 蕩的振幅檢測(cè)，因此選擇可以檢測(cè)形變和振動(dòng)的傳感

30、器實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減振蕩 振幅進(jìn)行檢測(cè)。 用于形變及振幅檢測(cè)的傳感器種類很多，例如電阻應(yīng)變片、壓電式 測(cè)力傳感器、電容式仁棗器、 拇式傳感器等等?；诒鞠到y(tǒng)機(jī)械部分 的應(yīng)用要求、實(shí)際測(cè)jo i度謄檢測(cè)電路簡易程度、成本體積等技術(shù) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮，在蘆設(shè)計(jì) 我們采用了以電阻應(yīng)變片為主要組成部 分的應(yīng)變式傳感器，尹聲聲羈。2j j車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)衰減振蕩的振幅檢 測(cè)。 電阻應(yīng)變片是一種oE埒i復(fù)測(cè)試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的 敏感元件。它是應(yīng)變jt仁感器t fo主要組成部分。電阻應(yīng)變片用途非常 廣泛，它可以檢測(cè)機(jī)j。蔓器；的受力狀態(tài)，如應(yīng)力、振動(dòng)、沖擊、 響應(yīng)速度、同步情況、，一，1 “平衡力大小等

31、等。使用時(shí)應(yīng)變片可以 比較理想地粘貼在被。i件的：一jL立F位。它也可以與彈勝元件制成專用 的力學(xué)傳感器使用。 電阻應(yīng)變片主要4】t叫；也亞變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。半導(dǎo)體 應(yīng)變片主要用硅半獸，：。e 抖的、1效應(yīng)制作而成。與金屬電阻應(yīng)變片相 比，它的靈敏系數(shù)根j。卜、1 j200，但它的溫度穩(wěn)定性及重復(fù)性 方面不如金屬電阻壓蔓。十o ：屬電阻應(yīng)變片又分為金屬絲應(yīng)變片、 箔式應(yīng)變片和薄膜式毫變片和。金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由直徑 O015mm005mm的金雇絲!，扎戈柵狀，是應(yīng)用最早的應(yīng)變片；金屬 箔式應(yīng)變片的敏感柵，_jj，島紛!色刻腐蝕成柵狀，其具有橫向效應(yīng)小、 測(cè)量精度高、散熱士予、i，電

32、 ，、測(cè)量靈敏度高及易于成批生產(chǎn)等多 方面優(yōu)點(diǎn)；薄膜式應(yīng)；矗1采 ；空蒸發(fā)或真空沉積方法在薄的絕緣基 底上形成金屬電阻材j?引羹以I 1um以下 作為敏感柵，其優(yōu)點(diǎn)是 應(yīng)變靈敏系數(shù)高允許t叭j暫族，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種新型的應(yīng) 變片，但其在實(shí)際使月I口三 F題是其電阻對(duì)溫度和時(shí)間的變化關(guān)系 控制困難。因此，我m囂西訓(xùn) 吲了應(yīng)用廣泛且各方面工作特性優(yōu)秀 的金屬箔式應(yīng)變片， 一 金屬電陽奄肇昔誓。乍原理 應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械 變形 效應(yīng)。 411 式中：p一電阻軍一hnn、 S一截面旁cl、 0 L一金屬簍爭謄焉 t。 當(dāng)金屬絲受外刀一i二- 一度和截面積都要發(fā)生變化，從而改變 了金屬

33、絲的電阻值。：，、j一時(shí)，長度增加，截面積減小，電阻值 10 增加；當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此， 只要能測(cè)出電阻的變化，便可知金屬絲的應(yīng)變情況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為 RR Kn 412 式中：R-一金屬絲電阻的變化量； 一金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。 Ko主要由實(shí)驗(yàn)方法確定，且 在彈性極限內(nèi)，基本上為常數(shù)值 ； 一金屬材料的軸向應(yīng)變值，即 LL，因此又稱為長度 應(yīng)變值。 在實(shí)際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測(cè)機(jī) 械零件的表面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或機(jī)械零件受到作用力產(chǎn)生應(yīng)變 時(shí)，電阻應(yīng)變片便會(huì)感受到該變化，并隨之產(chǎn)生應(yīng)變。這時(shí)電阻應(yīng)變片 便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻

34、的變化輸出。 二 金屬電阻應(yīng)變片的主要參數(shù) 1 敏感柵尺寸 應(yīng)變片的敏感柵尺寸由敏感柵的基長和基寬組成。敏感柵的基長是 指敏感柵在縱軸方向上的長度。敏感柵基寬是指與應(yīng)變片軸線相垂直的 方向上，應(yīng)變片敏感柵外側(cè)之間的距離。 2 初始電阻R0 應(yīng)變片的初始電阻R0是指應(yīng)變片未粘貼前在室溫下測(cè)得的靜態(tài)電 阻值，常見的有60、120、200、250、600乖1000Q等類型。 3 允許工作電流 電阻應(yīng)變片的允許工作電流又稱為最大工作電流，是指允許通過應(yīng) 變片而不影響其工作特性的最大電流值。一般靜態(tài)測(cè)量時(shí)的允許工作電 流為25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量可以高一點(diǎn)。箔式電阻應(yīng)變片的允許工作電 流比金屬絲電阻應(yīng)變片

35、的允許工作電流要大許多。選取工作電流還應(yīng)注 意被測(cè)構(gòu)件的導(dǎo)熱情況，對(duì)于導(dǎo)熱好的被測(cè)構(gòu)件，可以選得大一些；對(duì) 于不易導(dǎo)熱的材料，要取得小一些。【3】 三 本系統(tǒng)金屬箔式電阻應(yīng)變片選擇 由于汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)工作于實(shí)驗(yàn)室或工廠的車間現(xiàn)場(chǎng) 室內(nèi)，環(huán)境溫度O30，安裝位置為鋼制m50mm左右施力桿上， 且施力桿為頻繁振動(dòng)工作條件下。根據(jù)以上分析并參照表411列出的 常用的國產(chǎn)金屬電阻應(yīng)變片的技術(shù)參數(shù)。因此選擇BJ120箔式電阻應(yīng) 變片用于待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)在其固有頻率下的衰減振蕩振幅檢 狽4。 表4一卜1常用的國產(chǎn)金屬電阻應(yīng)變片的技術(shù)參數(shù)。 阻值 敏感柵 靈敏系數(shù) 敏感柵尺寸 型號(hào) K 結(jié)構(gòu)

36、形式 R， Q o Lbmf【2 x 8120 2l 18 28 圓角線柵 118 PZ17 l20 19521 1728 圖角線柵 P卜120 圓角線柵 l20 1921 123 0 PJ一36 360 2021 1111 圓角線柵 PB一5 箔 式 120 2O一22 53 BJ一120 120 2O一23 325 箔 式 23 32 87 205 箔 式 215 205 152 35 箔 式 四 電阻應(yīng)變片電橋電路設(shè)計(jì) 電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)測(cè)量時(shí)，需要 和電橋電路一起使用。應(yīng)變電橋電路根據(jù) 供電電源是直流電源供電或者交流電源 供電可分為直流電橋或交流電橋。根據(jù)讀 數(shù)方法的不同，電橋又分為

37、平衡電橋和不 平衡電橋兩種。 在實(shí)際的電阻應(yīng)變片檢測(cè)中：可根據(jù) 情況在電橋電路中使用單應(yīng)變片法，雙應(yīng) 變片法和四應(yīng)變片法。這四種應(yīng)變電橋的 特性分析如下。如圖411應(yīng)變電橋示意 圖所示。 圖4一卜1應(yīng)變電橋示意圖 413 uouT ucD ucBuDB 王五 1+g 尺。 4-I一4 JR。 2蔫c警一繁+等 415 e：一Lf盟+些1+旦r些+些 月+lR。 尺；H+I。R：尺， 其中：n 魚 旦為應(yīng)變電橋平衡條件 尺R。 e為應(yīng)變電橋輸出的非線性誤差 固為剛 砌，故e 1，如果忽略非線性誤差則有 吼2百t等繁+案一警，二小6 當(dāng)n一1時(shí)n 1+n 2取得最大值，故通常在電橋電路中采用全等臂

38、電 此時(shí)有輸出uouT最大。 R。、 417 ，z等等一警+繁R。4 4?18 。：土f竺+生如+生+竺如1 2 R。 R。 R： 尺， 單應(yīng)變片工作情況：即將一個(gè)工作應(yīng)變片接入應(yīng)變電橋一個(gè)橋臂， 其余橋臂采用固定電阻，固定電阻及電阻應(yīng)變片阻值選擇按全等臂電橋 方式。由 412 電阻應(yīng)變片公式R1瓜1 硒及R2 R3 R4 0帶入 417 式可得： 419 u?！暗菿。s 雙應(yīng)變片工作情況：即將兩個(gè)工作應(yīng)變片接入應(yīng)變電橋的兩相鄰橋 臂，其余橋臂采用固定電阻，固定電阻及電阻應(yīng)變片阻值選擇按全等臂 式可得： 4-l-lo um“等K。 占： 如果采用同一標(biāo)稱值的電阻應(yīng)變片，同時(shí)粘貼應(yīng)變片時(shí)使一片受

39、 拉，另一片受壓，即有I 8x，2 一x則uoUT*uKox2 四應(yīng)變片工作情況：即采用四個(gè)同一標(biāo)稱值電阻應(yīng)變片接入應(yīng)變電 橋，同時(shí)R，R3受拉；R2，R。受壓，即1 3 x，2；3 一x，同上述分 析，則輸出電壓為 Uom*bKnx 通過上述分析可以得出結(jié)論雙臂橋 雙應(yīng)變工作情況 靈敏度是單 臂橋 單應(yīng)變片工作情況 的一倍，而全電橋 四應(yīng)變片工作情況 的 靈敏度高出雙臂電橋一倍，并且全電橋工作方式因四橋臂電阻工作于相 同的環(huán)境溫度下，如選擇采用同一標(biāo)稱值的4片應(yīng)變片，則全橋工作方 式具有溫度補(bǔ)償能力。Il引 因此本設(shè)計(jì)中采用了電阻應(yīng)變片直流全橋電路 四應(yīng)變片法 作為 傳感器檢測(cè)電路。即采用同

40、一標(biāo)稱值的4片應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路的四 臂，如圖41一l所示。應(yīng)變片分為兩組固定在施力桿的兩側(cè)。當(dāng)施力桿 在驅(qū)動(dòng)力矩作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，應(yīng)變片受到力的作用產(chǎn)生形變，使電阻 應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，變化值分別為+R和一R，這時(shí)電橋失去 平衡。根據(jù)式4111，電橋輸出差動(dòng)電壓uo為： Vcc-s u。 等x 其中：u一為電橋直流供電電壓 Ko為金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù) 一為金屬材料的軸向應(yīng)變值 應(yīng)變片全橋檢測(cè)電路直流供電電壓為+5V，BJ120箔式電阻應(yīng)變 片的靈敏系數(shù)Ko取值范圍為2O23，銅制050mm左右施力桿上所受 軸向應(yīng)變值最大0002左右，由式4112可知差動(dòng)輸出電壓最大23mv 左右。因此采

41、用電阻應(yīng)變片完成衰減振蕩振幅的檢測(cè)，輸出的差動(dòng)電壓 是一個(gè)最大幅值為二十幾mv的衰減振幅的周期性信號(hào)，這一周期性信 號(hào)的頻率即為待測(cè)剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。 412信號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)傳感器檢測(cè)電路采用直流全電橋方式傳感器電路，電壓輸 出為最大幅值20mv左右衰減振蕩的周期性差動(dòng)信號(hào)，因此在信號(hào)放大 電路設(shè)計(jì)中采用差動(dòng)放大器，并要求放大倍數(shù)在300一400倍可調(diào)。 差動(dòng)運(yùn)算放大器用來放大差動(dòng)信號(hào)。經(jīng)常使用的差動(dòng)運(yùn)算放大器有 基本差動(dòng)運(yùn)算放大器、同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器、同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放 大器、高共模抑制差動(dòng)運(yùn)算放 大器、增益線性調(diào)節(jié)的差動(dòng)放 大器、高共模輸入差動(dòng)運(yùn)算放 大器等多種形

42、式。 基本差動(dòng)運(yùn)算放大器的主 要優(yōu)點(diǎn)是簡單，但其缺點(diǎn)很多， 如：輸入阻抗較低，共模抑制 能力差，以及增益調(diào)節(jié)不便等。 同相串聯(lián)、同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算 放大器均為高輸入阻抗差動(dòng)運(yùn) 算放大器，兩者的共同點(diǎn)是輸 入電阻都很高，但在其他性能 方面則各有優(yōu)缺點(diǎn)。 在本系統(tǒng)信號(hào)放大電路設(shè) 匿4一卜2忍相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器基本電路 計(jì)中采用的是改進(jìn)型同相并聯(lián) 差動(dòng)運(yùn)算放大器。改進(jìn)型同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器是對(duì)同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn) 算放大器基本電路的改進(jìn)。下面就此種類型的運(yùn)算放大器工作原理及特 點(diǎn)做詳細(xì)論述。 首先，對(duì)同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器基本電路做以下分析。圖412 為同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器的基本電路。差動(dòng)輸入信號(hào)和共

43、模輸入信號(hào) 從兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相端送入，所以它的差動(dòng)輸入電阻和共模輸入電 阻都很大，并且電路的平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)使兩個(gè)放大器的共模增益、失調(diào)及 其漂移所產(chǎn)生的誤差電壓具有相互抵消的作用。此電路并不要求外部回 路電阻有任何形式的匹配來保證自己的共模抑制能力，這就避免了精確 匹配電阻所遇到的困難 同相并聯(lián)差動(dòng)放大器和同相串聯(lián)差動(dòng)放大器電 路相比交出的優(yōu)點(diǎn) 。因此并聯(lián)差動(dòng)放大器電路的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要精 密匹配電阻，而且能差動(dòng)輸出用于不接地的“浮動(dòng)”負(fù)載；缺點(diǎn)是輸出 信號(hào)中有較大的共模信號(hào)。實(shí)質(zhì)上，加在電位器dwRw上的差動(dòng)電壓決 定了整個(gè)電路的工作電流，而加在這個(gè)電位器上的共模電壓對(duì)此電流卻 毫無影響，

44、不論其他電阻取何值都是如此，所以電路的共模抑制能力與 外部回路電阻是否匹配完全無關(guān)。但考慮到平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于克服失 調(diào)及其漂移的影響，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常取RF尸RF2 RF。這樣，增益表達(dá) 式為 礦：絲 1+三墮 “5 U：， 口，R， 改變電位器awRw的滑動(dòng)比q。，就能使增益在它的最小值 。 鐫一1+警 與某一個(gè)高增益值之間進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢姶穗娐吩鲆嬲{(diào)節(jié)相當(dāng)簡單，不過 由于調(diào)節(jié)特性是非線性的，故電位器wRw宜選用多圈電位器，并在電 位器所在支路中串接一固定電阻用來保護(hù)組件。 雖然基本并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器電路的共模抑制能力與外部電路的 電阻是否匹配無關(guān)，而且電路的對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于相互抵消兩只放大器

45、的 共模抑制比有限所造成的影響，但當(dāng)A1和A2的cMRRl和cMRR2 不等時(shí)，應(yīng)用電路的總的共模抑制比仍是有限的?？梢宰C明，圖4卜2 電路的共模抑制比為 旦k堡堡。：旦塑宣 C，RR CMRR一CMRR 因此，提高本電路共模抑制能力的關(guān)鍵在于使A1和A2的共模抑制比 盡可能的匹配。采用RF】 RF2 RF奈件下本電路折合到輸入端的差動(dòng)誤 差電壓為 4-l?16 L+； ，：一，。 基本并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器電路的平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)有助于失調(diào)及其漂移影 響的相互抵消。 上述分析說明，兩個(gè)運(yùn)算放大器的性能參數(shù)若能彼此匹配，就可充 分發(fā)揮對(duì)稱電路的誤差電壓相互抵消的長處。這種利用電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、 失調(diào)互補(bǔ)的原

46、理已成為獲得低漂移放大器的一種基本方法。 前面分析已經(jīng)提到基本同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器電路的主要缺點(diǎn) 是輸出信號(hào)中有較大的共模信號(hào)。此電路會(huì)按1：1的比例把輸入端的 共模信號(hào)傳遞到輸出端，共模輸入信號(hào)有多大，共模輸出信號(hào)就有多大。 此外，由于共模輸出信號(hào)占用了一定的工作范圍，所以差動(dòng)信號(hào)的有效 工作范圍變窄了。因此，它只適宜于工作在低增益共模輸入信號(hào)較小的 場(chǎng)合。那么對(duì)于接地負(fù)栽，或者不希望輸出電壓包含共模信號(hào)的負(fù)載， 基本同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器電路必須加以改造才能勝任。 + e 圖4一卜3改進(jìn)型同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器電路 顯然，抑制共模信號(hào)傳遞的最簡單方法是在基本同相并聯(lián)差動(dòng)放大 電路之后，再

47、接一級(jí)差動(dòng)運(yùn)算放大器，它不僅能割斷共模信號(hào)的傳遞， 還將雙端更單端，適應(yīng)接地負(fù)載的需要，它是圖41_，所示基本同相并 聯(lián)差動(dòng)放大電路與基本差動(dòng)放大器的簡單串聯(lián)，這種電路稱為改進(jìn)型同 相并聯(lián)差動(dòng)放大器，電路如圖41，3所示， 改進(jìn)型同相并聯(lián)差動(dòng)放大器電路中基本差動(dòng)放大器與基本同相并 聯(lián)差動(dòng)放大器相互取長補(bǔ)短，使組合后的電路具有輸入阻抗高、增益調(diào) 節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償、以及輸出不包含共模信號(hào)等一系列優(yōu)點(diǎn)，其代 價(jià)是所用組件數(shù)目較多。 不難證明，圖413所示電路的理想閉環(huán)增益為 脅銑2矗釧+淼案 共模抑制比為 刪肚篇嬲糍 假如cMRRl2 KFl2cMMR3成立，則式4-118可近似為 式4118中

48、，KFl2和CMRRl2為Al和A2組成的前置級(jí)的理想閉環(huán)增益 和共模抑制比，cMRR3為A3組成的輸出級(jí)的共模抑制比。 由式4118和式4119可以看出，為了提高整個(gè)應(yīng)用電路的共模 抑制能力，除了設(shè)法提高前置級(jí)和輸出級(jí)的共模抑制比cMRR3外，使 整個(gè)電路的增益主要由前置級(jí)承擔(dān)，也是十分有利的。正如前述，這樣 做會(huì)限制差動(dòng)輸入電壓范圍，故必須權(quán)衡利弊，全面考慮。一般應(yīng)用中 差動(dòng)運(yùn)算放大器的主要問題是提高cMRR，所以往往使輸出級(jí)的增益取 低值 注意，這對(duì)cMRR3不利，必須相應(yīng)提高電阻匹配精度，才能保 證cMRR3不下降 ，前置級(jí)的增益取高值，把輸入電壓的工作范圍放在 第二位考慮。 圖413

49、的前置級(jí)是具有低漂移的電路結(jié)構(gòu)，故A，和A2以選用具 有場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)或超B管輸入級(jí)的運(yùn)算放大器為最佳。電路的失調(diào)影 響將主要由輸出級(jí)決定。整個(gè)應(yīng)用電路折合到輸入端的失調(diào)誤差電壓可 表示 式中usrl2是前置級(jí)放大器折合到輸入端的失調(diào)誤差電壓，由式 4116決定，U。，3是輸出級(jí)放大器的失調(diào)影響折合到本級(jí)輸入端的誤差 電壓。 6J 基于上述分析，對(duì)于直流全橋電路輸出mV級(jí)差動(dòng)信號(hào)的放大電路 選擇改進(jìn)型的同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路作為信號(hào)放大電路是合理的。 信號(hào)放大電路運(yùn)算放大器選擇OP27A作為構(gòu)成實(shí)際電路的運(yùn)算放 大器。OP27A是超低噪聲、高精度集戍運(yùn)算放大器，其具有如下特點(diǎn)： 低輸入失調(diào)電壓1

50、0uv：低溫度漂移200nv；低輸出阻抗 輸出電阻 最 模輸入電阻3GQ ；高轉(zhuǎn)換速率28vus；低噪聲38nv瓦 1kHz ； 大供電電源土22v；增益帶寬積GB 8MHz。由于本系統(tǒng)經(jīng)傳感器輸出的 差動(dòng)信號(hào)電壓為mV級(jí)，信號(hào)頻率大致在20Hz到60Hz之間，且本系 統(tǒng)工作于實(shí)驗(yàn)室或測(cè)試工作間室內(nèi)環(huán)境 即O40 ，因此采用 OP27A在理論上可以滿足設(shè)計(jì)精度要求。 實(shí)際信號(hào)放大電路選擇了3個(gè)DIP8封裝的OP27A組成運(yùn)算放大電 路。運(yùn)算放大器采用雙電源士9v供電。經(jīng)過對(duì)信號(hào)放大電路實(shí)際測(cè)試其 工作可以達(dá)到要求。 信號(hào)放大電路中運(yùn)算放大電路參數(shù)選擇如下： 如圖413所示，并根據(jù)式4一l17選

51、擇放大器增益，如上述分析可 知通常第一級(jí)增益設(shè)計(jì)得大些，第二級(jí)小些，把提高第二級(jí)的共模抑制 比CMRR放在首位，以提高整個(gè)放大器的共模抑制能力。因此RFo取 采用10K多圈可調(diào)電位器，其具有對(duì)放大電路增益調(diào)節(jié)作用。由式 4117可得信號(hào)放大器理想閉環(huán)增益可調(diào)最大可達(dá)1000倍 第一級(jí)放 大最大近200倍，第二級(jí)放大5倍 ，通過對(duì)電位器的調(diào)節(jié)保證運(yùn)算放 大器電路放大輸出電壓最大幅值為6v左右，以滿足后續(xù)電路處理需要。 輸出波形如圖416波形示意圖中v2所示。 413信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過以上傳感器電 路檢測(cè)、信號(hào)放大電路的處理，在 A3運(yùn)算放大器的輸出端可以得到 最大幅值為6v左右的剎車

52、制動(dòng)轂 翮高 機(jī)械系統(tǒng)固有頻率下的周期性衰 巨型 減信號(hào)，此信號(hào)不能直接送給單片 機(jī)進(jìn)行處理，必須通過信號(hào)處理電 圖4一卜4信號(hào)處理電路 路整形后才能送給單片機(jī)。 如圖414信號(hào)處理電路所示，信號(hào)放大電路輸出的信號(hào)經(jīng)電容Cl 耦合送給A4，A4是由專用比較器構(gòu)成的過零比較器。將經(jīng)過放大電路 處理后的信號(hào)與零電平比較，經(jīng)過A4的處理在A4輸出端得到與剎車 制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)固有頻率一致的TTL電平脈沖序列，將此脈沖序列直 接送給單片機(jī)處理。即可得出待測(cè)汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)的固有頻 率。 過零比較器選用了專用比較器LM293N。LM293N工作電壓范圍 236V或l土18V；低輸出飽和電壓250mV

53、f4n認(rèn) ；低輸入偏置電流 25nA；輸入失調(diào)電壓土1OmV；輸入電壓可達(dá)36v。本系統(tǒng)中LM293N 采用+9V單電源供電。 信號(hào)處理電路中耦合電容c1采用22uF25v電容，Rl、R2為1K 18W 電阻。 完整的汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的檢測(cè)電路如圖415所 示，參數(shù)選擇請(qǐng)參照上面的分析說明部分。信號(hào)檢測(cè)電路各單元電路輸 出波形如圖416所示。 圖4一卜5汽車剎車制動(dòng)轂機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的檢測(cè)電路示意全圖 j 1 、 、 r、】 擴(kuò)、J l一、l l一、J 1 一T一一一r_r ， 、7 。爿 -，1 M卜。1門rr t 圖4一卜6信號(hào)檢測(cè)電路波形示意圖 9 42電磁鐵設(shè)計(jì) 電磁激勵(lì)

54、汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)中疲勞試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力矩由電磁 機(jī)構(gòu)提供，故電磁鐵設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題之一。電磁鐵設(shè) 計(jì)得是否合理將決定汽車剎車制動(dòng)轂疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作效率和可靠性。 電磁鐵設(shè)計(jì)主要包括鐵心及銜鐵材料選擇，電磁鐵結(jié)構(gòu)型式選擇、 電磁線圈匝數(shù)及線徑選擇等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的確定與選擇。 電磁線圈是電磁鐵主要組件之一，電磁鐵的工作可靠與否，在相當(dāng) 大程度上是由線圈結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。因此，電磁鐵線圈設(shè)計(jì) 得是否合理，會(huì)直接影響到電磁鐵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 電磁線圈有串激和并激兩種。串激線圈又稱為電流線圈，它被串接 在主電路申，因而通過的電流大、匝數(shù)少；并激線圈又稱為電壓線圈， 它被并聯(lián)在控制電源上，故匝數(shù)多、電阻大、電流小、匝間電壓高。常 圖421系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 用于電磁鐵設(shè)計(jì)的線圈有直流并激線圈、交流并激線圈以及交、直流串 激線圈。交流線圈因其隨交流電源一個(gè)周期兩次過零，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲， 因此設(shè)計(jì)中必須增加分磁環(huán)以保證系統(tǒng)吸合時(shí)可靠工作，同時(shí)交流電磁 鐵存在銅損和鐵損。一1 因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了保證工作的可靠性，采用了直流并激線圈 作為電磁鐵工作線圈。由于本系統(tǒng)電磁線圈為功率驅(qū)動(dòng)方式，因此對(duì)電 源要求較低。并激線圈電源采用全橋整流電容濾波電路可以滿足功率驅(qū) 動(dòng)要求，直流并激線圈