CN107664551A - 一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，用于车辆全速域或任意条件下的地面摩擦力计算，包括以下步骤：（1）建立路面相对摩擦系数的影响因素指标体系；（2），将不易标定的雨雪天气条件、道路变化条件等因素转化为易于标定的扭矩或摩擦力；（3）通过扭矩与驱动力的函数关系反映到车轮所受的摩擦力上；（4）根据拟合曲线实时计算车辆运行时刻所处路面的相对摩擦系数并进行检验。上述车辆与路面摩擦力的实时计算方法综合考虑多因素对车辆所受路面摩擦力的影响和车辆运行状态的动态调整，以实际情况拟合路面摩擦力的计算，适用于前、后载运工具跟驰运行的全过程、全速域和任意路段的情形，提高跟驰运行的安全性和线路运能的利用水平。

Description

一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法

技术领域

本发明涉运输安全技术领域，具体涉及跟驰运行控制技术领域的一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法。

背景技术

在车辆行驶的全过程中，车轮始终受到路面滚动摩擦力的影响，而在车辆减速制动从容避碰的过程中，车轮同时受到路面滚动摩擦力和滑动摩擦力的影响，而车轮所受摩擦力的大小直接影响着驾驶员的驾驶行为选择。

传统的路面摩擦力计算公式为：

可以看出，除了车辆自身重量和当地的重力加速度以外，摩擦力的大小与运行时刻路面的相对摩擦系数关系密切。

在传统的制动距离计算公式中，路面的相对摩擦系数一般通过在不同材料路面建成后的多次实验提取出其平均值作为使用年限内该路段道路路面的相对摩擦系数。

实际上，路面的相对摩擦系数不仅与道路路面材料、使用状况、磨损老化程度等内在因素有关，同时也与不同天气条件，路面抛洒物体等外界因素有关。

在使用恒定相对摩擦系数带入车轮所受路面摩擦力计算过程中：若实际相对摩擦系数（实际值）超出理论相对摩擦系数（理论值）太大（>=0.1），在车辆制动距离的其他影响因素相对恒定的情况下，安全性足以保证，但线路运能得不到充分运用，同时也会干扰到后车运行；若实际值低于理论值，车辆制动安全难以得到保证，较大概率引发交通事故。

因此，传统的路面摩擦力计算方法的突出问题在于：在预先给定理论值的基础上，车辆行驶于某一路段的过程中受到的路面摩擦力相对固定，没有进一步修正的可能，驾驶员需要根据自身驾驶经验对其驾驶行为进行调整以满足安全行驶条件，而完全依靠驾驶经验的判断在特殊的路况条件下较易发生失误，从而引发交通事故，目前国一般通过道路警示标志提示驾驶员路段路况条件变化。

路面的相对摩擦系数只有真实反映当前运行时刻路段的路况条件的实时变化，车轮所受路面摩擦力的计算公式必须考虑滚动摩擦力和滑动摩擦力的综合变化情况，并以实际车辆运行情况为约束条件，才能作为计算车辆安全制动距离的有效依据。这是路面的相对摩擦系数能运用于载运工具跟驰运行控制，发挥实时路面摩擦计算方法优势的前提条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，综合考虑了内在和外在多因素对车辆所受路面摩擦力的影响和车辆运行状态的动态调整，以实际情况拟合路面摩擦力的计算，避免了计算参数的不确定性，从而增强了算法的适应性和工程实践的可行性，适用于前、后载运工具跟驰运行的全过程、全速域和任意路段的情形，有利于进一步增强车辆避碰智能，以提高跟驰运行的安全性和线路运能的利用水平。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，用于车辆全速域或任意条件下的地面摩擦力计算，包括以下步骤：（1）建立路面相对摩擦系数的影响因素指标体系，并将该指标体系与车辆所受路面摩擦力以及车辆发动机扭矩建立函数联系，公式如下：

其中，为发动机转速，u为车辆速度，为车辆变速箱齿轮比，为车辆主减速器速比；

（2）建立路面相对摩擦指标体系，将不易标定的雨雪天气条件、道路变化条件等因素转化为易于标定的扭矩或摩擦力，其函数关系如下：

其中，M为发动机扭矩，W为发动机功率，k为固定常数；

（3）在统一将路面相对摩擦系数影响指标体系中各因素实时反应到车辆扭矩的动态变化过程后，可以通过扭矩与驱动力的函数关系反映到车轮所受的摩擦力上，其函数关系如下：

其中，f为摩擦力，M为发动机扭矩，W为发动机功率，k为固定常数，为车辆变速箱齿轮比，为车辆主减速器速比，r为车轮半径；

（4）以步骤（3）中的f值实时测画出路面相对摩擦系数的变化曲线，并与车辆正常运行状态及制动状态下滑移率的变化曲线进行拟合，然后根据拟合曲线实时计算车辆运行时刻所处路面的相对摩擦系数并进行检验，从而形成车辆制动模式判断体系，实现车辆的安全制动。

作为本发明进一步改进的，所述步骤（4）中滑移率的计算公式如下：

其中，s为滑移率，u为车辆速度，r为车轮半径，为车轮转动角速度。

作为本发明进一步改进的，将滑移率的拟合曲线与相对摩擦系数的变化曲线进行拟合检验；若检验合格，可以用制动过程中总摩擦系数减去运行过程中路面滚动摩擦系数得到车辆所受路面的滑动摩擦系数；若检验不合格，则表明该路段路况发生明显变化，需要重新计算。达到实时调整车辆运行状态的目的。

作为本发明进一步改进的，所述滑动摩擦系数占总摩擦系数的比值＞20%时表示车辆处于不良制动状态。如果滑动摩擦系数占总摩擦系数的比值持续大于20%，车辆控制系统则会发出预警信息，提醒操作人员或控制人员采用对应干预措施。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

综合考虑了内在和外在多因素对车辆所受路面摩擦力的影响和车辆运行状态的动态调整，以实际情况拟合路面摩擦力的计算，避免了计算参数的不确定性，从而增强了算法的适应性和工程实践的可行性，适用于前、后载运工具跟驰运行的全过程、全速域和任意路段的情形，有利于进一步增强车辆避碰智能，以提高跟驰运行的安全性和线路运能的利用水平。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明旨在克服传统计算方法存在的缺陷，遵循“准确安全”的行车原则，注重安全行车前提下线路运能的充分运用，兼顾载运工具跟驰运行过程中的行为调整质量，提出一种动态车辆所受路面摩擦力实时计算方法，以算法的适应性和工程实践的可行性为主要特征，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意路段的使用情形：

（1）首先建立起路面相对摩擦系数的影响因素指标体系，并将其与车辆所受路面摩擦力以及车辆发动机扭矩建立函数关系。

（2）然后，根据发动机理论扭矩和实际扭矩的差值，以驱动力计算原理计算出车辆运行过程中抵消的驱动力大小，即为车辆所受到的摩擦力大小。在计算得到摩擦力大小的基础上得出安全制动距离。

（3）通过相对摩擦系数的计算公式，实时测画出路面相对摩擦系数的变化曲线，以车辆正常运行状态及制动状态下的滑移率变化曲线拟合，并根据该拟合曲线，实时计算运行时刻路段路面的相对摩擦系数并进行检验，从而形成车辆制动模式判断体系，以实现面向行车避碰的安全制动模式

实施方案一：

实时路况下车辆路面摩擦力计算方法，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意路段的使用情形，其特征在于该方法包含以下步骤：

（1）首先，建立车辆速度与车轮转速的函数关系：

式中，r为车轮半径。

并通过建立车辆转速和发动机转速的公式得到车辆速度和发动机转速之间的关系，使其具有相同量纲，具体转换公式为：

式中，为发动机转速，为车轮转速，为变速箱齿比，为主减速器速比，为机械效率。

（2）要建立起路面的相对摩擦系数指标体系，就要将可获取而不易标定的雨雪等天气条件、道路条件等因素对其的影响（以上因素实时影响着车辆的运行状况和路段的路面相对摩擦系数，且该解析式关系无需证明），转化为易于标定的扭矩和摩擦力，从而综合反映实时影响着当前运行时刻、路段的相对摩擦系数，因此需要建立起如下的函数关系：

式中，为发动机扭矩，为发动机功率，k一般为常数值，对于每一款发动机来说，这个常数的数值是固定的，同发动机的汽缸形式、曲轴的长度和角度等有关系，不同的发动机这个常数不同。

（4）在统一将路面相对摩擦系数影响指标体系中各因素实时反映到车辆扭矩的动态变化过程后，可以通过扭矩与驱动力的函数关系反映到车轮所受摩擦力关系上：

式中参数含义与上述相同。

实施方案二：

实时路况下车辆路面摩擦力计算方法，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意路段的使用情形，其特征在于改方法包含以下步骤：

（1）在摩擦力计算中，嵌入两种统计模式：正常运行过程和正常制动过程，分别计算两种状态下的摩擦力。

（2）在运行过程统计中，由公式(1)推出当前路段的路面滚动摩擦系数变化曲线；在制动过程统计中，由式一推算出当前路段的路面总摩擦系数变化曲线，同时建立以下函数：

式中，s为车辆滑移率，为车轮转动角速度。

并根据该函数式建立起车辆跟驰运行总过程滑移率变化曲线，将其与当前路段的路面总摩擦系数变化曲线拟合，若检验成立，则可以近似用制动过程中总摩擦系数减去运行过程中路面滚动摩擦系数得到车辆所受路面的滑动摩擦系数；若检验不成立，则路段路况发生明显变化，因此需要重新测算。

当路面的滑动摩擦系数所占比重较大（>20%）时视作车辆处于不良制动状态，实现车辆的安全跟驰运行控制。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，用于车辆全速域或任意条件下的地面摩擦力计算，其特征在于，包括以下步骤：

建立路面相对摩擦系数的影响因素指标体系，并将该指标体系与车辆所受路面摩擦力以及车辆发动机扭矩建立函数联系，公式如下：

S1D082~W$O{X_A[QB}ILVGQ

其中，为发动机转速，u为车辆速度，为车辆变速箱齿轮比，为车辆主减速器速比；

建立路面相对摩擦指标体系，将不易标定的雨雪天气条件、道路变化条件等因素转化为易于标定的扭矩或摩擦力，其函数关系如下：

其中，M为发动机扭矩，W为发动机功率，k为固定常数；

在统一将路面相对摩擦系数影响指标体系中各因素实时反应到车辆扭矩的动态变化过程后，可以通过扭矩与驱动力的函数关系反映到车轮所受的摩擦力上，其函数关系如下：

其中，f为摩擦力，M为发动机扭矩，W为发动机功率，k为固定常数，为车辆变速箱齿轮比，为车辆主减速器速比，r为车轮半径；

（4）以步骤（3）中的f值实时测画出路面相对摩擦系数的变化曲线，并与车辆正常运行状态及制动状态下滑移率的变化曲线进行拟合，然后根据拟合曲线实时计算车辆运行时刻所处路面的相对摩擦系数并进行检验，从而形成车辆制动模式判断体系，实现车辆的安全制动。

2.根据权利要求1所述的车辆与路面摩擦力的实时计算方法，其特征在于：所述步骤（4）中滑移率的计算公式如下：

其中，s为滑移率，u为车辆速度，r为车轮半径，为车轮转动角速度。

3.根据权利要求2所述一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，其特征在于：将滑移率的拟合曲线与相对摩擦系数的变化曲线进行拟合检验；若检验合格，可以用制动过程中总摩擦系数减去运行过程中路面滚动摩擦系数得到车辆所受路面的滑动摩擦系数；若检验不合格，则表明该路段路况发生明显变化，需要重新计算。

4.根据权利要求3所述一种车辆与路面摩擦力的实时计算方法，其特征在于：

所述滑动摩擦系数占总摩擦系数的比值＞20％时表示车辆处于不良制动状态。