汽車防抱死制動性能臺架測試技術

周凱， 王旭東， 焦文良， 譚天江， 張焱

(哈爾濱理工大學汽車電子驅動控制與系統集成教育部工程研究中心，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

現代車輛性能的提升對制動系統提出了更高的要求，隨之而來的問題就是如何對這些系統進行檢測以確保其發揮最優性能。傳統的檢測方法大多采用實車路試，路試需要建造專門的跑道，費用高，測試周期長［1］。因此，臺架測試方法已逐步取代了路試。

傳統的實驗臺架可分為兩種，平板式實驗臺和滾筒式實驗臺。平板式實驗臺屬于慣性式實驗臺，其測力原理基于牛頓第二定律。只要保證水平制動力與垂直力測量裝置的精確度，就可將汽車制動過程中制動力的變化如實檢測出來。但平板式實驗臺存在一定的缺點:車輛駛入平板速度不易控制;可重復性精確度低;適用車型受到限制;對制動最低初速度有嚴格的要求，需要兼顧測試的安全性。滾筒式制動檢測臺是一種靜態檢測技術，測試時將整車置于滾筒之上。其缺點為:車輪與滾筒之間存在兩個接觸面，輪胎直徑的不同會導致車輪受力情況不一致，直接影響測試結果。

這兩種傳統測試方法共同的劣勢為:針對整車進行檢測，需要具備較大規模的測試場地;當車輪在平板或滾筒上進行制動時，輪胎與接觸面間的摩擦系數無法改變，而對不同路面進行測試時，需要對平板和滾筒的表面進行改裝，因此摩擦系數的調整非常困難［2］。

本文所研究的臺架測試方法正是對以上兩點進行了創新設計。它針對防抱死制動系統進行獨立測試，不需要整車參與，從而大大減小了設備占地面積;輪胎與路面間的摩擦系數通過磁粉離合器主從動軸間的滑差代替，勵磁電流調節方便。既可以進行單一路面與對開路面測試，又能在制動過程中改變輪胎與路面間的附著系數，進行對接路面測試。

本測試方法除了對車輛制動性能進行評價外，更側重于防抱死剎車系統(anti－lock braking system，ABS)控制算法的研究，可以針對一種控制器在相同測試條件下進行不同算法的控制性能對比，掌握制動穩定性及制動距離之間的差異，從而確定何種控制算法更適合此類車輛［3］。

1 系統設計及工作原理

1.1 機械結構設計

測試系統三維立體示意如圖1所示。圖中給出的是測試系統單輪結構。每個單輪結構中包含如下部件:制動盤、彈性聯軸器、磁粉離合器、扭矩傳感器、飛輪、軸承。除以上部件之外，還需要一些外部設備共同構成完整系統，外部設備主要有汽車制動系統、勵磁電流控制器和電機驅動控制器。這里并沒有使用真空助力設備，制動需要的踩踏力要比實際車輛略大，但不影響制動效果［4］。

圖1 測試系統三維結構Fig．1 Three-dimensional structure of test system

整體測試系統由4部分結構相同的單輪試驗臺通過鏈條組合而成，由一個電動機提供全部動力。飛輪的主要功能是利用旋轉產生的轉動動能來模擬1/4實際車輛的平動動能;扭矩傳感器用來測量飛輪的轉速(車速)和各個車輪的制動扭矩，它可以同時輸出這兩種信號到數據采集單元;在制動盤上還安裝有磁電感應式輪速傳感器，用來測量輪速的變化;磁粉離合器是整個系統的核心部件，其產生的扭矩與勵磁電流成正比，主從動軸之間的扭矩關系可通過調整勵磁電流來獲得;所有機械部件都由彈性聯軸器連接在一起，可以消除制動盤與磁粉離合器從動軸以及扭矩傳感器與磁粉離合器主動軸間的偏心。測試系統結構如圖2所示。

圖2 試驗臺系統結構Fig．2 System structure of test stand

1.2 測試系統工作原理

利用電機帶動飛輪旋轉到測試轉速，飛輪一側通過聯軸器與扭矩傳感器相連，扭矩傳感器可以同時對車速和扭矩進行測量，在制動前飛輪轉速與車速相同，也與輪速相同，通過確定測試路況組合形式來調整4組磁粉離合器的勵磁電流，保證至少有兩組磁粉離合器扭矩傳遞關系不一致，當踩下制動踏板開始制動實驗時，輪速與車速間將會產生速度差，通過安裝在制動盤上的輪速傳感器對輪速進行測量。當制動盤即將進入抱死狀態時，ABS電控單元會根據傳感器反饋參數的計算，合理地調節車輪輪缸制動壓力，進而控制車輪制動力矩的大小，在這個過程中還可以對磁粉離合器的勵磁電流進行進一步調整，將測試過程動態化，通過測控系統采集的各項參數就能夠對整個制動過程中ABS的具體性能做出評價。在測速方面實驗臺計算車輪滑移率的方法要優于實際車輛，實際車輛是利用輪速來估算車速，從而得到滑移率，而在實驗臺上車速與輪速分開，可以對滑移率更精確的計算。該測試系統具有從0～160 km/h的測速范圍。

2 轉動慣量模擬

飛輪的設計與計算是整個試驗臺重要的部分，它決定了實驗結果的準確性，飛輪轉動慣量的計算公式為

式中:IF為前車輪轉動慣量;IR為后車輪轉動慣量;δ為空車質量系數，試驗中取為7%;G0為汽車額定質量;G為汽車滿載質量;r為車輪滾動半徑;g為重力加速度;β為前后車輪制動力分配比。

前后輪制動力分配比定義為

式中:Ff為前輪制動器的制動力;Fr為后輪制動器的制動力。

所模擬汽車的轉動慣量與汽車本身的重量G、車輪滾動半徑r、前后車輪制動力分配比β相關［5］。

通常來說，一輛轎車滿載時的重量大約在1 300～2 100 kg，前后車輪制動力分配比接近1∶1，車輪滾動半徑大約在0.3 m左右，因此單輪轉動慣量的區間可設定在25～62 kg·m2的范圍內。為滿足不同載重車輛測試需要，將全部飛輪片分為兩組:一組為轉動慣量粗調組，另一組為轉動慣量細調組。按轎車制動器臺架試驗方法(QC/T564－1999)標準規定，轉動慣量的允許誤差為±5%(誤差精確度定義:模擬量與被模擬量之差除于模擬量)［6］，因此，細調組每片轉動慣量與粗調組每片轉動慣量之比應滿足如下關系，即

通過以上公式的分析，最終設計了3種不同轉動慣量的飛輪，分別為20 kg·m2、4 kg·m2和 2 kg·m2。因此實驗臺單輪結構中20 kg·m2飛輪3片、4 kg·m2飛輪4片、2 kg·m2飛輪1片。通過飛輪不同組合可以模擬多種車輛的轉動慣量。

3 制動路況模擬

本實驗臺無變速機構，同時為保證實驗安全性和可靠性，離合器選型須留出一定的余量，所以選擇離合器額定輸出轉矩為2 000 N·m，對應勵磁電流為0～3 A。磁粉離合器的靜態特性反映了其勵磁電流與扭矩之間的關系，在弱激磁區與飽和區之外有較大的線性區［7－8］。本文通過實驗臺架對磁粉離合器靜態參數進行了校準測量，包括勵磁電流上升與下降時的轉矩特性，測試數據如圖3所示。圖3為數據擬合曲線，圖中實線為勵磁電流下降時所對應的轉矩曲線，虛線為勵磁電流上升時所對應的轉矩曲線，兩條曲線間有很窄的磁滯回路，因為在勵磁控制時存在磁滯現象，使得上升曲線和下降曲線所對應的轉矩存在微小差異。從圖中可以看出，磁粉離合器具有較寬的線性調節區域。

圖3 磁粉離合器靜特性曲線擬合Fig．3 Static characteristic curve fitting of magnetic clutch

對于ABS測試系統來說，機械制動系統為車輪提供的制動力與實際被測車輛相同，而輪胎與路面間的摩擦力則由磁粉離合器產生，此時由磁粉離合器與飛輪之間的扭矩傳感器所測量的扭矩值就是摩擦力力矩，摩擦力力矩的計算公式為

式中:T為磁粉離合器傳遞的扭矩值;Tb為車輪制動力矩;I為車輪轉動慣量;ω'為車輪角減速度;FZ為車輪垂直載荷;T0為磁粉離合器額定扭矩值;i0為磁粉離合器額定勵磁電流值;i為磁粉離合器實際勵磁電流值;R為車輪滾動半徑;μ為摩擦系數。

由磁粉離合器靜態特性可知，勵磁電流與扭矩成正比例關系，因此勵磁電流與摩擦系數之間也存在線性關系，但由于電流上升和電流下降時轉矩略有差異，所以在電流控制時統一使用電流上升方式進行控制，在每次測試結束后用直流方法進行退磁，保證下次測試時啟動轉矩為零。勵磁電流上升控制時制動力矩和摩擦系數的關系如表1所示。

表1 勵磁電流與制動力矩和摩擦系數的關系Table 1 Relationship of exciting current and braking torque and friction coefficient

4 路面模擬方法的硬件實現

磁粉離合器的轉矩傳遞與勵磁電流成正比，因此采取控制勵磁電壓的方法來調節轉矩。所使用的磁粉離合器內阻為11 Ω，可視為阻感元件，對其驅動元件占空比進行控制就能夠達到控制勵磁電流的目的。磁粉離合器驅動控制部分的主電路如圖4所示。圖中省去了關于MOSFET、三極管的驅動電路。U1為電流傳感器，具有雙向測試功能，輸出信號作為勵磁電流控制算法中的反饋信號。

圖4 磁粉離合器勵磁電路Fig．4 Excitation circuit of magnetic powder clutch

以Q2、Q3、L2和D4構成 Buck電路作為磁粉離合器勵磁電路，電路進行勵磁控制時，Q2持續導通［9］。對于Q3的驅動采用自舉電路，將電容C5放電電壓和電源電壓疊加，從而使驅動電壓升高，實現對MOSFET的控制。以Q1、T1、R3構成磁粉離合器恒流退磁電路，由圖4可知，磁粉離合器剩磁較少，所產生的扭矩在25 N·m左右，因此采用在磁粉離合器控制端加載反向直流的方法進行退磁。退磁時，勵磁電路關斷，Q1和T1導通，因此只需調整限流電阻R3即可方便地調整磁粉離合器的反向退磁電流。在實際測試中，退磁電流值通常設定為0.1～0.2 A，退磁時間約為3 s。勵磁控制時脈寬與負載電壓如圖5所示。

圖5 驅動信號與輸出電壓波形Fig．5 Drive signal and the output voltage waveform

5 數據采集與控制

數據采集與控制系統由傳感器、物理硬件、工控機以及駕駛員構成。整個系統分為5個層次，即駕駛員操作控制、液壓執行機構、傳感系統數據采集、硬件接口及實時通信、虛擬現實。駕駛員的動作通過輪缸壓力傳感器、制動開關、輪速與車速傳感器進行采集，用于整車動力學模型的計算，然后利用虛擬技術將車輛運行狀態顯示出來。

ABS數據采集與控制系統主要完成以下幾個任務:

1)數據顯示。前面板上需要實時顯示飛輪轉速(車速)、輪速、4個輪缸的制動壓力、輪胎與輪面間的滑移率、制動扭矩、制動距離等參數。

2)能夠實現對4組磁粉離合器勵磁電流的分別控制，能夠控制電機轉速。

3)具有指示及故障報警功能，包括對鑰匙門信號、冷卻系統溫度和制動踏板動作的檢測。

4)能夠以動態畫面的形式顯示車輛制動過程。

5)數據存儲，記錄每次實驗的數據和波形。

由于本文提出的臺架測試方法針對的是ABS獨立測試，所以在進行測試時為了能夠更加形象地展現汽車的制動過程，設計了一個動畫環境，突出視覺和聽覺感官。它能夠通過檢測外部信號，提供給實驗人員更加真實的場景。所設計的虛擬環境與模擬駕駛系統有兩點明顯的差別:測試系統本身的結構決定只能夠對車輛控制器進行直線實驗;虛擬環境的改變只取決于制動信號，所以該虛擬環境只能識別車速信號與制動信號，并且只能顯示車輛直線行駛時的狀態。

6 試驗驗證及數據分析

6.1 單一路面試驗

在城市內，車輛通常行駛于干燥的柏油路面上，首先利用測試系統對這種單一路面進行模擬，4組磁粉離合器勵磁電流均設為1.28 A，試驗初速度為65 km/h。試驗過程中分別對制動壓力、輪速、車速進行了檢測，同時根據車速與輪速信號計算滑移率，測試數據如圖6～圖8所示。

圖6 輪缸制動壓力曲線Fig．6 Curves of wheel cylinder brake pressure

圖7 輪速曲線Fig．7 Curves of wheel speed

由圖6可知，車輪制動力基本維持恒定，ABS對輪缸制動壓力的調節不明顯，其原因在于干燥的柏油路面能夠為輪胎提供足夠的摩擦力。

ABS的主要功能是當車輛處于緊急狀態時，它能夠保持車輛的穩定性，從實驗的角度講，制動時車輛仍能沿直線前行是判斷ABS工作性能的基本標準，此時四輪輪速應基本保持一致，圖7為實驗過程中四輪輪速的變化情況，由圖可知，在制動過程中四輪輪速在同一時刻基本保持一致。

圖8為四車輪的滑移率。通過測試波形可知，在制動過程中，由于ABS干預使滑移率的波形并不連續，但滑移率的峰值基本上都在允許的范圍內。

圖8 滑移率曲線Fig．8 Curves of slip rate

6.2 對開路面試驗

ABS通常在冰雪路面上工作效果明顯，這里選擇柏油(覆蓋物干細沙)——冰這組對開路面進行試驗。將磁粉離合器的勵磁電流分別設置為1.04 A、1.04 A、0.47 A、0.47 A，也就是說模擬的實際車輛左側車輪行駛于柏油(覆蓋物干細沙)路面，右側車輪行駛于冰面。

實驗初始速度設定為65 km/h，輪缸制動壓力、輪速和滑移率曲線如圖9～圖11所示。

由圖9可知，左側車輪的制動壓力明顯比右側車輪高，其原因在于右側車輪行駛于冰面，冰面的附著系數很小，過大的制動力容易造成車輪抱死，所以ABS需根據輪速傳感器反饋信號自動對右側車輪的制動力進行調節，左側車輪與地面間有相對較高的摩擦系數，必須增加制動力使4個車輪的變化基本保持一致。通過曲線還能夠看出制動壓力的調節頻率并不是很高，主要原因有兩個方面:ABS要將調節頻率盡量降低，最大限度地減緩制動踏板的抖動，降低駕駛員恐懼感;對制動踏板的踩踏力的大小也會影響調節頻率。

由圖10可知，ABS能夠將4個車輪的輪速保持一致。

從滑移率的波形上看，汽車制動時ABS將滑移率的峰值努力維持在15% ～25%范圍內，從而縮短制動距離，提高汽車制動穩定性。

圖9 輪缸制動壓力曲線Fig．9 Curves of wheel cylinder brake pressure

圖10 輪速曲線Fig．10 Curves of wheel speed

圖11 滑移率曲線Fig．11 Curves of slip rate

6.3 對接路面試驗

對接附著系數路面上的緊急制動試驗主要用于對ABS系統控制邏輯中路面識別能力及其動態響應性能的評價［10］。對接路面有兩種組合形式，如圖12所示。

圖12 對接路面組合形式Fig．12 Joint roads combination

本文以汽車從高附著系數路面制動后駛入低附著系數路面為例進行相關試驗，選擇柏油(干燥)——雪路面組合，初始速度設定為65 km/h，磁粉離合器的勵磁電流分別設置為1.28 A、1.28 A、0.64 A、0.64 A，即左側車輪行駛于柏油(干燥)路面，右側車輪行駛于雪路面，考慮磁滯回線的影響，在軟件控制上對目標勵磁電流增加補償，以保證試驗精確度。試驗結果如圖13～圖15所示。

由圖13可知，當左側車輪附著系數由高(μ=0.8)到低(μ=0.3)發生突變時，ABS能夠快速識別路面的變化情況，并及時對輪缸制動壓力做出調整，右側車路制動壓力基本維持恒定。

圖13 輪缸制動壓力曲線Fig．13 Curves of wheel cylinder brake pressure

由圖14可知，在對接路面的測試中，ABS能夠對路況的變化做出快速響應，能夠將4個車輪的輪速保持一致，但是由于雪面附著系數較低，車輛的制動時間也要比在高附著系數路面長，相應的制動距離也會有所增加。

圖14 輪速曲線Fig．14 Curves of wheel speed

由圖15可知，當路面附著系數發生突變時，車輪滑移率的變化非常明顯，但其峰值也能夠在ABS的控制下維持在最優區域內。

圖15 滑移率曲線Fig．15 Curves of slip rate

從整個數據采集與控制系統來看，在對ABS 的分組測試中，各組性能參數都能夠穩定準確地表現出來，并且整個制動過程都在測控系統中形象地展現出來。這里僅對有代表性的路面組合進行了試驗，對ABS制動性能的評價還需要進行多種路況的反復測試。

7 結語

通過對ABS測試技術的研究，提出了一種基于磁粉離合器模擬實際路況和基于飛輪慣量模擬實車平動慣量的ABS動態性能臺架獨立測試方法，并通過3種路面組合實驗對其可行性進行了檢驗。該測試技術有效縮短測試時間，降低測試成本，具有較高的測試精確度，可進一步推廣到中大型車輛制動系統的檢測中使用。需要指出的是，目前所研究的機械臺架只能針對固定型號的ABS進行測試，其通用性還有待于進一步研究和完善。

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