張靖雯，馮紅晶，陳琳

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

基于MATLAB GUI的商用汽車持續(xù)制動模擬系統(tǒng)開發(fā)

張靖雯，馮紅晶，陳琳

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

近年來，隨著道路情況的進一步改善，商用汽車不斷向著重型化、高速化發(fā)展。持續(xù)制動系統(tǒng)可以在不使用傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，為汽車提供持續(xù)的制動效果。避免由于持續(xù)使用傳統(tǒng)摩擦式制動裝置而引起的熱衰退，提高汽車的安全性。本文通過分析國內(nèi)外對于持續(xù)制動系統(tǒng)的研究，提出使用計算機模擬的方法來分析持續(xù)制動系統(tǒng)和車輛匹配的問題。選擇合適的程序平臺，進一步開發(fā)后得到了一套商用汽車持續(xù)制動模擬計算系統(tǒng)。

持續(xù)制動系統(tǒng)；計算機模擬；MATLAB GUI

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-67-03

1、設(shè)計背景

傳統(tǒng)進行車輛設(shè)計和整車匹配時，依靠的方法往往是經(jīng)驗或者手工計算。但是持續(xù)制動系統(tǒng)種類較多，每種持續(xù)制動系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩特性曲線類型不同，同一類型不同緩速器的制動轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線又會存在差異，所以計算過程過于復雜和繁瑣。而依靠經(jīng)驗往往又不能準確的模擬出車輛行駛距離—速度之間的關(guān)系。

本系統(tǒng)可以將實驗數(shù)據(jù)直接輸入擬合界面，得到擬合結(jié)果，適合于當前多數(shù)關(guān)于持續(xù)制動系統(tǒng)特性的研究結(jié)果。得到持續(xù)制動系統(tǒng)特性后，在主界面中輸入坡道、車輛的參數(shù)就可以對車輛持續(xù)制動時的下坡過程進行模擬。當變換持續(xù)制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性、坡道參數(shù)和車輛參數(shù)時，就可以方便快捷的進行不同持續(xù)制動系統(tǒng)、坡道和車輛制動效果的對比。

2、整車動力學模型的建立

模型基本假設(shè)：

（1）汽車在持續(xù)制動時，不考慮側(cè)偏角和外傾角的影響；

（2）假設(shè)坡道只為縱坡，忽略側(cè)向坡度的影響；

（3）忽略制動時由于汽車慣性力引起了垂直載荷轉(zhuǎn)移而對車輛滾動半徑及滾動阻力系數(shù)、空氣阻力作用中心高度等參數(shù)的影響；

（4）不考慮車速對滾動阻力系數(shù)影響，把滾動阻力系數(shù)當作常數(shù)處理；

（5）忽略傳動系轉(zhuǎn)動慣量對汽車加速度的影響。

當裝有持續(xù)制動系統(tǒng)的車輛以某一速度V 沿直線下坡，開始只用持續(xù)制動裝置制動。得到如下關(guān)系式：

車輛的動力主要由重力沿下坡方向的分力提供，滾動阻力、空氣阻力和持續(xù)制動系統(tǒng)的制動力作為行駛阻力?？傻密囕v的加速度a：

由式（6）可知，車輛的加速度可由車輛整體質(zhì)量、重力加速度、坡道與地面夾角、滾動阻力系數(shù)、車輛空氣阻力系數(shù)、車輛迎風面積、輔助制動系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)矩、主減速器傳動比、變速器傳動比、傳動系傳動效率和車輪半徑?jīng)Q定，各參數(shù)除重力加速度外均由車輛和坡道決定。不同坡道和車輛各參數(shù)會具有差異，所以將上述參數(shù)作為系統(tǒng)輸入值，便可得到車輛瞬時加速度a。

加速度對時間積分便可得到速度v，之后對速度v對于時間積分就可得到行駛距離L。在系統(tǒng)中可以取一極小的時間t，分別求出t時間內(nèi)車輛的速度變化和行駛距離，之后對速度和行駛距離進行疊加就可得到車輛的速度和行駛距離關(guān)系。

3、計算機模擬軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩個功能，模擬計算和持續(xù)制動裝置特性計算。針對發(fā)動機持續(xù)制動和發(fā)動機排氣持續(xù)制動，選擇二次曲線進行擬合。而電渦流緩速器和液力緩速器則根據(jù)上升期或者下降區(qū)（理想曲線為平穩(wěn)期）分段，分別選擇二次曲線擬合。同時除了實驗數(shù)據(jù)輸入之外本系統(tǒng)還可以選擇另外一種轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性輸入方式，即以特性點輸入。首先系統(tǒng)內(nèi)儲存每一類持續(xù)制動裝置的特性曲線，再根據(jù)不同的持續(xù)制動裝置，選擇不同的特性點。當使用者輸入特性點數(shù)據(jù)后，根據(jù)特性點對儲存的曲線進行變換之后輸出。對于混合制動可以兩種持續(xù)制動系統(tǒng)分別輸入數(shù)據(jù)，分別輸出轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性然后再將二者制動轉(zhuǎn)矩相加。

3.1 仿真程序設(shè)計

模擬計算可以根據(jù)式（6）求得車輛加速度，之后選擇一個恰當?shù)臅r間作為步長求得新的速度和行駛路程，再進行多次循環(huán)即可。

此外，當車速過低時輔助制動裝置就失去了工作的必要，再繼續(xù)模擬也沒有意義，為此本系統(tǒng)進行模擬計算時當車速小于2m/s 時，自動停止不再進行計算。對于發(fā)動機持續(xù)制動系統(tǒng)和發(fā)動機排氣持續(xù)制動系統(tǒng)，由于其制動轉(zhuǎn)矩需要經(jīng)過變速器,所以在計算時需要考慮變速器傳動比?？梢栽趦Υ孢@兩類持續(xù)制動系統(tǒng)特性的各項系數(shù)直接乘以變速器傳動比以解決此問題。

3.2 仿真程序設(shè)計

主程序界面在本系統(tǒng)中是非常重要的模塊,使用者可以在主程序界面進行各種參數(shù)的輸入、模擬的開始、查看顯示的模擬結(jié)果等操作。系統(tǒng)主程序界面如圖2所示。

主程序用于使用者輸入轉(zhuǎn)速器參數(shù)之外的各種參數(shù)，所以在主程序界面設(shè)計的輸入框有整車質(zhì)量（kg）、迎風面積（m2）、空氣阻力系數(shù)、主減速器傳動比、傳動系效率、車輪半徑（m）、坡度、滾動阻力系數(shù)和初始車速（km/h）。為了使使用者可以選擇模擬行駛路程，加入是否進行坡道長度模擬選擇框。當使用者選擇進行長度限制時，會增加坡長輸入框。

開始按鈕用于在輸入持續(xù)制動裝置特性之后，進行模擬。同時還增加了一個復位按鈕用于清空圖表和已輸入的輸入框數(shù)據(jù)。為了更好的顯示模擬計算結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計了2個圖

像顯示框，分別用于顯示行駛速度、持續(xù)制動裝置制動轉(zhuǎn)矩隨行駛距離變化曲線和汽車加速度和行駛速度隨行駛時間變化曲線。輸入轉(zhuǎn)矩特性按鈕則是為了向持續(xù)制動裝置主界面跳轉(zhuǎn)，以便使用者進行選擇持續(xù)制動裝置特性輸入方式、持續(xù)制動種類選擇和相關(guān)參數(shù)輸入等操作。系統(tǒng)主程序界面如圖2所示。

3.3 發(fā)動機和發(fā)動機排氣系統(tǒng)擬合計算

本界面主要用于選擇輸入方式、持續(xù)制動裝置類型并在不同界面間處于傳遞地位。當界面彈出后使用者可以選擇輸入方式，選擇對應的輸入方式后本界面分別如圖3所示。之后選擇持續(xù)制動系統(tǒng)類型后，系統(tǒng)就會跳轉(zhuǎn)到對應的計算界面。

擬合計算就是通過輸入持續(xù)制動裝置不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，通過二次函數(shù)擬合求得持續(xù)制動裝置轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性。本模塊是發(fā)動機和發(fā)動機排氣系統(tǒng)擬合計算。

界面由于發(fā)動機持續(xù)制動裝置和發(fā)動機排氣制動裝置的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線走勢相似故本系統(tǒng)將為他們設(shè)計一個共同的輸入界面，進行二次函數(shù)擬合。界面如圖4所示。本界面包括三個功能性按鈕——進行擬合、清空、和完成。點擊進行擬合，系統(tǒng)便會開始計算。清空按鈕用于清空輸入框、顯示框和函數(shù)圖象，同時刪除本界面的擬合計算結(jié)果以便重新輸入擬合。點擊完成按鈕該界面關(guān)閉，擬合完成。

3.4 發(fā)動機排氣持續(xù)制動系統(tǒng)特性點計算界面

發(fā)動機排氣持續(xù)制動系統(tǒng)特性點計算界面的功能是當使用者輸入最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速（此類型的持續(xù)制動裝置最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速就是最大轉(zhuǎn)速）和變速器傳動比后，系統(tǒng)根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對其內(nèi)部儲存的函數(shù)進行壓縮或者伸長變換，得到新的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性，并把結(jié)果、最大轉(zhuǎn)速和變速器傳動比儲存下來。界面如圖5所示。

為了達到要求的功能，本界面設(shè)計了三個輸入框分別用于輸入最大轉(zhuǎn)矩（N．m）、最大轉(zhuǎn)速（r/min）和變速器傳動比和開始計算、清空和完成三個功能按鈕。功能按鈕的作于和之前介紹的擬合界面的按鈕作用類似。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)運用了面向客戶的MATLAB GUI 進行程序的開發(fā)，可以在節(jié)省人力和節(jié)省時間的條件下有效地進行持續(xù)制動系統(tǒng)模擬計算，使得效率和精度都得到了很大提高。操作方便，使用者只需面向系統(tǒng)進行選擇和輸入操作，而無需了解軟件的編程過程和方法，就可得到想要的結(jié)果。應用圖像顯示結(jié)果，可視性強。對使用者計算機的硬件要求不高，也不需要使用者擁有高深的計算機軟件知識。

[1] 余強、陳蔭三、馬建等.客車持續(xù)制動性能試驗研究[J].中國公路學報，1999,12（4）110—113.

[2] 謝劍.基于VC++的汽車制動系統(tǒng)計算與分析軟件的研究與開發(fā)[D].北京：北京工業(yè)大學,2009.

[3] 余強、陳蔭三、馬建等.客車連續(xù)下坡持續(xù)制動性能試驗研究[J].西安：長安大學,2000.

[4] 何仁.汽車輔助制動裝置[M].北京：化學工業(yè)出版社.

[5] Hans OttoMEPER. Hydrody namische dauerbrem sachse fuer anhaeng er und satte lauflieg er[M ].ATZ, 1973.

[6] 李健康.基于MATLAB GUI 的過程控制實驗平臺設(shè)計[D].太原：太原科技大學，2009.

Continuous braking simulation system based on MATLAB GUI commercial vehicles

Zhang Jingwen, Feng Hongjing, Chen Lin
（Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi’an 710064）

In recent years, with the future improvement of road conditions, commercial vehicle develops towards heavy type and high speed. Auxiliary brake system can provide continuous braking power for vehicle by transforming energy without traditional braking system, that avoids heat-fading accused by traditional friction braking device. And the vehicle is guaranteed. Studies about auxiliary braking system prove computer simulation is effective way to analyses the effect of auxiliary braking system and vehicle matching. Then choosing property application platform, I develops a system for simulating commercial vehicle longtime braking.

auxiliary brak syingstem；computer simulation；MATLAB GUI

U463.5

A

1671-7988(2014)09-67-03

張靖雯，就讀于長安大學汽車學院。