（车辆工程专业论文）汽车制动系统试验处理分析与仿真.pdf

一 鳖她墨堑苎墼丝型坌堑皇堕墨墨! 兰兰丛z 摘要 本文系统地研究了汽车制动系统的设计理论、设计方法， d 。一一 依据并行工程原理、相关制动法规，采用s u - 2 测试系统进行 一 r 汽车的制动性能试验，该试验系统具有操作简便、性能可靠的 优点。同时开发设计了汽车制动系统试验处理分析与仿真软 厂 件，利用该软件对某国产车型制动性能进行了分析研究。瞻果 表明，该软件界面友好，功能强大，对整车制动系统试验所进行 的处理计算及仿真分析，基本满足了对汽车设计的要求，提高 了设计质量与效率，使设计方案达到最佳。迫 x 关键词：汽车制动试验仿真 南京理工大学硕士学位论文 第1 页 壅主型垫墨竺蔓墼丝些坌堑兰堕塞 a b s t r a c t h e r ew eu s et h es u 一2t e s t i n gs y s t e mt od oe x p e r i m e n t s ，i t h a st h ea d v a n t a g e so fd i r e c t n e s sa n de x a c t n e s s ，m o r e o v e r ，u s i n g c o m p u t e r t o a n a l y s e t h e e x p e r i m e n t a l d a t ac a nr e d u c et h e w o r k l o a do fh u m a n t h i sa r t i c l es y s t e m i c a l l ys t u d yt h ed e s i g n t h e o r y o fb r a k e s y s t e m a n d d e v e l o p t h e a n a l y z i n g a n d s i m u l a t i n gs o f t w a r eo f b r a k es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ev i e wo f t h ec o l l a t e r a l p r o je c t a p p l y i n g i tt oad o m e s t i cv e h i c l e ，t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ei n t e r f a c eo ft h es o f t w a r ei s f r i e n d l y a n d t h ep e r f o r m a n c ei sp o w e r f u l m o r e o v e r ，i tc a nm e e tt h en e e d so f t h ev e h i c l e d e s i g n ，i m p r o v e t h e q u a l i t y a n d e f f i c i e n c y t o a c h i e v et h eb e s td e s i g np r o j e c t k e y w o r d s ：v e h i c l e b r a k e e x p e r i m e n t s i m u l a t i o n 南京理1 大学硕士学位论义 汽车制动系统试验处理分析仿真 1 绪论 1 1 背景及意义 国际汽车制造商协会( o i c a ) 公布，2 0 0 0 年全球共生产汽车5 7 5 4 万辆， 比1 9 9 9 年增长3 5 。其中轿车4 0 7 6 万辆，占汽车总产量的7 0 8 ，产量比上 年增长3 5 ；轻型商用汽车产量占汽车总产量的2 5 5 ，产量比同年增长2 3 ： 重型货车产量占3 4 ，产量比上年增长3 8 ：大客车产量的比重很小，仅为 0 2 6 ，但增幅却为1 5 8 。我国的汽车工业发展很快，到2 0 0 0 年底，中国的 汽车生产能力超过2 5 0 万辆，汽车产量从1 9 8 0 年的2 2 万辆快速增长到2 0 0 0 年的2 0 6 7 万辆，居世界第八位，已成为世界汽车生产大国。其中，轿车产量 6 2 万辆，居世界第十四位。 随着汽车工业的发展，我国的汽车需求量也在不断增长，据专家预测，2 0 0 1 年我国汽车需求总量为2 3 7 万辆，在2 0 0 0 年2 1 0 万辆基础上增长1 3 。轿车 因多款国产新经济车型上市刺激市场，预期增速将超过总体汽车需求1 3 的增 长速度，需求达到7 2 万辆左右。汽车千人保有量将会迅速增加，从1 9 9 1 年的 5 2 辆发展到2 0 0 1 年的1 】辆。随全国千人汽车保有量的大幅上升，高速公路、 高等级公路的不断建设，汽车正逐渐进入家庭，成为人们生活中的一部分。而 驾驶员非职业化、车流密集化和车辆高速化，则更对车辆的安全性能提出高要 求，交通安全问题也随之日益突出。据统计，2 0 0 0 年我国交通事故死亡人数已 达到7 6 ，4 0 0 多人，1 8 0 ，0 0 0 多人受伤。我国的汽车保有量仅占世界汽车保有量 的2 1 ，而交通事故死亡率却占世界交通事故死亡率的1 4 ，成为世界上交通 事故最严重的国家。在汽车交通事故中，约有半数以上是由于汽车制动性能不 佳引起的。不仅如此，汽车制动性能还直接影响汽车燃料经济性和运输生产效 率。所以对汽车制动系统进行全面的理论与试验研究，即对汽车制动系统、制 动过程的全面研究以提高汽车的主动安全性，具有积极的社会效益和明显的经 济效益。 汽车的制动性是汽车的主要性能之一，汽车的制动性关系到人的安全，它 南京理工夫学硕士学位论文第1 页 汽下制动系统试验处理分析与仿真 是汽车行驶的重要保障。汽车的制动性是由汽车的制动系统决定的。汽车的制 动过程是很复杂的，它与汽车总布置和制动系各参数选择有关。汽车制动系统 主要由供能装置、传能装置、控制装置和制动器组成，制动器是其主要的总成。 如何设置制动系参数进行整车匹配，使其达到最佳制动性能，是一项非常重要 的任务。 随着我国加入w t o ，汽车的一些标准与法规逐渐与国际接轨，我国的制动 法规g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 ( 汽车制动系统结构、性能和试验方法) 也基本引用e c er 1 3 ( 欧洲经济委员会汽车制动法规) 的有关条款，因此，在汽车制动试验中，按 照e c er 1 3 的标准进行试验，对提高汽车制动系统的设计制造水平具有十分重 要的意义“1 。 1 2 国内外研究现状及趋势 汽车的制动性能是汽车行驶的重要保障，改善汽车的制动性能使其按照人 们的意向灵活而可靠的减速、停车或者使已经停下来的汽车保持原地不动始终 是汽车设计制造和使用部门的重要任务。一、汽车的制动性能的好坏是由试验 部门通过路面制动试验来验证的，通过不断改变汽车制动系统的参数，不断的 试验，使汽车获得最好的制动性能，而这又需要大量的人力、物力，如果参数 搭配不当，可能造成危险和形成人力、物力的极大浪费，从而加大了试验部门 的工作强度。二汽车制动是很复杂的过程，它与汽车总布置和制动系各参数选 择密切相关，按传统的设计方法，只能在汽车设计最后阶段或等样车试验结束 后才发现其主要参数与性能是否达到要求，再进行改造。这样不仅带来极大的 浪费，而且延误了新产品的丌发。 综上所述，为改善设计人员的工作状况、减少设计周期、提高工作结果直 观性及降低开发成本，有必要对汽车制动设计计算专家系统进行研究开发。也 就是按照“并行工程”的观点，即在设计初步阶段对汽车制动性能、汽车制动 系统的关键零部件进行准确的计算分析，这就需要借助计算机工具，建立汽车 南京理t 大学硕士学位论文 第2 页 、一 坚! 型垫墨竺堕堕竺里坌塑兰堕墨 制动过程数学模型，进行数字仿真，以模拟实际制动过程。进一步进行试验研 究，比较对照，从而得到行之有效的制动过程试验分析方法。 国外从七十年代起，已经开始运用现代设计方法，如计算机数字仿真、优 化设计、可靠性设计、c a d c a m c a e 等取代传统设计方法。七十年代初，美 国密西根大学的学者们就将计算机模拟技术应用到汽车制动动态过程研究中。 从九十年代起，国外就不断开发汽车制动系统的设计专家系统。目前，国外汽 车专家系统的研究开发方兴未艾，不仅研究开发了各部件总成的专家系统，而 且也涉及到整车设计专家系统的研究开发。如日本开发的小型车制动专家系统， 使得设计的车辆具有良好的制动性能，在省人力、时间的基础上得到最佳设计 方案。 国内近些年也做了不少工作，开发了部分设计软件。但总的来说，工作开 展得较晚，水平较低，国内开发汽车制动设计专家系统尚处于初级阶段，在国 内专门用于试验处理分析的软件还基本没有，或者虽然有，但应用范围太窄， 不能广泛应用于不同类型汽车的各种制动试验中。因此，开发汽车制动系统的 性能测试及模拟仿真软件，并使其能应用于不同类型汽车的制动试验中是很有 必要的。 1 3 本论文的主要工作 为了深入研究汽车制动系统，提高制动系统的理论分析和试验研究水平， 在南京理工大学汽车工程系王良模副教授的指导下，南京理工大学汽车工程系 与n a v e c o 公司合作进行i v e c o 汽车制动系统理论分析及实验研究，进行轻 型车的制动研究，并在以前研究的基础上，进一步研究开发汽车制动混合仿真 软件，对汽车制动系统进行较好的动态模拟仿真。 1 以经典的汽车制动系统的分析与设计( 美】l 鲁道夫编，张蔚林等译) 和 汽车理论等国内外专著为理论依据，针对i v e c o 汽车的制动系统，以v i s u a l b a s i c 为程序开发语言，编制汽车制动系统性能测试软件。 南京理工大学硕士学位论文第3 页 塑! 型垫墨竺望墼竺里坌堑兰堕壅 2 由于我国制动法规与欧洲e e c e c er 1 3 法规逐渐接轨，对汽车制动稳定 性的要求也越来越高。故引入g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 ，建立一套完整的试验数据处理 程序，能够分析汽车制动性能，使测试结果直观化，并使整车制动性能研究与 e e c 及s a e 相关的标准接轨。 3 胜能仿真：在引入四阶龙格一库塔法高等数值计算方法基础上，对i v e c o 汽车的制动系统进行仿真。以时间为横坐标变量，考察制动过程中满载和空载 时载荷、速度、加速度、制动距离及制动力的变化情况，以判别制动性能。利 用v b 和m a t l a b 数学分析软件作接口，进行制动力分配、管路压力变化、踏板 力变化、速度、减速度、制动距离的动态模拟仿真。 4 整车制动系统性能分析：主要包括性能曲线，结合g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 制动 法规界限，以曲线形式评定汽车空满载工况下的制动性能，同时分析i v e c o 汽 车前后轴间制动力分配的合理性。性能评估，分别评估汽车满载及空载时不 同工况点( 如比例阀拐点、助力器失效等) 的制动性能以及衬片磨损。 5 针对i v e c o 车的制动系统，利用计算机进行分析计算，将所得结果与实际 试验数据进行比较，合理设置各参数，使汽车获得最好的制动性能。从而得到 较正确的理论分析和试验研究方法。 南京理t 大学硕士学位论文第4 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 2 制动系统理论分析 2 1 汽车制动系的功用与组成 2 1 1 汽车制动系的功用 汽车制动系是制约汽车运动的装置。它有三种基本功能： 1 汽车迅速减速至停止。 2 使汽车在下坡时不致超过一定速度。 3 使汽车能可靠的停放在斜坡上。 ， 2 1 2 汽车制动系的组成 汽车制动系的基本组成部分包括：供能装置、控制装置、传动装置、制动 器以及在牵引车上为挂车使用的附加装置。如图所示为制动系框架图( 图2 1 ) 。 图2 1 制动系框架图 汽车制动系至少应有两套独立的制动装置，即行车制动装置和驻车制动装 置。重型汽车或经常在山区作长坡行驶的汽车，要加应急制动或辅助制动装置。 制动装置由制动器和制动驱动机构两部分组成。为减轻操纵力，提高汽车安全 性，不少汽车的驱动装置具有动力制动机构或伺服制动机构。若伺服机构失灵， 则驾驶员可借助自身的操纵力实现制动目的。 在某些采用动力制动、伺服制动的汽车上，装有被称为储能弹簧制动器的 应急制动装置( 又称为第- | 5 1 1 动装置) ，当制动系出现蓄压装置压力过低等故障 时，弹簧储能装置的势能被释放出，以驱动行车制动器。在设计时，通常还使 储能弹簧制动器兼作驻车制动装置口j 。 南京理工大学硕士学位论文第5 页 壅! 型垫垒竺堇墼竺些坌堑皇堕壅 2 1 3 制动系的一般要求“ 随着汽车速度不断提高，为了发挥出最大运输效能，保证行车安全，各国 对汽车制动性能的要求不断提高，集中体现在汽车制动法规和标准中，对各类 汽车最小制动距离s r m i n 的上限和最大减速度j r m a x 下限的规定愈来愈严。 任何一套制动装置都由制动器和制动驱动机构两部分组成，对汽车制动系 提出的一般要求为： 1 有足够的制动力。 行车制动能力，用一定制动初速度下的制动减速度和制动距离两项指标评 定。国外法规规定：进行效能试验( o 型试验) 时的最低要求减速度j ，轿车多 为5 8 7m s 2 ( 制动初速度v = 8 0k i n h ) ；货车多为4 4 5 5 m s 2 ( 制动初速度v 按汽车总质量不同分别为4 0 、5 0 、7 0 k m h ，总质量大者取低速) 。相应的最大 距离( 包括制动距离和空驶距离) s t = 口v + v 2 3 6 “2 j ，式中【s t 单位为m ；m 为k m h ；d 】为m s2 。s t 计算式中第二项为制动距离；第一项为空驶距离，其中 系数a 为经验数值，对轿车，a = 0 1 ；对货车，a = o 0 6 - 0 1 5 。 2 行车制动系至少有两套独立的驱动制动器的管路。当其中的一套管路失 效时，另一套完好管路应保证汽车制动能力不低于没有失效时规定值的3 0 。 3 制动稳定性好。 制动稳定性是指汽车在直线或弯路上制动时的方向控制能力。在制动过程 中可能出现制动跑偏和后轴侧滑现象，严重时会影响行车安全。因此要求用任 何速度制动，汽车都不应丧失操纵性和方向稳定性。前轮抱死时汽车丧失操纵 性，后轮抱死时汽车丧失方向稳定性。汽车的前后制动器的制动力矩应有较合 适的比例，使汽车不抱死或同时抱死。 4 操纵轻便性。要求制动踏板和手柄的位置和行程，以及踏板力和手柄力 能为一般体形和体力的驾驶员所适应。 5 防止水和污泥进入制动器工作表面。工作表面受水、泥沾染后，会使制 动能力降低并加速工作面磨损。制动器摩擦表面浸水后，将因水的润滑作用使 摩擦系数下降而造成水衰退，出水后需要反复制动若干次方能恢复。国外法规 南京理工大学硕士学位论文第6 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 要求达到恢复所需要的最多次数自5 次到1 5 次不等。 6 作用滞后性包括产生制动和解除制动的滞后时间，应尽可能短。 7 制动热稳定性好。汽车下长坡连续和缓制动或频繁重复制动，都可能由 于制动器温度过高而导致摩擦系数降低，使制动能力低落，这称之为热衰退。 制动器发生热衰退后，经过一定次数的和缓使用，由于温度下降和摩擦材料表 面得到磨合，其制动能力可重新恢复，这称之为热恢复。要求制动能力的热稳 定性好，也就是要求不易衰退，衰退率小，且衰退后能较快的恢复。 8 防避公害。 多 2 1 4 制动法规 由于技术的进步、车速的不断提高以及汽车数量的增多，汽车使用安全和 汽车贸易受到世界各国广泛关注，制定了相应法规，其中有对制动系的内容。 制动性能关系交通安全，为确保车辆安全行驶，很多国家都颁布了各自的 汽车制动法规。这些法规大多明确规定各类车型要经过严格的认证程序，达到 一定的性能及结构要求，不符合法规要求的汽车，不允许在市场上出售，不允 许在公路上行驶。 制动法规可分为e c e r l 3 为代表的欧洲制动法规和以f m v s s1 0 5 为代表的 北美洲制动法规。其中，e c e e e c 汽车制动法规已目益国际化。 我国先后颁布有g b 7 2 5 8 - 8 7 和z b t 2 4 0 0 7 8 9 和g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 三套法规。 前者规定的指标主要针对6 0 7 0 年代生产的车辆而提出的，z b t 2 4 0 0 7 和 g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 则是为提高汽车产品质量，与国际法规接轨，其内容在很大程度 上与e c e r l 3 法规相同。 2 2 制动过程的理论分析 由于目前大部分的轻型车都采用液压制动系统，故这里只分析汽车的液压 制动系统。 南京理工大学颂士学位论文 第7 页 垒羔! ! 垫墨堡堇鉴竺堡坌堑皇堕壅 2 2 1 液压制动系统 图2 2 所示为典型的液压制动系统简图。施加的踩踏力f p 引起制动踏板位 移y 。踏板杆系用来在踏板和总泵活塞之间产生机械力增益1 p ，使活塞产生位 移x ，其值小于踏板的位移y 。具有工作面积a m c 的总泵将制动液压入制动 管路，从而形成液压制动的管路压力p t 。由于存在摩擦损失，故假定踏板杆系 一总泵效率为q p 【5 l 。 圉22 液压制动系统简固 液压制动管路中的压力p t 为： p t = ( f p t pq p ) a m c ，p a 式中a m c 一总泵工作面积，t n 2 ； 印一踩踏力，n ； f p 一踏板杠杆比； 印一踏板杆系一总泵效率。 单个制动器的制动力矩t b ，可由下式计算： t b = ( e t p 0 1 a w c r l a b f r ， n 一m 式中a w c 一车轮分泵的工作面积，m 2 ： b f 一制动因数： p d 一推出压耗，p a ； ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 南京理工大学硕士学位论文 第8 页 汽车制动系统试验处理分析j 仿真 和一总泵以后的机械效率，q a = t i c 驴： 班一车轮分泵( 摩擦损失所对应的) 效率； 卯一总泵一分泵间的损失所对应的效率； r 一制动鼓半径，r f l 当车辆的惯性忽略不计和车轮不抱死时，由一个车轮产生的制动力f x 为： f x = ( p t - p 叫a w c 。r l a b f ( r r ) ，n ( 2 3 ) 式中r 一轮胎的有效半径，m 轮胎的有效半径是指车轮中心与路面之间的垂直距离。若每个车轮上装有完全 相同的制动器，则制动器的总制动力f x t o t a l 为 f x t o t a l = n b p t p o ) a w c r l a b f ( r r ) ，n 式中加 一车轮制动器的数目。 由于车辆产生的褪制动力必须等于车辆的惯性力，因此减速度与总制动力的关 系可由下式表示： c i w = f x t o t a l ，n ( 2 4 ) 式中订一减速度，m s 2 ： 一车重，n m 。 、 2 2 2 制动距离和制动减速度肺1 2 2 2 1 制动距离与制动减速度 制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器制动力( 车轮滚动时) 及 附着力( 车轮抱死拖滑时) 有关。 在不同路面上，由于地面制动力为 f n = 9 h g 仇制动力系数 e 一车重 故汽车能达到的减速度矗。( 单位为m s 2 ) 为 j 。2 伊 g 南京理t 大学硕士学位论文 第9 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 若允许汽车的前、后车轮同时抱死，则 j 2 妒。g 妒。滑动附着系数 若装有理想的自动防抱装置来控制汽车的制动，则制动减速度为 j 。2 妒。g 妒。峰值附着系数 但汽车制动时，一般不希望任何车轴上的制动器抱死，故j 将小于妒，g 。 根据g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 ，汽车的制动减速度也已通过实验测得，在规定的条件下， 通过测量相应的初速度下的制动距离求得平均减速度。 充分发出的平均减速度加f d d ) 按下式计算： m f d d ：二! l m j 2( 2 5 ) 2 5 9 2 ( s 。一s ) 。 式中：v 试验车制动初速度，k m h ； v o 8v 试验车速，k m h v 。0 1v 试验车速，k m h 凡实验车速从1 ，到v 。的行使的距离，m j 。实验车速从v 到v 。的行使的距离，m 下面假设在p 值不变的条件下，对制动距离作一粗略的定量分析，以研究 各种因素对制动距离的影响。 2 2 2 2 制动距离的分析 为了分析制动距离，需要对制动过程有一个全面的了解。在紧急制动时， 将产生人的反应滞后和机械动作滞后。前者是从有紧急情况起，通过驾驶员的 意识、判断，然后根据判断，到再行操作过程中所引起的时间滞后。而后者 汽车制动系统试验处理分析与仿真 则是由于制动踏板在消除空行 程、踏满最大行程，到制动力 增高产生制动作用时所形成的 时间滞后。 汽车制动系统试验处理分析与仿真 则是由于制动踏板在消除空行 程、踏满最大行程，到制动力 增高产生制动作用时所形成的 时间滞后。 制动的全过程共包括驾驶 员见到信号后作出行动反应、 制动器起作用、持续制动和制 动彻底释放四个阶段。而驾驶 员的反应时间只与驾驶员本身 有关。研究汽车制动性能，只 需着重研究从驾驶员踩着制动 踏板到汽车停止这段时间中汽车图2 3 汽车的制动过程 的制动过程，这期间汽车经过的距离就是通常所说的制动距离嘲。 制动器起作用阶段，汽车驶过的距离s 2 如下估算： 在r ：时间内s ? d o r ： 式中 “。起始制动车速 在f ；时间内，制动减速度线性增长，即 幽 万2 七7 式中七：一白等 r 2 故 肛= 肛d r 求解这个积分等式。因r = o 时( 图2 3 中的c 点) ，= u 。，故 “= “。+ j 1 女r 2 或在f ：时的车速为 南京理工大学硕士学位论文 第l l 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 。= 。+ l k 7 2 。2 又因 万d s = “。+ 三2 七f 2础 。 故 i d ，= i ( u o + l k r 2 ) 打 而f = o 时( 图2 3 中的c 点) ，s = 0 ，故 s = “。f + 吉七f 3 或f ：r ：时的距离为 - -” 1 2 5 2 刮0 7 2 一i 7 m “7 2 因此，在r ，时间内的制动距离 s ：= s ：+ s ；= “。r 2 + u o r ：一吉，。r ；2 在持续制动阶段，汽车以厶。作匀减速运动，其初速为，末速为零，故 驴 代入u e 值，得 z ，- ( r ：+ 铷+ 蒉一等 因为r ? 很小，故略去厶丢l ，且车速的单位为k m h ，则上式的s ( 单位为 m ) 可写为 泸去“+ 扣+ 壶 沼s ， 从式( 2 - 6 ) 可以看出，决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的 时间、最大制动减速度即附着力( 或最大制动器制动力) 、制动的起始车速。附 着力( 或制动器制动力) 越大、起始车速越低，制动距离越短。真正使汽车减 速停车的是持续制动时间，但制动器起作用时间对制动距离的影响是不小的。 南京理r t 大学顿j 学位论文 第1 2 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 改进制动系结构，减少制动器起作用时间，是缩短制动距离的一项有效措施。 2 2 3 轴问制动力分配 车辆制动时，有时会出现制动跑偏，该现象的发生多是由汽车左右车轮， 尤其是转向轴左右车轮制动器提供的制动力不等引起的。由于制动时车辆的方 向稳定性是影响道路交通安全的一个重要因素，所以g b7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运 行安全技术条件对汽车的制动力平衡要求如下：在制动力增长全过程中，左 右轮制动力差与该轴左右轮中制动力大者之比对前轴不得大于2 0 ；对后轴之 比不得大于2 4 。 研究汽车前后轴制动力平衡分布对正确的评价汽车前后轴制动力平衡性 能，准确地掌握其分布情况，改进汽车设计、制造与维修，确保道路交通安全 以及修订各种有关法规，均具有十分重要的作用【”。 一般汽车根据汽车前、后轴制动器制动力的分配、载荷情况及道路附着系数 和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程可能出现三种情况： 1 )前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑； 2 )后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑； 3 )前后轮同时抱死拖滑。 情况1 ) 是稳定工况，但在制动时汽车丧失转向能力，附着条件也没有充分利 用：情况2 ) 后轴可能出现侧滑，是不稳定工况，附着利用率低：而情况3 ) 可 以避免后轴侧滑，同时前转向轮只有在最大制动强度下才使汽车失去转向能力， 较之前两种工况，附着利用条件情况较好。 2 2 3 1 地面对前、后车轮的法向反作用力 图2 4 是汽车在水平路面上制动时的受力情形。图中忽略了汽车的滚动阻 力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩。此外，下面的分析 中还忽略制动时车轮边滚边滑的过程，附着系数只取一个定值( p 。由图2 4 ，对 后轮接地点取力矩得： 南京理工大学硕士学位论文 第1 3 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 式中 式中 图2 4 制动时的汽车受力图 兄- l = g b + ”等以 兄，一地面对前轮的法向反作用力； g 一汽车重力： b 一汽车质心至后轴中心线的距离； m 一莳车质量； 蛔一汽车质心高度： d u d t 一汽车减速度。 对前轮接地点取力矩，得： f z 2 l = g a ”警k f z 2 一地面对后轮的法向反作用力； a 一汽车质心至前轴中心线的距离： 则可求得地面法向反作用力为： 耻争等旁 和争等 d u d t = q ，g 。地面作用于前后轮的法向反作用力为： h = 譬( 6 蚺) l 尼：= i g ( 口一砷。) ( 2 - 7 ) 此时= 只矿g 妒，或 ( 2 8 ) 南京理工大学颂士学位论文第1 4 页 塑! 生! 垄墨竺堕壁竺墨坌堑皇堕塞 2 2 3 2 理想的前、后制动器制动力分配曲线 制动时前、后轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性 均较有利。此时的前、后轮制动器制动力e ，和e ：的关系曲线，称为理想的前、 后轮制动器制动力分配曲线。 在任何附着系数妒的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后轮制 动器制动力之和等于附着力；并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着 力，即 f 只+ e ：= 筘 t ，= 蛾 【瓦2 = c f , 2 或 j e 】+ f 0 2 = 徊 生：生 【e ：t ： 将式( 2 - 8 ) 代入上式，得 f e l + e 2 = 筇 f o ib + 呶 ( 2 - 9 ) 【f 0 2a 一咖g 消去变量p ，得 耻三窿p 甄一睁e 沼 由式( 2 - 1 0 ) 画出的曲线，即为前、后车轮同时抱死时前、后轮制动器制 动力的关系曲线理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称i 曲线。一 般可用作图法直接求得i 曲线。 先将式( 2 9 ) 中第一式按不同妒值( p = o 1 ，o 2 ) 作图得到一组与坐 标轴成4 5 。的平行线。再对式( 2 - 9 ) 中第二式按不同伊值( p ；o 1 ，o 2 一) 作 图得到一组通过坐标原点、斜率不同的射线。 这两组直线，对于某一妒值，均可找到两条直线，这两条直线的交点便是 南京理工大学颂士学位论文 第1 5 页 汽下制动系统试验处理分析与仿真 满足式( 2 9 ) 的两式的只。值和e ：值。把对应于不同妒值的两直线交点连接起 来，便得到i 曲线。由此可见，只要给出汽车的总质量( 或汽车的重力) 、汽车 的质心位置，就能得到i 曲线。i 曲线是踏板力增长到前、后车轮同时抱死拖滑 时的前、后制动器制动力的分配曲线。但汽车前、后制动器制动力通常不能按 i 曲线的要求来分配。制动过程中常是一根车轴的车轮先抱死，随着踏板力的 进一步增加，接着另一根车轴的车轮抱死。因此，要保证汽车的行驶安全，对 汽车制动器的制动力分配进行研究是很必要的。 2 2 3 3 具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数 很多汽车的前后制动器制动力z 比为一固定常值。常用制动器制动力分配 系数，即前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表明分配的比例，用符 号口表示，即 每 式中：e 前制动器制动力； e 汽车总制动器制动力，e = e 。+ e ：，e ：为后制动器制动力。 e - = 风，e ：= ( 1 一) e 且 鲁= 与( 2 - - 1 1 ) 1f 。lp 若_ i ! j ：= 丑表示，则：= 矾为一直线，此直线通过坐标原点，且其 斜率为 班半 这条直线称为实际前、后制动器制动力分配线，简称线。 图2 5 给出了一客车满载、空载和半载时的线和理想制动力分配线i ，图 中线和i 线交于一点，此时的附着系数为同步附着系数，它是由汽车的结构参 南京理t 大学顺士学位论文 帮1 6 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 数决定的。由图可看出，客车在三种装载状态下，其理想制动力分配曲线在制 动力分配曲线图上是不同的，这是由于质心高度不同而造成的，从而三种状态 的同步附着系数也不同【引。 图2 5 客车制动力分配曲线 2 2 3 4 前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上 的制动过程的分析 利用线与i 曲线的配合，就可以分析前、后制动器制动力具有固定比值 的汽车在各种路面上的制动情况。为了便于分析，先介绍两组线组_ 厂与r 线 组。厂假定后轮没有抱死，在各种妒值路面上前轮抱死时的前、后地面制动力关 系曲线：r 线组是假定前轮没有抱死而后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲 线。 先求厂线组。 当前轮抱死时 ，= 蛾吲譬+ 竽) 曲于 f x h = f i 七f n 2 故 刊譬+ 争争以， 南京理工大学顺士学位论文 第1 7 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 整理得= 等一百g b ( 2 - - 1 3 ) 这就是在不同口值路面上只有前轮抱死时的前、后地面制动力的关系式。 显然，当前、后轮都抱死后，上式也成立，只是此时的后轮地面制动力也 已达到后轮附着力的数值。 以不同p 值代入式( 2 1 3 ) ，即得到，线组，并画于图2 6 。 从式( 2 一1 3 ) 可以看出，此线组与纵坐标的交点为g b h g ，而与妒值无关。 应指出，：为负值时已是地面驱动力，在此不多讨论。 图2 6f 线组与r 线组 南京理工大学硕士学位论文第1 8 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 当f 、。：= o 时，如，一p g b ( l 一妒彬。利用此式可求出在不同p 值时相应的 r 。值，即线组与横坐标的交点a , b ，c ，。根据汽车结构参数的具体数值，可以 知道此情况下的总地面制动力= ，+ f 抽2 2 ，而b ( l - 妒h g ) 1 ，故 f 妒g ，即后轮未抱死。随着b 。、f k 的增加。f # 也增加，最后线与i 曲 线相交。如前所述，i 曲线也是前、后轮都抱死后的- 与乞：的关系曲线。因 此相交点处的+ ：= l + 巴：= 妒g ，后轮亦抱死，由此可见i 曲线以上的 厂线段已无意义( 参看图2 6 ) 。 再求r 线组。 当后轮抱死时：= 妒分妒( 譬一竽) 代入= + ：，并经整理，得 骄蔫蕞( 2 - - 1 4 ) 此即在不同妒路面上只有后轮抱死时的前、后地面制动力的关系式。 显然，当前、后轮都抱死时，上式亦成立，只是此时的前轮地面制动力亦 已达到前轮附着力。 以不同妒值代入式( 2 1 4 ) ，即得r 组线。由式( 2 1 4 ) 可见，线组与横 坐标的交点为g a h g ，而与舻值无关。 当i = o 时，f x b 2 = q ，g a ( l + c p 秽。由此，可求出不同p 值时相应的2 值， 即线组与纵坐标的交点a ，b ，c ，。显然，这些情况下的总地面制动力 b 。= 0 + ，k ： 妒g ，即前轮没抱死。随着b 。的增加与相应的以。：的稍稍减少， f _ 增加，最后，线与，曲线相交。相交点处的，k i + ， 舳2 = 妒g ，前轮亦抱死， 故i 曲线以下的r 线段已无意义( 看图2 7 ) 。 显然，对于同一妒值下厂线与r 线的交点a ，b ，c ，既符合。= p 只，又符 南京理工大学硕士学位论文第1 9 页 壅主型垫墨竺堕壁竺里坌堑兰堕壅 合：= 妒t ：，所以这些交点便是前、后车轮都( 包含同时) 抱死的点。因此， 连接a ，b , c ，各点的曲线也就是前面讨论过的i 曲线。 图2 7 不同妒值路面上汽车制动过程的分析 下面利用线、i 线、厂和，线组分析一货车在不同妒值路面上的制动过程。 货车的同步附着系数= 0 3 9 ，其线、i 曲线、和r 线组如图2 7 所示，图中 还画上了f 。与，。：之和为o 1 g 或0 2 g 或o 3 g 的4 5 0 斜直线组。每根斜直线 上的点均有同样大小的总地面制动力，k ，相应的制动减速度也是常数，即为 0 1 9 或0 2 9 或o 3g 。故此4 5 0 斜直线组称为“等地面制动力线组”或“等制 动减速度线组”。分析制动过程时，常利用此线组来确定制动过程中的总地面制 动力与制动减速度d u d t 的数值。应指出，这个线组就是前面式( 2 9 ) 中的 南京理工大学硕士学位论文第2 0 页 州 垒! 型垫墨竺垫兰竺里坌堑皇堕壅 第一式按不同妒值作出的4 5 0 斜直线组。 1 ) 当妒 时，设妒= o 7 ，见图2 7 ，开始制动时，前、后车轮均未抱死， 故前、后轮地面制动力和制动器制动力一样均按线增长。到b 点时，线与 t p = 0 7 的r 线相交，地面制动力只。、民：符合后轮先抱死的状况，后轮开始抱 死，此时的制动减速度为o 6 9 。从b 点以后，再增加踏板力，民、r ：将沿r 线稍有下降。但前轮未抱死，当e 、f o ：沿线增长时，始终有民= e ，。当 e 、e ：到b 点时，r 线与i 线相交，民。达到前轮抱死的地面制动力，前、后 车轮均抱死，汽车获得的减速度为o 7 9 。可见，线位于i 曲线上方，制动时 总是后轮先抱死，因而容易发生后轴侧滑而使汽车失去方向稳定性。 3 ) 伊= 时，制动时总是汽车的前、轮同时抱死，因而此时的减速度为g ， 是一种稳定工况，但也失去转向能力。 2 2 3 5 制动力分配系数口的选择 为了防止后轴侧滑和前轮失去转向能力，汽车在制动过程中最好既不出现 后轴车轮先抱死的危险工况，也不出现前轴车轮先抱死或前、车轮都抱死的工 况。所以，应当以即将出现车轮抱死但还没有任何车轮抱死时的制动减速度作 南京理工大学硕士学位论文 第2 i 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 为汽车能产生的最高制动减速度。若在同步附着系数的路面上制动，则汽车的 前、后车轮将同时抱死，此时的制动减速度d u d t = z g ，z 称作制动强度。在其他 附着系数的路面上制动时，达到前轮或后轮抱死前的制动强度比路面附着系数 要小。除去制动强度外，不发生车轮抱死所要求的( 最小) 路面附着系数总大 于其制动强度，这个要求的路面附着系数称为汽车在该制动强度时的利用附着 系数。显然，利用附着系数越接近制动强度，地面的附着条件发挥的越充分， 汽车制动力分配的合理程度越高。 理想制动力分配确定后，实际制动办分配系数b 的选择，就决定了该车所 具有的制动性能。我国的g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能与试验方法 标准，对轴间制动力分配有明确的规定。即对各类汽车，当o 2 s 妒( 0 。8 ，t ，t 。f i 时，各种载荷情况下，应满足制动强度g ( f ) o 1 + o 8 5 ( 妒一o 2 ) 和。2 关系 式( c 和c ：为前轮制动力和后轮制动力) 。联合国欧洲经济委员会( e c e ) 有关法规规定，在各种装载情况下，轿车在0 1 5 s g 0 8 范围内。其他汽车在 o 1 5 匀s 0 3 的范围内，前轮都必须能先抱死。此外还规定，在车轮尚未抱死的 情况下，在0 s 妒 0 1 + 0 8 5 ( 伊- - - 0 2 ) 。 根据在o 1 5s q 0 , 3 的范围内，各种装载情况下前轮都必须能先抱死的要 求，对于中型客车来讲，由图2 5 可见，保证了特定半载时满足此要求，空载 和满载必然也能满足要求。又因特定半载是两种客车的极限装载情况( 车型i 座位数包括加座为4 3 ，后轴之前座位数不包括加座为2 7 ：车型i i 座位数为3 7 ， 后轴之前座位数为2 1 ) ，特定半载满足此要求，就可以为在各种装载情况下满 足要求奠定基础。特定半载满足此要求的条件是同步附着系数0 3 ，由式 ( 2 - 1 5 ) 可求出两种车型的制动力分配系数【8 1 。 b 2 ( b + po l l g ) ，l ( 2 1 5 ) 车型i 的制动力分配系数为o 5 ；车型i i 的制动力分配系数o 4 3 。 依据z b t 2 4 0 0 7 - - 8 9 标准- 在各种载荷情况下应满足1 只2 关系式的要 求，可求得制动力分配系数o 5 。 制动力分配系数的选取，应保证在较大的装载和道路条件范围内，车轮不 南京理1 二大学硕士学位论文 第2 2 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 抱死时具有一定制动减速度。防止满载或空载的客车在低附着系数的路面上以 低的减速度制动时，前轮过早抱死或防止特定半载的客车在干燥的路面上，以 高的减速度制动时，后轮过早抱死。为了便于对照分析两种中型客车的制动性 能，对每一种车型选取了两个制动力分配系数，车型i 选取的制动力分配系数 p ，_ o 5 3 和口，= o 5 8 ；车型i i 选取的制动力分配系数卢，= o 5 1 和卢产o 5 5 。 两种车型所选取的制动力分配系数，均能满足在车轮尚未抱死时，在 0 2 p s 0 8 的范围内，制动强度q 0 1 + o 8 5 ( o 一0 2 ) 的要求。 南京理工大学硕士学位论文 第2 3 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 3 制动系统试验测试软件的研究开发 3 1 软件开发概论 汽车制动系统性能测试数据处理分析软件必须紧密结合汽车安全法规来 进行。它不仅要能处理：冷念j 热态制动、热衰退、滑行等各种测试条件下所 获得的数据，使其结果直观化，并还应使整车制动性能研究能够与e e c 及s a e 相关的标准接轨。 3 1 1 传统试验方法及开发汽车制动测试软件的必要性 3 1 1 1 传统试验方法及其缺点 制动试验过程中，在车速为7 0 k m h 时松开油门踏板，在变速器挂档滑行 到6 5 k m h 的车速时换入空挡，并踏下制动踏板，所取得的制动区间是车速从 5 5 k m h 降到4 5 k m h 这一段制动过程。 试验所用的计算公式及参数为： ，一= a k 。m ( 3 一1 ) f 。f = f l 七f 七f “睁西 = f m g( 3 3 ) e = 0 5 p c 。a ( v + v o )( 3 4 ) 只= g s i n a = m g - s i n 0( 3 5 ) 其中：肛一汽车最大横截面积m 2 ： a 一净制动减速度 m s 2 ： o 一空气阻力系数 ： 卜驱动力n ： 卜汽车质量 k g ： 卜汽车重量n ： 南京理工大学预士学位论文 第2 4 页 汽车制动系统试验处理分析与仿真 吒空气阻力 滚动阻力 一行使总阻力 凡爬坡阻力 厂滚动阻力系数 k m 转动惯量系数 p 坡度 v 车速 ”o 迎面车速 0 26 81 0 制动时问( s 0 2 b81 0 恸时问( - ) 图3 1 同时制动前、后管路压力曲线 首先，以i v e c o a 4 0 汽车为试验车进行制动时间与车速及管路压力曲线的数 据采集。在某一确定的制动踏板力，前后轴同时制动以及前、后轴单独制动的 情况下，测出制动时间与车速及制动时间与管路压力的关系。 南京理r t 大学硕士学位论文 第2 5 页 一一 一 一 机 毗 汽节制动系统试验处理分析与仿真 如图3 1 所示的是i v e c o a 4 0 汽车制动试验所得的管路压力曲线，由曲线可 知，根据f m v s s l 3 5 试验方法，在速度有效区间( 4 5 5 5 k m h ) 内，制动时间与 车速有较好的线性关系，这为准确计 算汽车制动减速度和车轴制动力提 供了保障。在踏板力维持不变的情况 下，所测得的制动管路压力几乎维持 不变。 在汽车静止状态下，获取制动踏 板力分别与前、后管路压力的关系曲 线( 图3 2 所示) 。利用同样的方法， 可以获得静态情况下前、后管路压力 之间的关系曲线( 图3 3 所示) 。 汽车制动减速度和整车质量所确定的制 动力，实际上等于制动系产生的制动力与 寄生力( 空气阻力和滚动阻力) 之和。为 了消除寄生力的影响，试验规定用滑行试 验来测定，计算滑行减速度，其测试有效 区域与制动试验的相同。在确定条件下， 可以获得一定的滑行减速度值，从制动减 前首路试验点 图3 2 踏板力与管路压力关系曲线 速度中减去该滑行减速度，即可得到净制图3 3 管路油压关系曲线 动减速度。若考虑到发动机制动时的影响，还可规定测量挂四档的滑行减速度。 同时，为尽量减少随机试验误差，应在同一路段上沿相反方向来回进行试验， 以消除路面的坡度及风阻等的环境因素影响。根据测得的速度区间关系曲线， 截取有效区间内的曲线，区间内的速度增量与时间增量的比值即为平均滑行减 速度。 南京理丁大学硕士学位论文 第2 6 页 堕主型垫墨竺堕墼丝里坌堑皇堕塞一 在恒定制动能量( 制动管路压力或制动踏板力) 输入的情况下