基于磁粉離合器的汽車制動性能臺架測試技術*

周 凱,王旭東

(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,哈爾濱 150080)

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2015156

基于磁粉離合器的汽車制動性能臺架測試技術*

周 凱,王旭東

(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,哈爾濱 150080)

為了精確地評價防抱死制動系統的性能，采用了一種基于慣量模擬的臺架測試技術。用飛輪來模擬車輛的平移動能，而用磁粉離合器來模擬路面與輪胎間的摩擦因數，通過調節磁粉離合器的勵磁電流改變摩擦因數，來模擬不同路況。系統能完成在單一路面、對開路面和對接路面的測試。人機交互系統中所采集的實時數據能準確反映ABS系統的性能。

汽車安全；防抱死制動系統；附著系數；轉動慣量

前言

現代社會對汽車行駛的安全性提出了更高的要求，而制動系統的性能對車輛安全來說至關重要，傳統的機械制動系統已經不能滿足要求，機電結合的制動系統已成為主流。對制動系統的性能進行測試是一項非常重要而又繁瑣的工作。

整車廠對車輛制動性能的檢測大多采取路試的方式，其突出的優點是測試所得到的數據具有極高的參考價值，但其缺點是場地投資和維護費用巨大[1]。室內臺架測試已成為目前制動系統測試的主要方式。傳統的臺架測試是將車輛置于臺架滾筒上，采取車輛相對地面靜止的方式進行測試，這種方式需要完善的保護措施，且輪胎與滾筒間的摩擦因數無法調整[2]。本文中研究的臺架測試方法與傳統方法有很大區別，它無需被測車輛的參與，在制動系統裝車前獨立完成測試。路面與輪胎間的摩擦因數通過磁粉離合器進行模擬，調整范圍寬，調節過程簡單。該系統不但能夠完成性能測試，還能作為ABS控制算法開發的有效試用工具，實現對汽車ABS在不同路況下制動性能的測試，可有效縮短測試和開發周期，降低測試和開發成本[3]。

1 系統結構和測試原理

1.1 實驗臺結構設計

實驗臺由多種機電裝置組成，并固定在鋼結構底臺之上，其結構示意圖如圖1所示。整個機械系統由結構完全相同的4部分并聯而成，圖中僅給出其中的一部分。該結構中包含軸承、飛輪、鏈條聯軸器、轉矩(轉速)傳感器、彈性聯軸器、磁粉離合器和制動器輪缸總成[4]。

由一臺35kW異步電機為飛輪提供轉動動能。飛輪的功能主要是儲能，用4個飛輪的能量來等效被測車輛的平動動能。轉矩傳感器可測量飛輪的轉速(等同于被測車輛的車速)和制動過程中的制動轉矩。在4個制動盤內側還安裝有輪速傳感器，用來測量制動過程中輪速的變化，輪速與車速分別測量，而實際車輛中只能測量輪速，車速通過輪速估算出來，因此，采用該測試方法計算滑移率更加準確。磁粉離合器用來模擬路面與輪胎間的摩擦因數，其主、從動軸間傳遞的轉矩與勵磁電流近似成正比。由于在機械系統安裝過程中各部件很難實現完全同心，故使用彈性聯軸器予以補償。測試系統結構簡圖如圖2所示。

1.2 測試系統工作原理

ABS的主要功能是防止車輛在制動過程中因車輪抱死而發生甩尾或側滑，而ABS所需檢測的信號只有4個車輪的輪速信號，因此該臺架測試方法是通過飛輪儲能的形式等效車輛動能，磁粉離合器用來控制飛輪能量向制動盤一側傳遞的比例關系，通過這種傳遞關系來模擬被測車輛實際行駛時輪胎與路面間的摩擦因數。測試前首先確定路況形式，根據要求設置磁粉離合器勵磁電流。開始制動測試時，將飛輪帶動到測試轉速，踩下制動踏板，在制動力相同的情況下由于各個制動盤間能量傳遞的差異，造成制動盤轉速的差別，此時ABS會根據輪速傳感器反饋輪速信號，合理地調節各個車輪輪缸制動力矩的大小，從而使車輪轉速始終保持一致。該測試系統能夠完成0-120km/h的車輛安全行駛速度范圍。

實驗臺整體結構如圖3所示。

2 轉動慣量模擬

飛輪的參數直接影響系統的測試精度，飛輪的設計嚴格按照行業標準[5]QC/T 564—1999的規定執行。本測試方法中所設計的飛輪慣量誤差嚴格控制在±5%以內。飛輪轉動慣量的計算參照以下公式：

(1)

(2)

式中：G0為空車重量；G為總重量；g為重力加速度；β為前后輪制動比；IF為前輪轉動慣量；IR為后輪轉動慣量；δ為空車質量系數，取7%；r為車輪滾動半徑。

制動比為前后車輪制動力的比值，現代轎車中，前后輪制動力的比值基本達到1∶1，因此前后車輪實際的轉動慣量差異不大。

因此，與汽車轉動慣量相關的參數分別為車重G和車輪滾動半徑r[6]。

參考A級、B級、C級轎車分類標準，車輛的總質量大約在1 300～2 100kg的范圍內，車輪滾動半徑大約在0.3～0.4m。因此經計算，飛輪轉動慣量可確定在25～62kg·m2之間。考慮到不同級別、不同品牌汽車轉動慣量的差異，須將飛輪分組設計，采用粗調與細調結合的方式來配置實驗參數。細調組飛輪與粗調組飛輪之間滿足如下關系：

(3)

式中：Ie為粗調組飛輪慣量；It為細調組飛輪慣量。

細調組飛輪的數量N會直接影響實驗的準備時間，會給拆裝、固定帶來問題，因此，在滿足實驗臺標準的前提下，確定It和Ie的關系為

It=0.1Ie

(4)

當細調組轉動慣量之和與一片粗調組飛輪相當時，即可用粗調飛輪來替代，所以，細調組設計時保證轉動慣量總和不大于一片粗調飛輪即可，即

Ie>NIt

(5)

NIt>Ie-It

(6)

根據上式，可確定細調組飛輪數量為

(7)

同時，為了減少整體飛輪片數，細調組還可以進行優化設計，將其分為兩組，它們之間關系為

Iz>KyIt

(8)

式中：Iz為新的細調組轉動慣量；Ky為原細調組飛輪的數量。

綜合考慮上述限制條件，可得到Iz如下：

KyIe

(9)

按照上述理論的計算，飛輪最終確定為3種，針對實驗臺中一個飛輪結構而言，不同轉動慣量的飛輪片數為20kg·m2飛輪3片、4kg·m2飛輪4片、2kg·m2飛輪1片。通過不同種類飛輪的組合，可實現多種車輛的慣量模擬。

3 制動路況模擬

磁粉離合器勵磁電流與主、從動軸間轉矩傳遞的關系是模擬輪胎與路面間摩擦因數的關鍵，本實驗臺磁粉離合器額定轉矩為2 000N·m，額定勵磁電流為0～3A。為了保證測試精度，須對磁粉離合器的靜態參數進行臺架測試，根據磁粉離合器的特性可知，在弱激磁區與飽和區之外有較大的線性區[7-8]。測試過程包括正勵磁(電流連續上升)和負勵磁(電流連續下降)時的轉矩特性，測試結果如圖4所示。正勵磁與負勵磁曲線間有很窄的磁滯回路，這是存在磁滯現象所產生的，由測試曲線可以看出，該磁粉離合器現行調節區域較寬，能夠滿足臺架設計需要。

最終，磁粉離合器的勵磁電流應與被測車輛輪胎與路面間的摩擦因數相對應，因此須通過公式進一步推導。從測試系統機械結構來分析，制動力與被測車輛完全一致，磁粉離合器主、從動軸間的滑差等效為輪胎與路面間的摩擦力，因此轉矩傳感器所測量的轉矩值即為被測車輛的摩擦力矩，即

T=Tb-Iω′=μFZR

(10)

(11)

此處忽略了車輪滾動阻力，可得勵磁電流與摩擦因數之間的關系為

T=T0i/i0

(12)

i=μFZRi0/T0

(13)

式中：T為摩擦力矩；Tb為輪缸對制動盤產生的制動力矩；I為某一車輪所對應的轉動慣量；R為車輪滾動半徑；ω′為車輪角減速度；FZ為車輛作用在某一車輪上的重力；T0為離合器額定轉矩；i0為離合器額定勵磁電流；i為勵磁電流設定值。

由于磁粉離合器正勵磁與負勵磁曲線間存在差異，為保證測試一致性，全部測試過程均采用正勵磁方式。表1為實際路況的模擬與勵磁電流的關系。

表1 勵磁電流與實際路況的關系

4 人機交互系統

人機交互系統由各類傳感器、勵磁電流控制器和通信系統所組成，整個系統可分為5個層次，能夠完成參數檢測、控制執行、數據通信、數據處理和實時顯示等全部功能。人機交互系統的層次配置如圖5所示。

人機交互系統能夠完成以下任務[9-10]：

(1) 實時數據顯示，包括總線傳輸數據、輪速、車速、輪缸制動力、制動力矩和制動距離，并根據輪速與車速的關系計算滑移率；

(2) 摩擦因數的設定，能夠分別控制各個磁粉離合器的勵磁電流；

(3) 具有指示和故障報警功能，包括對鑰匙門信號的檢測、對制動踏板動作的檢測和對冷卻系統的啟停控制；

(4) 數據存儲，記錄每次實驗的數據和波形。

人機交互系統如圖6所示。

5 系統仿真與實驗驗證

利用Matlab軟件中的仿真單元對防抱死制動系統進行仿真，以模擬制動過程中ABS的變化，并計算輪速、車速和制動壓力等參數。滑移率最優值設為20%，實際值和理想值采用bang-bang控制。

文中以對廣泛應用于大眾捷達系列車型的MK20-I型ABS系統進行分析，被測車輛的參數如表2所示。

表2 實驗參數

5.1 對開路面仿真

對開路面是指汽車左右兩側車輪分別行駛于不同摩擦因數的路面上，如圖7所示。

圖8～圖10分別為制動過程中輪缸制動壓力、車速與輪速、滑移率仿真曲線。仿真路況為柏油(覆蓋物干細沙)-冰。

左右車輪摩擦因數相差較大，為了使輪速保持一致，系統對輪缸制動壓力的調整是非常明顯的，滑移率的變化也在理想的區域內，由于滑移率通過輪速和車速計算，在車輛即將停止時會出現無窮大的計算結果，因此滑移率曲線的最后部分可忽略。

5.2 對開路面測試

對開路面測試條件同樣選擇為柏油(覆蓋物干細沙)-冰。將勵磁電流分別調整為1.04，1.04，0.47和0.47A，實驗速度為65km/h，圖11～圖13分別為輪缸制動壓力、輪速和滑移率曲線。

由圖11可知，測試壓力曲線與仿真曲線比較接近，由于右側車輪摩擦因數較低，更容易發生抱死，因此制動力偏小，左側車輪摩擦因數較高，需要較大的制動力使左右車輪保持平衡。通過曲線還可以發現，壓力變化頻率適中，可有效減少制動踏板對駕駛員的抖動反饋。

由圖12可知， ABS能夠將4個車輪的輪速基本保持一致，從而保持車輛的平穩行駛，避免甩尾和側滑發生。

從滑移率的測試結果看，滑移率的峰值基本都維持在25%以內，因此與不安裝ABS的車輛相比可顯著縮短制動距離。

從各參數的數據表現并結合仿真數據來看，ABS控制性能能夠通過測試系統集中體現出來，但要對ABS做出完整且合理的評價，還須針對每種特殊路況完成全面的測試。

6 結論

ABS的性能直接關系到車輛行駛的安全性，而基于磁粉離合器的汽車防抱死制動性能臺架測試技術能夠對其性能做出準確的評價，該技術適用范圍廣，可有效縮短測試周期、降低測試成本，為ABS提供綜合路況測試平臺，并可作為ABS軟件開發測試工具，完成不同算法的比對。

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Bench Testing Technique for Vehicle Braking PerformanceBased on Magnetic Powder Clutch

Zhou Kai & Wang Xudong

MinistryofEducationEngineeringResearchCenterofAutomotiveElectronicsDriveControlandSystemIntegration,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080

For accurately evaluating the performance of anti-lock braking system (ABS)，a bench testing technology based on moment of inertia simulation is adopted. The kinetic energy of vehicle translation movement is simulated by flywheels while the tire-road friction coefficient is simulated by magnetic powder clutch. By adjusting the excitation current of magnetic powder clutch and hence changing the friction coefficient, different road conditions are simulated. The system can fulfill tests on various road conditions, including the single road with uniform adhesion and the split road and butt-joint road with different adhesion, and the real-time data collected by human-machine interaction system can accurately reflect the performance of ABS system.

vehicle safety; ABS; adhesion coefficient; moment of inertia

*黑龍江省青年科學基金(QC2012C126)資助。

原稿收到日期為2014年10月11日，修改稿收到日期為2014年12月23日。