（交通信息工程及控制专业论文）汽车ABS试验台测控系统研究与试验分析.pdf

摘要 汽车a b s 试验台是针对汽车a b s 整车台架检测而开发的一种复杂机、电、气一体 化检测设备，该设备具有测试任务繁重、操作程序复杂、安全性要求高等特点。为了保 证a b s 试验台工作的可靠性以及检测数据的准确性，论文设计并开发了一种基于c a n 总 线的计算机测控系统，并在此基础上进行了多车型对比试验及测试数据分析研究工作。 论文在研究了汽车a b s 理论及台架检测方法的基础上，开发了一种基于c a n 总线 的汽车a b s 试验台测控系统，该系统采用分布式的c a n 总线结构将复杂繁重的测控任 务分散在各智能节点模块上，每个节点具备独立的测量、控制、标定、自诊断等多种功 能，由上位机发送的控制信息进行统筹工作，从而保证了系统的可靠性和数据传输的实 时性；利用p w m 技术控制四个扭矩控制器的输入电流，以产生大小不同的扭矩，实现 不同路面附着系数的模拟；通过变频器、交流伺服电机、行程光电编码器等设备组成了 行程控制系统，实现了可移动台架位置的精确控制。运用c p l d 技术实现各车轮及车身 速度的高精度、实时采集。最后在所开发的系统上进行了多车型、不同路面附着系数、 不同工况的台架试验，并对试验数据进行了分析。设计了基于b p 神经网络的a b s 故障 分类模型，该模型用大量实验数据对网络进行训练，利用训练后的神经网络参数实现了 a b s 检测结果的自动评价。 试验结果表明，论文设计的汽车a b s 试验台测控系统能够实时精确地采集装有a b s 的汽车在台架上进行高速紧急制动时的轮速及车速数据，通过训练后的人工神经网络可 将检测结果分为a b s 正常工作、a b s 故障、制动力不足三个类别。 关键词：汽车a b s ，台架检测，分布式测控，b p 神经网络，故障分类 a b s t r a c t v e h i c l ea b st e s t b e d ，d e v e l o p e df o rv e h i c l ei n d o o rb e n c ht e s t , i sac o m p l e xi n s p e c t i o n d e v i c et h a tc o n s i s t so fe l e c t r o m e c h a n i c a la n dp n e u m a t i cc o m p o n e n t s i th a sr e q u i r e m e n t sf o r a r d u o u st a s k s ，c o m p l i c a t e do p e r a t i o np r o c e d u r e sa n dh i g hs a f e t ya n ds oo n t oe n s u r et h ea b s t e s t - b e dw o r k i n gi ng o o dc o n d i t i o nw i t l lr e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y , t h et h e s i sa i m st od e v e l o p t h ec o m p u t e rm e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b e s i d e st h a t ，m u l t i v e h i c l e c o m p a r i s o nt e s t sa n dd a t aa n a l y s i sw o r ka r ec a r r i e do u tb a s e do nt h et e s t - b e d o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt h ev e h i c l ea b st h e o r ya n di t st e s tm e t h o d s ，a na b st e s t - b e d m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gc a nb u s i tu s e st h ed i s t r i b u t e dc a n s y s t e mt od i s t r i b u t ec o m p l i c a t e da n dh e a v ym e a s u r e m e n t & c o n t r o lt a s k s t oe a c hs m a r t m o d u l e e a c ho ft h es m a r tm o d u l e sh a si n d e p e n d e n tf u n c t i o n sw i t hm e a s u r e m e n t , c o n t r o l ， c a l i b r a t i o na n ds e l f - d i a g n o s i sa n ds oo n p cs e n d sm e s s a g e st ot h es m a r tm o d u l e sa s c o o r d i n a t i o rs oa st oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o n t h em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mu s e sp w mt e c h n i q u et oc o n t r o lt h ei n p u tc u r r e n t so ff o u rt o r q u ec o n t r o l l e r s t op r o d u c ed i f f e r e n tt o r q u e s ，w h i c hc a nr e a l i z et h es i m u l a t i o no fd i f f e r e n tr o a da d h e s i o n c o e f f i c i e n t s t r a v e l l i n gc o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fat r a n s d u c e r ，a na c s e r v om o t o r , a n o p t i c a le n c o d e ra n do t h e rc o m p o n e n t s ，w h i c ha c h i e v e sp r e c i s ec o n t r o lo ft h em o v a b l eb e n c h s p o s i t i o n t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t sc p l dt e c h n i q u et or e a l i z et h eh i g ha c c u r a c ya n d r e a l - t i m es p e e da c q u i s i t i o no ft h ef o u rw h e e l sa n db o d yo fv e h i c l e s f i n a l l y , b e n c h e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t hd i f f e r e n tv e h i c l e s ，d i f f e r e n tr o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t s ，a n d t h ee x p e r i m e n td a t ai sa n a l y z e d t h et h e s i sa l s oi n c l u d e sa na b sf a u l tc l a s s i f i c a t i o nm o d e l b a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ku s i n gal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at ot r a i nt h en e t w o r k , a n dt h e nr e a l i z e st h ea u t o m a t i ce v a l u a t i o no ft e s tr e s u l t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea b st e s t - b e dc o n t r o l l i n gs y s t e mc a nc o l l e c td a t ao ft h ev e h i c l e a n dt h ew h e e l ss p e e da c c u r a t e l yi nr e a l - t i m ew h e nt h ev e h i c l e sb r a k ee m e r g e n t l ya th i g h s p e e d t h et r a i n e dn e u r a ln e t w o r kc a nd i v i d et h et e s tr e s u l t si n t ot h r e ec a t e g o r i e so fa b s n o r m a l ，a b sf a u l ta n di n s u f f i c i e n tb r a k i n gf o r c e k e yw o r d s ：v e h i c l ea b s ，b e n c ht e s t , d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，b pn e u r a ln e t w o r k , f a u l t sc l a s s i f i c a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 课题概况 第一章绪论 1 1 1 选题背景 随着经济飞速发展，人民生活水平不断提高，我国汽车销量也在不断飙升，从1 9 9 4 年的1 3 4 万辆到2 0 0 8 年的9 3 8 万辆，整整增加了8 0 4 万辆。据不完全统计，到2 0 0 9 年底全国汽车销量达到1 3 6 4 万辆，相对于2 0 0 8 年增长率超过4 6 。 1 9 舛l 鲫5 1 9 妨1 9 9 7 1 9 9 9 1 9 妇2 0 0 0 2 0 0 1 瑚2 如0 3 2 4 2 响5 瑚6 珊瑚8 2 啷 图1 1 汽车用量现状图 2 0 1 0 年0 1 月0 9 日公安部交通管理局通报，2 0 0 9 年，全国共发生道路交通事故 2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡、2 7 5 1 2 5 人受伤，直接财产损失9 1 亿元，其中，发生 一次死亡1 0 人以上特大道路交通事故2 4 起【l 】。交通事故的频繁出现对民众的人身安全 造成威胁，给国家带来严重的经济负担。 随着汽车使用量的增加，出现交通事故的频率也在不断上升。在强调驾驶员遵守交 通规则安全驾驶的同时，汽车自身的安全问题也成为人们关注的焦点。制动系统是关系 到安全行车最直接的部分，是行车安全的重要保障。许多交通事故都是由于制动性能差 导致制动距离长，或者制动时车辆跑偏、甩尾等因素造成的。我国从8 0 年代就开始对 在用汽车的整车性能进行定期强制检测，其中对汽车制动性能的检测最为重要。 为了提高制动性能，现在的汽车普遍装配了a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ) 一制 动时防止车轮抱死的安全系统，是汽车制动装置的核心部件之一。a b s 在干燥路面尤 其是湿滑路面上能够提高车辆的控制能力并缩短制动距离，在沙子、碎石、积雪等松散 路面上可以稍微增加制动距离来保证车辆的控制能力。研究表明，a b s 使多车辆碰撞 的危险降低了1 8 ，车辆冲出路面的危险降低了3 5 1 2 1 。然而，目前国内传统的汽车检 第一章绪论 测线却无法检测a b s 的制动性能，只能检测汽车的常规制动性能。因为检测线中采用 滚筒反力式制动性能检测台，其滚筒转速较低，表面的线速度只有5 k m h 左右，而a b s 要在较高的车速( 一般为1 0 k m h ) 下才会工作，在此低速下根本无法测量a b s 的性能， 并且滚筒和轮胎接触面的附着系数无法改变，相当于车辆在单一路面上行驶，不能检测 车辆在对接、对开等多种路面状况下的a b s 工作性能。平板式制动性能检测台也可以 检测汽车的制动性能，但它与滚筒反力式制动性能检测台存在着同样的问题，一是检测 速度的问题，二是多路面状况的模拟。用平板式制动检测台检测时，汽车以5 - - - 1 0 k m h 的速度驶入检测平板，驾驶员根据现场提示踩下制动踏板，检测系统中的各传感器采集 制动时的数据，并进行分析处理以判断车辆的制动性能，但是此时a b s 还处于不工作 或刚开始工作的状态，因此不能反映a b s 的制动效果。并且平板与轮胎之间的附着系 数也不能调整，无法检测多路面状况下的a b s 工作性能。目前国内比较成熟的a b s 整 车性能检测方法只有道路试验法，该方法通过在车辆上安装多个传感器，检测车辆制动 时的轮速，车身速度，踏板及管路压力等，并用仪器进行处理和分析来判断a b s 的工 作性能。但是道路试验需要专门的实验场地，其造价非常高，占地面积大，而且试验过 程中需要在车辆高速行驶时紧急制动，具有一定的危险性，试验结果也常常受到环境及 道路条件的影响，重复率低，不适合大规模汽车检n t 3 ，4 , 6 , 7 1 。 国外虽然已有某些公司开发出成套的汽车a b s 台架检测设备，但其只能模拟单一 路面状况，并且价格非常昂贵【5 1 ，不适合大批量应用于汽车检测线中。因此，实现汽车 a b s 的制动性能不解体台架测试是我国汽车制动性能检测急需解决的技术难题。 1 1 2 汽车a b s 检测技术发展状况 一 1 9 2 9 年，法国的g a b r i e lv o i s i n 首次开发了应用在飞机上的a b s ，直到1 9 世纪6 0 年代，完整的a b s 机械系统才在f e r g u s o np 9 9 赛车和f o r dz o d i a c 等有限的车辆上使用， 由于其价格非常昂贵，在汽车上的应用有一定程度的不可靠性，因此没有被广泛使用。 1 9 7 1 年，克莱斯特和本迪公司联合推出了一款真正的电脑控制的三通道、4 传感器的全 轮防抱死系统，被称作“s u r eb r a k e 。经多年使用，证明其发挥了预期功效，并且系统 性能可靠。随着汽车电子产品价格的下降，汽车a b s 技术的不断成熟，现在的汽车普 遍安装了a b s ，随之出现了a b s 性能检测的问题。目前国内对a b s 性能的检测方法多 种多样，针对不同的检测目的和不同的用户大致分为：装车前静态测试( 电气性能测试) 、 系统故障自诊断、a b s 整车道路试验、惯性式台架检测等。 2 长安大学硕士学位论文 国外一些公司针对不同用户( 如a b s 生产厂家、汽车制造厂) 的需求，开发出了 a b s 装车前静态测试的产品。装车前静态测试只是对a b s 进行电器电气性能测试，这 种方法只能检测出传感器电压是否正常，线路是否短路等，不能判定a b s 装配到车辆 上以后能否充分发挥其功效。一 a b s 系统带有两个故障警示灯，可以进行系统故障自诊断，当系统出现故障时，仪 表板上的故障警示灯将出现有规律的闪亮，且故障原因和部位不同，故障警示灯的反应 也不同。可以根据警示灯的闪亮规律，结合某些故障现象，进行简易的故障诊断【8 l 。 a b s 性能道路试验是以低附着系数道路为主的多种路面状况实验，如结冰路面、积 雪路面、潮湿沥青路面、干燥沥青路面和不均匀沥青路面等。一般来说，自然状态下的 上述路面尤其是结冰路面与积雪路面是受季节与地区条件所限的，而且，这几种路面的 技术组合也很难获得。目前，德国、日本等工业发达国家已经普遍使用专门建造的特种 路面试验场进行a b s 道路试验与性能评价【9 1 0 1 。实验时在车辆上安装多种传感器和专用 数据采集系统，由有经验的司机在a b s 试验专用路面上行驶到一定车速后紧急制动， 然后对检测数据进行分析来判断a b s 的工作性能。这种检测方法费用高、危险性大、 测试周期长、受环境及道路条件的影响大，因此只适合对部分车辆进行抽检，不适应大 批量车辆检测。 德国与日本一些企业已经研制出成套的a b s 整车试验台一惯性式a b s 检测台，可 以采集轮速及车速，模拟单一路面工况和车辆在路面上制动时的运动状态，对a b s 性 能作出定性判断。但是其无法完成对接、对开等路面工况试验，且价格昂贵【1 1 , 1 2 】。 1 1 3 论文的研究目的及意义 随着汽车运输事业的发展和高速公路上汽车车速的提高，高速行驶车辆的安全问题 越来越引起人们的重视。近年来汽车上已经普遍装配a b s ，以提高汽车高速制动时的 安全性。而普通的汽车检测站无法完成汽车a b s 的整车台架检测，如果每个检测站都 建造a b s 道路试验的专用路面，那不但占用大量的土地( 典型的a b s 制动性能检测场 地仅路面就需要2 2 2 8 0 m 2 ，约1 0 亩地) 0 3 l ，而且需要投入巨额资金，一般的企业无法 负担。虽然外国一些公司已经研制出汽车a b s 整车台架检测设备，但是价格昂贵，并 且只能模拟单一路面工况，不能做对接路面和对开路面的检测。由于室内台架检测占地 面积少、检测时间短、安全性高，并且检测不受外界条件干扰，重复性强，因此论文针 对汽车a b s 台架检测技术现状，开发一套功能齐全、实时性好、可靠性高的全自动汽 3 第一章绪论 车a b s 试验台测控系统。该系统的成功研制将填补我国在汽车a b s 制动性能整车室内 台架检测方面的空白，对于推动我国汽车检测技术及设备的发展具有十分重要的意义。 1 2 论文的主要研究内容 论文的主要研究内容分为以下4 个部分： 1 汽车a b s 台架检测理论研究 研究了汽车的制动原理及其a b s 的控制原理和工作过程，对a b s 的各种检测方法 进行对比分析。研究了a b s 台架检测理论，确定了a b s 性能评价所需要的参数，及其 台架检测中的关键技术。 2 汽车a b s 试验台测控系统的研究与开发 对a b s 检测台架及其技术参数进行深入分析，研究并开发基于c a n 总线的a b s 试验台测控系统及其上位机测控软件，开发了试验台架可移动前台架的位移精确控制系 统，采用了p w m 波对扭矩控制器的电流进行控制实现多路面工况的模拟，利用基于 c a n 总线的多路高精度测速方法开发车速和轮速的精确采集系统。 3 系统多车型试验及测试结果分析 研究了a b s 道路试验方法，根据试验台结构技术参数，选择多种车型进行台架试验， 并对实验结果进行整理和分析，针对实验过程中遇到的问题对系统进行修改完善。 4 应用b p 神经网络对a b s 检测结果进行分类 应用b p 神经网络的故障分类功能，设计b p 网络结构，用m a t l a b 神经网络工具箱 进行仿真试验，用大量的检测样本数据对网络进行训练，最后通过m a t l a b 与v b 的接口 技术将设计的b p 网络应用到上位机测控程序中，实现检测结果自动分类。 4 长安大学硕士学位论文 第二章汽车a b s 检测理论研究 2 1 汽车a b s 理论研究 1 汽车a b s 的组成 a b s 的全名是a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( 防锁死制动系统) ，是安装于汽车上来提高 司机和乘客安全性的重要系统之一。它的工作原理是在不牺牲车辆稳定性和控制能力的 前提下取得最佳减速度，控制车轮保持在转动状态【1 4 1 。 一个典型的汽车a b s 控制系统由以下四部分组成： 轮速传感器：通常是电磁组件，提供一个与轮速成正比的数字频率信号： 电子控制单元( e c u ) - 具有计算功能的电子设备： 制动压力调节器t 电动液压或电动气压设备，用来增、减或维持制动时的压力， 与司机踩制动踏板是相互独立的： 电线，继电器，液压管以及把各种主要部件组装在一起的连接器。 a b s 组成部分结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 汽车a b s 结构示意图 轮速传感器把与车轮速度成正比的脉冲频率信号传送给e c u ，e c u 处理这些信号， 然后发送控制命令控制制动过程。e c u 和控制算法在一定程度上反映了a b s 的工作性 能【1 5 】。 5 第二章汽车a b s 检测理论研究 2 制动时车轮受力情况 通常汽车制动时车轮会受到5 个力的作用，如图2 2 所示。 。 图2 2 制动时车轮受力示意图 其中，r 为车轮半径，g 为车辆的垂直载荷，n 为克服g 的路面支撑力，f t 为车轴 对车轮的推力，t u 为制动力矩，f u 为克服制动器制产生的摩擦力所需要的力，f x b 路 面制动力【1 6 ，m 。 地面支撑力n ：车辆对地面压力的反作用力，这个力的大小由汽车质量和载荷确定。 轴推力f t ：车轴推动汽车前进的力。 制动力f u ：作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩t u 所需的力。 路面制动力f x b ：路面与轮胎间的摩擦力，它的大小取决于制动器制动力，制动 器制动力越大，路面制动力也越大，但是路面制动力的最大值受路面与车轮之间 的摩擦力限制，不可能大于路面附着力。 侧向附着力：为车辆转向提供动力，当侧向附着力为0 时，车辆失去转向能力。 上述5 个力的大小主要是由路面状况、轮胎磨损状况、轮胎类型决定的。a b s 通过 传感器不断检测各车轮转速、车身速度及制动减速度等信号，然后传给a b s 电子控制 单元，由电子控制单元加以分析，然后控制单元输出控制命令控制制动压力调节器、液 压泵及常规制动装置等制动执行器的动作，达到快速平稳的制动效果，以保持车轮处于 理想制动状态【1 8 】。 3 防抱死控制的基本原理 电子控制单元e c u 不断监视每个车轮的转动速度，当它检测到某个车轮速度明显低 6 长安大学硕士学位论文 于其他车轮速度或车身速度时( 预示车轮将要抱死) ，则调节液压阀以降低这个车轮的 制动压力，使此车轮的转速变快。当e c u 检测到此轮的速度又明显超过其他车轮的速 度，又增加这个车轮的制动压力，使它的速度慢下来，这样的过程不断重复。司机可以 通过制动踏板的脉动感受到a b s 的制动效果，一个典型的防抱死系统一秒钟增加或释 放制动压力的次数高达2 0 次。 汽车制动过程中，车身速度和轮速之间存在着速度差，也就是车轮与地面之间有滑 移现象，滑移的程度用滑移率九表示： 九：垫1 0 0 九= 二 y 式中：v 为车身速度； r 车轮半径； 国。为车轮的角速度。 滑移的程度与制动的距离、制动时的方向可控性和制动的平稳性密切相关【四垅】。其 原因在于滑移率与汽车和地面间的纵向附着系数和侧向附着系数的关系呈一定的非线 性曲线关系。纵向附着系数的大小与制动距离的长短直接相关，纵向附着系数太小会导 致制动距离过长；侧向附着系数的大小直接决定汽车防侧滑的能力，侧向附着系数太小 会导致侧滑，转向失控等问题。研究表明【1 4 1 ，在特定的道路条件下，路面附着系数是 车轮滑移率九的一个非线性函数，如图2 3 所示。 1 o 9 o 8 o 7 o 6 p t 0 s o 4 o 3 o 2 o 1 0 00 10 20 30 40 50 60 70 80 01 九 图2 3 典型的肛九曲线图 由图2 3 可知，只要把滑移率控制在一定的范围内，就可使路面附着系数取得最佳 7 第二章汽车a b s 检测理论研究 值。滑移率由轮速和车身速度确定，控制滑移率就要把轮速控制在一定范围内，即不能 使制动力太大导致轮速与车速差距较大，这就必须通过e c u 反复调节制动压力，合理 地增压( 快增和慢增) 、保压和减压( 快减和慢减) ，使滑移率始终处于最佳范围内。其中 保压很重要，会使制动更平稳，因为增减压用得太频繁会使储气囊中储存的气压下降非 常快，不利于长距离制动。控制压力的环节也是汽车防抱死制动系统( a b s ) 设计开发的 最大难点之一1 2 3 1 。 2 2 汽车a b s 检测方法研究 2 2 1 汽车a b s 传统检测方法 1 a b s 装车前静态测试 a b s 静态测试是a b s 在装车前通过a b s 测试控制器模拟汽车在a b s 制动过程中 的轮速信号，将此信号送入a b s 中，然后通过测试电磁阀的开启关闭动作来判断a b s 是否正常工作。 a b s 装车前静态测试的产品有美国p t me l e c t r o n i c s 公司的a b s 测试控制器，如图 2 4 。这是一个检测a b s 控制器的实时仿真系统，该系统从计算机接受汽车的动态数据， 并通过控制转换电路将该动态数据传送至a b s 控制器。随后，仿真系统从a b s 控制器 接受控制信号并通过控制转换电路将控制信息反馈至计算机，以便对信号进行分析计 算，并将结果显示在计算机的监视器上。 圈_ 图2 4p t me l e c t r o n i c s 公司的a b s 测试控制器 2 汽车a b s 的o b d 故障诊断 o b d ( 车载自动诊断系统) 是一种安装在车辆上能够监测汽车的多个系统和部件工 作状态的装置，用户只需通过特殊仪器提取a b s 故障码，并进行解码便可知道a b s 发 生的故障。 a b s 系统的o b d 故障检测需按照“a b s 系统故障检测与诊断一般程序”进行操作。 望 长安大学硕士学位论文 通过跨接诊断座串相应的端子，根据防抱警示灯( 或电子控制装置的发光二极管) 的闪 烁情况读取故障代码，同时参考维修手册对系统进行故障诊断【8 1 。 3 汽车a b s 惯性式台架检测 根据a b s 的工作原理，只要能检测出车辆制动时的滑移率，就能判断车轮是否抱 死，进而判断a b s 的工作性能。那么适用于检测a b s 性能的台架需要能够检测车辆制 动时的轮速和车身速度，模拟车辆制动时的运行状态。目前很多高校和公司都在进行 a b s 室内台架检测的研究，较常用的检测台架是滚筒式惯性检测台架，如图2 5 所示。 后 图2 5 滚筒式惯性检测台架结构示意图 图2 5 中，1 ，2 ，3 ，4 ，5 是速度传感器，用来检测四个车轮和车身的速度； 6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 是8 个联轴器，用于链接台架各部分，保证各部分同步运动； a , b ，c ，d ，e ，f , g ，h 为滚筒组，其中a , b ，e ，f 为4 个支撑滚筒，c , d ，g ，h 为4 个主滚筒； i 为飞轮组，用来模拟汽车的运动惯量； a ，b ，c ，d 为4 个扭矩仪； e ，f 是两个链轮，用来连接前后滚筒。 台架检测原理：待检汽车驶入台架，车轮运动驱动后滚筒转动，链轮将后台架滚筒 的转动传递给前台架，前台架滚筒随之运转，并带动飞轮旋转。飞轮的惯性质量相当于 车辆惯性质量，制动时，用飞轮的转动惯量模拟车辆在道路上运动的平动惯量。轮胎与 滚筒之间具有摩擦力，制动时轮胎对转动的滚筒产生阻力，滚筒传动系统在惯性作用下， 相对车轮转过一段距离，转动的长度就相当于车辆在路面上的制动距离。这样就可以模 拟在道路上制动的试验工况。 试验中，车轮转动带动滚筒转动，由于支撑滚筒a , b ，e ，f 的转动惯量很小，其转速与 车轮转速一致，用速度传感器l ，2 ，3 ，4 分别检测四个支撑滚筒的转速，模拟车辆左前轮、 9 第二章汽车a b s 检测理论研究 右前轮、左后轮、右后轮的速度，速度传感器5 与飞轮组同轴，模拟车身速度。这样检 测出制动时的车轮和车身速度即可求出滑移率，判断a b s 的工作性能【2 4 1 。 4 汽车a b s 道路试验 汽车装用a b s 的目的首先是为了提高车辆在低附着系数路面紧急制动时的制动操 纵稳定性，其次才是追求缩短制动距离。因此，对a b s 的性能进行道路试验与评价时 必须使用以低附着系数道路为主的多种状态实验路面：结冰路面、积雪路面、潮湿路面、 干燥路面等。 1 9 7 2 年德、英两国向联合国欧洲经济委员会提出制定有关a b s 检验法规的建议， 1 9 7 3 年成立专家小组着手进行此项工作，在1 9 7 5 年形成了e c er 1 3 之附件1 3 ，1 9 7 6 年通过，并决定在1 9 7 9 年实施。中国国家标准g b l 3 5 9 4 2 0 0 3 车辆防抱制动系统性能 要求和试验万法参考了e c er 1 3 之附件。世界大多数国家和地区均自愿采用e c er 1 3 对安装有a b s 的汽车进行道路试验。目前，德国、日本等工业发达国家已经普遍使用 专门建造的特种路面试验场( 如图2 6 所示) 进行汽车a b s 的道路试验与性能评价。 ( 1 ) 检测方法 图2 6典型的a b s 汽车道路试验路面结构图 道路试验一般采用车载计算机、多功能数据采集设备、信号调理箱和轮速传感器、 车速传感器( 五轮仪) 、压力传感器、车辆横摆角速度传感器等设备对装备有a b s 的汽 车在不同路面及工况下制动过程中的各车轮速度、车身速度、制动缸压力、车身横摆角 速度等技术指标进行测量；图2 6 是典型的a b s 汽车道路试验路面结构图。在车载计 算机中一般都设计了数据采集程序，可以采集、分析a b s 控制数据，并可以绘制并打 1 0 长安大学硕士学位论文 印各种曲线图标。图2 7 是a b s 道路试验车载测试系统的硬件框图。 一轮速传感器4 卜 被 一鬻畏。卜 信 车 测号 九j数据心 载 试调 f 1采集竹 计 车 一压力传感器4 卜 理 设备 算 辆箱 机 一横摆角速度传感k l 器x1 i 图2 7a b s 道路试验车载测试系统硬件框图 ( 2 ) 检测内容 1 ) 单一附着系数路面适应性特征试验 该试验包括高附着系数( t t = 0 7 o 8 ) 路面适应性试验和低附着系数路面( 0 0 5 ) 适应性试验。该试验是指车辆以较高的车速( 8 0 k m h ) 在高低两种不同附着系数的路 面上进行直线制动，测量车身速度、车轮速度、车轮制动缸压力、车身横摆角速度等物 理量，并绘制“轮速一时间”，“车速一时间 ，“制动缸压力一时间 ，“横摆角速度一时 间等曲线，同时计算出制动距离比，附着系数利用率等评价指标。 2 ) 对开路面适应性试验 对开路面是指制动时汽车左右两边车轮，一边车轮在高附着系数路面上，另一边车 轮在低附着系数路面上，制动时要求控制车轮不抱死同时还要有较小的横摆力矩，制动 过程中驾驶员要调整转向盘以抵消车辆所产生的横摆力矩。 3 ) 对接路面适应性试验 对接路面分2 种情况即从高附着系数路面制动后进入到低附着系数路面上继续制动 或从相反方向低附着系数过渡到高附着系数路面。 4 ) 转弯制动试验 转弯制动是一种特殊工况的制动，一方面要考核a b s 系统在转弯情况下控制逻辑 的适应性；另一方面要比较带a b s 与不带a b s 制动时车辆性能的优劣。为较好地对车 辆系统进行测试，分别安装了下列传感器：车辆横摆角速度传感器，用于测量车辆 质心处横摆角速度，它可以反映车辆转弯时绕自身垂直轴线的转动情况；横向加速 度传感器，用于测量车辆的横向加速度，在稳态转弯时测量出车辆的向心加速度；转 向盘转角传感器，主要用于测量驾驶员操纵转向盘的转角，转向盘转角反映出驾驶员的 第二章汽车a b s 检测理论研究 操纵意向【3 j 。 2 2 2 传统检测方法的不足 根据g b 7 2 5 8 机动车运行安全技术条件的有关规定，要求对车辆的技术状况进 行定期检测。并要求旅游客车、长途客车、大货车等都必须安装防抱死制动装置。但是 没有对汽车制动防抱死系统( a b s ) 性能检测提出要求。因为，传统的汽车制动防抱死 系统( a b s ) 检测手段存在着以下不足： ( 1 ) a b s 静态测试是对a b s 装车前的电气性能测试，这种方法虽然可以测试出传 感器输出电压是否正常，传感器线路是否短路、制动管路是否畅通、电磁阀是否工作正 常、警示灯是否工作正常等，但是这些参数即使都在正常值范围内，仍然无法保证a b s 装车后与车辆的匹配效果，因此不适宜汽车检测站对安装a b s 车辆的制动性能进行快 速检测。 ( 2 ) a b s 系统的o b d 故障检测功能是针对汽车维修部门开发的，对a b s 本身的 故障进行检测，通过解码器读取a b s 控制单元中信息，诊断a b s 系统( 包括控制阀、 轮速传感器) 是否起作用，不能对a b s 装车后的性能进行评价，不能定性判定整车a b s 是否正常工作，不适合汽车检测站对a b s 制动性能的检测。 ( 3 ) a b s 惯性式检测台架可以检测车轮和车身速度，计算出滑移率，并且能够模 拟汽车在道路制动时的平动惯量，可以比较客观地判定a b s 效能，但是只能模拟单一 路面情况的制动效能，无法进行对接、对开等多种路面工况的模拟，不能判断a b s 在 各种路面状况下的工作性能，目前大部分惯性式a b s 检测台架均为进口产品，价格极 其昂贵( 4 0 0 万元人民币左右) ，不适宜在汽车检测站进行使用。 ( 4 ) a b s 道路试验虽然可以较全面地反映a b s 装车后的整体性能，但是道路试验 具有一定的危险性，需要耗费大量时间和资金，特别是在a b s 开发中和a b s 成品上市 装车前的测试易受到自然条件的限制。而且a b s 道路试验要求实车驾驶检测，要求场 地较大，必须有人员亲自驾驶，需要人员较多，测试周期较长，效率较低，检测结果主 要靠专家进行评价，势必有人为主观因素影响评价结果，因此检测结果的重复性和准确 度都会有所降低，无法满足现在检测线的要求。 车辆检测部门对检测线及设备的要求是能智能、高效运行，网络化传递检测数据， 成本低廉。如果采用现有的检测手段进行检测，要求业务熟练的专业检测人员手工检测 ( 如采用解码器，道路试验) ，并且现有的检测手段对被检测部分中的每一部分进行分 1 2 长安大学硕：t 学位论文 步检测，整个检测程序复杂，效率低下。因此，现有的检测手段不能满足车检部门的要 求。面对这样的难题国内外有些厂商和研究机构开发了或正在研制a b s 检测试验台， 利用台架试验方法实现对a b s 综合性能的测试，从而大大节约测试费用，缩短测试周 期增加测试的安全性和可靠性。随着现代技术的发展a b s 测试法规也需要不断得到修 订和完善，因而a b s 性能的室内台架试验评价系统的研究尤为重要。 2 3 汽车a b s 台架检测关键技术 汽车制动时运动状态复杂，存在着运动惯性，风阻，路面摩擦力，制动压力等，因 此，a b s 试验台要能够模拟汽车在路面上的运行状况，模拟不同的路面和汽车运动过程 中的惯性及各种受力情况。 1 不同道路状况模拟 论文用表面滚花的无缝钢管滚筒模拟路面，滚筒转动模拟车轮在路面上的滚动。车 轮驱动干燥滚筒是靠滚筒和车轮之间的摩擦力，不同的路面，摩擦力大小不等。为保证 轮胎与滚筒之间不发生相对位移，必须保证滚筒表面有足够的附着系数，欧式粘沙滚筒 一般具有较大附着系数，但是在高速状态下表面沙粒容易脱落，因此论文采用在金属滚 筒表面机械滚花方式增加附着系数。 汽车a b s 台架检测过程中需要模拟不同的路面，如单一路面( 冰雪路面，干燥沥青 路面，湿滑路面等) ，对接路面( 例如从干燥路面驶入冰雪路面) ，对开路面( 左右车轮 处于不同的路面上) 。论文利用磁粉扭矩控制器来实现不同路面附着系数的模拟，通过 给4 个扭矩控制器加载不同大小的电流，传递给4 组滚筒不同的扭矩，模拟4 个车轮所 处的不同路面，这样就可以实现单一、对接、对开路面等试验工况。调整扭矩控制器的 输入电流相当于调整路面附着系数1 2 5 1 。 2 运动惯性模拟 由于测试车辆在检测台上检测时，车身处于静止状态，其平动动能也为零，在此状 态测试汽车制动时的各个参数，存在极大偏差。所以在a b s 制动测试过程中，必须模 拟汽车的平动动能。 论文的做法是，用飞轮组的转动惯量来模拟汽车的平动动能。被检车辆在台架上加 速时，车轮转动驱动滚筒转动，通过皮带轮带动飞轮旋转，飞轮的惯性质量与被检车辆 的惯性质量相当。当车辆制动时，飞轮在惯性作用下继续转动，以此模拟汽车在路面上 制动时的运动惯量。 1 3 第三章汽车a b s 试验台架及测控系统研究 第三章汽车a b s 试验台架及测控系统研究 3 1 汽车a b s 试验台机械结构设计 3 1 1 总体设计 1 适用车型 最大总质量不超过3 0 0 0 k g ，轴距范围在2 0 m - 3 2 m 内的汽车。 2 总体方案 试验台采用复合结构，既能完成常规制动( 滚筒反力式) 检测，又能完成a b s 系 统性能检测。 a b s 制动检测部分结构性能参数为： 测试速度范围： 1 2k m h - 8 0 k m h ； 制动测试初速度：4 0k x n f h | 汽车前后桥同时测量，采用机械方式强制前后轮线速度同步； 测试轴距自动调整； 利用扭矩控制器传递定量扭矩的特性，实现不同路面附着系数的模拟； 飞轮系统模拟汽车的车身运动状态( 汽车平动质量和速度) 。 3 试验台技术参数 表3 1 试验台结构技术参数 最大轴载质量 3 0 0 0 k g 轮距 1 2 0 0 m m 1 7 0 0 m m 适用车辆 轮胎直径 5 0 0 m m 8 5 0 m m 轴距 2 0 0 0 m m 3 2 0 0 m m 允许承载质量 3 0 0 0 k g 滚筒直径x 长度 2 4 0 n l r n 8 5 0 m m 滚筒轴间距 4 3 0 m m 士l o m m 滚筒外宽内宽 7 0 0l a l n 2 4 0 0l l l m 滚筒动平衡精度 g 3 2 滚筒表面形式滚花 1 4 长安大学硕士学位论文 表3 1 试验台结构技术参数( 续) 可测最大轮制动力 1 0 0 0 d a n 常规 滚筒线速度2 5k m h 制动 停机方式 滑移率控制 检测 电机功率 5 5k w 2 模拟车辆重量 3 0 0 0 k g 测试初速度 4 0 k m h a b s 轴距调整范围2 0 0 0 m m 3 2 0 0 m m 制动轴距调整电机功率2 2 k w 2 检测 前后轴同步方式机械式 最大测试速度 6 0k m h 路面附着系数模拟范围 0 1 o 8 举升方式 气缸举升 举升器工作行程 1 1 0 m m 安全保护带有牵引或其它保护方式 4 试验台总体结构 试验台总体结构采用4 组滚筒双轴测试结构，台架分为前后两个部分，后端固定， 前端由交流伺服电机驱动，可以沿预先铺设好的导轨前后移动，目的是为了调整测试轴 距，使台架可以适用于不同轴距的车辆。前台架移动距离由测控系统控制，台架可移动 范围的前后端均设置了光电限位开关，即使测控系统出现故障，无法准确检测台架移动 距离，光电限位开关也可以监控台架移动是否达到最大限度，一旦台架移动达到上限或 下限则强制停止台架移动，以免损伤电机或台架。采用花键式伸缩型传动轴连接前后台 架，实现前后台架之间的联动，台架上除滚筒组之外的其他部分均用托板结构遮盖。台 架机械部分联合成都成保发展股份有限公司加工生产。试验台机械结构如图3 1 所示。 图3 1 中：1 为第三滚筒。用于常规制动检测，测量汽车车轮线速度，判断车轮制 动时的滑移率是否达到规定值，以此判断汽车车轮制动力是否达到最大值，从而即时停 机，防止剥胎。 2 为驱动滚筒。用于代替路面承载汽车，传递制动力。 3 为同步装置。用于传递旋转运动，提高转速。 1 5 第三章汽车a b s 试验台架及测控系统研究 图3 1m a b s - 3 0 0 0 试验台架结构不意图 4 为超越离合器。其作用是在a b s 制动检测和常规制动检测之间自动切换。在常规 制动检测时，电机经扭力箱5 、超越离合器4 、驱动滚筒2 ，拖动汽车车轮旋转，此时超 越离合器的内、外环转向相同，转速相等时，传递转矩：在进行a b s 制动检测时，汽 车或飞轮系统带动驱动滚筒旋转，此时超越离合器内、外环转向相反，转速不相等，超 越离合器进入超越状态，即不传递转矩的滑动状态，运动不传递到扭力箱。借助超越离 合器的超越特性，不需外界控制，自动切换a b s 制动检测和常规制动检测。 5 为扭力箱。用于常规制动检测，为反力制动电机，是进行常规制动检测时的动力源。 6 为花键式传动轴。用于实现前后台架的联动，其长度能在一定范围内伸缩，可以满 足台架前后移动调整测试轴距的需要。花键式传动轴不能在高速下使用，因此传动轴两 1 6 长安大学硕士学位论文 端都安装了变速器7 ，后台架的转速首先被变速器降低，通过花键轴传给前台架，然后 转速再被另外一个变速器升高还原。 7 为变速器。用于降低或升高转速。 8 为联轴器。用于保证前后台架飞轮和传动轴的同步转动。 9 为速度传感器。用于采集被检车辆的轮速和车身速度。 1 0 为座式轴承。支撑驱动滚筒、从动滚筒及各旋转部件。 l1 为从动滚筒。用于代替路面承载汽车，传递制动力。 1 2 为举升器。其作用是举升测试车辆，便于测试车辆的进出。 1 3 为台架移动装置。用于试验台前台架的前后移动，它是通过电机，经减速箱，拖 动滚轮，带动前台架移动。其前进或后退是通过改变输入电流的相位，