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實驗室1) 蘭州 730050) (蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)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(shù)檢驗的重要內(nèi)容之一,制動性的好壞也直接關(guān)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(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)計復(fù)雜、靈活性差,測試參數(shù)少且不能對采集的數(shù)據(jù)作進一步處理、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)計的便攜式測試系統(tǒng)能實時采集、顯示和存儲各種傳感器、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)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(guī)定.在評價汽車制動性能時,由于瞬時減速度曲線的形狀復(fù)雜,不好用某一點的值來代表,所以 ECER13和GB7258標準采用充分發(fā)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(jīng)過的距離,m;se為u0到ue車輛經(jīng)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(wěn)定性

制動時汽車的方向穩(wěn)定性表現(xiàn)在跑偏和側(cè)滑.為防止車輛跑偏和側(cè)滑,汽車防抱死制動系統(tǒng)(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(tài)的重要參數(shù),為描述車輛制動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)與制動時車輪滑移率的關(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,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,此時車輪并未發(fā)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(shù)φb和橫向附著系數(shù)φl隨之減小,制動距離加長.當(dāng)滑移率達到100%時,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(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

開發(fā)汽車制動性能測試系統(tǒng)時,首先要確定系統(tǒng)的總體構(gòu)成.在LabVIEW平臺上開發(fā)汽車制動性能測試系統(tǒng),其主要功能包括數(shù)據(jù)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(shè)計的基本思想采用由上至下的設(shè)計方法,根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計需求,總體設(shè)計流程如圖2所示.

圖2 總體設(shè)計流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括筆記本電腦,各類傳感器、信號調(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采集、分析計算、曲線顯示等功能.其余部分實現(xiàn)信號的采集與處理,信號調(diào)理電路是該部分的關(guān)鍵,其主要包括信號調(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,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個數(shù)字I/O和3個計數(shù)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(tǒng)軟件的設(shè)計

2.3.1 軟件開發(fā)平臺的選擇 該系統(tǒng)選用美國NI公司開發(fā)的 LabVIEW 為開發(fā)平臺.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、圖標和概念.它可以增強構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力,提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑.使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時,可大大提高工作效率[6].

2.3.2 軟件設(shè)計 本文設(shè)計的測試系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想,整個系統(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(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)計流程如圖3所示.

圖3 軟件設(shè)計流程圖

3 試 驗

利用所開發(fā)的虛擬儀器測試系統(tǒng)對桑塔納2000車型進行模擬試驗測試,運行結(jié)果前面板如圖4所示.由車速輪速曲線(圖4a))可以看出,汽車制動時,輪速始終低于車速,輪速一直處于有規(guī)律的衰減波動,而車速則相對平穩(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,與ABS的控制形式一致.

圖4 汽車制動性能測試系統(tǒng)前面板圖

由式(1)可計算出MFDD,參數(shù)曲線如圖4c)所示,在MFDD的最高點,電子控制單元必須發(fā)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(fā)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(yīng)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(dāng)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(dāng)車輪速度低于設(shè)定的基準車輪速度時,電子控制單元發(fā)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(dāng)輪速上升到設(shè)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(fù)多次,直至汽車停止.圖中參數(shù)之間存在很好的對應(yīng)關(guān)系,反映了ABS的實際工作情況[9].

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

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)果對比

4 結(jié) 論

1)本文開發(fā)的便攜式汽車制動性能測試系統(tǒng)能較準確地反應(yīng)汽車制動時的真實狀態(tài),為檢測汽車制動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,采用模塊化的設(shè)計思想,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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[3]張 濤,王燕玲.汽車制動性能與測試[J].儀器儀表學(xué)報,2001,22(4)：197-198.

[4]公安部道路交通管理標準化技術(shù)委員會.GB 7258-2004機動車運行安全技術(shù)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(yè)出版社,2006.

[6]楊樂平,李海濤,楊 磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[7]喬新勇,李玉芬,安 鋼.柴油機實車監(jiān)測振動信號處理方法[J].測試技術(shù)學(xué)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(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2006,30(5)：902-904.

[9]張金龍,趙芙生.汽車防抱制動系統(tǒng)微機測試系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2006,37(9)：26-27.