駐車(chē)制動(dòng)手柄第二章

1、第一章 緒 論11.1研究背景11.2課題研究的意義21.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4本文的主要研究?jī)?nèi)容31.5性能指標(biāo)要求41.6論文的內(nèi)容安排4第二章 試驗(yàn)條件分析及方案設(shè)計(jì)62.1駐車(chē)制動(dòng)手柄載荷加載點(diǎn)的選取62.2駐車(chē)制動(dòng)手柄性能仿真分析72.2.1手柄沖擊強(qiáng)度特性的分析72.2.2靜應(yīng)力分析72.3各部分試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)92.3.1靜強(qiáng)度試驗(yàn)部分92.3.2疲勞試驗(yàn)部分102.3.3沖擊試驗(yàn)部分102.3.4測(cè)量控制系統(tǒng)112.4四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)122.6本章小結(jié)13第三章 駐車(chē)制動(dòng)手柄性能試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)143.1試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)底座的設(shè)計(jì)143.2手柄夾具、手柄固定機(jī)構(gòu)及砝碼加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)14

2、3.3疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)153.4沖擊試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173.5橫向加載試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)193.6本章小結(jié)19第四章 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和力矩電機(jī)控制系統(tǒng)的模型214.1測(cè)控系統(tǒng)214.1.1方案選取214.1.2測(cè)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)224.2測(cè)控系統(tǒng)硬件選型234.2.1力矩電機(jī)234.2.2步進(jìn)電機(jī)254.2.3電磁鐵264.2.4激光測(cè)距儀274.2.5壓力傳感器284.2.6位移傳感器304.2.7編碼器314.2.8控制器的選型334.2.9數(shù)據(jù)采集卡334.3矩加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)354.3.1力矩加載系統(tǒng)的控制原理364.3.2力矩電機(jī)及負(fù)載的數(shù)學(xué)模型374.3.3力矩電機(jī)的雙極性驅(qū)

3、動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)384.3.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度折算404.4本章小結(jié)40第五章 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)415.1虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)概述415.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)425.2.1數(shù)據(jù)采集卡的初始化設(shè)置425.2.2數(shù)據(jù)采集程序流程435.2.3數(shù)字濾波技術(shù)的應(yīng)用445.3多線程技術(shù)的應(yīng)用445.4力矩電機(jī)的控制算法465.5軟件設(shè)計(jì)485.5.1靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)495.5.2沖擊試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)515.5.3疲勞試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)525.5.4輔助功能的設(shè)計(jì)545.6本章小結(jié)55第六章 總結(jié)和展望566.1工作總結(jié)566.2展望：5614第一章 緒 論1.1研究背景根據(jù)公安部2011

4、年1月份發(fā)布的交通管理工作簡(jiǎn)報(bào)，截止2010年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.07億輛。其中，汽車(chē)約9千萬(wàn)輛，占總量的43.88%。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，近年來(lái)汽車(chē)保有量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，汽車(chē)占機(jī)動(dòng)車(chē)的比率逐年提高，從2006年的33.2%提高到2010年的43.88%，越來(lái)越多的人有能力選擇汽車(chē)作為代步工具。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車(chē)不再僅僅是一種代步工具，其安全性和舒適性越來(lái)越受到各汽車(chē)生產(chǎn)廠家和人們的重視。在汽車(chē)安全系統(tǒng)中，汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)起著非常重要的作用。按制動(dòng)系統(tǒng)的作用劃分，汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)又可分為行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)和輔助制動(dòng)系統(tǒng)。行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，俗稱(chēng)“腳剎”，

5、是汽車(chē)在正常行駛時(shí)降低汽車(chē)行駛速度的制動(dòng)裝置。在一些特殊情況下，行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)可能失效，此時(shí)可以使用應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)，又稱(chēng)為第二制動(dòng)系統(tǒng)。輔助制動(dòng)系統(tǒng)是指行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的輔助裝置，如ABS(防抱死剎車(chē)系統(tǒng))系統(tǒng)可以防止汽車(chē)在緊急制動(dòng)下輪胎抱死，還有EBD(電子制動(dòng)力分配)系統(tǒng)等。本文的研究對(duì)象是汽車(chē)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中起操縱作用的制動(dòng)手柄，俗稱(chēng)“手剎”，如圖1.1中所示。所謂駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是防止靜止的汽車(chē)溜滑而保持原地不動(dòng)的裝置。在坡路起步時(shí)，它可以避免車(chē)輛下滑；在車(chē)輛行駛中，若遇到緊急情況，又可配合腳剎車(chē)緊急制動(dòng)。駐車(chē)制動(dòng)手柄安裝在駕駛員的右側(cè)，當(dāng)停車(chē)制動(dòng)時(shí)，駕駛員用手將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉起來(lái)，手柄通過(guò)拉繩控制

6、制動(dòng)器鎖緊車(chē)輪。棘輪的作用是保持手柄的位置，當(dāng)按下手柄的按鈕時(shí)則可以釋放手柄至初始位置。在車(chē)輛的使用過(guò)程中，駐車(chē)制動(dòng)手柄的使用頻率很高，其性能的好壞會(huì)對(duì)整車(chē)的安全性能產(chǎn)生重大影響。駐車(chē)制動(dòng)手柄在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損，在駐車(chē)狀態(tài)下會(huì)持續(xù)承受一定的載荷，因此駐車(chē)制動(dòng)手柄會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力下降、疲勞破壞等問(wèn)題。 駐車(chē)制動(dòng)手柄主要由薄壁沖壓而成，受材料質(zhì)量、工藝、使用環(huán)境、人為操作等因素影響，難以精確確定手柄的性能，因此研制一種合適的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試手柄的性能是十分必要的。目前，對(duì)駐車(chē)制動(dòng)手柄性能檢測(cè)主要根據(jù)國(guó)家制定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。通常使用的方法有小樣試驗(yàn)方法和臺(tái)架試驗(yàn)方法。前者經(jīng)濟(jì)但準(zhǔn)確度相對(duì)較低，只是在

7、一些中小型企業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。后者是一種權(quán)威性相對(duì)較高的試驗(yàn)方法，它可實(shí)現(xiàn)的測(cè)試項(xiàng)目豐富，精度高，自動(dòng)化程度高，功能完善。我國(guó)汽車(chē)工業(yè)相對(duì)國(guó)外起步晚，發(fā)展較為緩慢，國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，國(guó)產(chǎn)的臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備在精度方面達(dá)不到規(guī)定的要求，很多設(shè)備依靠國(guó)外進(jìn)口，造成關(guān)鍵技術(shù)受制于人，而且國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴?；诖?，本文吸收國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本文的研究?jī)?nèi)容，對(duì)駐車(chē)制動(dòng)手柄性能試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。1-按鈕 2-手柄皮套 3-按鈕壓簧 4-棘輪 5-調(diào)整螺母 6-駐車(chē)制動(dòng)桿 7-大鉚釘 8-拉桿螺栓9-拉線夾 10-線夾鉚釘 11-拉索平衡拉臂 12-棘爪拉桿 13-棘爪14-小鉚釘 15-銷(xiāo)

8、子圖1.1 駐車(chē)制動(dòng)手柄組成示意圖1.2課題研究的意義本課題針對(duì)駐車(chē)制動(dòng)手柄的性能試驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了測(cè)試功能完善的試驗(yàn)臺(tái)。課題研究的意義主要有如下幾方面：第一，本課題依據(jù)試驗(yàn)大綱的要求，完成了試驗(yàn)大綱規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目。在保證臺(tái)架試驗(yàn)精度高、自動(dòng)化程度高、功能完善的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的測(cè)試項(xiàng)目選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行試驗(yàn)，拆裝調(diào)整方便，大大降低了試驗(yàn)成本。第二，本課題試驗(yàn)內(nèi)容涉及沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等內(nèi)容，在試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)上借鑒國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)，結(jié)合本課題研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)出一套經(jīng)濟(jì)性好、功能性強(qiáng)的試驗(yàn)裝置，對(duì)其他試驗(yàn)機(jī)的研究有一定的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。第三，本課題為達(dá)到試驗(yàn)大綱規(guī)定的試驗(yàn)條件，完成精

9、準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工作，在試驗(yàn)裝置中安裝了多個(gè)高精度傳感器來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集工作。在試驗(yàn)過(guò)程中采集了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制完成了多幅載荷-位移圖，為改進(jìn)駐車(chē)制動(dòng)手柄性能提供了試驗(yàn)依據(jù)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀產(chǎn)品性能的測(cè)試是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域也較為廣泛，主要包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)和汽車(chē)工業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，積累了豐富的測(cè)試技術(shù)，加上政府制定的較為健全的法律法規(guī)，強(qiáng)制各生產(chǎn)廠家測(cè)試和改善各自產(chǎn)品的性能，因而在試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方面已較為成熟，技術(shù)也較為完善。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)的研究起步較晚，很多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都是借鑒國(guó)外

10、經(jīng)驗(yàn)，許多關(guān)鍵技術(shù)受制于人。過(guò)去，很多試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)也只是針對(duì)國(guó)防和航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域，在普通的民用產(chǎn)品中應(yīng)用較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造業(yè)有了很大進(jìn)步，試驗(yàn)技術(shù)也隨之得到提高。目前，國(guó)內(nèi)許多科研院所、高等院校、企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)加大對(duì)產(chǎn)品性能測(cè)試的研究以及法律規(guī)范的制定。在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中，也涌現(xiàn)出很多試驗(yàn)機(jī)制造單位。較具代表性的有清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能試驗(yàn)室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所、國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（長(zhǎng)春），中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心、威海試驗(yàn)機(jī)廠等。總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)機(jī)技術(shù)正日臻成熟，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也越來(lái)越小16。有關(guān)汽車(chē)制動(dòng)器性能測(cè)試的臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)的研究已經(jīng)由來(lái)已久，文獻(xiàn)32和3

11、3等研究了汽車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)技術(shù)，主要是指汽車(chē)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)。具體到本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，專(zhuān)門(mén)測(cè)試駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄性能的試驗(yàn)臺(tái)在國(guó)內(nèi)還比較少，日本大發(fā)(DAIHATSU)工業(yè)株式會(huì)社對(duì)駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄的性能測(cè)試做過(guò)研究并制定了相關(guān)的試驗(yàn)大綱，本課題依據(jù)的試驗(yàn)大綱就是以此為藍(lán)本修改的。應(yīng)該說(shuō)，國(guó)內(nèi)在駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄的研究處于剛剛起步階段，相對(duì)日本等國(guó)還有一段距離。1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容46210-D82A0駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄總成試驗(yàn)大綱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)大綱，見(jiàn)附錄）要求完成的測(cè)試項(xiàng)目有：1. 駐車(chē)制動(dòng)手柄的靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試，其中包含三項(xiàng)內(nèi)容：向上拉、向下壓和橫向力矩加載試驗(yàn)；2. 駐車(chē)制動(dòng)手柄的沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)

12、試；3. 駐車(chē)制動(dòng)手柄的連續(xù)高負(fù)荷強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試；4. 駐車(chē)制動(dòng)手柄的操作耐久性能試驗(yàn)測(cè)試；5. 強(qiáng)制解除耐久性能測(cè)試；6. 滿行程性能測(cè)試；7. 棘齒嚙合性能測(cè)試；8. 高低溫環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試。分析試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量主要有：壓力、位移（手柄形變）、重錘高度、手柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度等；需要控制的裝置有：手柄的力矩加載機(jī)構(gòu)、重錘的高度、重錘的提升和釋放等。本文主要完成前四個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。根據(jù)如上所述測(cè)試項(xiàng)目及對(duì)其的分析，試驗(yàn)中用到的傳感器較多且類(lèi)型不同，涉及到的控制內(nèi)容也較多，如何較好的完成各試驗(yàn)內(nèi)容并能出色的管理各元器件的工作是試驗(yàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，特提出以下五個(gè)

13、方面的研究?jī)?nèi)容：試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是著重于操作耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選用力矩電機(jī)完成手柄載荷的加載，了解力矩電機(jī)的工作原理和主要參數(shù)，研究力矩電機(jī)的控制方法和常用的控制電路，著重研究了基于PID的力矩電機(jī)控制方法，依據(jù)本次試驗(yàn)的要求選擇合適型號(hào)的力矩電機(jī)；了解常用的壓力傳感器、位移傳感器、激光測(cè)距儀的原理和使用方法，選擇合適的傳感器完成各物理量的采集；研究數(shù)據(jù)采集的原理和方法，選擇合理的數(shù)據(jù)采集卡，搭建合理的數(shù)據(jù)采集電路；了解虛擬儀器的組成，選擇合適的控制器，研究基于LabWindows/CVI測(cè)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。1.5性能指標(biāo)要求為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)要求滿足以下

14、技術(shù)指標(biāo)：1.依據(jù)46210-D82A0駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄總成試驗(yàn)大綱試驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；2.力傳感器精度：±1FS；3.位移傳感器精度：±1FS；4.可適應(yīng)多型號(hào)駐車(chē)制動(dòng)操縱手柄的性能測(cè)試；1.6論文的內(nèi)容安排根據(jù)1.4節(jié)提出論文的研究?jī)?nèi)容，對(duì)論文的內(nèi)容安排如下：第一章：緒論。主要介紹了課題研究的背景和意義，簡(jiǎn)單介紹了研究對(duì)象的組成和用途，然后結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和試驗(yàn)大綱的要求提出了論文的研究?jī)?nèi)容。第二章：駐車(chē)制動(dòng)手柄性能試驗(yàn)理論分析及方案設(shè)計(jì)。首先介紹了駐車(chē)制動(dòng)手柄的工作原理，然后利用CAD/CAE技術(shù)對(duì)駐車(chē)制動(dòng)手柄進(jìn)行了建模和性能仿真分析，并結(jié)合試驗(yàn)內(nèi)容提出了試驗(yàn)方案。第

15、三章：駐車(chē)制動(dòng)手柄性能試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要介紹了試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第四章：測(cè)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)。首先介紹了基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，然后介紹了力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、壓力傳感器、位移傳感器、電磁鐵等器件的選型，最后介紹了本試驗(yàn)中力矩電機(jī)的控制方法。第五章：測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本章主要介紹了基于LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)。第六章：總結(jié)和展望?？偨Y(jié)了研究工作的內(nèi)容，分析了工作過(guò)程中遇到的問(wèn)題并提出了對(duì)問(wèn)題的解決思路和今后研究的方向。第二章 試驗(yàn)條件分析及方案設(shè)計(jì)駐車(chē)制動(dòng)手柄的性能包括多個(gè)項(xiàng)目，依據(jù)試驗(yàn)大綱規(guī)劃的試驗(yàn)項(xiàng)目，本文主要研究駐車(chē)制動(dòng)手柄的強(qiáng)度耐

16、久性能，其中包括靜強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、連續(xù)高負(fù)荷強(qiáng)度、操作耐久性能和滿行程性能試驗(yàn)。為方便研究，將試驗(yàn)大綱簡(jiǎn)化分為靜強(qiáng)度試驗(yàn)部分、疲勞試驗(yàn)部分、沖擊試驗(yàn)部分和測(cè)量控制系統(tǒng)四大部分，逐一對(duì)其試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)條件、評(píng)定標(biāo)注進(jìn)行分析，提出一種可行的解決方案。2.1駐車(chē)制動(dòng)手柄載荷加載點(diǎn)的選取汽車(chē)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要由操縱手柄、拉繩、制動(dòng)器等組成，當(dāng)汽車(chē)停止運(yùn)動(dòng)后，須將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉起，手柄通過(guò)拉繩作用于制動(dòng)器上，鎖死汽車(chē)車(chē)輪，達(dá)到制動(dòng)的目的。手柄拉起后通過(guò)自身的棘齒和棘輪達(dá)到自鎖的目的，在手柄釋放前，整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)。在日常使用過(guò)程中，按照手柄的結(jié)構(gòu)和人們的使用習(xí)慣，手柄前端約50mm處是手柄載荷

17、主要作用點(diǎn)，圖2.1形象地表示了手柄載荷加載點(diǎn)的位置。在一些特殊情況（如緊急制動(dòng)）下，駕駛員會(huì)本能的迅速拉起制動(dòng)手柄，此時(shí)手柄會(huì)承受更大的負(fù)載。為使試驗(yàn)條件貼近實(shí)際使用環(huán)境，本項(xiàng)目的力矩加載點(diǎn)、重錘沖擊點(diǎn)都是在此處，橫向加載時(shí)力的方向垂直于圖2所在的平面。隨著使用次數(shù)的增加，棘爪和棘輪的磨損也會(huì)比較嚴(yán)重，本項(xiàng)目中也涉及到這方面的測(cè)試，具體試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)附錄。圖2.1 手柄加載點(diǎn)說(shuō)明圖2.2駐車(chē)制動(dòng)手柄性能仿真分析為更好的了解手柄的性能以及理解試驗(yàn)條件和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器的選型提供數(shù)據(jù)參考，我們首先使用建模分析軟件對(duì)手柄的靜強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度性能進(jìn)行了仿真研究。借

18、助CAD和CAE技術(shù)，我們可以對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、外形、靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行認(rèn)知和研究。CAD和CAE軟件不僅僅完成了“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”中的人工計(jì)算、繪圖等工作，其強(qiáng)大的造型功能更是幫助設(shè)計(jì)者完成更富有想象力的結(jié)構(gòu)和外形設(shè)計(jì)。不僅如此，設(shè)計(jì)者還可以借助它們強(qiáng)大的分析算法和求解器完成力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能等的仿真和優(yōu)化。常用的CAD/CAE軟件有CATIA、SolidWorks、ANSYS、ADAMS等。首先，我們測(cè)量了駐車(chē)制動(dòng)手柄實(shí)物的尺寸參數(shù)，并使用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行三維模型的建立，如圖1.1所示。然后我們使用CAE工具對(duì)手柄的疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了仿真研究。我們選擇使用AN

19、SYS_Workbench軟件完成這些工作。ANSYS_Workbench較經(jīng)典ANSYS來(lái)說(shuō)界面更加友好和人性化，并且Workbench與眾多CAD軟件有良好的接口，有利于模型信息的導(dǎo)入。因篇幅有限，對(duì)分析前的處理，如材料屬性的定義、單元格的劃分、約束的添加等工作不做詳細(xì)說(shuō)明。2.2.1手柄沖擊強(qiáng)度特性的分析為保證與實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境一致而又不缺少仿真試驗(yàn)的意義，仿真時(shí)我們對(duì)重錘的質(zhì)量從小到大加載，直至與試驗(yàn)條件要求一致，其他試驗(yàn)條件不變。我們逐一分析了手柄所能承受的沖擊。當(dāng)重錘的質(zhì)量為2kg，下降距離為600mm時(shí)，對(duì)手柄沖擊強(qiáng)度的分析結(jié)果如圖2.2所示。從圖中可以看出，棘齒處的應(yīng)力較小，并沒(méi)有

20、受到破壞。繼續(xù)加大重錘的下降高度，當(dāng)重錘高度約1300mm時(shí)，棘齒破壞較嚴(yán)重，此高度可以認(rèn)定為手柄的破壞高度，所以在沖擊試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)支架高度必須滿足此要求。2.2.2靜應(yīng)力分析按照試驗(yàn)要求分別對(duì)手柄做向上拉、向下壓和橫向加載仿真分析。手柄的形變分析結(jié)果如圖2.4所示。從仿真分析結(jié)果可知，手柄受橫向載荷時(shí)產(chǎn)生的形變較大，最大形變位移達(dá)到了3.6mm左右。圖2.2 手柄沖擊試驗(yàn)應(yīng)力分布圖a：向下壓試驗(yàn) b：向上拉試驗(yàn) c：橫向加載試驗(yàn)圖2.4 向下壓試驗(yàn)應(yīng)力分布圖2.3各部分試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.3.1靜強(qiáng)度試驗(yàn)部分在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，分為向上拉、向下壓和橫向加載三個(gè)試驗(yàn)。這三個(gè)試驗(yàn)都是在手柄加載

21、點(diǎn)施加載荷，測(cè)量力矩加載過(guò)程中操縱手柄產(chǎn)生的位移量，根據(jù)載荷位移圖判斷手柄是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。力矩加載的實(shí)現(xiàn)有多種方式，常用的有液壓加載、氣壓加載和力矩電機(jī)加載等。液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較大的力矩加載，輸出位移受外負(fù)載影響小，動(dòng)作響應(yīng)性快，但液壓系統(tǒng)容易發(fā)生泄露污染環(huán)境，使用和維護(hù)保養(yǎng)存在一定困難。氣壓系統(tǒng)以空氣為工作介質(zhì)，成本低，即使泄露，對(duì)環(huán)境污染也很小，但氣壓系統(tǒng)存在運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)、響應(yīng)速度慢、剛性差、控制元件的體積較大等不足。文獻(xiàn)16、3435都使用了氣動(dòng)加載方式，由于本試驗(yàn)臺(tái)體積的限制以及為了使試驗(yàn)臺(tái)更加輕量化、控制更加集成化，我們否定了氣動(dòng)力矩加載方案。力矩電機(jī)體積較小、響應(yīng)快、力矩輸出波動(dòng)小、控

22、制方便，突出的特性是它具有軟機(jī)械特性，可以堵轉(zhuǎn)。與力矩加載電機(jī)相比，液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，占用體積較大，維護(hù)不方便且維護(hù)費(fèi)用較高?；谝陨戏治?，力矩加載我們選用力矩電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在向上拉和向下壓試驗(yàn)中，可以使用四桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成執(zhí)行動(dòng)作。選用四桿機(jī)構(gòu)可以模仿實(shí)際使用時(shí)人拉壓手柄的動(dòng)作，并且綜合考慮了2.2節(jié)中疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)。機(jī)構(gòu)示意圖如圖2.5和圖2.6所示。本試驗(yàn)中的壓力傳感器和位移傳感器都需要固定安裝，為此需設(shè)計(jì)專(zhuān)用的安裝夾具。在橫向加載試驗(yàn)中，由于加載力矩的方向發(fā)生了變化，需要改變電機(jī)的安裝位置，擬設(shè)計(jì)一種可以調(diào)整安裝方向的通用底座。 圖2.5 向上拉、向下壓結(jié)構(gòu)原理圖 圖 2.

23、6 橫向加載結(jié)構(gòu)原理圖力矩電機(jī)雖然可以不通過(guò)減速裝置直接與負(fù)載連接，但本試驗(yàn)中最大載荷達(dá)1000N，直接連接負(fù)載電機(jī)很難正常工作。所以在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了摩擦型皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為系統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，主要考慮到皮帶傳動(dòng)有過(guò)載保護(hù)功能。皮帶傳動(dòng)還有其他的一些優(yōu)勢(shì)：如傳遞平穩(wěn)、吸振、兩軸心間距較大等。2.3.2疲勞試驗(yàn)部分疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)主要指在連續(xù)高負(fù)荷強(qiáng)度試驗(yàn)和操作耐久性能試驗(yàn)中完成模仿真人操作制動(dòng)手柄的動(dòng)作：包括手柄的往復(fù)循環(huán)和相應(yīng)的按鈕操作。試驗(yàn)時(shí)，將被測(cè)試手柄按實(shí)車(chē)狀態(tài)固定在試驗(yàn)臺(tái)上。手柄的往復(fù)動(dòng)作的完成采用2.1節(jié)中的四桿機(jī)構(gòu)，如圖2.7所示。動(dòng)力元件可以選用2.1節(jié)中的力矩電機(jī)。在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中的

24、，棘爪和棘齒始終是嚙合在一起的，手柄的按鈕始終處于釋放狀態(tài)，而在手柄的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，需要在手柄復(fù)位運(yùn)動(dòng)（即向下運(yùn)動(dòng)）時(shí)將按鈕按下，保持與實(shí)際使用中的操作相同。在本試驗(yàn)中我們選擇一款體積相對(duì)較小、重量較輕的可以產(chǎn)生推拉動(dòng)作的電磁鐵完成手柄按鈕的按動(dòng)和釋放。圖2.7 疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理圖本試驗(yàn)的難點(diǎn)是需要確定手柄棘爪的具體位置，控制系統(tǒng)需要依此控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，棘爪的位置可以通過(guò)角度傳感器測(cè)量手柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度來(lái)確定。根據(jù)試驗(yàn)要求，連續(xù)高負(fù)荷強(qiáng)度和滿行程試驗(yàn)棘爪行程為1到12齒，操作耐久性能試驗(yàn)棘爪行程為1到5齒。也就是說(shuō)，棘爪從第1齒運(yùn)動(dòng)到第5齒或第12齒時(shí)，控制系統(tǒng)需要判斷出棘爪到達(dá)了此位置，并控制電

25、磁鐵動(dòng)作釋放手柄按鈕和控制力矩電機(jī)執(zhí)行反轉(zhuǎn)，當(dāng)回到初始位置時(shí)又可進(jìn)行同樣的操作。2.3.3沖擊試驗(yàn)部分沖擊試驗(yàn)是為了檢測(cè)駐車(chē)制動(dòng)手柄在受到外力沖撞時(shí)其安全性和可靠性是否符合要求的試驗(yàn)項(xiàng)目。沖擊試驗(yàn)機(jī)分為落錘式和擺錘式，本小節(jié)主要研究落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)大綱要求，拉桿以200N的載荷彈性固定于第四齒，用2kg重物自由落體沖擊手柄加載點(diǎn)，測(cè)量對(duì)手柄棘齒造成完全破壞時(shí)重錘下降的高度，本文中稱(chēng)其為破壞高度。根據(jù)試驗(yàn)要求，沖擊試驗(yàn)采用落錘式?jīng)_擊方式。在是否為重錘安裝導(dǎo)軌的問(wèn)題上我們進(jìn)行了反復(fù)討論和驗(yàn)證。為保證落錘能準(zhǔn)確對(duì)手柄加載點(diǎn)沖擊，以及防止沖擊過(guò)后重錘產(chǎn)生不確定性運(yùn)動(dòng)，為重錘設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌引導(dǎo)其下落

26、，在沖擊完成后又可防止重錘隨意跌落。但是加入導(dǎo)軌的落錘在下落過(guò)程中難免會(huì)與導(dǎo)軌產(chǎn)生摩擦，這是與試驗(yàn)條件相悖的地方。根據(jù)文獻(xiàn)1的介紹，使用每秒2000-2500幀的高速攝像機(jī)，測(cè)得加入導(dǎo)桿前后，落錘與被測(cè)件接觸速度誤差小于%51，這一結(jié)論表明自由落體的重錘和加入導(dǎo)軌的重錘在沖擊手柄前的速度相差甚小。根據(jù)動(dòng)能定理，在此過(guò)程中能量損失很小，可忽略不計(jì)。綜合上述分析和安全考慮，試驗(yàn)中選擇為重錘加裝導(dǎo)軌的方法。重錘的質(zhì)量只有2Kg，所以他的提升可以使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)完成，釋放動(dòng)作可以使用電磁鐵完成，它與手柄的距離則可以通過(guò)激光測(cè)距儀獲得。2.3.4測(cè)量控制系統(tǒng)測(cè)量控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)控系統(tǒng)）的種類(lèi)很多，大體

27、可分為基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)、基于PLC的測(cè)控系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)。根據(jù)所做試驗(yàn)的需求搭建合適的測(cè)控系統(tǒng)，不僅能夠出色完成測(cè)控任務(wù)，還能實(shí)現(xiàn)較好的性價(jià)比。本課題試驗(yàn)項(xiàng)目較多，不同的試驗(yàn)所使用的傳感器類(lèi)型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，要求不但能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)當(dāng)前手柄、各傳感器、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的狀態(tài)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、打印等功能，基于此并考慮到降低經(jīng)濟(jì)成本，我們選擇使用基于虛擬儀器技術(shù)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用靈活性和控制多樣性，在以后的系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)提供了便利?；赑C機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.8所示5。關(guān)于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)更詳細(xì)信息可參見(jiàn)本文4.1節(jié)的內(nèi)容。圖2.8微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)就本試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，對(duì)力矩電機(jī)等執(zhí)行器的控制可以選用運(yùn)動(dòng)控制卡（或者具備控制功能的數(shù)據(jù)采集卡），工控機(jī)主機(jī)發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)控