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摩擦材料是汽車制動系統必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的剎車片，不但直接影響汽車的操作性、可靠性和舒適性，而且很大程度上影響其安全性。因此摩擦材料的性能在汽車行業中一直受到高度重視。而性能良好的摩擦磨損試驗機則是摩擦材料性能測試必不可少的工具。 摩擦磨損試驗機的性能在很大程度上取決于其測控系統的性能優劣。利用計算機軟件對試驗過程進行自適應控制以及模糊控制等規律控制，實現試驗參數的實時獲取，并以曲線或表格的形式動態呈現實時參數等已成為測控領域的整體發展趨勢。本文利用LabVIEW語言編寫了測控系統程序，該測控系統實現了試驗參數的實時測量，可以對數據進行濾波和嵌入C語言進行復雜數據處理；可對實時參數進行曲線顯示、存儲和報表處理；編制的系統軟件具備人機對話功能，操作簡單、方便。是智能的人機交互系統。該測試系統可進行恒載荷和恒轉矩類型的多種摩擦磨損試驗。 1 摩擦磨損試驗機介紹 該摩擦磨損試驗機又叫Chase試驗機，主要用于對汽車制動襯片的安全情況及摩擦磨損特性做出報告。用于SAEJ661和ISO7881等標準，對摩擦材料進行分級及質量控制。 1．1 摩擦磨損試驗機的基本要求 為達到試驗規定的要求，測控系統必須具備以下功能：測量精度滿足GB／T17469-98的要求；可滿足高速、高溫、高載荷下的測試要求；能完成試驗過程中的轉速、壓力、溫度等試驗參數的設定及摩擦正壓力、摩擦力矩、轉速、摩擦轉盤溫度、汽缸進口壓力等性能參數的測量；對測量參數與其設定值進行比較，形成閉環控制，使轉速、壓力和溫度維持在試驗要求范圍內；能實時顯示、記錄試驗過程中的相關數據并生成報表。 同時，試驗過程中摩擦塊與試驗盤之間應始終保持貼合狀態，無振動現象；試塊裝卡應便利、可靠，無松緩、卡死現象。 1．2 摩擦磨損試驗機的試驗環節 該試驗臺可完成恒轉矩試驗和恒載荷試驗。恒轉矩試驗要求系統通過自動調整比例閥來控制輸出壓力的大小，使轉矩保持恒定。恒載荷試驗則要求輸出壓力始終為恒定值。這其中根據加載的連續與否可分為：斷續拖磨和連續拖磨，該試驗機中跟據國標所進行的預處理試驗、終處理試驗、磨損試驗和恢復試驗都是斷續拖磨；而第一次衰退試驗和第二次衰退試驗則屬于連續拖磨。 2 試驗機測控系統的硬件設計 2．1 試驗機測控系統的硬件構成 測控系統的硬件構成如圖1所示。 系統中調速電機通過變頻器可進行無級調速，輸出氣壓的大小通過調整比例閥的大小來控制。加熱開關、風機開關和壓力開關則分別通過相應的繼電器進行控制。 2．2 傳感器 為了精確的完成各類數據的測量，完成各個環節的測試，裝置中設置了五個參數測量傳感器(包括三路溫度傳感器)，其精度滿足GB／T17469-98中所規定的要求。其具體參數見表1。 2．3 信號調理 來自傳感器的信號一般都比較小且極易受噪聲影響，有些信號存在很高的尖峰值，不能直接進行數據采集，在轉換為數字信號之前需先進行放大、濾波、隔離等預處理，也就是信號調理，下面就其中的兩路調理電路做簡單介紹，如圖2所示。 在圖2中： (1)V／I轉換電路是將工控機輸出的1～5 V電壓信號轉換成4～20 mA的電流信號。因為該試驗機中的調節氣源的比例閥是靠電流來進行控制，故首先要將電壓信號轉換成電流信號。其電路圖見圖2(a)，其比例關系為：I=VR27／R1R61，其中：V為輸入電壓；I為輸出電流。電路中各個電阻應選擇精密電阻，以保證V／I轉換的精度。 (2)I／V轉換電路是將從溫度、壓力傳感器采集到的4～20 mA電流信號轉換成計算機能夠識別的1～5 V的數字信號。其電路圖見圖2(b)，由上面電路可以推算出其轉換關系為：V=IR19(1+R107／R99)。其中：I為輸入電流；V為輸出電壓；各個電阻也應選擇精密電阻。經過對現場的各路信號進行測試，可以看出，經由調理電路的處理，輸入／輸出的各路數字／模擬信號都有明顯的改善，干擾信號大大減少，調理效果很明顯。 2．4 數據采集卡 該系統使用北京研華公司的采集卡PCL-818L和PCL-836，其中PCL-818L卡有16路模擬輸人通道，12位A／D轉換分辨率，一路12位模擬輸出通道，一個16位計數器，采樣率為40 kHz。PCL-836包括6個獨立的16位計數器，10 MHz的計數頻率，還有兩個數字I／O接口。 3 試驗機測控系統程序設計 3．1 試驗測控系統程序流程 試驗機測控系統的控制流程如圖3所示。 3．2 Front Panel設計 在LabVIEW中，程序由VI的Front Panel和Block Diagram兩部分組成，應用程序的人機界面就是FrontPanel，利用LabVIEW提供的各種控件結合控件的屬性節點的設置可以設計出儀器化的用戶界面。該試驗機用戶界面如圖4所示。 根據測控系統的功能前面板劃分為：試驗環節選擇部分；曲線及數據顯示部分；試樣批次記錄部分；試驗環節指示部分；參數設定及調整部分；測量記錄和路徑設定部分。 3．3 Block Diagram設計 3．3．1 數據采集程序設計 在數據采集部分，將壓力、溫度設定為一個采集任務，通過多路模擬量采集程序來完成，此采集程序主要有MAI Config．vi，MAI Volgagen In．vi和SplitlD Arrav．vi，Device open．vi及Device Close．vi模塊構成，其結構如圖5(a)所示。可總共進行8路模擬信號的同時采集，其采集的數組由Index Array模塊進行分離，此處只使用其中的前四路，包括三路溫度和一路壓力信號。轉速和轉矩則分別進行采集，它們通過頻率采集電路來完成，程序中用到的主要模塊有CounteRFrea Start．vi，Counter Freq Read．vi和Counter Reset．vi，Deviceopen．vi及Device Close．vi，其采集周期設定為200 ms，具體結構見圖5(b)。 3．3．2 數據處理程序設計 為了提高本測量系統的抗干擾性能和減小測量數據的誤差，在軟件里采取程序濾波的方法，通過計算機軟件來提高信噪比。 (1)遞推平均濾波法：采集幾個周期的數據，并求其平均值，作為采集的數據。 (2)中值濾波法：將每次采集的數據與前一個的數據做比較，當兩數值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號，此時采用上次的數值作為本次采集的結果，否則采用本次采集數據。 筆者通過利用LabVIEW中的移位寄存器來實現了平均濾波算法，具體實現方法如圖6中遞推平均濾波所示。先求取10個數的和，再求其平均數。 對于中值濾波算法的實現，利用別一般的模塊實現起來比較繁瑣，如果能用C語言來處理，就變得很簡單。經過多次嘗試，終于實現了在LabVIEW中嵌入C語言的方法，利用LabVlEW中的公式節點作為切入點，實現調用C語言進行處理。利用C語言的強大的數據處理能力，能很方便的完成一些復雜的算法。程序實現如圖7中中值濾波所示，將采集的數據先利用Build Array模塊轉變成數組，再將數組作為公式節點的輸入，C程序首先對采集的數據進行了兩次求平均處理，之后又按照中值濾波算法進行處理。相應的C語言程序附如圖7所示。 經過以上方法的處理，數據的取得了較好的輸出效果。尤其是本試驗臺在LabVIEW中嵌入C語言的數據處理方法及思路，大大提高了LabVIEW的數據處理能力，簡化了程序的編寫，具有較廣的應用價值，可以為其他設計者提供設計思路，為以后的數據處理提供一個很好的平臺。 4 試驗結果及分析 選用山東淄博某制動材料生產公司的汽車制動襯片進行摩擦試驗，先將襯片加工成尺寸為2．54 cm2試樣。利用設計好的摩擦特性測試系統對試樣進行測試，以獲得襯片摩擦系數特性曲線。 圖8所示為測試結果，圖中給出的是對試樣進行的磨損試驗和第一次衰退與恢復試驗的曲線，未經過數據處理的曲線干擾信號太大，曲線抖動嚴重，影響了測試結過的觀察，經過處理的曲線，較為平滑，抖動較小。能很好的反應材料摩擦系數的變化趨勢。 如圖8(a)所示，在第一次衰退與恢復試驗中，開始先加溫并進行連續拖磨，摩擦系數開始先降低，在達到255 ℃左右開始降低。 在之后的斷續拖磨中，摩擦系數逐漸下降。圖8(b)為磨損試驗的一部分曲線。將處理過的動態特性曲線與汽車制動襯片特性說明中所述的襯片特性曲線相比較，結果一致，表明采用本文設計的測試分析系統得到的試驗結果是可靠的。 5 結語 利用LabVIEW軟件結合相應的硬件實現了摩擦磨損試驗機的測控系統的設計，可實時地監測和控制各試驗狀態，滿足多種摩擦試驗的要求。系統采取軟硬件結合的抗干擾措施，尤其是在LabVIEW中嵌入C語言程序，利用其強大的數據處理能力，擴展了LabVIEW的功能，提高了系統的測試精度。人機界面友好、操作方便安全，測試效率較高，在實際應用中取得了良好的效果。 |
