汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)研究＊

馮如只 趙榮珍 楊 娟 鄧林峰

(蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 蘭州 730050) (蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2) 蘭州 730050)

0 引 言

汽車制動(dòng)性能的檢測是機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)的重要內(nèi)容之一,制動(dòng)性的好壞也直接關(guān)系到行車安全性和交通運(yùn)輸效率[1].面對(duì)中國汽車保有量和進(jìn)口車型的增多,傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)基本上是以硬件或固化的軟件形式存在的,儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義和制造[2].設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性差,測試參數(shù)少且不能對(duì)采集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理、分析,在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合,使用極不方便.本文設(shè)計(jì)的便攜式測試系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)各種傳感器、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)及波形.通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析、處理能正確迅速地測試出汽車制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際情況.

1 汽車制動(dòng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]

1.1 制動(dòng)效能

制動(dòng)效能,即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度.我國的《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[4]對(duì)每類車型的制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度做了嚴(yán)格的規(guī)定.在評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性能時(shí),由于瞬時(shí)減速度曲線的形狀復(fù)雜,不好用某一點(diǎn)的值來代表,所以 ECER13和GB7258標(biāo)準(zhǔn)采用充分發(fā)出的平均減速度[5](MFDD)即

式中：u0為起始制動(dòng)車速,km/h;ub為0.8u0的車速,km/h;ue為0.1u0的車速,km/h;sb為 u0到ub車輛經(jīng)過的距離,m;se為u0到ue車輛經(jīng)過的距離,m.

1.2 制動(dòng)效能的恒定性

制動(dòng)效能的恒定性即抗熱衰退性.汽車高速制動(dòng)時(shí),制動(dòng)器溫度也會(huì)很快上升.制動(dòng)器溫度上升后摩擦力矩會(huì)有顯著下降.

1.3 制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性

制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性表現(xiàn)在跑偏和側(cè)滑.為防止車輛跑偏和側(cè)滑,汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)成為目前汽車必備的主動(dòng)安全裝置之一,滑移率是表明車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù),為描述車輛制動(dòng)過程中與道路接觸的狀態(tài),引入滑移率S

式中：v為車速;vi為輪速.道路附著系數(shù)受道路、車輪材料結(jié)構(gòu)和接觸狀況影響.良好路面的附著系數(shù)與制動(dòng)時(shí)車輪滑移率的關(guān)系曲線如圖1所示.

圖1 附著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線

由圖1可知,當(dāng)滑移率為15%～25%時(shí),縱向附著系數(shù)φb最大,橫向附著系數(shù)φl也處于較高水平,此時(shí)車輪并未發(fā)生滑動(dòng),車輛的制動(dòng)效果較佳.隨著滑移率的增加,縱向附著系數(shù)φb和橫向附著系數(shù)φl隨之減小,制動(dòng)距離加長.當(dāng)滑移率達(dá)到100%時(shí),車輪完全抱死,橫向附著系數(shù)變?yōu)?,車輛失去了轉(zhuǎn)向能力,后軸側(cè)滑還可能導(dǎo)致翻車.所以汽車裝備ABS系統(tǒng)的主要目的就是將滑移率控制在接近附著峰值φp附近以便獲得較好的制動(dòng)效能和方向操縱性.因此滑移率是汽車制動(dòng)性能測試的一項(xiàng)重要指標(biāo).

2 汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

開發(fā)汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)時(shí),首先要確定系統(tǒng)的總體構(gòu)成.在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng),其主要功能包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理、曲線顯示和性能評(píng)價(jià).本文基于模塊化程序設(shè)計(jì)的基本思想采用由上至下的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需求,總體設(shè)計(jì)流程如圖2所示.

圖2 總體設(shè)計(jì)流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括筆記本電腦,各類傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和多功能數(shù)據(jù)采集卡等.筆記本電腦作為硬件系統(tǒng)的核心,集中控制汽車各總成的信號(hào)采集、分析計(jì)算、曲線顯示等功能.其余部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與處理,信號(hào)調(diào)理電路是該部分的關(guān)鍵,其主要包括信號(hào)調(diào)整電路、阻抗變換電路、電壓控制放大電路和觸發(fā)電路等組成.數(shù)據(jù)采集卡是本測試系統(tǒng)外置硬件的核心部件,考慮采樣頻率、輸入精度、A/D轉(zhuǎn)換速度與分辨率等技術(shù)指標(biāo),采用USB7360型數(shù)據(jù)采集卡.該采集卡包括單端48路雙端24路模擬輸入通道,4路模擬輸出通道,8個(gè)數(shù)字I/O和3個(gè)計(jì)數(shù)器,采樣頻率為75 kHz,完全可以滿足汽車制動(dòng)性能的需求.

2.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)的選擇 該系統(tǒng)選用美國NI公司開發(fā)的 LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái).Lab-VIEW是一種圖形化編程語言,使用這種語言編程,基本上不寫程序代碼,取而代之的是流程圖或框圖.它盡可能利用了技術(shù)人員、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念.它可以增強(qiáng)構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力,提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑.使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí),可大大提高工作效率[6].

2.3.2 軟件設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,整個(gè)系統(tǒng)可分為車速測試模塊、輪速測試模塊、踏板力測試模塊、滑移率計(jì)算模塊、MFDD計(jì)算模塊和性能評(píng)價(jià)等模塊組成.每個(gè)模塊又由傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)記錄、波形顯示等子模塊組成.實(shí)際測試過程中,為避免由于隨機(jī)因素的干擾引起特征參數(shù)提取的隨機(jī)性,本文采用多次試驗(yàn)疊加平均的方法以減少隨機(jī)誤差的影響[7-8].軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示.

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 試 驗(yàn)

利用所開發(fā)的虛擬儀器測試系統(tǒng)對(duì)桑塔納2000車型進(jìn)行模擬試驗(yàn)測試,運(yùn)行結(jié)果前面板如圖4所示.由車速輪速曲線(圖4a))可以看出,汽車制動(dòng)時(shí),輪速始終低于車速,輪速一直處于有規(guī)律的衰減波動(dòng),而車速則相對(duì)平穩(wěn)地遞減.利用測得的車速、輪速根據(jù)式(2)可得滑移率-時(shí)間曲線如圖4b)所示,由圖可知車輪滑移率在15%～25%范圍內(nèi)波動(dòng),與ABS的控制形式一致.

圖4 汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)前面板圖

由式(1)可計(jì)算出MFDD,參數(shù)曲線如圖4c)所示,在MFDD的最高點(diǎn),電子控制單元必須發(fā)出使輪速降低的增壓指令,以達(dá)到制動(dòng)的目的.而在最低點(diǎn),電子控制單元必須發(fā)出使輪速升高的減壓信號(hào),避免車輪抱死.由踏板力傳感器采集的信號(hào),通過信號(hào)處理可得如圖4d)所示的踏板力-時(shí)間曲線,前面波動(dòng)部分與MFDD曲線相對(duì)應(yīng)均屬于駕駛員反映和消除踏板間隙時(shí)間段的性能曲線.由圖4d)可見,當(dāng)踩下制動(dòng)踏板消除踏板間隙后,隨著踏板力的增大制動(dòng)壓力迅速上升,車輪速度開始下降,當(dāng)車輪速度低于設(shè)定的基準(zhǔn)車輪速度時(shí),電子控制單元發(fā)令使電磁閥輸出“保壓”信號(hào),接著輸出“減壓”信號(hào),制動(dòng)壓力隨之下降.輪速降低一段時(shí)間后迅速上升,當(dāng)輪速上升到設(shè)定的基準(zhǔn)輪速時(shí),電磁閥輸出“增壓”信號(hào),制動(dòng)壓力迅速上升,輪速增加一段時(shí)間后開始下降.如此反復(fù)多次,直至汽車停止.圖中參數(shù)之間存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,反映了ABS的實(shí)際工作情況[9].

表1是傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)與虛擬儀器測試系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)性能測試的結(jié)果對(duì)比.從表中可以看出便攜式汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)測試結(jié)果相比,誤差較小,能較好地反映制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的實(shí)際情況.

表1 桑塔納2000傳統(tǒng)測試系統(tǒng)和虛擬儀器測試系統(tǒng)測試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

1)本文開發(fā)的便攜式汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地反應(yīng)汽車制動(dòng)時(shí)的真實(shí)狀態(tài),為檢測汽車制動(dòng)性能提供了可靠的依據(jù).

2)本文采用LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái),采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,用軟件代替了部分硬件,縮短了儀器開發(fā)周期,降低了成本.

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