汽车ABS动态性能试验台的设计

2022-09-12

汽车防抱死制动系统(Antilock Braking System,简称ABS)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[1·2]。ABS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%—25%,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ABS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[3]。

1 汽车惯量机电模拟原理

1.1 汽车制动系的工作原理分析

汽车制动时,驾驶员踩制动踏板,不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个制动力矩,同时地面对车轮产生一个向后的作用力,即制动力。制动力Fb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Fb不仅取决于制动力矩Tm,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。

1.2 汽车制动过程分析

1.2.1 汽车制动受力分析

汽车在平整的路面上制动时,汽车所受总的阻力为:

式中:F为汽车受到的总的阻力;

Fb为汽车受到的地面制动力汽车ABS动态性能试验台的设计;

Fw为汽车受到的风阻;

Ff为汽车受到的滚动阻力。

在汽车正常制动行驶时,Ff和Fw在F中占的比例非常小。以Santana 2000GSI为例,其基本参数为:A=1.89m2,CD=0.425,m=1140kg。

若取V=50km/h(本课题中模拟的最高速),则最大的空气阻力:

若取f=0.01,则车轮受到的滚动阻力:

而若取=0.7,则地面对车的最大的制动力:

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≈Fd。

1.2.2 汽车制动整车运动分析

紧急制动时断开动力传递,N1为前轴地面法向反力;N2为后轴地面法向反力;Fg为汽车受到的滚动阻力,Ff汽车受到的风阻力,m为整车质量;h为车重心高;L为轴距;L1为重心至前轴距离;L2为重心至后轴距离;F1、F2为各车轮地面制动力,整车力学方程有:

由上面分析得F≈Fb=N1+N2=m

得整车运动时的惯性力为:mα

式中:为车轮路面附着系数

dv/dt为整车减速度;

V0为整车制动时的初速度。

1.2.3 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,设车轮的转动惯量为J轮,根据得:

则车轮的角加速度dω/dt:

其中:J轮为车轮转动惯量;设dω/dt为各轮角减速度;Tm为制动器的制动力矩;Fb为路面对车轮的制动力。

1.3 试验台上制动时车轮的运动分析

本ABS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,设台架上制动鼓制动力矩为Tm,皮带传递力矩为T电,制动鼓模拟部分转动惯量为J台,忽略台架阻力矩,则根据

得

Tm=T电+J台×’(8)

即’=(Tm-T电)/J台(9)

1.4 试验台上汽车惯量机电模拟原理

根据模拟要求,令=’则由式(7)和(9)得:

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β线)变化,设在汽车制动的车轮角减速度时,试验台测试车轮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:

由式(12)可知,为保证ABS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r2,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。

1.5 地面制动力的模拟原理

由(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(6)式可发现除了dω/dt是变化值,其余都是常量。由于dω/dt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。

2 试验台设计方案

2.1 设计思路

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。

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。

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。

2.2 设计方案

该方案由四个单车轮模块组成,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,由公式(12)T电=(J轮+kM车r2J台),可以看出:如果惯量完全由机械方式来模拟,J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T电足够大,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。

3 程序设计

运用Labview软件设计程序。当速度已调整到所要设定的初速度时“开始制动”图标就会变绿,如果要进入制动模式只要踩制动踏板就开始进行制动试验了进行制动试验时,车速和前、后轴轮速通过界面上的示波器动态显示。

4 试验结果

部分试验结果,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)下制动,ABS起作用时的汽车制动过程。

5 结语

本课题研究了基于机电混合模拟技术的ABS试验台,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,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。

摘要：本文通过对当前国内ABS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。以自行研制的新型ABS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ABS试验方案,并进行了大量的实验验证。

关键词：ABS动态性能试验台,LabView,机电模拟技术,PID