基于計算機模擬的汽車制動性能分析與試驗驗證探究

謝 靜

（1.四川開放大學(xué)，四川 成都 610107；2.四川華新現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610107）

0 引言

汽車制動性能水平與交通運輸安全密切相關(guān)，通過試驗驗證、計算機模擬可以更準(zhǔn)確地評估汽車制動性能狀態(tài)，以判斷汽車是否能夠正常投入使用。因此，為了保證汽車的使用安全，須深入分析計算機模擬、試驗驗證這兩種汽車制動性能檢測方法，以總結(jié)出更加科學(xué)的汽車制動檢測方案，保障汽車可以安全地投入使用，從而提升汽車制造水平。

1 汽車制動性能分析

汽車制動功能的運行主要依靠配套的制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過向車輪施加一定的作用力，可以實現(xiàn)對汽車的強制減速或停車控制；同時，也能夠讓汽車在各類道路條件下保持平穩(wěn)的車速或穩(wěn)定駐車。由此可見，汽車制動性能在汽車安全運行方面可以發(fā)揮決定性的作用。因此，在汽車出廠投入使用之前，制造廠家需要對汽車進行制動性能分析，以判定汽車制動性能狀況是否滿足使用要求，確保汽車能夠正常投入使用。目前，測試汽車制動性能的方法包括路試法、反力滾筒法以及試驗臺法等，這些方法的步驟較為煩瑣，所需的人工、時間成本也比較高，因此在大量汽車的制動性能分析中存在一定的適用性問題。為了解決上述問題，研究者提出運用計算機技術(shù)，通過模擬汽車的制動運行并對模擬結(jié)果進行分析，實現(xiàn)評估汽車制動性能的目標(biāo)，從而利用計算機模擬法高度自動化的優(yōu)勢特征壓縮汽車性能測試周期和成本。為了測試該方法的可行性，研究者在運用計算機模擬法進行汽車制動性能分析的同時還運用傳統(tǒng)的試驗法對計算機模擬分析結(jié)果進行驗證，評估計算機模擬法的可靠性，以期為汽車制動性能檢測工作提供依據(jù)。

2 汽車制動性能計算機模擬分析

2.1 制動性能理論計算模型

在建模過程中需要先明確汽車的制動過程，按照制動過程列出相應(yīng)的函數(shù)來代表各項制動運作程序，從而形成完整的制動性能理論計算模型，進而保證建模的準(zhǔn)確性。其中，在制動過程中，汽車制動速度、制動時間關(guān)系如圖1所示。制動過程主要包括以下4個階段：1） 第一階段時長為。該階段是駕駛員從接到制動信號到采取制動行為的階段，即踩制動踏板的階段。2） 第二階段時長為。其中，在時長內(nèi)駕駛員踩上踏板，形成制動力矩，可以將這段時間定義為制動系統(tǒng)反應(yīng)時間。一般來說，如果是氣壓制動，那么這段時間的時長應(yīng)該為0.050 s ~0.060 s；如果是液壓制動，那么時長為0.015 s~0.030 s。該時間段內(nèi)踏板的功效主要被用于克服制動運行阻力，例如機械摩擦力等。此后，在時間段內(nèi)制動力矩開始逐步進入穩(wěn)定狀態(tài)。這一過程中系統(tǒng)的制動力不斷增加（達到一定水平后停止），此時制動器開始發(fā)揮作用。因此，可以將=+這段時間定義為制動器起作用時間。3） 第三階段時長為。此時制動力矩處于穩(wěn)定制動運行狀態(tài)，該階段通常持續(xù)到停車或危險解除后，駕駛員松開踏板為止。4） 第四階段時長為。從駕駛員松開踏板直至制動力消除位置為止，通常會持續(xù)0.200 s~1.000 s。

圖1 汽車制動速度與時間的關(guān)系

總體來說，第一階段與第四階段均不涉及制動系統(tǒng)的性能，因此，主要針對第二、第三階段進行建模。在數(shù)學(xué)模型建設(shè)上需要根據(jù)第二、第三階段中汽車的制動運行情況列出相應(yīng)的函數(shù)式，從而完成汽車制動建模工作。

到此，理論建模工作結(jié)束，為后續(xù)的計算機模擬運算奠定了基礎(chǔ)。

2.2 制動性能模型計算

在計算機模擬中，建模完畢后研究者還要運用計算機軟件對模型進行模擬計算，從而得出各項汽車制動性能參數(shù)。研究者可以根據(jù)計算機的計算結(jié)果評估汽車的制動性能狀態(tài)。一般來說，衡量汽車制動性能的主要參數(shù)包括制動時間、制動距離。如果汽車的制動距離越小、制動時間越短，那么說明汽車制動性能越好。

研究者選用MATLAB軟件作為計算機模擬軟件。該軟件是MathWorks公司開發(fā)的軟件，其具備強大的矩陣計算能力，能夠支持?jǐn)?shù)值分析算法等多種模擬算法，而且可以為用戶提供M語言，這種語言屬于一種具備交互功能的高級編程語言，用戶能夠通過自定義編輯腳本或函數(shù)來運作自身的算法，因此研究者運用M語言的該功能將上述數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入軟件中進行運算。同時，根據(jù)汽車常規(guī)運用中的速度狀態(tài)設(shè)定了2種初始速度（100 km/h、50 km/h）作為模擬計算的前提。在該過程中，研究者通過檢測得出汽車在不同路面條件下的附著系數(shù)（見表1），然后借助該附著系數(shù)模擬不同路面條件，以保證計算機模擬效果。

表1 汽車在各類路面條件下的附著系數(shù)均值表

2.3 模擬數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過上述計算機模擬過程可以得出，在初始速度為100 km/h、50 km/h的情況下，制動距離、時間模擬結(jié)果見表2~表3。結(jié)合現(xiàn)行的規(guī)范、表2和表3中的數(shù)據(jù)可知，該汽車的制動性能良好，可以滿足汽車的使用需求。

表2 初始速度為100 km/h時制動模擬結(jié)果表

表3 初始速度為50 km/h時制動模擬結(jié)果表

3 汽車制動性能試驗驗證分析

3.1 試驗驗證條件

為了驗證上述模擬結(jié)果的可靠性，研究者對汽車的制動性能進行路試，將其作為模擬結(jié)果可靠性評估依據(jù)。在該過程中選擇路試試驗驗證方法的主要原因是該方法具有快速、直觀的優(yōu)勢，能夠有效反映汽車的制動性能情況，而且其所需的條件也比較簡單，可以降低試驗驗證工作的難度。其中，路試的試驗條件主要包括以下4個：1） 根據(jù)現(xiàn)行路試試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求胎壓合格、路面清潔干燥、風(fēng)速小于5 m/s、地面附著系數(shù)大于0.7且氣溫小于35 ℃。同時，50 m內(nèi)任意路面縱向坡度均應(yīng)小于1%，拱坡度小于2%。2） 在進行滿載路試時，應(yīng)當(dāng)確保汽車保持在廠定最大總質(zhì)量的狀態(tài)且荷載分布均勻。3） 在進行空載路試時，汽車的油量應(yīng)當(dāng)大于90%，冷卻液、潤滑油也要加滿，而且車輛的總裝載質(zhì)量須保持（大約）為200 kg。一般來說，該質(zhì)量參數(shù)通常為駕駛員、配套儀器設(shè)施以及試驗操作人員質(zhì)量的總和。4） 在開始試驗前須對制動系統(tǒng)進行調(diào)試，確定制動器磨合良好、輪胎充氣壓力值合格后才能正式開始試驗。

在該試驗中，研究者嚴(yán)格按照上述條件進行操作，基本不存在會影響結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性的試驗因素。

3.2 試驗方法

在路試試驗中，由于制動系統(tǒng)制動功能的運行主要是由制動器、駐車制動系統(tǒng)2個部分負(fù)責(zé)（不涉及主缸），因此將制動器、駐車制動系統(tǒng)作為該試驗驗證的測試對象。在試驗過程中，首先要進行磨合試驗并在滿載且不脫開發(fā)動機的狀態(tài)下按照表4的規(guī)范進行操作，確認(rèn)磨合無問題后再進行制動距離測定試驗。其次，在制動距離測定試驗中需要運用配套的儀器設(shè)備測量制動系統(tǒng)起效后到車輛停止時汽車所行駛的距離。根據(jù)現(xiàn)行的要求，由于該試驗用的汽車為小于9座的載客汽車，因此只有在該汽車的制動初速度為50 km/h、制動距離小于20 m且空載制動距離小于19 m時才能認(rèn)定汽車的制動距離滿足平穩(wěn)性要求。最后，還要運用測得的制動距離以及車輛質(zhì)量等參數(shù)計算制動減速度，并根據(jù)該制動減速度計算制動時間，再將得出的制動距離、制動時間與之前計算機模擬的結(jié)果進行對比，進而探討計算機模擬結(jié)果的可靠性。此外，在試驗操作中還要保證路試配套的操作標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范處于較為完善的狀態(tài)。為了保證試驗結(jié)果的可靠性，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化要求進行操作，而且應(yīng)當(dāng)委派業(yè)務(wù)能力過硬的工作者來負(fù)責(zé)該試驗，消除人為因素給試驗操作結(jié)果造成的影響，以提高試驗驗證工作的質(zhì)量。

表4 磨合試驗規(guī)范表

3.3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過上述路試試驗可以得出，當(dāng)初始速度為50 km/h時，汽車的制動距離為16.00 m，制動時間為4.10 s。而計算機模擬結(jié)果顯示，當(dāng)初始速度為50 km/h時，汽車的制動距離為15.72 m，制動時間為3.85 s。由上述數(shù)據(jù)可知，計算機模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高。同時，根據(jù)現(xiàn)行的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)分析路試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，汽車的制動性能處于良好的狀態(tài)，該結(jié)果與計算機模擬數(shù)據(jù)反饋的測試結(jié)果相同，這說明計算機模擬的結(jié)果較為可靠。因此，運用計算機模擬法來測試汽車的制動性能具有極高的可行性。此外，根據(jù)上述計算機模擬操作可以看出，計算機模擬操作與路試相比，其測試汽車制動性能的操作方案具有更高的自動化水平，可以排除人為因素造成的測試結(jié)果不確定的問題，而且能夠大幅度壓縮性能測試的時間、人力資源成本，提升汽車制動性能檢測工作水平。因此，計算機模擬法在汽車制動性能分析工作中具有良好的適用性。

4 汽車制動性能分析的優(yōu)化方法

4.1 積極運用計算機模擬法

在汽車性能檢查中，制動性能分析環(huán)節(jié)直接決定了汽車性能整體檢查結(jié)果。因此，大部分情況都需要在該環(huán)節(jié)花費較多的時間、人力資源成本。而根據(jù)上述論述可知，計算機模擬法與傳統(tǒng)的試驗驗證方法相比，其具有自動化水平高、高效以及受人為因素影響小等優(yōu)勢，因此，在汽車的制動性能分析中應(yīng)積極運用計算機模擬法對性能參數(shù)進行測定，從而輔助研究員更好地完成汽車制動性能評估工作，增強汽車性能分析效果。在性能分析中，可以考慮編制一套完善的計算機模擬方案，并對計算機模擬法的操作進行說明，指導(dǎo)操作者的操控思路、準(zhǔn)備方向，使計算機模擬的實際操作更簡單、明確，增強該方法的推廣使用效果。此外，還必須將計算機模擬法的操作要點、要求以及注意事項羅列出來，以持續(xù)完善該方法，這樣有助于拓寬該方法的推廣范圍，提高汽車制動性能分析檢測的工作水平。

4.2 軟件、硬件的配置

由于計算機模擬法對配套的軟件、硬件性能要求較高，因此要做好軟硬件配置工作。在軟件配置方面，該文選擇的是MATLAB軟件，其具有可視化、支持自定義以及工具箱多樣等優(yōu)勢，能夠有效完成模型運算工作。雖然該軟件優(yōu)點很多，但是其使用成本較高。因此，考慮到使用成本，應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的軟件來進行制動性能分析。在硬件配置方面，需要硬件具備一定的數(shù)據(jù)吞吐量，如果分析工作量較大，那么就必須配置數(shù)據(jù)吞吐性能足夠好的硬件設(shè)施，以免影響軟件的正常運行。此外，在硬件方面，還需要根據(jù)最新要求及時升級硬件配置，保持硬件性能良好，更好地支持汽車制動數(shù)學(xué)模型的運算，提高制動性能計算機模擬分析的工作水平。

4.3 優(yōu)化計算機模擬建模

在該計算機的模擬過程中，研究者為了簡化計算、降低計算成本，所構(gòu)建出的模型較為簡單且主要針對汽車結(jié)構(gòu)內(nèi)在因素，忽略了外部因素，這在一定程度上影響了計算機模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果的重復(fù)性。為了讓計算機模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠，應(yīng)該不斷優(yōu)化建模，構(gòu)建更加完善的模型，這樣可以深入、準(zhǔn)確地進行計算機模擬，使得出的模擬結(jié)果更詳細(xì)，增強制動性能分析效果。因此，可以結(jié)合環(huán)境實際情況進行建模，例如將風(fēng)速、溫度等參數(shù)設(shè)置到模型中，具體地模擬汽車的運行環(huán)境，提高模擬結(jié)果的完整性。就目前來看，還需要進一步對制動性能建模進行分析，以構(gòu)建更加完整、科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，增強計算機模擬法的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

綜上所述，對汽車制動情況進行計算機模擬并進行試驗檢驗，可以準(zhǔn)確評估汽車制動狀態(tài)。經(jīng)過上述計算機模擬與試驗驗證可以看出，計算機模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高，說明計算機模擬法適用于汽車的制動性能檢測評估。同時，計算機模擬法具有高效、高自動化水平等優(yōu)勢，將其應(yīng)用到制動性能分析工作中能夠提高汽車制動性能的檢測水平。