楊坤全

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，福建 漳州 363000）

基于電流變效應(yīng)的汽車ABS制動性能與控制研究

楊坤全

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，福建 漳州 363000）

針對傳統(tǒng)電磁閥控制的液壓式防抱死制動系統(tǒng)，在汽車制動過程中會存在“打腳”現(xiàn)象，且制動摩擦塊和制動盤間的摩擦?xí)沟脺囟燃眲∩撸瑢?dǎo)致制動滯后等現(xiàn)象，提出并設(shè)計了一套基于電流變效應(yīng)的汽車防抱死制動系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)電壓可以實現(xiàn)汽車防抱死制動的有效控制，且基于電流變效應(yīng)的汽車防抱死制動系統(tǒng)的制動性能可以滿足汽車制動系統(tǒng)的基本要求。

電流變效應(yīng)；防抱死制動系統(tǒng)；制動性能

制動性能是汽車制動的主要參數(shù)之一。目前，使用最多的汽車制動器是鉗盤式和鼓式制動器，而操縱方法主要是通過控制輪缸或制動鉗的壓力，完成加壓、減壓和保壓等動作，防止車輪抱死，實現(xiàn)最佳制動控制，而在這一制動過程中，會發(fā)生打腳現(xiàn)象，且鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制動鉗、管路系統(tǒng)要求也較高，此外鼓式制動器的摩擦片與輪轂在制動過程中發(fā)生劇烈摩擦，導(dǎo)致制動元件溫度急劇升高，在這種情況下，制動器制動效果變差，且會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，導(dǎo)致制動效率下降，因而傳統(tǒng)電磁閥和液壓制動機(jī)構(gòu)存在一定的滯后性和復(fù)雜性。雖然電流變技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械與車輛工程研究，但僅有少數(shù)應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)研究［1-2］。本文將電流變液與變分固有特性作了詳細(xì)的介紹，并將其應(yīng)用與汽車制動系統(tǒng)，在一定程度上解決了現(xiàn)有ABS的制動缺陷，這種制動器制動原理簡單，沒有硬件連接，可實現(xiàn)自動控制，且具有方便安裝和維護(hù)的優(yōu)點。

1　汽車ABS 的工作原理及工作過程

ABS的基本工作原理是充分利用車輛的輪胎，地面附著系數(shù)和優(yōu)化的控制策略來獲得最合適的制動力?；坡适呛饬科囍苿有缘闹匾笜?biāo)，它用來表示汽車在制動過程中車的打滑程度，它的值定義為車身速度與車輪線速度之差對車身速度的百分比，即：

其中vv為汽車車身速度；ωw為車輪角速度；R為輪胎的有效半徑。

為使汽車制動時具有較好的縱向制動效果及操縱穩(wěn)定性，并防止制動時產(chǎn)生橫向側(cè)滑或甩尾等，一般最佳滑移率的范圍控制在0.1～0.2之間，因為在這最佳滑移率時汽車輪胎與地面之間接觸狀況，在縱向和橫向均處于較高的附著狀態(tài)。為保證汽車在制動過程中滑移率始終處在最佳滑移率附近，ABS的控制單元通過控制電磁閥進(jìn)而調(diào)整施加在輪缸上的油液壓力，適時的進(jìn)行加壓、保壓和減壓控制，實現(xiàn)車輪的防抱死控制。

2　基于電流變效應(yīng)的汽車ABS 的原理

從動力傳動的方式看，電流變液體制動器的基本工作元件是一對同心的圓筒。本文以對汽車傳動軸進(jìn)行制動方式來分析，外筒A是固定在車體上，內(nèi)筒B與傳動軸C相連接，A、B筒之間充滿電流變液體。假設(shè)所運用的電流變液體是一種理想的液體，且不考慮溫度效應(yīng)，如圖1。

圖1　同心圓筒式電流變液體制動器

當(dāng)C軸以ω角速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)ω沿z軸線性分布，則剪切應(yīng)變率γ.為：

把電流變液作為Bingham流體，流體的本構(gòu)方程為：為：

式中：R1為B圓筒的外半徑；h為A、B筒間距；τy為流體的電致屈服應(yīng)力（Pa）；η0為液體粘度（m2/s）；ω為角速度；

推導(dǎo)得出電流變液產(chǎn)生的制動力F及制動力矩T液為：

上述（5）式中電流變液所產(chǎn)生的制動力矩分別由電致屈服應(yīng)力和流體粘性傳遞兩項所產(chǎn)生。通過（5）式可知，在電流變制動裝置設(shè)計后，其結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定，此時制動力矩T僅與施加的電壓U有關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合不同的控制方法，即可控制制動力矩的變化達(dá)到汽車防抱死的制動控制。

目前仿真中多采用簡化的μ-S雙線性模型、Pacejkaμ-S模型來表示輪胎模型。本文用雙線形模型來簡化輪胎模型［3］，如圖2所示。

圖2　輪胎附著系數(shù)特征曲線

公式中：S≤Sc為穩(wěn)定區(qū)域；S＞Sc為不穩(wěn)定區(qū)域；Sc為最佳滑移率；S為車輪滑移率；μg是當(dāng)滑移率為100%時的附著系數(shù)；μh為峰值附著系數(shù)。

3　汽車ABS 檢測試驗臺的設(shè)計

如圖3所示，汽車ABS檢測試驗臺主體由配重輪支撐架10進(jìn)行支撐，在架子四個腳裝有可調(diào)裝置，可以用來對準(zhǔn)軸心。配重輪7模擬1/4車體的重量，配重輪通過軸兩端固定在滑塊上，使得整個配重輪的重量可以作用在車輪上，這樣在起動電機(jī)時，通過車輪的旋轉(zhuǎn)帶動配重輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)關(guān)閉電機(jī)開始制動時，配重輪在慣性力的作用下與車輪產(chǎn)生滑差，車輪表面與配重輪表面之間存在一定的摩擦，用來模擬實際中汽車車輪與路面的表面接觸狀況［4］。車輪的半徑R=0.3m，配重輪半徑r= 0.15 m。檢測試驗臺中的制動裝置采用傳動軸制動的形式進(jìn)行試驗，傳動軸制動裝置實物如圖4，經(jīng)過設(shè)計計算，加工完的基于電流變效應(yīng)的汽車ABS檢測試驗臺實物如圖5所示。

圖3　汽車ABS檢測試驗臺整體構(gòu)成設(shè)計圖

圖4　傳動軸制動裝置

圖5　汽車ABS檢測試驗臺

具體檢測過程如下：

（1）啟動電機(jī)電源，讓電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在一定值即使汽車獲得一個初速度，并將這一初始值傳送到計算機(jī)。計算機(jī)接收到信號后，按下制動按鈕，汽車開始進(jìn)入制動狀態(tài)。

（2）關(guān)閉電機(jī)電源，模擬車身在慣性力作用下仍高速旋轉(zhuǎn)，由于模擬車身（配重輪）是完全作用在車輪上，所以此時車輪在模擬車身的作用下仍會隨著模擬車身高速旋轉(zhuǎn)，在間歇高壓電場下，電流變液的制動力矩相應(yīng)發(fā)生變化，使得車輪的轉(zhuǎn)速也隨之變化，這時車輪速度和模擬車身速度之間就會發(fā)生偏差，利用車輪與模擬車身表面之間的接觸狀況來模擬車輪與路面之間的摩擦狀況。

（3）輪速傳感器和模擬車身速度傳感器分別實時采集車輪和模擬車身的速度，并傳送到計算機(jī)，通過LABVIEW軟件實時計算出滑移率S。

（4）實時滑移率S與理想滑移率進(jìn)行比較，通過兩者之差實時反饋控制高壓電源的電壓輸出，即實時控制高壓電場的變化，將滑移率穩(wěn)定在理想滑移率附近，通過硬件和軟件的支持，計算機(jī)將采集的信號進(jìn)行分析處理，得出檢測結(jié)果。

4　測控系統(tǒng)的主程序設(shè)計

基于電流變液汽車ABS的制動器中采用的是邏輯門限值的控制方法，選取車輪減速度和滑移率作為控制參數(shù)。測試程序主界面如圖6。測試開始前，需要先輸入制動裝置的相關(guān)參數(shù)，包括上面式子中提到的L、R1、K、h和η0等，然后對制動初速度進(jìn)行設(shè)定，并選擇通信串口。測試開始后，系統(tǒng)根據(jù)配重輪和車輪的速度計算出滑移率，并依據(jù)設(shè)定的輪胎模型確定附著系數(shù)，同時計算出配重輪的減速度和車輪的角減速度，從而得出車輪的速度變化情況。根據(jù)實時滑移率與參考滑移率的比較，計算機(jī)發(fā)出控制信號對制動裝置的電壓進(jìn)行控制，一直到車身速度低于4 km/h時（在車身速度低于4 km/h時采取傳統(tǒng)的機(jī)械制動方式制動），測試結(jié)束，系統(tǒng)的主程序框圖如圖7［5］。

圖6　測試程序主界面

圖7　測試系統(tǒng)主程序框圖

5　仿真實驗與結(jié)果分析

以馬自達(dá)牌運動轎車RX-7 Turbo 2為測試對象，總重M=1585 kg，主減速比：i=3.91，車輪半徑R=0.3 m。電流變液的顆粒物主要成分是纖維素、液體硅油，且具有較高的抗剪強(qiáng)度滿足制動系統(tǒng)的基本要求。系統(tǒng)的控制以PIC16F874A單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)的I/O口，采集計算兩速度傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)［6］，并通過串口RS232傳送到計算機(jī)，LABVIEW進(jìn)行相關(guān)計算并輸出相應(yīng)的曲線，測試系統(tǒng)的研究包含制動性能的測試和防抱死性能仿真兩部分。

5.1制動性能測試結(jié)果分析

利用搭建好的基于電流變效應(yīng)的檢測試驗臺，將測試好的電流變液灌進(jìn)傳動軸電流變制動器，啟動電機(jī)帶動模擬車身的配重輪運轉(zhuǎn)，當(dāng)其運轉(zhuǎn)速度達(dá)到60 km/h時，關(guān)閉電機(jī)，同時在裝滿電流變液的傳動軸制動裝置兩端依次施加2～4 kV的電壓，輸出模擬車身（配重輪）和車輪的速度變化曲線，加完各層次電壓后輸出的曲線分別如圖8所示。

圖8　測控系統(tǒng)制動試驗結(jié)果圖

由圖8可以看出，當(dāng)施加在傳動軸制動裝置上電流變液的電壓設(shè)置在2kV以內(nèi)時，電流變液體已經(jīng)有發(fā)生電流變效應(yīng)，但反應(yīng)的程度較弱，配重輪和車輪的速度很接近，制動效果不明顯。隨著施加在電流變液上設(shè)置的電壓的增加，發(fā)生電流變效應(yīng)的趨勢越來越強(qiáng)烈，車輪抱死的時間也越來越短，當(dāng)設(shè)置的電壓達(dá)到4kV時，車輪抱死的時間僅為6.8s。由此可驗證電流變液體在發(fā)生電流變效應(yīng)后對車輪會產(chǎn)生一定的制動作用，而且制動的效果隨著施加電壓的增加越來越明顯，這對汽車制動器的發(fā)展具有一定的應(yīng)用價值。

5.2防抱死性能仿真結(jié)果分析

基于邏輯門限值的控制算法，測控系統(tǒng)的防抱死仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　測控系統(tǒng)防抱死仿真結(jié)果圖

從圖9可以看出，該控制系統(tǒng)基本滿足了汽車ABS制動要求。在初始速度為60 km/h制動直至最小制動速度的要求（4 km/h）時制動時間僅為7.376s，制動距離為63.24 m，同時施加在電流變制動裝置上的電壓抖動較大，尤其最后2 s多電壓、滑移率、附著系數(shù)變化較明顯，但在整個制動過程中電壓基本控制在4.281 kV左右，滑移率基本穩(wěn)定在0.16，附著系數(shù)基本趨于0.78左右變化。

6　結(jié)束語

電流變技術(shù)在汽車防抱死制動系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種創(chuàng)新。試驗及仿真結(jié)果表明，基于電流變效應(yīng)的汽車制動性能可以滿足汽車防抱死制動系統(tǒng)的要求。本文的研究結(jié)果可為電流變技術(shù)在汽車制動器中的應(yīng)用提供進(jìn)一步的實驗數(shù)據(jù)，對未來汽車防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。然而，在今后的研究中還需考慮更多因素，諸如溫度對制動過程的影響，高電壓控制的問題，及如何優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略縮短制動距離和制動時間，提高制動效能的穩(wěn)定性等。

［1］李丹丹.電流變液在工程控制中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動化，2009（3）：170-171.

［2］牛得學(xué)，張媛，李輝.電流變液體軟制動器的研究［J］.煤礦機(jī)械，2008（2）：103-105.

［3］杜峰，閆光輝，關(guān)志偉.汽車動力學(xué)仿真中輪胎模型的建模［J］.中國制造業(yè)信息化，2012（21）：33-37.

［4］蘇建華，鄭維智.可調(diào)附著力汽車制動試驗臺研發(fā)［J］.機(jī)械設(shè)計與制造工程，2015（7）：54-57.

［5］吳西，趙強(qiáng).基于滑移率的車輛ABS的控制算法設(shè)計及仿真分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015（1）：126-128.

［6］羅浩.基于LabVIEW的汽車ABS輪速傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子世界，2015（13）：28-30.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Study on the Measuring and Controlling System of Automobile ABS Tester Based on the Electrorheological Effect

YANG Kun-quan
（Department of Automobile Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou，363000，China）

A new anti-lock brake system （ABS） of automobile based on the electrorheological （ER） effect is proposed to solve the following problems existed in the conventional hydraulic ABS with the solenoid valve， such as the shivering problem， the braking lag problem which is caused by the temperature increment during the friction of the brake friction block and the brake disc， etc. The simulation result shows that the new ABS based on ER can anti-lock effectively brake the automobile by adjusting its voltage， and it also satisfies the fundamental requirements of the automobile brake system.

electrorheological effect；ABS；braking performance

U463.526

A

1673-4343（2016）04-0078-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.013

2016-04-17

福建省中青年教師教育科研項目（JA15689）；漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計劃資助項目（ZZY1418）

楊坤全，男，福建長泰人，講師。主要研究方向：機(jī)械與汽車工程。