基于計(jì)算機(jī)模擬的汽車制動(dòng)性能分析與試驗(yàn)驗(yàn)證探究

謝 靜

（1.四川開(kāi)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(dòng)性能水平與交通運(yùn)輸安全密切相關(guān)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、計(jì)算機(jī)模擬可以更準(zhǔn)確地評(píng)估汽車制動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證這兩種汽車制動(dòng)性能檢測(cè)方法，以總結(jié)出更加科學(xué)的汽車制動(dòng)檢測(cè)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(dòng)性能分析

汽車制動(dòng)功能的運(yùn)行主要依靠配套的制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)向車輪施加一定的作用力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的強(qiáng)制減速或停車控制；同時(shí)，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(jiàn)，汽車制動(dòng)性能在汽車安全運(yùn)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(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)性能分析，以判定汽車制動(dòng)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(cè)試汽車制動(dòng)性能的方法包括路試法、反力滾筒法以及試驗(yàn)臺(tái)法等，這些方法的步驟較為煩瑣，所需的人工、時(shí)間成本也比較高，因此在大量汽車的制動(dòng)性能分析中存在一定的適用性問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，研究者提出運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)模擬汽車的制動(dòng)運(yùn)行并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)評(píng)估汽車制動(dòng)性能的目標(biāo)，從而利用計(jì)算機(jī)模擬法高度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)特征壓縮汽車性能測(cè)試周期和成本。為了測(cè)試該方法的可行性，研究者在運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬法進(jìn)行汽車制動(dòng)性能分析的同時(shí)還運(yùn)用傳統(tǒng)的試驗(yàn)法對(duì)計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估計(jì)算機(jī)模擬法的可靠性，以期為汽車制動(dòng)性能檢測(cè)工作提供依據(jù)。

2 汽車制動(dòng)性能計(jì)算機(jī)模擬分析

2.1 制動(dòng)性能理論計(jì)算模型

在建模過(guò)程中需要先明確汽車的制動(dòng)過(guò)程，按照制動(dòng)過(guò)程列出相應(yīng)的函數(shù)來(lái)代表各項(xiàng)制動(dòng)運(yùn)作程序，從而形成完整的制動(dòng)性能理論計(jì)算模型，進(jìn)而保證建模的準(zhǔn)確性。其中，在制動(dòng)過(guò)程中，汽車制動(dòng)速度、制動(dòng)時(shí)間關(guān)系如圖1所示。制動(dòng)過(guò)程主要包括以下4個(gè)階段：1） 第一階段時(shí)長(zhǎng)為。該階段是駕駛員從接到制動(dòng)信號(hào)到采取制動(dòng)行為的階段，即踩制動(dòng)踏板的階段。2） 第二階段時(shí)長(zhǎng)為。其中，在時(shí)長(zhǎng)內(nèi)駕駛員踩上踏板，形成制動(dòng)力矩，可以將這段時(shí)間定義為制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，如果是氣壓制動(dòng)，那么這段時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)應(yīng)該為0.050 s ~0.060 s；如果是液壓制動(dòng)，那么時(shí)長(zhǎng)為0.015 s~0.030 s。該時(shí)間段內(nèi)踏板的功效主要被用于克服制動(dòng)運(yùn)行阻力，例如機(jī)械摩擦力等。此后，在時(shí)間段內(nèi)制動(dòng)力矩開(kāi)始逐步進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這一過(guò)程中系統(tǒng)的制動(dòng)力不斷增加（達(dá)到一定水平后停止），此時(shí)制動(dòng)器開(kāi)始發(fā)揮作用。因此，可以將=+這段時(shí)間定義為制動(dòng)器起作用時(shí)間。3） 第三階段時(shí)長(zhǎng)為。此時(shí)制動(dòng)力矩處于穩(wěn)定制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，該階段通常持續(xù)到停車或危險(xiǎn)解除后，駕駛員松開(kāi)踏板為止。4） 第四階段時(shí)長(zhǎng)為。從駕駛員松開(kāi)踏板直至制動(dòng)力消除位置為止，通常會(huì)持續(xù)0.200 s~1.000 s。

圖1 汽車制動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系

總體來(lái)說(shuō)，第一階段與第四階段均不涉及制動(dòng)系統(tǒng)的性能，因此，主要針對(duì)第二、第三階段進(jìn)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(dòng)運(yùn)行情況列出相應(yīng)的函數(shù)式，從而完成汽車制動(dòng)建模工作。

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

2.2 制動(dòng)性能模型計(jì)算

在計(jì)算機(jī)模擬中，建模完畢后研究者還要運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得出各項(xiàng)汽車制動(dòng)性能參數(shù)。研究者可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果評(píng)估汽車的制動(dòng)性能狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，衡量汽車制動(dòng)性能的主要參數(shù)包括制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離。如果汽車的制動(dòng)距離越小、制動(dòng)時(shí)間越短，那么說(shuō)明汽車制動(dòng)性能越好。

研究者選用MATLAB軟件作為計(jì)算機(jī)模擬軟件。該軟件是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的軟件，其具備強(qiáng)大的矩陣計(jì)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(yǔ)言，這種語(yǔ)言屬于一種具備交互功能的高級(jí)編程語(yǔ)言，用戶能夠通過(guò)自定義編輯腳本或函數(shù)來(lái)運(yùn)作自身的算法，因此研究者運(yùn)用M語(yǔ)言的該功能將上述數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行運(yùn)算。同時(shí)，根據(jù)汽車常規(guī)運(yùn)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(jì)算的前提。在該過(guò)程中，研究者通過(guò)檢測(cè)得出汽車在不同路面條件下的附著系數(shù)（見(jiàn)表1），然后借助該附著系數(shù)模擬不同路面條件，以保證計(jì)算機(jī)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(guò)上述計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程可以得出，在初始速度為100 km/h、50 km/h的情況下，制動(dòng)距離、時(shí)間模擬結(jié)果見(jiàn)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(dòng)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(shí)制動(dòng)模擬結(jié)果表

表3 初始速度為50 km/h時(shí)制動(dòng)模擬結(jié)果表

3 汽車制動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證條件

為了驗(yàn)證上述模擬結(jié)果的可靠性，研究者對(duì)汽車的制動(dòng)性能進(jìn)行路試，將其作為模擬結(jié)果可靠性評(píng)估依據(jù)。在該過(guò)程中選擇路試試驗(yàn)驗(yàn)證方法的主要原因是該方法具有快速、直觀的優(yōu)勢(shì)，能夠有效反映汽車的制動(dòng)性能情況，而且其所需的條件也比較簡(jiǎn)單，可以降低試驗(yàn)驗(yàn)證工作的難度。其中，路試的試驗(yàn)條件主要包括以下4個(gè)：1） 根據(jù)現(xiàn)行路試試驗(yàn)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(shí)，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(jìn)行滿載路試時(shí)，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(jìn)行空載路試時(shí)，汽車的油量應(yīng)當(dāng)大于90%，冷卻液、潤(rùn)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(lái)說(shuō)，該質(zhì)量參數(shù)通常為駕駛員、配套儀器設(shè)施以及試驗(yàn)操作人員質(zhì)量的總和。4） 在開(kāi)始試驗(yàn)前須對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確定制動(dòng)器磨合良好、輪胎充氣壓力值合格后才能正式開(kāi)始試驗(yàn)。

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

3.2 試驗(yàn)方法

在路試試驗(yàn)中，由于制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)功能的運(yùn)行主要是由制動(dòng)器、駐車制動(dòng)系統(tǒng)2個(gè)部分負(fù)責(zé)（不涉及主缸），因此將制動(dòng)器、駐車制動(dòng)系統(tǒng)作為該試驗(yàn)驗(yàn)證的測(cè)試對(duì)象。在試驗(yàn)過(guò)程中，首先要進(jìn)行磨合試驗(yàn)并在滿載且不脫開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)下按照表4的規(guī)范進(jìn)行操作，確認(rèn)磨合無(wú)問(wèn)題后再進(jìn)行制動(dòng)距離測(cè)定試驗(yàn)。其次，在制動(dòng)距離測(cè)定試驗(yàn)中需要運(yùn)用配套的儀器設(shè)備測(cè)量制動(dòng)系統(tǒng)起效后到車輛停止時(shí)汽車所行駛的距離。根據(jù)現(xiàn)行的要求，由于該試驗(yàn)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(dòng)初速度為50 km/h、制動(dòng)距離小于20 m且空載制動(dòng)距離小于19 m時(shí)才能認(rèn)定汽車的制動(dòng)距離滿足平穩(wěn)性要求。最后，還要運(yùn)用測(cè)得的制動(dòng)距離以及車輛質(zhì)量等參數(shù)計(jì)算制動(dòng)減速度，并根據(jù)該制動(dòng)減速度計(jì)算制動(dòng)時(shí)間，再將得出的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間與之前計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而探討計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的可靠性。此外，在試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的可靠性，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化要求進(jìn)行操作，而且應(yīng)當(dāng)委派業(yè)務(wù)能力過(guò)硬的工作者來(lái)負(fù)責(zé)該試驗(yàn)，消除人為因素給試驗(yàn)操作結(jié)果造成的影響，以提高試驗(yàn)驗(yàn)證工作的質(zhì)量。

表4 磨合試驗(yàn)規(guī)范表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述路試試驗(yàn)可以得出，當(dāng)初始速度為50 km/h時(shí)，汽車的制動(dòng)距離為16.00 m，制動(dòng)時(shí)間為4.10 s。而計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)初始速度為50 km/h時(shí)，汽車的制動(dòng)距離為15.72 m，制動(dòng)時(shí)間為3.85 s。由上述數(shù)據(jù)可知，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗(yàn)結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高。同時(shí)，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(dòng)性能處于良好的狀態(tài)，該結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)反饋的測(cè)試結(jié)果相同，這說(shuō)明計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果較為可靠。因此，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬法來(lái)測(cè)試汽車的制動(dòng)性能具有極高的可行性。此外，根據(jù)上述計(jì)算機(jī)模擬操作可以看出，計(jì)算機(jī)模擬操作與路試相比，其測(cè)試汽車制動(dòng)性能的操作方案具有更高的自動(dòng)化水平，可以排除人為因素造成的測(cè)試結(jié)果不確定的問(wèn)題，而且能夠大幅度壓縮性能測(cè)試的時(shí)間、人力資源成本，提升汽車制動(dòng)性能檢測(cè)工作水平。因此，計(jì)算機(jī)模擬法在汽車制動(dòng)性能分析工作中具有良好的適用性。

4 汽車制動(dòng)性能分析的優(yōu)化方法

4.1 積極運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬法

在汽車性能檢查中，制動(dòng)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(fèi)較多的時(shí)間、人力資源成本。而根據(jù)上述論述可知，計(jì)算機(jī)模擬法與傳統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法相比，其具有自動(dòng)化水平高、高效以及受人為因素影響小等優(yōu)勢(shì)，因此，在汽車的制動(dòng)性能分析中應(yīng)積極運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬法對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，從而輔助研究員更好地完成汽車制動(dòng)性能評(píng)估工作，增強(qiáng)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(jì)算機(jī)模擬方案，并對(duì)計(jì)算機(jī)模擬法的操作進(jìn)行說(shuō)明，指導(dǎo)操作者的操控思路、準(zhǔn)備方向，使計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)際操作更簡(jiǎn)單、明確，增強(qiáng)該方法的推廣使用效果。此外，還必須將計(jì)算機(jī)模擬法的操作要點(diǎn)、要求以及注意事項(xiàng)羅列出來(lái)，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(dòng)性能分析檢測(cè)的工作水平。

4.2 軟件、硬件的配置

由于計(jì)算機(jī)模擬法對(duì)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(shì)，能夠有效完成模型運(yùn)算工作。雖然該軟件優(yōu)點(diǎn)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(lái)進(jìn)行制動(dòng)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(yùn)行。此外，在硬件方面，還需要根據(jù)最新要求及時(shí)升級(jí)硬件配置，保持硬件性能良好，更好地支持汽車制動(dòng)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算，提高制動(dòng)性能計(jì)算機(jī)模擬分析的工作水平。

4.3 優(yōu)化計(jì)算機(jī)模擬建模

在該計(jì)算機(jī)的模擬過(guò)程中，研究者為了簡(jiǎn)化計(jì)算、降低計(jì)算成本，所構(gòu)建出的模型較為簡(jiǎn)單且主要針對(duì)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(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性。為了讓計(jì)算機(jī)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(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，使得出的模擬結(jié)果更詳細(xì)，增強(qiáng)制動(dòng)性能分析效果。因此，可以結(jié)合環(huán)境實(shí)際情況進(jìn)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(yùn)行環(huán)境，提高模擬結(jié)果的完整性。就目前來(lái)看，還需要進(jìn)一步對(duì)制動(dòng)性能建模進(jìn)行分析，以構(gòu)建更加完整、科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)模擬法的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)汽車制動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬并進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，可以準(zhǔn)確評(píng)估汽車制動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算機(jī)模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗(yàn)結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高，說(shuō)明計(jì)算機(jī)模擬法適用于汽車的制動(dòng)性能檢測(cè)評(píng)估。同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬法具有高效、高自動(dòng)化水平等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到制動(dòng)性能分析工作中能夠提高汽車制動(dòng)性能的檢測(cè)水平。