謝 靜

（1.四川開放大學(xué)，四川 成都 610107；2.四川華新現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610107）

0 引言

汽車制動性能水平與交通運(yùn)輸安全密切相關(guān)，通過試驗驗證、計算機(jī)模擬可以更準(zhǔn)確地評估汽車制動性能狀態(tài)，以判斷汽車是否能夠正常投入使用。因此，為了保證汽車的使用安全，須深入分析計算機(jī)模擬、試驗驗證這兩種汽車制動性能檢測方法，以總結(jié)出更加科學(xué)的汽車制動檢測方案，保障汽車可以安全地投入使用，從而提升汽車制造水平。

1 汽車制動性能分析

汽車制動功能的運(yùn)行主要依靠配套的制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過向車輪施加一定的作用力，可以實現(xiàn)對汽車的強(qiáng)制減速或停車控制；同時，也能夠讓汽車在各類道路條件下保持平穩(wěn)的車速或穩(wěn)定駐車。由此可見，汽車制動性能在汽車安全運(yùn)行方面可以發(fā)揮決定性的作用。因此，在汽車出廠投入使用之前，制造廠家需要對汽車進(jìn)行制動性能分析，以判定汽車制動性能狀況是否滿足使用要求，確保汽車能夠正常投入使用。目前，測試汽車制動性能的方法包括路試法、反力滾筒法以及試驗臺法等，這些方法的步驟較為煩瑣，所需的人工、時間成本也比較高，因此在大量汽車的制動性能分析中存在一定的適用性問題。為了解決上述問題，研究者提出運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)，通過模擬汽車的制動運(yùn)行并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，實現(xiàn)評估汽車制動性能的目標(biāo)，從而利用計算機(jī)模擬法高度自動化的優(yōu)勢特征壓縮汽車性能測試周期和成本。為了測試該方法的可行性，研究者在運(yùn)用計算機(jī)模擬法進(jìn)行汽車制動性能分析的同時還運(yùn)用傳統(tǒng)的試驗法對計算機(jī)模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗證，評估計算機(jī)模擬法的可靠性，以期為汽車制動性能檢測工作提供依據(jù)。

2 汽車制動性能計算機(jī)模擬分析

2.1 制動性能理論計算模型

在建模過程中需要先明確汽車的制動過程，按照制動過程列出相應(yīng)的函數(shù)來代表各項制動運(yùn)作程序，從而形成完整的制動性能理論計算模型，進(jìn)而保證建模的準(zhǔn)確性。其中，在制動過程中，汽車制動速度、制動時間關(guān)系如圖1所示。制動過程主要包括以下4個階段：1） 第一階段時長為。該階段是駕駛員從接到制動信號到采取制動行為的階段，即踩制動踏板的階段。2） 第二階段時長為。其中，在時長內(nèi)駕駛員踩上踏板，形成制動力矩，可以將這段時間定義為制動系統(tǒng)反應(yīng)時間。一般來說，如果是氣壓制動，那么這段時間的時長應(yīng)該為0.050 s ~0.060 s；如果是液壓制動，那么時長為0.015 s~0.030 s。該時間段內(nèi)踏板的功效主要被用于克服制動運(yùn)行阻力，例如機(jī)械摩擦力等。此后，在時間段內(nèi)制動力矩開始逐步進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這一過程中系統(tǒng)的制動力不斷增加（達(dá)到一定水平后停止），此時制動器開始發(fā)揮作用。因此，可以將=+這段時間定義為制動器起作用時間。3） 第三階段時長為。此時制動力矩處于穩(wěn)定制動運(yùn)行狀態(tài)，該階段通常持續(xù)到停車或危險解除后，駕駛員松開踏板為止。4） 第四階段時長為。從駕駛員松開踏板直至制動力消除位置為止，通常會持續(xù)0.200 s~1.000 s。

圖1 汽車制動速度與時間的關(guān)系

總體來說，第一階段與第四階段均不涉及制動系統(tǒng)的性能，因此，主要針對第二、第三階段進(jìn)行建模。在數(shù)學(xué)模型建設(shè)上需要根據(jù)第二、第三階段中汽車的制動運(yùn)行情況列出相應(yīng)的函數(shù)式，從而完成汽車制動建模工作。

到此，理論建模工作結(jié)束，為后續(xù)的計算機(jī)模擬運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)。

2.2 制動性能模型計算

在計算機(jī)模擬中，建模完畢后研究者還要運(yùn)用計算機(jī)軟件對模型進(jìn)行模擬計算，從而得出各項汽車制動性能參數(shù)。研究者可以根據(jù)計算機(jī)的計算結(jié)果評估汽車的制動性能狀態(tài)。一般來說，衡量汽車制動性能的主要參數(shù)包括制動時間、制動距離。如果汽車的制動距離越小、制動時間越短，那么說明汽車制動性能越好。

研究者選用MATLAB軟件作為計算機(jī)模擬軟件。該軟件是MathWorks公司開發(fā)的軟件，其具備強(qiáng)大的矩陣計算能力，能夠支持?jǐn)?shù)值分析算法等多種模擬算法，而且可以為用戶提供M語言，這種語言屬于一種具備交互功能的高級編程語言，用戶能夠通過自定義編輯腳本或函數(shù)來運(yùn)作自身的算法，因此研究者運(yùn)用M語言的該功能將上述數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行運(yùn)算。同時，根據(jù)汽車常規(guī)運(yùn)用中的速度狀態(tài)設(shè)定了2種初始速度（100 km/h、50 km/h）作為模擬計算的前提。在該過程中，研究者通過檢測得出汽車在不同路面條件下的附著系數(shù)（見表1），然后借助該附著系數(shù)模擬不同路面條件，以保證計算機(jī)模擬效果。

表1 汽車在各類路面條件下的附著系數(shù)均值表

2.3 模擬數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過上述計算機(jī)模擬過程可以得出，在初始速度為100 km/h、50 km/h的情況下，制動距離、時間模擬結(jié)果見表2~表3。結(jié)合現(xiàn)行的規(guī)范、表2和表3中的數(shù)據(jù)可知，該汽車的制動性能良好，可以滿足汽車的使用需求。

表2 初始速度為100 km/h時制動模擬結(jié)果表

表3 初始速度為50 km/h時制動模擬結(jié)果表

3 汽車制動性能試驗驗證分析

3.1 試驗驗證條件

為了驗證上述模擬結(jié)果的可靠性，研究者對汽車的制動性能進(jìn)行路試，將其作為模擬結(jié)果可靠性評估依據(jù)。在該過程中選擇路試試驗驗證方法的主要原因是該方法具有快速、直觀的優(yōu)勢，能夠有效反映汽車的制動性能情況，而且其所需的條件也比較簡單，可以降低試驗驗證工作的難度。其中，路試的試驗條件主要包括以下4個：1） 根據(jù)現(xiàn)行路試試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求胎壓合格、路面清潔干燥、風(fēng)速小于5 m/s、地面附著系數(shù)大于0.7且氣溫小于35 ℃。同時，50 m內(nèi)任意路面縱向坡度均應(yīng)小于1%，拱坡度小于2%。2） 在進(jìn)行滿載路試時，應(yīng)當(dāng)確保汽車保持在廠定最大總質(zhì)量的狀態(tài)且荷載分布均勻。3） 在進(jìn)行空載路試時，汽車的油量應(yīng)當(dāng)大于90%，冷卻液、潤滑油也要加滿，而且車輛的總裝載質(zhì)量須保持（大約）為200 kg。一般來說，該質(zhì)量參數(shù)通常為駕駛員、配套儀器設(shè)施以及試驗操作人員質(zhì)量的總和。4） 在開始試驗前須對制動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確定制動器磨合良好、輪胎充氣壓力值合格后才能正式開始試驗。

在該試驗中，研究者嚴(yán)格按照上述條件進(jìn)行操作，基本不存在會影響結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性的試驗因素。

3.2 試驗方法

在路試試驗中，由于制動系統(tǒng)制動功能的運(yùn)行主要是由制動器、駐車制動系統(tǒng)2個部分負(fù)責(zé)（不涉及主缸），因此將制動器、駐車制動系統(tǒng)作為該試驗驗證的測試對象。在試驗過程中，首先要進(jìn)行磨合試驗并在滿載且不脫開發(fā)動機(jī)的狀態(tài)下按照表4的規(guī)范進(jìn)行操作，確認(rèn)磨合無問題后再進(jìn)行制動距離測定試驗。其次，在制動距離測定試驗中需要運(yùn)用配套的儀器設(shè)備測量制動系統(tǒng)起效后到車輛停止時汽車所行駛的距離。根據(jù)現(xiàn)行的要求，由于該試驗用的汽車為小于9座的載客汽車，因此只有在該汽車的制動初速度為50 km/h、制動距離小于20 m且空載制動距離小于19 m時才能認(rèn)定汽車的制動距離滿足平穩(wěn)性要求。最后，還要運(yùn)用測得的制動距離以及車輛質(zhì)量等參數(shù)計算制動減速度，并根據(jù)該制動減速度計算制動時間，再將得出的制動距離、制動時間與之前計算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)而探討計算機(jī)模擬結(jié)果的可靠性。此外，在試驗操作中還要保證路試配套的操作標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范處于較為完善的狀態(tài)。為了保證試驗結(jié)果的可靠性，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化要求進(jìn)行操作，而且應(yīng)當(dāng)委派業(yè)務(wù)能力過硬的工作者來負(fù)責(zé)該試驗，消除人為因素給試驗操作結(jié)果造成的影響，以提高試驗驗證工作的質(zhì)量。

表4 磨合試驗規(guī)范表

3.3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過上述路試試驗可以得出，當(dāng)初始速度為50 km/h時，汽車的制動距離為16.00 m，制動時間為4.10 s。而計算機(jī)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)初始速度為50 km/h時，汽車的制動距離為15.72 m，制動時間為3.85 s。由上述數(shù)據(jù)可知，計算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高。同時，根據(jù)現(xiàn)行的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)分析路試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，汽車的制動性能處于良好的狀態(tài)，該結(jié)果與計算機(jī)模擬數(shù)據(jù)反饋的測試結(jié)果相同，這說明計算機(jī)模擬的結(jié)果較為可靠。因此，運(yùn)用計算機(jī)模擬法來測試汽車的制動性能具有極高的可行性。此外，根據(jù)上述計算機(jī)模擬操作可以看出，計算機(jī)模擬操作與路試相比，其測試汽車制動性能的操作方案具有更高的自動化水平，可以排除人為因素造成的測試結(jié)果不確定的問題，而且能夠大幅度壓縮性能測試的時間、人力資源成本，提升汽車制動性能檢測工作水平。因此，計算機(jī)模擬法在汽車制動性能分析工作中具有良好的適用性。

4 汽車制動性能分析的優(yōu)化方法

4.1 積極運(yùn)用計算機(jī)模擬法

在汽車性能檢查中，制動性能分析環(huán)節(jié)直接決定了汽車性能整體檢查結(jié)果。因此，大部分情況都需要在該環(huán)節(jié)花費(fèi)較多的時間、人力資源成本。而根據(jù)上述論述可知，計算機(jī)模擬法與傳統(tǒng)的試驗驗證方法相比，其具有自動化水平高、高效以及受人為因素影響小等優(yōu)勢，因此，在汽車的制動性能分析中應(yīng)積極運(yùn)用計算機(jī)模擬法對性能參數(shù)進(jìn)行測定，從而輔助研究員更好地完成汽車制動性能評估工作，增強(qiáng)汽車性能分析效果。在性能分析中，可以考慮編制一套完善的計算機(jī)模擬方案，并對計算機(jī)模擬法的操作進(jìn)行說明，指導(dǎo)操作者的操控思路、準(zhǔn)備方向，使計算機(jī)模擬的實際操作更簡單、明確，增強(qiáng)該方法的推廣使用效果。此外，還必須將計算機(jī)模擬法的操作要點(diǎn)、要求以及注意事項羅列出來，以持續(xù)完善該方法，這樣有助于拓寬該方法的推廣范圍，提高汽車制動性能分析檢測的工作水平。

4.2 軟件、硬件的配置

由于計算機(jī)模擬法對配套的軟件、硬件性能要求較高，因此要做好軟硬件配置工作。在軟件配置方面，該文選擇的是MATLAB軟件，其具有可視化、支持自定義以及工具箱多樣等優(yōu)勢，能夠有效完成模型運(yùn)算工作。雖然該軟件優(yōu)點(diǎn)很多，但是其使用成本較高。因此，考慮到使用成本，應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的軟件來進(jìn)行制動性能分析。在硬件配置方面，需要硬件具備一定的數(shù)據(jù)吞吐量，如果分析工作量較大，那么就必須配置數(shù)據(jù)吞吐性能足夠好的硬件設(shè)施，以免影響軟件的正常運(yùn)行。此外，在硬件方面，還需要根據(jù)最新要求及時升級硬件配置，保持硬件性能良好，更好地支持汽車制動數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算，提高制動性能計算機(jī)模擬分析的工作水平。

4.3 優(yōu)化計算機(jī)模擬建模

在該計算機(jī)的模擬過程中，研究者為了簡化計算、降低計算成本，所構(gòu)建出的模型較為簡單且主要針對汽車結(jié)構(gòu)內(nèi)在因素，忽略了外部因素，這在一定程度上影響了計算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果的重復(fù)性。為了讓計算機(jī)模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠，應(yīng)該不斷優(yōu)化建模，構(gòu)建更加完善的模型，這樣可以深入、準(zhǔn)確地進(jìn)行計算機(jī)模擬，使得出的模擬結(jié)果更詳細(xì)，增強(qiáng)制動性能分析效果。因此，可以結(jié)合環(huán)境實際情況進(jìn)行建模，例如將風(fēng)速、溫度等參數(shù)設(shè)置到模型中，具體地模擬汽車的運(yùn)行環(huán)境，提高模擬結(jié)果的完整性。就目前來看，還需要進(jìn)一步對制動性能建模進(jìn)行分析，以構(gòu)建更加完整、科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，增強(qiáng)計算機(jī)模擬法的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

綜上所述，對汽車制動情況進(jìn)行計算機(jī)模擬并進(jìn)行試驗檢驗，可以準(zhǔn)確評估汽車制動狀態(tài)。經(jīng)過上述計算機(jī)模擬與試驗驗證可以看出，計算機(jī)模擬結(jié)果與路試試驗結(jié)果之間的差異較小、重復(fù)性較高，說明計算機(jī)模擬法適用于汽車的制動性能檢測評估。同時，計算機(jī)模擬法具有高效、高自動化水平等優(yōu)勢，將其應(yīng)用到制動性能分析工作中能夠提高汽車制動性能的檢測水平。