周 凱,王旭東

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)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(dòng)性能臺(tái)架測試技術(shù)*

周 凱,王旭東

(哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心,哈爾濱 150080)

為了精確地評價(jià)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的性能，采用了一種基于慣量模擬的臺(tái)架測試技術(shù)。用飛輪來模擬車輛的平移動(dòng)能，而用磁粉離合器來模擬路面與輪胎間的摩擦因數(shù)，通過調(diào)節(jié)磁粉離合器的勵(lì)磁電流改變摩擦因數(shù)，來模擬不同路況。系統(tǒng)能完成在單一路面、對開路面和對接路面的測試。人機(jī)交互系統(tǒng)中所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映ABS系統(tǒng)的性能。

汽車安全；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；附著系數(shù)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

前言

現(xiàn)代社會(huì)對汽車行駛的安全性提出了更高的要求，而制動(dòng)系統(tǒng)的性能對車輛安全來說至關(guān)重要，傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求，機(jī)電結(jié)合的制動(dòng)系統(tǒng)已成為主流。對制動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試是一項(xiàng)非常重要而又繁瑣的工作。

整車廠對車輛制動(dòng)性能的檢測大多采取路試的方式，其突出的優(yōu)點(diǎn)是測試所得到的數(shù)據(jù)具有極高的參考價(jià)值，但其缺點(diǎn)是場地投資和維護(hù)費(fèi)用巨大[1]。室內(nèi)臺(tái)架測試已成為目前制動(dòng)系統(tǒng)測試的主要方式。傳統(tǒng)的臺(tái)架測試是將車輛置于臺(tái)架滾筒上，采取車輛相對地面靜止的方式進(jìn)行測試，這種方式需要完善的保護(hù)措施，且輪胎與滾筒間的摩擦因數(shù)無法調(diào)整[2]。本文中研究的臺(tái)架測試方法與傳統(tǒng)方法有很大區(qū)別，它無需被測車輛的參與，在制動(dòng)系統(tǒng)裝車前獨(dú)立完成測試。路面與輪胎間的摩擦因數(shù)通過磁粉離合器進(jìn)行模擬，調(diào)整范圍寬，調(diào)節(jié)過程簡單。該系統(tǒng)不但能夠完成性能測試，還能作為ABS控制算法開發(fā)的有效試用工具，實(shí)現(xiàn)對汽車ABS在不同路況下制動(dòng)性能的測試，可有效縮短測試和開發(fā)周期，降低測試和開發(fā)成本[3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測試原理

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由多種機(jī)電裝置組成，并固定在鋼結(jié)構(gòu)底臺(tái)之上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)完全相同的4部分并聯(lián)而成，圖中僅給出其中的一部分。該結(jié)構(gòu)中包含軸承、飛輪、鏈條聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)速)傳感器、彈性聯(lián)軸器、磁粉離合器和制動(dòng)器輪缸總成[4]。

由一臺(tái)35kW異步電機(jī)為飛輪提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。飛輪的功能主要是儲(chǔ)能，用4個(gè)飛輪的能量來等效被測車輛的平動(dòng)動(dòng)能。轉(zhuǎn)矩傳感器可測量飛輪的轉(zhuǎn)速(等同于被測車輛的車速)和制動(dòng)過程中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在4個(gè)制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)還安裝有輪速傳感器，用來測量制動(dòng)過程中輪速的變化，輪速與車速分別測量，而實(shí)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(jì)算滑移率更加準(zhǔn)確。磁粉離合器用來模擬路面與輪胎間的摩擦因數(shù)，其主、從動(dòng)軸間傳遞的轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流近似成正比。由于在機(jī)械系統(tǒng)安裝過程中各部件很難實(shí)現(xiàn)完全同心，故使用彈性聯(lián)軸器予以補(bǔ)償。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.2 測試系統(tǒng)工作原理

ABS的主要功能是防止車輛在制動(dòng)過程中因車輪抱死而發(fā)生甩尾或側(cè)滑，而ABS所需檢測的信號(hào)只有4個(gè)車輪的輪速信號(hào)，因此該臺(tái)架測試方法是通過飛輪儲(chǔ)能的形式等效車輛動(dòng)能，磁粉離合器用來控制飛輪能量向制動(dòng)盤一側(cè)傳遞的比例關(guān)系，通過這種傳遞關(guān)系來模擬被測車輛實(shí)際行駛時(shí)輪胎與路面間的摩擦因數(shù)。測試前首先確定路況形式，根據(jù)要求設(shè)置磁粉離合器勵(lì)磁電流。開始制動(dòng)測試時(shí)，將飛輪帶動(dòng)到測試轉(zhuǎn)速，踩下制動(dòng)踏板，在制動(dòng)力相同的情況下由于各個(gè)制動(dòng)盤間能量傳遞的差異，造成制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的差別，此時(shí)ABS會(huì)根據(jù)輪速傳感器反饋輪速信號(hào)，合理地調(diào)節(jié)各個(gè)車輪輪缸制動(dòng)力矩的大小，從而使車輪轉(zhuǎn)速始終保持一致。該測試系統(tǒng)能夠完成0-120km/h的車輛安全行駛速度范圍。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬

飛輪的參數(shù)直接影響系統(tǒng)的測試精度，飛輪的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]QC/T 564—1999的規(guī)定執(zhí)行。本測試方法中所設(shè)計(jì)的飛輪慣量誤差嚴(yán)格控制在±5%以內(nèi)。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)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(dòng)比；IF為前輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；IR為后輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δ為空車質(zhì)量系數(shù)，取7%；r為車輪滾動(dòng)半徑。

制動(dòng)比為前后車輪制動(dòng)力的比值，現(xiàn)代轎車中，前后輪制動(dòng)力的比值基本達(dá)到1∶1，因此前后車輪實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異不大。

因此，與汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)的參數(shù)分別為車重G和車輪滾動(dòng)半徑r[6]。

參考A級、B級、C級轎車分類標(biāo)準(zhǔn)，車輛的總質(zhì)量大約在1 300～2 100kg的范圍內(nèi)，車輪滾動(dòng)半徑大約在0.3～0.4m。因此經(jīng)計(jì)算，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可確定在25～62kg·m2之間?？紤]到不同級別、不同品牌汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異，須將飛輪分組設(shè)計(jì)，采用粗調(diào)與細(xì)調(diào)結(jié)合的方式來配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)。細(xì)調(diào)組飛輪與粗調(diào)組飛輪之間滿足如下關(guān)系：

(3)

式中：Ie為粗調(diào)組飛輪慣量；It為細(xì)調(diào)組飛輪慣量。

細(xì)調(diào)組飛輪的數(shù)量N會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間，會(huì)給拆裝、固定帶來問題，因此，在滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，確定It和Ie的關(guān)系為

It=0.1Ie

(4)

當(dāng)細(xì)調(diào)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和與一片粗調(diào)組飛輪相當(dāng)時(shí)，即可用粗調(diào)飛輪來替代，所以，細(xì)調(diào)組設(shè)計(jì)時(shí)保證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總和不大于一片粗調(diào)飛輪即可，即

Ie>NIt

(5)

NIt>Ie-It

(6)

根據(jù)上式，可確定細(xì)調(diào)組飛輪數(shù)量為

(7)

同時(shí)，為了減少整體飛輪片數(shù)，細(xì)調(diào)組還可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其分為兩組，它們之間關(guān)系為

Iz>KyIt

(8)

式中：Iz為新的細(xì)調(diào)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ky為原細(xì)調(diào)組飛輪的數(shù)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(jì)算，飛輪最終確定為3種，針對實(shí)驗(yàn)臺(tái)中一個(gè)飛輪結(jié)構(gòu)而言，不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪片數(shù)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(shí)現(xiàn)多種車輛的慣量模擬。

3 制動(dòng)路況模擬

磁粉離合器勵(lì)磁電流與主、從動(dòng)軸間轉(zhuǎn)矩傳遞的關(guān)系是模擬輪胎與路面間摩擦因數(shù)的關(guān)鍵，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)磁粉離合器額定轉(zhuǎn)矩為2 000N·m，額定勵(lì)磁電流為0～3A。為了保證測試精度，須對磁粉離合器的靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行臺(tái)架測試，根據(jù)磁粉離合器的特性可知，在弱激磁區(qū)與飽和區(qū)之外有較大的線性區(qū)[7-8]。測試過程包括正勵(lì)磁(電流連續(xù)上升)和負(fù)勵(lì)磁(電流連續(xù)下降)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，測試結(jié)果如圖4所示。正勵(lì)磁與負(fù)勵(lì)磁曲線間有很窄的磁滯回路，這是存在磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的，由測試曲線可以看出，該磁粉離合器現(xiàn)行調(diào)節(jié)區(qū)域較寬，能夠滿足臺(tái)架設(shè)計(jì)需要。

最終，磁粉離合器的勵(lì)磁電流應(yīng)與被測車輛輪胎與路面間的摩擦因數(shù)相對應(yīng)，因此須通過公式進(jìn)一步推導(dǎo)。從測試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來分析，制動(dòng)力與被測車輛完全一致，磁粉離合器主、從動(dòng)軸間的滑差等效為輪胎與路面間的摩擦力，因此轉(zhuǎn)矩傳感器所測量的轉(zhuǎn)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(dòng)阻力，可得勵(lì)磁電流與摩擦因數(shù)之間的關(guān)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(dòng)盤產(chǎn)生的制動(dòng)力矩；I為某一車輪所對應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R為車輪滾動(dòng)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(zhuǎn)矩；i0為離合器額定勵(lì)磁電流；i為勵(lì)磁電流設(shè)定值。

由于磁粉離合器正勵(lì)磁與負(fù)勵(lì)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(lì)磁方式。表1為實(shí)際路況的模擬與勵(lì)磁電流的關(guān)系。

表1 勵(lì)磁電流與實(shí)際路況的關(guān)系

4 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)由各類傳感器、勵(lì)磁電流控制器和通信系統(tǒng)所組成，整個(gè)系統(tǒng)可分為5個(gè)層次，能夠完成參數(shù)檢測、控制執(zhí)行、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示等全部功能。人機(jī)交互系統(tǒng)的層次配置如圖5所示。

人機(jī)交互系統(tǒng)能夠完成以下任務(wù)[9-10]：

(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，包括總線傳輸數(shù)據(jù)、輪速、車速、輪缸制動(dòng)力、制動(dòng)力矩和制動(dòng)距離，并根據(jù)輪速與車速的關(guān)系計(jì)算滑移率；

(2) 摩擦因數(shù)的設(shè)定，能夠分別控制各個(gè)磁粉離合器的勵(lì)磁電流；

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

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和波形。

人機(jī)交互系統(tǒng)如圖6所示。

5 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用Matlab軟件中的仿真單元對防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬制動(dòng)過程中ABS的變化，并計(jì)算輪速、車速和制動(dòng)壓力等參數(shù)?；坡首顑?yōu)值設(shè)為20%，實(shí)際值和理想值采用bang-bang控制。

文中以對廣泛應(yīng)用于大眾捷達(dá)系列車型的MK20-I型ABS系統(tǒng)進(jìn)行分析，被測車輛的參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

5.1 對開路面仿真

對開路面是指汽車左右兩側(cè)車輪分別行駛于不同摩擦因數(shù)的路面上，如圖7所示。

圖8～圖10分別為制動(dòng)過程中輪缸制動(dòng)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(xì)沙)-冰。

左右車輪摩擦因數(shù)相差較大，為了使輪速保持一致，系統(tǒng)對輪缸制動(dòng)壓力的調(diào)整是非常明顯的，滑移率的變化也在理想的區(qū)域內(nèi)，由于滑移率通過輪速和車速計(jì)算，在車輛即將停止時(shí)會(huì)出現(xiàn)無窮大的計(jì)算結(jié)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(xì)沙)-冰。將勵(lì)磁電流分別調(diào)整為1.04，1.04，0.47和0.47A，實(shí)驗(yàn)速度為65km/h，圖11～圖13分別為輪缸制動(dòng)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(cè)車輪摩擦因數(shù)較低，更容易發(fā)生抱死，因此制動(dòng)力偏小，左側(cè)車輪摩擦因數(shù)較高，需要較大的制動(dòng)力使左右車輪保持平衡。通過曲線還可以發(fā)現(xiàn)，壓力變化頻率適中，可有效減少制動(dòng)踏板對駕駛員的抖動(dòng)反饋。

由圖12可知， ABS能夠?qū)?個(gè)車輪的輪速基本保持一致，從而保持車輛的平穩(wěn)行駛，避免甩尾和側(cè)滑發(fā)生。

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

從各參數(shù)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)來看，ABS控制性能能夠通過測試系統(tǒng)集中體現(xiàn)出來，但要對ABS做出完整且合理的評價(jià)，還須針對每種特殊路況完成全面的測試。

6 結(jié)論

ABS的性能直接關(guān)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(dòng)性能臺(tái)架測試技術(shù)能夠?qū)ζ湫阅茏龀鰷?zhǔn)確的評價(jià)，該技術(shù)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(tái)，并可作為ABS軟件開發(fā)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(xué)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。