更換法在制動力受損車輛測試中應用的可行性分析

鄭明鋒，關志偉，張希通，史占彪

（1.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

隨著車輛的與日俱增，車輛事故也不斷增加，正確鑒定車輛事故原因對區(qū)分事故責任、減少糾紛、體現(xiàn)社會公平有著重要作用。針對制動系統(tǒng)受損的一類交通事故車輛，對被鑒車輛的制動性能進行評價，是否可以對制動器、制動管路等采用以新代舊的方法進行更換，一直是困擾機動車司法鑒定人的技術難題。本文根據(jù)國家標準《機動車運行安全技術條件》（GB7258-2004）、《機動車安全檢驗項目和方法》（GA468-2004）的要求，選取了相應試驗車輛，對其制動器、制動管路等分別進行新舊更換，針對更換前后的技術狀態(tài)，采用動、靜態(tài)兩種專用設備和方法進行對比試驗，對更換被鑒試驗車輛各個制動系統(tǒng)部件的可行性進行分析研究，探討在日常機動車司法鑒定工作中，是否能夠利用以新代舊的更換方法對交通事故受損車輛進行技術鑒定。

1 實驗原理

1.1 滾筒反力式制動試驗臺

歐洲模式成為目前國內外主要采用的滾筒反力式制動試驗臺，即左右兩套車輪制動力測試單元結構相同，和一套具有指示控制功能的裝置組成了反力式滾筒制動試驗臺。車輪制動力測試單元由框架、驅動裝置、滾筒組、舉升裝置、測量裝置等組成[1]。車輪在檢測時的受力情況如圖1所示（忽略滾動阻力及非測試車輪對被測試車輪的影響）。

圖1中：G為車輪所受的載荷；F為車橋對車輪軸的水平推力；β為車輪在滾筒上的安置角；N1、N2為滾筒對車輪的支反力；Fx1、Fx2為滾筒對車輪的切向摩擦力；Tf1、Tf2為車輪滾動阻力矩。

圖1 車輪在滾筒反力式制動試驗臺上的受力狀態(tài)

根據(jù)力學平衡原理和幾何關系，當車輪制動時，滾筒反力式制動試驗臺所能測得的最大制動力為：

影響滾筒式制動試驗臺檢測結果的因素有：安置角β；附著系數(shù)φ及非測試車輪與地面的附著系數(shù)φ1；測試單元；操作因素，如輪胎氣壓和制動踏板力等。

試驗條件：滾筒式制動試驗臺滾筒表面應干燥，沒有松散物質及油污，滾筒表面當量附著系數(shù)不小于0.75[2-3]。

試驗方法：駕駛員將車輛駛上滾筒，擺正位置，置變速器于空擋。啟動滾筒2 s后，駕駛員將制動踏板踩到底，測取制動力增長全過程中左右輪制動力差和各輪制動力的最大值。

由于受附著力的影響，被檢車輛常出現(xiàn)車輪抱死并在滾筒上打滑或整車隨滾筒向后移，不能測取檢測車輛車輪制動力的最大值，但能夠檢出單軸車輪制動力不合格的被檢車輛[4]。

1.2 單輪制動力專用檢測設備

單輪制動力專用檢測設備由固定在車輪上的杠桿和作用于杠桿端部的測力千斤頂組成，設備由北京中機車輛司法鑒定所自行研制，是一種靜態(tài)檢測裝置，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)測量設備

檢測時，將杠桿固定在被檢車輛的車輪上，踩下制動踏板，壓力作用于杠桿端部的測力千斤頂，直到被檢車輛的車輪轉動為止，記錄作用于杠桿端部的測力千斤頂?shù)淖饔昧。測得的最大制動力F按下式計算：

式中：L為杠桿端部測力千斤頂?shù)淖饔命c到軸心的距離；r為被檢車輛滾動半徑。

為便于計算，輪胎的滾動半徑r在低壓輪胎情況下通常取自由半徑的0.930～0.935；在高壓輪胎情況下取0.945～0.950[5]。

靜力半徑為汽車靜止時，車輪中心至輪胎與道路接觸面之間的距離，輪胎會因徑向載荷的作用發(fā)生顯著變形，因此靜力半徑小于自由半徑。在速度比較低的情況下，滾動半徑、車輪自由半徑、靜力半徑三者按相等處理。由于不受附著力的影響，單輪制動力專用檢測設備可以檢出被檢車輛車輪抱死后的制動力的最大值，也能夠檢出單軸車輪制動力不合格的被檢車輛。

2 數(shù)據(jù)采集設計

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是汽車電子的部分，能直觀表現(xiàn)出汽車檢測的全過程以及各部分之間的關系，其系統(tǒng)過程如圖3所示。

圖3 整體系統(tǒng)框圖

制動力的采集是利用滾筒反力式制動試驗臺實時采集滾筒反力式的制動力，根據(jù)前文算法轉換成汽車的制動力。汽車的腳踏力和汽車油壓的采集是通過汽車壓力傳感器和油壓傳感器，經(jīng)過采集卡讀取數(shù)據(jù)并顯示。最后將前兩部分的內容組合到一起，發(fā)送到上位機處理。

2.2 硬件設計

硬件電路設計主要是運用單片機作為核心控制器，對于壓力傳感器和油壓傳感器采集到的信號，經(jīng)過LM358電壓比較器之后，將信號傳給單片機，此時信號為電壓信號，然后將電壓信號經(jīng)過單片機的模數(shù)轉換處理，通過上位機顯示出來。硬件電路設計如圖4所示。

在所設計的硬件電路中，單片機采用Atmel公司的AVR16單片機，基于擴展型的哈佛架構，具有獨立的數(shù)據(jù)總線和程序，時鐘頻率最大為20 MHz，處理器的單芯片允許高達10 000的寫入周期，具有閃存和EEPROM，可在內電路中進行編程，支持內部以及外部的RC發(fā)生器，每個負載的負載能力最高達20 mA。AVR單片機工作電壓為1.8～6 V之間[6]。因此它的高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位的優(yōu)點，符合本系統(tǒng)的控制要求。

圖4 硬件電路設計

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件控制采用VB語言編程實現(xiàn)，整個控制流程如圖5所示。首先對于所有控件進行初始化，之后對單片機已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)通過單片機的串口發(fā)送模塊進行定時發(fā)送，通過串口接收模塊進行接收串口所發(fā)送的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過對所接收數(shù)據(jù)的處理，通過上位機進行顯示，將顯示數(shù)據(jù)記錄入Excel表格并儲存……單片機控制所有數(shù)據(jù)處理。

圖5 軟件流程圖

3 實驗分析

3.1 實驗條件與設備

原車前輪為盤式制動器，后輪為鼓式制動器，已正常行駛10 000 km，未更換過制動器，制動系統(tǒng)及輪胎完好，制動總泵及各管路工作正常。

前后均更換為新制動器，試驗前運行100 km。制動系統(tǒng)及輪胎完好，制動總泵及各管路工作正常；制動管路進行更換，制動器及制動總泵工作正常。

設備：豐田威馳汽車一輛，滾筒反力式制動試驗臺一套，單輪制動力專用檢測設備（自研）一套，制動力數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)（自研）一套。

3.2 動態(tài)試驗

對測試車輛前、后輪制動器（盤式）進行更換，采用滾筒反力式制動試驗臺對試驗車輛進行動態(tài)測試、分析。更換制動器前、后，前后軸制動關系如圖6至圖9所示。

圖6 前軸制動關系曲線圖（更換制動器前）

根據(jù)圖6、圖7的對比分析，在更換制動器前，原車的前軸左右兩輪的制動力最大可達到4 kN左右，而更換新制動器后，試驗車輛的前軸左右兩輪的制動力最大只能達到3.5 kN左右，即前輪新制動器（盤式）的制動性能約為原車的87.5%。在機動車司法鑒定的實際工作中，對于盤式制動器而言，用以新代舊的方式進行簡易復原，不具備可行性。

圖7 前軸制動關系曲線圖（更換制動器后）

圖8 后軸制動關系曲線圖（更換制動器前）

圖9 后軸制動關系曲線圖（更換制動器后）

根據(jù)圖8、圖9的對比分析，在更換制動器前，原車的后軸左右兩輪的制動力最大可達到2 kN左右，而更換新制動器后，試驗車輛的后軸左右兩輪的制動力最大只能達到1.3 kN左右，即后輪新制動器（鼓式）的制動性能約為原車的65%。在機動車司法鑒定的實際工作中，對于鼓式制動器而言，用以新代舊的方式進行簡易復原，也不具備可行性。

3.3 靜態(tài)試驗

對測試車輛前輪制動器（盤式）進行更換，采用單輪制動力專用檢測設備對試驗車輛進行靜態(tài)測試，前后軸制動關系對比如圖10和圖11所示。

圖10 前軸制動關系曲線圖（更換制動器前后對比）

圖11 后軸制動關系曲線圖（更換制動器前后對比）

根據(jù)圖10的對比分析可以看出，在更換制動器前，原車的前軸左右兩輪的制動力最大可達到3.7 kN左右，更換新制動器后，試驗車輛的前軸左右兩輪的制動力最大只能達到2.7 kN左右，前輪新制動器（盤式）的制動性能約為原車的72.97%。在機動車司法鑒定的實際工作中，對于盤式制動器而言，用以新代舊的方式進行簡易復原，不具備可行性。

根據(jù)圖11的對比分析可以看出，在更換制動器前，原車的后軸左右兩輪的制動力最大可達到4.5 kN左右，而更換新制動器后，試驗車輛的后軸左右兩輪的制動力最大只能僅僅達到1 kN左右，即后輪新制動器（鼓式）的制動性能約為原車的22.22%。因此，在機動車司法鑒定的實際工作中，對于鼓式制動器而言，用以新代舊的方式進行簡易復原，也不具備可行性。

3.4 制動管路更換法

對制動管路更換法取前軸動態(tài)測試為例進行說明，如圖12所示。與圖6相比較基本趨勢一致，最大制動力基本一樣。同樣，通過上述的動、靜態(tài)試驗方法，可以得出，試驗前后各車輪的制動力基本沒有變化。因此，對事故車輛進行制動管路的更換是可行的。

圖12 前軸制動關系曲線圖（更制動管路后）

4 結束語

在機動車司法鑒定活動中，針對制動器受損的被鑒車輛，不可采用更換法，特別是鼓式制動器，新舊影響較大；而針對制動管路受損的被鑒車輛，可以采用更換法，進行制動性能的司法鑒定。

［1］查小凈．汽車制動性能檢測方法的比較與分析［J］．公路與汽運，2010（4）：16-19.

［2］余立希．事故汽車制動性能判斷準則及檢驗方法［J］．公路與汽運，2006（6）：13-15.

［3］劉德發(fā)，劉劍峰.汽車制動性能檢測方法比較分析［J］.農機使用與維修，2011（1）：68-70.

［4］ENRICO Suraci，PIO Abagnale.Development and road tests of an ABS control system[C]//The 19th Symposium of the International Association for Vehicle System Dynamics，2005：393-4011.

［5］汪偉，趙又群，黃超，等.新型機械彈性車輪的建模與通過性研究［J］.中國機械工程，2013，24（6）：724-729.

［6］吳新杰．AVR單片機項目教程：基于C語言[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.