客車整車制動穩(wěn)定性硬件在環(huán)仿真研究

陸　藝，薛　劍，徐博文，吳佳偉

（1.中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.簡式國際汽車設(shè)計北京有限公司，北京 102206）

客車整車制動穩(wěn)定性硬件在環(huán)仿真研究

陸藝1，薛劍2，徐博文1，吳佳偉1

（1.中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.簡式國際汽車設(shè)計北京有限公司，北京 102206）

針對客車在轉(zhuǎn)彎或有側(cè)向干擾時的制動穩(wěn)定性分析中存在氣制動系統(tǒng)建模非線性誤差和實車實驗?zāi)M困難、危險性大等問題，采用硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)設(shè)計一套客車整車制動穩(wěn)定性仿真測試系統(tǒng)。首先搭建客車氣制動系統(tǒng)的硬件實物平臺，運用Matlab/Smulink建立轉(zhuǎn)彎時的車體、輪胎、制動器的仿真模型，采用Matlab/xPC的實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)對客車制動時的制動氣室輸出力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實時反饋至車輛動力學(xué)仿真模型。系統(tǒng)對客車轉(zhuǎn)彎時及有側(cè)向力影響下的制動穩(wěn)定性進(jìn)行測試分析，試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)采樣頻率為1kHz，輸出力分辨率為10N，可以直觀地顯示車輛的制動過程及結(jié)果，能夠很好地對客車制動穩(wěn)定性能進(jìn)行測試分析，為國內(nèi)客車整車制動性能的提高提供一個良好的研究平臺。

硬件在環(huán)；Matlab/xPC；整車動力學(xué)模型；制動穩(wěn)定性；仿真技術(shù)；氣壓制動

0　引　言

汽車的制動性能是影響汽車行駛安全的直接原因，由制動系統(tǒng)決定，良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障[1]。汽車的制動過程是一種強非線性過程，尤其是在轉(zhuǎn)彎時進(jìn)行制動操作的危險性很大。汽車表現(xiàn)出的制動性能與汽車制動底盤的布置和制動系統(tǒng)各部分的參數(shù)有關(guān)[2]。然而目前在制動性能的研究中實車試驗風(fēng)險大、容易受到天氣、環(huán)境等因素制約，并且純理論仿真控制效果不夠直觀，仿真環(huán)境過于理想化，難以真實反映復(fù)雜的實際情況[3-4]；因此采用硬件在環(huán)仿真方式，將實際系統(tǒng)中模擬困難或純仿真試驗中非線性因素難以表現(xiàn)的硬件設(shè)備通過計算機(jī)連接到仿真環(huán)境，進(jìn)行試驗，提高仿真效果[5]。

國內(nèi)外對于硬件在環(huán)在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)有了很廣泛的研究，如對汽車ESP、偏航穩(wěn)定性、ABS、汽車牽引力、自動變速器等硬件在環(huán)研究，但是對于汽車氣制動系統(tǒng)的硬件在環(huán)研究較少。對于汽車整車動力學(xué)仿真模型的相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟，如十四自由度、十五自由度、十七自由度、十八自由度模型等可以用來仿真汽車行駛時全部工況的多自由度模型。對于輪胎動力學(xué)的研究也已經(jīng)較為成熟，如理論模型Fiala模型、Pacejka弦模型、Gim模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚆agic Formula模型和半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢缰笖?shù)模型等。各國學(xué)者在進(jìn)行整車制動性能研究時對制動系統(tǒng)一般采用理論建模的方法，直接表現(xiàn)為制動力矩和管路壓力的線性關(guān)系，如AshleyL.Dunn建立的制動力矩與制動壓力的盤式制動器線性經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚6]，建立氣壓ABS仿真測試系統(tǒng)時把制動力矩表現(xiàn)為與制動管路氣壓的線性關(guān)系等[7-8]。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對于汽車硬件在環(huán)的研究較早，近年逐步應(yīng)用到車輛研究中，針對車輛研究的范圍較廣，但是針對整車氣制動系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)非常缺乏，對制動系統(tǒng)一般采用理論建模的方法將制動管路的延遲理想化，不考慮制動管路的滯后性等因素，與實際制動過程中力矩的產(chǎn)生有很大的誤差。因此設(shè)計了一套基于硬件在環(huán)的客車整車制動穩(wěn)定性仿真測試系統(tǒng)。

依據(jù)GB 7258——2012《機(jī)動車運行安全技術(shù)條件》[9]、GB 12676——2014《汽車制動系結(jié)構(gòu)、性能、和試驗方法》[10]對制動試驗的要求，結(jié)合Matlab/xPC、Matlab/Smulink以及氣制動系統(tǒng)硬件實物搭建了客車整車制動穩(wěn)定性硬件在環(huán)仿真試驗平臺，并對緊急制動條件下的客車轉(zhuǎn)彎時及側(cè)向力影響下的制動性能穩(wěn)定性進(jìn)行了測試分析。

1　系統(tǒng)原理設(shè)計

根據(jù)客車整車制動穩(wěn)定性測試系統(tǒng)的要求，提出了硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案，包括實時平臺、氣制動系統(tǒng)硬件和仿真模型3部分。其中實時平臺由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)以及通信設(shè)備組成；氣制動系統(tǒng)硬件按照實際制動系統(tǒng)搭建；仿真模型根據(jù)整車動力學(xué)模型在宿主機(jī)中建立?？蛙囌囍苿臃€(wěn)定性硬件在環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1硬件以及實時平臺

實時平臺的宿主機(jī)安裝Matlab/Simulink，主要負(fù)責(zé)汽車仿真模型建立、參數(shù)配置、試驗過程的控制及測試結(jié)果實時監(jiān)控和顯示。目標(biāo)機(jī)采用Matlab/xPC方式將計算機(jī)配置成為實時環(huán)境，是仿真模型運行的載體。目標(biāo)機(jī)安裝數(shù)據(jù)采集卡和運動控制卡，仿真時根據(jù)模型參數(shù)配置確定當(dāng)前車輛狀態(tài)，通過向運動控制卡發(fā)送信號以實現(xiàn)氣制動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)采集卡接收氣制動系統(tǒng)硬件信號。宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)通過局域網(wǎng)的TCP/IP方式連接。程序運行時宿主機(jī)起到監(jiān)視和控制的作用，試驗數(shù)據(jù)可以實時地傳回主機(jī)進(jìn)行顯示或后期保存。

氣制動系統(tǒng)按照實際的制動系統(tǒng)布置搭建，圖2是客車整車制動系統(tǒng)的硬件組成示意圖，主要包括制動系統(tǒng)硬件部件、傳感器、電機(jī)加載部分。系統(tǒng)運行時，制動總閥在電機(jī)加載力作用下開啟和切斷制動回路，控制制動系統(tǒng)工作，制動總閥輸出的氣壓作為繼動閥輸入氣壓輸出至繼動閥促使繼動閥快速向制動氣室充氣，制動氣室充氣后開始作用，推桿產(chǎn)生輸出力。制動氣室推桿輸出力通過力傳感器傳遞至目標(biāo)機(jī)。伺服電機(jī)在運動控制卡的控制下實現(xiàn)制動系統(tǒng)的緩慢、快速加載等，用于模擬常用制動、緊急制動、快速制動等制動情況；制動氣室作為制動系統(tǒng)的輸出部分連接力傳感器向仿真模型提供實時仿真數(shù)據(jù)。

圖2　客車制動系統(tǒng)的氣路原理圖

1.2仿真模型的建立

車輛模型選取了七自由度的四輪簡化車輛模型進(jìn)行車體的受力分析和運動分析，包括整車縱向、橫向、橫擺運動自由度，以及4個車輪繞其自身旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)自由度，根據(jù)測試項目，七自由度車輛模型在縱向橫向橫擺的運動自由度可以充分滿足測試需求?？蛙囌囍苿佑布诃h(huán)試驗平臺的軟件結(jié)構(gòu)以及車輛動力學(xué)模型方案如圖3所示。

圖3　車輛動力學(xué)模型方案

其中七自由度車輛模型在縱向、橫向、垂向上的平衡計算公式如下：

式中：Iz——汽車?yán)@相對坐標(biāo)軸z軸的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；

u——車輛縱向速度，m/s；

ν——車輛橫向速度，m/s；

γ——車輛橫擺角速度，rad/s；

Fx——各個車輪受到的縱向力，N；

Fy——各個車輪受到的側(cè)向力，N；

Mz——橫擺力矩，N·m。

根據(jù)整車制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)測試項目對輪胎模型的要求，選用了通用性強、公式簡潔的GIM理論輪胎模型進(jìn)行建模。將車輪與地面的接觸面長度分為粘著域（0～ε）和滑動域（ε～l）。在粘著域內(nèi)，附著力由輪胎表面的切線彈性力決定；在滑動域內(nèi)，附著力由滑動摩擦應(yīng)力決定，整個輪胎接地面的縱向、橫向附著力為

式中：Cs——車輪縱向剛度，N/m3；

Ca——車輪橫向剛度，N/m3；

ss——車輪縱向滑移率；

sa——車輪橫向滑移率；

ssc——車輪縱向臨界滑移率；

sac——車輪橫向臨界滑移率；

μx——輪胎縱向附著系數(shù)；

μy——輪胎橫向附著系數(shù)；

ln——輪胎接地線長度的無量綱值，定義為ln=ε/l。

選取了領(lǐng)從蹄式鼓式制動器建立模型，其數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)為制動氣室輸出力和制動器輸出力矩的關(guān)系，是氣制動系統(tǒng)硬件和仿真模型的連接部分，數(shù)學(xué)公式為

式中：η——制動器效率系數(shù)；

k——制動器效能因數(shù)；

R——制動氣室輸出力，N。

1.3測試系統(tǒng)工作原理

宿主機(jī)建立完成的仿真模型經(jīng)過編譯生成目標(biāo)機(jī)文件，并下載至目標(biāo)機(jī)實時內(nèi)核中，待宿主機(jī)發(fā)送啟動命令后，仿真系統(tǒng)開始運行，運行時仿真系統(tǒng)首先向電機(jī)發(fā)出加載信號，并開始采集硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)。電機(jī)對總閥的加載使氣制動系統(tǒng)開始工作，制動系統(tǒng)壓力傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳遞至數(shù)據(jù)采集卡。目標(biāo)機(jī)實時程序計算得到車體的運動狀態(tài)，并實時顯示制動情況（包括車體速度、位移、加速度等），制動過程完成后，模型運行停止，電機(jī)進(jìn)行退加載操作，釋放氣制動系統(tǒng)。

2　實驗結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 7258——2012對行車制動時制動協(xié)調(diào)時間的要求，設(shè)計制動系統(tǒng)制動協(xié)調(diào)時間為0.58s，在此加載條件下對客車轉(zhuǎn)彎時及側(cè)向力影響條件下的制動性能穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。試驗樣車為乘用客車，其參數(shù)如表1所示，實驗中選取的路面附著系數(shù)值如表2所示。

表1　整車參數(shù)

表2　各種路面條件附著系數(shù)

圖4　轉(zhuǎn)彎制動結(jié)果

2.1制動過程中方向穩(wěn)定性分析

制動過程中方向穩(wěn)定性是指車輛在減速過程中可以按照預(yù)定方向行駛的能力，其中方向穩(wěn)定性由前輪決定，制動穩(wěn)定性與后輪防滑能力和兩側(cè)車輪制動力有關(guān)。在上述緊急制動加載條件下，分別對客車按預(yù)定彎道行駛的能力、直線行駛能力、以及對開路面上的行駛能力進(jìn)行分析。

2.1.1按預(yù)定彎道行駛的能力分析

前輪轉(zhuǎn)角輸入為0.04 rad時，在高附著路面系數(shù)路面上，以72km/h的初速進(jìn)行制動的試驗結(jié)果如圖4所示。

制動完成后，車輛縱向移動的距離為28.85 m，橫向移動的距離為8.84m，由試驗結(jié)果得到，車輛橫向速度變化較大，且制動試驗完成后不為0m/s，約為13.24m/s，車輛左前輪、右前輪、左后輪、右后輪分別在0.96，0.96，1.14，1.15s時抱死，橫擺角速度不斷增大，至制動結(jié)束后為1.98rad/s，說明車輛已經(jīng)出現(xiàn)滑移，失去了穩(wěn)定性。

2.1.2直線行駛時的方向穩(wěn)定性分析

在高附著系數(shù)路面上，以初始制動速度72km/h進(jìn)行直線制動試驗時，在車輛質(zhì)心處加以大小為1000N的側(cè)向干擾力，制動結(jié)果如圖5所示。

圖5　有側(cè)向力干擾時制動結(jié)果

制動完成后，車輛縱向移動的距離為36.02m，橫向移動的距離為0.69 m，前輪在1.0 s、后輪在1.24 s時抱死，在車輪抱死后，車輛橫向速度出現(xiàn)不可控趨勢，直至制動完成后橫向速度為1.8m/s，車輛失去穩(wěn)定性控制。車輪橫擺角速度在車輪全部抱死之前幅值較小，后輪抱死時橫擺角速度僅為0.015rad/s，車輪全部抱死后急劇增大。車輛已經(jīng)失去了穩(wěn)定性，容易發(fā)生滑移等危險工況。

2.2對開路面測試分析

車輛在對開路面條件下制動時由于左右輪胎受到的地面制動力不同而引起車身橫擺或者側(cè)滑而引發(fā)制動危險工況。對開路面設(shè)定客車右邊輪胎處于附著系數(shù)較大的路面上，左側(cè)輪胎處于附著系數(shù)較小的路面上，以初速度分別為30，72 km/h在無側(cè)向力干擾條件下進(jìn)行制動試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6　對開路面試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果得到，車輛進(jìn)行制動試驗時處于低附著系數(shù)路面上的車輪即左側(cè)車輪抱死時間更早，并且車輪全部抱死之后車輛橫向速度和橫擺角速度幅值繼續(xù)增大。對于初速度為30km/h時的制動試驗，車輛縱向、橫向制動距離較小，試驗中車輛的橫向速度和橫擺角速度幅值和變化較小，并且在制動完成后橫向速度和橫擺角速度變?yōu)?m/s，說明車輛對地面制動力不平衡的調(diào)節(jié)效果良好。

對于制動初速度為72km/h時的制動試驗，車輛制動距離較大，試驗中橫向速度和橫擺角速度變化幅值較大且制動完成后橫向速度為0.10m/s，同時橫擺角速度達(dá)到最大值1.31rad/s，并且車輪側(cè)傾角變化幅度較大，說明制動過程極其不穩(wěn)定，實際中可能出現(xiàn)側(cè)滑、側(cè)翻偏離行駛軌道的危險。由此，車輛行駛在對開路面時應(yīng)該盡量減小行駛速度，以減小危險發(fā)生的可能性。

2.3制動性能影響因素分析

在不同的初始制動速度、地面附著系數(shù)條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)彎時、側(cè)風(fēng)作用下制動穩(wěn)定性的試驗，以及不同側(cè)風(fēng)大小、前輪轉(zhuǎn)角大小條件下的制動穩(wěn)定性試驗，并進(jìn)行了對比分析。試驗結(jié)果表明，初始制動速度越大、地面附著系數(shù)越低、側(cè)風(fēng)越大越易出現(xiàn)危險工況。由于客車并沒有安裝防抱死裝置，在制動試驗中均出現(xiàn)車輪全部抱死的情況，即使在較小側(cè)向干擾、初始制動速度較小時也會出現(xiàn)側(cè)滑等工況，說明車輪抱死對制動穩(wěn)定性影響最為明顯，大客車應(yīng)安裝防抱死裝置避免抱死現(xiàn)象。

3　結(jié)束語

本文針對客車轉(zhuǎn)彎時制動或有側(cè)向干擾時制動操作中車輛表現(xiàn)出的制動穩(wěn)定性，采用硬件在環(huán)技術(shù)結(jié)合七自由度車輛模型設(shè)計了一套客車整車制動穩(wěn)定性仿真測試系統(tǒng)，并對客車的制動性能穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗分析。結(jié)果表明系統(tǒng)可以直觀體現(xiàn)制動過程中車輛的運動狀態(tài)，并為客車的制動穩(wěn)定性的分析研究提供試驗依據(jù)。

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[9]機(jī)動車運行安全技術(shù)條件：GB 7258—2012[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[10]汽車制動系結(jié)構(gòu)、性能、和試驗方法：GB 12676—2014[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2014.

（編輯：李妮）

Research on hardware-in-the-loop simulation of bus braking stability

LU Yi1，XUE Jian2，XU Bowen1，WU Jiawei1
（1.China JiLiang University，Hangzhou 310018，China；2.Jasmin Design，Beijing 102206，China）

A simulation testing system for whole-bus braking stability is designed to solve the problems in brake stability of buses turning a corner or encountering side lateral interferences，such as modeling nonlinear errors in air brake systems or difficulties and dangers in real vehicle experiments，according to hardware-in-the-loop data acquisition technology.First，a physical hardware platform is built for air brake system.Second，simulation models for vehicle，tire and brakearerespectivelyestablishedviaMatlab/Smulink.Third，theoutputforceofthebrake chamber is collected by means of Matlab/xPC real-time data acquisition technology and further fed back to dynamical simulation models.This system is applied to test the brake stability of the bus turning a corner or under the influence of lateral interferences.According to the test results，the sampling frequency and output force resolution of the system are 1kHz and 10N respectively.With this system，the braking processes and results have been visually displayed and the braking stability performance have been better tested and analyzed.It has provided a good research platform for improving the braking performances of home-made buses.

hardware-in-the-loop；Matlab/xPC；vehicle dynamic model；braking stability；simulation technology；air brake

A

1674-5124（2016）03-0128-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.029

2015-06-01；

2015-08-05

國家質(zhì)檢總局公益行業(yè)科研項目（201310284）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃（2014C31105）

陸藝（1979-），男，江蘇揚州市人，副教授，碩士，研究方向為精密測試技術(shù)研究以及汽車零部件檢測。