全時四驅(qū)汽車制動力檢測系統(tǒng)的研究

嚴 瑾，葉振洲，邵建文，張 昕

（浙江省計量科學研究院 化學與環(huán)境計量研究所，杭州 310018）

在我國，輕型車的汽車制動性能主要由滾筒反力式制動檢驗臺和平板式制動檢驗臺檢測，國內(nèi)大部分機動車安檢機構(gòu)普遍采用前者——滾筒反力式制動檢驗臺。其實際為一個機械模擬路面，被測汽車開上去后，可模擬在道路上制動的狀態(tài)，同時制動力及其它相關參數(shù)被安置在“路面”上的傳感器測出，作為判斷汽車制動性能的依據(jù)。然而，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，不少高端汽車都采用了全時全輪驅(qū)動[1]（AWD），部分AWD車輛在滾筒反力式制動檢驗臺上做檢測，會造成車輛差速器或變速箱的損壞。現(xiàn)階段部分檢測站采用平板制動檢驗臺對AWD車輛進行制動線內(nèi)檢驗，但相比于滾筒反力式[2-3]制動檢驗臺，平板制動檢驗臺存在重復性差，對操作、環(huán)境要求較高等缺點。

在此研制的全時四驅(qū)汽車制動力檢測系統(tǒng)在傳統(tǒng)滾筒反力式制動檢驗臺的基礎上加以改進，能夠更加快速、準確、安全地檢測AWD車輛，且具有較高的測量精度和可靠性。

1 汽車制動力檢測原理

汽車被檢車輪受力分析示意如圖1所示，假定主、副滾筒半徑相等，且水平布置，車輪為剛性車輪。

圖1 傳感器式測量裝置及車輪分析示意Fig.1 Analysis picture of sensor measuring device and wheel

當駕駛員踩下踏板，車輪在制動力矩Mr作用下開始減速，此時滾筒對車輪邊緣的切線方向作用力為F1，F(xiàn)2，以維持車輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。車輪對滾筒產(chǎn)生反向等值的反作用力，使得扭力箱和測力杠桿朝與滾筒轉(zhuǎn)動相反方向擺動，并將力傳給制動力傳感器，傳感器輸出相應的電壓信號經(jīng)過濾波放大后通過A/D芯片轉(zhuǎn)換再送給單片機，由單片機將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機。由汽車制動車輪的受力分析，可得平衡方程[4]：

式中：F1，F(xiàn)2為主、副滾筒作用于被檢車輪的切向力；N1，N2為主、副滾筒作用于被檢車輪的法向反力；Fn為非檢測車輪對被檢車輪的水平作用力；Gn為被檢車輪負荷；Mr為被檢車輪所受制動力矩；R為被檢車輛的半徑；α為安置角；L為滾筒中心距；r為滾筒半徑。

若汽車車輪與滾筒間的附著系數(shù)均為μ，則F1，F(xiàn)2的最大值為代入式 （1）～式（4），得：

由式（8）可知，影響最大制動力的因素有被檢車輪負荷Gn，安置角α，非檢測車輪對被檢車輪的水平作用力Fn和車輪與滾筒的附著因數(shù)μ。因而，為了增大測得制動力的準確度[5]，采用提高車輪與滾筒的附著因素，通過限制被檢車輛的載荷，來減小安置角α對檢測結(jié)果的影響。

2 全時四驅(qū)汽車制動力檢驗裝置的結(jié)構(gòu)設計

改進后的制動力檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括一組制動臺和沿檢測線縱向在制動臺兩側(cè)設置的兩組自由滾筒組。制動臺上設置有輪胎頂緊裝置，自由滾筒組上設置鎖止機構(gòu)。

圖2 制動力檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of braking test system

制動臺由結(jié)構(gòu)完全相同的左右2套車輪制動力測試單元和1套指示、控制裝置組成。每一套車輪制動力測試單元由框架、驅(qū)動裝置、滾筒組、舉升裝置、測量裝置等構(gòu)成。制動臺上的輪胎頂緊裝置，包括安裝在制動臺機架上的氣缸，通過曲臂連接滑輪，氣缸不工作時整個頂緊裝置與地面平行，氣缸工作時通過曲臂將滑輪頂緊，且滑輪可跟隨汽車輪胎一起自由轉(zhuǎn)動。

前后自由滾筒裝置通過鎖止機構(gòu)來控制，當需要使用自由滾筒時將鎖止機構(gòu)解除，滾筒可自由滾動；不需要使用時則鎖死機構(gòu)，使自由滾筒無法滾動。

當對前輪進行檢測時，前輪在制動滾筒組上，輪胎頂緊裝置進入工作狀態(tài)將輪胎頂緊，防止其位移影響檢測結(jié)果，后輪在自由滾筒組上一起轉(zhuǎn)動；同樣，檢測后輪時則前輪在自由滾筒組上，后輪在制動滾筒組上。

3 全時四驅(qū)汽車制動力檢測系統(tǒng)的軟硬件設計

3.1 制動檢驗臺單片機控制系統(tǒng)

整個制動試驗臺單片機系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由傳感器進行數(shù)據(jù)采集，由PIC單片機進行數(shù)據(jù)處理、由上位機控制軟件進行數(shù)據(jù)分析和輸出。

圖3 制動試驗臺單片機系統(tǒng)Fig.3 PIC system block diagram of braking inspection bench

制動力檢測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。當被檢車輪行駛到檢驗臺主、副滾筒之間，非在檢車輪駛上自由滾筒組。當左、右兩車輪同時到位的時候，觸發(fā)到位開關，此時上位機軟件通過串口接收到信號后通過電磁離合器來控制電機的啟動，經(jīng)扭力箱帶動滾筒組及汽車車作輪勻速轉(zhuǎn)動，其中扭力箱浮動式安裝在機架上，其殼體上的測力臂連接制動力傳感器[6]。當車速達到一定的速度之后，駕駛員根據(jù)操作提示踩下踏板，制動力經(jīng)扭力箱及測力臂，傳給制動力傳感器，傳感器輸出的電信號傳輸給控制儀表進行相應處理。當持續(xù)上升的制動力出現(xiàn)峰值下降10%時，基本上認為已測得最大制動力值，此時單片機發(fā)出指令停止電機[7]。

圖4 系統(tǒng)工作流程Fig.4 Testing flow chart of system

3.2 制動力測量電路設計

本裝置采用懸臂梁式測力傳感器檢測制動力，其模擬輸出電壓為0～10 mV，經(jīng)過調(diào)理電路濾波放大后達到0～2.4 V，其模擬信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模擬信號調(diào)理結(jié)構(gòu)Fig.5 Analog signal conditioning block diagram

制動力測量傳感器采用應變片式電阻傳感器，實現(xiàn)力-電壓的線性轉(zhuǎn)換，其原理是基于電阻應變效應[8]，即：

式中：k為應變系數(shù)（通常為1～2）；ε為微應變；R為應變計電阻值。圖6為制動力測量傳感器信號濾波放大電路。

圖6 傳感器信號濾波放大電路Fig.6 Filter and amplifier circuit of sensor signal

V+，V-為傳感器的差動電壓；C26，C27為濾波電容；R4為AD620放大倍數(shù)的調(diào)整電位器，3個OP07進行電路的后續(xù)放大[9]。整個電路實現(xiàn)了10～30000 N的左、右輪測力傳感器輸出電壓為0～10 mV，經(jīng)過濾波放大電路后輸出0～2.4 V電壓的轉(zhuǎn)換。電壓信號再通過12位的AD芯片78888轉(zhuǎn)成相應的數(shù)字量送入PIC單片機，單片機對相應的數(shù)字信號進行相應存儲、補償、轉(zhuǎn)換等處理并送入上位機，上位機將最后處理過的檢測數(shù)據(jù)由液晶顯示輸出并通過打印機打印。

3.3 檢測系統(tǒng)軟件設計

全時四驅(qū)制動力檢測系統(tǒng)檢驗臺的程序功能框圖如圖7所示。

圖7 程序功能Fig.7 Program functional block diagram

程序功能框圖主要有系統(tǒng)的參數(shù)設置、數(shù)據(jù)的采集、系統(tǒng)的通訊以及調(diào)試顯示。整個軟件的編寫采用MPLAB C18編譯器編寫[10]，其適用于PIC單片機，依托于Windows平臺建立項目工程，進行相應的軟件編寫，同時可以進行項目管理和源代碼級調(diào)試；利用MPLAB ICD仿真器可以進行在線實時調(diào)試。制動力主程序流程如圖8所示。

圖8 制動力主程序流程Fig.8 Braking force main program flow chart

4 全時四驅(qū)汽車制動力檢測裝置標定與試驗

4.1 檢測裝置的標定

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性可以由函數(shù)方程表示為[11]

制動力測量標定采用砝碼標定法按如圖9所示，將標定架固定在滾筒上，按JJG 906—2009用砝碼進行制動力標定。

圖9 砝碼標定法Fig.9 Weight calibration method

在制動臺示值滿量程內(nèi)，標定點的選取不少于8個點，且盡量均勻分布，其中包括零點和滿量程點。按照式（11）計算出標定點與加砝碼的質(zhì)量。

式中：mi為被標定砝碼質(zhì)量計算值，kg；r為制動臺滾筒半徑，mm；L為標定裝置的力臂長，mm；Fi為被標定點制動力給定值，N；g為重力加速度，m/s2；i=1，2，3，4，5，6，7，8，…。

使用專用的標定裝置依次加載砝碼質(zhì)量（mi）至滿量程，再依次減載砝碼質(zhì)量（mi）至零，測出設定的各標定點所對應的左、右輪制動力AD的示值，每個標定點重復測兩三次，取其算術平均值。

本裝置實際標定中，L/R為10，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 制動力標定測量數(shù)據(jù)Tab.1 Braking force calibration measurement data

制動力為y，AD值為x，根據(jù)式（10）利用最小二乘法擬合，可得

由此，可根據(jù)相應的AD值就可換算得到制動力的大小。

4.2 檢測裝置試驗

1）對比試驗1

3種車型全時四驅(qū)汽車斯巴魯翼豹、大眾途觀、奧迪Q5分別駛上四驅(qū)制動力檢驗臺進行3次制動力檢測，得出相應制動率 （制動率=制動力/整車重量×100%），如表 2～表 4所示。

表2 斯巴魯翼豹的制動率（%）Tab.2 Braking rate of Impreza（%）

表3 大眾途觀的制動率（%）Tab.3 Braking rate of Volkswagen Touran（%）

表4 奧迪Q5的制動率（%）Tab.4 Braking rate of Audi Q5（%）

對比試驗1中，3種車型在全時四驅(qū)制動力檢測臺上測試的制動率的重復性誤差、示值誤差均小于國標GB/T 13564—2005所要求的“不大于1%”。

2）對比試驗2

4種車型的適時四驅(qū)汽車豐田RAV4，大眾高爾夫R，本田CRV，奧迪TT分別在傳統(tǒng)的兩驅(qū)制動臺以及四驅(qū)制動臺上進行兩驅(qū)模式的制動力檢測，得出相應的制動率如表5所示。

表5 多種車型的制動率（%）Tab.5 Braking rate of kinds of models（%）

通過對比試驗2，這4種車型在全時四驅(qū)制動力檢驗臺以及傳統(tǒng)的兩驅(qū)制動力檢驗臺上進行兩驅(qū)模式測試的制動率的誤差都小于1%。因此，在全時四驅(qū)制動力檢測臺上也完全可以檢測兩驅(qū)車輛，符合相應的指標。

5 結(jié)語

提出的新型全時四驅(qū)制動力檢測系統(tǒng)的研究方案，可以實現(xiàn)制動力快速、準確、安全的綜合在線檢測，解決了檢測站傳統(tǒng)制動力檢測臺檢測四驅(qū)車輛時會造成變速器或差速器損壞等問題。該系統(tǒng)在車輛檢測站投入運行后，測試結(jié)果理想，性能穩(wěn)定可靠，操作方便。經(jīng)浙江省計量科學研究檢定合格，并出具了相應的檢定證書，制動臺的整體示值誤差小于1%，完全符合國家標準JJG 906—2009。

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