事故車輛制動(dòng)力檢測(cè)中可控轉(zhuǎn)矩加載方法的仿真研究?

馬明芳，劉煥峰，張立斌，王 博

事故車輛制動(dòng)力檢測(cè)中可控轉(zhuǎn)矩加載方法的仿真研究?

馬明芳1，2，劉煥峰1，張立斌1，王 博1

(1.吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022； 2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 100096)

為更準(zhǔn)確地測(cè)試喪失行駛能力車輛的制動(dòng)性能，本文中對(duì)事故車輛制動(dòng)力檢測(cè)中的轉(zhuǎn)矩加載方法進(jìn)行了仿真研究。首先，通過試驗(yàn)分析了單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法的可行性和特點(diǎn)；然后，建立了基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型，并根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性推導(dǎo)出加載轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，再結(jié)合PID控制算法提出了可控轉(zhuǎn)矩的加載方法；最后，在MATLAB/Simulink中進(jìn)行轉(zhuǎn)矩加載控制的仿真，得出了合理的加載時(shí)間間隔等參數(shù)，通過轉(zhuǎn)矩加載誤差分析驗(yàn)證了本文中提出方法的可行性，為事故車輛的制動(dòng)性能檢測(cè)打下基礎(chǔ)。

事故車輛；制動(dòng)力檢測(cè)；可控轉(zhuǎn)矩

前言

汽車保有量的快速增長(zhǎng)和交通事故的頻繁發(fā)生使得與汽車相關(guān)的質(zhì)量糾紛和事故糾紛也隨之增多。而在這些交通事故糾紛事件中，對(duì)汽車制動(dòng)性能的鑒定檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵。但由于車輛碰撞損壞，不具備路試或臺(tái)試檢驗(yàn)的條件。鑒定機(jī)構(gòu)只能采用外觀觀察的方法，其結(jié)論缺乏科學(xué)性和客觀性，因此針對(duì)事故車輛制動(dòng)性能檢測(cè)的相關(guān)研究具有重要意義。

在事故鑒定方面，國(guó)外存在比較成熟的司法鑒定行業(yè)[1]，可很好地再現(xiàn)事故過程，進(jìn)行碰撞分析和汽車零部件安全研究。在鑒定分析過程中主要運(yùn)用滑移速度計(jì)算器和碰撞數(shù)據(jù)記錄儀(EDR)進(jìn)行公路碰撞數(shù)據(jù)分析[2]、運(yùn)用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圖繪制分析、運(yùn)用軟件進(jìn)行碰撞模擬[3-6]。成熟的司法鑒定對(duì)事故的分析重點(diǎn)在于事故過程再現(xiàn)，而缺乏對(duì)于事故車輛進(jìn)行檢測(cè)的裝置。另一方面，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)角度出發(fā)，例如美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)、日本《機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)》和俄聯(lián)邦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車安全行駛對(duì)技術(shù)狀況的要求檢測(cè)方法》等，均未涉及對(duì)事故受損車輛的制動(dòng)性能檢測(cè)。而當(dāng)前我國(guó)正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[7]中要求事故后仍具備行駛能力，采用路試或臺(tái)試檢測(cè)，對(duì)于不能正常行駛的事故車輛，由具備經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行拆檢，即采用靜態(tài)檢測(cè)確定其事故時(shí)的狀態(tài)，同時(shí)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18344—2016《汽車維護(hù)、檢測(cè)、診斷技術(shù)規(guī)范》[8]，確定車輛技術(shù)狀況是否符合技術(shù)要求[9-10]。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]中詳細(xì)介紹了路試、臺(tái)試和靜態(tài)拆檢的方法，同時(shí)后者還介紹了簡(jiǎn)單的單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法；文獻(xiàn)[13]中應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真模型的方法，針對(duì)裝有ABS的事故車輛進(jìn)行了研究；2011年文獻(xiàn)[14]中對(duì)制動(dòng)性能測(cè)試儀在事故車輛制動(dòng)性能檢測(cè)中的應(yīng)用有所創(chuàng)新。

上述文獻(xiàn)中，針對(duì)喪失行駛能力的事故車輛制動(dòng)性能檢測(cè)的研究相對(duì)較少。據(jù)此，本文中以單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法為基礎(chǔ)，對(duì)制動(dòng)力檢測(cè)過程中的轉(zhuǎn)矩加載方法進(jìn)行了研究。結(jié)合電磁滑差離合器[15-16]的原理與機(jī)械特性，分析轉(zhuǎn)矩加載參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)合PID控制算法[17-18]使加載轉(zhuǎn)矩可控，最后通過加載過程的動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文中所采用方法的可行性。

1 基于單輪制動(dòng)力測(cè)試方法的試驗(yàn)

事故車輛經(jīng)碰撞，多喪失行駛能力，不具備路試或臺(tái)試的技術(shù)條件，難以進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，因此本文中的研究方法以單輪制動(dòng)力測(cè)試方法為基礎(chǔ)，采取測(cè)量制動(dòng)器制動(dòng)力的代替方式，近似地測(cè)量地面制動(dòng)力。圖1為單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法示意圖。

圖1 單輪制動(dòng)力檢測(cè)法示意圖

檢測(cè)時(shí)先將車輪螺栓松動(dòng)，將待測(cè)車輪所在車軸用千斤頂頂起，卸下車輪，踩住制動(dòng)踏板向制動(dòng)盤施加力矩。當(dāng)施加力矩大于制動(dòng)器最大靜摩擦力矩時(shí)，制動(dòng)盤便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在汽車中軸荷較大的軸上，其最大靜摩擦力矩就近似等于地面制動(dòng)力在車輪上產(chǎn)生的力矩。最后除以車輪半徑，便可得到近似的地面制動(dòng)力。此方法可近似得出地面制動(dòng)力，但從測(cè)量過程和原理分析可知，單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法也存在很多缺點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)矩加載過程不可控，屬于靜態(tài)檢測(cè)等等。因此，本文中對(duì)轉(zhuǎn)矩加載過程進(jìn)行創(chuàng)新，使轉(zhuǎn)矩加載可控，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

根據(jù)GB 7258—2012，汽車制動(dòng)性檢測(cè)一般采用反力式(或慣性式)滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行空載檢測(cè)，當(dāng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有異議時(shí)才會(huì)進(jìn)行滿載檢測(cè)或者路試檢測(cè)。為了分析單輪制動(dòng)力加測(cè)法的可靠性及特點(diǎn)，選擇滾筒制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)同一車型的汽車進(jìn)行兩組試驗(yàn)，滾筒試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 滾筒試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果

單輪制動(dòng)力檢測(cè)法，須根據(jù)滾筒試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)結(jié)果，找出汽車制動(dòng)力達(dá)到最大值時(shí)的制動(dòng)踏板力和管路油壓，并以此值模擬試驗(yàn)中制動(dòng)踏板力的大小，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為表2中第一組試驗(yàn)值。

表2 單輪制動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果 N

GB 7258—2012對(duì)制動(dòng)踏板力有明確要求，即3.5t級(jí)別及以下的四輪汽車的制動(dòng)踏板力不能大于500N。據(jù)此，制動(dòng)踏板力的上限設(shè)為500N。因此，在500N的制動(dòng)踏板力的條件下再次評(píng)價(jià)，即進(jìn)行第二組試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)得管路壓力為8.5MPa。兩組檢測(cè)結(jié)果見表2。

對(duì)比表1和表2可以看出，在前軸制動(dòng)力的檢測(cè)上，單輪制動(dòng)力檢測(cè)法的檢測(cè)結(jié)果與滾筒試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果比較接近，測(cè)量結(jié)果具有可信度。由于單輪制動(dòng)力檢測(cè)法與軸荷無關(guān)，故檢測(cè)結(jié)果前后軸相近。

2 可控轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)力加載方法

針對(duì)目前傳統(tǒng)單輪制動(dòng)力檢測(cè)法的局限，本文中設(shè)計(jì)了新方法以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和動(dòng)態(tài)測(cè)量。在檢測(cè)設(shè)備與被檢車輛安裝調(diào)試后，測(cè)試系統(tǒng)不斷地給被檢車輛的制動(dòng)盤提供力矩，進(jìn)行連續(xù)加載。在該方法中將制動(dòng)器制動(dòng)力近似等于汽車制動(dòng)時(shí)地面產(chǎn)生的摩擦力矩。當(dāng)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)后，系統(tǒng)仍可向制動(dòng)盤加載，借此即可以動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法獲取其他能評(píng)價(jià)制動(dòng)性能的指標(biāo)，如抗熱衰退性和ABS的性能，其適用性較傳統(tǒng)方式有所提高。

2.1 基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型

本文中檢測(cè)法的關(guān)鍵是輸出一系列可控的轉(zhuǎn)矩值。由于異步電動(dòng)機(jī)不能輸出給定值的轉(zhuǎn)矩，故須在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)自由調(diào)整轉(zhuǎn)矩的部件。本文中選擇電磁滑差離合器來完成調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的任務(wù)。

2.1.1 模型建立

在Solidworks中建立基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型，該模型主要由異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、減速器、施力卡盤、支撐裝置和各種連接配件組成。將該系統(tǒng)連接到車輛制動(dòng)盤上，啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，動(dòng)力由異步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過電磁滑差離合器、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速器和施力卡盤傳遞到車輛制動(dòng)盤。連續(xù)加載轉(zhuǎn)矩，直到制動(dòng)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)使加載結(jié)束，此時(shí)系統(tǒng)輸出的力矩值就是制動(dòng)盤與制動(dòng)蹄片的最大靜摩擦力矩，也就是地面的制動(dòng)力矩。然后除以車輪半徑，便得到待檢車輛的地面制動(dòng)力。圖2為轉(zhuǎn)矩加載模型。

圖2 轉(zhuǎn)矩加載模型

由圖可知，系統(tǒng)工作的過程要連續(xù)加載可變轉(zhuǎn)矩，因此必須找出輸出轉(zhuǎn)矩與輸入值之間的關(guān)系。本文中根據(jù)各組成部分的工作原理和特性，通過理論分析得出輸出轉(zhuǎn)矩的影響因素。

2.1.2 理論推導(dǎo)

由電磁滑差離合器的原理可知，如果要求電磁滑差離合器輸?shù)霓D(zhuǎn)矩為T，則勵(lì)磁繞組中電流強(qiáng)度應(yīng)為

式中：nd為離合器主動(dòng)部件轉(zhuǎn)速；n1為離合器從動(dòng)部件轉(zhuǎn)速，由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得出；K為離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征決定了當(dāng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速必然發(fā)生變化。電磁滑差離合器的勵(lì)磁電流使輸出轉(zhuǎn)矩變化，即電機(jī)的負(fù)載非恒定，離合器的主動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不是常數(shù)。因此，不能直接通過式(1)建立輸出轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流的關(guān)系，要進(jìn)一步求解二者的關(guān)系，必須考慮異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，求出輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為

式中：K1為與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源頻率有關(guān)的常數(shù)；U為電源相電壓；S為轉(zhuǎn)差率；R2為轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻；X20為電動(dòng)機(jī)不動(dòng)(nd＝0)時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗。轉(zhuǎn)差率S的計(jì)算公式為

式中：n0為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，本文中取為1 500r/min；ne為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖3為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖。由圖3可見，異步電動(dòng)機(jī)存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩Tm，它是電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載超過此值，則電動(dòng)機(jī)就不能工作。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

欲求出轉(zhuǎn)矩的最大值，可對(duì)式(2)進(jìn)行求導(dǎo)，當(dāng)d T/d S＝0時(shí)，得到的轉(zhuǎn)差率即為臨界轉(zhuǎn)差率Sm：

再將臨界轉(zhuǎn)差率代入式(2)，可得最大轉(zhuǎn)矩：

異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)遇到短時(shí)沖擊負(fù)載，如果沖擊負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)仍能運(yùn)行，且電機(jī)短時(shí)過載也不會(huì)引起劇烈發(fā)熱[28]。通常把固有機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比λm稱為電動(dòng)機(jī)的過載能力系數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nd＝0時(shí)，轉(zhuǎn)差率S＝1。此時(shí)轉(zhuǎn)矩Tst稱為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tst與最大轉(zhuǎn)矩Tm之比λst稱為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)。

將式(5)和式(7)代入式(8)可得

本文中選取電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)λst為1.2，可得臨界轉(zhuǎn)差率Sm為0.537。同時(shí)取電動(dòng)機(jī)的過載能力系數(shù)λm為2.2。綜合上述公式可得所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

經(jīng)計(jì)算，本文中選取的電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0為1 500r/min，代入上式，求出ne的表達(dá)式，又因異步電動(dòng)機(jī)與滑差離合器直接相連，則電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ne與離合器主動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nd相同，即

結(jié)合式(1)與式(12)可得：

至此便得到了輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。

2.2 基于PID控制算法的制動(dòng)力加載控制

由前面的理論推導(dǎo)過程可知，電磁滑差離合器輸出轉(zhuǎn)矩的大小受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差和離合器磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。而電磁滑差離合器的磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流成正比例相關(guān)。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨著輸入電流而變化，因此若要輸出指定的轉(zhuǎn)矩，必須運(yùn)用控制器實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流的大小，調(diào)整的依據(jù)為上文求得的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，如式(12)和式(13)所示。圖4為電磁滑差離合器輸出轉(zhuǎn)矩控制框圖。

圖4 電磁滑差離合器輸出轉(zhuǎn)矩控制框圖

由圖可見，勵(lì)磁電流的控制為閉環(huán)反饋控制。系統(tǒng)的反饋信號(hào)是由轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的離合器輸出轉(zhuǎn)矩?？刂破鞲鶕?jù)差值輸出信號(hào)控制并調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)離合器輸出轉(zhuǎn)矩。本檢測(cè)方法輸出量是定值，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性而產(chǎn)生偏差，故須通過處理偏差來控制輸出。本文中選擇PID控制器進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)矩控制，它是一種線性調(diào)節(jié)器，將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制[19]。可控轉(zhuǎn)矩制動(dòng)力檢測(cè)法方案如圖5所示。

圖5 可控轉(zhuǎn)矩制動(dòng)力檢測(cè)法方案

PID控制器的微分方程為

式中：e(t)＝r(t)-c(t)；KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

3 轉(zhuǎn)矩加載控制過程仿真

由上文可知，要輸出一定的轉(zhuǎn)矩必須運(yùn)用控制器實(shí)時(shí)控制勵(lì)磁電流，控制的依據(jù)為3個(gè)變量之間的關(guān)系式。即電磁滑差離合器輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電流的關(guān)系式(1)，和由本文中所選電機(jī)的機(jī)械特性曲線推導(dǎo)而來的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式(12)，加上求得的輸出轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流的關(guān)系式(13)。

在仿真過程中，不論是靜態(tài)加載仿真，還是動(dòng)態(tài)連續(xù)加載仿真，在加載終止之前，離合器的輸出轉(zhuǎn)子都是靜止不動(dòng)的，即n1＝0，將其作為仿真的初始狀態(tài)進(jìn)行仿真。

3.1 靜態(tài)加載試驗(yàn)

仿真時(shí)，電磁滑差離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù) K取2 500，初始電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440r/min，給定輸出轉(zhuǎn)矩為50N.m。首先在離合器的勵(lì)磁繞組通入一微小初始電流，生成初始轉(zhuǎn)矩輸出后進(jìn)行反饋，PID控制部分依照式(14)控制輸出電流，并與初始電流取較大值。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取一個(gè)初始值1 440r/min，經(jīng)過一段時(shí)間之后按照式(1)輸出轉(zhuǎn)矩。

仿真時(shí)，須在Simulink中對(duì)PID控制的3個(gè)參數(shù)不斷進(jìn)行選擇與調(diào)試，仿真模型如圖6所示。

圖6 靜態(tài)仿真模型圖

3.2 動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)

在完成指定輸出力矩的仿真后，須對(duì)實(shí)際的檢測(cè)過程，即動(dòng)態(tài)連續(xù)加載過程進(jìn)行仿真，仿真條件、參數(shù)與靜態(tài)仿真一樣，設(shè)定終止力矩，即達(dá)到最大靜摩擦力矩時(shí)滑差離合器的輸出轉(zhuǎn)矩。

本文中選擇捷達(dá)轎車作為仿真對(duì)象，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 捷達(dá)轎車制動(dòng)相關(guān)參數(shù)

按照制動(dòng)力為軸重的80%來計(jì)算制動(dòng)力，這里取前軸的單輪制動(dòng)力。經(jīng)計(jì)算，其制動(dòng)力為2 744N。175/70 R14型子午線輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為279mm，則前軸單輪制動(dòng)力矩為2744×0.279＝765.576N.m。那么，在本次仿真時(shí)設(shè)定終止轉(zhuǎn)矩就應(yīng)為766N.m。連續(xù)加載仿真模型如圖7所示。

在連續(xù)加載過程中，有兩個(gè)重要的參數(shù)：加載轉(zhuǎn)矩增量與加載間隔時(shí)間。這兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定度起到?jīng)Q定性作用。

加載轉(zhuǎn)矩增量決定系統(tǒng)的精確度，為提高精度，就要降低加載轉(zhuǎn)矩增量。雖然加載轉(zhuǎn)矩增量越小，精度越高，但若加載轉(zhuǎn)矩增量過小，會(huì)導(dǎo)致輸出一定的轉(zhuǎn)矩值需要的加載次數(shù)過多。因此以滾筒試驗(yàn)臺(tái)的精度為標(biāo)準(zhǔn)，在車型為捷達(dá)的情況下，系統(tǒng)加載轉(zhuǎn)矩增量為0.28N.m。由此可得，在0.28N.m的加載轉(zhuǎn)矩增量下，輸出766N.m需要加載2 735次。

圖7 連續(xù)加載仿真模型圖

加載間隔時(shí)間決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加載間隔越短，達(dá)到最大靜摩擦力矩的時(shí)間就越快。但加載間隔時(shí)間并不是越短越好，因?yàn)镻ID控制轉(zhuǎn)矩輸出有響應(yīng)時(shí)間。在本文中控制器根據(jù)差值輸出信號(hào)控制并調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)離合器輸出轉(zhuǎn)矩，這一系列過程均需要一定的響應(yīng)時(shí)間，若加載間隔時(shí)間過短，則會(huì)造成PID控制輸出尚未達(dá)到加載轉(zhuǎn)矩值的情況下繼續(xù)加載。這種情況下，即使加載系統(tǒng)加載的轉(zhuǎn)矩已達(dá)到了制動(dòng)盤的最大靜摩擦力矩，PID控制轉(zhuǎn)矩也不會(huì)輸出相應(yīng)的值，最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不能檢測(cè)出制動(dòng)盤的制動(dòng)力矩。因此計(jì)算出一個(gè)合理的時(shí)間間隔十分重要。關(guān)于時(shí)間間隔的取值，首先確定一個(gè)特定的時(shí)間間隔，即PID控制過程中第一次出現(xiàn)輸出值的時(shí)間，在前面設(shè)定的PID參數(shù)下，得到其數(shù)值為0.031 7s。

在終止轉(zhuǎn)矩為 766N.m，加載轉(zhuǎn)矩增量為0.28N.m，加載間隔時(shí)間分別為 0.025，0.03，0.045和0.06s這4個(gè)數(shù)值時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 0.025s間隔連續(xù)加載仿真波形

圖9 0.03s間隔連續(xù)加載仿真波形

圖10 0.045s間隔連續(xù)加載仿真波形

圖11 0.06s間隔連續(xù)加載仿真波形

圖形數(shù)據(jù)按照以下程序進(jìn)行分析：各自取20個(gè)等距加載點(diǎn)，求其與理想加載值的標(biāo)準(zhǔn)差。理想曲線是一條過坐標(biāo)軸原點(diǎn)、斜率為加載終止值與加載時(shí)間之比的直線，允許接受的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)差與總量程之比在5%以下，結(jié)果如表4所示。

表4 不同加載間隔時(shí)間偏差結(jié)果

由終止轉(zhuǎn)矩為766N.m計(jì)算得到允許偏差的最大值為38.3N.m，由上面結(jié)果可見，在0.28N.m的加載精度下，間隔時(shí)間在0.03s時(shí)，加載情況與理想狀況的偏差在允許的范圍內(nèi)，而0.025s時(shí)間間隔的偏差便大于5%，說明本系統(tǒng)允許最小間隔時(shí)間在0.03s左右。在此時(shí)間間隔的加載方式的測(cè)試精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性均會(huì)達(dá)到滿意的效果。

由本節(jié)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)可以看出，按照本文的方法，選擇合理的加載幅度和加載時(shí)間間隔可做到輸出轉(zhuǎn)矩可控，且偏差在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文中針對(duì)喪失行駛能力的車輛制動(dòng)性能檢測(cè)的需求，在單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上研究了轉(zhuǎn)矩加載問題，提出了基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型，結(jié)合PID控制算法提出了可控轉(zhuǎn)矩加載方法。為驗(yàn)證單輪制動(dòng)力檢測(cè)方法原理上的可行性，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案之前首先進(jìn)行了臺(tái)式試驗(yàn)和單輪制動(dòng)力檢測(cè)的對(duì)比試驗(yàn)，分析了檢測(cè)方法的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)。為實(shí)現(xiàn)加載轉(zhuǎn)矩可控，建立了基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型，并從電磁滑差離合器的原理和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性出發(fā)，找出了其輸出轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，結(jié)合PID控制理論達(dá)到了轉(zhuǎn)矩可控的目的。最后通過分析系統(tǒng)建立控制模型，在MATLAB/Simulink進(jìn)行轉(zhuǎn)矩加載仿真，確定并優(yōu)化了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，得到了滿足要求的加載方式，分析轉(zhuǎn)矩誤差可知該方法在偏差可接受范圍內(nèi)，因此本文中提出的可控轉(zhuǎn)矩加載模型具有一定的可行性。

本文中建立的基于電磁滑差離合器的轉(zhuǎn)矩加載模型，不僅可測(cè)出事故車輛制動(dòng)力，還能獲得評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性能的其他指標(biāo)。由于本文中提出的模型可實(shí)現(xiàn)加載轉(zhuǎn)矩可控，故可連續(xù)給車輪施加力矩，使車輪達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，模擬汽車ABS系統(tǒng)起作用時(shí)的車速，然后制動(dòng)車輛便可測(cè)出汽車的ABS性能。當(dāng)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繼續(xù)加載轉(zhuǎn)矩，便可測(cè)出汽車制動(dòng)盤的抗熱衰退性能。由于篇幅有限，本文中提出的可控轉(zhuǎn)矩加載模型僅作為事故車輛制動(dòng)性能檢測(cè)的基礎(chǔ)研究，至于制動(dòng)性能其他指標(biāo)的獲取，將納入下一步的研究計(jì)劃。

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A Simulation Study on Controllable Torque Loading Method in Measuring Braking Force of Accident Vehicle

Ma Mingfang1，2， Liu Huanfeng1， Zhang Libin1＆ Wang Bo1

1.College of Transportation， Jilin University， Changchun 130022； 2.Beijing Vocational College of Transportation， Beijing 100096

In order to measure more accurately the braking performance of vehicles losing driving ability，a simulation study on torque loading method in measuring the braking force of accident vehicle is conducted in this paper.Firstly，the feasibility and characteristics of single wheel braking force detection method are analyzed by test.Then， a torque loading model based on electromagnetic slip clutch is established， the relationship between loaded torque and the excitation current and rotor speed of motor is derived according to the mechanical characteristics of asynchronous motor，and the loading method of controllable torque is put forward by using PID control algorithm.Finally，a simulation on torque loading control is carried out with MATLAB/Simulink to get the reasonable loading time interval and other parameters，and the feasibility of the method proposed is verified by torque loading error analysis，laying a foundation for the braking performance testing of accident vehicle.

accident vehicle； braking force measurement； controllable torque

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.008

?國(guó)家自然科學(xué)基金(50775094)和吉林省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150204025GX)資助。原稿收到日期為2016年11月7日，修改稿收到日期為2016年12月27日。

張立斌，教授，博士研究生，E-mail：zlb＠ jlu.edu.cn。