汽車EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)仿真研究

李竹芳， 杜迪， 姚尚明， 劉明遠(yuǎn)

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192）

0 引言

汽車的安全性已成為世界性的課題，引起各國的高度重視［1-5］。汽車ABS系統(tǒng)提供了一種有效減少交通事故、全面提高汽車制動(dòng)性能的主動(dòng)安全裝置，EBD系統(tǒng)在ABS的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了制動(dòng)時(shí)的操縱穩(wěn)定性。現(xiàn)行EBD系統(tǒng)在汽車制動(dòng)的瞬間，高速計(jì)算出四個(gè)輪胎與地面的相互作用狀況，然后調(diào)整制動(dòng)裝置，達(dá)到制動(dòng)力與摩擦力（牽引力）的匹配，以保證車輛的平穩(wěn)和安全。當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，EBD在ABS動(dòng)作之前就一直在平衡每個(gè)車輪的有效地面制動(dòng)力，以防止出現(xiàn)甩尾和側(cè)移，提高車輛行駛穩(wěn)定性，并有效縮短汽車制動(dòng)距離［2-3］。

1 汽車EBD的作用原理

在沒有到達(dá)ABS之前，前后輪制動(dòng)力應(yīng)如何分配，代替固定的制動(dòng)力分配方式，運(yùn)用一種各個(gè)車輪獨(dú)立的制動(dòng)力分配方式，這種分配方式不僅可以考慮到各個(gè)車輪不同的附著狀態(tài)，還可以考慮到由于裝載狀態(tài)的不同而引起的質(zhì)心位置的推移以及特殊的行駛狀態(tài)。這種系統(tǒng)稱為電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)（Electronic Brake force Distribution，EBD），是ABS的一種輔助系統(tǒng)。在ABS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了功能［1］。EBD能夠根據(jù)汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軸荷轉(zhuǎn)移及各個(gè)車輪不同的附著狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)節(jié)前后軸及左右車輪的制動(dòng)力分配比例，提高制動(dòng)效能，并配合ABS提高制動(dòng)的穩(wěn)定性。

2 汽車EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)簡介

由EBD的原理可見，要評價(jià)汽車EBD系統(tǒng)的性能，首先要提高檢測的模擬行駛速度（GB 13594-1992規(guī)定50 km/h）［5］，其次要適時(shí)測出汽車的車輪速度和汽車的運(yùn)行速度（可求得汽車制動(dòng)時(shí)車輪與地面的滑移率及減速度等）。對于實(shí)際運(yùn)行的汽車而言，汽車的車輪速度和汽車的運(yùn)行速度是不容易測得的，如果能設(shè)計(jì)一種臺(tái)架能模擬待檢測汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，能模擬測量出汽車的輪速和車速，問題就迎刃而解了。分析比較目前常用的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，滾筒慣性式試驗(yàn)臺(tái)能較好地模擬車輛運(yùn)行狀態(tài)（檢測車速高），因此選擇增加第三滾筒的滾筒慣性式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)作為EBD檢測臺(tái)。

汽車EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)及電連接如圖1（a）所示，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，一個(gè)滾筒總成的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1（c）所示。

檢驗(yàn)臺(tái)的滾筒相當(dāng)于移動(dòng)路面，轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，相當(dāng)于汽車在道路上行駛的平動(dòng)動(dòng)能。檢驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖2。圖中EBD系統(tǒng)（包括輪速傳感器、壓力調(diào)節(jié)器、電子控制器等全套零部件）與汽車制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物（包括壓力源、管路、分泵、制動(dòng)器、輪胎等）按照在車輛上的運(yùn)行要求進(jìn)行連接，ECU的控制指令同時(shí)傳至測控系統(tǒng)（包括駕駛員模型、信號采集分析等模塊），電動(dòng)機(jī)通過離合器與模擬慣量系統(tǒng)連接。進(jìn)行測試時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)某速度后離合器分離，駕駛員模塊發(fā)出制動(dòng)命令開始制動(dòng)測試直到車輪停止。在這個(gè)過程中第一滾筒上的車速傳感器及第三滾筒上的輪速傳感器測得的數(shù)據(jù)傳至EBD測控系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)快速高效地對不同車型的EBD系統(tǒng)進(jìn)行測試，檢測所測試的EBD是否正常工作以及滑移率變化的情況。因此，車輪緊急制動(dòng)時(shí)，在車輪與滾筒間無滑移的條件下，測得的滾筒在受檢車制動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速的變化和時(shí)間，即等同于受檢車的制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度和制動(dòng)時(shí)間。

EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)的幾個(gè)問題的解決：

1）車輛質(zhì)量的模擬。由于受檢汽車型號不同，質(zhì)量各異，檢驗(yàn)臺(tái)必須能模擬出不同的質(zhì)量。滾筒帶有飛輪組，通過選擇不同的飛輪組合來進(jìn)行匹配，使得滾筒和飛輪組的慣性質(zhì)量與受檢汽車的慣性質(zhì)量相當(dāng)，從而模擬出不同受檢車輛的質(zhì)量。

圖1 檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2）路面不同附著系數(shù)的模擬。檢驗(yàn)EBD作用效果，檢驗(yàn)臺(tái)必須能模擬不同的附著路面，通過改變兩滾筒中心距來改變安置角大小，從而改變滾筒與車輪接觸的當(dāng)量附著系數(shù)，即

其中，φk=φ/［（1+φ2）cosλ］為當(dāng)量附著系數(shù)。

圖2 檢驗(yàn)臺(tái)工作原理圖

3）載荷轉(zhuǎn)移的模擬。EBD要根據(jù)載荷轉(zhuǎn)移情況重新分配制動(dòng)力，所以檢驗(yàn)臺(tái)必須模擬不同的載荷分配。通過改變兩滾筒中心距實(shí)現(xiàn)不同載荷分配，原理如下式：

由式（2）可知，通過改變中心距來改變安置角，從而改變每個(gè)車輪軸荷的大小。

4）車輪速度的模擬。用傳感滾筒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)橹鞲睗L筒都裝有飛輪，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，制動(dòng)時(shí)車輪與滾筒之間有滑移，所以用主副滾筒的速度模擬車輪速度是不準(zhǔn)確的，必須用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的滾筒來模擬車輪速度。傳感滾筒軸是從動(dòng)軸，獨(dú)立安裝在兩滾筒之間，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，放置在兩滾筒上的汽車車輪通過彈簧壓緊傳感滾筒軸，使傳感滾筒軸隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳感滾筒軸的端部安裝一脈沖傳感器，測量車輪速度。當(dāng)車輪抱死，停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感滾筒軸也停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即傳感滾筒軸可以直接反映車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

5）車身速度的模擬。因?yàn)橹鞲睗L筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和等于汽車平動(dòng)動(dòng)能，所以安裝在主副滾筒軸的速度傳感器測出的速度用以模擬車身速度。

3 檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響

3.1 滾筒直徑對檢測結(jié)果的影響

圖3（a）為滾筒直徑為268 mm制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖3（b）為滾筒直徑為368 mm制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖3（c）為滾筒直徑為468 mm制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖3（d）為不同滾筒直徑制動(dòng)距離-時(shí)間曲線，圖3（e）為不同滾筒直徑車速與輪速-時(shí)間曲線。表1列出了具體數(shù)值。

檢測結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，滾筒直徑越大，制動(dòng)距離越短，制動(dòng)時(shí)間越小，車輛平均加速度越大，平均制動(dòng)力矩變化不大，只是制動(dòng)力矩作用時(shí)間減小。

需要說明的是：改變滾筒直徑并不改變滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和檢驗(yàn)臺(tái)安置角的大小，在檢測中，滾筒直徑變化時(shí)，要調(diào)整安置角為定值。

制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離減小的原因：由Jgαg=φGRg可知，增大Rg，αg即增大，車速下降變快，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間就會(huì)減小。

圖3 不同滾筒直徑對檢測結(jié)果影響曲線

表1 不同滾筒直徑對應(yīng)的仿真結(jié)果

3.2 滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對檢測結(jié)果的影響

圖4（a）為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為12 kg·m2制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖4（b）為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為17 kg·m2制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖4（c）為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 22 kg·m2制動(dòng)力矩-時(shí)間曲線，圖 4（d）為不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量制動(dòng)距離-時(shí)間曲線，圖4（e）為不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量車速與輪速-時(shí)間曲線。表2列出了具體數(shù)值。

圖4 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對檢測結(jié)果影響曲線

檢測結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，制動(dòng)距離越短，制動(dòng)時(shí)間越小，車輛平均加速度越大，平均制動(dòng)力矩變化不大，只是制動(dòng)力矩作用時(shí)間減小。

表2 不同滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對應(yīng)的仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對制動(dòng)距離和平均制動(dòng)力矩產(chǎn)生影響的原因。由J2=MR2g可知，當(dāng)滾筒半徑Rg一定時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只與滾筒質(zhì)量M有關(guān)，而滾筒質(zhì)量越大，在制動(dòng)力矩一定的情況下，滾筒減速度越小（F=ma），即滾筒減速越慢（v=v0-at），那么所對應(yīng)的制動(dòng)距離就越長（），這也就解釋了圖中所示為什么平均制動(dòng)力矩相差不大，而制動(dòng)力矩作用時(shí)間和制動(dòng)距離卻相差很大的原因。

事實(shí)上，由J2=MR2g可得：當(dāng)車輛質(zhì)量和滾筒半徑一定時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就唯一確定了，如果隨意更改滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。本試驗(yàn)所選車型是唯一的，本車型所對應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為17 N·m2，設(shè)置其余兩種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只想說明轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，在設(shè)計(jì)檢驗(yàn)臺(tái)滾筒時(shí)一定要選擇正確的參數(shù)。

4結(jié) 論

本文論述了汽車EBD作用原理和檢測方法，研究了不同EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是檢驗(yàn)臺(tái)滾筒的直徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）對檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明：EBD性能檢驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對仿真結(jié)果的影響很大，合適地選擇檢驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對進(jìn)行仿真試驗(yàn)至關(guān)重要。

［1］ 胡學(xué)英.基于ABS的EBD控制技術(shù)的仿真研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［2］ 胡學(xué)英.基于ABS硬件系統(tǒng)的汽車EBD控制策略［D］.成都：四川教育學(xué)院汽車應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，2007.

［3］ 劉杰.汽車電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)的控制策略研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］ 郝盛.汽車ABS試驗(yàn)臺(tái)整車測試技術(shù)及數(shù)據(jù)分析研究［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［6］ 于東.汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）控制方法仿真研究與控制器設(shè)計(jì)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.