乘用車駐車制動性能轉轂測試與評價方法

張小龍 丁文俊 葛勝迅 韓 鵬 劉鵬飛 井 梅

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心， 合肥 230601)

乘用車駐車制動性能轉轂測試與評價方法

張小龍1丁文俊1葛勝迅2韓 鵬2劉鵬飛1井 梅1

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心， 合肥 230601)

為滿足乘用車駐車制動系統人機優化設計需要，設計了基于轉轂試驗臺的駐車制動動力學性能測試系統并進行性能評價方法研究。首先，建立了在轉轂試驗臺上進行等效駐坡度的測試模型。其次，構建了以美國NI嵌入式控制器cRIO及其C模塊為核心的測試系統，對手柄力傳感器和角位移傳感器進行選型，設計了安裝夾具以滿足車上通用性安裝要求。基于LabVIEW對數據采集器和上位機進行編程，實時可靠地實現數據采集、處理、通訊和人機交互等功能。再次，進行了測試方法研究，綜合考慮了彈性元件回彈、制動轂或盤的表面狀態、加工工藝等影響因素，引入概率統計方法對駐車制動性能進行評價。最后，進行了系統的實車試驗，結果表明設計的測試系統能夠可靠工作，滿足既定要求。研究表明提出的基于轉轂試驗臺的乘用車駐車制動性能測試與評價方法是有效可行的。

乘用車； 轉轂試驗臺； 駐車制動； 測試系統； 評價方法； 虛擬儀器

引言

駐車制動系統是在汽車靜止時穩定車輛、防止溜車事故發生的重要安全裝置，傳統乘用車一般采用前棘輪手柄后制動鼓中間拉索連接的機械式結構[1-2]。當前主要集中在行車制動研究，如早期的以提高整車利用附著系數為目標的前后地面制動力分配優化[3-4]、仿真計算與性能試驗[5]，以及現階段以提高制動穩定性和制動效能為目標的底盤電控系統控制算法[6-7]、硬件在環仿真[8]與實車試驗研究[9]等，國內在汽車制動電控系統產業化研究方面也取得了重要進展。對駐車制動研究主要包括對機械式駐車制動系統的駐車制動效率[10]、結構設計與疲勞性能[11]，以及對電子駐車制動系統的性能[12]、制動盤與制動蹄夾緊力特性[13]等研究。隨著對汽車駐車制動人機工程要求的提高，需要通過試驗手段獲取駐車手柄運動、駐車手柄操作力與駐車制動力的關系，以及探索新的駐車制動性能評價方法等，為駐車制動系統結構優化設計提供數據支持。

我國法規對乘用車駐車制動性能是基于駕駛員的操作力不超過400 N(手操作)時產生滿足規定的駐車坡度來評價的[14]。目前對駐車制動性能的檢測主要有路試法、臺試法和牽引法。路試法在固定坡度、高附坡道上進行，不能獲取駐車制動力，對試驗車實際駐車能力不能準確量化[14]。臺試法通常基于平板制動檢驗臺進行，其基于慣性原理設計，測試時需要一定的減速度，存在試驗重復性和精度差、難以模擬實際車輛駐車工況等不足[15]。牽引法在規定路面上通過牽引設備牽引試驗車進行，可以正向和反向牽引，并獲取整車駐車力，但試驗精度和試驗過程難以控制[16]。

轉轂試驗臺具有試驗過程加載可控、可輸出輪邊力信息等優點[17]。本文探索基于轉轂試驗臺進行乘用車駐車制動性能測試與基于輪胎力信息的評價方法研究，分析測試原理、構建測試系統并進行試驗研究，以其為測試和評價駐車制動系統性能提供一種新的有效手段。

1 測試原理

1.1 坡道駐車制動力學模型

以上坡駐車制動為例進行受力分析，如圖1所示，其中前輪為驅動輪，后輪為從動輪，駐車制動力作用于后輪。假設駐車時后輪與地面間不打滑，由受力平衡可得到

(1)

式中r——輪胎滾動半徑，前后輪相同α——坡度角G——整車質量Tf1——前輪滾動阻力矩和前軸傳動系統內阻Tf2——后軸滾動阻力矩Tk——駐車手柄棘輪第k齒時產生的駐車輪駐車力矩

FX2——后軸車輪地面切向力

圖1 汽車上坡駐車制動受力分析Fig.1 Force analysis for vehicle parked on uphill slope

1.2 轉轂駐車制動力學模型

汽車在轉轂試驗臺上駐車制動受力分析如圖2所示，以轉轂反轉模式(模擬上坡駐車)為例。圖中Fl1和Fl2是將試驗車固定在轉轂上的前后拉繩拉力，是一對平衡力，在下文分析中不考慮。

圖2 轉轂駐車制動力受力分析Fig.2 Force analysis for vehicle drived by dynamometer

在轉轂試驗臺測試時，轉轂以低速(0.1 km/h)拖動后車輪勻速轉動，假設車輪與轂面不打滑，則有

(2)

當拉動駐車棘輪棘齒為0齒時，駐車力矩T0=0，相當于沒有駐車制動，此時

(3)

代入式(2)有

(4)

1.3 兩種模型聯系——等效駐坡度建立

由圖1和圖2受力及對比分析可知，駐車車輪(后輪)在坡道駐車和在轉轂上駐車兩種情況下的受力相同。但在坡道上駐車時整車有相對地面運動趨勢，存在非駐車車輪滾動阻力；而在轉轂上駐車時，僅駐車車輪被轉轂驅動低速轉動，非駐車車輪不轉動，轉轂沒有輸出扭矩克服其滾動阻力。

(5)

一般情況下，良好水平路面上無風或微風時的整車道路滑行試驗可得到整車滑行阻力Fhx，由空氣阻力和整車滾動阻力組成，并可簡化為滑行速度的多項式[18]，即

(6)

式中ua——車速，km/hF0、F1、F2——滑行阻力系數，由試驗數據擬合得到

其中F0物理意義等價于式(5)，為滑行速度為0時的整車滑行阻力。

聯合式(1)～(6)，定義駐車棘輪第k齒時的等效駐坡度θk為

(7)

轉轂正轉可實現下坡駐車性能測試，轉轂反轉可實現上坡駐車性能測試，測試原理相同。

2 測試系統

綜合考慮測試系統功能和可靠性要求，構建乘用車駐車性能測試系統，如圖3所示，主要傳感器設備或信息技術指標如表1所示。

圖3 測試系統架構Fig.3 Test system framework

表1 主要傳感設備性能指標Tab.1 Performance parameters of main sensors and devices

測試系統由傳感器組、數據采集器和便攜式計算機等組成。其中駐車手柄力傳感器和角位移傳感器提供駐車手柄力和駐車手柄角度信息，可通過駐車手柄角度判斷駐車棘輪棘齒數。轉轂試驗臺提供駐車輪轂輪邊力和轉轂車速信息。數據采集器實現對上述信息的實時同步采集，并通過網線上傳至便攜式計算機進行實時處理、顯示和報告生成。

2.1 主要傳感器選型

轉轂試驗臺是由其控制臺控制，可以輸出輪邊力、速速、減速度等物理量供第三方數據采集器采集。本文試驗中確定轉轂驅動模式為恒速模式，試驗中轉轂不斷地調整輪邊力使輪胎以預設的速度穩定運行。

手柄力傳感器是用于測量駕駛員操作駐車手柄時的操作力，角位移傳感器是用于測量駐車手柄在不同棘齒時的相對角度。駐車手柄周圍空間狹小，傳感器布置時盡可能不改變駕駛員操作習慣。經過調研論證，最終選擇了德國HKM公司手柄力傳感器和美國VectorNav公司慣性測量單元VN100[19]，并自行設計夾具以確定其安裝位置。這2個傳感器體積小巧，安裝方便，精度滿足測試要求。

2.2 數據采集器

數據采集器是整個測試系統的核心，系統為車載測試設備，對可靠性和實時性有較高要求。最終選用美國NI公司的cRIO-9082作為數據采集器控制器[20]，基于LabVIEW可重配置I/O架構，工業級可靠性，封裝堅固耐用，運行實時系統。基于其控制上的串口實現角位移傳感器信息的采集。選型C模塊NI 9229和NI 9411，插入控制器機箱中，實現對手柄力傳感器信號、轉轂模擬和數字轉速信號的采集。該系統為虛擬儀器，將來可根據應用需要進行功能擴展。

2.3 軟件架構

測試軟件基于美國NI LabVIEW開發，包括運行在數據采集器中的FPGA軟件、實時RT軟件和運行在上位機中的數據采集與分析軟件[21]。

軟件架構如圖4所示。FPGA軟件實現駐車手柄力、轉轂輪邊力和轉轂車速的采集。實時軟件同步讀取FPGA軟件中采集的信息，與串口采集的駐車手柄角位移信息一并通過UDP向上位機傳送數據，同時接收控制指令。上位機軟件基于狀態機架構設計，通過3個獨立的While循環實現UDP數據收發，數據解析、顯示和記錄，以及人機交互等。

圖4 測試系統軟件結構圖Fig.4 Software diagram of test system

軟件利用多線程、隊列、狀態機等技術，保證數據采集、處理、通訊、人機交互等工作獨立并行執行，程序實時性和可靠性高。

3 測試與評價方法

3.1 測試方法

設置轉轂試驗臺為恒速反拖車輛模式，通過實時測量其輸出的輪邊力信息可間接得到駐車制動力，參考式(4)。具體方法如下：

(1)試驗儀器設備裝車。駐車手柄力傳感器及其夾具固定在駐車手柄前端，角位移傳感器安裝平面與駐車手柄縱向對稱面保持平行。2個傳感器在實際使用前要進行偏置標定和剔除。

(2)測試車輛按照相應規范固定在轉轂上。對轉轂試驗臺設置風機風速、軸矩、轉轂轉速等。

(4)以同樣方式測試轉轂正轉反拖車輛測試。

(5)數據處理。利用式(7)進行等效駐坡度計算。

3.2 評價方法

基于測試系統(圖3)能夠實現對轉轂輪邊力、駐車手柄力和角位移的同步實時測量，且每個駐車棘輪齒對應有輪胎轉動3圈的試驗數據，但實際中測得的駐車輪駐車力矩Tk在一定范圍內類似正弦波動，可能與制動轂或盤的表面狀態、加工工藝等有關[22]。基于此，引入概率統計方法對駐車制動性能進行評價，下面以駐車手柄棘輪第k齒為例進行說明。

由此可見，實際坡道上駐車成功具有隨機性，而本文提出的概率統計駐車評價方法是基于車輪駐車力信息的，能夠全面評價實車駐車性能。

4 實車試驗

4.1 試驗概述

以某乘用車在江淮汽車技術中心乘用車性能轉轂上進行實車駐車性能測試試驗。轉轂轂面附著、載荷滿足法規要求。試驗設備安裝如圖5所示，試驗方法如3.1節所述。試驗時，測得試驗樣車車輪滾動半徑為307.4 mm，整車裝備質量1 800 kg，通過道路滑行試驗得到整車滾動阻力166.88 N。設定轉轂車速和風機風速為0.1 km/h，每個駐車手柄棘齒測試時間和等待時間分別為260 s和60 s。同時也進行了實際道路坡道上的駐車試驗，記錄各駐車手柄棘輪棘齒下的駐車是否駐住、駐車手柄力和角位移等信息，包括上坡駐車和下坡駐車。

圖5 試驗設備安裝圖Fig.5 Installation diagram of test devices1.便攜式計算機 2.駐車制動手柄 3.手柄力傳感器支架 4.扎帶 5.手柄力傳感器 6.手柄角位移傳感器 7.數據采集器 8.鋰電池 9.試驗樣車 10.轉轂試驗臺

圖6 試驗曲線1Fig.6 Test curves 1

4.2 試驗數據分析與評價

圖6a和圖6b分別表示轉轂反轉和正轉時輪邊力的歷經過程。隨著齒數的增加，駐車制動力增大，等效坡度也增大，第一和第二齒增幅不大，表明第一和第二齒是自由行程。圖6c和圖6d分別表示轉轂反轉和正轉時駐車制動操縱桿拉起第6齒時輪邊力的歷經曲線，從中可以看出，輪邊力呈周期性變化，試驗數據重復性好。

從圖6e和圖6f分別是轉轂反、正轉時測得的駐車手柄角位移曲線，在駕駛員拉起駐車手柄后約1 s數值趨于穩定。圖6g和圖6h是同一輛車道路駐坡試驗時測得的對應上坡和下坡時的駐車手柄角位移曲線，可以看出相同駐車棘齒數對應的角位移基本相同。

圖6i和圖6j分別是轉轂反、正轉時測得的駐車手柄力曲線，圖6k和圖6l分別是對應坡道上駐車上坡和下坡測試時得到的駐車手柄力曲線。從中可以看出，隨棘齒數的增加，駕駛員的操作力也隨之增加，在圖6i中最后一個波峰是松開駐車制動操作時造成的。因駕駛員施加駐車手柄力的作用點位置不同，當棘齒數較高時，駕駛員操作力的一致性較差。

圖7a和圖7b分別是轉轂正轉和反轉時駕駛員駐車手柄力與平均駐車制動力的關系曲線。考慮到駐車棘輪第一齒和第二齒是自由行程，以及駐車手柄力不超過400 N(手操作)，在擬合時未考慮第一齒、第二齒和第十齒。擬合結果決定系數分別為0.996、0.997，表明該試驗樣車的駐車制動系統駕駛員操作力和平均駐車制動力呈強正相關，線性度高。

該試驗樣車在20%標準坡道進行上坡試驗時，即使拉至最高齒也立即出現溜車現象，無法穩定駐車，而轉轂反轉測得等效坡度最大值小于20%，如圖7c所示。進行下坡試驗時，拉至最高齒出現開始溜車、約1 s后車輛穩定駐車的現象，并重復出現。經分析，是由制動器表面凹凸不平引起的。轉轂正轉測得車輪轉動一周有85.90%的等效坡度不小于20%，如圖7d所示。

圖7 試驗曲線2Fig.7 Test curves 2

5 結論

(1)提出了一種基于轉轂試驗臺的乘用車駐車制動動力學性能測試和評價新方法，分析了測試原理，構建了虛擬測試系統，試驗驗證了該方法的可行性。有效拓展了轉轂試驗臺的測試功能。

(2)本文設計的基于轉轂試驗臺的乘用車駐車制動性能測試系統為提高駐車制動系統人機優化設計提供了有效手段。該測試系統基于虛擬儀器設計，擴展性和可靠性高，可以拓展到其他類似車載測試領域使用。

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Test and Evaluation Method for Parking Brake Performance of Passenger Vehicle Based on Dynamometer

ZHANG Xiaolong1DING Wenjun1GE Shengxun2HAN Peng2LIU Pengfei1JING Mei1

(1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China2.TechnicalCenterofAnhuiJianghuaiAutomotiveGroupCo.,Ltd.,Heifei230601,China)

In order to meet the requirements for human machine optimization design, the dynamic test system was designed based on the chassis dynamometer, which was used to evaluate the parking brake performance of passenger vehicle. Firstly, the feasibility analysis was conducted for the test scheme, and the test model for the equivalent angle of parking slope was put forward. Then, the test system was designed, in which the CompactRIO (cRIO) controller and the related C modules made by National Instrument Company of America were selected as the core components. Under the consideration of the general installing requirements, both the handle force sensor and the angle sensor were selected, and their related mounting brackets were designed. Besides, the LabVIEW was employed to program the code for the controller and the host computer, in which the functions, such as data collection, data processing, communication and GUI, were conducted reliably in real time. Thirdly, the test method was explored, in which these influence factors were taken into consideration, such as elastic elements rebound, surface state of brake drum or disk, processing technology. In particular, the method of probability and statistics were introduced to evaluate the parking brake performance. Finally, the test system was used to conduct several tests and it worked reliably, and it met the design requirements. The result showed that it was effective and plausible for the dynamometer based test system and the evaluation method proposed for the parking brake performance of passenger vehicle.

passenger vehicle； dynamometer； parking brake； test system； evaluation method； virtual instrument

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.046

2016-08-10

2016-09-10

安徽省自然科學基金項目(1608085ME109)和國家自然科學基金項目(51675005)

張小龍(1976—)，男，教授，博士，主要從事車輛測控與動力學研究，E-mail: xlzhang@ahau.edu.cn

U467.1

A

1000-1298(2017)03-0361-07