（载运工具运用工程专业论文）abs动态性能试验台的研究.pdf

摘要 本课题通过对当前国内a b s 性能试验台系统现状的分析；针对目前教学和科 研用试验台系统存在的缺陷，在分析了前人在机电混合模拟技术所做工作的基础 上，提出了汽车惯量和地面制动力机电模拟的理论。研究了汽车惯量和地面制动 力的机电模拟原理 ( 1 ) 根据汽车a b s 性能试验的需要，提出了理想的试验台设计方案，由四个 单车轮模块组成，各单车轮模块在结构组成相同，测量与控制相互独立，各模块 共用同一个控制系统，能够实现不同制动初速度和不同路况，a b s 工作时的制动 过程模拟。 ( 2 ) 根据某汽车技术公司的具体设计要求，以“m a r k i ia b s 控制系统”和 该公司的“前盘后鼓式制动系统台架为研究对象，设计并制作了新型a b s 动态 性能试验台架。 ( 3 ) 利用计算机测控技术，建立了a b s 动态性能试验台计算机测控系统，实 现了对三相异步电动机带增量p i d 控制器的闭环变频调速控制和对磁粉离合器 的开环传递力矩控制。 ( 4 ) 利用虚拟仪器技术与计算机程序设计技术，以模拟测试a b s 工作状态下 汽车车速和轮速变化为目标，设计了整个系统的测控软件程序。 ( 5 ) 以自行研制的新型a b s 动态性能试验台为平台，设计了各种不同车速与 不同路况下的汽车a b s 试验方案，并进行了大量的实验验证。 本试验系统调试后进行了试验，从汽车车速和前、后轴轮速的变化曲线来看， 本系统基本实现了设计目标，能够比较真实的模拟在不同初速度和不同路况( 不 同矽) 下制动，a b s 起作用时的汽车制动过程。 关键词a b s 动态性能试验台、l a b v i e w 、机电模拟技术、p i d a b s t r a c t t h r o u g ht h i ss u b j e c to nt h ec u r r e n tp e r f o r m a n c eo ft h ed o m e s t i ca b s t e s t b e ds y s t e mo ft h es t a t u sq u o ：v i e wo ft h ec u r r e n t t e a c h i n ga n d s c i e n t i f i ct e s t b e ds y s t e mi sf l a w e d ，t h ea n a l y s i so ft h e i rp r e d e c e s s o r s i nt h ee 1 e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lm i x e ds i m u l a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yo nt h eb a s is o ft h ew o r kd o n e ， p u tt h ec a ri n e r t i aa n dt h ee l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a l s i m u l a t i o no fg r o u n d f o r c et h e o r y o nt h ec a ro fi n e r t i aa n dg r o u n d f o r c e o ft h ep r i n c i p l eo ft h ee 1 e c t r i c a la n dm e c h a n i c a l s i m u l a t i o n ( 1 ) a c c o r d i n gt oa b sc a rp e r f o r m a n c et e s to ft h en e c e s s a r ya n dt h ei d e a l t e s t b e dd e s i g n ，f o u r w h e e lm o d u l e s ，t h es i n 9 1 ew h e e li nt h es t r u c t u r e o ft h es a m em o d u l e ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm u t u a li n d e p e n d e n c e ， t h em o d u l e ss h a r et h es a m ec o n t r 0 1s y s t e m ， c a na c h i e v ed if f e r e n tb r a k e e a r l ys p e e da n dd i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n s ，a b sb r a k ew h e nt h es i m u l a t i o n p r o c es s ( 2 )a c c o r d i n gt oa na u t o m o t i v et e c h n 0 1 0 9 yc o m p a n y ss p e c i f i cd e s i g n r e q u i r e m e n t s ， m a r k i ia b sc o n t r 0 1 s y s t e m ， a n dt h e c o m p a n y s ，q i a n p a n h o u g ub r a k i n gs y s t e mp l a t f o r m ， f o rt h er e s e a r c h ， d e s i g n a n d c r e a t ean e wd y n a m i cp e r f o r m a n c ea b st e s tb e n c h ( 3 )t h eu s eo fc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，t h e e s t a b lis h m e n to fad y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ta b sc o m p u t e r m o n i t o r i n g s y s t e m ， t oa c h i e v et h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rw i t hi n c r e m e n t a l p i dc o n t r 0 1 l e ro ft h ec l o s e d 一1 0 0 pc o n t r 0 1a n df r e q u e n c yc o n t r o lo ft h e m a g n e t i cc l u t c ho fo p e n 一1 0 0 pc o n t r 0 1t o r q u et r a n s f e r ( 4 )t h eu s eo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y ， s i m u l a t i o nt e s t st ow o r ku n d e ra b sv e h i c l es p e e da n dw h e e l s p e e dc h a n g ea st h eg o a l ， t h ed e s i g no ft h ee n t i r es y s t e mo fm o n i t o r i n g a n dc o n t r 0 1s o f t w a r ep r o g r a m ( 5 )d e v e l o p e dan e wt y p eo fa b sd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tb e df o rt h e p l a t f o r m ，d e s i g nav a r i e t yo fd i f f e r e n ts p e e dw i t hd i f f e r e n tt e r r a i n v e h i c l ea b s p il o tp r o g r a m m e ， a n dal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n a f t e rt h ec o m m is s i o n i n go ft h isp il o ts y s t e mw a st e s t e d ，a n df r o mt h e v e h i c l es p e e d ，w h e e ls p e e dr e a ra x l eo ft h ec u r v e ， t h es y s t e mb a s i c a l l y a c h i e v e dt h eg o a lo ft h ed e s i g n ， c o m p a r e dt ot h e r e a lb e g i n n i n go ft h e s i m u l a t i o na td i f f e r e n ts p e e d sa n dd i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n s( d i f f e r e n t 伊)s y s t e md y n a m i c ， a b sp l a yar o l ew h e nt h ev e h i c l eb r a k i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：a b sd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tb e d ，l a b v ie w ，t h ee l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ， p i d 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名 衍占月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密奇 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名 指导教师( 本人签名) ： 万蕊钐 珥b 月t ，日 多月哆日 致谢 本学位论文是在万茂松副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在课题的研 究方向的确立、研究工作的进行和论文的撰写过程中，无不浸透了导师的心血。 课题的研究得到了闵永军老师的大力支持和帮助。导师广博的学识、敏锐的洞察 力、严谨的治学态度、孜孜以求的工作精神和与人为善的良好品德，给我留下深 刻的印象，使我受益匪浅。在此谨向导师表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 论文研究过程当中还得到了下列老师和同学的热心指导和帮助，在此予以感 谢： 南京林业大学左付山老师，同学李芳，同学陈炎冬、程强、蔡宏健等。 最后谨以此文献给我的夫人黄思莲女士和我的女儿童童，感谢他们给了我学 习生活上的大力支持和精神上的鼓舞。感谢我女儿带给我的乐趣。 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 经过一个多世纪的发展，汽车已成为现代文明与进步的象征和标志，成为社 会生活不可缺少的重要组成部分。然而当人类充分享受汽车带来的诸多好处的同 时，也为此付出了沉重的生命和财产代价。每天都会因车辆驾驶而出现大量的 交通事故与伤亡事件。交通事故频发而引起的伤害已成为全球共同问题，据世 界卫生组织统计，全球每天有3 0 0 0 多人死于交通事故，1 5 0 0 0 多人因交通事故致 残。据不完全统计，我国2 0 0 7 年共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损失1 2 亿元。其中，发生一次死亡10 人以 上特大交通事故2 6 起，造成3 8 9 人死亡心3 引。交通事故多发，尤其是重特大 事故的频频发生，严重危害了国家和人民生命财产安全，给社会增添了新的不安 定因素两鲥 1 。人类在享受汽车带来的舒适、便捷的同时，也对汽车行驶的安全性 能提出了更高的要求。利用电子、计算机技术设计和改善汽车制动性能装置始终 是汽车设计、制造部门和科研工作者的重要任务。 汽车防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 是在传统制动 系统的基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种电子装置系统。 该系统是目前汽车上普遍采用的一种汽车主动安全装置1 0 3 。它对于防止车轮抱 死，提高制动效率、操纵稳定性，以及降低交通事故发生率发挥了重要作用。传统 的汽车制动系统是在紧急制动和湿滑路面上制动时在大多数情况下往往会发生 车轮抱死现象。根据汽车制动理论和试验得知，汽车地面制动力受车轮与地面附 着力的制约，车轮与地面间的制动力系数与制动轮滑移率s 的关系如图卜1 所示。 籁 隅 r 臀 蒋 lo 滑移率s 糍 图1 1制动力系数与制动轮滑移率s 的关系 显然，在车轮抱死时，纵向制动力系数并非最大，特别是，其侧向制动力系 数几乎为零n2 m 3 m 引。因此，制动时车轮抱死不仅会造成车轮轮胎的局部严重磨 3 损，而且前轮抱死会使车辆丧失转向能力，后轮抱死易使车辆丧失方向稳定性。 尤其在潮湿、泥泞、冰雪等低附着系数路面或高速行驶时制动，一旦车轮抱死， 汽车就会发生侧滑、甩尾或方向失控，造成车辆倾覆甚至车毁人亡的恶性事故。 a b s 装置主要通过控制制动轮的瞬时角加速度和减速度将汽车车轮的滑移率s 控 制在15 一2 5 ( 图卜1 中阴影部分) ，保证轮胎与路面间有最大的纵向制动力系 数，且基本稳定，而侧向制动力系数也较大，它能有效提高汽车制动的方向稳定 性、方向操纵性，并缩短制动距离，因此现在a b s 装置是目前世界上公认的汽车 主动安全最可靠的装置之一u 钊u 5 1 。 汽车a b s 装置在我国已非常普及，a b s 装置的研究和开发是目前我国汽车电 子装置研究开发中的热点阳儿28 1 。但具有自主知识产权的产品很少，其中最关 键的技术就是a b s 控制策略技术没有公开，所以在汽车防抱死制动( a b s ) 技术的 开发过程中，需要进行大量的试验来确定一些关键参数和尝试不同控制方法 口3 3 引。试验的基本方法有整车道路试验和试验台模拟试验两种，由于实车道路 试验的成本较高且高速时带有一定危险性，因此希望利用专门的试验台测试来替 代部分实车试验。汽车台架试验与通常的道路试验相比具有试验速度快、精度高、 费用低、数据稳定、可比性好等优点。为了保证试验条件与实际工况的一致性， 现有汽车a b s 试验台都用滚筒来模拟道路，用大质量飞轮( 组) 模拟汽车运动惯 量，存在体积大( 单滚筒试验台滚筒直径达1 5 m 2 m ) ，对不同类型汽车进行试 验时，系统惯量调整困难，尤其不能做到惯量无级调速，导致了试验的复杂性并 造成试验误差。 再者，随着我国职业教育尤其是汽车类专业的迅速发展和汽车a b s 装置普 及，在汽车构造，汽车维修教学中，为深刻剖析a b s 结构和工作原理也需要大量 a b s 试验台。国内目前的a b s 试验设备有三类：一类是完全基于计算机软件技术 的a b s 仿真软件系统，由于它缺少实物系统，实际上仅仅是生动的多媒体教学。 第二类是有实物构成的试验台，由于受驱动电机功率限制和试验台模拟惯量不足 的影响，这类设备普遍存在紧急制动时制动轮容易抱死的缺陷，不能真实反映 a b s 工作过程。第三类是基于计算机技术的a b s 试验台，此类试验台是在第二类 试验台的基础上利用了计算机技术对试验台进行了数据实时显示和故障智能控 制。其最大的缺陷仍然是无法真正模拟汽车的运动惯量和路面行驶状况心副阻 旧9 | 。 本课题研究了基于机电混合模拟技术的a b s 试验台，试验台用 s a n t a n a 2 0 0 0 g s i 上配备的m a r k i ia b s 控制系统装置。应用计算机测控技术对 磁粉离合器传递力矩的控制实现地面对车轮的制动作用力和汽车运动惯量的模 拟；通过电动机调速控制实现汽车行驶速度的模拟。以控制车轮的瞬时角加速度 和减速度为主要参数，使用混合模拟技术，即通过机电硬件部分的设计和软件控 制相结合的方法，大胆取消了滚筒装置，飞轮仅模拟一小部分惯量，体积小；被 测车辆的运动惯量、车轮与地面的附着系数矽等参数可通过电模拟实现在线调 整；模拟精确，操作方便，试验精度高。 该系统研制成功后，可完全满足a b s 教学的需要，也可作为相关科研和开发 4 的辅助试验设备。机电混合模拟技术也可在汽车其他部件的试验台上使用，如汽 车发动机动态试验台和同步器试验台等。 1 2 国内外的研究现状 汽车a b s 试验台根据能否真实反映汽车在制动过程中的路面状况( 路面附着 系数模拟) 和运动的惯量( 整车惯性模拟) 分为静态和动态型两类。 静态型a b s 试验台由实物组成或计算机软件模拟，只能反映和演示a b s 系统 的结构和工作过程以及进行单一故障设置诊断，多用于教学用。 动态型a b s 试验台由实物和路面模拟装置、惯量模拟装置组成。此类a b s 试验台多用于a b s 科研和性能检测试验用。 1 2 1国外研究现状 国外目前a b s 实验设备主要有静态台型：以实车进行道路测试的性能检测系 统；动态型：基于计算机软件技术的a b s 仿真软件教学系统，如德国、美国、以 色列等国的汽车电子控制系统教学仿真系统。 1 2 2 国内研究现状 氤 疹i i 。 i 霹爹! 嘲 图1 2苏州捷维汽车技术公司a b s 教学试验台 第二类是由实物和计算机构成的实验台，如图卜6 优耐特公司的a b s 教学实 验台。此类试验台是在第一类试验台的基础上利用了计算机技术对试验台进行了 数据实时显示和故障智能设置。其最大的缺陷仍然是无法真正模拟汽车的运动 惯量和路面行驶状况。 骊麟 图1 3优耐特公司a b s 教学试验台 用于科研动态型a b s 试验台普遍使用滚筒支承车轮来模拟道路，用大质量飞 轮( 组) 模拟汽车运动惯量。根据支承一个车轮的滚筒数不同，科研型a b s 试验 台分为双滚筒式和单滚筒式两类。 侧重实车性能参数测试的a b s 试验台一般为双滚筒式，其典型结构如图1 4 所示 1 7 ： 卜轮速传感器；2 一从动滚筒；3 一测量指示屏；4 一电动机；5 一转矩传感器；6 一称重传感器； 7 一主动滚筒；8 一测速滚轮；9 一传动链 图卜4典型双滚筒a b s 试验台 侧重开发用a b s 试验台有双滚筒式和单滚筒式两种形式。 北京理工大学研制的a b s 试验台为单滚筒式试验台，结构简图如图卜5 所示 n 7 1 8 1 。试验台由机械和电液部分组成。其中机械部分主要有主体骨架、主轴、 惯性飞轮、万向传动轴、齿轮箱、滚筒等几部分。而电液部分由主直流调速电动 机( 以下称主电动机) 、辅电动机、液压系统、试验台控制系统、主控计算机和 6 a b s 控制系统等组成。对惯性飞轮的接合固定，采用了等比法兰式和等分锥轴式2 种。改变了原设计采用的轴承支撑和通过离合器接合惯性飞轮的方法，提高了测 试精度。不同的等分和等比飞轮组合，使试验台转动惯量配置可以达到12 7 级， 惯性级差仅为1 0k g m 能够满足轿车和轻型汽车( 载质量不超过3t ) 制动器测 试的惯量加载需要。在测量方面，在原有管路压力、制动力矩、主轴转速基础上， 增加了轮速、滚筒转速、滚筒扭矩等传感器。利用这些传感器测得的具体数据， 能够分析a b s 控制效果，了解控制过程中相关参数的变化，以便于确定合理的参 数和调整控制策略n 明心叫心6 乜7 l 。 23456 1 主电动机：2 齿轮箱；3 惯性飞轮：4 辅电动机；5 车论；6 车论支架；7 滚筒；8 传 动轴。 图卜5单滚筒a b s 试验台 吉林大学双滚筒a b s 实验台m 小25 l ，该实验台组成如下图卜6 所示，滚筒飞轮式 图1 6双滚筒a b s 试验台 a b s 试验台普遍存在体积大( 单滚筒试验台滚筒直径达1 5 m 2 m ) ，成本 高；基于飞轮装置的汽车惯量模拟系统对不同类型汽车进行试验时，调整困难， 尤其不能做到惯量无级调速，导致了试验的复杂性并造成试验误差；另外由于轮 胎与滚筒的接触面变形情况与轮胎与平坦道路的接触面变形情况存在较大的差 异，而汽车轮胎与路面之间的峰值附着系数实质是车轮与路面之间最大静摩擦系 数，因为在2 0 左右时，轮胎与路面之间并没有真正的滑动，滑移率不等于零 完全是由于弹性轮胎受力变形产生的，因此在滚筒式a b s 试验台测得的轮胎滑 移率误差较大。 本课题正是采用机电混合模拟的方法来设计a b s 试验台。机电混合模拟是随 计算机控制技术发展而发展起来的新技术，该技术在汽车工程中正在得到推广应 用。国外在汽车台架试验系统，特别是发动机动态试验台，已普遍使用机电模拟 技术，在一些先进的动态试验台上，采用完全电模拟的方式，由数学模型代替实 际的汽车。 国内，东南大学研制的同步器试验系统中使用了混合模拟技术如图卜7 ，构 成了现代化的同步器试验系统乜2 儿23 1 。 图卜7机械惯量电模拟的汽车同步器试验系统 在该系统中使用了一部分机械惯量，同时采用惯量电模拟技术对电机调速系 统进行恰当的补偿控制，不仅系统结构简单，操作方便，而且通过控制系统在线 调整控制参数，可以精确实现机械惯量的模拟控制，从而提高了试验精度。 清华大学将机械惯量电模拟的方法用于汽车传动系试验台h h 2 1 如图卜7 所 示。汽车传动系试验台如图1 8 所示，其车辆实际惯性矩和试验台模拟惯性矩( 主 要由惯性飞轮组模拟) 的差异由电涡流测功器的控制来补偿，最终达到惯性力的 准确模拟。 囝 发动机燃艇仪电黼螺雠蝴 图卜8机械惯量电模拟的汽车传动系试验台示意图 南京林业大学将机械惯量电模拟的方法用于汽车a b s 制动系统试验台n 叩 并研发了第一代a b s 试验台。如图卜9 所示 霉 图卜9a b s 台架实物图 该a b s 试验台装用幽力芒a 力a 2 口口口伽上a b s 实物，应用计算机控制技术对磁 粉离合器传递力矩的控制实现路面对车轮的制动作用力和汽车运动惯量的模拟； 通过电动机调速控制实现汽车行驶速度的模拟。虽然试验台根据实际使用的a b s 装置，以控制制动轮的瞬时角加速度和减速度参数为主的本质，使用混合模拟技 术，即通过机电硬件部分的设计和软件控制相结合的方法，大胆取消了滚筒装置， 飞轮仅模拟一小部分惯量；被测车辆的运动惯量、车轮与地面的附着系数缈等参 数可在线调整，操作方便，但是仍然存在如下问题： ( 1 ) 试验台的外观与实际汽车a b s 系统外观存在很大差异，使用者难以接 受； ( 2 ) 系统仅能模拟测试a b s 工作状态下汽车车速和单个轮速变化情况，不 对制动全过程的模拟和测试； 9 警一譬 ( 3 ) 在测试和控制系统中，测试和控制的品质有待提高。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 研究地面制动力电模拟的原理和方案； ( 2 ) 研究汽车惯量机电模拟的原理和方案； ( 3 ) a b s 动态性能试验整体的设计及各部件的选用； ( 4 ) a b s 动态性能试验控制系统软件的设计； ( 5 ) 系统调试和试验。 l o 第二章汽车惯量和地面制动力机电模拟原理 2 1汽车惯量机电模拟原理 2 1 1 汽车制动系的工作原理分析 图2 1 所示为制动系工作原理示意图，汽车制动时，驾驶员踩制动踏板1 ， 不旋转的制动蹄9 就对旋转着的制动鼓7 作用一个制动力矩t 。，同时地面对车轮 产生一个向后的作用力，即制动力f 。制动力f 。由车轮经车桥和悬架传给车身， 迫使整个汽车产生一定的减速度。阻碍汽车运动的制动力f 。不仅取决于制动力 矩t 。，还受限于轮胎与路面间的附着条件。制动力愈大，则汽车减速度愈大。 2 v 图2 1制动系工作原理示意图 2 1 2 汽车制动过程分析 a 汽车制动受力分析 汽车在平整的路面上制动时，汽车所受的总的阻力为： f = f b + f f + f w ( 2 - 1 ) 式中：卜一汽车受到的总的阻力 凡一一汽车受到的地面制动力 f 。汽车受到的风阻 f r 一汽车受到的滚动阻力 在汽车正常制动行驶时，f f 和f w 在f 中占的比例非常小。以s a n t a n a2 0 0 0 g s i 为例，其基本参数为：4 = 1 8 9 m 2 ，c d = 0 4 2 5 ，萨1 1 4 0 k g 。 若取y = 5 0 k m h ( 本课题中模拟的最高速) ，则最大的空气阻力： ：鱼丝芝：9 5 ( n ) 2 1 1 5 若取f - 0 0 1 ，则车轮受到的滚动阻力： f f = 橱一= 1 1 4 0 9 8 0 0 1 = 1 11 5 ( n ) 而若取矽= o 7 ，则地面对车的最大的制动力： f b = m g 矽= 7 8 2 0 n 。 可见空气阻力和滚动阻力相对于地面制动力小得多，可忽略不计，所以 f f d 。 b 汽车制动整车运动分析 v _ - - - - 一 hl n 2 图2 2整车制动受力图 如图2 2 所示，紧急制动时断开动力传递，图中n 1 为前轴地面法向反力；n 2 为后轴地面法向反力；f g 为汽车受到的滚动阻力，f f 汽车受到的风阻力，m 为整 车质量；h 为车重心高；l 为轴距；l 1 为重心至前轴距离；l 2 为重心至后轴距离；f 1 、 f 2 为各车轮地面制动力，整车力学方程有： n l + n 2 2 m g( 2 2 ) f = f b + f f + f 。= f l + f 2 = n 1 矽+ n 2 缈= mq( 2 - 3 ) 由上面分析得f r = n 1 妒+ n 2 矽= mq q = d v d t = g 伊( 2 - 4 ) 得整车运动时的惯性力为：mq = m g 伊 ( 2 - 5 ) 式中：矽为车轮路面附着系数 d v d t 为整车减速度 v 。为整车制动时的初速度 c 汽车制动时车轮运动分析 取上述汽车的从动车轮为研究对象，其受力如图2 3 所示。 设车轮的转动惯量为j 轮，根据= 0 得： t m = - f b r + j 轮d ( ) d t( 2 - 6 ) 则车轮的角加速度d 甜肋： d ( i ) d t = ( t m + f b r ) j 轮( 2 7 ) 其中：j 轮为车轮转动惯量；设d d t 为各轮角减速度；t m 为制动器的制动力矩； 凡为路面对车轮的制动力。 1 2 t m 图2 3从动轮制动时受力示意图 2 1 3试验台上制动时车轮的运动分析 本a b s 综合性能试验台中用制动鼓运动代表汽车车轮的运动，以台架上制 动鼓为研究对象，其结构和受力如图2 4 所示。 t 图2 4 试验台上制动鼓受力示意图 磊 设台架上制动鼓制动力矩为t m ，皮带传递力矩为t 电， 惯量为j 台，忽略台架阻力矩，则根据= o 得 t m = t 电+ j 台占 即占= ( t m t 电) j 台 2 1 4 试验台上汽车惯量机电模拟原理 制动鼓模拟部分转动 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 根据模拟要求，令占= 占则由式( 2 7 ) 和( 2 9 ) 得： t 电= f j 轮一j 台一) s + f b ， ( 2 1o ) 在汽车前后车轮制动未抱死时，汽车前后轮地面制动力按该车前后制动器制动力 比例( 汽车的线) 变化，设在汽车制动的车轮角减速度占时，试验台测试车轮 j民 对应实车上车轮产生的制动力占整车制动力的比例为k ，则 t m = k 万a ，车占，-( 2 - 11 ) t 电= ( j 轮+ km 车r 2 一j 台) 占( 2 1 2 ) 由式( 2 一1 2 ) 可知，为保证a b s 试验台上车轮运动状况与汽车道路行驶时一 致，有两种方案可以采用，一是用试验台飞轮等部件的转动惯量完全模拟汽车运 动惯量，即使j 台= j 轮+ km 车，- 2 ，其代价是必须配备大惯量的飞轮。另一方案是 由试验台飞轮等部件模拟部分汽车运动惯量，其差值由磁粉离合器传递力矩补 偿，此即为汽车转动惯量的机电混合模拟技术。 2 2 地面制动力的模拟原理 由( 2 6 ) 式发现路面对车轮的制动力和制动器对轮子的制动力矩有对应的关 系。只要正确控制磁粉离合器就可以正确地反映路面对车轮制动作用。又由( 2 6 ) 式可发现除了d d t 是变化值，其余都是常量。由于口，甜刀芒可以通过采集轮速， 进行一定的计算得到，因此磁粉离合器的控制目标就可以得到。作为本课题设计 的要求，模拟的轮速和实际的轮速要求一致，根据分析，a b s 试验台磁粉离合器 传递力矩按式( 2 1 2 ) ，变化时，就能保证a b s 试验台上车轮运动状况与汽车道路 行驶时一致。 路面对车轮制动作用的电模拟的方案为：电动机输给车轮的转矩应该按照公 式( 2 12 ) 变化，而事实上电动机不能满足这样的变化，磁粉离合器是近十几年 发展起来并得到迅速推广和应用的一种传动元件和多用途的自动控制元件，它传 递的转矩与激磁电流在相当大的范围内成正比( 一般在额定转矩的1o 一1 10 之 间) ，因而可作为线性调节元件使用，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。 所以在这里加进磁粉离合器，使得输给车轮的转矩能符合公式( 2 1 2 ) 的要求。 2 3 本章小结 这一章是本课题的理论核心内容，本章通过对汽车制动工作原理、汽车道路 制动过程、试验台上制动时车轮的运动分析，推导了汽车惯量和地面制动力在试 验台上机电模拟的原理。 1 4 第三章a b s 动态性能试验台的设计 3 1 试验台理想设计方案 3 1 1设计思路 ( 1 ) 基于汽车制动时驱动轮和非驱动轮速度不同的考虑，提出四个车轮单 独驱动方法，实现汽车在制动时每个车轮速度的模拟； ( 2 ) 基于汽车在不同路面状况制动时的附着系数不同和汽车运动时惯量对 每个车轮作用效果不同的考虑，提出地面制动力和汽车转动惯量单独模拟方法， 实现四个车轮转速的单独测量和四个电机和磁分离合器的单独控制，实现对开、 对接路面、不同车速制动时的汽车运动的模拟； ( 3 ) 基于设计的实验台与实际汽车制动系统在形式上更相接近、使用者容 易接受方面考虑，提出实验台由四个单车轮模块组建的方法。 3 1 2 理想设计方案 基于以上的设计思路，本文提出理想的总体设计方案，如下图3 1 所示， 图3 1试验台理想设计方案 该方案由四个单车轮模块( 虚框部分) 组成，各单车轮模块在结构组成上是完全 相同的，测量与控制上是相互独立的，各模块共用同一个控制系统。单个车轮模 块如图3 2 所示，由公式( 2 1 2 ) t 电= ( j 轮+ km 车r 2 一j 台) 占，可以看出：如果惯 量完全由机械方式来模拟，台就比较大，就要使用大转动惯量的飞轮，这样可 以选择功率低一点的电动机；如果电动机功率足够高，相当于r 鬯足够大，可以 实现对惯量的完全电模拟；另外从本课题设计的要求出发，模拟的车速、轮速要 和实际的车速、轮速要一致，但是小功率电动机本身转动惯量很小，踩制动后电 动机的转速和轮速变化情况和实际踩制动后车速和轮速的变化达不一致，显然上 面两种方法都不可取。 1 台架支座；2 电动机；3 信号盘；4 大飞轮；5 联轴；6 磁粉离合器；7 小飞轮；8 信号 盘；9 席0 动盘；l o 轮速传感器；1 1 a b s 制动系统；1 2 、1 7 霍尔传感器； 1 3 磁粉离合器 控制器；1 4 数据采集板；1 5 p c 机；1 6 变频器控制器 图3 2 单个车轮模块 所以本课题中使用大小两个飞轮来模拟部分惯量，通过对电动机和磁粉离合 器的控制来实现模拟其它的惯量。 3 2 试验台实际设计方案 3 2 1设计思路 本试验台架是依据苏州某汽车技术有限公司的要求而设计的，具体设计要求 如下： ( 1 ) 该试验台主要用于中高等院校汽车a b s 试验教学用； ( 2 ) 能实现不同道路附着系数制动情况模拟； ( 3 ) 模拟车速和轮速的变化情况要符合汽车在不同的路面实际制动过程； ( 4 ) 能显示制动过程中车轮速度和加减速度、汽车速度和加减速度； ( 5 ) 结构简单、体积小、整体美观、经济性好、操作简单、参数易观察。 基于以上设计的要求，提出如下设计思路： 1 6 ( 1 ) 用小飞轮模拟汽车轮胎( 轮鼓除外) 的转动惯量( 机械模拟) ； ( 2 ) 用大飞轮模拟汽车运动时的惯量对车轮的部分作用效果( 机械模拟) ， 大飞轮由电机驱动； ( 3 ) 通过控制磁粉离合器输出转矩实现汽车转动惯量和路面制动力的模拟 ( 电模拟) ； ( 4 ) 以上模拟均通过皮带皮带轮传递给各车轮； ( 5 ) 通过对电机的闭环控制实现车速的模拟； ( 6 ) 通过p c 机实现所有数据的实时采集、处理、控制和显示。 3 2 2 设计方案 基于上述设计的思路，提出本试验台的实际设计方案如图3 3 所示。 卜制动踏板；2 一真空助力器；3 一a b s 控制系统；4 一p c 机；5 一数据采集卡；6 一制动鼓；7 一制 动分泵；8 一转速传感器；9 一后轴；1 0 一信号发生器；1 l 一霍尔传感器；1 2 一皮带；1 3 一小飞轮； 1 4 一制动盘；1 5 一液压调节器；1 6 一磁粉离合器控制器；1 7 一磁粉离合器；1 8 一车速传感器；1 9 电动机；2 0 一大飞轮；2 卜前轴；2 2 一真空泵 图3 3试验台实际设计方案 结构上，前轮( 盘式制动器) 通过前轴连接，后轮( 鼓式制动器) 通过后轴连接， 并在前、后轴上分别安装了转速信号盘，磁粉离合器输出轴上装一个小飞轮输入 轴上装一个大飞轮。通过飞轮来实现汽车惯量机械模拟。动力传递关系，电机通 过皮带带动大飞轮运转，传递动力给磁粉离合器输入轴，磁分离合器输出轴通过 皮带传递动力给前、后轴。通过控制磁粉离合器输出扭矩来实现汽车惯量电模拟。 1 7 3 3 试验台主要部件的选用与设计 3 3 1电动机的选用 a 、电动机种类的选择 电动机是应用最广泛的电能到机械能的变换装置，世界上超过6 0 的发电量 用于驱动各种各样的以电动机为原动力的传动装置与系统。电动机中出现最早的 是直流电动机，使用量最大的是属于交流电动机的异步电机。随着控制技术的发 展，交流电机的使用领域尤为广泛，特别是交流电机变频控制技术的应用使得交 流电机的适用范围大大扩展。与直流电机相比，大体来说，使用交流电动机主要 具有以下的优点肺8 儿6 0 l ： 1 ) 突破了直流的功率和速度极限，能为设备提供更大的动力； 2 ) 能减少电机惯性转矩消耗的功率，节省能源； 3 ) 电机的结构更为简单，体积小，更易用于机电控制； 鉴于以上原因及经济性综合考虑，本试验台选用三相异步交流电动机。 三相异步交流电动机选用时考虑的主要内容： 1 ) 电动机的调速性能哺2 1 异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会 产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速力o ： 竹o = 孚( 3 式中厂1 一一定子绕组电源频率； p 一一电机磁极对数。 异步电动机转差率s ： s = 导 ( 3 _ 2 ) 胛o 、u 一7 则异步电动机转速刀： 以= 胛o ( 1 一s ) = 孚( 1 一s ) 由3 3 式可知，异步电动机调速方法有如下几种： ( 1 ) 变同步转速刀o ：变极p 、变频 两种。 ( 2 ) 变转差率s ：定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、 种。 又由电机学可知，转差功率尸，： p s = s pe m = p c 。， 式中：尸咖一一电磁功率； 1 8 ( 3 3 ) 串极调速四 ( 3 4 ) 尸o 一一转子铜耗。 由3 3 式可知，变极调速与变频调速为转差功率不变型，不论其转速高低，转差 功率消耗基本不变，因此调速效率最高。本试验用电动机采用变频厂1 调速控制。 2 ) 电动机的起动性能 电动机常见的起动方式： 直接起动( 全压起动) ；电阻或电抗器将压起动；y 一将压起动；自耦变压 器将压起动；延边三角形起动。 本实验台电动机采用的是y 一将压起动，这种起动方法的优点是设备简单、 经济、起动电流小；缺点是起动转距小，且起动电压不能按实际需要调节，故只 适用于空载或轻载起动的场合，并只适用于正常运行时定子绕组按三角形接线的 异步电动机。由于这种方法应用广泛，我国规定4 k w 及以上的三相异步电动机， 其定子额定电压为3 8 0v 连接方法为三角形。当电源线电压为3 8 0 v ，它们就能采 用星型一三角形换接起动。其接法如图3 4 所示： 2 k 图3 4y 一将压起动 3 ) 电源 交流电源比较方便，本试验台采用3 8 0 交流电原为电动机供电。 4 ) 经济性 满足了生产机械对于电动机起动、调速，各种运行状态运行性能等方面要 求的前提下，优先选用结构简单，价格便宜、运行可靠、维护方便的电动机，在 这方面交流电动机优于直流电动机，再者通用变频器、交流电机变频控制技术的 应用已经非常的成熟。 b 、交流电动机类型的选择 1 ) 安装方式 分为卧式和立式，卧式电动机的转轴安装后为水平位置，立式的转轴则为垂 直地面的位置，两种类型的电动机使用的轴承不同，立式的价格稍高，一般情况 下用卧式的。本课题中根据整体结构的安排采用卧式的安装方式。 1 9 2 ) 轴伸个数 伸出到端盖外面与负载联结的转轴部分，称为轴伸。电动机有单轴伸与双轴 伸两种，多数情况下用单轴伸，特殊情况下采用双轴伸的。本课题中根据需要由 于左侧需要装光电码盘，所以选用双轴伸。 3 ) 防护方式 按防护方式分，电动机有开启式，防护式，封闭式和防爆式几种。 开启式电动机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口。它散热好，价格便宜， 但容易进灰尘，水滴和铁屑等杂物，只能在清洁，干燥的环境中使用。防护 式电动机的机座下面有通风口。它散热好，能防止水滴，沙粒和铁屑等杂物溅入 或落入电机内，但不能防止潮气和灰尘侵入，适用于比较干燥，没有腐蚀性和爆 炸性气体的环境。封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔，完全是封闭的。封 闭式又分白冷式，自扇冷式，他扇冷式，管道通风式及封闭式等。前四种，电机 外的潮气及灰尘也不易进入电机，适用于尘土多，特别潮湿，有腐蚀性气体，易 受风雨，易引起火灾等较恶劣的环境。密封式的可以浸在液体中使用，如潜水泵。 防爆式电动机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃 易爆气体的场所。 根据本系统的工作环境选用防护式的防护方式。 c 、电动机额定电压和额定转速的选择 1 ) 额定电压的选择 电动机电压等级，相数，频率都要与供电电压相一致，我国生产有2 2 0 v 、 和3 8 0 v 两种，本课题中选用交流3 8 0 v 的电源，电动机的额定电压为3 8 0 v 。 2 ) 额定转速的选择 本课题中要以电机的转速来模拟实际车速，因此电动机的最高转速要与模拟 的实际车速相适应。本课题中模拟的最高速度是5 0 k m h ，可换算得到相应的最 高转速为4 7 4 r m i n ，通过皮带传动比为3 得到电动机的额定转速为1 4 2 0r m i n 。 因此选额定转速为1 4 4 0 r m i n 。 e 、电动机的额定功率 本课题中电动机工作特点是：只要求能在短时间内带动大飞轮运转起来就 行。考虑实验台的经济性，所以选用额定功率为4 千瓦的电动机。 3 3 2 通用变频器的工作原理与选用 a 、通用变频器的工作原理4 5 5 们1 通用变频器是指使用于工业电机和一般变频电机、并由一般电网供电( 单相 2 2 0 v 、三相3 8 0 v 、5 0 h z ) 、作调速控制的变频器。此类变频器由于工业领域的广 泛应用已成为变频器的主流。调速的原理基于公式3 1 和3 3 ，由3 3 式可知调 速的方法可以改变转差率s 、变极p 、变频厂1 任一种达到，对于异步电动机 最好的方法是改变频率厂l ，实现调速控制( 此方法在电动机的选择中已认证所 以不重复) 。 通用变频器基本电路如下图3 5 所示，它由4 个部分组成，分别是： a 1 整流部分，把交流电压变为直流电压； b ) 滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的支流电； c 1 逆变部分，把交流电又变为交流电； d 1 控制部分，控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各种驱动信号。 本课题变频器的控制方式采用变频率厂1 方式。 l r jl l2 l 整流部分2 滤波部分 、， 3v 3 逆变部分4 控制部分 图3 5通用变频器基本电路 b 、通用变频器的选用 由于变频器过载能力没有电动机过载能力强，一旦电动机有过载，损坏的首 先是变频器( 如果变频器的保护功能不强的话) ；也就是说所选用的变