客車整車制動穩定性硬件在環仿真研究

陸　藝，薛　劍，徐博文，吳佳偉

（1.中國計量學院，浙江 杭州 310018；2.簡式國際汽車設計北京有限公司，北京 102206）

客車整車制動穩定性硬件在環仿真研究

陸藝1，薛劍2，徐博文1，吳佳偉1

（1.中國計量學院，浙江 杭州 310018；2.簡式國際汽車設計北京有限公司，北京 102206）

針對客車在轉彎或有側向干擾時的制動穩定性分析中存在氣制動系統建模非線性誤差和實車實驗模擬困難、危險性大等問題，采用硬件在環仿真測試技術設計一套客車整車制動穩定性仿真測試系統。首先搭建客車氣制動系統的硬件實物平臺，運用Matlab/Smulink建立轉彎時的車體、輪胎、制動器的仿真模型，采用Matlab/xPC的實時數據采集技術對客車制動時的制動氣室輸出力進行數據采集，并實時反饋至車輛動力學仿真模型。系統對客車轉彎時及有側向力影響下的制動穩定性進行測試分析，試驗結果表明：系統采樣頻率為1kHz，輸出力分辨率為10N，可以直觀地顯示車輛的制動過程及結果，能夠很好地對客車制動穩定性能進行測試分析，為國內客車整車制動性能的提高提供一個良好的研究平臺。

硬件在環；Matlab/xPC；整車動力學模型；制動穩定性；仿真技術；氣壓制動

0　引　言

汽車的制動性能是影響汽車行駛安全的直接原因，由制動系統決定，良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障[1]。汽車的制動過程是一種強非線性過程，尤其是在轉彎時進行制動操作的危險性很大。汽車表現出的制動性能與汽車制動底盤的布置和制動系統各部分的參數有關[2]。然而目前在制動性能的研究中實車試驗風險大、容易受到天氣、環境等因素制約，并且純理論仿真控制效果不夠直觀，仿真環境過于理想化，難以真實反映復雜的實際情況[3-4]；因此采用硬件在環仿真方式，將實際系統中模擬困難或純仿真試驗中非線性因素難以表現的硬件設備通過計算機連接到仿真環境，進行試驗，提高仿真效果[5]。

國內外對于硬件在環在汽車上的應用已經有了很廣泛的研究，如對汽車ESP、偏航穩定性、ABS、汽車牽引力、自動變速器等硬件在環研究，但是對于汽車氣制動系統的硬件在環研究較少。對于汽車整車動力學仿真模型的相關研究已經較為成熟，如十四自由度、十五自由度、十七自由度、十八自由度模型等可以用來仿真汽車行駛時全部工況的多自由度模型。對于輪胎動力學的研究也已經較為成熟，如理論模型Fiala模型、Pacejka弦模型、Gim模型、經驗模型Magic Formula模型和半經驗模型冪指數模型等。各國學者在進行整車制動性能研究時對制動系統一般采用理論建模的方法，直接表現為制動力矩和管路壓力的線性關系，如AshleyL.Dunn建立的制動力矩與制動壓力的盤式制動器線性經驗模型[6]，建立氣壓ABS仿真測試系統時把制動力矩表現為與制動管路氣壓的線性關系等[7-8]。

綜上所述，國內外學者對于汽車硬件在環的研究較早，近年逐步應用到車輛研究中，針對車輛研究的范圍較廣，但是針對整車氣制動系統的硬件在環測試系統非常缺乏，對制動系統一般采用理論建模的方法將制動管路的延遲理想化，不考慮制動管路的滯后性等因素，與實際制動過程中力矩的產生有很大的誤差。因此設計了一套基于硬件在環的客車整車制動穩定性仿真測試系統。

依據GB 7258——2012《機動車運行安全技術條件》[9]、GB 12676——2014《汽車制動系結構、性能、和試驗方法》[10]對制動試驗的要求，結合Matlab/xPC、Matlab/Smulink以及氣制動系統硬件實物搭建了客車整車制動穩定性硬件在環仿真試驗平臺，并對緊急制動條件下的客車轉彎時及側向力影響下的制動性能穩定性進行了測試分析。

1　系統原理設計

根據客車整車制動穩定性測試系統的要求，提出了硬件在環測試系統的總體結構方案，包括實時平臺、氣制動系統硬件和仿真模型3部分。其中實時平臺由宿主機和目標機以及通信設備組成；氣制動系統硬件按照實際制動系統搭建；仿真模型根據整車動力學模型在宿主機中建立。客車整車制動穩定性硬件在環測試系統結構如圖1所示。

圖1　測試系統結構

1.1硬件以及實時平臺

實時平臺的宿主機安裝Matlab/Simulink，主要負責汽車仿真模型建立、參數配置、試驗過程的控制及測試結果實時監控和顯示。目標機采用Matlab/xPC方式將計算機配置成為實時環境，是仿真模型運行的載體。目標機安裝數據采集卡和運動控制卡，仿真時根據模型參數配置確定當前車輛狀態，通過向運動控制卡發送信號以實現氣制動系統的運行狀態，并通過數據采集卡接收氣制動系統硬件信號。宿主機與目標機通過局域網的TCP/IP方式連接。程序運行時宿主機起到監視和控制的作用，試驗數據可以實時地傳回主機進行顯示或后期保存。

氣制動系統按照實際的制動系統布置搭建，圖2是客車整車制動系統的硬件組成示意圖，主要包括制動系統硬件部件、傳感器、電機加載部分。系統運行時，制動總閥在電機加載力作用下開啟和切斷制動回路，控制制動系統工作，制動總閥輸出的氣壓作為繼動閥輸入氣壓輸出至繼動閥促使繼動閥快速向制動氣室充氣，制動氣室充氣后開始作用，推桿產生輸出力。制動氣室推桿輸出力通過力傳感器傳遞至目標機。伺服電機在運動控制卡的控制下實現制動系統的緩慢、快速加載等，用于模擬常用制動、緊急制動、快速制動等制動情況；制動氣室作為制動系統的輸出部分連接力傳感器向仿真模型提供實時仿真數據。

圖2　客車制動系統的氣路原理圖

1.2仿真模型的建立

車輛模型選取了七自由度的四輪簡化車輛模型進行車體的受力分析和運動分析，包括整車縱向、橫向、橫擺運動自由度，以及4個車輪繞其自身旋轉中心的旋轉自由度，根據測試項目，七自由度車輛模型在縱向橫向橫擺的運動自由度可以充分滿足測試需求。客車整車制動硬件在環試驗平臺的軟件結構以及車輛動力學模型方案如圖3所示。

圖3　車輛動力學模型方案

其中七自由度車輛模型在縱向、橫向、垂向上的平衡計算公式如下：

式中：Iz——汽車繞相對坐標軸z軸的轉動慣量，kg/m2；

u——車輛縱向速度，m/s；

ν——車輛橫向速度，m/s；

γ——車輛橫擺角速度，rad/s；

Fx——各個車輪受到的縱向力，N；

Fy——各個車輪受到的側向力，N；

Mz——橫擺力矩，N·m。

根據整車制動硬件在環測試系統測試項目對輪胎模型的要求，選用了通用性強、公式簡潔的GIM理論輪胎模型進行建模。將車輪與地面的接觸面長度分為粘著域（0～ε）和滑動域（ε～l）。在粘著域內，附著力由輪胎表面的切線彈性力決定；在滑動域內，附著力由滑動摩擦應力決定，整個輪胎接地面的縱向、橫向附著力為

式中：Cs——車輪縱向剛度，N/m3；

Ca——車輪橫向剛度，N/m3；

ss——車輪縱向滑移率；

sa——車輪橫向滑移率；

ssc——車輪縱向臨界滑移率；

sac——車輪橫向臨界滑移率；

μx——輪胎縱向附著系數；

μy——輪胎橫向附著系數；

ln——輪胎接地線長度的無量綱值，定義為ln=ε/l。

選取了領從蹄式鼓式制動器建立模型，其數學模型表現為制動氣室輸出力和制動器輸出力矩的關系，是氣制動系統硬件和仿真模型的連接部分，數學公式為

式中：η——制動器效率系數；

k——制動器效能因數；

R——制動氣室輸出力，N。

1.3測試系統工作原理

宿主機建立完成的仿真模型經過編譯生成目標機文件，并下載至目標機實時內核中，待宿主機發送啟動命令后，仿真系統開始運行，運行時仿真系統首先向電機發出加載信號，并開始采集硬件系統數據。電機對總閥的加載使氣制動系統開始工作，制動系統壓力傳感器信號經過轉換后傳遞至數據采集卡。目標機實時程序計算得到車體的運動狀態，并實時顯示制動情況（包括車體速度、位移、加速度等），制動過程完成后，模型運行停止，電機進行退加載操作，釋放氣制動系統。

2　實驗結果分析

根據標準GB 7258——2012對行車制動時制動協調時間的要求，設計制動系統制動協調時間為0.58s，在此加載條件下對客車轉彎時及側向力影響條件下的制動性能穩定性進行了測試。試驗樣車為乘用客車，其參數如表1所示，實驗中選取的路面附著系數值如表2所示。

表1　整車參數

表2　各種路面條件附著系數

圖4　轉彎制動結果

2.1制動過程中方向穩定性分析

制動過程中方向穩定性是指車輛在減速過程中可以按照預定方向行駛的能力，其中方向穩定性由前輪決定，制動穩定性與后輪防滑能力和兩側車輪制動力有關。在上述緊急制動加載條件下，分別對客車按預定彎道行駛的能力、直線行駛能力、以及對開路面上的行駛能力進行分析。

2.1.1按預定彎道行駛的能力分析

前輪轉角輸入為0.04 rad時，在高附著路面系數路面上，以72km/h的初速進行制動的試驗結果如圖4所示。

制動完成后，車輛縱向移動的距離為28.85 m，橫向移動的距離為8.84m，由試驗結果得到，車輛橫向速度變化較大，且制動試驗完成后不為0m/s，約為13.24m/s，車輛左前輪、右前輪、左后輪、右后輪分別在0.96，0.96，1.14，1.15s時抱死，橫擺角速度不斷增大，至制動結束后為1.98rad/s，說明車輛已經出現滑移，失去了穩定性。

2.1.2直線行駛時的方向穩定性分析

在高附著系數路面上，以初始制動速度72km/h進行直線制動試驗時，在車輛質心處加以大小為1000N的側向干擾力，制動結果如圖5所示。

圖5　有側向力干擾時制動結果

制動完成后，車輛縱向移動的距離為36.02m，橫向移動的距離為0.69 m，前輪在1.0 s、后輪在1.24 s時抱死，在車輪抱死后，車輛橫向速度出現不可控趨勢，直至制動完成后橫向速度為1.8m/s，車輛失去穩定性控制。車輪橫擺角速度在車輪全部抱死之前幅值較小，后輪抱死時橫擺角速度僅為0.015rad/s，車輪全部抱死后急劇增大。車輛已經失去了穩定性，容易發生滑移等危險工況。

2.2對開路面測試分析

車輛在對開路面條件下制動時由于左右輪胎受到的地面制動力不同而引起車身橫擺或者側滑而引發制動危險工況。對開路面設定客車右邊輪胎處于附著系數較大的路面上，左側輪胎處于附著系數較小的路面上，以初速度分別為30，72 km/h在無側向力干擾條件下進行制動試驗，結果如圖6所示。

圖6　對開路面試驗結果

由試驗結果得到，車輛進行制動試驗時處于低附著系數路面上的車輪即左側車輪抱死時間更早，并且車輪全部抱死之后車輛橫向速度和橫擺角速度幅值繼續增大。對于初速度為30km/h時的制動試驗，車輛縱向、橫向制動距離較小，試驗中車輛的橫向速度和橫擺角速度幅值和變化較小，并且在制動完成后橫向速度和橫擺角速度變為0m/s，說明車輛對地面制動力不平衡的調節效果良好。

對于制動初速度為72km/h時的制動試驗，車輛制動距離較大，試驗中橫向速度和橫擺角速度變化幅值較大且制動完成后橫向速度為0.10m/s，同時橫擺角速度達到最大值1.31rad/s，并且車輪側傾角變化幅度較大，說明制動過程極其不穩定，實際中可能出現側滑、側翻偏離行駛軌道的危險。由此，車輛行駛在對開路面時應該盡量減小行駛速度，以減小危險發生的可能性。

2.3制動性能影響因素分析

在不同的初始制動速度、地面附著系數條件下進行了轉彎時、側風作用下制動穩定性的試驗，以及不同側風大小、前輪轉角大小條件下的制動穩定性試驗，并進行了對比分析。試驗結果表明，初始制動速度越大、地面附著系數越低、側風越大越易出現危險工況。由于客車并沒有安裝防抱死裝置，在制動試驗中均出現車輪全部抱死的情況，即使在較小側向干擾、初始制動速度較小時也會出現側滑等工況，說明車輪抱死對制動穩定性影響最為明顯，大客車應安裝防抱死裝置避免抱死現象。

3　結束語

本文針對客車轉彎時制動或有側向干擾時制動操作中車輛表現出的制動穩定性，采用硬件在環技術結合七自由度車輛模型設計了一套客車整車制動穩定性仿真測試系統，并對客車的制動性能穩定性進行了試驗分析。結果表明系統可以直觀體現制動過程中車輛的運動狀態，并為客車的制動穩定性的分析研究提供試驗依據。

[1]宋健，王偉瑋，李亮，等.汽車安全技術的研究現狀和展望[J].汽車安全與節能學報，2010，1（2）：98-106.

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[9]機動車運行安全技術條件：GB 7258—2012[S].北京：中國質檢出版社，2012.

[10]汽車制動系結構、性能、和試驗方法：GB 12676—2014[S].北京：中國質檢出版社，2014.

（編輯：李妮）

Research on hardware-in-the-loop simulation of bus braking stability

LU Yi1，XUE Jian2，XU Bowen1，WU Jiawei1
（1.China JiLiang University，Hangzhou 310018，China；2.Jasmin Design，Beijing 102206，China）

A simulation testing system for whole-bus braking stability is designed to solve the problems in brake stability of buses turning a corner or encountering side lateral interferences，such as modeling nonlinear errors in air brake systems or difficulties and dangers in real vehicle experiments，according to hardware-in-the-loop data acquisition technology.First，a physical hardware platform is built for air brake system.Second，simulation models for vehicle，tire and brakearerespectivelyestablishedviaMatlab/Smulink.Third，theoutputforceofthebrake chamber is collected by means of Matlab/xPC real-time data acquisition technology and further fed back to dynamical simulation models.This system is applied to test the brake stability of the bus turning a corner or under the influence of lateral interferences.According to the test results，the sampling frequency and output force resolution of the system are 1kHz and 10N respectively.With this system，the braking processes and results have been visually displayed and the braking stability performance have been better tested and analyzed.It has provided a good research platform for improving the braking performances of home-made buses.

hardware-in-the-loop；Matlab/xPC；vehicle dynamic model；braking stability；simulation technology；air brake

A

1674-5124（2016）03-0128-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.029

2015-06-01；

2015-08-05

國家質檢總局公益行業科研項目（201310284）；浙江省公益性技術應用研究計劃（2014C31105）

陸藝（1979-），男，江蘇揚州市人，副教授，碩士，研究方向為精密測試技術研究以及汽車零部件檢測。