基于计算机模拟的汽车制动性能分析与试验验证探究

谢 静

（1.四川开放大学，四川 成都 610107；2.四川华新现代职业学院，四川 成都 610107）

0 引言

汽车制动性能水平与交通运输安全密切相关，通过试验验证、计算机模拟可以更准确地评估汽车制动性能状态，以判断汽车是否能够正常投入使用。因此，为了保证汽车的使用安全，须深入分析计算机模拟、试验验证这两种汽车制动性能检测方法，以总结出更加科学的汽车制动检测方案，保障汽车可以安全地投入使用，从而提升汽车制造水平。

1 汽车制动性能分析

汽车制动功能的运行主要依靠配套的制动系统，该系统通过向车轮施加一定的作用力，可以实现对汽车的强制减速或停车控制；同时，也能够让汽车在各类道路条件下保持平稳的车速或稳定驻车。由此可见，汽车制动性能在汽车安全运行方面可以发挥决定性的作用。因此，在汽车出厂投入使用之前，制造厂家需要对汽车进行制动性能分析，以判定汽车制动性能状况是否满足使用要求，确保汽车能够正常投入使用。目前，测试汽车制动性能的方法包括路试法、反力滚筒法以及试验台法等，这些方法的步骤较为烦琐，所需的人工、时间成本也比较高，因此在大量汽车的制动性能分析中存在一定的适用性问题。为了解决上述问题，研究者提出运用计算机技术，通过模拟汽车的制动运行并对模拟结果进行分析，实现评估汽车制动性能的目标，从而利用计算机模拟法高度自动化的优势特征压缩汽车性能测试周期和成本。为了测试该方法的可行性，研究者在运用计算机模拟法进行汽车制动性能分析的同时还运用传统的试验法对计算机模拟分析结果进行验证，评估计算机模拟法的可靠性，以期为汽车制动性能检测工作提供依据。

2 汽车制动性能计算机模拟分析

2.1 制动性能理论计算模型

在建模过程中需要先明确汽车的制动过程，按照制动过程列出相应的函数来代表各项制动运作程序，从而形成完整的制动性能理论计算模型，进而保证建模的准确性。其中，在制动过程中，汽车制动速度、制动时间关系如图1所示。制动过程主要包括以下4个阶段：1） 第一阶段时长为。该阶段是驾驶员从接到制动信号到采取制动行为的阶段，即踩制动踏板的阶段。2） 第二阶段时长为。其中，在时长内驾驶员踩上踏板，形成制动力矩，可以将这段时间定义为制动系统反应时间。一般来说，如果是气压制动，那么这段时间的时长应该为0.050 s ~0.060 s；如果是液压制动，那么时长为0.015 s~0.030 s。该时间段内踏板的功效主要被用于克服制动运行阻力，例如机械摩擦力等。此后，在时间段内制动力矩开始逐步进入稳定状态。这一过程中系统的制动力不断增加（达到一定水平后停止），此时制动器开始发挥作用。因此，可以将=+这段时间定义为制动器起作用时间。3） 第三阶段时长为。此时制动力矩处于稳定制动运行状态，该阶段通常持续到停车或危险解除后，驾驶员松开踏板为止。4） 第四阶段时长为。从驾驶员松开踏板直至制动力消除位置为止，通常会持续0.200 s~1.000 s。

图1 汽车制动速度与时间的关系

总体来说，第一阶段与第四阶段均不涉及制动系统的性能，因此，主要针对第二、第三阶段进行建模。在数学模型建设上需要根据第二、第三阶段中汽车的制动运行情况列出相应的函数式，从而完成汽车制动建模工作。

到此，理论建模工作结束，为后续的计算机模拟运算奠定了基础。

2.2 制动性能模型计算

在计算机模拟中，建模完毕后研究者还要运用计算机软件对模型进行模拟计算，从而得出各项汽车制动性能参数。研究者可以根据计算机的计算结果评估汽车的制动性能状态。一般来说，衡量汽车制动性能的主要参数包括制动时间、制动距离。如果汽车的制动距离越小、制动时间越短，那么说明汽车制动性能越好。

研究者选用MATLAB软件作为计算机模拟软件。该软件是MathWorks公司开发的软件，其具备强大的矩阵计算能力，能够支持数值分析算法等多种模拟算法，而且可以为用户提供M语言，这种语言属于一种具备交互功能的高级编程语言，用户能够通过自定义编辑脚本或函数来运作自身的算法，因此研究者运用M语言的该功能将上述数学模型导入软件中进行运算。同时，根据汽车常规运用中的速度状态设定了2种初始速度（100 km/h、50 km/h）作为模拟计算的前提。在该过程中，研究者通过检测得出汽车在不同路面条件下的附着系数（见表1），然后借助该附着系数模拟不同路面条件，以保证计算机模拟效果。

表1 汽车在各类路面条件下的附着系数均值表

2.3 模拟数据分析

经过上述计算机模拟过程可以得出，在初始速度为100 km/h、50 km/h的情况下，制动距离、时间模拟结果见表2~表3。结合现行的规范、表2和表3中的数据可知，该汽车的制动性能良好，可以满足汽车的使用需求。

表2 初始速度为100 km/h时制动模拟结果表

表3 初始速度为50 km/h时制动模拟结果表

3 汽车制动性能试验验证分析

3.1 试验验证条件

为了验证上述模拟结果的可靠性，研究者对汽车的制动性能进行路试，将其作为模拟结果可靠性评估依据。在该过程中选择路试试验验证方法的主要原因是该方法具有快速、直观的优势，能够有效反映汽车的制动性能情况，而且其所需的条件也比较简单，可以降低试验验证工作的难度。其中，路试的试验条件主要包括以下4个：1） 根据现行路试试验相关标准，要求胎压合格、路面清洁干燥、风速小于5 m/s、地面附着系数大于0.7且气温小于35 ℃。同时，50 m内任意路面纵向坡度均应小于1%，拱坡度小于2%。2） 在进行满载路试时，应当确保汽车保持在厂定最大总质量的状态且荷载分布均匀。3） 在进行空载路试时，汽车的油量应当大于90%，冷却液、润滑油也要加满，而且车辆的总装载质量须保持（大约）为200 kg。一般来说，该质量参数通常为驾驶员、配套仪器设施以及试验操作人员质量的总和。4） 在开始试验前须对制动系统进行调试，确定制动器磨合良好、轮胎充气压力值合格后才能正式开始试验。

在该试验中，研究者严格按照上述条件进行操作，基本不存在会影响结果准确性、可靠性的试验因素。

3.2 试验方法

在路试试验中，由于制动系统制动功能的运行主要是由制动器、驻车制动系统2个部分负责（不涉及主缸），因此将制动器、驻车制动系统作为该试验验证的测试对象。在试验过程中，首先要进行磨合试验并在满载且不脱开发动机的状态下按照表4的规范进行操作，确认磨合无问题后再进行制动距离测定试验。其次，在制动距离测定试验中需要运用配套的仪器设备测量制动系统起效后到车辆停止时汽车所行驶的距离。根据现行的要求，由于该试验用的汽车为小于9座的载客汽车，因此只有在该汽车的制动初速度为50 km/h、制动距离小于20 m且空载制动距离小于19 m时才能认定汽车的制动距离满足平稳性要求。最后，还要运用测得的制动距离以及车辆质量等参数计算制动减速度，并根据该制动减速度计算制动时间，再将得出的制动距离、制动时间与之前计算机模拟的结果进行对比，进而探讨计算机模拟结果的可靠性。此外，在试验操作中还要保证路试配套的操作标准、规范处于较为完善的状态。为了保证试验结果的可靠性，必须严格按照标准化要求进行操作，而且应当委派业务能力过硬的工作者来负责该试验，消除人为因素给试验操作结果造成的影响，以提高试验验证工作的质量。

表4 磨合试验规范表

3.3 试验结果与分析

经过上述路试试验可以得出，当初始速度为50 km/h时，汽车的制动距离为16.00 m，制动时间为4.10 s。而计算机模拟结果显示，当初始速度为50 km/h时，汽车的制动距离为15.72 m，制动时间为3.85 s。由上述数据可知，计算机模拟结果与路试试验结果之间的差异较小、重复性较高。同时，根据现行的稳定性标准分析路试结果数据可知，汽车的制动性能处于良好的状态，该结果与计算机模拟数据反馈的测试结果相同，这说明计算机模拟的结果较为可靠。因此，运用计算机模拟法来测试汽车的制动性能具有极高的可行性。此外，根据上述计算机模拟操作可以看出，计算机模拟操作与路试相比，其测试汽车制动性能的操作方案具有更高的自动化水平，可以排除人为因素造成的测试结果不确定的问题，而且能够大幅度压缩性能测试的时间、人力资源成本，提升汽车制动性能检测工作水平。因此，计算机模拟法在汽车制动性能分析工作中具有良好的适用性。

4 汽车制动性能分析的优化方法

4.1 积极运用计算机模拟法

在汽车性能检查中，制动性能分析环节直接决定了汽车性能整体检查结果。因此，大部分情况都需要在该环节花费较多的时间、人力资源成本。而根据上述论述可知，计算机模拟法与传统的试验验证方法相比，其具有自动化水平高、高效以及受人为因素影响小等优势，因此，在汽车的制动性能分析中应积极运用计算机模拟法对性能参数进行测定，从而辅助研究员更好地完成汽车制动性能评估工作，增强汽车性能分析效果。在性能分析中，可以考虑编制一套完善的计算机模拟方案，并对计算机模拟法的操作进行说明，指导操作者的操控思路、准备方向，使计算机模拟的实际操作更简单、明确，增强该方法的推广使用效果。此外，还必须将计算机模拟法的操作要点、要求以及注意事项罗列出来，以持续完善该方法，这样有助于拓宽该方法的推广范围，提高汽车制动性能分析检测的工作水平。

4.2 软件、硬件的配置

由于计算机模拟法对配套的软件、硬件性能要求较高，因此要做好软硬件配置工作。在软件配置方面，该文选择的是MATLAB软件，其具有可视化、支持自定义以及工具箱多样等优势，能够有效完成模型运算工作。虽然该软件优点很多，但是其使用成本较高。因此，考虑到使用成本，应结合具体情况选择合适的软件来进行制动性能分析。在硬件配置方面，需要硬件具备一定的数据吞吐量，如果分析工作量较大，那么就必须配置数据吞吐性能足够好的硬件设施，以免影响软件的正常运行。此外，在硬件方面，还需要根据最新要求及时升级硬件配置，保持硬件性能良好，更好地支持汽车制动数学模型的运算，提高制动性能计算机模拟分析的工作水平。

4.3 优化计算机模拟建模

在该计算机的模拟过程中，研究者为了简化计算、降低计算成本，所构建出的模型较为简单且主要针对汽车结构内在因素，忽略了外部因素，这在一定程度上影响了计算机模拟结果与路试试验结果的重复性。为了让计算机模拟结果更加准确、可靠，应该不断优化建模，构建更加完善的模型，这样可以深入、准确地进行计算机模拟，使得出的模拟结果更详细，增强制动性能分析效果。因此，可以结合环境实际情况进行建模，例如将风速、温度等参数设置到模型中，具体地模拟汽车的运行环境，提高模拟结果的完整性。就目前来看，还需要进一步对制动性能建模进行分析，以构建更加完整、科学的数学模型，增强计算机模拟法的应用效果。

5 结语

综上所述，对汽车制动情况进行计算机模拟并进行试验检验，可以准确评估汽车制动状态。经过上述计算机模拟与试验验证可以看出，计算机模拟结果与路试试验结果之间的差异较小、重复性较高，说明计算机模拟法适用于汽车的制动性能检测评估。同时，计算机模拟法具有高效、高自动化水平等优势，将其应用到制动性能分析工作中能够提高汽车制动性能的检测水平。