全時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)的研究

嚴(yán) 瑾，葉振洲，邵建文，張 昕

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院 化學(xué)與環(huán)境計(jì)量研究所，杭州 310018）

在我國，輕型車的汽車制動(dòng)性能主要由滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)和平板式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)，國內(nèi)大部分機(jī)動(dòng)車安檢機(jī)構(gòu)普遍采用前者——滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)。其實(shí)際為一個(gè)機(jī)械模擬路面，被測(cè)汽車開上去后，可模擬在道路上制動(dòng)的狀態(tài)，同時(shí)制動(dòng)力及其它相關(guān)參數(shù)被安置在“路面”上的傳感器測(cè)出，作為判斷汽車制動(dòng)性能的依據(jù)。然而，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，不少高端汽車都采用了全時(shí)全輪驅(qū)動(dòng)[1]（AWD），部分AWD車輛在滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)上做檢測(cè)，會(huì)造成車輛差速器或變速箱的損壞?，F(xiàn)階段部分檢測(cè)站采用平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)對(duì)AWD車輛進(jìn)行制動(dòng)線內(nèi)檢驗(yàn)，但相比于滾筒反力式[2-3]制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)，平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)存在重復(fù)性差，對(duì)操作、環(huán)境要求較高等缺點(diǎn)。

在此研制的全時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)在傳統(tǒng)滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，能夠更加快速、準(zhǔn)確、安全地檢測(cè)AWD車輛，且具有較高的測(cè)量精度和可靠性。

1 汽車制動(dòng)力檢測(cè)原理

汽車被檢車輪受力分析示意如圖1所示，假定主、副滾筒半徑相等，且水平布置，車輪為剛性車輪。

圖1 傳感器式測(cè)量裝置及車輪分析示意Fig.1 Analysis picture of sensor measuring device and wheel

當(dāng)駕駛員踩下踏板，車輪在制動(dòng)力矩Mr作用下開始減速，此時(shí)滾筒對(duì)車輪邊緣的切線方向作用力為F1，F(xiàn)2，以維持車輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。車輪對(duì)滾筒產(chǎn)生反向等值的反作用力，使得扭力箱和測(cè)力杠桿朝與滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)相反方向擺動(dòng)，并將力傳給制動(dòng)力傳感器，傳感器輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)過濾波放大后通過A/D芯片轉(zhuǎn)換再送給單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。由汽車制動(dòng)車輪的受力分析，可得平衡方程[4]：

式中：F1，F(xiàn)2為主、副滾筒作用于被檢車輪的切向力；N1，N2為主、副滾筒作用于被檢車輪的法向反力；Fn為非檢測(cè)車輪對(duì)被檢車輪的水平作用力；Gn為被檢車輪負(fù)荷；Mr為被檢車輪所受制動(dòng)力矩；R為被檢車輛的半徑；α為安置角；L為滾筒中心距；r為滾筒半徑。

若汽車車輪與滾筒間的附著系數(shù)均為μ，則F1，F(xiàn)2的最大值為代入式 （1）～式（4），得：

由式（8）可知，影響最大制動(dòng)力的因素有被檢車輪負(fù)荷Gn，安置角α，非檢測(cè)車輪對(duì)被檢車輪的水平作用力Fn和車輪與滾筒的附著因數(shù)μ。因而，為了增大測(cè)得制動(dòng)力的準(zhǔn)確度[5]，采用提高車輪與滾筒的附著因素，通過限制被檢車輛的載荷，來減小安置角α對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2 全時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)力檢驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括一組制動(dòng)臺(tái)和沿檢測(cè)線縱向在制動(dòng)臺(tái)兩側(cè)設(shè)置的兩組自由滾筒組。制動(dòng)臺(tái)上設(shè)置有輪胎頂緊裝置，自由滾筒組上設(shè)置鎖止機(jī)構(gòu)。

圖2 制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of braking test system

制動(dòng)臺(tái)由結(jié)構(gòu)完全相同的左右2套車輪制動(dòng)力測(cè)試單元和1套指示、控制裝置組成。每一套車輪制動(dòng)力測(cè)試單元由框架、驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒組、舉升裝置、測(cè)量裝置等構(gòu)成。制動(dòng)臺(tái)上的輪胎頂緊裝置，包括安裝在制動(dòng)臺(tái)機(jī)架上的氣缸，通過曲臂連接滑輪，氣缸不工作時(shí)整個(gè)頂緊裝置與地面平行，氣缸工作時(shí)通過曲臂將滑輪頂緊，且滑輪可跟隨汽車輪胎一起自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

前后自由滾筒裝置通過鎖止機(jī)構(gòu)來控制，當(dāng)需要使用自由滾筒時(shí)將鎖止機(jī)構(gòu)解除，滾筒可自由滾動(dòng)；不需要使用時(shí)則鎖死機(jī)構(gòu)，使自由滾筒無法滾動(dòng)。

當(dāng)對(duì)前輪進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，前輪在制動(dòng)滾筒組上，輪胎頂緊裝置進(jìn)入工作狀態(tài)將輪胎頂緊，防止其位移影響檢測(cè)結(jié)果，后輪在自由滾筒組上一起轉(zhuǎn)動(dòng)；同樣，檢測(cè)后輪時(shí)則前輪在自由滾筒組上，后輪在制動(dòng)滾筒組上。

3 全時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)

整個(gè)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由PIC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、由上位機(jī)控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和輸出。

圖3 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)Fig.3 PIC system block diagram of braking inspection bench

制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。當(dāng)被檢車輪行駛到檢驗(yàn)臺(tái)主、副滾筒之間，非在檢車輪駛上自由滾筒組。當(dāng)左、右兩車輪同時(shí)到位的時(shí)候，觸發(fā)到位開關(guān)，此時(shí)上位機(jī)軟件通過串口接收到信號(hào)后通過電磁離合器來控制電機(jī)的啟動(dòng)，經(jīng)扭力箱帶動(dòng)滾筒組及汽車車作輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其中扭力箱浮動(dòng)式安裝在機(jī)架上，其殼體上的測(cè)力臂連接制動(dòng)力傳感器[6]。當(dāng)車速達(dá)到一定的速度之后，駕駛員根據(jù)操作提示踩下踏板，制動(dòng)力經(jīng)扭力箱及測(cè)力臂，傳給制動(dòng)力傳感器，傳感器輸出的電信號(hào)傳輸給控制儀表進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)持續(xù)上升的制動(dòng)力出現(xiàn)峰值下降10%時(shí)，基本上認(rèn)為已測(cè)得最大制動(dòng)力值，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令停止電機(jī)[7]。

圖4 系統(tǒng)工作流程Fig.4 Testing flow chart of system

3.2 制動(dòng)力測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本裝置采用懸臂梁式測(cè)力傳感器檢測(cè)制動(dòng)力，其模擬輸出電壓為0～10 mV，經(jīng)過調(diào)理電路濾波放大后達(dá)到0～2.4 V，其模擬信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模擬信號(hào)調(diào)理結(jié)構(gòu)Fig.5 Analog signal conditioning block diagram

制動(dòng)力測(cè)量傳感器采用應(yīng)變片式電阻傳感器，實(shí)現(xiàn)力-電壓的線性轉(zhuǎn)換，其原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)[8]，即：

式中：k為應(yīng)變系數(shù)（通常為1～2）；ε為微應(yīng)變；R為應(yīng)變計(jì)電阻值。圖6為制動(dòng)力測(cè)量傳感器信號(hào)濾波放大電路。

圖6 傳感器信號(hào)濾波放大電路Fig.6 Filter and amplifier circuit of sensor signal

V+，V-為傳感器的差動(dòng)電壓；C26，C27為濾波電容；R4為AD620放大倍數(shù)的調(diào)整電位器，3個(gè)OP07進(jìn)行電路的后續(xù)放大[9]。整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了10～30000 N的左、右輪測(cè)力傳感器輸出電壓為0～10 mV，經(jīng)過濾波放大電路后輸出0～2.4 V電壓的轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)再通過12位的AD芯片78888轉(zhuǎn)成相應(yīng)的數(shù)字量送入PIC單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)存儲(chǔ)、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換等處理并送入上位機(jī)，上位機(jī)將最后處理過的檢測(cè)數(shù)據(jù)由液晶顯示輸出并通過打印機(jī)打印。

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

全時(shí)四驅(qū)制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)臺(tái)的程序功能框圖如圖7所示。

圖7 程序功能Fig.7 Program functional block diagram

程序功能框圖主要有系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、系統(tǒng)的通訊以及調(diào)試顯示。整個(gè)軟件的編寫采用MPLAB C18編譯器編寫[10]，其適用于PIC單片機(jī)，依托于Windows平臺(tái)建立項(xiàng)目工程，進(jìn)行相應(yīng)的軟件編寫，同時(shí)可以進(jìn)行項(xiàng)目管理和源代碼級(jí)調(diào)試；利用MPLAB ICD仿真器可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)試。制動(dòng)力主程序流程如圖8所示。

圖8 制動(dòng)力主程序流程Fig.8 Braking force main program flow chart

4 全時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)力檢測(cè)裝置標(biāo)定與試驗(yàn)

4.1 檢測(cè)裝置的標(biāo)定

檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性可以由函數(shù)方程表示為[11]

制動(dòng)力測(cè)量標(biāo)定采用砝碼標(biāo)定法按如圖9所示，將標(biāo)定架固定在滾筒上，按JJG 906—2009用砝碼進(jìn)行制動(dòng)力標(biāo)定。

圖9 砝碼標(biāo)定法Fig.9 Weight calibration method

在制動(dòng)臺(tái)示值滿量程內(nèi)，標(biāo)定點(diǎn)的選取不少于8個(gè)點(diǎn)，且盡量均勻分布，其中包括零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)。按照式（11）計(jì)算出標(biāo)定點(diǎn)與加砝碼的質(zhì)量。

式中：mi為被標(biāo)定砝碼質(zhì)量計(jì)算值，kg；r為制動(dòng)臺(tái)滾筒半徑，mm；L為標(biāo)定裝置的力臂長，mm；Fi為被標(biāo)定點(diǎn)制動(dòng)力給定值，N；g為重力加速度，m/s2；i=1，2，3，4，5，6，7，8，…。

使用專用的標(biāo)定裝置依次加載砝碼質(zhì)量（mi）至滿量程，再依次減載砝碼質(zhì)量（mi）至零，測(cè)出設(shè)定的各標(biāo)定點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的左、右輪制動(dòng)力AD的示值，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)重復(fù)測(cè)兩三次，取其算術(shù)平均值。

本裝置實(shí)際標(biāo)定中，L/R為10，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 制動(dòng)力標(biāo)定測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Braking force calibration measurement data

制動(dòng)力為y，AD值為x，根據(jù)式（10）利用最小二乘法擬合，可得

由此，可根據(jù)相應(yīng)的AD值就可換算得到制動(dòng)力的大小。

4.2 檢測(cè)裝置試驗(yàn)

1）對(duì)比試驗(yàn)1

3種車型全時(shí)四驅(qū)汽車斯巴魯翼豹、大眾途觀、奧迪Q5分別駛上四驅(qū)制動(dòng)力檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行3次制動(dòng)力檢測(cè)，得出相應(yīng)制動(dòng)率 （制動(dòng)率=制動(dòng)力/整車重量×100%），如表 2～表 4所示。

表2 斯巴魯翼豹的制動(dòng)率（%）Tab.2 Braking rate of Impreza（%）

表3 大眾途觀的制動(dòng)率（%）Tab.3 Braking rate of Volkswagen Touran（%）

表4 奧迪Q5的制動(dòng)率（%）Tab.4 Braking rate of Audi Q5（%）

對(duì)比試驗(yàn)1中，3種車型在全時(shí)四驅(qū)制動(dòng)力檢測(cè)臺(tái)上測(cè)試的制動(dòng)率的重復(fù)性誤差、示值誤差均小于國標(biāo)GB/T 13564—2005所要求的“不大于1%”。

2）對(duì)比試驗(yàn)2

4種車型的適時(shí)四驅(qū)汽車豐田RAV4，大眾高爾夫R，本田CRV，奧迪TT分別在傳統(tǒng)的兩驅(qū)制動(dòng)臺(tái)以及四驅(qū)制動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行兩驅(qū)模式的制動(dòng)力檢測(cè)，得出相應(yīng)的制動(dòng)率如表5所示。

表5 多種車型的制動(dòng)率（%）Tab.5 Braking rate of kinds of models（%）

通過對(duì)比試驗(yàn)2，這4種車型在全時(shí)四驅(qū)制動(dòng)力檢驗(yàn)臺(tái)以及傳統(tǒng)的兩驅(qū)制動(dòng)力檢驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行兩驅(qū)模式測(cè)試的制動(dòng)率的誤差都小于1%。因此，在全時(shí)四驅(qū)制動(dòng)力檢測(cè)臺(tái)上也完全可以檢測(cè)兩驅(qū)車輛，符合相應(yīng)的指標(biāo)。

5 結(jié)語

提出的新型全時(shí)四驅(qū)制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)的研究方案，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力快速、準(zhǔn)確、安全的綜合在線檢測(cè)，解決了檢測(cè)站傳統(tǒng)制動(dòng)力檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)四驅(qū)車輛時(shí)會(huì)造成變速器或差速器損壞等問題。該系統(tǒng)在車輛檢測(cè)站投入運(yùn)行后，測(cè)試結(jié)果理想，性能穩(wěn)定可靠，操作方便。經(jīng)浙江省計(jì)量科學(xué)研究檢定合格，并出具了相應(yīng)的檢定證書，制動(dòng)臺(tái)的整體示值誤差小于1%，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)JJG 906—2009。

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