基于底盤測功機的乘用車制動器溫度場性能測試與評價

王鴻飛，方 華，丁文俊*，韓 鵬

(1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.中國定遠汽車試驗場，安徽 定遠 23310)

我國地域廣闊，山區(qū)與平原道路條件差異明顯，山區(qū)受地貌影響，盤山公路密布，車輛常常行駛在連續(xù)下長坡道上。這要求汽車提高可靠穩(wěn)定的制動性能，其穩(wěn)定性主要受制動器摩擦材料的影響[1-2]，而摩擦材料的基本屬性是溫度升高會使摩擦材料的表面膜、機體表層發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，引起摩擦系數(shù)發(fā)生明顯變化[3]。在連續(xù)下長坡工況中，90%汽車的動能通過摩擦副摩擦做功轉(zhuǎn)化為熱能[4-5]，使制動器溫度上升，降低了汽車的制動穩(wěn)定性。

摩擦材料的這種特性使制動器的制動性能隨溫度變化而發(fā)生改變，因此需要對制動器制動性能隨溫度變化規(guī)律進行測試。

目前，國內(nèi)外對制動器溫度場的研究主要側(cè)重于仿真建模與熱應(yīng)力分析。以盤式制動器為研究對象，建立三維分析模型，對不同制動工況溫度場進行仿真分析，得到壓應(yīng)力分布圖[5-8]。以鼓式制動器為研究對象，建立熱-機耦合三維有限元模型并進行慣性制動工況數(shù)值仿真，得到鼓式制動器耦合瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果[9]。通過對鼓式制動器慣性制動時蹄鼓摩擦接觸狀態(tài)的研究，分析接觸副摩擦因數(shù)溫度特性對制動器溫度場的影響[10]?；谟邢拊治鲕浖?，采取相關(guān)手段，如間接耦合法，分析計算制動器的熱應(yīng)力場，并明確熱應(yīng)力場的變化趨勢[11-14]。靈活運用Starccm+軟件與Rad Therm軟件耦合分析制動盤溫度場瞬態(tài)狀態(tài)，以期解決汽車制動盤在整車熱容量工況下的溫度變化問題[15]。綜上所述，可以看出目前國內(nèi)外對制動器溫度場的研究主要以一副制動器為研究對象，依靠計算機技術(shù)對制動器溫度分布進行描述。與實際行駛過程的制動器溫度相比，研究方法具有吻合度不高、表征不準確等缺點，迫切需要一種以整車制動器為研究對象的測試與評價方法。

底盤測功機的優(yōu)點是試驗過程加載可控和可輸出輪邊力信息等[16-17]。本文研究基于底盤測功機的乘用車溫度場性能測試與評價方法，基于理論分析加試驗研究的方法，構(gòu)建了測試系統(tǒng)，可在底盤測功機上進行溫度場性能測試，并進行試驗研究，為溫度場性能測試和評價提供一種有效的解決方案。

1 測試系統(tǒng)

在連續(xù)下長坡工況中，駕駛員通過制動系統(tǒng)降低汽車行駛車速，其動能由制動器摩擦副通過摩擦做功的方式轉(zhuǎn)化為熱能，使制動器溫度上升。同時，制動器也與周圍空氣及其他元器件進行熱交換，從而降低了溫度。溫度場試驗的原理就在于通過設(shè)定特定工況模擬連續(xù)下長坡工況，測量制動器溫度上升和下降的速率，從而評價制動器的熱敏感性。這要求測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采樣頻率高?；诖?，本文設(shè)計了基于虛擬儀器的乘用車溫度場性能測試系統(tǒng)，硬件架構(gòu)如圖1所示，主要傳感器技術(shù)指標如表1所示。

圖1 測試系統(tǒng)架構(gòu)

測試系統(tǒng)由傳感器組、以cRIO及其C模塊為核心的數(shù)據(jù)采集器、便攜式計算機3部分組成。其中，氣體壓力傳感器獲取制動管路壓力，溫度傳感器提供制動器摩擦副及制動液溫度信息，制動踏板力傳感器和角位移傳感器提供駕駛員腳踩制動踏板信息，底盤測功機提供輪邊力和車速信息。數(shù)據(jù)采集器運行RT程序，同步采集上述信息，并通過網(wǎng)線上傳至便攜式計算機進行實時處理和顯示。

1.1 主要傳感器選型

底盤測功機可以輸出輪邊力、速度等信號供采集器采集，要求測量精度均不低于0.1%FS，同時具有模擬道路坡度功能[18]。最終選擇奧地利AVL48″性能底盤測功機，其輪邊力和速度測量精度均為0.1%FS，滿足要求。另外，本試驗中確定底盤測功機驅(qū)動模式為四驅(qū)道路模式(詳見2.1)。

氣體壓力傳感器是用于測量制動管路制動液壓力，要求測量精度均不低于0.1%FS。溫度傳感器用于測量制動器制動時摩擦副工作溫度及制動液溫度，要求測量誤差小于1 ℃。氣體壓力傳感器通過三通串連在制動管路中，同時保證密封性良好。溫度傳感器要求易于穿過放氣閥孔洞(自行設(shè)計)與制動液緊密接觸。經(jīng)過調(diào)研論證，最終選擇了美國GE公司PTX610氣體壓力傳感器和K型熱電偶溫度傳感器，測量精度分別是0.05%FS和0.1 ℃。制動踏板力傳感器和角位移傳感器分別用于測量駕駛員操作制動踏板的操作力和角度，其測試精度分別要求0.1%FS和1°。制動踏板周圍空間狹小，并且制動踏板面為曲面，傳感器布置時位置要合理，不可改變駕駛員的駕駛習(xí)慣和舒適性。最終選擇了德國HKM公司制動踏板力傳感器和美國VectorNav公司慣性測量單元VN100，其測量精度分別是0.1%FS和0.5 ℃。踏板力傳感器可直接安裝在制動踏板上方，角位移傳感器緊貼在制動踏板桿側(cè)面。這4個傳感器體積小巧，現(xiàn)場安裝使用方便，精度滿足測試要求[19]。

1.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是整個測試系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)為車載測試設(shè)備，對可靠性和實時性有較高要求。最終選用美國NI公司的cRIO9082作為數(shù)據(jù)采集器控制器，基于LabVIEW可重配置I/O架構(gòu)，工業(yè)級可靠性，封裝堅固耐用，運行實時系統(tǒng)。選型C模塊插入控制器機箱中，模擬輸入模塊NI9229對制動踏板力、輪邊力和制動液壓力信息進行采集，數(shù)字模塊NI9411對車速信息進行收集，溫度模塊NI9214對溫度信息進行采集，通過cRIO9082自帶串口對角位移傳感器信號采集。該系統(tǒng)為虛擬儀器，將來可根據(jù)應(yīng)用需要進行方便的功能擴展。

表1 主要傳感器設(shè)備性能指標

1.3 軟件架構(gòu)

測試系統(tǒng)軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集器軟件和上位機軟件[20]。數(shù)據(jù)采集器軟件運行在數(shù)據(jù)采集器中，實現(xiàn)各傳感器信號的解析并通過UDP通訊發(fā)送給上位機。上位機軟件運行在PC機中，實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、實時顯示、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)處理查看等功能。軟件架構(gòu)如圖2所示。

軟件設(shè)計目標是實時穩(wěn)定、人機交互感好、占用資源少?；诖四繕塑浖O(shè)計時采用模塊化編程方式，利用并行結(jié)構(gòu)、FIFO、功能型全局變量等技術(shù)手段，實現(xiàn)測試系統(tǒng)軟件的編寫，經(jīng)測試程序滿足設(shè)計目標要求。

2 測試與評價方法

2.1 底盤測功機驅(qū)動模式

根據(jù)驅(qū)動形式不同，底盤測功機道路模式可細分為四驅(qū)和前驅(qū)模式。為了研究合適的底盤測功機模式，設(shè)計專門的對比試驗，即分別設(shè)置底盤測功機為前驅(qū)、四驅(qū)模式，啟動發(fā)動機和風(fēng)機，掛空擋，底盤測功機拖動試驗車，將車速加速至約30 km/h，試驗操作員設(shè)置底盤測功機加載坡度為-9.5%的坡道阻力，駕駛員通過腳踩制動踏板維持車速在20 km/h，試驗樣車行駛里程達到15 km，試驗結(jié)束。從表2和圖2中可以看出，在相同的控制條件下，樣車重力沿-9.5%坡道分力與道路阻力之和(1 574.4 N)約等于四驅(qū)模式時整車測功機輪邊力(1 651.79 N)，而遠小于前驅(qū)模式時整車測功機輪邊力(1 912.49 N)，基于此，四驅(qū)模式更適合溫度場試驗。不同驅(qū)動模式的車速和測功機輪邊力對比如圖3所示。

圖 2 軟件架構(gòu)圖

底盤測功機模式前輪測功機輪邊力均值/N后輪測功機輪邊力/N整車測功機輪邊力/N樣車重力沿-9.5%坡道分力/N道路阻力/N前驅(qū)1 602.57309.921 912.49四驅(qū)1 286.60364.561 651.791 390.3184.1

2.2 測試方法

設(shè)置底盤測功機為四驅(qū)道路模式，通過升溫工況和降溫工況綜合測試溫度場性能，具體方法如下。

測試準備：測試車輛按照規(guī)范固定在底盤測功機上，設(shè)置環(huán)境倉溫度為恒溫。

升溫測試：升溫測試前，底盤測功機驅(qū)動測試車輛進行熱車。從制動器開始處于熱態(tài)時進行測試，即4個制動器的平均溫度為第一設(shè)定值ta，對底盤測功機進行設(shè)置，其中包括底盤測功機模式、加載阻力、坡度和風(fēng)機風(fēng)速等。參考國標[21]，采用恒速連續(xù)下長坡工況對制動器進行加熱，其可選坡度有6%～10%，穩(wěn)定行駛距離6～10 km，考慮到試驗安全，當制動器溫度超過安全溫度也可終止試驗。試驗時，駕駛員通過踩制動踏板維持車速在第二恒定值，行駛里程達到第三設(shè)定值或4個制動器的平均溫度超過第四設(shè)定值tb，升溫測試結(jié)束，關(guān)閉底盤測功機和風(fēng)機并停車。

圖 3 不同驅(qū)動模式的車速和測功機輪邊力對比曲線

降溫測試：升溫測試結(jié)束后，制動器自然冷卻；待4個制動器平均溫度降到第五設(shè)定值tc開始進行降溫測試，歷經(jīng)設(shè)定的時間后，降溫測試結(jié)束，并計算此時4個制動器的平均值td。

2.3 評價指標

整車溫度場評價指標有平均升溫速率、平均降溫速率和制動器平均溫度最大值，其中制動器平均溫度最大值和平均升溫速率評價整車溫度場升溫特性，計算公式如下：

(1)

平均降溫速率和制動器溫度平均值評價整車溫度場的降溫特性，計算公式如下：

(2)

式中：tc為第五設(shè)定值，℃；td為平均值，℃；td為從tc降至td的歷經(jīng)時間，s。

3 實車試驗

3.1 試驗概述

在江淮汽車技術(shù)中心乘用車性能底盤測功機上對某乘用車進行整車溫度場測試。試驗設(shè)備安裝如圖4所示，試驗樣車制動器前盤后鼓，每副制動器均布置了兩個溫度傳感器，以打穿孔的方式安裝在試驗樣車制動器制動蹄片上，傳感器距蹄片摩擦面約2～3 mm，在4個制動液排氣孔均安裝了自行研發(fā)的制動液溫度傳感器，并在前輪輪缸制動液軟管處借助三通安裝了制動液壓力傳感器。試驗方法如3.2節(jié)所述。測試車輛的整車裝備質(zhì)量1 340 kg，基于道路滑行和底盤阻力試驗獲得底盤測功機加載阻力166.88 N 。

1-摩擦片穿孔；2-盤式制動器K型熱電偶安裝；3-鼓式制動器K型熱電偶安裝；4-踏板力傳感器；5-角位移傳感器；6-制動踏板；7-底盤測功機；8-試驗樣車；9-三通；10-制動液壓力傳感器；11-制動液K型熱電偶安裝

圖 4 試驗設(shè)備安裝圖

為了使制動器附件溫度達到試驗要求，試驗前進行熱車。熱車方式是底盤測功機以20 km/h車速反拖試驗樣車，并啟動發(fā)動機和風(fēng)機，當整車制動器溫度為100 ℃左右，制動器吹風(fēng)冷卻至70 ℃，熱車結(jié)束。

試驗時采用四輪驅(qū)動的道路模式。啟動發(fā)動機和風(fēng)機，掛空擋，底盤測功機拖動車輛至20 km/h，試驗操作員設(shè)置底盤測功機加載坡度為-9.5%的坡道阻力，駕駛員通過腳踩制動踏板維持車速在20 km/h，試驗樣車行駛里程達到15 km，制動升溫過程結(jié)束。關(guān)閉風(fēng)機，制動器自然冷卻至100 ℃，之后開啟風(fēng)機吹風(fēng)冷卻至70 ℃，降溫過程結(jié)束。采集制動器溫度、制動液溫度、制動管路壓力、制動踏板角位移和踏板力、底盤測功機輪邊力。重復(fù)一次。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析與評價

圖5(a)為兩組試驗速度曲線。為了評價車速控制品質(zhì)，提取速度曲線的均值和標準差，計算概率指標(20±1 km/h)并進行評價，兩組試驗過程中車速均值分別為19.86、19.70 km/h，與試驗要求20 km/h差別不大。受制動器溫度上升，制動器制動效能變化的影響，駕駛員跟蹤車速需動態(tài)微調(diào)制動踏板，兩組試驗駕駛員控制車速在19～21 km/h的概率僅72.19%、60.30%，但兩組試驗車速均值相近，表明兩組制動器加熱輸入能量相近，且均與目標值相近，總體而言，制動器加熱能量輸入滿足要求。

圖5(b)—(e)分別是制動踏板力、制動踏板角位移、制動管路壓力和測功機輪邊力曲線。從圖5(b)中可以看出，制動踏板力維持在25 N左右，制動踏板角度從約8度減小至4度之后又增大。從圖5(c)中可以看出呈現(xiàn)周期性變化。從圖5(d)中可以看出，制動管路壓力在900 kPa左右，并有減小的趨勢。從圖5(e)中可以看出，輪邊力幾乎穩(wěn)定。綜上所述，駕駛員為了跟蹤目標車速，不斷調(diào)整制動踏板角位移，而制動管路壓力雖然有減小趨勢，但變化不大。這種因果效應(yīng)傳遞到車輪時沒有引起輪邊力波動，表明試驗輸入物理量的控制品質(zhì)較好，滿足試驗要求。

圖5(f)—(h)分別是制動液溫度、制動器溫度(不同測點)和整車制動器溫度曲線。從圖5(f)中可以看出：制動液溫度在制動過程中不斷升高，不同輪缸處變化趨勢相同；最高制動液溫度約175 ℃，未超過制動液沸點220 ℃，滿足試驗條件。從圖5(g)中可以看出：在制動過程中制動器溫度不斷升高，并且各個測點變化趨勢相同；同一個制動器相同時刻兩個測點溫度差異不明顯，最大溫度差值均在10 ℃以內(nèi)，而不同制動器的溫度差異明顯。

圖 5 實車試驗曲線

因溫度場試驗是側(cè)重研究整車性能試驗，所以將各個溫度傳感器測定值的均值作為試驗結(jié)果，并名為整車制動器溫度，如圖5(h)所示。為了平滑曲線，對包含最高溫度的溫度區(qū)間進行擬合處理，提取最高溫度信息。從圖5(h)中可以看出，該車整車制動器最高溫度第一組為311.44 ℃，第二組為316.78 ℃，兩組相差5.34 ℃，其均值314.11 ℃。兩組試驗均是自然冷卻至100 ℃，第一組降溫時間為2 389.06 s，第二組降溫時間是2 386.90 s，兩組相差2.16 s，其均值2 387.98 s。溫度場試驗降溫特性一致性好，降溫時間變異系數(shù)為0.06%，該試驗樣車的降溫時間為2 387.98 s?；诖耍梢缘贸鲈撥嚨恼囍苿悠髯罡邷囟葹?14.44 ℃，升降溫特性一致性較好，試驗方法具有良好重復(fù)性。

4 結(jié)論

1)本文提出了一種基于底盤測功機的乘用車制動器溫度場性能測試和評價方法。其主要特征是基于整車層面解析制動器溫度變化特性，經(jīng)實車試驗驗證了該方法有效可行。

2)測試系統(tǒng)中所構(gòu)建的整車制動踏板力-制動踏板角位移-制動管路壓力-底盤測功機輪邊力閉環(huán)系統(tǒng)為整車制動器溫度場性能競品分析提供了有效手段。