多軸車制動(dòng)力差檢測(cè)研究

陳成法，焦宇飛，白云川，郭　正，張建生，李樹(shù)珉

多軸車制動(dòng)力差檢測(cè)研究

陳成法1，焦宇飛1，白云川1，郭正1，張建生2，李樹(shù)珉2

（1.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161；2.軍事交通學(xué)院外訓(xùn)系，天津300161）

為解決滾筒式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)無(wú)法檢測(cè)全時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛制動(dòng)性能的問(wèn)題，對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)車輛的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。車輛通過(guò)左右滾筒異向同步驅(qū)動(dòng)零差速制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)時(shí)，利用伺服機(jī)構(gòu)操縱制動(dòng)踏板，在相同制動(dòng)過(guò)程中分別得到左右輪的制動(dòng)過(guò)程增長(zhǎng)曲線，將曲線進(jìn)行時(shí)間軸擬合，得到近似的制動(dòng)力差。利用普通單軸驅(qū)動(dòng)車輛對(duì)上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明該方法對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)車輛制動(dòng)力差檢測(cè)的可靠性。

多軸驅(qū)動(dòng)車輛檢測(cè)；制動(dòng)力差檢測(cè)；曲線擬合；數(shù)據(jù)對(duì)比

0　引言

隨著多軸驅(qū)動(dòng)車輛的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，多軸車在工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛［1］。由于多軸車軸重、軸數(shù)多、軸與軸之間貫通式連接等特性，使得多軸車輛制動(dòng)性能的檢測(cè)比單軸車復(fù)雜很多。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于多軸車輛的檢測(cè)主要有以下3種方法：路試法檢測(cè)、多組滾筒組合法檢測(cè)與左右滾筒異向同步法檢測(cè)［2］。國(guó)外對(duì)于多軸車檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備種類繁多，應(yīng)用也很廣泛，如丹麥的BM20200型制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)和德國(guó)AHS-Mobile型制動(dòng)性能檢測(cè)臺(tái)。國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備較少，存在很大研究空間。

1　多軸驅(qū)動(dòng)車輛制動(dòng)過(guò)程力學(xué)分析

左右滾筒異向同步驅(qū)動(dòng)零差速制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)在對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)時(shí)，分別對(duì)左右輪進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)檢驗(yàn)臺(tái)對(duì)左輪進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，右滾筒帶動(dòng)右輪相對(duì)左輪反方向同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同種方法對(duì)右輪進(jìn)行檢測(cè)。圖1和圖2分別為多軸驅(qū)動(dòng)車輛在利用左右滾筒異向同步驅(qū)動(dòng)零差速制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)性能檢測(cè)時(shí)，左、右輪的受力情況。

通過(guò)受力分析可得，左右輪最大制動(dòng)力在檢測(cè)時(shí)大小為

式中：Fmax——最大制動(dòng)力；

N1、N2——前后滾筒對(duì)車輪的支撐力；

G——車輛被測(cè)軸對(duì)左右輪的軸重；

φ——車輪與滾筒的附著系數(shù)；

α——車輪在滾筒上的安置角；

T1，T2——前后滾筒對(duì)車輪的制動(dòng)反力。

出現(xiàn)最大制動(dòng)力時(shí)，其他軸對(duì)被測(cè)軸的水平反力F1：

根據(jù)式（4）可得：在出現(xiàn)最大制動(dòng)力時(shí)，非測(cè)車輪對(duì)被測(cè)車輪所提供的水平反力也達(dá)到最大值。

圖1　左輪制動(dòng)檢測(cè)受力圖

圖2　右輪制動(dòng)檢測(cè)受力圖

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)整車在進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)時(shí)的水平方向進(jìn)行穩(wěn)定性分析。圖3為整車在制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)上水平方向的受力分析圖，其中F1、F2、F3、F4分別為車輪在制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中所受的水平方向作用力。

圖3　整車在制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)上水平方向受力

對(duì)左輪進(jìn)行制動(dòng)力檢測(cè)時(shí)，右輪受滾筒異向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)車輪受到滾筒向前的推力。設(shè)前后軸車輪到各軸中心的距離都為L(zhǎng)，對(duì)前軸中心進(jìn)行力矩分析可得：

根據(jù)制動(dòng)器制動(dòng)特性分析F1≥F2；當(dāng)F1=F2時(shí)，車輛制動(dòng)檢測(cè)整車所受的扭矩最大，車輛狀態(tài)最不穩(wěn)定［3］；此時(shí)，若地面所提供的靜摩擦力F3≥F1，則車輛在制動(dòng)檢測(cè)時(shí)可以保持穩(wěn)定。在力學(xué)分析后得出左右滾筒異向同步零差速法檢驗(yàn)左右輪制動(dòng)力時(shí)車輛在檢測(cè)過(guò)程中是穩(wěn)定的，并且對(duì)左右輪分別進(jìn)行受力分析時(shí)，得到的結(jié)果與同時(shí)正轉(zhuǎn)檢測(cè)時(shí)相同。因此，在理論上可以證明利用該檢驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)左右輪制動(dòng)力的檢測(cè)。

圖4　伺服機(jī)構(gòu)

2　基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差取值方法

在GB 7258——2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》對(duì)制動(dòng)力平衡的要求中規(guī)定：臺(tái)試檢驗(yàn)制動(dòng)性能時(shí)，在左右輪制動(dòng)力增長(zhǎng)的全過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)測(cè)得左右輪制動(dòng)力差值的最大值［4］。由于多軸驅(qū)動(dòng)車輛在左右滾筒異向同步驅(qū)動(dòng)零差速制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)性能檢測(cè)時(shí)，只能通過(guò)左右輪分別檢測(cè)的方式進(jìn)行制動(dòng)性能檢測(cè)。在這種檢測(cè)方式下不能滿足規(guī)定中同時(shí)對(duì)左右輪的制動(dòng)力增長(zhǎng)全過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)的要求［5］。因此，提出一種基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)如圖4所示，滿足在制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中帶動(dòng)制動(dòng)踏板以較快的速度勻速到底，使每次制動(dòng)的過(guò)程和時(shí)間相同，以此測(cè)量的左右輪制動(dòng)力差代替上述標(biāo)準(zhǔn)的要求值。

2.1利用伺服機(jī)構(gòu)檢測(cè)制動(dòng)力

伺服機(jī)構(gòu)的工作原理是利用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件拉線帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，拉線的末端帶動(dòng)制動(dòng)踏板下行。鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)距離為旋轉(zhuǎn)部件直徑AB的長(zhǎng)度，同時(shí)AB的長(zhǎng)度等于CD的長(zhǎng)度。鋼絲繩的方向通過(guò)導(dǎo)向滑輪進(jìn)行變向，導(dǎo)向滑輪和步進(jìn)電機(jī)都固定在鋼板底座上，底座與駕駛座椅之間通過(guò)螺栓進(jìn)行剛性固定，保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。其運(yùn)動(dòng)情況如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)采用12V直流電壓驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)前，多次測(cè)量駕駛員正常進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)時(shí)踩制動(dòng)踏板的時(shí)間，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使步進(jìn)電機(jī)拉動(dòng)踏板到底的時(shí)間大致等于人踩踏板所需的時(shí)間［6］。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件順時(shí)針由A運(yùn)動(dòng)到B，制動(dòng)踏板到底，直至車輪停轉(zhuǎn)，完成一次制動(dòng)檢測(cè)。然后，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由B運(yùn)動(dòng)到A，制動(dòng)踏板恢復(fù)到原點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次制動(dòng)檢測(cè)。整個(gè)過(guò)程步進(jìn)電機(jī)始終勻速旋轉(zhuǎn)，保證每次制動(dòng)過(guò)程都具有良好的重復(fù)性。

2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

利用伺服機(jī)構(gòu)在勇士車四驅(qū)的模式下，進(jìn)行前軸的左右輪制動(dòng)力檢測(cè)，得到左右輪的制動(dòng)力曲線如圖6所示。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差。

從圖中可以看出兩次制動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間相同，具有基本相同的制動(dòng)過(guò)程。按此方法對(duì)前軸進(jìn)行10次檢測(cè)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖5　伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖6　利用伺服機(jī)構(gòu)得到的制動(dòng)力曲線

由于得到的左右輪制動(dòng)力曲線具有相同的增長(zhǎng)過(guò)程和增長(zhǎng)時(shí)間，因此，可以采用時(shí)間起點(diǎn)推移的方法，使兩條制動(dòng)力曲線處于同一時(shí)間起點(diǎn)，即左右輪是同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)力檢測(cè)。

利用Matlab對(duì)制動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行沿時(shí)間軸的推移，使左右輪在同一時(shí)間起點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)力檢測(cè)。然后，對(duì)兩條制動(dòng)力曲線進(jìn)行作差處理，得到制動(dòng)力差的增長(zhǎng)曲線，如圖7所示。

圖7　基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差曲線

經(jīng)過(guò)Matlab計(jì)算，圖7的左右輪制動(dòng)力差最大值為59daN。通過(guò)對(duì)10次制動(dòng)力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：試驗(yàn)得到的最大制動(dòng)力差分別為59，71，64，77，66，78，58，67，75，65 daN（1daN=10N）。左右輪最大制動(dòng)力差出現(xiàn)在最大制動(dòng)力出現(xiàn)之前；制動(dòng)曲線增長(zhǎng)速率最快的時(shí)刻，大約在制動(dòng)力出現(xiàn)后0.7～0.75s。

3　試驗(yàn)研究

3.1實(shí)際制動(dòng)力差檢測(cè)試驗(yàn)

以勇士車作為試驗(yàn)車型，表1為試驗(yàn)用車的基本參數(shù)。對(duì)勇士車前軸進(jìn)行左右輪制動(dòng)力平衡的試驗(yàn)，得到左右輪的制動(dòng)力差［7］。根據(jù)勇士車試驗(yàn)得到的左右輪制動(dòng)力差與基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差取值方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

表1　試驗(yàn)用車基本參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)采用的檢測(cè)方式是左右滾筒同時(shí)正轉(zhuǎn)，因此可以同時(shí)測(cè)得左右輪在制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力差，符合GB 7258——2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中關(guān)于制動(dòng)力平衡檢測(cè)的要求［8］。在利用標(biāo)準(zhǔn)滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)對(duì)勇士車進(jìn)行左右輪制動(dòng)力差的檢測(cè)時(shí)，將勇士車分動(dòng)器設(shè)置為前軸驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。

圖8　勇士車車軸左右輪制動(dòng)力差試驗(yàn)結(jié)果

圖8為勇士車車軸左右輪制動(dòng)差試驗(yàn)結(jié)果。利用Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到左右輪在制動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)測(cè)得的左右輪制動(dòng)力的最大差值［9］。圖9為利用Matlab處理數(shù)據(jù)后得到的左右輪制動(dòng)力差曲線。

圖9　利用Matlab得到的制動(dòng)力差曲線

從圖中可以看出，本次試驗(yàn)得到的左右輪最大制動(dòng)力差為65daN。對(duì)剩余的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到左右輪最大制動(dòng)力差分別為65，59，60，62，70，69，71，55，60，75daN。

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過(guò)基于時(shí)間軸制動(dòng)力差取值方法和實(shí)際制動(dòng)力作差取值方法，獲得關(guān)于左右輪制動(dòng)力差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［10］。對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本期望和差值比較，對(duì)基于時(shí)間軸制動(dòng)力差取值方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1樣本期望比較

基于時(shí)間軸的左右輪制動(dòng)力差樣本：A= ［59，71，64，77，66，78，58，67，75，65］。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)得到的標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)力差樣本：B=［65，59，60，62，70，69，71，55，60，75］。

對(duì)兩種體現(xiàn)左右輪制動(dòng)力差的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，期望分別為：E（A）=68，E（B）=64.6。

E（A）和E（B）比較接近。因此，通過(guò)樣本期望進(jìn)行比較得出，基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差取值方法比較準(zhǔn)確。

3.2.2樣本差值百分比

對(duì)基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差取值方法的數(shù)據(jù)樣本A進(jìn)行差值分析，如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)樣本A差值分析

通過(guò)對(duì)樣本A數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，基于時(shí)間軸的制動(dòng)力差的取值方法所得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)制動(dòng)力差比較相近，相似度很高，平均差值只有10.98%。

4　結(jié)束語(yǔ)

1）利用左右滾筒異向同步驅(qū)動(dòng)零差速制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)時(shí)，車輛能夠保持檢測(cè)時(shí)車身的穩(wěn)定。

2）基于提出的時(shí)間軸制動(dòng)力差取值方法得到的數(shù)據(jù)與利用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)臺(tái)實(shí)際檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)很接近。因此，可以在多軸驅(qū)動(dòng)車輛制動(dòng)力差的檢測(cè)中利用此方法進(jìn)行制動(dòng)力差的檢測(cè)。

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Detection study on multiaxial vehicle different braking force

CHEN Chengfa1，JIAO Yufei1，BAI Yunchuan1，GUO Zheng1，ZHANG Jiansheng2，LI Shumin2
（1.Military Vehicle Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2.Foreign Training Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

In order to solve the problem that the drum brake inspection station could not detect braking performance of full-time driving vehicles，analyzing braking process of multi-axis drive vehicles.With vehicles passing around the drum counter-synchronous drive crossdrive brake inspection station，servo were used to control the brake pedal，so that we could get the left and the right wheels'growth curves under the same barking process.Making the curve fitting axis，then we could get approximate braking force difference.Driving the uniaxial vehicles test the method what we described above，verifying the reliability of the method.

multi-axis driving vehicle's detection；braking force difference detection；curve fitting；data comparison

A

1674-5124（2015）09-0028-04

2014-11-19；

2015-01-11

陳成法（1978-），男，河北滄州市人，講師，博士，研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)。