一種新型路面摩擦儀的設計

李世民

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

引言

隨著我國公路建設力度的不斷加大 ,公路的數量不斷增加, 車速也隨著公路等級的提高變得越來越快。這些給人民的生活帶來方便的同時，也帶來了交通事故發生率的逐年上升[2][3]。當前，中國國內主要采用的摩擦儀是擺式摩擦儀用以對路面的抗滑性能和路面摩擦系數大小進行檢測，但是由于擺式摩擦儀具有先天性缺點，它測試樣本小，而且測試結果也受到人為因素影響較大，已經無法滿足道路抗滑性能檢測的需要。本文根據道路路面摩擦系數的測量原理，針對我國國產的擺式摩擦儀的缺點，運用嵌入式單片機技術和觸摸屏顯示的技術，研制一種新型道路路面摩擦系數的測量試驗儀器[4]。

1 儀器總體結構圖及視圖

摩擦試驗儀器主要由動力系統、加壓裝置、測量裝置和支撐部分等四部分構成。儀器總體結構框圖如圖1。

圖1 摩擦儀結構框圖Fig.1 structural block diagram of friction instrument

1.1 儀器硬件部分設計

1）動力系統主要由電動機、減速機、變頻器、軸承傳動構成的[5]。電動機被安裝在承重板的下方，固定在豎向鋼板上，利用承重板下方的齒輪與減速器、變頻器進行傳動的，并將動力傳送給旋轉試驗板。

2）加壓裝置則由液壓站、液壓缸、三相四通液壓控制閥、加壓傳動軸承等組成。液壓缸裝在摩擦儀最上方，液壓站通過三相四通液壓控制閥控制液壓缸壓力，通過連接件將壓力作用到試驗車輪上，并可通過改變液壓缸的壓力來改變作用在試驗車輪上的載荷。試驗車輪上方的橫向鋼板，可通由液壓缸的加壓和泄壓來壓下或提起而來帶動試驗車輪向下和向上移動，也可方便試驗時放置和取出試驗車轍板。在橫向板下方，左右兩輪上方各安置一個壓力傳感器，用于測出在各壓力下各輪受到的壓力。

3）測量裝置主要由壓力傳感器、對側拉力傳感器、測試驗輪轉速的霍爾測速傳感器組成。霍爾測速傳感器采用接近開關 NJK-5002C NPN三線常開型，固定于兩側試驗車輪與側面防護板中間。采用ZNHM硬幣高精度壓力傳感器，這種傳感器的尺寸相對較小，但穩定性和測量精度相對較高。

4）支撐結構部分由框架缸體支柱、承壓板和支撐試驗車輪的橫梁等組成。承壓板安放于底座的上方，用于固定試驗模板；兩邊安裝的鋼體支柱則是用于固定安裝于上端的液壓缸體；支撐橫梁則是用于懸掛試驗車輪，并可在試驗的前后提起和放下試驗車輪，可以方便放置或取出試模板。整體結構設計如圖2。

圖2 整體結構設計示圖Figure1-2 overall structural design diagram

1.2 摩擦儀軟件部分設計

系統由24V蓄電池提供電源電壓，當車輪轉動時，車輪上方的壓力傳感器輸出壓力差信號，經調置放大電路放大后送給 8051F410/1單片機A/D轉換接口，通過12位A/D轉換進行采樣，然后通過均值處理后由RS232串口發送至觸摸顯示屏進行處理和顯示數據。當測試儀移動運行時，霍爾測速傳感器可測得貼在下底板轉盤和車輪上的磁鐵產生的脈沖傳給單片機計數器，發送至觸摸屏處理和顯示摩擦測試儀運行速度。單片機內部定時器 T0用于記錄脈沖次數，而定時器T1則用于設置串口的波特率大小。數據保存在SD卡中，經過串口后，采用RS232異步通信方式上傳至計算機。存儲于SD卡內的數據可以長時間保存，即使關閉電源，數據也不消失[6]。軟件設計運行及操作流程如下圖3所示：

圖3 系統設計方案框圖Fig.3 system scheme design block diagram

2 結語

本試驗摩擦儀經試驗測試和驗證，各個功能模塊都能實現協調工作，可以實現對路面摩擦系數的采集、存儲、顯示等預先設定的功能，系統運行相對穩定，對路面抗滑性能的準確性評價是有利的。但是由于對機械部分設計缺乏經驗，而且對摩擦系數的測量準確性的影響有很多因素，所以摩擦儀還存在很多需要改進的地方，如由于加工的誤差車輪與軸之間的摩擦力相對較大，當電機轉速較快時，試驗輪出現跳動造成測試數據出現誤差等等，以后對實驗儀器需要進一步的改進，為這種新型室內摩擦儀設備的進一步推廣應用奠定了基礎[7]。