CN107870093B - 1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统与方法，所述系统包括电机、滚筒组、扭矩控制器、飞轮、1/4车辆悬架、信号采集处理系统；滚筒转速模拟车轮速度，飞轮转速模拟车速，飞轮的转动惯量模拟1/4车辆平动惯量；信号采集处理系统采集并处理由传感器采集到的滚筒、飞轮转速数据和扭矩控制器的输出扭矩；根据信号采集处理系统的输出信息，相应控制扭矩控制器的输出扭矩，从而模拟路面制动力的变化以达到调节附着系数的目的。本发明利用滚筒组和扭矩控制器模拟路面制动，基于车辆制动时车轮与路面之间的受力情况，进行数据采集与处理和系统控制，解决了现有车辆制动性能实验测试系统模拟附着系数单一和模拟精确度不高的问题。

Description

1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统与方法
技术领域
本发明涉及车用制动实验测试与模拟系统，更具体地说是一种1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统。
背景技术
汽车制动系统性能对汽车行驶安全性起到极其重要作用，测试并评价汽车制动系统性能是值得研究的主题。目前，线控制动系统作为全世界范围内引起广泛关注的智能汽车/无人驾驶汽车技术中的关键零部件之一，它的检测与评价技术成为汽车制动技术乃至智能汽车/无人驾驶汽车发展的关键。目前，要完整地评价车辆制动工作性能，必须通过道路测试的方法进行，这种检测方法需要专门的测试场地，建设和维护费用高、危险性大、测试周期长、易受环境及道路条件的影响，因此只适合对部分车辆进行抽检，不适合广泛推广。
现有的惯性反力式制动性能检测台，其滚筒转速较低并且滚筒和轮胎接触面的附着系数无法改变，相当于车辆在单一路面上行驶，而汽车制动过程中轮胎与路面的附着系数是随着滑移率实时变化的。目前，已知有台架系统解决了附着系数随滑移率实时变化的问题，但是已有的台架系统是基于车辆在台架上受力关系作出的控制方式，而且受力情况与台架的安装角度有很大的关系，所以该台架系统并没有真实地反映出车辆在地面制动时，制动器作出的响应。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术无法精确模拟路面制动的问题，提供一种1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统，以达到精确模拟路面制动的目的。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统的结构特点是包括电机、滚筒组、扭矩控制器、飞轮和1/4车辆悬架；所述电机与滚筒组连接；所述滚筒组与扭矩传感器的一端相连接，扭矩传感器的另一端与扭矩控制器的输出端相连接；所述扭矩控制器的输入端与飞轮相连接；所述1/4车辆悬架固定于滚筒组上，还包括信号采集处理系统，用于采集扭矩传感器和滚筒与飞轮的转速传感器的信号，上位机将输入控制信号发送至下位机作用于扭矩控制器(3)。
具体的，滚筒转速模拟车轮速度，飞轮转速模拟车速，飞轮的转动惯量模拟1/4车辆平动惯量。该系统利用电机带动滚筒组及1/4车辆悬架的车轮转动，通过扭矩控制器的传递带动飞轮旋转；在模拟制动时，飞轮通过扭矩控制器传递惯性力到滚筒，通过控制扭矩控制器的控制信号模拟路面制动力的变化，达到附着系数实时可调的目的。
本发明利用滚筒组和扭矩控制器模拟路面制动，基于车辆制动时车轮与路面之间的受力情况，进行数据采集与处理和系统控制，解决了现有车辆制动性能实验测试系统模拟附着系数单一和模拟精确度不高的问题。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统的结构特点也在于：所述扭矩控制器为磁粉离合器、磁流变离合器或者电流变离合器。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统结构特点也在于：所述滚筒组包含两只滚筒，主动滚筒的一端和电机输出轴相连，另一端与扭矩传感器相连，主、从动滚筒通过第二传送带相连。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统结构特点也在于：电机输出轴通过第一传送带与主动滚筒连接，扭矩控制器的输入端通过第三传送带与飞轮相连接。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统的结构特点也在于：电机输出端与主动滚筒之间安装超越离合器，防止滚筒组带动电机轴转动。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统的结构特点也在于：主动滚筒与扭矩控制器的输出轴之间安装扭矩传感器用于试验前扭矩控制器的扭矩参数的标定以及试验过程中扭矩控制器的输出扭矩的测量。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统优选的配合车轮的线控制动器使用。
本发明1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统的测试方法为：电机带动滚筒组转动，滚筒组表面与轮胎始终紧密接触不产生滑移，滚筒组带动扭矩控制器的输出轴转动，进而带动末端的飞轮转动；当车轮达到测试的初始速度时，开始制动过程，断开电机作用，同时下达制动指令，由于飞轮的惯性作用，通过扭矩控制器和滚筒组传递到车轮，车轮在惯性力产生的力矩和制动器制动力矩的共同作用下继续转动，直至制动结束。
具体的，信号采集处理系统采集并处理由转速传感器、扭矩传感器采集到的滚筒、飞轮转速数据和扭矩控制器的输出扭矩，采集的信息经A/D转换器将模拟信号转化为数字信号后发送至上位机，上位机通过飞轮和滚筒转速的数字信号计算出滑移率的值，根据轮胎模型计算出当前的路面附着系数，扭矩控制器的输出扭矩与滚筒的惯性矩的和除以1/4车辆重量与滚筒半径的乘积得到路面附着系数的数值，即可得出路面附着系数与扭矩控制器的控制信号之间的数学关系，进而可计算得到制动时的输入控制信号，经D/A转换后发送至下位机作用于扭矩控制器的执行电路。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明以滚筒和轮胎接触代替路面与轮胎的相互作用，滚筒转速模拟轮速，飞轮转速模拟车速，利用扭矩控制器的输入-输出特性，达到对路面附着系数实时模拟的目的。
2、本发明利用扭矩控制器的滑转特性，将车轮与滚筒之间的滑移转移到扭矩控制器的内外转子之间的滑移，避免了轮胎划伤和烧伤给测试带来的损失和对测试结果造成的巨大误差。
3、本发明通过控制扭矩控制器的控制信号，由滚筒传递，对轮胎施加地面制动力，并且不受滚筒安装角度和轮胎变形的影响，从而达到精确模拟路面制动情况的目的。
4、本发明除了用于常规制动性能检测，也用于智能车线控制动器的测试以及制动能量回收系统模拟与测试，在控制器中做出相应的调整，整个系统功能多样，调试简单。
附图说明
图1是实验系统结构示意图；
图2a是一种扭矩控制器的励磁电流和输出扭矩关系示意图；
图2b是实验系统的硬件台架受力分析简图；
图3是本发明应用于测试电机型线控制动器的测试原理框图。
图中标号：1-电机，2A-主动滚筒、2B-从动滚筒，3-扭矩控制器，4-飞轮，5-1/4车辆悬架，6-超越离合器，7A-第一传送带、7B-第二传送带、7C-第三传送带，8-扭矩传感器，9A-滚筒转速传感器、9B-飞轮转速传感器，10-信号采集系统，11-控制器，12-车轮，13-外转子，14-内转子。
具体实施方式
如图1所示，本发明的1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统，主体为附着系数实时可调的车辆制动检测试验台，主要由电机1、滚筒组、扭矩控制器3、飞轮4和1/4车辆悬架5组成；电机1通过第一传送带7A与滚筒组连接；滚筒通过联轴器与扭矩传感器8的一端相连接，扭矩传感器8的另一端与扭矩控制器3的输出端相连接，所述扭矩传感器8用于试验前扭矩控制器3的参数的标定以及试验过程中扭矩控制器3的输出扭矩的测量；扭矩控制器3的输入端通过第三传送带7C与飞轮4相连接；1/4车辆悬架5通过龙门架固定于滚筒组上；信号采集处理系统10用于接收扭矩传感器8和滚筒转速传感器9A、飞轮转速传感器9B的信号，经D/A转换器将模拟信号转化为数字信号后发送至控制器11内的上位机，上位机通过飞轮4和滚筒转速的数字信号计算出滑移率的值，根据轮胎模型计算出当前的路面附着系数，扭矩控制器3的输出扭矩与滚筒的惯性矩的和除以1/4车辆重量与滚筒半径的乘积得到路面附着系数的数值，即得出路面附着系数与扭矩控制器3的控制信号的数学关系，进而可计算得到输入控制信号，经D/A转换后发送至下位机作用于扭矩控制器3的执行电路；该台架利用电机1带动滚筒组及1/4车辆悬架5的车轮12转动，通过扭矩控制器3的传递带动飞轮4旋转；滚筒组转速模拟车轮12速度，飞轮4转速模拟车速，飞轮4的转动惯量模拟车辆平动惯量，将车轮与滚筒之间的滑移转移到扭矩控制器的内转子14和外转子13之间的滑移；通过控制扭矩控制器3的控制信号模拟路面制动力，达到附着系数可调的目的。
如图1所示，扭矩控制器3为磁粉离合器；滚筒组包含两只滚筒，主动滚筒2A的一端和电机1输出轴相连，另一端与扭矩传感器8相相连，主动滚筒2A与从动滚筒2B通过第二传送带7B相连；电机1输出端与主动滚筒2A之间可进一步安装超越离合器6，防止滚筒组带动电机轴转动；扭矩传感器8安装于主动滚筒2A与扭矩控制器3的输出轴之间。
如图1所示，该台架的工作方式为：电机1带动滚筒组转动，滚筒组表面与轮胎始终紧密接触不产生滑移，滚筒组带动扭矩控制器3的输出轴转动，进而带动末端的飞轮4转动；当车轮12达到测试的初始速度时，开始制动过程，断开电机1作用，同时下达制动指令，由于飞轮4的惯性作用，通过扭矩控制器3和滚筒组传递到车轮12模拟地面制动，车轮12同时在惯性力产生的力矩和制动器制动力矩的作用下继续转动，直至制动结束。
如图2a所示，在一定范围内，扭矩控制器输出扭矩M与输入电流I之间呈良好的线性关系，用一般情况表示：
M＝f(I) ①
如图2b所示，对该系统的硬件部分进行受力分析可得：
Mμ＝μmgR ②
Figure BDA0001520607230000051
Figure BDA0001520607230000052
Mμ：路面制动力矩
Mb：制动器制动力矩
Mb：扭矩控制器输出力矩
μ：附着系数
m：1/4车辆质量
R：轮胎滚动半径
r：滚筒半径
J：滚筒转动惯量
Figure BDA0001520607230000053
滚筒角加速度
所以可以推导出模拟路面附着系数μ的表达式为：
Figure BDA0001520607230000054
所以，根据公式⑤可知，通过控制扭矩控制器3的输出扭矩达到路面制动模拟的目的。具体地说，信号采集处理系统采集得到滚筒和飞轮4的转速，计算出滑移率，再根据轮胎模型计算出路面附着系数μ，控制输入电流I，根据公式⑤得到对应的附着系数μ，即通过改变输入电流I来实时模拟变化的附着系数。
如图3所示，为本发明应用于测试电机型线控制动器的测试原理框图。信号采集与处理系统分别采集滚筒和飞轮4的转速，通过控制器的上位机根据道路条件和轮胎模型根据上述公式计算所得结果，制动时同时对扭矩控制器3和轮胎上的线控制动器中的电机进行控制指令的下达，滚筒在飞轮4惯性力(通过扭矩控制器输出模拟路面制动)和线控制动器制动力的共同作用下转动，整个过程采集到的数据还用于计算滑移率和附着系数利用率这两项指标，作为对被测线控制动器防抱死性能的评价依据。

Claims (8)

1.1/4车辆制动模拟与性能实验测试方法，其特征在于采用1/4车辆制动模拟与性能实验测试系统，所述系统包括电机(1)、滚筒组、扭矩控制器(3)、飞轮(4)和1/4车辆悬架(5)；所述电机(1)与滚筒组连接；所述滚筒组与扭矩传感器(8)的一端相连接，扭矩传感器(8)的另一端与扭矩控制器(3)的输出端相连接；所述扭矩控制器(3)的输入端与飞轮(4)相连接；所述1/4车辆悬架(5)位于滚筒组之上使车轮(12)与滚筒组表面接触；还包括信号采集处理系统，采集扭矩传感器(8)和滚筒转速传感器(9A)、飞轮转速传感器(9B)的信号发送至上位机，上位机将输入控制信号发送至下位机作用于扭矩控制器(3)，
首先电机(1)带动滚筒组转动，滚筒组表面与轮胎始终紧密接触不产生滑移，滚筒组带动扭矩控制器(3)的输出轴转动，进而带动末端的飞轮(4)转动；当车轮达到测试的初始速度时，断开电机(1)作用，同时下达制动指令，由于飞轮(4)的惯性作用通过扭矩控制器(3)和滚筒组传递到车轮，车轮在惯性作用产生的力矩和车轮的制动器制动力矩的共同作用下继续转动，直至制动结束；其中所述信号采集处理系统经A/D转换器将扭矩传感器(8)和滚筒转速传感器(9A)、飞轮转速传感器(9B)的模拟信号转化为数字信号后发送至上位机，上位机通过飞轮(4)和滚筒转速的数字信号计算出滑移率的值，根据轮胎模型计算出当前的路面附着系数，扭矩控制器(3)的输出扭矩与滚筒的惯性矩的和除以1/4车辆重量与滚筒半径的乘积得到路面附着系数的数值，即可得出路面附着系数与扭矩控制器(3)的控制信号之间的数学关系，进而可计算得到输入控制信号，经D/A转换后发送至下位机作用于扭矩控制器(3)，具体的：
扭矩控制器输出扭矩Mc与输入电流I之间呈线性关系：
Mc＝f(I) ①
对该系统的硬件部分进行受力分析可得：
Mμ＝μmgR ②
Figure FDA0002267408440000011
Figure FDA0002267408440000012
Mμ：路面制动力矩
Mμ′为Mμ的反力矩
Mb：制动器制动力矩
Mc：扭矩控制器输出扭矩
Mc′：Mc的反力矩
μ：附着系数
m：1/4车辆质量
R：轮胎滚动半径
r：滚筒半径
J：滚筒转动惯量
Figure FDA0002267408440000021
滚筒角加速度
所以可以推导出模拟路面附着系数μ的表达式为：
Figure FDA0002267408440000022
所以，根据公式⑤可知，通过控制扭矩控制器(3)的输出扭矩达到路面制动模拟的目的，具体地说，信号采集处理系统采集得到滚筒和飞轮(4)的转速，计算出滑移率，再根据轮胎模型计算出路面附着系数μ，控制输入电流I，根据公式⑤得到对应的附着系数μ，即通过改变输入电流I来实时模拟变化的附着系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述扭矩控制器(3)为磁粉离合器、磁流变离合器或者电流变离合器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述滚筒组包含主动滚筒(2A)和从动滚筒(2B)，所述主动滚筒(2A)的一端和电机(1)输出轴相连，另一端与扭矩传感器(8)相连，主动滚筒(2A)与从动滚筒(2B)通过第二传送带(7B)相连。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：电机(1)输出轴通过第一传送带(7A)与主动滚筒(2A)连接，扭矩控制器(3)的输入端通过第三传送带(7C)与飞轮(4)相连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：电机(1)输出端与主动滚筒(2A)之间安装超越离合器(6)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述1/4车辆悬架(5)采用龙门架固定于滚筒组上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述上位机和下位机集成于控制器内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是：车轮的制动器为线控制动器。
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