（测试计量技术及仪器专业论文）汽车制动台力学分析建模及仿真.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 反力式制动试验台是目前广泛使用的汽车制动力检测装置。本文分析了其对 ，_ ，_ _ _ - ，- _ _ 一 车轮的测力能力的动态变化过程，指出被测轮与滚筒界面的附着系数随着轮胎上 爬而减小，轮胎上爬时安置角减小，正压力增加，但测得的制动力却下降。经试 验验证，理论分析与试验结果相吻合。本文还阐述了非测试车轮与垫耍咝董奎， 测试轮胎与邃笪堕董墨墼，安置角，塾煎坌堡墨壑对测试性能的影响，并进行了 分析和计算。在理论分析和试验的基础上，建立了车辆台试的力学模型，利用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件进行了制动过程的动力学仿真。将实际检测结果 与动力学仿真计算结果进行了比较，验证了仿真模型及仿真方法的正确性。 关键词：反力式制动试验台、m a t l a b 、仿真文s i m u l i n k 汽车制动台力学分析建模及仿真 a b s t r a c t r e a c t i o nb r a k et e s t e ri sm o s tp o p u l a ri nv e h i c l eb r a k ep e r f o r m a n c et e s t i n g 1 1 1 e m o t i o no ft h ea u t o m o b i l eb r a k et e s t e rw h i c hc a nm e a s u r et h eb r a k i n gf o r c eo nt h e w h e e li sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ea d h e s i o nc oe f f i c i e n c yb e t w e e nt h ew h e e la n dt h e r o l ld r u md e c r e a s e ，a st h eb r a k e dw h e e l sc l i m bu po nt h er o l ld r u m t h ew h e e l c l i m b i n gm a k e s t h ea n g l eo ft h ew h e e lt o u c hs m a l l e ra n dt h en o r m a lp r e s s u r el a r g e r ， b u rt h eb r a k i n gf o r c es m a l l e rt h a nt h ep r i m a r yo d e t h ea n a l y s i sr e s u l ti sv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s i ti sd e s c r i b e dt h a tw o r k i n gf u n c t i o ni si n f l u e n c e db yu n t e s t e dw h e e l a d h e s i o no n l a n d ，t e s t i n g w h e e la d h e s i o n0 1 1r o l l e r ，f o r m e da n g e l ，p a r a m e t e ro f a x l e l o a d i n g r a t i o o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dr o a dt e s t s ，d y n a m i cs i m u l a t i o n o f b r a k i n gp r o c e d u r ei sc o n d u c t e d ，u s i n g m a t l a b s i m u l i n k ，i nt h ee n d ，t h e e x a c t n e s so ft h e c o m p u t e r - b a s e d m o d e la n ds i m u l a t i o nm e t h o da r ev e r i f i e d b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t sw i t ht h er o a dt e s to n e s k e y w o r d s ：r e a c t i o nb r a k et e s t e r ，m a t l a b ，s i m u l a t i o n ，s i m u l i n k 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车工业发展至今，给社会带来了现代化的交通和便利。随着科学技术的 发展，汽车制动性能检测作为保证汽车安全行驶的重要途径也得到了迅速的发 展。汽车制动试验台作为汽车技术检测中重要设备之一，备受人们重视。汽车 的制动性能检测分路试和台试两种。路试是在公路上或试验场上进行的测试， 虽然接近于实际使用条件，但因道路附着状况，轮胎状况和试验者的熟练程度 不同等等，常导致测量结果误差很大，而在试验台上进行的台试，经济，安全， 精度高，不受气候影响，能在不同试验条件下取得数据，因而越来越受到重视。 台架试验分静态制动试验台和动态制动试验台，采用静态制动试验台，指示出 的结果甚不稳定，在多数情况下与实际出入甚大，不能反映制动力学过程，因 此，动态制动试验台一反力式制动试验台因其结构简单，测试方便，易于推广 等优点而得到广泛应用，本文主要对反力式制动试验台的测力原理，形式，以 及部分参数选取做了分析，并对其经过力学分析建立了反力式制动试验台的力 学模型，利用m a t l a b s i 姗l i n k 仿真软件进行了制动过程的动力学仿真，通过 将实际检测结果与仿真结果的比较，验证了仿真模型的正确性。 1 1 制动性能检测的基础知识2 3 汽车制动性能好坏，是安全行车最重要的因素之一，因此也是汽车检测诊 断的重点。汽车具有良好的制动性能，遇到紧急情况，可以化险为夷；在正常 行驶时，可以提高平均行驶速度，从而提高运输生产效率。 一、对制动系的技术要求”。 汽车制动系应具有行车制动、应急制动和驻车制动三大基本功能。 行车制动系必须使驾驶员能控制车辆行驶，使其安全、有效地减速和停 车。行车制动装置的作用应能在各轴之间合理分配，以充分利用各轴的垂直载 荷。应急制动必须在行车制动系有一处失效的情况下，在规定的距离内将车辆 停住。应急制动可以是行车制动系统具有应急特性或是同行车制动分开的独立 系统( 注意应急制动不是行车制动中的急速踩下制动踏板) 。驻车制动应能使车 辆即使在没有驾驶员的情况下，也能停放在上、下坡道上。 制动时汽车的方向稳定性，即制动时不发生跑偏、侧滑及失去转向的能 力。 制动平稳。制动时制动力应迅速平稳地增加：在放松制动踏板时，制动应 迅速消失，不拖滞。 操纵轻便。施加于制动踏板和停车杠杆上的力不应过大，以免造成驾驶 员疲劳。 汽车制动台力学分析建模及仿真 在车辆运行过程中，不应有自行制动现象。 抗热衰退能力。汽车在高速或下长坡连续制动时，由于制动器温度过高导 致摩擦系数降低的现象称为热衰退。要求制动系的热稳定性好，不易衰退，衰 退后能较快地恢复。 水湿恢复能力。汽车涉水，制动器被水浸湿后，应能迅速恢复制动的能力。 二 制动性能评价参数 驾驶员接到紧急停车信号时，并没有立即行动，而要经过t 。秒以后才意识 到应进行紧急制动，并开始移动右脚，再经过t 。秒以后到达b 点才开始踩到制 动踏板。这一段时间t = t 。+ t 。称为驾驶员反应时间。这一段时间一般为0 3 - 1 o s ， 它与制动系的性能无关。在b 点以后，随着驾驶员踩踏板的动作，踏板力迅速 增加，到d 点时达到最大值。不过由于制动系中有一定残余压力，且蹄片由回 位弹簧拉着，蹄片与制动鼓之间存在着间隙，所以要经过t 。秒后到c 点，地面 制动力才起作用，使汽车开始产生减速度。由c 点到e 点是制动力豹增长过程 制动力 r 时间t s 图1 1 测试过程中制动力时间曲线 所需要的时间l ，t o - - t 3 + t 。总称为制动器的作用时间或滞后时间。它的长短一方 面取决于驾驶员踩踏板的速度，更重要的一方面受制动器结构形式与维修质量 的影响。由e 到f 为持续制动时间t ，这一阶段车辆的减速度稳定，基本不变。 到f 点，驾驶员松开制动踏板，但制动力的消除仍需要一定时间，这段时间t ” 称为制动释放时间。按规定，制动释放时间不得大于0 8 s 。从制动的全过程来 看，它包括：驾驶员看到情况后作出反应、制动器起作用、持续制动和制动完全 释放四个阶段。具体如图1 1 所示。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 其中，制动器作用时间t 。阶段的一部分，是制动协调时间。在g b 7 2 5 8 1 9 9 7 中，将制动协调时间定义为：在急踩制动时，从踏板开始动作至车辆的减速度( 或 制动力) 达到标准中规定的车辆充分发出的平均减速度( 或标准中规定的制动力) 的7 5 时所需的时间。制动协调时间是制动性能检测中的一个重要参数。汽车 制动性主要由制动效能、制动抗热衰退性和制动时汽车的方向稳定性三个方面 来评价。我们主要研究的是汽车的制动性能。 制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力，是制动性能最基本 的评价指标。它是由制动力、制动减速度、制动距离、和制动时间来评定。 l 、制动距离。 制动距离是指车辆在规定的初速度下急踩制动时，从脚接触制动踏板( 或手 触动制动手柄) 时起至车辆停住时止，车辆驶过的距离。它包括了制动协调时间 和以最大减速度持续制动时间内汽车驶过的距离。它是评价汽车制动性能最直 观的一个参数，与汽车实际运行的制动情况最接近。驾驶员最熟悉汽车的制动 距离，因为它与安全行车有直接关系。制动距离不等于车轮在路面上拖压印的 长度，因为制动距离中包含有制动协调时间内汽车驶过的距离，在这一段时间 内车轮尚未拖压印。制动距离与制动踏板力即制动系中的液压或气压有关，故 给出制动距离时应指明相应的踏板力或制动系中的压力。 用制动距离来评价汽车的制动性能具有一定的准确度，而且重复性较好。 但需要有较大的试车场地，而且对轮胎的磨损较大。此外，制动距离是一个整 车性能参数，它不能单独定量地反映出各车轮的制动状况以及制动力分配情况 ( 从地面印痕只能大致看到) ，当制动距离延长时，也反映不出具体是什么故障 使制动性能变差。 2 、制动力 为了使行驶中的汽车能够减速或停车，必须由路面对汽车作用一个与其行 驶方向相反的外力，来消耗汽车的动能，使汽车产生减速度，达到降低其行驶 速度以至停车的目的，这个外力叫作制动力。对于一定质量的汽车来说，制动 力越大制动减速度越大，制动距离越短。所以制动力是从本质上评价汽车制动 性能的参数。制动力对汽车的制动性能具有决定性的影响。用制动力这个参数 评价汽车的行车制动性能，可以对前后轴制动力的合理分配以及每轴两轮平衡 制动力差提出要求，从而保证汽车制动的方向稳定性，并使各轮附着重量得到 充分利用。用制动力作为单独的检验指标时，在检验了制动力大小、制动力合 理分配及平衡制动力差的同时，还要检验制动协调时间。制动协调时间包括消 除制动拉杆、制动鼓间隙和部分制动力增长过程所需要的时间，要求单车的制 动协调时间不超过0 6 s 。调整良好的液压制动系的协调时间约为0 1 5 0 2 0 s ， 汽车制动台力学分析建模及仿真 气压制动约为0 2 0 0 4 0 s 。如果汽车以6 0 k m h 的速度行驶，每秒行驶1 6 7 m ， 在制动协调时间内，液压制动汽车行驶距离为2 5 - 3 3 m ，气压制动为3 3 6 6 m 。 若制动系调整不当，这个距离要成倍增长。另外，各轮制动协调时间不等，还 会引起跑偏。目前，在汽车检测站主要用检测制动力的方法来检验汽车的制动 性能，但许多制动试验台不具备检验制动协调时间的能力，使检测结果不能准 确地反映汽车的实际制动效果，这个问题应引起足够的重视。 另外，目前普遍使用的反力式制动试验台，由于检测时汽车是静止的，因 此这种方法是模拟性的。检测结果有时受检测设备自身结构的影响，与汽车实 际制动的情况有差距，当对检测制动力的结果有质疑时，应当用检验制动距离 的方法加以验证。 l - 2 制动性能台式检测项目及有关检测标准7 1 一、制动性能台式检测项目 1 、制动力 2 、制动力平衡要求 3 、车轮阻滞力 4 、制动协调时间 二、用制动力检验汽车制动性能的国家标准 g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件规定，检验汽车的制动性能可以 用路试和台试两种方法。路试可以检测制动距离和跑偏量；也可以检测制动减 速度、制动协调时间和跑偏量测试主要检测制动力与制动协调时间。目前主要 采用台试的方法。 1 、制动性能台式检测的技术要求 用制动力检验汽车的制动性能时，应符合下面要求：制动力总和占整车重 力的百分比，空载 1 6 0 或满载5 0 ；主要承载轴的制动力占该轴轴荷的百分 比，空载 6 0 或满载 5 0 。在g b 7 2 5 8 1 9 9 7 中，仍保持制动力总和与整车重 力的百分比空载 1 6 0 或满载 1 5 0 的要求，由于对主要承载轴的理解容易有误， 将主要承载轴的制动力与该轴轴荷之比改为前轴制动力不得小于前轴轴荷的 6 0 。 对制动力平衡的要求，原标准中是以轴荷为基准确定的，即前轴左右轮制 动力差不得大于该轴轴荷的5 ，后轴左右轮制动力差不得大于该轴轴荷的8 。 由于这种规定不能准确反映制动力差的数值应随制动力增加按正比例相应变化 的实际情况，所以在g b 7 2 5 8 1 9 9 7 中改为：在制动力增长的全过程中，左右 轮制动力差与该轴左右轮中制动力大者之比，前轴不得大于2 0 ，后轴不得大 于2 2 。这个要求的幅度与原标准比较，前轴要求适当放宽，对后轴的要求基 本保持不变。这样的规定方法与美国及欧洲是一致的。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 对制动协调时间不再按车型分档，统一要求为，单车不大于0 6 s ，汽车列 车不大于o 8 s 。对驻车制动性能检验，规定车辆空载，乘坐一名驾驶员，驻车 制动力总和应不小于该车在测试状态下整车重力的2 0 。；对总质量为整备质量 1 2 倍以下的车辆，此值为1 5 。当车辆经台架检验后对其制动性能有质疑时， 可用路试检验方法进行检验。 1 3 反力式制动试验台简介8 1 9 3 反力式制动试验台的结构简图如图1 2 示。它由结构完全相同的左右两套 车轮制动力测试单元和一套指示、控制装置组成。每一套车轮制动力测试单元 由框架( 有的试验台将左、右测试单元的框架制成一体) 、驱动装置、滚筒组、 举升装置、测量装置等构成。 1 毫魂钒厶压力酱蓐爨3 茂纛鞭4 。鬣筲 5 繁互壤撼6 。龟纛待臻纂，链待劝8 。舅t 钳承鼓囊 图1 2 反力式制动试验台的结构简图 1 驱动装置 驱动装置由电动机、减速器和链传动组成。电动机经过减速器两级减速后 驱动( 或再通过链传动，见图1 3 主动滚筒，主动滚筒通过链传动带动从动滚 筒旋转。减速器输出轴与主动滚筒共用一轴，减速器壳体为浮动连接( 即可绕主 动滚筒轴自由摆动。或如图1 3 动机枢轴与减速器输出轴同心，减速器壳与电 动机壳连成一体，电动机枢轴与减速器输出轴分别通过滚动轴承及轴承座支承 在框架上，减速器壳与电动壳可绕支承轴线自由摆动) 。 由于制动试验台测试车速很低，日本齿槽式一般为0 1 - 0 1 8 k m h ，而欧洲 式为2 o - 5 k m h 。滚筒的直径较小。因此驱动电动机的功率较小，如日本式试 验台电动机功率为2 0 7 - 2 2 2 k w ，而欧洲式试验台电动机功率为 2 3 - 2 1 i k w 。减速器的作用是减速增矩，其减速比根据电动机的转速和滚筒 测试转速确定。由于测试车速低，滚筒转速也较低，一般在4 0 - 1 0 0 r m i n 范围( 日 本式试验台转速则更低，甚至低于1 0 r m i n ) 。因此要求减速器减速比较大，一 7 汽车制动台力学分析建模及仿真 般采用两级齿轮减速或一级蜗轮蜗杆减速与一级齿轮减速。 1 俺感翳2 。电动机3 。攘蓬鼍 嚣力持5 。氟t 拇韵 彳，扶劫擞俺8 。第互耀俺钆絮霸馕髓1 0 馘艇 图1 3 反力式制动试验台的驱动装置简图 2 滚筒组 每一车轮制动力测试单元设置一对主、从动滚筒。每个滚筒的两端分别用滚 动轴承与轴承座支承在框架上，且保持两滚筒轴线平行。滚筒相当予一个活动 的路面，用来支承被检车辆的车轮，并承受和传递制动力。汽车轮胎与滚筒间 的附着系数将直接影响制动试验台所能测得的制动力大小。为了增大滚筒与轮 胎间的附着系数，滚筒表面都进行了相应加工与处理，目前采用较多的有下列 5 种： 1 ) 开有纵向浅槽的金属滚筒。在滚筒外圆表面沿轴向开有若干间隔均旬、 有一定深度的沟槽。这种滚筒表面附着系数最高可达0 6 5 。在制动试验车轮抱 死时容易剥伤轮胎。当表面磨损且沾有油、水时附着系数将急剧下降。 2 ) 表面粘有熔烧铝矾土砂粒的金属滚筒。这种滚筒表面无论干或湿时其附 着系数可达0 8 。 3 ) 表面具有嵌砂喷焊层的金属滚筒。喷焊层材料选用n i c r b s i 自熔性合金 粉末及钢砂。这种滚筒表面新的时候其附着系数可达0 9 以上，其耐磨性也较 好。 4 ) 高硅合金铸铁滚筒。这种滚筒表面带槽、耐磨，附着系数可达0 7 - 0 8 ， 价格便宜。 5 ) 表面带有特殊水泥覆盖层的滚筒。这种滚筒比金属滚筒表面耐磨。表面 附着系数可达0 7 - 0 8 。但表面易被油污与橡胶粉粒附着，使附着系数降低。 滚筒直径与两滚筒间中心距的大小，对试验台的性能有较大影响。滚筒直 径增大有利于改善与车轮之间的附着情况，增加测试车速，使检测过程更接近 实际制动状况。但必须相应增加驱动电机的功率。而且随着滚简直径增大，两 南京航空航天大学硕士学位论文 滚筒间中心距也需相应增大，才能保证合适的安置角。这样使试验台结构尺寸 相应增大，制造要求提高。 3 制动力测量装置 制动力测量装置主要由测力杠杆和传感器组成。测力杠杆端与传感器连 接，另一端与减速器壳体连接，被测车轮制动时测力杠杆与减速器壳体将一起 绕主动滚筒( 或绕减速器输出轴、电动机枢轴，见图1 3 ) 轴线摆动。传感器将测 力杠杆传来的、与制动力成比例的力( 或位移) 转变成电信号输送到指示、控制 装置。传感器有应变测力式、自整角电机式、电位计式、差动变压器式等多种 类型。日本式制动试验台多采用自整角电机式测量装置，而欧洲式以及近期国 产制动试验台多用应变测力式传感器。 4 举升装置 为了便于汽车出入制动试验台，在主、从动两滚筒之间设置有举升装置。 该装置通常由举升器、举升平板和控制开关等组成。举升器常用的有气压式、 电动螺旋式、液压式3 种型式，气压式是用压缩空气驱动气缸中的活塞或使气 囊膨胀完成举升作用；电动螺旋式是由电动机通过减速器带动丝母转动，迫使 丝杠轴向运动起举升作用。液压式是由液压举升缸完成举升动作。带有第三滚 筒的制动试验台不用举升装置。 5 指示与控制装置 目前制动试验台控制装置都采用电子式。为提高自动化与智能化程度，有 的控制装置中配置计算机。指示装置有指针式和数字显示式两种。带计算机的 控制装置多配置数字显示器，但也有配置指针式指示仪表的。 带计算机的指示与控制装置主要由计算机、放大器、a d 转换器、数字显 示器和打印机等组成，其控制框图如图1 4 示。 图1 4 制动试验台控制装曩控制援嗣 9 汽车制动台力学分析建模及仿真 1 4 反力式制动试验台工作原理眦哪 进行车轮制动力检测时，被检汽车驶上制动试验台，车轮置于主、从动滚 筒之间，放下举升器( 或压下第三滚筒，装在第三滚筒支架下的行程开关被接 通) 。通过延时电路起动电动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮低 速旋转，待车轮转速稳定后驾驶员踩下制动踏板。车轮在车轮制动器的摩擦力 矩t u 作用下开始减速旋转。此时电动机驱动的滚筒对车轮轮胎周缘的切线方向 作用制动力f x - 、f n 以克服制动器摩擦力矩，维持车轮继续旋转。与此同时车轮 轮胎对滚筒表面切线方向附加一个与制动力方向反向等值的反作用力f i 。7 、f 。 7 ，在f 。7 、f ，：7 形成的反作用力矩作用下，减速器壳体与测力杠杆起朝滚 筒转动相反方向摆动，测力杠杆一端的力或位移经传感器转换成与制动力大小 成比例的电信号。从测力传感器送来的电信号经放大滤波后，送往a d 转换器 转换成相应数字量，经计算机采集、存贮和处理后，检测结果由数码管显示或 由打印机打印出来。打印格式与内容由软件设计而定。一般可以把左、右轮最 大制动力、制动力和、制动力差、阻滞力和制动力一时间曲线等一并打印出来。 在制动过程中，当左、右车轮制动力和的值大于某一值( 如5 0 d a n ) 时，计算机 即开始采集数据，采集过程所经历时间是一定的( 如3 s ) 。经历了规定的采集时 间后，计算机发出指令使电动机停转，以防止轮胎剥伤。在有第三滚筒的制动 试验台上，在制动过程中第三滚筒的转速信号由传感器转变成电信号后输入计 算机，计算车轮与滚筒之间的滑差率。当滑差率达到一定值( 如2 5 ) 时，计算 机发出指令使电动机停转。如车轮不驶离制动台，延时电路将电动机关闭3 - l o s 后又自动启动。检测过程结束，车辆即可驶出制动试验台。 由于制动力检测技术条件要求是以轴制动力占轴荷的百分比来评判的，对 总质量不同的汽车来说是比较客观的标准。为此除了设置制动试验台外，还必 须配备轴重计或轮熏仪，有些复合式滚筒制动试验台装有轴重测量装置。其称 重传感器( 应变片式) 通常安装在每一车轮测试单元框架的4 个支承脚处。 g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车安全运行技术条件中定义制动协调时间是从驾驶员 踩下制动踏板的瞬间作为起始计时点，为此，在制动测试过程中必须由驾驶员 通过套装在汽车制动踏板上的脚踏开关向试验台指示、控制装置发出一个“开关 ”信号，开始时间计数，直至制动力与轴荷之比达到标准规定值的7 5 时瞬间为 止。这段时间历程即为制动协调时间，通常可以通过试验台的计算机执行相应 程序来实现。 目前，采用的反力式制动试验台对具有防拖死( a b s ) 系统的汽车制动系的制 动性能，还无法进行准确的测试。主要原因是这些试验台的测试车速较低，一 般不超过5 k m h ，而现代防抱死系统均在车速l o k m h - 2 0 k m h 以上起作用，所 以在上述试验台上检测车轮制动力时，车辆的防抱死系统不起作用，只能相当 于对普通的液压制动系统的检测过程。 t 0 南京航空航天大学硕士学位论文 有的反力式制动试验台可以选择每一车轮制动力测试单元的滚筒旋转方 向。两个测试单元的滚筒既可同向正转、同向反转，又可以一正一反。具有这 种功能的试验台可以检测多轴汽车并装轴( 如三轴汽车的中轴和后轴，真间没有 轴问差速器) 的制动力。测试时使左、右车轮制动测试单元的滚筒转动方向一正 一反，只采集正转时的制动力数据，这样可以省去试验台前、后设置自由滚筒 装置。这是因为驱动轴内有轮间差速器的作用，当左、右车轮反向等速旋转时 差速器壳与主减速器将不会转动。所以当被检测轴车轮被滚筒带动时，另一在 试验台外的驱动轴将不会被驱动。而对于装有轴间差速器的双后轴汽车可在一 般的反力式滚筒制动台上逐轴测试每车铀的车轮制动力。 1 5 反力式制动试验台的增设和改进3 埘9 【1 1 3 1 5 1 增加第三滚筒 一般简易反力式制动试验台，当汽车的制动机构起作用时，汽车车轮的转 速会下降，直至车轮抱死，停止制动，但此时电动机依然在驱动滚筒转动，造 成车轮外胎橡胶的严重变形和剥落。同时，由于轮胎和滚筒的接触状态变化， 引起了轮胎和滚筒间当量附着系数的变化，使得测试值不稳定。为避免由于轮 胎滑移所造成的影响，在试验台两滚筒之间增加第三滚筒。 第三轴是从动轴，独立安装在两滚筒之间，放置在两滚筒上的汽车车轮通 过弹簧压紧第三轴，使第三轴随车轮一起转动，当车轮抱死，停止转动时，第 三轴也停止转动。即第三轴可以直接反映车轮的转动状态，在第三轴的端部安 装一脉冲传感器，当车轮抱死时，第三轴停止转动。下面，我们用如图1 5 示 系统的反馈控制过程。 叵还固竺七堕筘惜号 1 5 2 设置加载装置 图1 5 第三滚筒反馈控制框图 第一种方法增加轴重。制动试验台最大测试值为当量附着系数与轴重的乘 积，在当量附着系数不变的情况下，增加轴重，可提高测试值。增加轴重的有 效方法是设置加载机构。采用加载法进行试验时，由于加载的结果，增大了车 轮的附着重量，可以在试验台上直接测出车轮的最大制动力。 汽车制动台力学分析建模及仿真 第二种方法是低气压试验法，即在制动系空气压力降低的情况下进行的， 它只能测出制动力的某个中间值，根据这个中间值来判断制动器性能的好坏。 一般只要给定一个气室压力，就会产生一定的蹄片驱动力，相应的就可以得到 一定的制动力矩，并且制动力矩( 或制动力) 与气室压力成正比。当然，采用 低气压试验法的可靠性较差。 1 5 3 测量装置的改进 一般简易试验台测量装置无法测量制动协调时间，制动完全释放时间，在 对其进行一系列改造后，试验台可测量车轮制动力，左右轮制动力差，制动系 统协调时间，制动完全释放时间，并可绘出制动力一时间历程曲线，图1 6 测 试制动协调时间，制动完全释放时间的附加电路工作原理图。图中将白整角机 旋转角度的变化转化为振子电流强度的变化，并在制动踏板上设置了开关k ， 目的在于开关k 接通的时候，电流经限流电阻r ，进入振子f c 6 1 2 0 0 ，并开始 计时。 1 2 v 图1 6 的附加电路工作原理图 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章反力式制动试验台的测力能力的理论分析及实验验证 本章对测试过程中的水平约束力、车轮的位移和轴荷等因素进行理论分析 和试验验证，二者获得了较好的统一。 2 1 试验台上车轮制动过程的受力分析1 1 m 2 1 反力式制动试验台一般不带加载装置有2 个直径相等的主动滚筒，由电 机带动同向低速旋转，带动车轮空转。当驾驶员踏制动器时，滚筒与车轮之间 产生相对滑转，界面上产生的摩擦力形成反力矩作用在滚筒上，由传感器输出， 并由计算机采集数据打印输出。 图2 1 为车轮制动受力简图。为了讨论简便，假设车轮在制动时无袖荷的 转移。图中：r 为车轮半径：g 为轴荷：h 为水平约束力；正，兀为切向制动力； l ，：为法向支承力；口为车轮和滚筒中心连线与车轮中心垂线的夹角( 安置 角) ；为滚筒与车轮界面的附着系数。按照受力平衡原理，可得： ( l 一2 ) s i n a + 喁+ r 2 ) c o s a h = 0 ( 2 - 1 ) ( n 1 一2 ) c o s a - 4 - ( 正一e ) s i n a g = 0 ( 2 - 2 ) 接触面上切向力与法向力的关系为： 五= 州t 正= 鹕 总的切向制动力为 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) t = 五十疋 轮胎制动力的检测是一个动态过程。上列方程中水平约束力h 是非测轮滑 移率的函数，滚筒界面上的附着系数是滚筒与车轮滑移率的函数。整个测力过 程又可分为被测轮胎与前滚筒接触( n 。 0 ) 和与前滚筒脱离( n t = 0 ) 2 种工况。 2 1 1 l 0 的工况 被测车轮初始状态时位于两滚筒中间，与两滚筒都接触，测力时轮胎逐渐 压向后滚筒。由于轮胎为弹性体，所以n 1 0 的工况对应着角口的某一范围， 在此范围内，n 1 ，n ：，互，五和也相应改变。若以。为变量则由式( 2 - 1 ) ， ( 2 2 ) ，( 2 3 ) ，( 2 4 ) 可得 t = 妒g ( c o s a + s i n a ) + 2 妒2 n 1 ( c o t a + 妒) ( 2 - 5 ) h = 【( 伊一t a n a ) g + 2 ( 妒2 - i - 1 ) n ls i n a ( 1 + 妒t a n a )( 2 - 6 ) 汽车制动台力学分析建模及仿真 播 厂 、 g 於 f h 揍港 糊2 1 轮胎程涮动试璇台j 二l i l 受力 b 式( 2 - 6 ) 中水平约束力日不仅与非测轮与地面上的附着率和轴荷g 有关， 而且也与汽车本身的悬架结构有关。通常以前者进行计算，有 h = 妒r 髓( 2 7 ) 式中：妒，非测轮与地面的附着率 k轴荷分配系数( 非测轴轴荷与被测轴轴荷之比) 非测轮与地面的妒，是轮胎滑移率兮的函数( 图2 2 ) 。制动时非测轮在地 面上由静止而滑移因此可得： 印 r = ，( 馘) 】1 ( 2 - 8 ) 代入式( 2 6 ) 得 q 。= 【口o ；k g i 。 由式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 解出l ，求得制动力r ( 参见图2 4 中第l 段曲线) 。 2 1 2 n l = 0 的工况 制动时被测轮在力r 作用下压向后滚简，车身向后滑动，使n 1 = 0 ，五= 0 由式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 得 疋c o s a n 2 s i n a h = 0( 2 - 9 ) n 2c o s a + 疋s i n a - g = 0 ( 2 - 1 0 ) 将式( 2 - 4 ) 代入以后可以求得这种工况下的切向制动力和水平约束力： 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 7 ；= 口灯( 妒s i n 口+ c o s 口)( 2 一l1 ) h = 疋( c o s a s i n a 妒)( 2 - 1 2 ) 由上式可知，如把安置角口视为变量，则式( 2 一1 1 ) 是递减函数。因此，在 给定的制动检测台上检测大型车辆时，由于轮胎直径大，安置角口减小，检测 能力增强；检测小型车辆时，轮胎直径小，安置角口增大，检测能力减低。同 时，从式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可知，非测轴轮胎所提供的水平约束力如果小于式( 2 1 2 ) 的计算值，则被测轮不能保持稳定，将沿后滚筒向上爬动。 o 图2 2 附着率竹与滑移率j 的关系曲线 2 1 ，3 轮胎上爬工况和临界角n 钔 非测轮对地面产生滑移时，附着率伊，达到最大值，水平约束力h 也达到最 大值，即日。= 舻，。硒代入式( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 1 2 ) ，得到被测轮胎上爬的临界角。 口= t a n 一1 ( 妒一9 ，m 缸k ) 妒0 + 妒，m “k ) 达到l | 每界角状态以后，若制动力己继续增加，水平约束力量日。不能满足 式( 2 1 2 ) 的平衡条件，则滚筒将带动轮胎一齐向上运动，直至爬到后滚筒的顶 部。滚筒带动被测轮一齐向上爬动，使接触界面间的滑移率迅速减小，因而界 面上的附着系数p 也迅速下降，如图2 3 所示。这时由于车身的位移，非测轮 对地面的滑移率增大，因而对地面的附着率妒，也随之增大。由上述可知，水平 力不能平衡制动力导致车轮上爬。下面分析轮胎上爬过程中新的平衡关系。由 式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 解出： 正= g s i n a + h c o s a n 2 = g c o s a h s i n a 将式( 2 - 7 ) 代入后并记以无因次形式得： 汽车制动台力学分析建模及仿真 瓦g = s i n 口+ ，( 兮) 置c o s a( 2 - 1 3 ) n 2 g = 【妒( c o s a f ( a j ) k s i n a ) 】( 2 - 1 4 ) 根据轮胎上爬过程车辆在地面上的滑移，将式( 2 8 ) 代入式( 2 1 3 ) 和 ( 2 一1 4 ) ，并将式( 2 1 4 ) 乘以妒值可得到2 组由非测轮与地面的附着率 妒，n 制 约的滚筒切向附着能力的曲线簇( 如图2 4 所示) 【疋。g 2 = s i n a - i - ，( 馘) k e o s a 7 ( 2 1 5 ) ，2 ，g 1 = 【伊( c o s a 一，( z v , ) k s i n a ) 7 ( 2 - 1 6 ) 0 a d 图2 3 滚筒界面附着系囊眵与滑移率恬的关系 i = 0 ，l ，n 为车辆位移离散后的取点数。在2 组曲线相交范围内，不 论滚筒与轮胎之间的附着系数妒值的大小如何，都可在各交点取得受力平衡( 如 式( 2 1 1 ) 和( 2 一1 2 ) ) 。在非相交的范围内，滚筒的切向制动能力按式( 2 一1 5 ) 计算， 非测轮在地面上滑移，附着率达到最大值9 ，。，而被测轮随后滚筒向上爬，妒 值下降。若以【】7 表示各递减值代入式( 2 1 6 ) ，则得到轮胎上爬工况下由滚筒 上作用的法向力产生的切向制动能力的关系式。 【妒。n 2 ，g 1 = 【( c o s ( 一，( 兮) k s i n a ) ( 2 1 7 ) i = 丹，_ ，( 馘) = 妒，mm = m ，m 一1 ，l ，0 这样，式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 的计算结果达到一致即由于水平力的限制，滚 筒上虽作用有足够大的法向力，。但不能充分利用附着作用产生切向制动能 力。 综上所述，汽车在制动试验台上检测的切向制动能力可用图2 4 中的粗实 线表示。这分3 种状态：i 段开l 0 ，n 2 0 ，由式( 2 5 ) 表示i i 段1 = 0 ， n ， 0 ，由式( 2 - 1 1 ) 表示；i i i 段1 = 0 ，2 0 ，轮胎上爬，由式( 2 - 1 5 ) 表示。 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 o t 1 6 乱8 u2 。 2 t4 鼬 口盯) 凋2 4 制动力变化的解析 2 2 测力能力影响因素的试验 2 2 1 试验方法和实测曲线 所用的汽车制动试验台是镇江市汽车修理测试公司的产品，滚筒直径d = 1 9 5 m m ，转速n = 5 6 r m i n ，滚筒中心距l = 4 1 9 r a m 。制动力由制动台上的拉压传 感器输出，用c s 一1 6 光线示波器记录。被测汽车是丰田人货车，空车前轴荷g = 9 9 k n ，后轴荷g = 6 5 k n ，k = g g ，= 0 6 5 6 ，轮胎直径d = 6 8 5 m m 。汽车的 位移由固定在车架上的位移传感器测定，水平约束力由另一台负荷车及拉力传 感器测定。被测车的非测轴的轮胎架在滚珠轴承滑车上，在钢板上可以前后滑 动。 图2 5 是制动力、踏板力和被测车位移的记录曲线。由图可见，当踏下踏 板时，经过0 1 3 s 的延迟，制动力开始上升，直到最大值。保持一段时间以后， 当口= 2 7 4 。，n = 0 时，轮胎上爬，制动力逐渐下降口= 0 0 ，以后，位移继续 增加。被测轮爬上支承板，制动力出现低谷。图中盯= 2 8 4 。是初始位置， 口= 2 7 4 。是n = 0 的起始点，口= 0 。是轮胎爬上后滚筒的顶部位置。 2 2 2 制动力的实验验证 实测结果，纷。2 0 7 ，p 。5 i 0 ，k = 0 6 5 6 。计算值与试验结果的比 较见图2 6 。由图可见，计算值与试验结果吻合良好，说明上述分析是切合实 1 7 汽车制动台力学分析建模及仿真 际的。当水平日能满足式( 2 1 2 ) ，轮胎不上爬时，测得的制动力达到峰值后 不再减小，如图2 6 中的i i 段所示。 2 乳4 2 7 。4 0 a ( 。) 图2 5 制动力、踏板力和位移的记录曲线 图2 5 中的记录曲线呈现振动性的周期峰谷。对6 条试验曲线的1 7 3 个峰 谷进行统计，其周期为( t ，= ) 0 0 6 3 s ，而滚筒上链轮转过1 个齿的时间为( r ， = ) 0 0 6 3 s ，即t 。= r 2 。由此判断曲线的振动可能是由链轮的转动引起的h 。为 使采样后的曲线平滑，在每一振动周期内采样4 次，采样时间间隔f ，= “4 = 图2 6 中t g 为制动力与测试轴轴重的比值，踏板力为司机制动时踩住制 动器所用的力，位移为车辆向后移动的距离。图2 7 中g 1 为前轴重，g 2 为后轴 重，x 、$ 分别为左右轮气压为2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 时所测的制动值。 为黑r蜷静 南京航空航天大学硕士学位论文 蚴h 4 甄7 坤o 图2 6 计算值与试验结果的比较 1 9 汽车制动台力学分析建模及仿真 第三章反力式制动试验台主要参数对测试的影响 本章主要讨论反力式制动试验台主要性能参数对制动力测试的影响。 3 1 滚筒参数对汽车制动性能的影响 影响汽车制动性能的滚筒参数主要有轮胎与滚筒间附着率p ，轮胎在滚筒 上的安置角口，车轮与地面的附着率竹。 3 1 1 被测车轮未脱离前滚筒时滚筒参数对测试的影响 当汽车未脱离前滚筒时，汽车某一车轴上的全部车轮( 如汽车后轮置于反力 式制动试验台前、后两滚筒之间，另一车轴上全部车轮置于测试场地地面时。 测试过程中，车轮与前滚筒接触，可以简化认为车辆保持静止不动，这是一个 静力平衡问题以整个汽车为隔离体、认为汽车受力以中心平面对称，可简化为 图3 1 所示的平面任意力系。 平面任意力系可以列出由三个独立方程组成的方程组 p + n i 妒s i n a n 2 o s i n a n 3 一n lc o s 口一2c o s = 0( 3 - 1 ) + n 2s i n n 1s i n a n 2 o c o s a n i q ，c o s a = 0( 3 - 2 ) p e 2 + r ( n l 妒+ n 2 妒) 一n 3 l h r = 0( 3 - 3 ) 式中，p 一车辆重力( n ) ，n l 、n ：一滚筒支承力( n ) ，p 轮胎与滚筒间附着率， 口一轮胎在滚筒上的安置角，3 一非测试车轮的支承力( n ) ，h 一非测试车轮的 约束反力( n ) ，l 一轴距( m ) ，l 。一质心距前轴的距离( m ) ，l ，一质心距后轴的 距离( m ) ，r 一车轮静力半径( 前、后轮半径相同) ( m ) 。 非测试车轮的约束反力h 决定于非测试车轮的法向反力m 和车轮与地面 的附着率p ，。 h = 3 妒， ( 3 - 4 ) 代人上述方程组得： ( p s i n a c o s g r ) n i 一( 妒s i n a + c o s a ) n 2 一n 3 = 一p ( 3 - 5 ) ( 伊c o s e z4 - s i n a ) n 1 - i - ( 妒c o s a s i n a ) n 2 一妒，n 3 = 0 ( 3 - 6 ) 月孕，i + 胄荦面也一( 上+ 丑伊，) 3 = 一p l 2 ( 3 - 7 ) 以，为未知数可解得： 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 车轮未与滚筒脱离接触情况下受力分析图 r 一三2 妒，( 妒s i i l 口+ c o s a ) + l l ( s i n e r c o s l 2 ) + r 伊f s i n a + p ( 1 - c o s a ) p ，。0 、 ，v = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一f 一x l 1 ( 三+ 胄p r ) ( 伊2 + 1 ) s i n 2 a + 2 r 妒( 1 一妒妒r ) s i n a 7 炉坠筹焉蔫1 ) 塑s i n 2 a 絮篙茅) s i n a 。，v = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ，一 i 一ul ( 三+ r 妒，) ( 伊2 + 2 r 妒( 1 一妒p r 、。叫 由( 3 8 ) 、( 3 9 ) 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口，车轮与滚筒问附着系数9 ，车辆重力p ，非测试车轮 水平方向约束反力h ，测试车辆两轴间距离l 及车轮半径r 等。对于具体结构 的汽车，两车轴间距离l 及车轮半径r 为确定值，当车辆加载状况( 空载或满载) 一定后。车辆轴荷相应确定。在制动状况一定后，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口，车轮与滚筒间的附着系数p 的变化以及非测 试车轮与地面附着率舻，。 测试轮在向后制动力作用下有离开前滚简的趋势，而车轮不离开前滚筒是 方程组( 3 一1 ) 至( 3 3 ) 能够成立的首要条件。测试车轮不离开前滚筒的条件是 n ) 0 即式( 3 8 ) 的大于0 。由于式( 3 - 8 ) 分母恒大于0 ，故只需分子大于0 即可， 可由下式所示： y = 厶妒，( 伊s i i l a + c o s 口) + - a ( s i n a q c o s a ) + r 竹 s i n a + 妒( 1 - - c o s o ) 】0 ( 3 - 1 0 ) 如果悬架的间隙较大，轮胎的刚度较大，离开前滚筒的临界状态可以认为 h “0 ，妒，“0 将妒，“0 代人式( 3 一1 0 ) 得 t g a 妒( 3 - 1 1 ) 2 1 汽车制动台力学分析建模及仿真 即若非测试轮与地面的水平约束力h 可以不计的话，在一定的制动台上被 测车轮只有在与滚筒的附着系数满足式( 3 - 1 1 ) 的情况下方可在测试过程中不离 开前滚筒，但计算表明在实际情况下无论大型车还是小型车只有滚筒是光滑滚