楊坤全
(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系,福建 漳州 363000)
基于電流變效應(yīng)的汽車(chē)ABS制動(dòng)性能與控制研究
楊坤全
(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系,福建 漳州 363000)
針對(duì)傳統(tǒng)電磁閥控制的液壓式防抱死制動(dòng)系統(tǒng),在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中會(huì)存在“打腳”現(xiàn)象,且制動(dòng)摩擦塊和制動(dòng)盤(pán)間的摩擦?xí)沟脺囟燃眲∩?,?dǎo)致制動(dòng)滯后等現(xiàn)象,提出并設(shè)計(jì)了一套基于電流變效應(yīng)的汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)節(jié)電壓可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防抱死制動(dòng)的有效控制,且基于電流變效應(yīng)的汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能可以滿足汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的基本要求。
電流變效應(yīng);防抱死制動(dòng)系統(tǒng);制動(dòng)性能
制動(dòng)性能是汽車(chē)制動(dòng)的主要參數(shù)之一。目前,使用最多的汽車(chē)制動(dòng)器是鉗盤(pán)式和鼓式制動(dòng)器,而操縱方法主要是通過(guò)控制輪缸或制動(dòng)鉗的壓力,完成加壓、減壓和保壓等動(dòng)作,防止車(chē)輪抱死,實(shí)現(xiàn)最佳制動(dòng)控制,而在這一制動(dòng)過(guò)程中,會(huì)發(fā)生打腳現(xiàn)象,且鉗盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)制動(dòng)鉗、管路系統(tǒng)要求也較高,此外鼓式制動(dòng)器的摩擦片與輪轂在制動(dòng)過(guò)程中發(fā)生劇烈摩擦,導(dǎo)致制動(dòng)元件溫度急劇升高,在這種情況下,制動(dòng)器制動(dòng)效果變差,且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象,導(dǎo)致制動(dòng)效率下降,因而傳統(tǒng)電磁閥和液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)存在一定的滯后性和復(fù)雜性。雖然電流變技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械與車(chē)輛工程研究,但僅有少數(shù)應(yīng)用于汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)研究[1-2]。本文將電流變液與變分固有特性作了詳細(xì)的介紹,并將其應(yīng)用與汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng),在一定程度上解決了現(xiàn)有ABS的制動(dòng)缺陷,這種制動(dòng)器制動(dòng)原理簡(jiǎn)單,沒(méi)有硬件連接,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,且具有方便安裝和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
ABS的基本工作原理是充分利用車(chē)輛的輪胎,地面附著系數(shù)和優(yōu)化的控制策略來(lái)獲得最合適的制動(dòng)力?;坡适呛饬科?chē)制動(dòng)性的重要指標(biāo),它用來(lái)表示汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中車(chē)的打滑程度,它的值定義為車(chē)身速度與車(chē)輪線速度之差對(duì)車(chē)身速度的百分比,即:
其中vv為汽車(chē)車(chē)身速度;ωw為車(chē)輪角速度;R為輪胎的有效半徑。
為使汽車(chē)制動(dòng)時(shí)具有較好的縱向制動(dòng)效果及操縱穩(wěn)定性,并防止制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生橫向側(cè)滑或甩尾等,一般最佳滑移率的范圍控制在0.1~0.2之間,因?yàn)樵谶@最佳滑移率時(shí)汽車(chē)輪胎與地面之間接觸狀況,在縱向和橫向均處于較高的附著狀態(tài)。為保證汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中滑移率始終處在最佳滑移率附近,ABS的控制單元通過(guò)控制電磁閥進(jìn)而調(diào)整施加在輪缸上的油液壓力,適時(shí)的進(jìn)行加壓、保壓和減壓控制,實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的防抱死控制。
從動(dòng)力傳動(dòng)的方式看,電流變液體制動(dòng)器的基本工作元件是一對(duì)同心的圓筒。本文以對(duì)汽車(chē)傳動(dòng)軸進(jìn)行制動(dòng)方式來(lái)分析,外筒A是固定在車(chē)體上,內(nèi)筒B與傳動(dòng)軸C相連接,A、B筒之間充滿電流變液體。假設(shè)所運(yùn)用的電流變液體是一種理想的液體,且不考慮溫度效應(yīng),如圖1。
圖1 同心圓筒式電流變液體制動(dòng)器
當(dāng)C軸以ω角速度旋轉(zhuǎn),設(shè)ω沿z軸線性分布,則剪切應(yīng)變率γ.為:
把電流變液作為Bingham流體,流體的本構(gòu)方程為:為:
式中:R1為B圓筒的外半徑;h為A、B筒間距;τy為流體的電致屈服應(yīng)力(Pa);η0為液體粘度(m2/s);ω為角速度;
推導(dǎo)得出電流變液產(chǎn)生的制動(dòng)力F及制動(dòng)力矩T液為:
上述(5)式中電流變液所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩分別由電致屈服應(yīng)力和流體粘性傳遞兩項(xiàng)所產(chǎn)生。通過(guò)(5)式可知,在電流變制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)后,其結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定,此時(shí)制動(dòng)力矩T僅與施加的電壓U有關(guān)系,進(jìn)而結(jié)合不同的控制方法,即可控制制動(dòng)力矩的變化達(dá)到汽車(chē)防抱死的制動(dòng)控制。
目前仿真中多采用簡(jiǎn)化的μ-S雙線性模型、Pacejkaμ-S模型來(lái)表示輪胎模型。本文用雙線形模型來(lái)簡(jiǎn)化輪胎模型[3],如圖2所示。
圖2 輪胎附著系數(shù)特征曲線
公式中:S≤Sc為穩(wěn)定區(qū)域;S>Sc為不穩(wěn)定區(qū)域;Sc為最佳滑移率;S為車(chē)輪滑移率;μg是當(dāng)滑移率為100%時(shí)的附著系數(shù);μh為峰值附著系數(shù)。
如圖3所示,汽車(chē)ABS檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)主體由配重輪支撐架10進(jìn)行支撐,在架子四個(gè)腳裝有可調(diào)裝置,可以用來(lái)對(duì)準(zhǔn)軸心。配重輪7模擬1/4車(chē)體的重量,配重輪通過(guò)軸兩端固定在滑塊上,使得整個(gè)配重輪的重量可以作用在車(chē)輪上,這樣在起動(dòng)電機(jī)時(shí),通過(guò)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)配重輪旋轉(zhuǎn),當(dāng)關(guān)閉電機(jī)開(kāi)始制動(dòng)時(shí),配重輪在慣性力的作用下與車(chē)輪產(chǎn)生滑差,車(chē)輪表面與配重輪表面之間存在一定的摩擦,用來(lái)模擬實(shí)際中汽車(chē)車(chē)輪與路面的表面接觸狀況[4]。車(chē)輪的半徑R=0.3m,配重輪半徑r= 0.15 m。檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)中的制動(dòng)裝置采用傳動(dòng)軸制動(dòng)的形式進(jìn)行試驗(yàn),傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置實(shí)物如圖4,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,加工完的基于電流變效應(yīng)的汽車(chē)ABS檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖5所示。
圖3 汽車(chē)ABS檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)整體構(gòu)成設(shè)計(jì)圖
圖4 傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置
圖5 汽車(chē)ABS檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)
具體檢測(cè)過(guò)程如下:
(1)啟動(dòng)電機(jī)電源,讓電機(jī)高速旋轉(zhuǎn),將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在一定值即使汽車(chē)獲得一個(gè)初速度,并將這一初始值傳送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)接收到信號(hào)后,按下制動(dòng)按鈕,汽車(chē)開(kāi)始進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。
(2)關(guān)閉電機(jī)電源,模擬車(chē)身在慣性力作用下仍高速旋轉(zhuǎn),由于模擬車(chē)身(配重輪)是完全作用在車(chē)輪上,所以此時(shí)車(chē)輪在模擬車(chē)身的作用下仍會(huì)隨著模擬車(chē)身高速旋轉(zhuǎn),在間歇高壓電場(chǎng)下,電流變液的制動(dòng)力矩相應(yīng)發(fā)生變化,使得車(chē)輪的轉(zhuǎn)速也隨之變化,這時(shí)車(chē)輪速度和模擬車(chē)身速度之間就會(huì)發(fā)生偏差,利用車(chē)輪與模擬車(chē)身表面之間的接觸狀況來(lái)模擬車(chē)輪與路面之間的摩擦狀況。
(3)輪速傳感器和模擬車(chē)身速度傳感器分別實(shí)時(shí)采集車(chē)輪和模擬車(chē)身的速度,并傳送到計(jì)算機(jī),通過(guò)LABVIEW軟件實(shí)時(shí)計(jì)算出滑移率S。
(4)實(shí)時(shí)滑移率S與理想滑移率進(jìn)行比較,通過(guò)兩者之差實(shí)時(shí)反饋控制高壓電源的電壓輸出,即實(shí)時(shí)控制高壓電場(chǎng)的變化,將滑移率穩(wěn)定在理想滑移率附近,通過(guò)硬件和軟件的支持,計(jì)算機(jī)將采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理,得出檢測(cè)結(jié)果。
基于電流變液汽車(chē)ABS的制動(dòng)器中采用的是邏輯門(mén)限值的控制方法,選取車(chē)輪減速度和滑移率作為控制參數(shù)。測(cè)試程序主界面如圖6。測(cè)試開(kāi)始前,需要先輸入制動(dòng)裝置的相關(guān)參數(shù),包括上面式子中提到的L、R1、K、h和η0等,然后對(duì)制動(dòng)初速度進(jìn)行設(shè)定,并選擇通信串口。測(cè)試開(kāi)始后,系統(tǒng)根據(jù)配重輪和車(chē)輪的速度計(jì)算出滑移率,并依據(jù)設(shè)定的輪胎模型確定附著系數(shù),同時(shí)計(jì)算出配重輪的減速度和車(chē)輪的角減速度,從而得出車(chē)輪的速度變化情況。根據(jù)實(shí)時(shí)滑移率與參考滑移率的比較,計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)對(duì)制動(dòng)裝置的電壓進(jìn)行控制,一直到車(chē)身速度低于4 km/h時(shí)(在車(chē)身速度低于4 km/h時(shí)采取傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)方式制動(dòng)),測(cè)試結(jié)束,系統(tǒng)的主程序框圖如圖7[5]。
圖6 測(cè)試程序主界面
圖7 測(cè)試系統(tǒng)主程序框圖
以馬自達(dá)牌運(yùn)動(dòng)轎車(chē)RX-7 Turbo 2為測(cè)試對(duì)象,總重M=1585 kg,主減速比:i=3.91,車(chē)輪半徑R=0.3 m。電流變液的顆粒物主要成分是纖維素、液體硅油,且具有較高的抗剪強(qiáng)度滿足制動(dòng)系統(tǒng)的基本要求。系統(tǒng)的控制以PIC16F874A單片機(jī)為核心,通過(guò)單片機(jī)的I/O口,采集計(jì)算兩速度傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)[6],并通過(guò)串口RS232傳送到計(jì)算機(jī),LABVIEW進(jìn)行相關(guān)計(jì)算并輸出相應(yīng)的曲線,測(cè)試系統(tǒng)的研究包含制動(dòng)性能的測(cè)試和防抱死性能仿真兩部分。
5.1制動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果分析
利用搭建好的基于電流變效應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái),將測(cè)試好的電流變液灌進(jìn)傳動(dòng)軸電流變制動(dòng)器,啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)模擬車(chē)身的配重輪運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)其運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到60 km/h時(shí),關(guān)閉電機(jī),同時(shí)在裝滿電流變液的傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置兩端依次施加2~4 kV的電壓,輸出模擬車(chē)身(配重輪)和車(chē)輪的速度變化曲線,加完各層次電壓后輸出的曲線分別如圖8所示。
圖8 測(cè)控系統(tǒng)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果圖
由圖8可以看出,當(dāng)施加在傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置上電流變液的電壓設(shè)置在2kV以內(nèi)時(shí),電流變液體已經(jīng)有發(fā)生電流變效應(yīng),但反應(yīng)的程度較弱,配重輪和車(chē)輪的速度很接近,制動(dòng)效果不明顯。隨著施加在電流變液上設(shè)置的電壓的增加,發(fā)生電流變效應(yīng)的趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)烈,車(chē)輪抱死的時(shí)間也越來(lái)越短,當(dāng)設(shè)置的電壓達(dá)到4kV時(shí),車(chē)輪抱死的時(shí)間僅為6.8s。由此可驗(yàn)證電流變液體在發(fā)生電流變效應(yīng)后對(duì)車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生一定的制動(dòng)作用,而且制動(dòng)的效果隨著施加電壓的增加越來(lái)越明顯,這對(duì)汽車(chē)制動(dòng)器的發(fā)展具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
5.2防抱死性能仿真結(jié)果分析
基于邏輯門(mén)限值的控制算法,測(cè)控系統(tǒng)的防抱死仿真結(jié)果如圖9所示。
圖9 測(cè)控系統(tǒng)防抱死仿真結(jié)果圖
從圖9可以看出,該控制系統(tǒng)基本滿足了汽車(chē)ABS制動(dòng)要求。在初始速度為60 km/h制動(dòng)直至最小制動(dòng)速度的要求(4 km/h)時(shí)制動(dòng)時(shí)間僅為7.376s,制動(dòng)距離為63.24 m,同時(shí)施加在電流變制動(dòng)裝置上的電壓抖動(dòng)較大,尤其最后2 s多電壓、滑移率、附著系數(shù)變化較明顯,但在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中電壓基本控制在4.281 kV左右,滑移率基本穩(wěn)定在0.16,附著系數(shù)基本趨于0.78左右變化。
電流變技術(shù)在汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種創(chuàng)新。試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明,基于電流變效應(yīng)的汽車(chē)制動(dòng)性能可以滿足汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的要求。本文的研究結(jié)果可為電流變技術(shù)在汽車(chē)制動(dòng)器中的應(yīng)用提供進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)未來(lái)汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。然而,在今后的研究中還需考慮更多因素,諸如溫度對(duì)制動(dòng)過(guò)程的影響,高電壓控制的問(wèn)題,及如何優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略縮短制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間,提高制動(dòng)效能的穩(wěn)定性等。
[1]李丹丹.電流變液在工程控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(3):170-171.
[2]牛得學(xué),張媛,李輝.電流變液體軟制動(dòng)器的研究[J].煤礦機(jī)械,2008(2):103-105.
[3]杜峰,閆光輝,關(guān)志偉.汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真中輪胎模型的建模[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2012(21):33-37.
[4]蘇建華,鄭維智.可調(diào)附著力汽車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2015(7):54-57.
[5]吳西,趙強(qiáng).基于滑移率的車(chē)輛ABS的控制算法設(shè)計(jì)及仿真分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2015(1):126-128.
[6]羅浩.基于LabVIEW的汽車(chē)ABS輪速傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2015(13):28-30.
(責(zé)任編輯:朱聯(lián)九)
Study on the Measuring and Controlling System of Automobile ABS Tester Based on the Electrorheological Effect
YANG Kun-quan
(Department of Automobile Engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou,363000,China)
A new anti-lock brake system (ABS) of automobile based on the electrorheological (ER) effect is proposed to solve the following problems existed in the conventional hydraulic ABS with the solenoid valve, such as the shivering problem, the braking lag problem which is caused by the temperature increment during the friction of the brake friction block and the brake disc, etc. The simulation result shows that the new ABS based on ER can anti-lock effectively brake the automobile by adjusting its voltage, and it also satisfies the fundamental requirements of the automobile brake system.
electrorheological effect;ABS;braking performance
U463.526
A
1673-4343(2016)04-0078-06
10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.013
2016-04-17
福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15689);漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(ZZY1418)
楊坤全,男,福建長(zhǎng)泰人,講師。主要研究方向:機(jī)械與汽車(chē)工程。