（电力电子与电力传动专业论文）abs动态模拟实验台基础研究及结构设计.pdf

哈尔滨理丁大学t 学硕：七学位论文 b a s i cr e s e a r c ha n ds t r u c t u r ed e s i g no na b s d ；i m u l a t et e s ts t a n d d y n a m i cs l m u l a t e1e s tt a u a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n t l yb o o s t i n gv e h i c l es p e e da n dt h ei n c r e a s i n g l ya t t e n t i o nt o r o a dt r a f f i cc o n d i t i o n ，m o r ea n dm o r ev e h i c l eh a v ee q u i p p e da n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e m ，a n dn o wt h eq u e s t i o ni sh o w t ot e s tt h el a r g en u m b e ro fa b s ，t h i si sa n e x i g e n tp r o b l e mf o rd o m e s t i cv e h i c l et e s tc a l l i n g t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sa na b st e s ts t a n do nt h eb a s i so fs y n t h e t i c a l l y r e s e a r c h i n gt h ew o r kp r i n c i p i u mo fa u t o m o b i l ea b sa n dt h er o a dt e s tm e a s u r e s t h et e s ts t a n dc a na c c u r a t e l yt e s tt h ep e r f o r m a n c eo fa b s t h ec o n s t r u c t i o n d e s i g nh a sa d e q u a t e l yc o n s i d e r e dt h ec o n d i t i o no fd o m e s t i cv e h i c l e t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l yi n t r o d u c e sa b s t h e o r yb a s e ，c o n s t r u c t i o na n d c o n t r o lp r i n c i p l e ；a n a l y s e sd i f f e r e n tt e s tm e a s u r e s ，m e r i ta n dd e f e c to fe a c h m e a s u r e ；p u t sf o r w a r dt h et e s ts t a n dt e s tm e a s u r e ，f i n i s h e de d u c i n gt h et h e o r y , d e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fa b s p e r f o r m a n c et e s to nt h et e s ts t a n d ；s e l e c t s t h ep o w d e rc l u t c ha st h ek e yc o m p o n e n t ，r e a l i z e st h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o no f v e h i c l eb r a k ep r o c e s sc o n t r o l l e db ya b s ，e x h i b i t st h em o v e m e n tr e l a t i o n b e t w e e nw h e e la n dr o a ds u r f a c ed u r i n gb r a k i n gp r o c e s sb yt h ea c t i v er o t o ra n d d r i v e nr o t o ro ft o r q u ec o n t r o l l e r , a n dt h i si sh e l p f u lt ot e s tt h es l i p p a g er a t eo f a b s ；p u tf o r w a r d e das e to ff e a s i b l eo p t i m i z a t i o na n dc o m b i n a t i o ns c h e m e so f a s s e m b l e df l y w h e e ls y s t e m sm o m e n to fi n e r t i aa n db a l a n c i n g ；f i n i s h e dm o t o r s e l e c t i o na n di t sd r i v e r ；f i n i s h e dt h ec o n s t r u c t i o na n dd e s i g no fa b st e s ts t a n d a c c o r d i n g t ot h ep r i m a r ys u r v e y , t h e r ei sn od o m e s t i cp r o d u c t i o na n dp a t e n t a b o u tt h et e s ts t a n dw er e s e a r c h e d ，s ot h et e s ts t a n dd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n h a sd e f i n i t es u p e r i o r i t y , i tc a ns o l v et h ee x i g e n tp r o b l e mo fd o m e s t i cv e h i c l et e s t c a l l i n g i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e sf o rt h er e s e a r c ho fa b sc o n t r o l l e r , t h e s e l e c t i o no fa b sc o n t r o l l e r ，t h ev e h i c l et e s tc a l l i n g sd e v e l o p m e n ta n dt h er o a d t r a f f i cs a f e t yc o n d i t i o n si m p r o v e m e n t 。i i 哈尔滨理f t 大学工学硕十学位论文 k e y w o r d s a n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e mt e s ts t a n d ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，s t r u c t u r e d e s i g n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文a b s 动态模拟实验台基础研 究及结构设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 名：彦，磊 日期：弘口骆弓月多日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 a b s 动态模拟实验台基础研究及结构设计系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打v ) 名：房，磊 新龇幼钐导师签名：幽i 易 日期：夕口谬年乡奶日 日期：之帅矿年7 月z 妇 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 随着我国汽车工业的飞速发展以及高速公路、高等级公路的大规模建设， 车辆密集化和车辆高速化对车辆的制动系统提出了更高要求。对车辆安全性能 的研究揭示，在道路交通事故中大约有1 0 的事故是由于车辆在制动一瞬间偏 离原定轨道或甩尾产生的，因而探讨各种高性能制动系统和完善制动性能是促 进汽车工业发展的重要措施之一。汽车制动防抱死系统a b s ( a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m ，简称m s ) 就是为适应这一要求迅速发展起来的。a b s 是在车辆制动 过程中防止车轮抱死造成轮胎在地面上打滑的一种机电一体化控制装置。a b s 可以明显提高制动过程中的操纵稳定性并同时缩短制动距离，大大提高了行驶 安全性，是一种主动安全性技术【1 1 。 随着a b s 装置的广泛应用，检测a b s 性能也显得越来越重要。a b s 性能 的好坏直接影响到行车的安全。我国现有的各种制动检验台都无法检测装有 a b s 汽车的制动性能。目前装有a b s 装置的汽车，测试制动性能只能采用路 试，道路试验需要建造a b s 性能专用跑道，a b s 性能专用跑道投资大，而且 每次a b s 性能测试前，对试验路段要进行仔细地清洗，准备试验路段的时间 较长、试验费用较高，而且道路试验过程存在一定安全风险。目前，我国只有 海南汽车试验研究所的汽车试验场等少数单位才有a b s 的专用试验跑道。汽 车生产商在推出一款新车型时对a b s 性能进行定型试验，一般须将新车型的 样车送往海南。对于汽车a b s 生产厂家批量生产的汽车a b s 产品的质量检测 和在用汽车的a b s 性能定期测试，目前只有在道路上进行行车紧急制动，凭 驾驶员的感觉来判断a b s 的工作是否正常。随着汽车市场对a b s 需求的大量 增加，为快速、有效、经济地对a b s 性能进行检测，迫切需要采用室内台架 来对汽车a b s 性能进行试验研究。 本课题是集“机、电、气”于一体的新产品开发项目，其目的是根据国家 有关a b s 性能标准要求，在深入研究汽车a b s 工作性能的室内台架试验方法 的基础上，开发研制出能够对a b s 装置的性能进行动态检测和评价的实验台 及其配套测试分析系统，该实验台根据a b s 的工作原理，能够全面模拟出汽 车在真实路面上进行制动时的动态制动过程，测试出汽车的各个车轮在路面附 哈尔滨理工大学t 学硕一i ：学位论文 着系数发生变化时a b s 的工作状态，从而全面地检测出a b s 装置在各种情况 下的性能，并进行综合评价。a b s 动态实验台的研制成功，可以有效地解决我 国现有各种台架对装有a b s 装置性能进行经济、安全、有效测试的这一困扰 我国汽车检测行业多年的技术难题，可以适应学校，汽车电子研究所今后发展 需要，形象直观地展现汽车a b s 系统的结构、工作原理及参数检测方法，将 有助于对a b s 知识的掌握、对a b s 算法的深入研究、提高实验的安全性、降 低试验费用、缩短研发周期。该研究的开展应用，有助于学校、研究所的发 展，也为汽车专业的建立提供了物质准备，具有较大的社会价值及现实意义。 1 2 现有的汽车a b s 性能检测方法及其局限性 1 2 1 道路试验法 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 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。 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，在自然状态下几种路面的技术组合也是很难获得的。 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 车辆的道路试验与性能评价。 国外典型的a b s 汽车制动性能试验场的路面构成中，模拟结冰的路面通 常是特种瓷片铺装的路面( 洒水后，其路面附着系数为o 1 2 左右) ；模拟积雪路 面的通常是b a s a l t 铺装路面( 洒水后，其路面附着系数为0 2 5 左右) ；模拟潮湿 路面的通常是打磨水泥混凝土路面( 洒水后，其路面附着系数为0 4 0 5 1 ；干燥 路面为一般水泥混凝土路面( 附着系数为0 6 5 加8 ) ；根据试验与测试目的的需 要，上述路面又可匹配成为：均匀附着系数路( 单一附着系数路面) 、分离附着 系数路( 由两种单一附着系数路面左右并列组成) 和阶跃附着系数路( 由两种单一 附着系数路面纵向连接组成) 等组合路面试验道跗引。 对于室外道路试验，国内的汽车制动试验场在路面的组成、结构及各路面 附着系数的组合上仅有海南汽车试验场和东风襄樊汽车试验场达到国家标准。 道路试验法检验a b s 性能的优点是直观、简便、能真实的反映实际工程 中汽车动态的制动性能，能综合反映汽车其他系统的结构性能对汽车a b s 性 哈尔滨理1 = 大学工学硕= i j 学位论文 能的影响，如转向机构、悬架系统机构和形式对制动方向稳定性的影响，且不 需要大型设备与厂房。但也存在下列不足之处：只能反映整车制动性能的好 坏，而对于各轮的制动状况及制动力的分配，虽能定性分析，但不易取得定量 的数值；不易诊断故障发生的部位；重复性较差，制动距离的长短和制动减速 度的大小，往往因驾驶员操作方法、路面状况和交通状况而异。只有在专用试 验仪器的情况下才能获得重复性较好的检验结果；除道路附着系数条件要求 外，路试还将受到气候条件等的限制；消耗燃料，磨损轮胎，紧急制动时的冲 击载荷对汽车各部件都有不良的影响。 1 2 2 台架试验法 目前，国内外汽车制动检测试验台按检测时支承受检车轮方式可分为两 种：一种为滚筒式制动试验台，另一种为平板式制动试验台；而根据台架检测 制动性的原理，可分为惯性式制动和反力式制动试验台两类。 1 2 2 1 平板式制动试验台平板式制动试验台是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来 的，由测试平板、数据采集系统等构成，集侧滑、悬架效能、轴重、制动性能 测试为一体的汽车检测设备。检测时，被检车辆以5 l o k m h 的车速驶上测试 平板，操作员根据显示信号踩下制动踏板，车轮制动器产生的制动力使车轮在 平板上附加一个与车轮制动力( 地面制动力) 大小相等、方向相反的作用力，推 动平板沿纵向位移，经拉力传感器( 水平方向的力传感器) 就测出了车轮的制动 力，并由显示、打印装置输出检测结果。 从检测原理上来看，平板式制动试验台属于惯性式平板台，惯性式平板台 是当前平板制动试验台市场上的主流产品，通常所说的平板台就是指它。它是 在汽车行驶制动状态下经由汽车惯性检测制动力，是动态的检测，只要保证力 传感器能准确无误地把测试平板上受到的水平制动力与垂直力测量下来，平板 式制动试验台就完全可以如实地把汽车制动过程( 力系及变化) 检测出来。平板 式制动试验台在理论上的优势已经得到一致公认【羽。 但平板式也有其致命的弱点：在实际检测过程中，制动初速度及制动踏板 力不易控制，测试工况不稳定，重复性差；检测技术尚不成熟，定量分析技术 仍未完全解决，传感技术和计算机处理技术要求很高，有待电子技术应用的进 一步提高；不能测试车轴的阻滞力、失圆度，而且适用车型较少，不容易对轴 距变化大的汽车作四轮同时检测，且测试货车后轴的制动性能也不够理想，多 轴车不能测试；不能检测a b s 系统的性能，因为a b s 起作用的车速一般在 哈尔滨理t 大学工学硕：卜学位论文 l o k m h 以上，车速低于1 0 k m h 时，a b s 将停止作用。 1 2 2 2 滚简式制动试验台滚筒式制动试验台分为反力式滚筒制动试验台和惯 性式滚筒制动试验台。 反力式滚筒制动试验台是最普通的检测设备。检测时，汽车车轮停驻在滚 筒上，由电机通过减速器驱动滚筒，滚筒带动车轮，达到预定检测速度后，驾 驶员急踩制动踏板制动车轮，电机仍继续驱动滚筒转动，向车轮施加一个与制 动力矩方向相反的转矩，直至受检车轮被制动而停止转动，滚筒相对车轮滑转 时，电机才停止转动，截断滚筒的驱动力。测力杠杆将制动力传给测力传器， 此时，测力传感器测得的力值就是该检测条件下的车轮最大制动力。这种借助 滚筒向制动车轮施加一反力矩检测制动力的方法就是反力式检测。 反力式滚筒制动台检测时，汽车不动，只是滚筒带动车轮转动，是一种静 态检测，不能检测汽车动态制动状况( 轴荷转移) 下的制动力。检测车速较低， 一般在5 k m h 以下，且只有一个固定的车速。由于速度太低，反力式滚筒制动 台也不适合用于检测a b s 系统的性能。 惯性式滚筒制动检验台是模拟道路行驶动能检测车辆制动性能的装置。汽 车在惯性式滚筒制动检验台检测制动性，与在反力式滚筒制动台上一样，汽车 对地面无相对运动，也是一种静态检测。 惯性式滚筒台的转速比反力式滚筒台的转速高得多，滚筒线速度一般都大 于4 0 k r r e h ，适合a b s 的检测要求。因为汽车制动过程是在持续制动阶段才出 现车轮抱死滑移现象，低速运行汽车急制动的制动过程很短，制动力一旦达到 峰值汽车就停住了，没有持续制动阶段。要评定a b s 防抱死系统的状况，需 要采用高车速工况检测，以使受检汽车经制动阶段后才停住，以创造防抱死系 统发挥作用的条件。 台架测试法检验制动性能的优点是迅速、准确、安全，不受外界条件的限 制，重复性较好，能测得各车轮的制动全过程( 制动力随时问增长的过程1 。有 利于分析前、后轴制动力的分配及每轴制动力的平衡状态、制动协调时问等参 数，给故障诊断提供可靠依据f 2 】。 1 2 3 制动检测台架市场调查 笔者对市场上已有的制动检测台架进行了认真的市场调查，通过和厂方工 程技术人员的交流，得到了详实的数据( 如表1 1 所示) ，为本课题所研制的产 品找到了其应有的市场地位和价值。 哈尔滨理工大学_ t 学硕：l 学位论文 表1 - 1 市场调查汇总表 t a b l e1 - 1m a r k e ts u r v e ys u m m a r y 厂家 成都( 日本 石家庄华燕 t e s t e k 上海烁通 荷兰a r e x a b st e s t 德国a l a s 功能 g z d _ 0 3 0 技术) 弥荣 e 乙1 0 0 a s t a n d 专用车速 轮速 有台测量有无无未知 测量 ( 选配) 附着系 固定未知无固定无未知 数模拟 制动力 有 有，包含制动 有有无 有 测量力差测试 制动 无无有无 无未知 距离 制动缸 压力值无无无无 o 6 未知 测量 3 5 b 盯 有，且可判 滑移率有有无无 未知 断优劣 滚筒高科技a b s 地面粘结技术平板式 采用高摩擦 高附着系数 系统 滚筒反 系数滚筒 粘砂滚筒力式 平板式滚筒可替换 惯性式 无未知有有 无未知 飞轮 扭矩 测量 有有有有无 未知 压力， 数据 未知 应变传感器 未知 未知流量未知 采集线形电位计 传感器 p c 机传 输无 套装连接线 p c 机传输r s 2 3 2 传 控制 总线控制 输接口 t c p i p 未知 传动 双层 行星齿轮未知 未知采用减速器 气体 方式 液体 未知 减速 主 2 2 0 v四台p l c3 k w 3 8 0 v 4 6 k w 2 电动机 7 5 k w 无 6 0 0 w 控制电机交流电机21 0 k w + 2 开机开机4 0 s 自检自检 有有 有有 未知 尾气 尾气测试仪 测量 无 有无 无 未知 ( 选配) 5 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 续表( 1 1 ) 噪声 无选配有 无无未知 测量 底盘 无 专用测功机 有无无未知 测功( 选配) 1 7 s v g a 中1 7 p c 人 显示 1 0 1 2 数字 文 p c 机 l e dl e d 技术 发光管w 孙d o w s c r t i e d灯阵 机界面， 灯阵 采用 灯阵指示牌 w i n d o w s 指示牌 界面基础界面 图形曲 无制动力曲线 制动距离t 无未知未知 线显示 减速度t 数据 显示 总线控制 p l c 基础 记录未知 打印曲线 p l c 数据采有 系统控 未知 制，p c 机 管理集 人机交互 测试仅 对象 3 0 0 0 k g4 0 0 0 k g1 5 0 0 k gl o o o o k g a b s v s c 4 0 0 0 质量 系统 1 3 0 0 0 k g 实验 1 2 1 0 0 k m h 2 3 速度 3 4 k m h1 0 k n g h 高速无 ( 4 0 推荐)5 k m h 时间制动时间阀动作 测量 无制动时间无未知 协调时间时间 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究的内容有： 1 ) 对国内外汽车a b s 实验台产品的原理和资料进行系统的学习并完成市 场调查工作； 2 ) 对主要实验对象一一a b s 装置的基本原理及相关参数进行深入的学 习； 3 ) 根据调查的结果并从学校的实际情况出发提出独具特色的a b s 动态实 验台设计方案； 4 ) 在反复讨论确定设计方案后，依据方案完成主要零部件设计计算、技 术要求制定、市场调查、选用、及相关难点问题研究； 5 ) 为实验台的动力源电机进行选型及其驱动控制系统的设计、驱动 板制作和现场调试工作； 6 ) 最后完成实验台机械系统总体设计、总装图的绘制和现场安装调试工 作。 哈尔滨理1 = 大学t 学硕：l ：学位论文 第2 章汽车a b s 组成及性能参数 2 1 汽车防抱死制动系统 2 1 1a b s 的基本组成 一般来说，带有a b s 的汽车制动系统由基本制动系统和制动力调节系统 两部分组成，前者是制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成的普通制动系统， 用来实现汽车的常规制动，而后者是由轮速传感器、a b s 控制器、a b s 执行 器等组成的压力调节控制系统，在制动过程中用来确保车轮始终不抱死，车轮 滑移率处于合理范围内，系统框图如图2 1 所示 3 1 。 图2 - 1 a b s 系统框图 f i g 2 - 1a b ss y s t e md i a g r a m 2 1 2a b s 的原理 汽车制动时，装在汽车各轮轴侧的轮速传感器产生交变的电流信号，其频 率随着车轮转动的角速度的增加而升高，以此来检测车轮速度任何瞬间的变 化，并不断地向电子控制单元( e c u ) 输入这些轮速信号。电子控制单元则不断 地监视这些信号，并与预先储存的信息相比较。如果信号的频率急剧下降，表 明该车轮即将抱死，电子控制单元则指示执行器降低该车轮制动分泵的制动压 哈尔滨理工大学下学硕一i ：学位论文 力。当传感器的信号表明车轮又正常转动时，电子控制单元又发出指令允许升 高车轮制动分泵的制动压力。执行器根据电子控制单元的指令不断地“降低”、 “升高”、“保持”各车轮制动分泵的制动压力，从而以每秒约4 1 0 次的脉冲 形式进行制动压力调节，始终将车轮的滑移率控制在最佳滑移率的范围内。 a b s 是一个闭环制动系统，能够尽量发挥制动系制动力而又防止车轮抱死，最 大限度地保证制动时汽车的稳定性的同时缩短了制动距离和制动时间，增加了 安全性，是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用。 a b s 具有不同的控制形式，根据通道控制的数量，防抱死制动系统可以分 为四通道系统、三通道系统、双通道系统和单通道系统。a b s 的控制通道是指 制动系统中能够对制动压力进行独立调节的制动管路。一个控制通道可能只对 一个车轮进行防抱死制动压力调节，也可能对多个车轮一同进行防抱死制动压 力调节【3 1 。 2 2a b s 对汽车性能影响及其评价参数选择 2 2 1a b s 对汽车性能影响 a b s 作用在于车辆紧急制动时，调节各轮制动压力，充分利用车轮的附着 力，使车轮处于最佳制动状态，缩短制动距离，对于车辆行驶稳定性和制动性 能有着重要的影响。 车轮在制动器制动力矩不断增加的作用下极易被抱死，从而使汽车侧滑摩 擦力变小或消失，失去横向稳定性，汽车很容易偏离行驶方向甚至调头，运动 方向失去控制，在这种状况下，对人和汽车都是非常危险的。因此，a b s 对车 辆行驶的方向稳定性的影响至关重要。 在无a b s 或a b s 失效的情况下，车轮在制动器制动力矩逐渐增加的情况 下，纵向制动力先增大后减小，所以a b s 对于控制汽车制动力大小有显著作 用。 在无a b s 时，车轮制动过程中很容易被抱死。车轮抱死后，由于某一部 分与地面长时间摩擦，容易造成轮胎杯型磨损，轮胎表面的磨损也会不均匀， 使轮胎磨损消耗费用增大。经大量研究表明，汽车在紧急制动时，车轮抱死所 造成的轮胎累加磨损费用，已经超过了一套a b s 的费用。因此a b s 对汽车的 使用具有一定的经济效益。另外，a b s 使用比较方便，工作可靠。a b s 的使 用与普通的制动器几乎没有区别。制动时只要把脚踏在制动踏板上，a b s 就会 哈尔滨理- t 人学t 学硕r l 学位论文 根据情况自动进入工作状态，如果遇到雨雪天或路面较滑，驾驶员没有必要用 一连串的点刹方式进行刹车，a b s 会自动进入状态。 综上所述，a b s 对提高车辆制动时的方向稳定性，保持车辆制动时的转向 操纵能力，缩短汽车制动距离，减少轮胎表面磨损，减轻驾驶员疲劳程度起着 非常重要的作用。 2 2 2a b s 性能评价参数选择 国外汽车a b s 的道路试验评价方法，较权威的是欧洲e c e r l 3 法规。我 国国家标准g b l 3 5 9 4 2 0 0 3 机动车和挂车的防抱制动系统性能和试验方法 也是参照欧洲e c e r l 3 法规制定的。 e c e r l 3 法规的主要评价指标是附着系数利用率，规定要求附着系数利用 率e 大于7 5 。 在e c e 制动法规中，附着系数利用率作为a b s 的制动评价指标的一个重 要参数，是因为a b s 的作用是保障汽车在制动过程中的制动效能和操纵稳定 性，而附着系数利用率指标着重考虑了对汽车制动效能的改善，但对于汽车的 操纵稳定性却略有不足。 由于a b s 台架测试的评价方法是近年来研究的方向，a b s 台架测试的参 数选择尤为重要。选择合理和全面的评价参数，是综合检测a b s 性能的前 提。 目前最常用的为4 种统计指标：滑移率均值、滑移率均方差、制动压力均 值和制动压力均方差i 4 1 。 1 ) 滑移率均值与峰值滑移率越接近，并且滑移率均方差越小，说明制动 效率越高： 2 ) 滑移率均方差值越大，说明采样点比较离散，即速度波动较大，控制 性能不优； 3 ) 制动压力均值越大，则制动耗能越大； 4 ) 制动压力均方差大，则意味着控制的压力波动大，耗能大。 2 3 本章小节 本章讨论了a b s 的组成和工作原理，分析了a b s 在各个方面对汽车性能 产生的影响，简述了a b s 的最常用的测试评价标准，从而为第三章动态实验 台的方案设计提供了可参考的标准和理论依据。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 第3 章动态模拟实验台方案设计及部件选用 3 1 实验台方案设计 3 1 1 实验台结构构思 动态模拟实验台的结构初步构思如图3 - 1 所示。 图3 1 实验台关键部分结构简图 f i g 3 1s t r u c t u r a ls k e t c ho fk e yp a r t so ft e s ts t a n d 在图3 1 中，1 为主电动机；2 为传动链条；3 为联轴器；4 为磁粉离合 器；5 为刹车轮盘；6 为可拆卸飞轮组；7 为轴承；8 为链轮。其中：联轴器上 加装扭矩传感器，飞轮组和刹车轮盘加装车速传感器，两者采集的信号均送入 主控单片机进行运算。 3 1 2 实验台工作原理 本实验台采用上位机、下位机的数据采集处理和系统控制方式( 如图3 2 所 示) ，可以准确地实现对轮速、油压的测量以及电机转速的控制。车轮的初始 速度通过上位机计算机处理成电机转速给定参量，然后通过r s 2 3 2 通讯接口送 哈尔滨理t 大学t 学硕j ：学位论文 入d s p ，d s p 通过d a 模块转换控制电模拟部分的加载量，达到最终的准确模 拟加载。由各传感器组成的检测部分采集到的轮速信号，各油泵压力变化信 号，电磁阀开关信号，脚刹车制动信号输入d s p ，i 由d s p 处理后通过r s 2 3 2 接 口上传给上位机，上位机采用v b 进行控制界面设计，实时显示数据曲线和相 关参数。 图3 2 控制检测系统结构图 f i g 3 - 2c o n t r o la n dd e t e c t i o ns y s t e md i a g r a m 实验步骤：汽车制动踏板首先处于松开状态，在上位机操作界面中输入附 着系数值，即设定路面种类，通过r s 2 3 2 通讯接口送入d s p 控制模块，磁粉 离合器的激磁电流恒定，控制电动机带动链轮传动经过联轴器和磁粉离合器， 带动车轮和惯性飞轮旋转，当车轮转速达到规定值时，由人员踩下制动踏板， 制动器开始工作，接着车轮速度下降，轮速传感器测得转速变化情况，经过 d a 转换传至d s p 控制模块，d s p 控制模块读入数据通过实时运算得知车体 哈尔滨理丁大学丁学硕上学位论文 减速度，根据下文将推导出的整车制动阻力模拟系统数学模型便可得到磁粉离 合器所需要传递的转矩，通过扭矩传感器实时测得的转矩便可结合磁粉离合器 的激磁电流控制形成对磁粉离合器输出转矩的实时控制，从而得到准确地模拟 汽车在实际刹车制动过程中在各种附着系数路面上a b s 控制的车轮滑移的工 作情况。 3 2 磁粉离合器 3 2 1 磁粉离合器原理 本方案的关键是采用了磁粉离合器，磁粉离合器是根据电磁原理和利用磁 粉传递转矩的，它具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系，在同滑差无关的 情况下能够传递一定的转矩，响应速度快、结构简单等优点，是一种多用途、 性能优越的自动控制元件。 磁粉类器件所传递的转矩大致上和激磁电流的大小呈线性关系。一般而 言，在5 一9 5 的额定转矩内，激磁电流与转矩成正比例线性关系。当激磁电 流保持不变时，转矩将会稳定的传递，不受滑差的影响，静止和转动转矩不 变。因此，只要控制电流，即能控制转矩的大小；无响应时间，转矩上升时间 和转矩下降时间都极短，因此可以用于频繁启停、换向的场合。功率放大倍数 高，可用很小的激磁电流控制很大的传递功率，易于实现自动控制；运转平 稳，无振动，无冲击，低噪音；在转矩超载情况下，自动滑差运行起到过载保 护作用。 3 2 2 整车制动阻力模拟系统模型的建立与仿真 通过分析机械连接图力矩传递情况，由正向力矩与反向力矩之和为零，可 得到 尥= 尥 ( 3 - 1 ) 鸩= ，1 厂( 3 2 ) 式中：为制动力矩：耽为经过磁粉离合器后传递的扭矩；f 为前轮制动 器制动力；，为车轮半径。 一 在任何附着系数为驴的路面上，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，而且前后轮制动器制动力分别等于各自的附着 哈尔滨理工大学工学硕： = 学位论文 力，由此可以得到以下式子 f j + f 2 = o 5g 缈 ( 3 - 3 ) f 肛1 = o 5c p f z l ( 3 4 ) f 肛2 = o 5 pf z z( 3 - 5 ) 式中：砀和f z 2 分别表示前后轴的载荷，对以上各式进行联立可得 m ：= 0 5 垆f z z 。厂 ( 3 6 ) 车体制动过程中的受力情况如图3 3 所示，忽略滚动阻力偶矩、空气阻 力，通过受力分析得到 f z j = 等p + 9 | i l g ) ( 3 7 ) - f z 2 = 孚( 口缈j i l g ) ( 3 8 ) 图3 - 3 车体制动过程受力图 f i g 3 - 3d i a g r a mo fv e h i c l eb o d yi nb r a k i n gs t a t e 车体静止时的受力情况如图3 - 4 所示，通过受力分析得到【s l f z l s = l b _ _ g f z z s = z ag ( 3 - 9 ) ( 3 - l o ) 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 图3 4 车体静止状态受力图 f i g 3 _ 4d i a g r a mo fv e h i c l eb o d yi ns t a t i o n a r ys t a t e 由以上的分析可得知：汽车制动过程中前、后轴发生载荷的转移，其转移 量为 a w ：6 朋塑一h s r 3 1 1 ) d tl 式中：6 苫1 为汽车旋转质量换算系数。转移量在前后轮均抱死时取最大值，最 大值为o 5 g 妒h _ ，l ，所以汽车制动过程中，其前、后轴的载荷是变量 ，z j = ，z j s + 缈= 兰g + 6 m d 出u 等( 3 - 1 2 ) 如= 陆= 兰g 毋聊。万d u i h g ( 3 - 1 3 ) 将式( 3 1 2 ) 代入式( 3 - 6 ) 可得 m c = 0 5 q ， r 兰g + 0 5 胁石d u ，争( 3 - 1 4 ) 以此方法对后轮进行分析可得 = 0 5 兰g - 0 5 胁。警h _ l l 。r ( 3 - 1 5 ) 式( 3 1 4 ) 和式( 3 - 1 5 ) 就是所要求的整车制动阻力模拟系统数学模型，其中输 出转矩是车辆加速度、车体重量、车轮半径、轴距、重心高度、前轮或者后轮 区别和路面附着系数共同决定的函数。 依据捷达王车型数据设置实验车的参数如下：整车重量m = l l o o k g ；车轮 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 半径r = o 2 8 8 8 m ；初始速度为1 6 0 k m h ；车轮转动惯量1 w = 1 5 k g m 2 ；重心距前 轴n = 1 2 3 6 m m ；重心距后轴b = 1 2 3 5 m m ；轴距l = 2 4 7 1 m m ；整车重心高度 h g = 9 0 0 m m 。 转矩控制数学模型中未知参数的处理 6 = 1 + ! 迅+ 土华( 3 - 1 6 ) m，m， 、 根据汽车理论：汽车旋转质量换算系数6 主要与传动系的转动惯量、车轮 的转动惯量以及传动系的传动比有关i 5 1 。假设刹车时驾驶员未作发动机减速即 离合器踏板踩到底，上式的第三项近似取为零，只需计算前两项，根据车型数 据可得6 = 1 0 6 5 4 。 为保持实验室工作的延续性和研究的完整深入，在实验室同课题组已经完 成的基础上进一步建立整车制动阻力模拟系统模型，如图3 5 所示。 图3 - 5 整车制动阻力模拟系统模型 f i g 3 5s i m u l a t i o ns y s t e mm o d e lo fw h o l ev e h i c l eb r a k i n gr e s i s t a n c e 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，根据上文推导出来的整车制动阻力模拟系统 数学模型表达式并引入a b s 单轮模型的车辆加速度信号等所需参数建立仿真 模型，图3 - 6 为整车制动阻力模拟波形图( 前轮) 。 一 l ! 。、堋，1 l i l 。，i 时间居 图3 - 6 整车制动阻力模拟波形脚f 前轮) f i g3 6 w a v e f o r m so f w h o l ev e h i d eb r a k i n gr e s i s t a n c es i m u l a t i o n ( f r o n t w h e e l ) 由上文推导出来的整车制动阻力模拟系统数学模型可知，前轮所对应的离 合器实时输出转矩大于后轮对应的离合器输出转矩，所以整车制动阻力模拟系 统模型选取车| j 轮作为主要研究对象将有利于离台器、转矩传感器、连轴器以 及传动机构设计转矩范围的确定，由仿真结果图可知，所需的离合器输出转矩 的峰值达到1 5 0 0 nm 。 3 23 市场调查及选用 为保证实验安全性和可靠性，离合器选型须留出一定的余量，所以所需离 合器输出转矩为2 0 0 0 nm 。市场调查如表3 - 1 所示。 在经过与各厂家二r = 程师交流探讨并参考了价格、实验风险、厂家资质、产 品技术参数、安装方式、保修服务等方面因数的条件下，依据本项日的需求和 经费选购了海安兰菱机电生产的f l - 2 0 0 0 单水冷磁粉离合器( 如图3 - 7 所示1 ， 哈尔滨理工大学：【学硕士学位论文 激磁电流为3 a ，安装形式根据台架整体结构的需要选择机座式。 表3 - 1 市场调查汇总表 t a b l e3 - 1m a r k e ts u r v e ys u m m a r y 项目 规格型号 额定转矩( n m ) 冷却方式 价格( 元) 生产厂家、 海安离合器厂 c j s 12 0 01 2 0 0 水冷2 3 万 海安兰菱机电 f i ，2 0 0 02 0 0 0 水冷 2 3 万 燕京啤酒离合器厂y j 2 0 0 0 定制 2 0 0 0 水冷3 1 5 万 南通宏大 n t 2 0 0 02 0 0 0 风冷3 5 万 海安恒业 c j s 2 0 0 02 0 0 0 水冷3 8 万 3 3 扭矩传感器 3 3 1 扭矩传感器原理 图3 7f l 一2 0 0 0 磁粉离合器 f i g 3 7f l 一2 0 0 0p o w d e rc l u t c h 扭矩传感器的设计原理大体上分为两种：一种是以日本小野为代表的齿轮 相位差测量法，而另一种是以德国技术为代表的应变片式测量法。 齿轮相位差测量法基本原理是：通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被 测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率 相同1 7 1 与轴的转速成f 比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成证比，把这 哈尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 两组交流电信号用专用屏蔽电缆线送入扭矩测量仪或具有其功能的扭矩卡送入 计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值。 应变片式测量法的原理是：当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在 应变轴上的应变计阻值发生相应变化，我们将具有相同应变特性的应变计组成 测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量。下面为扭矩 测量的主要原理框图，由于采用了能源与信号的无接触耦合，完美解决了旋转 状态下扭矩( 转矩) 数值的测量。 3 3 2 市场调查及选用 市场调查如表3 2 所示。 表3 - 2 市场调查汇总表 t a b l e3 - 2m a r k e ts u r v e ys u m m a r y 厂家 四川i长沙北京 北京北京上海上海 功岔 诚邦湘仪华欣新宇航威斯特 聪睿 拓驰力 h x 9 0 1 j n 3 3 8 c y b d r f i ， 型号n j 2j c 2 c d n - 2 2 0 0 0 2 0 0 0 a8 0 3 sv i i 适用转速 0 4 0 0 0o 4 伽l oo 4 5 0 00 4 8 0 00 8 0 0 00 3 5 0 0o 6 3 0 0 ( r p m ) 量程0 ( n m ) o 2 0 0 0o 2 0 0 05 2 咖0 2 0 0 00 2 0 0 00 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 2 精度等级 o 2 f - s0 5 f so 5 f so 5 f s0 1 f s 0 2 f s0 5 f s 响应时间 1 m sl m s1 0 0 u s1 0 0 u s1 0 0 u s1 0 0 u s1 2 m s 安全过 负荷率 1 5 0 f s1 2 0 f s1 5 0 f s1 5 0 f s1 2 0 f s1 5 0 f s2 0 0 f s 核心日本日本 自主研 发( 应应变片 德国 应变片 德国 技术小野小野h b me t h 变片) 、传感器 5 8 0 06 9 0 0 9 8 0 01 2 0 0 01 0 5 0 05 9 0 0 4 7 0 0 0 单价( 元) 4 8 0 0 0 采集卡 单价 4 0 0 0 1 4 5 0 0 ( 元) 两路两路 可自配可自配 可自配可自配可自配 四轮测量 总价 2 8 0 0 05 6 6 0 03 9 2 0 04 8 0 0 04 2 0 0 0 2 3 6 0 02 0 0 0 0 0 ( 元) 在经过与各厂家工程师交流探讨并参考了价格、厂家资质、核心技术、产 品技术参数、安装方式、保修服务、导师意见等方面因数的条件下，依据本项 目的需求和经费选购了北京威斯特的c y b 一8 0 3 s 型扭矩传感器。 所选用的c y b 8 0 3 s 扭矩传感器如图3 8 所示。 3 4 联轴器 3 4 1 联轴器分类 图3 - 8c y b 一8