客车整车制动稳定性硬件在环仿真研究

陆　艺，薛　剑，徐博文，吴佳伟

（1.中国计量学院，浙江 杭州 310018；2.简式国际汽车设计北京有限公司，北京 102206）

客车整车制动稳定性硬件在环仿真研究

陆艺1，薛剑2，徐博文1，吴佳伟1

（1.中国计量学院，浙江 杭州 310018；2.简式国际汽车设计北京有限公司，北京 102206）

针对客车在转弯或有侧向干扰时的制动稳定性分析中存在气制动系统建模非线性误差和实车实验模拟困难、危险性大等问题，采用硬件在环仿真测试技术设计一套客车整车制动稳定性仿真测试系统。首先搭建客车气制动系统的硬件实物平台，运用Matlab/Smulink建立转弯时的车体、轮胎、制动器的仿真模型，采用Matlab/xPC的实时数据采集技术对客车制动时的制动气室输出力进行数据采集，并实时反馈至车辆动力学仿真模型。系统对客车转弯时及有侧向力影响下的制动稳定性进行测试分析，试验结果表明：系统采样频率为1kHz，输出力分辨率为10N，可以直观地显示车辆的制动过程及结果，能够很好地对客车制动稳定性能进行测试分析，为国内客车整车制动性能的提高提供一个良好的研究平台。

硬件在环；Matlab/xPC；整车动力学模型；制动稳定性；仿真技术；气压制动

0　引　言

汽车的制动性能是影响汽车行驶安全的直接原因，由制动系统决定，良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障[1]。汽车的制动过程是一种强非线性过程，尤其是在转弯时进行制动操作的危险性很大。汽车表现出的制动性能与汽车制动底盘的布置和制动系统各部分的参数有关[2]。然而目前在制动性能的研究中实车试验风险大、容易受到天气、环境等因素制约，并且纯理论仿真控制效果不够直观，仿真环境过于理想化，难以真实反映复杂的实际情况[3-4]；因此采用硬件在环仿真方式，将实际系统中模拟困难或纯仿真试验中非线性因素难以表现的硬件设备通过计算机连接到仿真环境，进行试验，提高仿真效果[5]。

国内外对于硬件在环在汽车上的应用已经有了很广泛的研究，如对汽车ESP、偏航稳定性、ABS、汽车牵引力、自动变速器等硬件在环研究，但是对于汽车气制动系统的硬件在环研究较少。对于汽车整车动力学仿真模型的相关研究已经较为成熟，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来仿真汽车行驶时全部工况的多自由度模型。对于轮胎动力学的研究也已经较为成熟，如理论模型Fiala模型、Pacejka弦模型、Gim模型、经验模型Magic Formula模型和半经验模型幂指数模型等。各国学者在进行整车制动性能研究时对制动系统一般采用理论建模的方法，直接表现为制动力矩和管路压力的线性关系，如AshleyL.Dunn建立的制动力矩与制动压力的盘式制动器线性经验模型[6]，建立气压ABS仿真测试系统时把制动力矩表现为与制动管路气压的线性关系等[7-8]。

综上所述，国内外学者对于汽车硬件在环的研究较早，近年逐步应用到车辆研究中，针对车辆研究的范围较广，但是针对整车气制动系统的硬件在环测试系统非常缺乏，对制动系统一般采用理论建模的方法将制动管路的延迟理想化，不考虑制动管路的滞后性等因素，与实际制动过程中力矩的产生有很大的误差。因此设计了一套基于硬件在环的客车整车制动稳定性仿真测试系统。

依据GB 7258——2012《机动车运行安全技术条件》[9]、GB 12676——2014《汽车制动系结构、性能、和试验方法》[10]对制动试验的要求，结合Matlab/xPC、Matlab/Smulink以及气制动系统硬件实物搭建了客车整车制动稳定性硬件在环仿真试验平台，并对紧急制动条件下的客车转弯时及侧向力影响下的制动性能稳定性进行了测试分析。

1　系统原理设计

根据客车整车制动稳定性测试系统的要求，提出了硬件在环测试系统的总体结构方案，包括实时平台、气制动系统硬件和仿真模型3部分。其中实时平台由宿主机和目标机以及通信设备组成；气制动系统硬件按照实际制动系统搭建；仿真模型根据整车动力学模型在宿主机中建立。客车整车制动稳定性硬件在环测试系统结构如图1所示。

图1　测试系统结构

1.1硬件以及实时平台

实时平台的宿主机安装Matlab/Simulink，主要负责汽车仿真模型建立、参数配置、试验过程的控制及测试结果实时监控和显示。目标机采用Matlab/xPC方式将计算机配置成为实时环境，是仿真模型运行的载体。目标机安装数据采集卡和运动控制卡，仿真时根据模型参数配置确定当前车辆状态，通过向运动控制卡发送信号以实现气制动系统的运行状态，并通过数据采集卡接收气制动系统硬件信号。宿主机与目标机通过局域网的TCP/IP方式连接。程序运行时宿主机起到监视和控制的作用，试验数据可以实时地传回主机进行显示或后期保存。

气制动系统按照实际的制动系统布置搭建，图2是客车整车制动系统的硬件组成示意图，主要包括制动系统硬件部件、传感器、电机加载部分。系统运行时，制动总阀在电机加载力作用下开启和切断制动回路，控制制动系统工作，制动总阀输出的气压作为继动阀输入气压输出至继动阀促使继动阀快速向制动气室充气，制动气室充气后开始作用，推杆产生输出力。制动气室推杆输出力通过力传感器传递至目标机。伺服电机在运动控制卡的控制下实现制动系统的缓慢、快速加载等，用于模拟常用制动、紧急制动、快速制动等制动情况；制动气室作为制动系统的输出部分连接力传感器向仿真模型提供实时仿真数据。

图2　客车制动系统的气路原理图

1.2仿真模型的建立

车辆模型选取了七自由度的四轮简化车辆模型进行车体的受力分析和运动分析，包括整车纵向、横向、横摆运动自由度，以及4个车轮绕其自身旋转中心的旋转自由度，根据测试项目，七自由度车辆模型在纵向横向横摆的运动自由度可以充分满足测试需求。客车整车制动硬件在环试验平台的软件结构以及车辆动力学模型方案如图3所示。

图3　车辆动力学模型方案

其中七自由度车辆模型在纵向、横向、垂向上的平衡计算公式如下：

式中：Iz——汽车绕相对坐标轴z轴的转动惯量，kg/m2；

u——车辆纵向速度，m/s；

ν——车辆横向速度，m/s；

γ——车辆横摆角速度，rad/s；

Fx——各个车轮受到的纵向力，N；

Fy——各个车轮受到的侧向力，N；

Mz——横摆力矩，N·m。

根据整车制动硬件在环测试系统测试项目对轮胎模型的要求，选用了通用性强、公式简洁的GIM理论轮胎模型进行建模。将车轮与地面的接触面长度分为粘着域（0～ε）和滑动域（ε～l）。在粘着域内，附着力由轮胎表面的切线弹性力决定；在滑动域内，附着力由滑动摩擦应力决定，整个轮胎接地面的纵向、横向附着力为

式中：Cs——车轮纵向刚度，N/m3；

Ca——车轮横向刚度，N/m3；

ss——车轮纵向滑移率；

sa——车轮横向滑移率；

ssc——车轮纵向临界滑移率；

sac——车轮横向临界滑移率；

μx——轮胎纵向附着系数；

μy——轮胎横向附着系数；

ln——轮胎接地线长度的无量纲值，定义为ln=ε/l。

选取了领从蹄式鼓式制动器建立模型，其数学模型表现为制动气室输出力和制动器输出力矩的关系，是气制动系统硬件和仿真模型的连接部分，数学公式为

式中：η——制动器效率系数；

k——制动器效能因数；

R——制动气室输出力，N。

1.3测试系统工作原理

宿主机建立完成的仿真模型经过编译生成目标机文件，并下载至目标机实时内核中，待宿主机发送启动命令后，仿真系统开始运行，运行时仿真系统首先向电机发出加载信号，并开始采集硬件系统数据。电机对总阀的加载使气制动系统开始工作，制动系统压力传感器信号经过转换后传递至数据采集卡。目标机实时程序计算得到车体的运动状态，并实时显示制动情况（包括车体速度、位移、加速度等），制动过程完成后，模型运行停止，电机进行退加载操作，释放气制动系统。

2　实验结果分析

根据标准GB 7258——2012对行车制动时制动协调时间的要求，设计制动系统制动协调时间为0.58s，在此加载条件下对客车转弯时及侧向力影响条件下的制动性能稳定性进行了测试。试验样车为乘用客车，其参数如表1所示，实验中选取的路面附着系数值如表2所示。

表1　整车参数

表2　各种路面条件附着系数

图4　转弯制动结果

2.1制动过程中方向稳定性分析

制动过程中方向稳定性是指车辆在减速过程中可以按照预定方向行驶的能力，其中方向稳定性由前轮决定，制动稳定性与后轮防滑能力和两侧车轮制动力有关。在上述紧急制动加载条件下，分别对客车按预定弯道行驶的能力、直线行驶能力、以及对开路面上的行驶能力进行分析。

2.1.1按预定弯道行驶的能力分析

前轮转角输入为0.04 rad时，在高附着路面系数路面上，以72km/h的初速进行制动的试验结果如图4所示。

制动完成后，车辆纵向移动的距离为28.85 m，横向移动的距离为8.84m，由试验结果得到，车辆横向速度变化较大，且制动试验完成后不为0m/s，约为13.24m/s，车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮分别在0.96，0.96，1.14，1.15s时抱死，横摆角速度不断增大，至制动结束后为1.98rad/s，说明车辆已经出现滑移，失去了稳定性。

2.1.2直线行驶时的方向稳定性分析

在高附着系数路面上，以初始制动速度72km/h进行直线制动试验时，在车辆质心处加以大小为1000N的侧向干扰力，制动结果如图5所示。

图5　有侧向力干扰时制动结果

制动完成后，车辆纵向移动的距离为36.02m，横向移动的距离为0.69 m，前轮在1.0 s、后轮在1.24 s时抱死，在车轮抱死后，车辆横向速度出现不可控趋势，直至制动完成后横向速度为1.8m/s，车辆失去稳定性控制。车轮横摆角速度在车轮全部抱死之前幅值较小，后轮抱死时横摆角速度仅为0.015rad/s，车轮全部抱死后急剧增大。车辆已经失去了稳定性，容易发生滑移等危险工况。

2.2对开路面测试分析

车辆在对开路面条件下制动时由于左右轮胎受到的地面制动力不同而引起车身横摆或者侧滑而引发制动危险工况。对开路面设定客车右边轮胎处于附着系数较大的路面上，左侧轮胎处于附着系数较小的路面上，以初速度分别为30，72 km/h在无侧向力干扰条件下进行制动试验，结果如图6所示。

图6　对开路面试验结果

由试验结果得到，车辆进行制动试验时处于低附着系数路面上的车轮即左侧车轮抱死时间更早，并且车轮全部抱死之后车辆横向速度和横摆角速度幅值继续增大。对于初速度为30km/h时的制动试验，车辆纵向、横向制动距离较小，试验中车辆的横向速度和横摆角速度幅值和变化较小，并且在制动完成后横向速度和横摆角速度变为0m/s，说明车辆对地面制动力不平衡的调节效果良好。

对于制动初速度为72km/h时的制动试验，车辆制动距离较大，试验中横向速度和横摆角速度变化幅值较大且制动完成后横向速度为0.10m/s，同时横摆角速度达到最大值1.31rad/s，并且车轮侧倾角变化幅度较大，说明制动过程极其不稳定，实际中可能出现侧滑、侧翻偏离行驶轨道的危险。由此，车辆行驶在对开路面时应该尽量减小行驶速度，以减小危险发生的可能性。

2.3制动性能影响因素分析

在不同的初始制动速度、地面附着系数条件下进行了转弯时、侧风作用下制动稳定性的试验，以及不同侧风大小、前轮转角大小条件下的制动稳定性试验，并进行了对比分析。试验结果表明，初始制动速度越大、地面附着系数越低、侧风越大越易出现危险工况。由于客车并没有安装防抱死装置，在制动试验中均出现车轮全部抱死的情况，即使在较小侧向干扰、初始制动速度较小时也会出现侧滑等工况，说明车轮抱死对制动稳定性影响最为明显，大客车应安装防抱死装置避免抱死现象。

3　结束语

本文针对客车转弯时制动或有侧向干扰时制动操作中车辆表现出的制动稳定性，采用硬件在环技术结合七自由度车辆模型设计了一套客车整车制动稳定性仿真测试系统，并对客车的制动性能稳定性进行了试验分析。结果表明系统可以直观体现制动过程中车辆的运动状态，并为客车的制动稳定性的分析研究提供试验依据。

[1]宋健，王伟玮，李亮，等.汽车安全技术的研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报，2010，1（2）：98-106.

[2]GUVENC B A，KARAMAN S.Robust yaw stability controller design and hardware-in-the-loop testing for a road vehicle[J].Vehicular Technology,IEEE Transactions，2009，58（2）：555-571.

[3]王勐，黄磊，李文娟，等.基于动能转化的汽车制动模型的建立及仿真[J].黑龙江工程学院学报，2008，22（1）：60-63.

[4]赵斌，周军，卢晓东.基于xPC Target的飞行器半实物仿真研究[J].计算机测量与控制，2011，19（3）：625-627.

[5]GAWTHROP P J，VIRDEN D W，NEILD S A，et al. Emulator-based control for actuator-based hardware-inthe-loop testing.Emulator-based control for actuatorbased hardware-in-the-loop testing[J].Control Engineering Practice，2008，16（12）：897-908.

[6]ASHLEY L D，Gary J.Heydinger,Giorgio Rizzoni and DennisA.Guenther.EmpiricalModelsforCommercial Vehicle Brake Torque from Experimental Data[J].SAE：2003-01-1325，2003.

[7]吴利军，建强.汽车驾驶辅助实时仿真系统的整车动力学模型[J].农业机械学报，2008，39（10）：10-14.

[8]何仁，王永涛，赵迎生.客车联合制动系统的制动稳定性仿真研究[J].系统仿真学报，2009，21（8）：2156-2159.

[9]机动车运行安全技术条件：GB 7258—2012[S].北京：中国质检出版社，2012.

[10]汽车制动系结构、性能、和试验方法：GB 12676—2014[S].北京：中国质检出版社，2014.

（编辑：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

国家质检总局公益行业科研项目（201310284）；浙江省公益性技术应用研究计划（2014C31105）

陆艺（1979-），男，江苏扬州市人，副教授，硕士，研究方向为精密测试技术研究以及汽车零部件检测。