農用車輛ABS制動特性及轉鼓試驗研究

中圖分類號：S229；U462 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0226-06

Abstract：Inorder toimprovethedrivingsafetyofagricultural vehiclesandtheresearchanddevelopmenteficiencyof ABS braking performance，theABS system composition，braking force，braking characteristics and braking control principles of agriculturalvehicleswere analyzed，thesimulation model ofagricultural vehicles ABSwas established，and thebrakig characteristicsof agriculturalvehicleswithandwithout ABSbraking wassimulatedandanalyzed.Thedrum testof agricultural vehicle was investedand constructedto testandverifythe braking characteristicsofagricultural vehicles withand withouttheABS braking.Theresultsshow thatunder the independentcontrolof ABS，the braking stop time of agricultural vehicles is 2.75s and 3.25s ，the braking distance is 31.25m and 36.89m ，respectively，and the maximum braking deceleration is 7.88m/s² and 6.27m/s² . Under ABS braking，the wheel slip ratio of the left and right wheels is basicallythesame，andthewheel slipratiohasasmalloveralfluctuation neartheoptimalvalueO.18，whichensures the directionalstabilityof thevehicle during the braking process.Thesimulationrelativeerrorsofbraking time，braking distance and average braking deceleration for agricultural vehicles with and without ABS braking are 2.18% ， 2.02% and 1.14% ，respectively，and the test relative errors are 2.15% ， 1.17% and 1.75% ，respectively.

Keywords：agricultural vehicle；ABS；braking characteristics；drum test

0 引言

農用車輛是用于運送農用貨物和工具的車輛，在農業生產中應用廣泛。車輛防抱死制動系統ABS是車輛主動安全控制領域最具典型的代表。農用車輛由于結構復雜、整車制動試驗限制較多、影響因素眾多，導致農用車輛ABS系統研發周期長，因此，有必要對農用車輛ABS制動特性及轉鼓試驗進行研究和分析。

為開發出制動性能優良、穩定性高的農用車輛ABS制動系統及轉鼓試驗臺，國內外眾多學者對各種車輛的ABS制動系統及轉鼓試驗臺進行研究分析。王凱凱等1基于MATLAB對制動系統進行建模和仿真，同時對ABS控制器進行設計；劉斌等2對純電動智能汽車制動防抱死系統的控制邏輯進行研究和分析；白克非等[3基于制動臺對防抱制動系統的測試技術進行優化分析；李晶等4對輕型卡車AEBS制動氣路進行匹配和研究；徐申敏[5研究了后驅電制動對ABS觸發表現的影響；毛煜錚等6基于抱死預測對EV再生制動協同ABS控制策略進行研究；苑磊等7基于線性自抗擾控制對汽車ABS滑移率控制進行研究和分析；曹君8研究了商用車氣壓ABS電磁閥對彈簧制動氣室制動力的影響；賈會星9運用仿真分析的方法，研究了制動防抱死系統的通道控制對重型半掛車制動穩定性的影響；Koylu等[10]對臨界路況下ABS低速制動及穩定性試驗進行研究；周東11基于ESP和ABS對汽車輔助制動裝置安全控制系統進行設計；Koylu等[12]在ABS制動過程中，將懸架系統集成到ABS中以改善動態車輪負載振蕩的新方法進行分析和研究；周祥[13]對重型卡車和轎車轉鼓試驗臺的異同進行分析和研究；謝銳華等14對ABS轉鼓慣性式制動試驗臺校準方法進行研究。眾多學者對各種車輛的ABS制動特性及轉鼓試驗進行研究，為車輛的ABS制動特性改善、使用壽命提高、安全性能提升等方面提供重要的參考，但是對農用車輛ABS制動特性及轉鼓試驗等方面的研究較少。

基于此，本文以某農用車輛為研究對象，基于理論分析，運用仿真分析及試驗的方法對農用車輛ABS制動特性進行研究和分析，為農用車輛ABS制動特性的改善、制動安全性能提升提供理論依據。

1農用車輛ABS系統結構

農用車輛ABS系統結構主要由車輪速度傳感器、齒圈、電子控制單元（ECU）、壓力控制閥、ABS警告燈、車輪制動缸、腳制動閥等組成，如圖1所示。農用車輛ABS系統結構中的車輪速度傳感器主要是用來記錄車輪速度；壓力控制閥在ABS起作用時，調節車輪制動缸壓力；電子控制單元（ECU）是根據實時采集的車輪速度傳感器數據和對數據處理完成后的信號，對壓力控制閥進行控制，從而實現對農用車輛ABS制動系統進行自動、智能控制。

圖1農用車輛ABS系統結構

Fig.1 ABS system structure foragricultural vehicles1.車輪速度傳感器、齒圈2.電子控制單元（ECU）3.壓力控制閥4.ABS警告燈5.車輪制動缸6.腳制動閥

2農用車輛ABS系統制動分析及仿真建模

2.1 制動受力分析

農用車輛在行進過程中，當對其施加一定的制動力時，農用車輛在制動力的作用下速度逐漸減小至零。農用車輛在制動過程中，由于車輛輪胎與行駛地面兩者之間產生了反向摩擦力即制動力，在反向摩擦力的作用下，農用車輛行進速度越來越小。農用車輛制動過程受力分析如圖2所示。

如圖2所示，車輛中心箭頭為農用車輛行進方向，車輪中心箭頭為反向摩擦力即制動力，質心中心箭頭為慣性力，質心中心旋轉弧為負載力矩。可以看出，反向摩擦力即制動力與行進路面的摩擦系數有關，行進路面摩擦系數越大，地面產生的反向摩擦力越大，農用車輛速度減小得越快，制動距離越短。農用車輛質心的慣性力與4個車輪和地面制動力合力的大小相等，但方向相反。當農用車輛左、右車輪制動力相等時，農用車輛沿著行進方向減速直到停止；當農用車輛左、右車輪制動力不相等時，在農用車輛質心處會產生負載力矩，從而導致農用車輛偏離原來的行進方向。

2.2 制動特性分析

在實際作業過程中，農用車輛的ABS系統存在多種制動抱死情況，其中直線行駛車輪抱死、前輪抱死、后輪抱死、所有車輪全部抱死4種典型ABS系統制動抱死情況，如圖3所示。在農用車輛ABS制動抱死過程中，由于制動抱死條件不同，農用車輛制動停止狀態不同。當農用車輛前輪先抱死拖滑，農用車輛將喪失轉向能力；當后輪先抱死拖滑，農用車輛在輕微的側向力作用下就會發生側滑；當前、后車輪同時抱死，即所有車輪全部抱死，農用車輛將直線滑行；農用車輛在行駛過程中，要求前輪抱死要早于后輪抱死，以避免農用車輛的甩尾。農用車輛ABS制動抱死極大影響其制動安全性和穩定性，而農用車輛ABS制動抱死與ABS制動特性和轉鼓結構、制動控制方式等緊密相關，因此，有必要對農用車輛ABS制動特性和轉鼓結構、制動控制方式等方面進行研究和分析。

圖3農用車輛ABS制動抱死情況 Fig.3ABS brake lock situation of agricultural vehicles

2.3 制動控制原理

農用車輛ABS制動特性與車輪速度、加速度、滑移率等重要制動參數緊密相關，綜合考慮車輪速度、加速度、滑移率等參數，建立農用車輛ABS制動控制原理[15]如圖4所示。

圖4農用車輛ABS制動控制原理

Fig.4Principle ofABSbrakingcontrol foragricultural vehicle：

由圖4可知，通過車輪速度傳感器實時獲取農用車輛的車輪速度。在實際作業過程中，對車輪速度信號進行微分運算即可獲得農用車輛車輪實時加、減速度。為獲得農用車輛關鍵控制參數車輪滑移率 s ，以農用車輛驅動輪和非驅動輪2種車輪為研究對象，對兩車輪速度 V_c 在行進過程中產生的2個近似農用車輛整車速度 V_cr 進行計算，取計算值較大的作為農用車輛整車速度近似值；根據實時監測的車輪速度 V_c 和農用車輛整車速度近似值 V_cr ，結合農用車輛制動系統車輪滑移率公式 S=（V_c-V_cr）/V_cr， 即可計算出農用車輛各車輪滑移率 S^[16] 。當滑移率 S=1 時，農用車輛將會失去轉向操縱性與制動穩定性；當滑移率 s= 0.1～0.26 時，農用車輛可以獲得較好的縱向和側向附著力，是農用車輛安全制動的優選區域。在農用車輛制動時，制動壓力 P 增加；當車輪減速度 S_s 達到設定門限值ak時，控制信號ak出現；根據控制信號對制動壓力 P 進行保壓控制直到車輪滑移率 s 增大到車輪滑移率上門限值 S_sk 控制信號出現，對制動壓力 P 進行降壓控制[17]。如果制動開始后，農用車輛車輪滑移率 S 增大到滑移率下門限值 S_xk ，且車輪減速門限控信號a還未出現，則直接對制動壓力 P 進行降壓控制。如此循環往復，從而實現對農用車輛ABS系統制動特性進行精確的控制。

2.4制動仿真建模

根據上文研究和分析，本研究建立農用車輛ABS制動仿真模型[18]如圖5所示。

圖5農用車輛ABS制動仿真模型

Fig.5 Simulation model of ABS braking foragricultural vehicles

由圖5可知，農用車輛開始制動時，車輪減速門控制信號一a出現后又消失。滑移率上門限值 S_sk 控制信號出現較長時間，制動壓力實現了2次階躍減壓；車輪加速度門限控制信號還未產生，則為低附著系數路面。在下一周期車輪加速度門限控制信號出現之前繼續降低制動壓力[19]。通過對圖5中的第2周期階段6和第1周期階段3進行對比可知，車輪速度 V_c 的再加速過程提前，對應的變化幅度減小，即車輪已經進入高低附著系數路面[20]。通過建立農用車輛ABS制動仿真模型，并對農用車輛的不同制動階段進行智能控制，運用轉鼓試驗的方法對農用車輛ABS制動特性關鍵制動參數進行試驗驗證。

3ABS制動特性仿真與結果分析

3.1制動特性仿真

根據建立的農用車輛ABS制動仿真模型，選擇某常用農用車輛。選定農用車輛后即可得到農用車輛整車整備質量、軸距、輪胎半徑、空氣阻力系數、制動初速度及制動速度范圍等關鍵參數；選定農用車輛實際作業的工況時，滾動阻力系數、附著系數即可確定。根據選定的農用車輛和作業工況，得到本研究農用車輛ABS制動特性主要關鍵參數如表1所示。

表1農用車輛ABS制動特性主要關鍵參數

Tab.1MainkeyparametersofABSbrakingcharacteristicsfor agricultural vehicles

結合表1中農用車輛ABS制動特性主要關鍵參數，對建立的農用車輛ABS制動仿真模型進行數值仿真計算。

3.2 仿真結果分析

根據數值仿真結果，計算得到農用車輛ABS制動下，車輪角速度曲線、車輪制動距離曲線、車輪滑移率曲線仿真結果分別如圖 6～ 圖8所示。

由圖6可知，農用車輛在ABS獨立控制下，制動停正時間為 2.75s_c 。在不同制動時間下，車輪角速度與左、右前輪角速度變化曲線存在差異；左、右前輪在ABS制動下，車輪角速度值的大小及變化趨勢基本一致。

由圖7可知，農用車輛在ABS獨立控制下，制動停止時間為2.75s，制動距離為 31.25m 。

圖7農用車輛ABS制動下車輪制動距離曲線 Fig.7 Braking distance curve of wheels under ABSbrakingofagriculturalvehicles

由圖8可知，農用車輛在ABS獨立控制下，整車最大制動減速度為 7.88m/s² 。在ABS制動下，左、右車輪滑移率基本一致，均呈現先增加后在某一值上下波動再增加，最后保持不變的趨勢；左、右車輪滑移率在最佳值0.18附近整體波動較小，保證了整車在制動過程中方向的穩定性。

4轉鼓試驗驗證

4.1轉鼓試驗

為驗證農用車輛ABS制動數值仿真準確性，同時充分獲取農用車輛轉鼓試驗數據，為農用車輛轉鼓設計優化、綜合性能的提升及整車制動穩定性、安全性提升提供重要的數據基礎。

在車輛轉轂試驗臺上對農用車輛ABS的性能進行測試，可保障農用車輛ABS正常工作，避免農用車輛車輪抱死事故的發生。農用車輛試驗是通過在轉轂試驗臺上模擬實際作業路面行進的各種動態工況，并利用試驗各種裝置對試驗車輛的各動態工況進行測量、分析和判斷[21]。農用車輛轉鼓試驗臺是農用車輛產品開發過程中一個極其重要的室內臺架試驗設備，通過轉鼓試驗臺不僅可以對農用車輛進行動力性檢測，而且還可以測量多工況排放指標及油耗等，為研究農用車輛的動力性、經濟性、舒適性和操縱穩定性等性能提供了堅實的試驗基礎及數據支持[22]。為確保農用車輛測試的精度和準確度，在轉鼓試驗臺投入使用前需要對轉鼓試驗臺系統進行標定，驗證轉鼓試驗臺系統是可靠、準確的。轉鼓表面牽引力是測試中的一個重要參數，力傳感器是間接測量滾筒表面牽引力的工具，對轉鼓試驗臺標定完成之后，力傳感器的信號會輸送給計算機并顯示滾筒表面的受力。為了讓試驗結果更加準確，與國外某專業轉鼓試驗廠家聯合設計開發和建設的農用車輛轉鼓試驗臺如圖9所示。

圖9農用車輛轉鼓試驗臺

1.后橋雙轉鼓組2.可移動后橋單元3.前橋雙轉鼓組4.鋼結

由圖9可知，該農用車輛轉鼓試驗臺主要由鋼結構、前橋雙轉鼓組、可移動后橋單元、后橋雙轉鼓組等組成，可以對農用車輛全輪驅動、前驅、后驅等不同驅動形式下的速度、加速度、減速度、ABS/ESP制動、ASR（驅動防打滑）/EBS（電子制動系統）、電子牽引控制等方面進行測試。試驗臺最大軸重為 10t， 最大測試速度為 30m/s 轉鼓直徑為 500mm 轉鼓寬度為1200mm 、雙轉鼓之間距離為 650～850mm 、最小離地間隙為 150mm ，農用車輛轉鼓試驗臺智能控制系統如圖10所示。

根據圖9農用車輛轉鼓試驗臺，結合圖10農用車輛轉鼓試驗臺智能控制系統，加載與仿真一樣的試驗參數進行農用車輛轉鼓試驗，如圖11所示。

圖11農用車輛轉鼓試驗 Fig.11 Agricultural vehicledrumtest 1.農用車輛轉鼓試驗臺2.農用車輛

4.2 試驗結果分析

根據上文農用車輛制動特性的仿真分析及轉鼓試驗測試，得到農用車輛在有、無ABS制動仿真與試驗對比結果如表2所示。農用車輛在有ABS制動下，制動時間、制動距離、平均制動減速度仿真與試驗相對誤差分別為 2.18%2.02%1.14% ；農用車輛在無ABS制動下，制動時間、制動距離、平均制動減速度仿真與試驗相對誤差分別為 2.15%.1.17%.1.75% ；整體仿真分析及試驗測試結果的相對誤差較小，驗證仿真分析的準確性。農用車輛在有ABS制動下，制動時間小于無ABS制動，制動距離小于無ABS制動，制動減速度大于無ABS制動，表明農用車輛在有ABS制動下，制動特性優于無ABS制動。由于仿真計算模型中未考慮農用車輛在實際運行中的環境、天氣溫度和濕度、車輪氣壓、路面情況等因素，從而導致理論計算值偏大。

表2農用車輛在有、無ABS制動仿真與試驗對比結果 Tab.2 Comparison of simulation and test results forwithand withoutABSbrakingofagriculturalvehicles

5結論

1）分析農用車輛ABS系統組成，基于ABS控制原理，建立農用車輛ABS仿真模型，并運用試驗的方法進行驗證，為其他農用車輛制動特性分析和制動穩定性提升提供新的思路和參考。

2）農用車輛在有、無ABS獨立控制下，制動停止時間分別為 2.75s， 3.25 s，制動距離分別為31.25m，36.89m ，整車最大制動減速度為7.88m/s²，6.27m/s² ，在ABS制動下左、右車輪輪滑移率基本一致，車輪滑移率在最佳值0.18附近整體波動較小，保證整車在制動過程中方向的穩定性。

3）農用車輛在有、無ABS制動下，制動時間、制動距離、平均制動減速度仿真相對誤差分別為 2.18% 、2.02%.1.14% ，試驗相對誤差分別為 2.15%.1.17% 、1.75% 較小，驗證仿真分析的準確性。4）未來在ABS控制器中可以增加路面識別算法，實際試驗考慮側傾、橫向制動等實際工況，考慮因素及工況更加全面，更加準確地驗證研究成果，為未來研究可靠性高、安全性好的農用車輛提供重要的參考。

參考文獻

［1］王凱凱，董琴琴，陳作．基于MATLAB下的制動系統建模、仿真及ABS控制器設計[J].內燃機與配件，2022（5）：11—13.Wang Kaikai，Dong Qinqin，ChenZuo. Modeling，simulation and ABS controller design of braking systembased on MATLAB[J].Internal Combustion Engineamp;Parts，2022（5）：11—13.

［2］劉斌，施衛，常嘉偉，等．純電動智能汽車制動防抱死系統控制邏輯研究［J].電子技術應用，2022，48（1）：100—104.

［3］白克非，張磊，曹凱華，等．基于制動臺的防抱制動系統測試技術優化[J].汽車與新動力，2021，4（6）：72-75.

[4］李晶，張奇.輕型卡車AEBS制動氣路匹配研究[J].河南科技，2021，40（33）：33—37.

[5］徐申敏．后驅電制動對ABS觸發表現的影響[J].北京汽車，2021（5）：24—27.

［6］毛煜錚，蘇東旭，陳慕新．基于抱死預測的EV再生制動協同ABS控制策略研究［A].中國汽車工程學會.2021中國汽車工程學會年會論文集（8）[C].哈爾濱工業大學（威海）汽車工程學院，2021：9.

［7］苑磊，何仁．基于線性自抗擾控制的汽車ABS滑移率控制研究[J].汽車工程，2021，43（9）：1367—1374，1393.YuanLei，He Ren. Research on ABS slip ratio control ofvehicle basedon linear active disturbance rejectioncontrol[J]. Automotive Engineering，2021，43（9）：1367—1374，1393.

［8］曹君．商用車氣壓ABS電磁閥對彈簧制動氣室制動力的影響研究[J].汽車實用技術，2021，46（16）：114—116.

［9］賈會星．制動防抱死系統的通道控制對重型半掛車制動穩定性仿真分析[J]．濱州學院學報，2021，37（4）：77-82.Jia Huixing. Simulation analysis of heavy semitrailer brakingstability by channel control of braking anti-lock system [J].Journal of BinzhouUniversity，2021，37（4）： 77-82.

[10]Koylu H，Tural E.Experimental study on braking andstability performance during low speed braking with ABSunder critical road conditions[J]. Engineering Science andTechnology，An International Journal，2O21，24（5）：1224—1238.

[11］周東．基于ESP和ABS的汽車輔助制動裝置安全控制系統設計[J].現代電子技術，2021，44（14）：43—46.

[12]Koylu H，Yigit H. A novel approach on improvement ofthedynamicwheel load oscilltionsbyintegratingsuspension system into ABS during braking with ABS[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences andEngineering，2021，43（7）：367.

[13］周祥．淺談重型卡車和轎車轉鼓試驗臺的異同[J]．中國設備工程，2021（3）：172—173.

[14］謝銳華，胡勁標，郭鑫鑫，等．ABS轉鼓慣性式制動試驗臺校準方法研究[J]．自動化與信息工程，2020，41（4）：26-29.

[15]Esmaeili JS，Basci A，Farnam A. Design and verificationof offline robust model predictive controller for wheel slipcontrol inABS brakes[J].Machines，2023，11（8）：803.

[16] Wang D，Liu S，Wei X，et al. A wheel slip ratioconstraint control for ABS based on tangent type barrierLyapunov function[J].Measurement and Control，2023，56（1—2）：411-419.

[17]Yigit H，Koylu H，Eken S. Estimation of road surfacetype from brake pressure pulses of ABS [J].ExpertSystems with Applications，2023，212：118726.

[18]Tu C， Zhang L. Research on kinetic energy recovery ofenergy vehicle ABS solenoid valve based on the ELM deeplearning model [J].Computational IntelligenceandNeuroscience，2022，2022（1）：657185.

[19]Sys E，Mrowicki A，Glogowski M， et al.IRspectroscopy analysis of skid marks for vehicle equippedwith ABS considering slip ratio [C]. IOP ConferenceSeries： MaterialsScienceandEngineering.IOPPublishing，2022，1247（1）： 012005.

[20] Garcia Torres C J， Ferré Covantes L A， Vaca Garcia C C，et al.A Lyapunov stability analysis of modified HOSMcontrollers using a PID-sliding surface applied to an ABSlaboratory setup[J]. Applied Sciences，2022，12（8）： 3796.

[21]Wang S，YuY，Liu S，etal.Braking friction coefficientprediction using PSO—GRU algorithm based on brakingdynamometer testing[J].Lubricants，2O24，12（6）：195.

[22]Noh MS，Kim D E，Ahn JH，et al. Reduction in chassisdynamometer test time for evaluating energy economy andrangeoflight-dutybateryelectricvehicles[J].International Journal of Automotive Technology，2024，25（1）：47-59.