邢智超,王國(guó)業(yè),何暢然,龔章鵬,周立洋,徐東鑫
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)
車輛性能試驗(yàn)檢測(cè)是評(píng)價(jià)車輛技術(shù)狀況的有效手段,包括新車開發(fā)、出廠及在用車技術(shù)狀況檢測(cè),有助于提高新車開發(fā)效率,降低研發(fā)成本;在用車性能檢測(cè)是解決機(jī)動(dòng)車輛帶來(lái)的安全、能源和污染等問(wèn)題的重要手段?,F(xiàn)行車輛性能檢測(cè)方法主要包括路試法和臺(tái)式法兩種,路試法包括車輛緊急制動(dòng)試驗(yàn)、彎道制動(dòng)試驗(yàn)和變附著系數(shù)路面試驗(yàn)等,測(cè)試符合實(shí)際情況,結(jié)果可靠,但路試法對(duì)測(cè)試場(chǎng)地要求高,費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、受氣候影響大,適合車輛抽檢,不適用于批量生產(chǎn)流水線檢測(cè)。臺(tái)試法包括半物理仿真測(cè)試及整車臺(tái)架測(cè)試。文獻(xiàn)[1]中研發(fā)了一種制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(anti-locked braking system,ABS)硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)ABS齒圈產(chǎn)生輪速信號(hào),進(jìn)行ABS控制實(shí)時(shí)檢測(cè)。文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)了一種基于模糊自尋優(yōu)的氣壓ABS控制器,在控制系統(tǒng)中加入制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào),實(shí)現(xiàn)車輪角速度與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩雙路閉環(huán)控制,基于dSPACE實(shí)現(xiàn)ABS在環(huán)性能仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一種基于節(jié)氣門開度驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)(acceleration slip regulation,ASR)自適應(yīng)PID控制算法,輔以制動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)輪胎受力,采用dSPACE硬件在環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)ASR算法。文獻(xiàn)[4]中基于硬件在環(huán)仿真原理設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)分析不同工況輪胎縱向力,控制測(cè)功機(jī)輸出響應(yīng)轉(zhuǎn)矩,模擬路面附著條件變化。半物理仿真測(cè)試成本低,實(shí)時(shí)性好,但試驗(yàn)精度不夠高,適用于研發(fā)初期控制算法研究。目前部分高校及科研機(jī)構(gòu)正開展整車試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)工作,文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中研發(fā)的汽車ABS試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)速度表校驗(yàn)、制動(dòng)和ABS性能測(cè)試,通過(guò)轉(zhuǎn)矩加載裝置的滑差控制模擬路面與輪胎滑動(dòng)狀態(tài),改變輸入激勵(lì)電流實(shí)現(xiàn)輪胎和路面之間附著條件模擬。目前整車臺(tái)架測(cè)試及半物理仿真方法多借助磁粉離合器、動(dòng)態(tài)測(cè)功機(jī)等改變輪胎縱向力實(shí)現(xiàn)不同附著條件模擬,存在成本高、能耗大、標(biāo)定復(fù)雜等不足。本文中設(shè)計(jì)了一種雙轉(zhuǎn)鼓慣性試驗(yàn)臺(tái),滿足車輛控制系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)及在用車性能測(cè)試的需要,能夠提供汽車控制系統(tǒng)(ABS,ASR等)從樣機(jī)開發(fā)到產(chǎn)品性能檢測(cè)全過(guò)程的技術(shù)試驗(yàn)和檢測(cè)手段。研究雙轉(zhuǎn)鼓可變安置角模擬路面峰值附著系數(shù)的等效機(jī)理,提出等效附著系數(shù)算法,實(shí)現(xiàn)不同路面附著系數(shù)模擬,具有簡(jiǎn)便高效,成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
所設(shè)計(jì)雙轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)屬滾筒慣性式試驗(yàn)臺(tái),包括滾筒、飛輪、電機(jī)、舉升和蓋板等子系統(tǒng)。滾筒子系統(tǒng)包括主、副滾筒和第三滾筒,主、副滾筒承載測(cè)試車輪,主滾筒軸上安裝轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)主滾筒轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩,第三滾筒與被測(cè)車輪邊緣接觸,通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)輪速;飛輪子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別被測(cè)車輛平動(dòng)慣量模擬,單輪臺(tái)體對(duì)應(yīng)多種不同慣量飛輪,飛輪設(shè)計(jì)選擇合適慣量梯度。進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)根據(jù)被測(cè)車輛載荷計(jì)算需模擬平動(dòng)慣量,并結(jié)合對(duì)應(yīng)飛輪保證試驗(yàn)精度;舉升子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛舉升,方便車輛駛?cè)牒婉傠x試驗(yàn)臺(tái),且能夠?qū)崿F(xiàn)第三滾筒升降;蓋板子系統(tǒng)采用層疊式結(jié)構(gòu),調(diào)整臺(tái)體間距時(shí)可實(shí)現(xiàn)軸距調(diào)整,滿足不同軸距車輛測(cè)試需求。雙轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 雙轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)輪距、軸距調(diào)整,四輪轉(zhuǎn)鼓可獨(dú)立/聯(lián)動(dòng)控制,能夠進(jìn)行單輪、單軸、單邊和整車試驗(yàn)。整車驅(qū)/制動(dòng)試驗(yàn)時(shí),被測(cè)車輛驅(qū)動(dòng)主滾筒7和副滾筒6,通過(guò)T型換向裝置9與中間傳動(dòng)裝置10帶動(dòng)前后臺(tái)體同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)部件固有慣量與飛輪組3不同慣量飛輪組合模擬車輛行駛平動(dòng)慣量,主滾筒軸上轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器4測(cè)量主滾筒7轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩,實(shí)時(shí)計(jì)算需補(bǔ)償平動(dòng)慣量,基于變頻器矢量轉(zhuǎn)矩輸出模式控制電機(jī)1輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)補(bǔ)償,利用第三滾筒8轉(zhuǎn)速等效輪速。單輪試驗(yàn)時(shí),斷開左右側(cè)臺(tái)體動(dòng)力傳輸,通過(guò)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)主滾筒7、副滾筒6轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后開始制動(dòng),利用被測(cè)單輪制動(dòng)器制動(dòng)或電機(jī)1輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減速停車,測(cè)試單輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
整機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是基于CAN/PCI總線的機(jī)電一體化分布式系統(tǒng),模塊化設(shè)計(jì),易于實(shí)現(xiàn)模塊功能拓展。上位工控機(jī)基于總線、變頻器、單片機(jī)、A/D板卡等實(shí)現(xiàn)多重網(wǎng)絡(luò)通信,實(shí)時(shí)獲取傳感器信息,輸出控制信號(hào)控制執(zhí)行元件。設(shè)置保護(hù)電路,實(shí)現(xiàn)過(guò)載及欠壓保護(hù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)A/D板卡各輸入輸出接口狀態(tài),保證電控元器件可靠性及測(cè)試安全性,測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
基于Microsoft.NET Framework及其開發(fā)環(huán)境利用C#編程語(yǔ)言編寫多窗體嵌套人機(jī)交互軟件,包括系統(tǒng)登錄、傳感器標(biāo)定、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)總成5個(gè)方面。在軟件總成窗體功能界面實(shí)時(shí)繪制試驗(yàn)圖線,直觀呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至指定數(shù)據(jù)庫(kù)便于離線分析處理。
基于所設(shè)計(jì)雙轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)研究可變安置角模擬路面峰值附著系數(shù)的等效附著機(jī)理,安置角是指被測(cè)車輪與滾筒接觸點(diǎn)切線方向與水平方向間夾角??紤]單輪制動(dòng)過(guò)程,對(duì)單輪 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析,車輪置于主、副滾筒上受到滾筒支反力和切向力作用,在車輪前后側(cè)安置第三滾筒,保持與車輪良好貼合,通過(guò)檢測(cè)第三滾筒轉(zhuǎn)速可獲得輪速。受力分析如圖3所示。
對(duì)第三滾筒僅與車輪邊緣接觸不提供支反力情況進(jìn)行受力分析,可得平衡方程組:
圖3 單輪制動(dòng)過(guò)程受力圖
式中:FN1,F(xiàn)N2分別為主、副滾筒對(duì)輪胎作用支反力;FX1,F(xiàn)X2分別為主、副滾筒對(duì)輪胎摩擦制動(dòng)力;G為單輪重力;α為輪胎與主、副滾筒間安置角。
考慮車輪抱死情況計(jì)算等效峰值附著系數(shù),車輪所受摩擦制動(dòng)力為
式中φg為滾筒表面峰值附著系數(shù)[7]??傻弥?、副滾筒提供的支反力為
當(dāng)sinα-φgcosα≥0時(shí),輪胎不會(huì)駛出主、副滾筒表面,第三滾筒與車輪表面接觸,不提供支反力??傻密囕喤c轉(zhuǎn)鼓間最大摩擦作用力為
可得安置角與等效峰值附著系數(shù)的關(guān)系為
當(dāng)sinα-φgcosα<0時(shí),隨制動(dòng)力增加車輛會(huì)駛出主、副滾筒表面,此時(shí)后第三滾筒阻礙車輪后移,可得平衡方程為
式中:FN4為后第三滾筒對(duì)輪胎支反力;θ為輪胎與前(后)第三滾筒間安置角。
考慮車輪抱死,可得副滾筒和后第三滾筒所受支反力為
通過(guò)上述公式可知,在此條件下第三滾筒安置角也會(huì)影響等效路面峰值附著系數(shù),故通過(guò)滾筒與車輪位置幾何關(guān)系計(jì)算第三滾筒安置角θ。如圖4所示,基于余弦定理推導(dǎo)第三滾筒安置角θ與主、副滾筒安置角α的關(guān)系,并最終確定在輪胎抱死情況下可變安置角與模擬路面峰值附著系數(shù)的等效對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖4 單輪與滾筒組幾何關(guān)系
基于Matlab/Simulank建立單輪 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)仿真模型,包含輪胎模型、滾筒模型和制動(dòng)系統(tǒng)模型。
3.1.1 統(tǒng)一輪胎模型
路面縱向附著系數(shù)與道路材料、路面狀況、輪胎固有屬性和車輛運(yùn)動(dòng)速度相關(guān),選擇合適輪胎模型能夠提高表征路面附著系數(shù)的精度。
目前輪胎模型主要包括理論模型、經(jīng)驗(yàn) 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃妥赃m應(yīng)模型。魔術(shù)公式和郭孔輝院士提出的統(tǒng)一輪胎模型,為半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型,模型較準(zhǔn)確且具有良好的適應(yīng)性,應(yīng)用廣泛;輪胎自適應(yīng)模型是指具備一定自適應(yīng)能力的輪胎模型,目前較成熟的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輪胎模型,主要是基于輪胎非線性受力情況預(yù)測(cè)輪胎行為。本文中選擇統(tǒng)一輪胎模型[8],縱向、側(cè)向滑移率表征如下。
式中:kx,ky,μx,μy,kcx,kcy,Dx0,De,D1和 D2均包含代辨識(shí)參數(shù),由于仿真條件均為非極限工況,故統(tǒng)一輪胎模型能夠表征輪胎受力情況,無(wú)需對(duì)模型進(jìn)行修正。
3.1.2 制動(dòng)系統(tǒng)模型
制動(dòng)系統(tǒng)模型主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器。其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)建模參考液壓傳動(dòng)系統(tǒng),忽略液壓控制元件(電磁閥等)傳遞延遲及非線性因素,將傳動(dòng)系進(jìn)行簡(jiǎn)化[5]。傳遞函數(shù)為
式中:G(s)為系統(tǒng)傳遞函數(shù);T為時(shí)間常數(shù);K為系統(tǒng)增益。電磁閥響應(yīng)時(shí)間一般較短,故時(shí)間常數(shù)T取值0.01。制動(dòng)器建模忽略非線性因素及滯后影響,簡(jiǎn)化為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)與制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的線性關(guān)系,關(guān)系式為
式中:Tb為制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;KP為制動(dòng)器效能因數(shù);P為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)輸出壓力。結(jié)合式(12)和式(13)建立制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。
3.1.3 滾筒模型
通過(guò)前述動(dòng)力學(xué)方程確定單輪抱死狀態(tài)下可變安置角與等效路面峰值附著系數(shù)的關(guān)系。
基于Matlab/Simulink完成單輪 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)建模,仿真分析得到可變安置角與路面峰值附著系數(shù)關(guān)系,仿真結(jié)果如圖5所示,圖中虛線處對(duì)應(yīng)安置角滿足公式sinα-φgcosα=0。
圖5 可變安置角等效峰值附著系數(shù)曲線
分析仿真數(shù)據(jù)能夠得出主、副滾筒間距在兩極限位置下所模擬峰值附著系數(shù),結(jié)果如表1所示。
表1 仿真結(jié)果
若考慮等效至實(shí)際路面,將兩種安置角條件下轉(zhuǎn)鼓附著力等效成路面附著力,可獲取在兩種工況下輪胎所受地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力和路面附著力的關(guān)系,如圖6所示。
圖6 附著力、制動(dòng)器制動(dòng)力與地面制動(dòng)力的關(guān)系
圖中 Fφ1,F(xiàn)φ2分別為兩種安置角條件下轉(zhuǎn)鼓附著力對(duì)應(yīng)等效路面附著力,即能夠模擬實(shí)際路面受力情況。
基于單輪 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)可變安置角等效附著機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。單輪試驗(yàn)前需要測(cè)試臺(tái)體系統(tǒng)內(nèi)摩擦阻滯力。僅驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主、副滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后測(cè)試此定速狀態(tài)下主滾筒軸上轉(zhuǎn)矩傳感器所檢測(cè)轉(zhuǎn)矩值,測(cè)定系統(tǒng)內(nèi)摩擦阻滯轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)曲線如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)內(nèi)摩擦阻滯轉(zhuǎn)矩檢測(cè)
分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得系統(tǒng)平均內(nèi)摩擦阻滯轉(zhuǎn)矩為12.44 N·m。然后進(jìn)行單輪 試驗(yàn)臺(tái)等效附著機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn),如圖8所示。
圖8 單輪 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)
試驗(yàn)條件與仿真工況一致,部分試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。
表2 試驗(yàn)參數(shù)
目前針對(duì)路面峰值附著系數(shù)測(cè)試,主要采用光學(xué)/微波傳感器、多傳感器融合和基于車輛狀態(tài)參數(shù)估計(jì)的方法。其中較常用的為Slip-slope方法,通過(guò)獲取車輛縱向滑移率,擬合被測(cè)路面μ-s曲線,基于μ-s曲線在小滑移區(qū)(s≤0.05)線性度好的特性,通過(guò)曲線斜率值估算路面峰值附著系數(shù)[9-10]。文獻(xiàn)[11]中基于Slip-slope曲線識(shí)別算法,結(jié)合歸一化輪胎模型設(shè)計(jì)一種基于線性插值的峰值路面附著系數(shù)觀測(cè)方法。文獻(xiàn)[12]中針對(duì)輪胎 路面大滑移非線性區(qū)使用基于最小二乘法的μ-s模型,小滑移線性區(qū)使用Slip-slope法實(shí)現(xiàn)全工況路面附著系數(shù)模擬。本文中基于Slip-slope理論利用第三滾筒轉(zhuǎn)速傳感器及主滾筒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采集主滾筒轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和第三滾筒轉(zhuǎn)速,基于采集數(shù)據(jù)計(jì)算兩種安置角試驗(yàn)條件下車輪縱向滑動(dòng)率與輪胎所受縱向力情況,計(jì)算小滑動(dòng)率線性區(qū)Slip-slope值并分別估算不同安置角條件下模擬路面峰值附著系數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)等效附著機(jī)理。具體估算公式為
式中:k為對(duì)應(yīng)安置角Slip-slope值;s為滑動(dòng)率;Fdx為輪胎所受縱向力;Fdz為輪胎所受法向作用力;μ為模擬路面峰值附著系數(shù);p為峰值附著系數(shù)與線性區(qū)最大附著系數(shù)的比例系數(shù),一般取1.2~1.4;κ為線性區(qū)最大輪胎滑動(dòng)率,此處取值0.05;kc為針對(duì)所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)整車與單輪試驗(yàn)間的換算修正系數(shù),由試驗(yàn)臺(tái)整車試驗(yàn)確定[12]。
進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)整車試驗(yàn)確定換算修正系數(shù)kc,在安置角最大試驗(yàn)條件下進(jìn)行整車試驗(yàn),關(guān)閉試驗(yàn)車輛ABS開關(guān),保證足夠制動(dòng)強(qiáng)度并確保輪胎抱死,進(jìn)行多次試驗(yàn)并通過(guò)制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)初速度確定此安置角條件下等效峰值附著系數(shù),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得等效路面峰值附著系數(shù)為0.617,可確定試驗(yàn)臺(tái)整車與單輪試驗(yàn)間的換算修正系數(shù)kc,整車試驗(yàn)如圖9所示。
圖9 整車試驗(yàn)
分別測(cè)試單輪在兩種安置角條件下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受縱向力和滑動(dòng)率情況并計(jì)算Slip-slope值,選取輪速20 km/h進(jìn)行測(cè)試,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)果如圖10和圖11所示。
圖10 兩種試驗(yàn)條件滾筒轉(zhuǎn)矩對(duì)比
圖11 兩種試驗(yàn)條件Slip-slope值對(duì)比
基于Slip-slope方法估算峰值附著系數(shù)驗(yàn)證等效附著機(jī)理,對(duì)兩種安置角條件下單輪在小滑動(dòng)區(qū)等速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下的Slip-slope值進(jìn)行對(duì)比,并根據(jù)式(14)估算路面峰值附著系數(shù),試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。
表3 試驗(yàn)結(jié)果
分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,誤差最大為4.2%,小于5%。證明所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)能夠通過(guò)改變安置角實(shí)現(xiàn)不同峰值附著系數(shù)模擬,完成變附著系數(shù)試驗(yàn)工況檢測(cè)。
(1)設(shè)計(jì)一種雙轉(zhuǎn)鼓慣性試驗(yàn)臺(tái),基于CAN/PCI總線建立機(jī)電一體化分布式測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)汽車控制系統(tǒng)(ABS,ASR等)樣機(jī)開發(fā)試驗(yàn)和在用車性能檢測(cè)。
(2)通過(guò)建立制動(dòng)過(guò)程單輪 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)雙轉(zhuǎn)鼓可變安置角模擬路面峰值附著系數(shù)的等效附著機(jī)理進(jìn)行理論分析,得到了可變安置角與等效峰值附著系數(shù)的匹配關(guān)系。
(3)基于 Matlab/Simulink建立了單輪 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)仿真模型,對(duì)試驗(yàn)臺(tái)可調(diào)安置角范圍內(nèi)模擬路面峰值附著系數(shù)進(jìn)行了仿真分析。
(4)完成單輪驗(yàn)證試驗(yàn),獲取μ-s曲線線性區(qū)滑動(dòng)率值及輪胎縱向受力情況并基于滑移斜率方法估算模擬路面峰值附著系數(shù)。
研究結(jié)果表明,通過(guò)改變輪胎與滾筒間安置角能夠?qū)崿F(xiàn)不同路面峰值附著系數(shù)模擬,驗(yàn)證了雙轉(zhuǎn)鼓可變安置角的等效附著機(jī)理。