基于LabVIEW的反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)仿真研究

白云川,王 龍,安相壁,王 虎,張 哲

（軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161）

基于LabVIEW的反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)仿真研究

白云川,王 龍,安相壁,王 虎,張 哲

（軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161）

為有效評(píng)價(jià)反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)性能，該文在建立反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，使用LabVIEW軟件對(duì)其制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真，并通過(guò)與實(shí)車制動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證該仿真的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)臺(tái)體參數(shù)的輸入，可反映不同參數(shù)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的使用性能，以驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。

反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；力學(xué)模型；LabVIEW系統(tǒng)；仿真

0 引 言

反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是檢測(cè)車輛制動(dòng)性能的設(shè)備，其滾筒半徑、中心距及附著率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)性能有較大影響[1]。隨著移動(dòng)式檢測(cè)的發(fā)展，為進(jìn)行移動(dòng)式反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行重新選擇。為此，本文在建立反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW對(duì)其制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行了仿真。

1 反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)力學(xué)模型的建立

1.1 試驗(yàn)臺(tái)的力學(xué)分析

在使用反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)性能檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)過(guò)程會(huì)受到較多因素的影響，為便于仿真設(shè)計(jì)，可忽略部分次要因素以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此力學(xué)模型是基于以下假設(shè)而建立[2]：（1）輪胎、滾筒均為剛體，接觸時(shí)不變形；（2）左右車輪制動(dòng)力的大小、變化均相同；（3）車輪的阻滯力為0；（4）車輛制動(dòng)器所產(chǎn)生的制動(dòng)力隨時(shí)間呈線性增大變化。

車輪在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的滾筒上，處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的受力如圖1所示，根據(jù)平衡條件可得[2]：

式中：N1、N2——前、后滾筒對(duì)車輪的法向作用力，N；

F1、F2——前、后滾筒對(duì)車輪的切向作用力，N；

Gf——被測(cè)軸的軸重，N；

λ——安置角，°；

L——滾筒中心距，m；

r——滾筒半徑，m；

R——被檢車輛的車輪半徑，m。

圖1 滾筒反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)受力分析

設(shè)車輪與滾筒之間的附著率為φ，則：

試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)得的制動(dòng)力為

由式（7）可以看出，反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)性能檢測(cè)的影響因素包括：被測(cè)軸的軸重Gf、車輪與滾筒間的附著率φ以及安置角λ。研究表明，當(dāng)被測(cè)車輪即將離開(kāi)前滾筒，即制動(dòng)力完全由F2提供時(shí)，制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的制動(dòng)力最大，此時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)可真實(shí)地反映被測(cè)車輛的制動(dòng)性能[3]。

1.2 附著率的選取

滾筒與輪胎之間的附著率表示制動(dòng)過(guò)程中車輪與地面或者車輪與滾筒之間的附著情況，最大附著率就是附著系數(shù)[4]。附著率φ是在0與附著系數(shù)φ之間變化的，由車輪與地面或車輪與滾筒間的滑移率Δj決定，一般當(dāng)滑移率達(dá)到20%～30%時(shí)，附著率會(huì)達(dá)到最大值即附著系數(shù)，圖2所示為附著率與滑移率關(guān)系的示意圖。

滑移率是由車輪和滾筒的轉(zhuǎn)速確定的：

式中：M——車輪所受到的阻力矩，N·m；

I——車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

Mt——車輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩，N·m；

ν0——滾筒的線速度，m/s；

ω0——車輪制動(dòng)前的角速度，rad/s；

ω——車輪制動(dòng)過(guò)程中的角速度，rad/s2；

Δj——滑移率。

圖2 實(shí)際附著率與滑移率關(guān)系示意圖

圖3 本文假設(shè)附著率與滑移率關(guān)系示意圖

而在實(shí)際檢測(cè)中，為了防止刮傷輪胎，當(dāng)滑移率達(dá)到20%時(shí)，制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)會(huì)自動(dòng)停止檢測(cè)。而在進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的仿真時(shí)，為簡(jiǎn)化滑移率和附著率之間的關(guān)系，可假設(shè)附著率φ隨滑移率Δj成正比變化，并在滑移率為20%時(shí)達(dá)到附著系數(shù)，如圖3所示。因?yàn)樵诩僭O(shè)中附著系數(shù)并未發(fā)生改變，所以不會(huì)影響到制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可檢測(cè)的最大制動(dòng)力值[5]。

2 反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的仿真設(shè)計(jì)

反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的仿真程序是基于LabVIEW語(yǔ)言，采用模塊化設(shè)計(jì)的。在前面板輸入車輛與需要仿真的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)，參數(shù)輸入后會(huì)在后臺(tái)程序中以數(shù)據(jù)流的方式運(yùn)行，待程序運(yùn)行后前面板便會(huì)顯示程序的運(yùn)行結(jié)果[6-7]。

經(jīng)上述分析，可檢測(cè)的最大制動(dòng)力反映了制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)性能，為使設(shè)計(jì)的仿真可檢測(cè)出車輛的最大制動(dòng)力，只需保證車輛制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩Mt足夠大即可。而在實(shí)際檢測(cè)中，制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩和駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)的快慢成正比關(guān)系，由于駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)的快慢和方式各不相同，為了同一標(biāo)準(zhǔn)和簡(jiǎn)化參數(shù)，仿真中假定制動(dòng)力矩是線形變化增大的，并且制動(dòng)器能提供的制動(dòng)力矩足夠大[8]。

圖4 仿真主程序框圖

將N1、N2的子程序調(diào)入，并根據(jù)已建立的力學(xué)模型，對(duì)反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真。前面板中需要輸入的參數(shù)包括：車輛的被測(cè)軸軸重、車輪半徑、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的滾筒半徑、附著率、滾筒外緣線速度、安置角等；程序的輸出包括：制動(dòng)器的制動(dòng)力矩、前滾筒制動(dòng)力、后滾筒制動(dòng)力及制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的所測(cè)的總制動(dòng)力[9]。圖4為設(shè)計(jì)的仿真主程序框圖。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該仿真的準(zhǔn)確性，本文使用FZ-030型反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與兩種車型大眾速騰、南京依維柯分別進(jìn)行了仿真研究與實(shí)車試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)如表1所示，大眾速騰為1號(hào)車，南京依維柯為2號(hào)車，其參數(shù)如表2所示。

圖5 1號(hào)車前軸制動(dòng)力仿真前面板

表1 FZ-030型反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

表2 試驗(yàn)車型參數(shù)

根據(jù)表1和表2計(jì)算可得1號(hào)車的車輪與滾筒間的安置角為30.00°，2號(hào)車的車輪與滾筒間的安置角為26.74°。

將1號(hào)車前軸及制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)輸入至仿真程序中，運(yùn)行后的前軸制動(dòng)力仿真前面板如圖5所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可看出，車輪制動(dòng)力是隨制動(dòng)器制動(dòng)力矩的增加不斷變大的，前滾筒制動(dòng)力F1先是隨制動(dòng)器制動(dòng)力矩的增加而變大，當(dāng)制動(dòng)力矩增加到一定值后便迅速減小，最終變?yōu)?，車輪便會(huì)脫離前滾筒；后滾筒制動(dòng)力F2則是隨制動(dòng)器制動(dòng)力矩的增加不斷變大的，制動(dòng)力的變化趨勢(shì)與實(shí)際情況相符。

將1號(hào)車后軸及2號(hào)車前、后軸的參數(shù)分別輸入到仿真前面板，得到的總制動(dòng)力變化曲線如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 1號(hào)車后軸制動(dòng)力

圖7 2號(hào)車前軸制動(dòng)力

圖8 2號(hào)車后軸制動(dòng)力

進(jìn)行實(shí)車制動(dòng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)車試驗(yàn)制動(dòng)數(shù)據(jù)

使用1號(hào)車進(jìn)行仿真所得的最大前軸制動(dòng)力為5818.46N，最大后軸制動(dòng)力為4434.62 N；實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的前軸平均制動(dòng)力值5902.43N，后軸平均制動(dòng)力值4540.30N。使用2號(hào)車進(jìn)行仿真所得的最大前軸制動(dòng)力為9383.78N，最大后軸制動(dòng)力為11167.60N；實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的前軸平均制動(dòng)力為9363.17N，后軸平均制動(dòng)力為10488.53N。通過(guò)比較可看出，仿真與實(shí)車試驗(yàn)的結(jié)果較為吻合，說(shuō)明該仿真設(shè)計(jì)較為合理，可反映制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際檢測(cè)的狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在建立力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，使用LabVIEW對(duì)反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真，并通過(guò)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。該仿真在使用時(shí)，通過(guò)輸入車型與制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)，可對(duì)不同參數(shù)下制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，因此在進(jìn)行移動(dòng)式反力式滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，方便了對(duì)臺(tái)體參數(shù)的選擇，能有效提高開(kāi)發(fā)的效率，具有較高的實(shí)用性[10]。

[1]安相璧.汽車檢測(cè)診斷技術(shù)[M].2版.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

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Study on simulating anti-force rolling brake testing platform based on LabVIEW

BAI Yun-chuan，WANG Long，AN Xiang-bi，WANG Hu，ZHANG Zhe
（Military Vehicle Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

In order to evaluation the performance of anti-force rolling brake testing platform，this article used LabVIEW software to simulate its braking process on the basis of establishing the mechanical model.Through comparing with the actual braking data，the conclusion can be proofed that the simulation result is accurate.Through the input of platform parameters，the simulation could reflect the performance of brake testing platform in different parameters and verify the product design or structural optimization results.

anti-force rolling brake testing platform；mechanical model；LabVIEW；simulate

U472.9；U463.5；TP391.9；TP274

：A

：1674-5124（2014)03-0113-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.030

2013-07-02；

：2013-08-19

白云川（1984-），男，山西臨汾市人，講師，碩士，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與試驗(yàn)。