汽車EBD性能檢驗臺仿真研究

李竹芳， 杜迪， 姚尚明， 劉明遠

（北京信息科技大學機電工程學院，北京100192）

0 引言

汽車的安全性已成為世界性的課題，引起各國的高度重視［1-5］。汽車ABS系統(tǒng)提供了一種有效減少交通事故、全面提高汽車制動性能的主動安全裝置，EBD系統(tǒng)在ABS的基礎上進一步提高了制動時的操縱穩(wěn)定性?，F(xiàn)行EBD系統(tǒng)在汽車制動的瞬間，高速計算出四個輪胎與地面的相互作用狀況，然后調(diào)整制動裝置，達到制動力與摩擦力（牽引力）的匹配，以保證車輛的平穩(wěn)和安全。當緊急制動時，EBD在ABS動作之前就一直在平衡每個車輪的有效地面制動力，以防止出現(xiàn)甩尾和側(cè)移，提高車輛行駛穩(wěn)定性，并有效縮短汽車制動距離［2-3］。

1 汽車EBD的作用原理

在沒有到達ABS之前，前后輪制動力應如何分配，代替固定的制動力分配方式，運用一種各個車輪獨立的制動力分配方式，這種分配方式不僅可以考慮到各個車輪不同的附著狀態(tài)，還可以考慮到由于裝載狀態(tài)的不同而引起的質(zhì)心位置的推移以及特殊的行駛狀態(tài)。這種系統(tǒng)稱為電子制動力分配系統(tǒng)（Electronic Brake force Distribution，EBD），是ABS的一種輔助系統(tǒng)。在ABS系統(tǒng)的基礎上增加了功能［1］。EBD能夠根據(jù)汽車制動時產(chǎn)生的軸荷轉(zhuǎn)移及各個車輪不同的附著狀態(tài)而自動調(diào)節(jié)前后軸及左右車輪的制動力分配比例，提高制動效能，并配合ABS提高制動的穩(wěn)定性。

2 汽車EBD性能檢驗臺簡介

由EBD的原理可見，要評價汽車EBD系統(tǒng)的性能，首先要提高檢測的模擬行駛速度（GB 13594-1992規(guī)定50 km/h）［5］，其次要適時測出汽車的車輪速度和汽車的運行速度（可求得汽車制動時車輪與地面的滑移率及減速度等）。對于實際運行的汽車而言，汽車的車輪速度和汽車的運行速度是不容易測得的，如果能設計一種臺架能模擬待檢測汽車的運動狀態(tài)，并且當汽車制動時，能模擬測量出汽車的輪速和車速，問題就迎刃而解了。分析比較目前常用的制動試驗臺，滾筒慣性式試驗臺能較好地模擬車輛運行狀態(tài)（檢測車速高），因此選擇增加第三滾筒的滾筒慣性式制動試驗臺作為EBD檢測臺。

汽車EBD性能檢驗臺機械傳動及電連接如圖1（a）所示，總體機械結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，一個滾筒總成的機械結(jié)構(gòu)如圖 1（c）所示。

檢驗臺的滾筒相當于移動路面，轉(zhuǎn)動的滾筒系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動動能，相當于汽車在道路上行駛的平動動能。檢驗臺工作原理如圖2。圖中EBD系統(tǒng)（包括輪速傳感器、壓力調(diào)節(jié)器、電子控制器等全套零部件）與汽車制動系統(tǒng)實物（包括壓力源、管路、分泵、制動器、輪胎等）按照在車輛上的運行要求進行連接，ECU的控制指令同時傳至測控系統(tǒng)（包括駕駛員模型、信號采集分析等模塊），電動機通過離合器與模擬慣量系統(tǒng)連接。進行測試時，電動機帶動慣性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動到達某速度后離合器分離，駕駛員模塊發(fā)出制動命令開始制動測試直到車輪停止。在這個過程中第一滾筒上的車速傳感器及第三滾筒上的輪速傳感器測得的數(shù)據(jù)傳至EBD測控系統(tǒng)，試驗臺快速高效地對不同車型的EBD系統(tǒng)進行測試，檢測所測試的EBD是否正常工作以及滑移率變化的情況。因此，車輪緊急制動時，在車輪與滾筒間無滑移的條件下，測得的滾筒在受檢車制動過程中的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速的變化和時間，即等同于受檢車的制動距離、制動減速度和制動時間。

EBD性能檢驗臺的幾個問題的解決：

1）車輛質(zhì)量的模擬。由于受檢汽車型號不同，質(zhì)量各異，檢驗臺必須能模擬出不同的質(zhì)量。滾筒帶有飛輪組，通過選擇不同的飛輪組合來進行匹配，使得滾筒和飛輪組的慣性質(zhì)量與受檢汽車的慣性質(zhì)量相當，從而模擬出不同受檢車輛的質(zhì)量。

圖1 檢驗臺結(jié)構(gòu)圖

2）路面不同附著系數(shù)的模擬。檢驗EBD作用效果，檢驗臺必須能模擬不同的附著路面，通過改變兩滾筒中心距來改變安置角大小，從而改變滾筒與車輪接觸的當量附著系數(shù)，即

其中，φk=φ/［（1+φ2）cosλ］為當量附著系數(shù)。

圖2 檢驗臺工作原理圖

3）載荷轉(zhuǎn)移的模擬。EBD要根據(jù)載荷轉(zhuǎn)移情況重新分配制動力，所以檢驗臺必須模擬不同的載荷分配。通過改變兩滾筒中心距實現(xiàn)不同載荷分配，原理如下式：

由式（2）可知，通過改變中心距來改變安置角，從而改變每個車輪軸荷的大小。

4）車輪速度的模擬。用傳感滾筒的運動狀態(tài)模擬車輪的運動狀態(tài)。因為主副滾筒都裝有飛輪，轉(zhuǎn)動慣量大，制動時車輪與滾筒之間有滑移，所以用主副滾筒的速度模擬車輪速度是不準確的，必須用一個轉(zhuǎn)動慣量小的滾筒來模擬車輪速度。傳感滾筒軸是從動軸，獨立安裝在兩滾筒之間，轉(zhuǎn)動慣量很小，放置在兩滾筒上的汽車車輪通過彈簧壓緊傳感滾筒軸，使傳感滾筒軸隨車輪一起轉(zhuǎn)動，在傳感滾筒軸的端部安裝一脈沖傳感器，測量車輪速度。當車輪抱死，停止轉(zhuǎn)動時，傳感滾筒軸也停止轉(zhuǎn)動，即傳感滾筒軸可以直接反映車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

5）車身速度的模擬。因為主副滾筒軸轉(zhuǎn)動動能之和等于汽車平動動能，所以安裝在主副滾筒軸的速度傳感器測出的速度用以模擬車身速度。

3 檢驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響

3.1 滾筒直徑對檢測結(jié)果的影響

圖3（a）為滾筒直徑為268 mm制動力矩-時間曲線，圖3（b）為滾筒直徑為368 mm制動力矩-時間曲線，圖3（c）為滾筒直徑為468 mm制動力矩-時間曲線，圖3（d）為不同滾筒直徑制動距離-時間曲線，圖3（e）為不同滾筒直徑車速與輪速-時間曲線。表1列出了具體數(shù)值。

檢測結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，滾筒直徑越大，制動距離越短，制動時間越小，車輛平均加速度越大，平均制動力矩變化不大，只是制動力矩作用時間減小。

需要說明的是：改變滾筒直徑并不改變滾筒的轉(zhuǎn)動慣量和檢驗臺安置角的大小，在檢測中，滾筒直徑變化時，要調(diào)整安置角為定值。

制動時間和制動距離減小的原因：由Jgαg=φGRg可知，增大Rg，αg即增大，車速下降變快，制動距離和制動時間就會減小。

圖3 不同滾筒直徑對檢測結(jié)果影響曲線

表1 不同滾筒直徑對應的仿真結(jié)果

3.2 滾筒轉(zhuǎn)動慣量對檢測結(jié)果的影響

圖4（a）為轉(zhuǎn)動慣量為12 kg·m2制動力矩-時間曲線，圖4（b）為轉(zhuǎn)動慣量為17 kg·m2制動力矩-時間曲線，圖4（c）為轉(zhuǎn)動慣量為 22 kg·m2制動力矩-時間曲線，圖 4（d）為不同轉(zhuǎn)動慣量制動距離-時間曲線，圖4（e）為不同轉(zhuǎn)動慣量車速與輪速-時間曲線。表2列出了具體數(shù)值。

圖4 不同轉(zhuǎn)動慣量對檢測結(jié)果影響曲線

檢測結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)動慣量越小，制動距離越短，制動時間越小，車輛平均加速度越大，平均制動力矩變化不大，只是制動力矩作用時間減小。

表2 不同滾筒轉(zhuǎn)動慣量對應的仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)動慣量對制動距離和平均制動力矩產(chǎn)生影響的原因。由J2=MR2g可知，當滾筒半徑Rg一定時，滾筒轉(zhuǎn)動慣量只與滾筒質(zhì)量M有關，而滾筒質(zhì)量越大，在制動力矩一定的情況下，滾筒減速度越小（F=ma），即滾筒減速越慢（v=v0-at），那么所對應的制動距離就越長（），這也就解釋了圖中所示為什么平均制動力矩相差不大，而制動力矩作用時間和制動距離卻相差很大的原因。

事實上，由J2=MR2g可得：當車輛質(zhì)量和滾筒半徑一定時，滾筒轉(zhuǎn)動慣量就唯一確定了，如果隨意更改滾筒轉(zhuǎn)動慣量會使試驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤。本試驗所選車型是唯一的，本車型所對應的轉(zhuǎn)動慣量為17 N·m2，設置其余兩種轉(zhuǎn)動慣量只想說明轉(zhuǎn)動慣量對實驗結(jié)果有影響，在設計檢驗臺滾筒時一定要選擇正確的參數(shù)。

4結(jié) 論

本文論述了汽車EBD作用原理和檢測方法，研究了不同EBD性能檢驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是檢驗臺滾筒的直徑、轉(zhuǎn)動慣量）對檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明：EBD性能檢驗臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)對仿真結(jié)果的影響很大，合適地選擇檢驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)對進行仿真試驗至關重要。

［1］ 胡學英.基于ABS的EBD控制技術的仿真研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2006.

［2］ 胡學英.基于ABS硬件系統(tǒng)的汽車EBD控制策略［D］.成都：四川教育學院汽車應用技術學院，2007.

［3］ 劉杰.汽車電子制動力分配系統(tǒng)的控制策略研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2009.

［4］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［5］ 郝盛.汽車ABS試驗臺整車測試技術及數(shù)據(jù)分析研究［D］.西安：長安大學，2007.

［6］ 于東.汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制方法仿真研究與控制器設計［D］.濟南：山東大學，2007.