（载运工具运用工程专业论文）汽车行驶系间隙与制动性能一体化检测的研究.pdf

摘要 本论文首先提出了汽车行驶系州隙与制动性能一体化检测的思想， 将传统的多个检测设备集于一身，：再约了成本；其次，本文实现了对于 行驶系间隙的自动化检测，真正实现无人检测，为达到此目的提出并使 用了适应性卡尔曼滤波算法；最后，在制动性能检测中，引入了动态检 测的思想，使检测过程更符合实际制动过程。 1 从理论上分析了汽车行驶系间隙和制动性能一体化检测的可行性。通过 分析，得出其一体化检测是可以实现的，并得到了间隙变化曲线。 2 分析了目前对于动念数据的处理方法，本文提出并使用的适应性卡尔曼 滤波算法。 3 对一体化检测测控系统进行了研究。在控制系统的研究中，洋细叙述 了控制方案的具体内容。接着介绍了电路的抗干扰设计，包括直流电源回路的 抗二f 扰措施；信息检测中的抗二f 扰设计和信息传输中的抗干扰措施等。 4 为了使一体化检测系统能实际运用于汽车检测站，详细介绍了其在实 际使用中的工艺布簧。 5 阐述了一体化检测系统的软件实现。对于一体化检测系统来晚，软件 实现至关重要。软件系统包括操作平台和应用程序。 最后，本文通过实车试验，验e 了一体化检测系统检测的准确性。 关键词：行驶系i l j 隙制动性能一体化检测动念检测 a b s t r a c t t h i sp a p e re x p o u n d st h ec o n c e p t i o no fi n t e g r a t i o ni n s p e c t i o nt oa u t o m o b i l e r u n n i n gg e a r l sg a pa n db r a k es y s t e mf u n c t i o n s e c o n d l y t h i sp a p e rr e a l i z e st h e a u t o m a t i ci n s p e c t i o no fa u t o m o b i l er u n n i n gg e a r sg a p l a s t l y , t h ed y n a m i ct e s t i n g m e t h o di sb r o u g h ti n t ob r a k es y s t e mf u n c t i o n 1 t h i sp a p e ra s s a y st h ep o s s i b i l i t yo ft h ei n t e g r a t i o ni n s p e c t i o no fr u n n i n g g e a r sg a pa n db r a k ef u n c t i o nf r o mt h e o r ya n dc o n c l u d et h a tt h ei n t e g r a t i o n i n s p e c t i o nc a l lb er e a l i z e d 2 a f t e rc o m p a r i n gt h ec u r r e n tm e t h o d so fs o f t w a r el e a c h i n g ，t h i s p a p e r e x p o u n d sa n da d o p t st h el e a c h i n gm e t h o do fc o m p a t i b i l i t yk a l m a nt od e a lw i t ht h e t e s t i n gd a t a 3 t h i s p a p e rs t u d i e st h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm e t h o do fi n t e g r a t i o n i n s p e c t i o n i ti sc o m p r i s e db yt w op a r t st h a ta r es i g n a lc o l l e c t i n gs y s t e ma n d c o n t r o ls y s t e m 4 i no r d e rt om a k et h ei n t e g r a t i o ni n s p e c t i o ns y s t e ma p p l i e di na u t o m o b i l e i n s p e c t i o nl i n e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o wt od e p l o yt h er e l a t i o n a ld e v i c e s d u r i n g t h ep r o c e s s ，t h es e t p o s i t i o no fp h o t o e l e c t r i cs e n s o ri s v e r yi m p o r t a n tt ot h e i n t e g r a t i o ni n s p e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e re x p o u n d st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d c o n f i r m st h ec o n c r e t es e t p o s i t i o no f e v e r y p h o t o e l e c t r i cs e n s o e 5 i nt h ef o l l o w i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fi n t e g r a t i o n i n s p e c t i o ns y s t e m w h i c hi sv e r yk e yt ot h es y s t e mt h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e s t h eo p e r a t i o np l a t f o r ma n da p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h ee n d ，t h ei n t e g r a t i o ni n s p e c t i o ns y s t e mi sp r o v e de x c e l l e n tb yp r a c t i c a l e x p e r i m e n t s ， k e yw o r d ：r u n n i n gg e a r sg a p b r a k es y s t e mf u n c t i o n i n t e g r a t i o ni n s p e c t i o nd y n a m i ci n s p e c t i o n 论殳矬钊住声明 9 7 7 7 6 2 小人j _ | j j ：本人所呈交的学位论文是在号帅的指导j 、独：进行 研究：i l f l ：所耳艾得的成果。除沦文巾已经注明引圳的内容外，对论文的 研究做h 晕要贡献的个人和集体，均已在文盯t ，以明确方式标明。本论 文。f j 不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、j 襄灵 加6 年j 月巧t f 论之知私产仅仅尾声 水人在导师指导下所完成的论文及相关的职务f t - k , 。，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离佼后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的沦文在解密后应遵 j i - e 规定) 论文作者裕名：占。f 是炙 ，一6 l ：j 巧i - 7 ，一6 4 - ( 一j 哆f 第一章绪论 自从德国工程师卡尔本茨于1 8 8 6 年制造出第一辆汽车以来，汽车工业 已经有了一百多年的历史。汽车已成为重要的交通工具，是科学技术发展水平 的标志。汽车工业是资金密集、技术密集、人爿密集、综合性强、经济效益高 的产业，世界各个工业发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支 柱产业。 1 1 汽车性能检测的意义 随着各国汽车工业的不断发展，世界汽车搠有量在不断上升。特别是随着 中国加入w l 0 ，中国市场的汽车搠有量也大幅度的提高，汽车检测也就显得越 发重要。 众所周知，汽车在行驶过程中，其技术状况和使用性能将随着里程数的增 加而逐渐变坏，出现动力性下降、经济性变差、安全可靠性降低，严重影响汽 车经济效益和运输效率的发挥，甚至威胁到生命安全。这就要求预先能对故障 加以查明和消除。在汽车使用过程中，对其运行状态作出判断，并采取相应的 对策，可以大大提高汽车的使用可靠性，充分发挥汽车的效能，减少维修费用， 获得更大的经济效益。所以，发展汽车检测与诊断技术具有重要的意义。 首先，发展汽车检测与渗断技术是改革汽车维修制度、实行视情维修的必 要手段。汽车的维修制度发展至今已具备三种类型。即：事后维修制、计划预 防修理制和视情维修制度。事后维修制是指在汽车发生故障之后才进行检修， 不坏不修，维修只是在机器发生故障之后不得不采取的措施。显然，这种方式 隐含着故障所可能导致的危害威胁人身安全和造成重大经济损失。而计划 预防维修制度是以零件的磨损规律或零件的寿命为基础建立的。但是由于异名 零件之问寿命的不平衡性和同名零件寿命的分散性，使得维修问距与汽车的实 际技术状况不相符合的现象愈来愈严重，往往造成盲目修理或失修现象。而目 前n i 在推行的视情维修制度是利用诊断设备定期的检测汽车的技术状况，按照 检测结果根据实际需要对汽车进行针对性修理。这种维修制度能最大限度地发 挥零件的使用潜力，减少不必要的拆装，大大提高汽车的使用可靠性和使用经 济效益。显然，如果没有一定的检测诊断手段，要实现维修制度的这改革只 不过是一句空话。 其次，发展汽车检测与渗断技术，是提高维修效率、加快维修制度、减少 维修费用、监督维修质量的迫切需要。随着汽车拥有量的迅猛增长，单纯凭经 验进行修理显得与现代化要求很不适应。这就必须采用新技术，发展故障自动 诊断设备，提高维修效率。采用现代诊断技术，可以使检验时问大大减少，加 快维修速度，缩短维修停车时间，充分发挥汽车使用性能。采用现代检测诊断 技术，一方面可减少拆装次数，延长汽车的使用寿命，另一方面可以大大提高 诊断的准确率，减少误换件和修理费用，把维修不当所引起的故障降至最低限 度。 再次，加强对机动车辆的安全技术检测，是保证车辆安全行驶的有效方法。 随着机动车拥有量的逐年增加，公路交通事故与机动车的排气、噪声公害成为 愈来愈不可忽视的社会问题。我国每年因交通事故造成的人员伤亡和经济损失 都十分惊人，造成交通事故的原因是多方面的，与汽车有关的因素约占2 0 。 所以，采用先进的仪器设备对机动车辆的技术状况作出准确的判断，发现问题 及时维修，使之保持良好的技术状况，是确保交通安全的有效措施。 1 2 国内外汽车性能检测技术的发展现状 汽车检测与诊断技术在发达的工业国家发展的要早一些。早期的汽车大多 未安装永久性的传感发备，不但诊断设备在车外，作为诊断时测取信号用的传 感器也需临时安装。这给诊断工作带来极大困难，因为汽车的不少地方难于接 近，安装十分困难。第二代的诊断方式是事先由制造厂家把传感器作为永久装 置装入车内，但诊断设备仍在车外。诊断技术的进一步发展方向足争取把传感 器、诊断设备与计算机都装入车内作为永久性装置，并把相应车辆的主要诊断 参数的标准值预先储存在计算机内，这样车辆的技术状况就能不断的被显示出 来，并提出适当的处理意见。 二十世纪五十年代以后，发展了以故障渗断和性能检测为主的单项检测技 术。进入六十年代后，逐渐将单项检测技术联线建站，成为既能进行维修检验， 又能进行安全与环保检测的综合检测技术。随着计算机的发展，六十年代术和 七十年代初出现了检测控制自动化、数据处理自动化、检测结果直接打印的现 代化综合检测技术，其检测效率大大提高。目前，工业发达国家的现代化汽车 检测技术已达到广泛引用的阶段，在交通安全、环境保护、节约能源、降低运 输成本和提高运力等方面，带来了明显的社会效益和经济效益。其发展趋势为： 向自动化、综合化发展；努力提高故障诊断装置的故障诊断的准确性；尽力解 决故障诊断装置的故障预知机能；发展成本低、小型使用的简易检测诊断装置； 在发展车载式诊断装置的同时，发展汽车检测与诊断流水作业线。 我国的汽车检测技术起步较晚，发展缓慢，二十世纪六十年代- 丌始研究汽 车的诊断、检测技术。七十年代术汽车诊断与检测列为国家项目，开展了较为 全面的研究，重点是检测设备，并着手筹建检测站。八十年代以来，以引进国 外的汽车检测技术和设备为主导，同时自身也生产了许多检测设备。据统计， 经过十余年的发展，到2 0 0 0 年我国已建成汽车综合性能检测站近3 0 0 0 家峭j ， 其中a 级站和b 级站达1 2 0 0 多家，汽车检测中心站6 家，一个适应汽车口t j 有 量增长需要，积极跟踪汽车先进技术，社会各界积极参与，为汽车运输生产、 维修生产和社会服务的汽车检测市场已初步形成。 但目前，我国生产的汽车检测与维修设备技术水平与国外相比仍然存在着 很大的差距，主要表现在： 1 、产品可靠性差 国外同类产品的特点是质量稳定，品牌意识很强，加工工艺精良，返修率 低，外观设计美观大方，使用寿命较长，一般3 - - 5 年不用更换易损件，有些 设备甚至可使用终生；而国内产品性能不够稳定，故障多，外观质量差。 2 、自动化水平低 国内大多数汽车维修设备为机械式或半机械式，自动化程度低，甚至有些 设备至今还采用手工操作，且体积庞大，操作费力；而国外汽车维修设备机械 化、自动化程度高，体积轻巧实用，操作方便。特别是检测诊断设备，大都采 用微机控制、数字显示或彩色屏幕显示，精度高，功能全，检测效果好。 3 、品种不全，更新慢，投术含量低，5 f , t j j h 价值率低 我国的汽车维修没备最早是从机具和工具类发展而来，至今大部分国产汽 车维修设备厂家仍然以维修机具和工具为主，而在电子和计算机检测诊断设备 方面还属空白。如全计算机四轮定位仪、自动计算机译码器、计算机控制车身 大梁矫正度量系统等检测设备，国外已形成系列化、标准化产品：而国内则刚 刚着手研究开发。国内一些有t 之= 匕和企业已开始研制这类检测中的仪器 和设备，但由于种种条件的限制，还无法完全取代国外进口产品。 1 3 行驶系间隙检测和制动性能检测的重要性 1 3 1 行驶系间隙检测的重要性 行驶系系统是车辆系统中的一个重要组成部分。典型的轮式车辆的悬架系 统主要包括弹簧、减震器、车轮、轮胎、车轴组等组成。它的主要用途在于全 面改善车辆的性能。具体表现在：支撑车身或车体；减少路面颠簸对乘员或货 物的冲击；提供横向稳定性：提供纵向稳定性：提供车重在地面上有选择的分 配；提供克服障碍的能力等。 所滑行驶系间隙，就是指汽车悬架系统和转向系统相配合零部件之间的问 隙，如轮毂轴承副、主销配合副、球头配合副、独立：悬架摆臂铰链、纵横拉杆、 钢板吊耳、骑马螺栓等处的配合间隙。 行驶系r h j 隙必须保持在一定的范围之内才能保证汽车的证常行驶。无论行 驶系间隙过大还是过小，都会导致汽车的行驶性能下降，探纵稳定性变坏，行 车摇摆不定，轮胎与悬架零件加速磨损，转向不灵敏等等不良后果，严重时更 会导致交通事故的发生。所以必须加强对行驶系i y j j 隙的检测和维护。 1 3 2 制动性能检测的重要性 使行车中的机动车减速至停车，使下坡行驶的机动车速度保持稳定，以及 使已停驶的车辆保持不动，起这些作用的统称为制动，他们的能力成为制动性 能。 随着汽车工业和交通运输业的飞速发展，汽车数量的迅猛增加，交通状况 f 趋复杂，公路交通安全已成为一个重大的社会问题。机动车制动性能的好坏 直接关系到行车安全，因此它是安全检测中的重点检测项目之一。据调查，在 机动车发生的交通事故中，由于制动不良占有很大比重。机动车必须具有良好 的制动性能，才能保证行车安全。对汽车而言，只有在此条件下方可提高行驶 速度，从而获得高的运输生产率。在发展汽车高速化的今天，汽车的制动性尤 为重要。性能良好和可靠的制动系统，可以化险为夷，避免交通事故；制动性 能不好时，很容易造成车毁人亡的交通事故；所以，为了行车安全，必须高度 重视机动车的制动性能，必须经常对制动系统进行检验和调整。 1 4 国内外行驶系间隙检测和制动性能检测的发展状况 巍蔗豢f f - j - 骆， 左右运动以便带动汽车轮胎前后左 、l 一翼k 右运动。通过操作人员在地沟内 i 。勺f 肉眼来观察行驶系系统的各处问 _ ，倒_ 而在国外，对行驶系间隙的检 幽1 - 1 。x - 1 0 型汽车：丞架间隙检查台 1 5 本论文研究的主要内容 本论文的目的是在吉林大学汽车运输工程研究所研制开发的“汽车行驶 系问隙检测仪”的基础上，对汽车行驶系间隙与制动性能一体化检测技术进行 研究。使试验台不仅能检测汽车行驶系间隙，而且能检测汽车的制动性能，将 传统检测线的行驶系间隙检测仪、轮重台和制动台集于一身，从而达到一台多 用的目的，大大降低了检测设备成本。并且在检测汽车制动性能时将动态检测 的思想引入其中，考虑到了轴荷转移对于检测汽车制动性能的影响。 本论文的工作有以下几点： 首先，在硬件方面，对原试验台进行结构改造，加入能测试汽车轴重的 装置。在原有检测仪的基础上，分别在上层再加一层板，并分别在该层板的四 个角放置四个轴荷传感器1 2 “，四个传感器采用并联接法。传感器采集到的轴 重信号经放大器、多路开关、a d 转换器、总线接口电路送至计算机1 2 5 】。 其次，在软件方面，重点对所取得的信息进行处理，这是本论文的重点， 因为信息处理技术是在线测控系统中的关键技术之一。由于被控现场存在若干 扰和噪声，并且由于客观上对在线检测技术及仪器的检测精度、实时性和准确 性的要求越来越高，单纯从硬件角度出发考虑构成高信噪比的检测系统是不够 的。还必须考虑采刷动态数据在线处理的软件滤波算法来提高系统的信噪比， 从而保证检测数据的高精度。 对此，以时叫序列分析和最优线性滤波理论为基础，首先介绍了经典的卡 尔曼滤波器的设计，并指出其在实际应用中的局限性。在此基础上研究了带有 观测噪声的a r 模型信号参数和噪声参数的辨识问题，提出能够适合在在线测 控系统中应用的适应性卡尔曼滤波算法。 总结本论文的工作，分为两点：一是对汽车行驶系间隙与制动性能一体化 检测技术进行研究，并将动态检测制动性能的思想引入其中。二是为了使检测 数据准确可靠，在信息处理算法上进行研究，提出了适应于动态检测的适应性 卡尔曼滤波，使自动、定量、准确的检测出汽车行驶系m 隙和动态情况下的汽 车制动性能成为可能。 第二章关于行驶系间隙与制动性能 一体化检测的理论分析研究 下面先从理论上分析一下行驶系间隙检测和制动性能检测的理论机理， 然后重点介绍为实现对汽车行驶系间隙和制动性能一体化检测的准确性，本文 所提出并采取的对动态数据的适应性卡尔曼滤波算法。 2 1 行驶系间隙检测的理论分析 首先分析一下传统上对于 行驶系问隙的检测，其检测手 段是通过人： 搬动车轮摆动 来测量间隙的大小。 检测时，首先用千斤顶支 撑前轴，使汽车前轮悬空，用 手搬动车轮在轴向方向摆动。 先是通过摆动使问隙靠向一 侧，如图2 一l 所示。 然后用手搬动车轮使问隙 靠向另一个极限位置，如图2 2 所示。在这过程中用百分表测量 轮辋外径最大摆动距离。用这个 最大摆动距离来判断这辆汽车的 行驶系f h j 隙是否合格。 这种检测行驶系问隙的方 法费工、费时，对于操作人员来 说，工作环境恶劣、工作强度大。 而对于检测站来说，这种检测方 法也不满足快速检测的要求。因 倒2 i 手动检测行驶系间隙( 位置) 图2 - 2 手动检测行驶系间隙( 位置二) 而很多检测站和具体操作人员不愿意去检测这一项目或根本不检，从而给安全 行车带来隐患。 为了改变目前对于行驶系间隙检测的现状，研制一套智能化检测行驶系间 隙系统显得尤为重要。思路是将汽车停放在台板上，然后推动台板运动从而达 到使车轮摆动，将间隙暴露出来的目的。该套系统应能实现如下功能：检测过 程迅速；能准确定量的给出帕j 隙值；减 少人为参与；应实现数据的自动存储、 输出。 为了能定量和智能化检测汽车的行 驶系间隙，下面就对汽车停在台板上时 的状态进行受力分析。 当被检车辆停在台板上时，由于车 辆本身重量的作用，使轮、轴、：悬架中 的问隙偏向一侧，将导致车轮发生偏转 0 4 1 ( 如图2 3 所示) ，然后保持静态平衡。 当滑板丌始向内运动时，轮胎本应也在滑 板的带动下向内运动，但同时轮胎又受到车轴 对它的作用力f y ，所以轮胎发生侧向变形 如图24 所示。随着滑板位移的逐渐增加，推 力f 为克服轮胎的变形恢复力也开始逐渐变 大。但此时由于轮、轴、悬架配合副中的间隙 在车重所产生的力矩的作用下，仍紧靠在一 侧。所以阻力f 与位移s 基本成线性关 系，其斜率即为轮胎的侧偏刚度k 。 当位移达到s 时，由于轮毂轴承 处的摆动阻力小于主销处的摆动阻力， 所以轮毂轴承处的间隙首先显示出来。 阻力f 的增长率变得很小。随着滑板继 续运动，轮毂轴承配合副在其间隙中开 始由一侧向另一侧靠紧( 如图2 5 所 图2 - 3 检测初始间隙偏转情况 幽2 + 4 轮胎变形示意蚓 图2 - 5 克服轮毂间隙后的情况 示) 。在到达s ! 时轮毂轴承处的问隙行程已完成，阻力f 将产生突变，按照前 面的增长率继续增大。 当位移达到s ：；位胃时，主销处的 间隙开始显示出来，阻力f 的上升趋 势显著变缓。随着滑板继续运动，主 销配合副在其间隙中也由一侧向另 一侧方向靠紧( 如图2 6 所示) 。到达 s 后，完成了主销处的间隙行程，滑 板再继续向右移动，阻力f 将再次产 生突变，继续按照前面的增长率增 大。 当滑板推力大于车轮的最大附着力 时，车轮7 i ：始在滑板上滑动。测得的力 值l i 将逐渐稳定在一个力值上，不再发 生变化。在测试状态下，汽车车轮的摆 动位移和车轮所受到的作用力之间的关 系曲线如图2 7 所示。 根据绘制出的力一位移关系曲线， 可实现自动化辨识汽车的行驶系间隙。 为了保证所得到的行驶系问隙的真 实性，就必须保证测得的轮胎所受推 力与位移数据的准确性，在硬件方面 一是要选择满足精度要求的传感器， 另外一点就在于结构上的设计和传感 器的斫j 置，以保汪所测值为欲测值。 对于位移的测量，由于位移传感器两 端固定在不同的台板上，故所测的位 移量即为台板的相对位移量。而对于 力的测量，从图2 8 可看出。 当一个液压缸进油时( 控制系统 将保证成对的液压缸不能同时进油) ， 图2 - 6 克服主销间隙后的情况 九 幽2 7 推力与位移关系曲线 例2 - 8 受力分析幽 柱塞将顶住测力传感器并通过带动测力传感器米带动滑板，使之运动。由于液 压系统的进出油是均匀的，所以柱塞的运动是匀速的。由图2 8 的受力分析可 得，测力传感器所测得的力值即是车轮作用于滑板上的力值。 综上，自动化和定量检测汽车行驶系间隙是可以实现的。本论文在汽车 行驶系问隙检测方面的优点在于通过数据采集系统、数字滤波系统自动绘制出 轮胎推力与位移的关系曲线。从而根据曲线定量判断出行驶系间隙，大大减轻 了劳动强度。 2 2 检测制动性能的理论分析 目前对于车辆制动性能的检测，主要分为路式法和台式法。而台式法以其 迅速、经济的特点，工f 受到越来越广泛的应用f 2 。在台式法中最常用的设备 为反力式滚筒试验台。为了更好地说明本论文在制动性能检测方面的一些优 点，我们首先对目前最广泛使用的测试车辆制动性能的设备一反力式滚筒试验 台的检测原理作一介绍。 2 2 1 使用滚筒试验台检测制动性能的分析 1 检测原理：反力式滚筒试验台有驱动装置、滚筒组、制动力测量装置、 举升装置、指示与控制装胃等组成【”1 。进行制动力检测时，被检车辆驶上制 动试验台，车轮置于主、从 动滚筒之间，压下第三滚筒， 装在第三滚筒支架上的接近 丁r 关导通。然后通过延时电 路启动电动机，经减速器、 链传动，主从动滚筒带动车 轮低速旋转，等待车轮转速 稳定后驾驶员踩下制动踏 削2 - 9 汽市制动过稿! 的受力状态 板，车轮制动器产生的摩擦力矩tp 经轮胎传递给滚筒，转化为轮胎对滚筒的 切向力f 。l 汞if 。2 。在作用力f 、l 和f 。2 的作用下，减速器壳体与测力杠杆一 起向滚筒转动相反方向摆动，测力杠杆一端的力传感器转换成与制动力大小成 比例的电信号，由计算机采集、处理后，由指示装置或打印机输出制动力数值。 下面分析一下被检车辆在滚筒上的受力状态27 1 。当汽车一轴上的全部车 轮置于反力式制动试验台的前、后两滚筒之间，另一车轴上全部车轮置于地面 上时，取汽车为隔离体，则汽车制动过程的受力状态如图2 - 9 所示。 根据力平衡原理，其平衡方程式为： f x 3 + n 2 s i n 0 一n i s i n 0 一f x 2 c o s o f x f s i n 0 2 0 g + ( f x l 一f 、2 ) s i n o n 3 ( n i + n 2 ) c o s 0 。0 g ( l a ) + f x 3 r n 3 l ( f x t + f x 2 ) r 2 0 f x l = n l ( p f x 2 = n 2 ( p 式中： g 车辆重量，单位n ： n l ，n 2 一滚筒对车轮的径向反力，单位n n 3 一非测试车轮的支撑力，单位n ； q 一车轮与滚筒间的附着系数； l 一两车轴削的距离，单位m ； a 一汽车重心距后轴的距离，单位m ； f 。l 、f ，2 一车轮与滚筒问的制动力，单位n ； f x 3 一非测试车轮水平方向约束反力，单位n 0 一车轮在滚筒上的安嚣角，单位。； r 车轮半径，单位m ； 联立上述五个方程，组成方程组，可解得： 卟蔬磊sino磊+oc巫osols i n 2 0 一s i n o g t + ( + p2 )+ 二二 ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 i 4 ) ( 2 2 1 5 ) 竺竺竺竺耋：， ( 1 + s i n 2 目+ 半s i n 臼 。3 。 n：。i f - r 3 + ( s i n o - 6 p c o s o ) n 2 s i n 0 + c o s o ( 2 2 1 7 ) n 3 = 堡! 墨二! ! 墨! 墨二竺丛型! 些! ( 2 2 1 8 ) 三 在上式中：g 。= 导g ，即为测试车轮车轴轴荷。 由( 2 21 6 ) 、( 2 2 1 7 ) 式可以看出，滚筒对车轮的径向反力决定于下列 参数，车轮在滚筒上的安置角0 ，车轮与滚筒的附着系数( p ，测试车轮车轴轴 荷g k 等，但后者相应确定。因而，滚筒对车轮的作用反力主要取决于车轮在 滚筒上的安置角0 和车轮与滚筒问的附着系数( p 的变化。设k 为滚筒制动试 验台最大测试能力参数。 k 等2 霉覃意i ：忑 2l-coso r r - 2 1 9 ) “ g 。 r 型+)妒+ c o s 口卜s i n 口 、。 月 式中：p t 。为可测试车轮最大制动力。 通过分析上式可得，当车轮与滚筒问的附着系数( p 较小时，试验台最大 测试能力k 随车轮在滚筒上的安胃角0 的变化较平缓；随着( p 的增大，k 值随 0 的变化变陡，其值也相应增大；以某一车型为例( c a l 0 9 1 ) ，对于( 2 2 1 9 ) 式，耿l = d 0 5 m ，取r = o 5 0 9 m ，当0 = 2 0 。，2 5 0 ，3 0 0 时，对于( d = o 5 ，0 6 ，0 7 ， 0 8 ，0 9 ，k 值的变化如下： ( i ) 值k 值中值k 值巾值k 值 0 50 4 3 2 0 5 04 2 5o5o4 2 l 0 605 0 3o 604 9 20 60 4 8 4 。= 2 。o705 7 00 = 2 5 007o 5 5 40 = 3 0 0o 70 5 4 2 0 80 6 4 3o 80 6 1 20 80 5 9 6 090 6 9 4 0 9 0 6 6 70 90 6 4 6 上表的结果表明：对于同一辆车，在不同结构性能参数的反力式制动试验 台上测试，其实测最大制动力是不同的。 总结上面的分析，可以看出滚筒式制动试验台在对于制动力检测方便、快 速的同时，也存在着一些缺陷： 1 静态检测与动态制动不符【”j 。汽车在滚筒式制动试验台上进行制动性 能检测时，汽车某一轴静1 e 地停在两滚筒之间，作用在滚筒上的重量为汽车的 静载荷。在道路上行驶的车辆制动时，由于惯性的作用将发生重量前移，前轴 的动轴荷大大增加，后轴的动轴荷相对降低，由于附着重量的变化，产生了不 同的制动效果。 2 检测台的结构对检测结果的影响【1 8 i 。汽车在滚筒式制动试验台上检测 制动性能时，车辆在两滚筒之问，形成两个接触面，两滚筒的轴距变化和被测 车轮的直径大小不同，都会形成不同的安置角，而由上面的分析可知，当安罱 角不同时，对于同一台车所测试到的制动力是不同的。 鉴于上述情况，在本论文中提出了一种新的检测方法。这种检测方法旨在 模拟出汽车在路面上的实际制动过程，用台板模拟实际路面，通过测量出各轮 在台板一l 所产生的制动力，从而判断出被测车辆的制动性能优劣，下面就从理 论上分析其可行性。 2 2 2 汽车在制动台板上时的受力分析 下面就对汽车制动时的状态进行力学分析。 1 制动时汽车受力分析 汽车在行驶时具有一定动能，在下坡时还存在定的势能。如要其减速或 停车，必须对其施加一个 与行驶方向或下滑方向枉i 反的外力，以克服汽车所 具有的动能或在坡度上的 势能，使汽车产生减速度， 达到降低其行驶速度的目 的。这个迫使汽车行驶速 度迅速降低，以至及时停 车所需的外力，即通常所 幽2 1 0 在台板上制动时汽车的受力情况 说的制动力。汽车的制动力越大，制动减速度就越大，制动距离就越短1 2 ”。 所以制动力对汽车制动性能具有决定性的影响。 汽车制动时所需的外力只能由地而和空气提供。但由于空气阻力相对较 小，所以实际上外力是由地面提供的，我们称之为地面制动力。这时汽车上将 受到下列各力作用：作用在汽车重心上指向前方的惯性力f ；滚动阻力f f ； 空气阻力f 。；坡度阻力f i ：在车轮上由于制动器的作用，地面剥前、 后车轮给予的制动力x b - 和x b 2 ：车重o ；地面对前、后车轮的法向反作 用力z l 和z 2 ；如图21 0 所示，其中o 表示汽车重心。 当汽车制动时，在水平方向上的平衡方程为： f j = x b l + x b 2 + f f + f i + f 。 ( 2 2 2 1 ) 当在水平、坚硬路面上车速不高的情况下制动时，可以认为，f f z o ，f z o ， f 庐o ，则 f j 2 x b l + x b 2 ( 2 2 2 2 ) 即车轮所产生的地面制动力x b t 、x b 2 全部用于克服汽车的惯性力。 对后轮和前轮接地点分别取力矩后，可求得地面对前、后车轮的法向反作 用力z l 和z 2 为： 乙：! ! 型!( 2 舱3 )z 。= 二三。( 2 2 2 3 ) l z ，：! ! 二型!( 2 越4 )，= ! 兰-( 2 2 2 4 ) 若在制动过程中，路面条件不变，则z l 和z 2 随x b 作线性变化。z l 随x b 增加而增大，而z 2 随x b 增加而减小。因 此，汽车在制动时期前端有向下俯冲的现 象，也就因而产生了轴荷转移现象【9 i 。当 制动力达到最大值时，地面的法向反作用 力( 即动态轴荷) 也达到极值( 最大值或 最小值) ，这样可以通过动态下的制动力与 轴荷之比来判断机动车的制动性能优劣， 使之更能反映实际情况。 2 制动时车轮受力分析 下面分析一下行驶车轮在平坦路面上 图2 - 1 1 制动时车轮受力浏 制动时的受力情况，车轮为蹄鼓式制动器结构( 如图2 - 1 1 ) 。假设忽略f f 、f 、 4 f ；的影响，则滚动车轮受的外力有垂直载荷g 。，地面对车轮的法向反作用力z ， 制动器对它产生的摩擦力矩m ，车辆在减速时刘车轮的惯性力f i 以及地面 对它的制动力x b i 。 其中： m 。= f y j a r ( n 。m ) ( 2 2 2 5 ) 式中：f 、代表制动蹄压向制动鼓的法向力，它由制动系踏板力f 。或气压、 油压p 产生( n ) ；u 代表制动蹄、鼓问摩擦系数；r 代表制动蹄半径( m ) 。 当m 。传到车轮后，由于车轮与路面有附着作用，车轮对路面作用着一个向前 的周缘力f 。，它的反作用力f b 称为制动器制动力。它相当于把汽车架离地面， 并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。显 然 只：丝：盟( n )( 2 2 2 6 ) r ：r ： 上式中：r e 代表车轮有效半径( m ) 即f 。仅与制动器结构形式和参数、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半 径有关，它与f 、成正比，即f b 值随制动踏板力f 。或制动系中的气压、液压值 p 的增长而成线性增加。 3 地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系 在制动时，根据摩擦力矩m 。的大小，车轮会出现两种运动状况。一是m 。 不大，车轮仍以u o 在滚动，另一是m 。很大，产生的f b 很大，超过了车轮 与地面的附着条件( 即大于 附着力n ) ，此时的车轮称为 f bx b 。 抱死状念，即u = o 。 f 。 当车轮仍有滚动时，外 界给车轮的地面制动力 x b i 。、应等于制动力f b ，即 p 8 制动系油压p 。；、。 ：1 6 至! 。 一 幽2 1 2 地面制动力、制动器制动力与附着力的关系 当车轮被抱死时，由于 幽2 - 1 2 地面制动力、制动器制动力与附着力的关系 向前惯性力的影响，车轮要在地面上拖滑。此时的地面制动力x b i 则决定于车 轮与地面的附着力f 巾。而f b 可随制动踏板力f 。或气压液压p 值的增大而继续 增加，可出现f b 大于x b 。的情况。 因此，在制动时可得到的最大地面制动力x 咖。只能等于附着力f 。，即 x 咖。、= f 。= z m 。也就是说x b 。的大小，其一般关系式为 x b i f ( n ) 根据上述讨论，制动过程中各力相互间的关系如图2 1 2 所示，由此可得到 结论：汽车的地面制动力x b 首先取决- - t 二由制动器摩擦力矩所形成的制动力f 。， 但同时又受到地面附着条件的限制，所以只有当汽车具有足够的制动器制动力 f b ，同时地面又能提供高的附着力f 。时，爿能获得足够的地面制动力x b 。，以 获得好的制动效能。 剥+ 整车而言，所获得的最大地面制动力，则为各车轮地面制动力x 。之和， 即 x b 。、= x b i = g q ) ( n ) 持续制动 一段时间，当驾 制动力r 驶员松丌制动 踏板后，制动力 的消除还需要 一段时间，所以 制动力在这段 时问内会下降。 故整个制动过 程中制动力变 图2 1 3 制动过样中制动力变化曲线 时间t 化曲线如图2 1 3 所示i ”】。 通过上述的分析，可以得知，为了能测出汽车的制动器制动力，必须使车 轮始终处于滚动状态，通过公式可以看出，要达到这一目的，有两个途径：一 是增加轴荷。在用滚筒试验台测量制动时，为了获得足够的附着力，以避免车 轮抱死，允许：在车辆上增加足够的附加质量。而用本试验台测量制动性能时， 由于是模拟实际路面的制动情况，有轴荷的转移，这就等于给车辆加上了附加 质量。第二个途径就是增加台板表面的附着系数，通过增加( p 值来达到地面 制动力的目的，本论文将在后续篇幅中对这一问题进行阐述。 2 3 适应性卡尔曼滤波算法 通过上述的介绍可以看出，对于汽车行驶系间隙和制动性能的一体化检测 来说，在理论上是可行的，这一点通过图2 7 和2 1 3 可以反映出来。当检测 制动性能时，得到最大制动力即可。而对于行驶系间隙的检测，首先要得到如 图2 7 所示的光滑变化曲线；其次，对曲线进行斜率判断，分别判断出s l 、s 2 、 s 3 、s 4 ，从而定量给出汽车的行驶系间隙。所以首要工作是要得到如图2 7 所 示的光滑曲线。 但问题在于图2 7 反映出来的是一种理想状念下的曲线关系图。由于检测 现场存在着干扰和噪声，单纯从硬件角度考虑构成高信噪比的检测系统是不够 的，也就是晚，单单靠硬件电路的滤波是不可能绘制出如图2 7 所示的光滑关 系曲线，它必然充斥着很多干扰信号，从而造成曲线的毛刺增加。所以必须从 算法角度出发，采用动态数据在线处理的软件滤波算法来提高检测系统的信噪 比。因此，动态数据在线处理方法是构成高信噪比的一体化检测系统的重要组 成部分，其中软件滤波算法是动态数据处理的关键。这也是在本论文中需要着 重解决的问题。 随着微型计算机和微处理器的广泛应用，在当今的在线检测仪器及设备的 设计中，微型计算机系统或微处理器系统是控制和动态数据处理的核心，从而 它对动态数据处理软件滤波算法提出以下三方面的要求1 2 驯： ( 1 ) 软件滤波算法婴具有较小的滤波误差，以保证在线检测技术及仪器 的高精度、高灵敏度和准确度。 ( 2 ) 软件滤波算法必须结构简单和计算量小，以满足在线检测技术及仪 器的信号处理系统对动态数据处理时问和速度的要求，保证输出控制的实时 性。 ( 3 ) 软件滤波算法具有递推结构，减少c p u 对数据存贮器的访问时间， 提高数据处理速度。 在现有的动态数掘处理方法中，众所周知的是经典维纳滤波器。这种滤波 器具有最小的均方误差，可以达到最佳的检测结果，从而具有重要的理论价值。 但是维纳滤波器在理论上限于平稳随机过程的滤波和j t 7 滑，在方法上采用频域 方法，用平稳随机过程的谱分解研究和解决问题。并且维纳滤波算法是非递推 的，存储量和计算量很大，很难应用于在线检测技术工程上。 卡尔曼滤波突破和发展了经典维纳滤波理论，它不需要假设信号模型或噪 声模型的平稳性，在时域上提出状态空间方法，通过建立信号的时间序列模型 推导出一套便于在计算机上实现的递推滤波算法，克服了维纳滤波算法的非递 推的局限性，从而获得了极为广泛的应用。 需要指出的是无论经典的维纳滤波器或卡尔曼滤波器都是最小均方误差 准则下的最优线性滤波，在理论上达到对信号的最佳滤波效果。但是在实际应 用中仍然有一定的难度，因为无论维纳滤波器还是卡尔曼滤波器的设计都要求 具有信号模型参数和噪声参数的先验知识，否则就无法实现滤波。而对于实际 的应用情况往往缺乏这种先验知识，例如在制动力和行驶系f n j 隙检测过程中， 传感器所测量的是混在噪声中的力学信号，在进行滤波处理之前，我们不可能 知道力学信号和位移信号的时间序列模型参数，也不可能知道噪声的分布或方 差。为了实现滤波，我们必须首先进行辨识，通过辨识估汁出信息信号的时问 序列模型参数及噪声的方差，然后根据辨识的结果设计最优线性滤波器，达到 从噪声中提取信号的目的。如图2 1 4 所示。 x ( t ) - 堂叫岖丕巫寸+ 匦基亟习半堂值 ! 耍瘪世娑鎏罨一 幽2 1 4 适应性滤波器方框幽 这种经过改造的滤波器成为适应性的滤波器，也是本文选择作为在线检测 技术中动态数据处理行驶系j 刈隙推力及位移信号以及制动力信号的主要理论 研究内容。 为了更好的说明问题，下面首先介绍时间序列分析的基本概念，在此基础 上介绍卡尔曼滤波器的设计及算法。最后为了实现滤波，重点研究了带有观测 噪声的a r 模型的建模、模型噪声方差估计的算法，为a r ( p ) 模型信号的适应 性卡尔曼滤波算法的实现奠定了基础。 2 3 1 时间序列分析 近年来数学工作者从时间序列分析角度，对平稳离散随机过程信号提出了 a r 、m a 和a r m a 时间序列信号模型，并把它用于随机信号的滤波，使其滤 波解具有线性递推方式，因而可以用计算机来求解，具有实时处理的优点。下 面先介绍离散随机过程的时间序列模型。 2 3 1 1 时间序列信号的三种线性模型 许多平稳离散随机过程可以看成是典型的白噪声序列的噪声源激励一个 线性系统所产生的，其一般表达式为 x ( 七) 一“。x ( 女一h ) = 珊( 女) + bc o ( k 一 ) n = ln = l 式中 甜( 女) 零均值方差为盯：的白噪声： p 自回归部分的阶数； q 滑动平均部分的阶数； a 。( 聆= 1 , 2 ，p ) 自回归a r 参数； 匆，( = 1 , 2 ，q ) 滑动平均m a 参数。 这种信号模型称为自回归滑动平均模型 当系数b l , b 2 ，b 。均为零时，得 x ( 女) 一口。x ( 女一”) = ( 女) 用a r m a ( p ，q ) 表示。 这种信号模型称为自回归模型，用a r ( p ) 表示。 当式( 2 _ 3 1 1 1 ) 的系数a l ，a 2 ，a 。均为零时得 。( 女) ：( ) + 妻q ，( 女一 ) n = l 称为滑动平均模型，用m a ( q ) 表示。 9 2 3 1 2 三种信号模型之间的关系 为了说明上述三种时间序列信号模型之洲的关系，我们以定理的形式给出 下列几个重要事实： 定理1沃尔德分解定理【4 9 l