汽車制動性能測試系統研究＊

馮如只 趙榮珍 楊 娟 鄧林峰

(蘭州理工大學數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室1) 蘭州 730050) (蘭州理工大學機電工程學院2) 蘭州 730050)

0 引 言

汽車制動性能的檢測是機動車安全技術檢驗的重要內容之一,制動性的好壞也直接關系到行車安全性和交通運輸效率[1].面對中國汽車保有量和進口車型的增多,傳統的測試系統基本上是以硬件或固化的軟件形式存在的,儀器只能由生產廠家來定義和制造[2].設計復雜、靈活性差,測試參數少且不能對采集的數據作進一步處理、分析,在一些較為復雜和測試參數較多的場合,使用極不方便.本文設計的便攜式測試系統能實時采集、顯示和存儲各種傳感器、執行器的數據及波形.通過對采集的信號進行分析、處理能正確迅速地測試出汽車制動系統的實際情況.

1 汽車制動性評價指標[3]

1.1 制動效能

制動效能,即制動距離與制動減速度.我國的《機動車運行安全技術條件》[4]對每類車型的制動距離和制動減速度做了嚴格的規定.在評價汽車制動性能時,由于瞬時減速度曲線的形狀復雜,不好用某一點的值來代表,所以 ECER13和GB7258標準采用充分發出的平均減速度[5](MFDD)即

式中：u0為起始制動車速,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車輛經過的距離,m;se為u0到ue車輛經過的距離,m.

1.2 制動效能的恒定性

制動效能的恒定性即抗熱衰退性.汽車高速制動時,制動器溫度也會很快上升.制動器溫度上升后摩擦力矩會有顯著下降.

1.3 制動時汽車的方向穩定性

制動時汽車的方向穩定性表現在跑偏和側滑.為防止車輛跑偏和側滑,汽車防抱死制動系統(ABS)成為目前汽車必備的主動安全裝置之一,滑移率是表明車輪運動狀態的重要參數,為描述車輛制動過程中與道路接觸的狀態,引入滑移率S

式中：v為車速;vi為輪速.道路附著系數受道路、車輪材料結構和接觸狀況影響.良好路面的附著系數與制動時車輪滑移率的關系曲線如圖1所示.

圖1 附著系數與滑移率關系曲線

由圖1可知,當滑移率為15%～25%時,縱向附著系數φb最大,橫向附著系數φl也處于較高水平,此時車輪并未發生滑動,車輛的制動效果較佳.隨著滑移率的增加,縱向附著系數φb和橫向附著系數φl隨之減小,制動距離加長.當滑移率達到100%時,車輪完全抱死,橫向附著系數變為0,車輛失去了轉向能力,后軸側滑還可能導致翻車.所以汽車裝備ABS系統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效能和方向操縱性.因此滑移率是汽車制動性能測試的一項重要指標.

2 汽車制動性能測試系統設計

2.1 系統總體方案的設計

開發汽車制動性能測試系統時,首先要確定系統的總體構成.在LabVIEW平臺上開發汽車制動性能測試系統,其主要功能包括數據采集、信號分析與處理、曲線顯示和性能評價.本文基于模塊化程序設計的基本思想采用由上至下的設計方法,根據系統總體設計需求,總體設計流程如圖2所示.

圖2 總體設計流程圖

2.2 系統硬件的設計

測試系統的硬件設計包括筆記本電腦,各類傳感器、信號調理電路和多功能數據采集卡等.筆記本電腦作為硬件系統的核心,集中控制汽車各總成的信號采集、分析計算、曲線顯示等功能.其余部分實現信號的采集與處理,信號調理電路是該部分的關鍵,其主要包括信號調整電路、阻抗變換電路、電壓控制放大電路和觸發電路等組成.數據采集卡是本測試系統外置硬件的核心部件,考慮采樣頻率、輸入精度、A/D轉換速度與分辨率等技術指標,采用USB7360型數據采集卡.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個數字I/O和3個計數器,采樣頻率為75 kHz,完全可以滿足汽車制動性能的需求.

2.3 系統軟件的設計

2.3.1 軟件開發平臺的選擇 該系統選用美國NI公司開發的 LabVIEW 為開發平臺.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人員、工程師所熟悉的術語、圖標和概念.它可以增強構建工程系統的能力,提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑.使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時,可大大提高工作效率[6].

2.3.2 軟件設計 本文設計的測試系統采用模塊化的設計思想,整個系統可分為車速測試模塊、輪速測試模塊、踏板力測試模塊、滑移率計算模塊、MFDD計算模塊和性能評價等模塊組成.每個模塊又由傳感器標定、數據采集處理、數據記錄、波形顯示等子模塊組成.實際測試過程中,為避免由于隨機因素的干擾引起特征參數提取的隨機性,本文采用多次試驗疊加平均的方法以減少隨機誤差的影響[7-8].軟件設計流程如圖3所示.

圖3 軟件設計流程圖

3 試 驗

利用所開發的虛擬儀器測試系統對桑塔納2000車型進行模擬試驗測試,運行結果前面板如圖4所示.由車速輪速曲線(圖4a))可以看出,汽車制動時,輪速始終低于車速,輪速一直處于有規律的衰減波動,而車速則相對平穩地遞減.利用測得的車速、輪速根據式(2)可得滑移率-時間曲線如圖4b)所示,由圖可知車輪滑移率在15%～25%范圍內波動,與ABS的控制形式一致.

圖4 汽車制動性能測試系統前面板圖

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

表1是傳統的測試系統與虛擬儀器測試系統進行制動性能測試的結果對比.從表中可以看出便攜式汽車制動性能測試系統與傳統測試結果相比,誤差較小,能較好地反映制動系統各項性能的實際情況.

表1 桑塔納2000傳統測試系統和虛擬儀器測試系統測試結果對比

4 結 論

1)本文開發的便攜式汽車制動性能測試系統能較準確地反應汽車制動時的真實狀態,為檢測汽車制動性能提供了可靠的依據.

2)本文采用LabVIEW軟件為開發平臺,采用模塊化的設計思想,用軟件代替了部分硬件,縮短了儀器開發周期,降低了成本.

[1]黃德中.汽車防抱死制動系統測試裝置研究[J].儀器儀表學報,2006,27(1)：80-82.

[2]劉玉梅,蘇 建,潘洪達.虛擬儀器在汽車性能測試中的應用[J].中國公路學報,2005,18(2)：112-115.

[3]張 濤,王燕玲.汽車制動性能與測試[J].儀器儀表學報,2001,22(4)：197-198.

[4]公安部道路交通管理標準化技術委員會.GB 7258-2004機動車運行安全技術條件[S].北京：中國標準出版社,2004.

[5]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社,2006.

[6]楊樂平,李海濤,楊 磊.LabVIEW程序設計與應用[M].北京：電子工業出版社,2005.

[7]喬新勇,李玉芬,安 鋼.柴油機實車監測振動信號處理方法[J].測試技術學報,2004(4)：25-27.

[8]劉國福,張 玘,王躍科.基于FIR濾波器的ABS輪加速度信號計算方法研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2006,30(5)：902-904.

[9]張金龍,趙芙生.汽車防抱制動系統微機測試系統[J].農業機械學報,2006,37(9)：26-27.