汽车EBD性能检验台仿真研究

2015-05-07李竹芳杜迪姚尚明刘明远

机械工程师 2015年5期

李竹芳，杜迪，姚尚明，刘明远

（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）

0 引言

汽车的安全性已成为世界性的课题，引起各国的高度重视［1-5］。汽车ABS系统提供了一种有效减少交通事故、全面提高汽车制动性能的主动安全装置，EBD系统在ABS的基础上进一步提高了制动时的操纵稳定性。现行EBD系统在汽车制动的瞬间，高速计算出四个轮胎与地面的相互作用状况，然后调整制动装置，达到制动力与摩擦力（牵引力）的匹配，以保证车辆的平稳和安全。当紧急制动时，EBD在ABS动作之前就一直在平衡每个车轮的有效地面制动力，以防止出现甩尾和侧移，提高车辆行驶稳定性，并有效缩短汽车制动距离［2-3］。

1 汽车EBD的作用原理

在没有到达ABS之前，前后轮制动力应如何分配，代替固定的制动力分配方式，运用一种各个车轮独立的制动力分配方式，这种分配方式不仅可以考虑到各个车轮不同的附着状态，还可以考虑到由于装载状态的不同而引起的质心位置的推移以及特殊的行驶状态。这种系统称为电子制动力分配系统（Electronic Brake force Distribution，EBD），是ABS的一种辅助系统。在ABS系统的基础上增加了功能［1］。EBD能够根据汽车制动时产生的轴荷转移及各个车轮不同的附着状态而自动调节前后轴及左右车轮的制动力分配比例，提高制动效能，并配合ABS提高制动的稳定性。

2 汽车EBD性能检验台简介

由EBD的原理可见，要评价汽车EBD系统的性能，首先要提高检测的模拟行驶速度（GB 13594-1992规定50 km/h）［5］，其次要适时测出汽车的车轮速度和汽车的运行速度（可求得汽车制动时车轮与地面的滑移率及减速度等）。对于实际运行的汽车而言，汽车的车轮速度和汽车的运行速度是不容易测得的，如果能设计一种台架能模拟待检测汽车的运动状态，并且当汽车制动时，能模拟测量出汽车的轮速和车速，问题就迎刃而解了。分析比较目前常用的制动试验台，滚筒惯性式试验台能较好地模拟车辆运行状态（检测车速高），因此选择增加第三滚筒的滚筒惯性式制动试验台作为EBD检测台。

汽车EBD性能检验台机械传动及电连接如图1（a）所示，总体机械结构如图1（b）所示，一个滚筒总成的机械结构如图 1（c）所示。

检验台的滚筒相当于移动路面，转动的滚筒系统具有转动动能，相当于汽车在道路上行驶的平动动能。检验台工作原理如图2。图中EBD系统（包括轮速传感器、压力调节器、电子控制器等全套零部件）与汽车制动系统实物（包括压力源、管路、分泵、制动器、轮胎等）按照在车辆上的运行要求进行连接，ECU的控制指令同时传至测控系统（包括驾驶员模型、信号采集分析等模块），电动机通过离合器与模拟惯量系统连接。进行测试时，电动机带动惯性系统转动到达某速度后离合器分离，驾驶员模块发出制动命令开始制动测试直到车轮停止。在这个过程中第一滚筒上的车速传感器及第三滚筒上的轮速传感器测得的数据传至EBD测控系统，试验台快速高效地对不同车型的EBD系统进行测试，检测所测试的EBD是否正常工作以及滑移率变化的情况。因此，车轮紧急制动时，在车轮与滚筒间无滑移的条件下，测得的滚筒在受检车制动过程中的转数、转速的变化和时间，即等同于受检车的制动距离、制动减速度和制动时间。

EBD性能检验台的几个问题的解决：

1）车辆质量的模拟。由于受检汽车型号不同，质量各异，检验台必须能模拟出不同的质量。滚筒带有飞轮组，通过选择不同的飞轮组合来进行匹配，使得滚筒和飞轮组的惯性质量与受检汽车的惯性质量相当，从而模拟出不同受检车辆的质量。

图1 检验台结构图

2）路面不同附着系数的模拟。检验EBD作用效果，检验台必须能模拟不同的附着路面，通过改变两滚筒中心距来改变安置角大小，从而改变滚筒与车轮接触的当量附着系数，即

其中，φk=φ/［（1+φ2）cosλ］为当量附着系数。

图2 检验台工作原理图

3）载荷转移的模拟。EBD要根据载荷转移情况重新分配制动力，所以检验台必须模拟不同的载荷分配。通过改变两滚筒中心距实现不同载荷分配，原理如下式：

由式（2）可知，通过改变中心距来改变安置角，从而改变每个车轮轴荷的大小。

4）车轮速度的模拟。用传感滚筒的运动状态模拟车轮的运动状态。因为主副滚筒都装有飞轮，转动惯量大，制动时车轮与滚筒之间有滑移，所以用主副滚筒的速度模拟车轮速度是不准确的，必须用一个转动惯量小的滚筒来模拟车轮速度。传感滚筒轴是从动轴，独立安装在两滚筒之间，转动惯量很小，放置在两滚筒上的汽车车轮通过弹簧压紧传感滚筒轴，使传感滚筒轴随车轮一起转动，在传感滚筒轴的端部安装一脉冲传感器，测量车轮速度。当车轮抱死，停止转动时，传感滚筒轴也停止转动，即传感滚筒轴可以直接反映车轮的转动状态。

5）车身速度的模拟。因为主副滚筒轴转动动能之和等于汽车平动动能，所以安装在主副滚筒轴的速度传感器测出的速度用以模拟车身速度。

3 检验台结构参数对检测结果的影响

3.1 滚筒直径对检测结果的影响

图3（a）为滚筒直径为268 mm制动力矩-时间曲线，图3（b）为滚筒直径为368 mm制动力矩-时间曲线，图3（c）为滚筒直径为468 mm制动力矩-时间曲线，图3（d）为不同滚筒直径制动距离-时间曲线，图3（e）为不同滚筒直径车速与轮速-时间曲线。表1列出了具体数值。

检测结果如表1所示。结果表明，滚筒直径越大，制动距离越短，制动时间越小，车辆平均加速度越大，平均制动力矩变化不大，只是制动力矩作用时间减小。

需要说明的是：改变滚筒直径并不改变滚筒的转动惯量和检验台安置角的大小，在检测中，滚筒直径变化时，要调整安置角为定值。

制动时间和制动距离减小的原因：由Jgαg=φGRg可知，增大Rg，αg即增大，车速下降变快，制动距离和制动时间就会减小。

图3 不同滚筒直径对检测结果影响曲线

表1 不同滚筒直径对应的仿真结果

3.2 滚筒转动惯量对检测结果的影响

图4（a）为转动惯量为12 kg·m2制动力矩-时间曲线，图4（b）为转动惯量为17 kg·m2制动力矩-时间曲线，图4（c）为转动惯量为 22 kg·m2制动力矩-时间曲线，图 4（d）为不同转动惯量制动距离-时间曲线，图4（e）为不同转动惯量车速与轮速-时间曲线。表2列出了具体数值。

图4 不同转动惯量对检测结果影响曲线

检测结果如表2所示。结果表明，滚筒转动惯量越小，制动距离越短，制动时间越小，车辆平均加速度越大，平均制动力矩变化不大，只是制动力矩作用时间减小。

表2 不同滚筒转动惯量对应的仿真结果

转动惯量对制动距离和平均制动力矩产生影响的原因。由J2=MR2g可知，当滚筒半径Rg一定时，滚筒转动惯量只与滚筒质量M有关，而滚筒质量越大，在制动力矩一定的情况下，滚筒减速度越小（F=ma），即滚筒减速越慢（v=v0-at），那么所对应的制动距离就越长（），这也就解释了图中所示为什么平均制动力矩相差不大，而制动力矩作用时间和制动距离却相差很大的原因。

事实上，由J2=MR2g可得：当车辆质量和滚筒半径一定时，滚筒转动惯量就唯一确定了，如果随意更改滚筒转动惯量会使试验结果出现错误。本试验所选车型是唯一的，本车型所对应的转动惯量为17 N·m2，设置其余两种转动惯量只想说明转动惯量对实验结果有影响，在设计检验台滚筒时一定要选择正确的参数。