汽車(chē)液壓制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)*

王 斌過(guò)學(xué)迅張 巍葉 鵬張 杰

（1.武漢理工大學(xué)；2.華中科技大學(xué)）

相比 Matlab （GUI），Visual C++是一款更專業(yè)的開(kāi)發(fā)軟件。Matlab編程簡(jiǎn)單，但程序只能在安裝有Matlab的PC上才能運(yùn)行；Visual C++不僅運(yùn)行效率高、移植性好，與其他大型軟件的接口也更穩(wěn)定。本文結(jié)合企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，用Visual C++開(kāi)發(fā)一款汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，縮短了制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

1 軟件功能

按照軟件工程學(xué)方法，需要對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行總體規(guī)劃。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，為實(shí)際生產(chǎn)建立實(shí)用的設(shè)計(jì)、分析和仿真平臺(tái)，在功能上滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需要，如幫助選擇制動(dòng)器結(jié)構(gòu)型式；確定制動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)對(duì)其性能從理論角度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；優(yōu)化用戶設(shè)計(jì)方案等。要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，結(jié)論正確[2]?；谠撘?guī)劃，具體給出系統(tǒng)的功能定義如圖1所示。

a.制動(dòng)器類型選擇功能。系統(tǒng)將設(shè)計(jì)技術(shù)（包括理論知識(shí)、相關(guān)法規(guī)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等）存于知識(shí)庫(kù)中，輔助設(shè)計(jì)者確定制動(dòng)器類型及主要參數(shù)。

b.整車(chē)制動(dòng)性能分析功能。在參數(shù)確定后，根據(jù)理想與實(shí)際制動(dòng)力分配計(jì)算、ECE法規(guī)、制動(dòng)效率曲線等檢驗(yàn)是否滿足要求及國(guó)家相關(guān)法規(guī)。

c.制動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算功能。制動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算部分涵蓋了制動(dòng)力、制動(dòng)力矩、輪缸液壓、主缸工作容積、真空助力器、踏板行程、駐車(chē)制動(dòng)器等多項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容，給用戶提供整車(chē)制動(dòng)信息。

d.制動(dòng)器性能優(yōu)化方案。當(dāng)設(shè)計(jì)不滿足國(guó)家法規(guī)或易于讓整車(chē)后輪先抱死時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示用戶更改部分制動(dòng)器參數(shù)來(lái)優(yōu)化整個(gè)制動(dòng)性能。

e.提供與CAD/CAE軟件的接口。為了進(jìn)一步縮短制動(dòng)器開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)精度，軟件提供了與CATIA、ADAMS等軟件的接口，以輔助用戶進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

f.數(shù)據(jù)圖表存儲(chǔ)功能。軟件提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形存儲(chǔ)功能，可將結(jié)果和性能曲線保存，便于生產(chǎn)實(shí)際。

2 軟件開(kāi)發(fā)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1 設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.2 界面布置

汽車(chē)設(shè)計(jì)使用的軟件大多采用彈出式對(duì)話框，即每計(jì)算一個(gè)項(xiàng)目彈出一個(gè)或一系列對(duì)話框，不僅繁瑣而且不利于用戶查看已完成的計(jì)算分析。本系統(tǒng)利用現(xiàn)在主流瀏覽器遨游的使用界面，結(jié)合Visual C++提供的Tab控件，將制動(dòng)系統(tǒng)的20余項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算按功能劃分為多個(gè)頁(yè)面，按照一定順序逐層與用戶對(duì)話的方法解決了該問(wèn)題。該方法可以做到按人類認(rèn)識(shí)或描述問(wèn)題的規(guī)律有層次的與用戶交流，界面如圖3所示，左邊的輸入框不僅利于用戶在對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修改時(shí)方便的找到相關(guān)參數(shù)，也有助于用戶分析不同參數(shù)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能影響的程度。

2.3 信息錄入機(jī)制

良好的人機(jī)界面應(yīng)該在適當(dāng)?shù)胤綄?duì)用戶進(jìn)行提示[3]。本系統(tǒng)可以根據(jù)合理性、合法性要求雙重檢測(cè)用戶輸入的數(shù)據(jù)。如當(dāng)用戶疏忽，將800輸入為8OO（O 為大寫(xiě)字母）時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)刪除“OO”，并彈出警示對(duì)話框。在合理性檢測(cè)方面，若用戶輸入的前軸距與后軸距之和不等于總軸距時(shí)，軟件也會(huì)彈出警示對(duì)話框，避免后續(xù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

2.4 與CATIA的連接

在實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模方面，由于篇幅限制，只敘述其中兩個(gè)比較關(guān)鍵的步驟。

a.利用Visual C++調(diào)用CATIA

主要是利用ShellExecute（ ）函數(shù)來(lái)調(diào)用CATIA的路徑。用戶在第一次使用軟件時(shí)，需要查找路徑，然后將路徑通過(guò)命令流文件寫(xiě)到本軟件的安裝目錄下。在后續(xù)使用時(shí)，即可很流暢的進(jìn)入CATIA，不需要再查找路徑。

函數(shù)代碼為 ：ShellExecute （NULL， NULL，m_File，NULL，cBuffer， SW_SHOWNORMAL）

b.通過(guò)CAA對(duì)CATIA_V5 R19做二次開(kāi)發(fā)[4]

使用Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)制動(dòng)器零件建模模塊（Workbench），并在該模塊下制定出CATIA風(fēng)格的工具條，響應(yīng)命令按鈕及完成建模代碼的書(shū)寫(xiě)。具體界面和菜單如圖4中機(jī)械設(shè)計(jì)的彈出菜單所示，用戶單擊各制動(dòng)系統(tǒng)部件即可彈出參數(shù)化對(duì)話框進(jìn)行建模。

3 實(shí)例運(yùn)行

以某車(chē)型制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算為例，按照開(kāi)發(fā)流程（圖2）說(shuō)明本開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能。本次設(shè)計(jì)前、后軸均選用盤(pán)式制動(dòng)器。

3.1 參數(shù)輸入

在數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存了大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求，用戶只需按照軟件向?qū)Ъ纯稍跀?shù)據(jù)庫(kù)中選取參數(shù)或根據(jù)軟件提示的設(shè)計(jì)要求輸入?yún)?shù)。本次設(shè)計(jì)主要參數(shù)見(jiàn)表1～表3。

表1 整車(chē)參數(shù)

表2 制動(dòng)器參數(shù)（盤(pán)式）

表3 制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分參數(shù)

3.2 性能計(jì)算及分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，用戶即可進(jìn)入整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)分析模塊，分析整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)性能、計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵總成、校核系統(tǒng)關(guān)鍵部件，并通過(guò)各特性曲線圖及制動(dòng)法規(guī)對(duì)制動(dòng)性能做定性或定量評(píng)價(jià)，判定整車(chē)制動(dòng)性能，輔助優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

圖5是該車(chē)的理想與實(shí)際制動(dòng)力分配曲線，其中，F(xiàn)曲線表示后輪未抱死時(shí)在各種φ值路面上前輪抱死時(shí)的前、后地面制動(dòng)力關(guān)系曲線，與之對(duì)應(yīng)的R曲線表示前輪未抱死時(shí)在各種φ值路面上后輪抱死時(shí)的前、后地面制動(dòng)力關(guān)系曲線。由軟件計(jì)算及圖5可知，該車(chē)的同步附著系數(shù)為0.44，較小，若用戶選擇的路面附著系數(shù)φ大于0.44，系統(tǒng)會(huì)提示用戶前軸先報(bào)死，同時(shí)系統(tǒng)提供裝載比例閥的接口。圖6顯示用戶安裝并選擇了比例閥參數(shù)后的理想與實(shí)際制動(dòng)力分配曲線。由圖6可知，路面附著系數(shù)在0.97之前，實(shí)際的制動(dòng)力分配系數(shù)在I曲線之下，可知該車(chē)在一般路面附著系數(shù)下后軸不會(huì)提前抱死，滿足制動(dòng)穩(wěn)定性要求。

根據(jù)ECE法規(guī)要求來(lái)分析整車(chē)的制動(dòng)性能，軟件將ECE法規(guī)要求 （φ=0.2～0.8時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度Z≥0.1+0.85（φ-0.2））寫(xiě)入圖7。由圖7可知，在絕大多數(shù)路面上，該車(chē)滿足φf(shuō)＞φr，即前軸利用附著系數(shù)曲線均在后軸利用附著曲線之上，同時(shí)在φ=0.2～0.8時(shí)前、后軸利用附著系數(shù)也都滿足ECE法規(guī)要求的Z≥0.1+0.85（φ-0.2）。綜上可知，該車(chē)滿足制動(dòng)穩(wěn)定性要求。

在完成整車(chē)性能分析后，軟件同樣提供真空助力器特性、踏板力與輸入力曲線、踏板力與輸出液壓曲線幫助用戶分析踏板力—制動(dòng)減速度—制動(dòng)距離特性。圖8顯示的是根據(jù)表3真空助力器參數(shù)繪制的真空助力器與主缸液壓輸出的效能曲線圖[5，6]。圖9是根據(jù)踏板力、助力比及圖8等關(guān)系綜合繪制的踏板力與制動(dòng)距離曲線圖。圖9中包含了前軸失效、后軸失效、正常制動(dòng)等狀況的制動(dòng)距離曲線[6]，圖中垂直的虛線表示在某一制動(dòng)力下制動(dòng)距離將由于抱死而維持在一個(gè)數(shù)值。由圖9可知，當(dāng)踏板力為200 N時(shí)，前、后軸依次抱死，達(dá)到最短制動(dòng)距離。

3.3 參數(shù)化建模

用戶確定了設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果滿意后，即可進(jìn)入?yún)?shù)化建模模塊。本軟件在菜單上提供了與CATIA的接口，用戶單擊即可進(jìn)入CATIA。單擊子菜單即可彈出零部件界面，單擊某一部件即可彈出制動(dòng)器零件庫(kù)界面（圖10），用戶可以根據(jù)圖11中的二維圖尺寸標(biāo)識(shí)選擇之前的設(shè)計(jì)參數(shù)或填寫(xiě)新數(shù)據(jù)。圖12為用戶填寫(xiě)新數(shù)據(jù)產(chǎn)生的制動(dòng)盤(pán)模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提高制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，開(kāi)發(fā)了該款制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠精確計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)的20余項(xiàng)內(nèi)容，全面分析整車(chē)制動(dòng)性能，并通過(guò)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和制動(dòng)法規(guī)輔助用戶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)還有很多方面需要完善，在整車(chē)制動(dòng)性能部分，還可以增加輔助制動(dòng)模塊；在參數(shù)化建模部分目前只能實(shí)現(xiàn)主要部件如制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鼓、摩擦片等的參數(shù)化建模，復(fù)雜的卡鉗等還未實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。

1 魯?shù)婪?汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

2 Bin Wang，Xuexun Guo.Development Platform for Vehicle’s Brake System Based on VC++.WCSE， 2010.

3 Eckerson Wayne.Inference object-oriented development tool debuts.Network World， Framingham， Feb 8，1993，Vol.10，Iss.6.

4 熊欣，馬洪閣.CATIA V5將知識(shí)工程應(yīng)用于汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā).CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004（2）.

5 楊維和.汽車(chē)真空助力器的工作原理和性能計(jì)算.汽車(chē)技術(shù)，1991（10）.

6 方泳龍.汽車(chē)制動(dòng)理論與設(shè)計(jì).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.