CN111398162B - 一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，包括测试部分和数据处理部分，其中测试部分包括以下步骤：制动气室输入气压P与气压制动卡钳夹紧力N的关系标定；制动力矩T的测定；数据处理部分包括以下步骤：建立输入气压与夹紧力的数学模型；测量制动力矩数据正态性检验；利用摩擦系数的计算方法，结合有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。专用于商用车气压盘式制动器总成摩擦系数的测试，通过完善的实施方案和数据处理，使测量数据更加真实和有效。

Description

一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法

技术领域

本专利属于汽车测试方法技术领域，具体涉及一种用于对商用车气压盘式制动器总成的摩擦系数进行测试的方法。

背景技术

制动器的摩擦系数对汽车的制动性能和稳定性有直接的影响，摩擦系数的变化直接引起制动过程中的抖动，进而影响制动的舒适性。在摩擦片的配方研制阶段，在定速摩擦试验机和小样试验机上测量不同温度下的摩擦系数，测得数据更多的用于研发试制；在摩擦片装车试验阶段，各主机厂更关注在制动器总成上进行测量摩擦系数，测得数据更真实和有效。目前，针对于乘用车液压盘式制动器总成的摩擦系数的测量方案比较完善，但对商用车气压盘式制动器总成的摩擦系数的测量尚属空白。

GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》中规定危险品货物运输半挂车、栏板式、仓栅式半挂车必须配备气压盘式制动器，气压盘式制动器必将在商用车上大量使用。目前针对于商用车制动器的考核主要还是集中在制动力矩的测试，没有在气压盘式制动器总成上进行摩擦系数测量的机构，在气压盘式制动器总成上开展摩擦系数测量的难点主要在于两点：①制动过程中，卡钳的夹紧力(即摩擦片所受正压力)无法直接测量；②瞬时摩擦系数和平均摩擦系数的统计分析计算复杂。因此，急需开发一种适用于测量商用车气压盘式制动器总成摩擦系数的实施方案和数据处理方法。

发明内容

本发明拟提供一种专用于商用车气压盘式制动器总成摩擦系数的测试方法，通过完善的实施方案和数据处理，使测量数据更加真实和有效。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，包括测试部分和数据处理部分，其中测试部分包括以下步骤：

步骤一、制动气室输入气压P与气压制动卡钳夹紧力N的关系标定；

在静态情况下，模拟实车安装位置，将力传感器安装于气压制动卡钳两摩擦片中间，用于测量气压制动卡钳的夹紧力N；将气压传感器安装于制动气室输入口与气源之间，用于测量制动气室的输入气压P；制动气室输入气压以某一固定压力为起点，固定间隔加压，测量并记录输入气压P与夹紧力N的关系；

步骤二、制动力矩T的测定；

利用商用车惯性试验台架测量制动力矩，将气压盘式制动器总成的旋转端经中间支撑、传动轴连接到电机上，其中电机用于模拟车轮转速，飞轮盘用于模拟气压盘式制动器总成所受载荷；气压盘式制动器总成的固定端连接到商用车惯性试验台架的尾座上，尾座上的力臂与力传感器相连；在制动过程中，气压盘式制动器总成产生的制动力经力臂传递至力传感器，试验时力传感器测试值与力臂的乘积即为制动力矩T；

数据处理部分包括以下步骤：

步骤三、建立输入气压与夹紧力的数学模型；

气压制动卡钳的夹紧力N在制动过程中并不能直接测量得到，但气压制动卡钳的夹紧力N与制动气室的输入气压P存在直接关系N＝f(P)，采用标定的方式找到气压制动卡钳夹紧力N与制动气室的输入气压P的函数关系，利用标定测量得到的试验数据，采用统计学上线性回归的方法，在SPSS数据分析软件上采用逐步筛选策略进行分析，则卡钳夹紧力与气室输入气压的数学模型可以设置为：N＝b₀+b₁P；其中P—制动气室输入气压，kPa，自变量；N—卡钳夹紧力，牛，因变量；b₀—截距，即常量；b₁—回归系数，并最终确定b₀、b₁的值；

步骤四、测量制动力矩数据正态性检验；

规定采用有效制动时间内测得的制动力矩来计算摩擦系数；根据采集得到的制动力矩数据制作频数分布直方图，直观反映连续性变量的频数分布，再利用统计学的方法，在SPSS数据分析软件上判定制动力矩试验数据是否服从正态分布，剔除置信区间以外的数据后再用于步骤五中的摩擦系数计算；

步骤五、利用摩擦系数的计算方法，结合有效制动时间内的数据记录，

计算出一次制动过程中的平均摩擦系数；

由摩擦系数的公式：

其中u—摩擦系数；T—制动扭矩，N·m；n—摩擦片个数；r—制动盘有效摩擦半径，m；得出瞬时摩擦系数计算公式：

其中u_k—瞬时摩擦系数；T_s—瞬时制动扭矩，N·m；P_s——制动气室瞬时输入气压，kPa；

平均摩擦系数计算公式：

其中u_s—平均摩擦系数；

拆解公式即：

其中u_k1—第1次记录的瞬时摩擦系数；s_k1——第1次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；u_k2—第2次记录的瞬时摩擦系数；s_k2—第2次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；依次类推u_kn—第n次记录的瞬时摩擦系数；s_kn—第n次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；S_e—有效制动时间内的制动距离，m；d_sk—递增制动距离，m；

利用有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。

作为上述方案的优选，在步骤一中，制动气室输入气压以100kPa为起点，50kPa为间隔至600kPa。

进一步优选为，在步骤四中，有效制动时间定义为90％制动初速度到10％制动初速度所经历的时间；利用统计学的方法判定制动力矩试验数据是否服从正态分布时，采用绘制制动力矩数据P-P图、Q-Q图和单样本Kolmogorov–Smirnov正态性检验，P-P图反映了变量的实际累积概率与理论累积概率的符合程度，Q-Q图反映了变量的实际分布与理论分布的符合程度，Kolmogorov–Smirnov正态性检验是通过对比数据序列与标准正态分布有没有显著性差异，从而判断序列是否满足正态分布。

进一步优选为，在步骤五中，以制动流程a～d进行所述一次制动过程，制动过程中同时记录制动力矩、速度、管路压力、夹紧力、制动距离、增量距离参数，速度从29.7km/h～3.3km/h范围对应的时间为有效制动时间，

a、制动初速度33km/h；

b、试验冷却风速11m/s，冷却空气的温度为室温；

c、采用恒定输入方式进行试验，调整控制气压为0.30MPa，从制动初速度进行制动，到终速度为零；

d、制动间隔时间以控制制动器初温不超过50℃而定；

利用有效制动时间内的瞬时制动扭矩、制动气室瞬时输入气压以及已知的摩擦片个数、制动盘有效摩擦半径参数，应用瞬时摩擦系数计算公式，计算出瞬时摩擦系数随制动距离的变化曲线关系；

利用有效制动时间内的瞬时摩擦系数、制动距离以及增量距离，应用平均摩擦系数的计算公式，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。

本发明的有益效果：利用制动气室输入气压P与气压制动卡钳夹紧力N的关系标定，并结合现有的商用车惯性试验台架测量制动力矩，从而建立输入气压与夹紧力的数学模型以及测量制动力矩数据正态性检验，最后利用摩擦系数的计算方法，有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数，通过实施方案和数据处理方法相结合，实现了商用车气压盘式制动器总成摩擦系数的测试，使测量数据更加真实和有效。

附图说明

图1气压盘式制动器摩擦系数测试简图。

图2气压盘式制动器夹紧力与气室输入气压标定气路图。

图3气压盘式制动器制动力矩测量台架。

图4制动试验过程及制动力矩取值示意图。

图5制动力矩频数分布直方图。

图6制动力矩的正态P-P图。

图7制动力矩的正态Q-Q图。

图8制动试验过程图。

图9瞬时摩擦系数随制动距离关系变化曲线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

本测试系统原理说明如下：

测量商用车气压盘式制动器的摩擦系数需要采用间接测量的方式，即测量制动力或制动力矩；在制动过程中，采用测量制动力矩的方式更方便。

摩擦系数计算公式如下：

公式1中：

u——摩擦系数；

F——制动力(牛)；

N——卡钳夹紧力(牛)；

T——制动扭矩(牛.m)；

n——摩擦片个数；

r——制动盘有效摩擦半径(m)。

公式1中的卡钳夹紧力N在制动过程中并不能直接测量得到，但卡钳夹紧力N与制动气室的输入气压P存在直接关系，采用标定的方式找到卡钳夹紧力N与制动气室的输入气压P的函数关系。气压盘式制动器摩擦系数测试简图如图1所示。

N＝f(P)...............(公式2)

公式2中：

N——卡钳夹紧力(牛)；

P——制动气室输入气压(kPa)。

由公式1和公式2可得到测量摩擦系数的计算公式如下：

公式3中：

u——摩擦系数；

T——制动扭矩(牛.m)；

n——摩擦片个数；

r——制动盘有效摩擦半径(m)；

P——制动气室输入气压(kPa)。

一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，包括测试部分和数据处理部分，其中测试部分包括以下步骤：

步骤一、制动气室输入气压P与气压制动卡钳夹紧力N的关系标定；

在静态情况下，模拟实车安装位置，将力传感器安装于气压制动卡钳两摩擦片中间，用于测量气压制动卡钳的夹紧力N；将气压传感器安装于制动气室输入口与气源之间，用于测量制动气室的输入气压P；制动气室输入气压以某一固定压力为起点，固定间隔加压，测量并记录输入气压P与夹紧力N的关系。气压盘式制动器夹紧力与气室输入气压标定气路图如图2所示，包括气源1、气源三联件2、调压阀3、控制阀4、IL储气筒和气压传感器5、气压制动卡钳总成6、力传感器7。最好是，制动气室输入气压以100kPa为起点，50kPa为间隔至600kPa，测量并记录输入气压P与夹紧力N的关系。

步骤二、制动力矩T的测定；

如图3所示，利用商用车惯性试验台架测量制动力矩，将气压盘式制动器总成的旋转端(即制动盘)经中间支撑11、传动轴13连接到电机14上，其中电机用于模拟车轮转速，飞轮盘12用于模拟气压盘式制动器总成所受载荷；气压盘式制动器总成的固定端(即气压卡钳)连接到商用车惯性试验台架的尾座8上，尾座上的力臂9与力传感器15相连；在制动过程中，气压盘式制动器总成产生的制动力经力臂传递至力传感器，试验时力传感器测试值与力臂的乘积即为制动力矩T；气压盘式制动器总成位于制动器安装仓10内。

数据处理部分包括以下步骤：

步骤三、建立输入气压与夹紧力的数学模型；

经过原理分析可知，气压制动卡钳的夹紧力N在制动过程中并不能直接测量得到，但气压制动卡钳的夹紧力N与制动气室的输入气压P存在直接关系N＝f(P)。采用标定的方式找到气压制动卡钳夹紧力N与制动气室的输入气压P的函数关系，利用标定测量得到的试验数据，采用统计学上线性回归的方法，在SPSS数据分析软件上采用逐步筛选策略进行分析，则卡钳夹紧力与气室输入气压的数学模型可以设置为：N＝b₀+b₁P；其中P—制动气室输入气压(kPa)，自变量；N—卡钳夹紧力(牛)，因变量；b₀—截距，即常量；b₁—回归系数，并最终确定b₀、b₁的值。

利用标定测量得到的试验数据，输入气压与卡钳夹紧力数据见附表A，将制动气室输入气压P引入模型，当引入变量后进行F检验，该模型中“制动气室输入气压”为进入的变量，没有移除的变量，具体方法为“步进”，输入和移去的变量如表1所示。

附表A输入气压与夹紧力数据

气压(kPa)	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600
												夹紧力(kN)	9.3	20.0	28.1	38.4	46.5	56.6	66.4	75.9	85.8	92.7	103.2

表1输入/移去的变量

a.因变量：卡钳夹紧力

回归方程中复相关系数R为1.000，决定系数R²为0.999，调整决定系数R²为0.999，标准估计的误差为0.785。R²越接近1，所反映的两变量的共变量比例越高，模型和数据的拟合程度越好。R²＝999，表示整个回归方程能够解释卡钳夹紧力的99.9％。模型汇总如表2所示。

表2模型汇总

a.预测变量：(常量)，制动气室输入气压。

b.因变量：卡钳夹紧力

方差分析表显示出模型中对自变量的总体检验，Sig值为0.000，即完全有把握认为回归方程是有用的；F值为15598.184，查F分布表得F_0.05(1,9)＝240.543，即F>F_0.05(1,9)，即可判定回归方程中的自变量对因变量有显著影响。方差分析表如表3所示。

表3方差分析表

a.预测变量：(常量)，制动气室输入气压。

b.因变量：卡钳夹紧力

系数表罗列出了常量、非标准化回归系数、标准化的回归系数、回归系数检验的t统计量观测值和响应的概率值。根据模型建立的多元线性回归方程为：

y＝-8.81+0.187x

方程中的常数项为-8.81，回归系数为0.187，经t检验，显著性概率P值均为0.000，按照显著性水平0.05的情况下，即可判定回归方程中的自变量都对因变量有显著影响。系数表如表4所示。

表4系数表

a.因变量：卡钳夹紧力

综上所述，线性回归分析得到的回归方程为：

N＝-8.81+0.187P...............(公式5)

步骤四、测量制动力矩数据正态性检验；

由公式(3)可以看出利用商用车惯性试验台架测量的制动力矩对摩擦系数有直接的影响，因此，得到稳定可靠的制动力矩是测量的关键。从图4制动试验过程及制动力矩取值示意图中可以看出，制动力矩的上升、下降阶段制动力矩、制动管路压力及车速都是一个随动的过程，整个系统并不稳定。基于以上因素，规定采用有效制动时间内测得的制动力矩来计算摩擦系数。有效制动时间定义为90％制动初速度到10％制动初速度所经历的时间。

在有效制动时间内采集制动力矩的过程中，由于测试设备的精度误差、外界电磁信号的干扰等均会对采集得到的制动力矩试验数据产生一定的影响，因此，试验数据处理过程中可以利用统计分析方法，设置置信区间，剔除干扰项，提高数据的准确性。在有效制动时间测得的制动力矩数据如附表B所示。

附表B有效制动时间测得的制动力矩数据

根据采集得到的制动力矩数据制作频数分布直方图，其可以直观反映连续性变量的频数分布，如图5所示，初步判定制动力矩试验数据服从正态分布。因此，原假设为“制动力矩数据样本来自的总体与正态分布无显著性差异，即符合正态分布”，也就是说P>0.05才能说明资料符合正态分布，通过SPSS数据分析软件检验上述假设是否成立。

正态性检验属于非参数检验，本方案采用单样本Kolmogorov–Smirnov检验，用K-S作正态性检验是通过对比数据序列与标准正态分布有没有显著性差异来判断序列是否满足正态分布。通过比较检测显著性水平P值，P>0.05，说明与正态性没有显著差异，成正态性分布。

表5 Kolmogorov-Smirnov^a正态性检验表

a.Lilliefors显著水平修正

*.这是真实显著水平的下限。

表5Kolmogorov-Smirnov^a正态性检验表给出了Kolmogorov-Smirnov检验的结果，P值分别为0.200，在α＝0.05的检验水准下，P>0.05，不拒绝原假设，可认为资料服从正态分布。

然后，绘制制动力矩数据P-P图和Q-Q图，P-P图反映了变量的实际累积概率与理论累积概率的符合程度，Q-Q图反映了变量的实际分布与理论分布的符合程度，可以用来考察数据资料是否服从某种分布类型。若数据服从正态分布，则数据点应与理论直线(即对角线)基本重合。如图6所示。

从图6、图7制动力矩的正态P-P图和正态Q-Q图中可以看出，各点近似围绕着直线，说明数据呈近似正态分布。

综上所述，可以判定最初的假设成立，测量所得制动力矩数据服从正态分布(即服从n～N(4095.3,102.1))，置信水平设置为95.5％，置信区间是[3891.1，4299.5]，剔除置信区间以外的数据后用于计算摩擦系数。均值、标准差统计量如表6所示。

表6均值、标准差统计量

步骤五、利用摩擦系数的计算方法，结合有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。

摩擦系数的计算方法：

由公式3可得，瞬时摩擦系数计算公式：

公式6中：

u_k——瞬时摩擦系数；

T_s——瞬时制动扭矩(N·m)；

n——摩擦片个数；

r——制动盘有效摩擦半径(m)；

P_s——制动气室瞬时输入气压(kPa)。

平均摩擦系数计算公式：

拆解公式即：

公式7、8中：

u_s——平均摩擦系数；

u_k1——第1次记录的瞬时摩擦系数；

s_k1——第1次记录瞬时摩擦系数时的制动距离(m)；u_k2——第2次记录的瞬时摩擦系数；

s_k2——第2次记录瞬时摩擦系数时的制动距离(m)；依次类推

u_kn——第n次记录的瞬时摩擦系数；

s_kn——第n次记录瞬时摩擦系数时的制动距离(m)；

S_e——有效制动时间内的制动距离(m)；

d_sk——递增制动距离(m)。(c)采用恒定输入方式进行试验，调整控制气压为0.30MPa，从制动初速度进行制动，到终速度为零；

(d)制动间隔时间以控制制动器初温不超过50℃而定。

结果分析：

以一次制动过程为例，制动流程如(a)～(d)所述，制动过程中同时记录制动力矩、速度、管路压力、夹紧力、制动距离、增量距离等参数，速度从29.7km/h～3.3km/h范围对应的时间为有效制动时间，制动试验过程如图8所示。

(a)制动初速度33km/h；

(b)试验冷却风速11m/s，冷却空气的温度为室温；

(c)采用恒定输入方式进行试验，调整控制气压为0.30MPa，从制动初速度进行制动，到终速度为零；

(d)制动间隔时间以控制制动器初温不超过50℃而定。

利用有效制动时间内的瞬时制动扭矩、制动气室瞬时输入气压以及已知的摩擦片个数(n＝2)、制动盘有效摩擦半径参数(r＝0.173m)，应用公式(6)，计算出瞬时摩擦系数随制动距离的变化曲线关系。瞬时摩擦系数随制动距离关系变化曲线如图9所示。

Claims (4)

1.一种商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，其特征在于，包括测试部分和数据处理部分，其中测试部分包括以下步骤：

步骤一、制动气室输入气压P与气压制动卡钳夹紧力N的关系标定；

在静态情况下，模拟实车安装位置，将力传感器安装于气压制动卡钳两摩擦片中间，用于测量气压制动卡钳的夹紧力N；将气压传感器安装于制动气室输入口与气源之间，用于测量制动气室的输入气压P；制动气室输入气压以某一固定压力为起点，固定间隔加压，测量并记录输入气压P与夹紧力N的关系；

步骤二、制动力矩T的测定；

利用商用车惯性试验台架测量制动力矩，将气压盘式制动器总成的旋转端经中间支撑、传动轴连接到电机上，其中电机用于模拟车轮转速，飞轮盘用于模拟气压盘式制动器总成所受载荷；气压盘式制动器总成的固定端连接到商用车惯性试验台架的尾座上，尾座上的力臂与力传感器相连；在制动过程中，气压盘式制动器总成产生的制动力经力臂传递至力传感器，试验时力传感器测试值与力臂的乘积即为制动力矩T；

数据处理部分包括以下步骤：

步骤三、建立输入气压与夹紧力的数学模型；

气压制动卡钳的夹紧力N在制动过程中并不能直接测量得到，但气压制动卡钳的夹紧力N与制动气室的输入气压P存在直接关系N＝f(P)，采用标定的方式找到气压制动卡钳夹紧力N与制动气室的输入气压P的函数关系，利用标定测量得到的试验数据，采用统计学上一元线性回归的方法，在SPSS数据分析软件上采用逐步筛选策略进行分析，则卡钳夹紧力与气室输入气压的数学模型可以设置为：N＝b₀+b₁P；其中P—制动气室输入气压，kPa，自变量；N—卡钳夹紧力，牛，因变量；b₀—截距，即常量；b₁—回归系数，并最终确定b₀、b₁的值；

步骤四、测量制动力矩数据正态性检验；

规定采用有效制动时间内测得的制动力矩来计算摩擦系数；根据采集得到的制动力矩数据制作频数分布直方图，直观反映连续性变量的频数分布，再利用统计学的方法，在SPSS数据分析软件上判定制动力矩试验数据是否服从正态分布，剔除置信区间以外的数据后再用于步骤五中的摩擦系数计算；

步骤五、利用摩擦系数的计算方法，结合有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数；

由摩擦系数的公式：

其中u—摩擦系数；T—制动扭矩，N·m；n—摩擦片个数；r—制动盘有效摩擦半径，m；得出瞬时摩擦系数计算公式：

其中u_k—瞬时摩擦系数；T_s—瞬时制动扭矩，N·m；P_s——制动气室瞬时输入气压，kPa；

平均摩擦系数计算公式：

其中u_s—平均摩擦系数；

拆解公式即：

其中u_k1—第1次记录的瞬时摩擦系数；s_k1——第1次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；u_k2—第2次记录的瞬时摩擦系数；s_k2—第2次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；依次类推u_kn—第n次记录的瞬时摩擦系数；s_kn—第n次记录瞬时摩擦系数时的制动距离，m；S_e—有效制动时间内的制动距离，m；d_sk—递增制动距离，m；

利用有效制动时间内的数据记录，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。

2.按照权利要求1所述的商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，其特征在于：在步骤一中，制动气室输入气压以100kPa为起点，50kPa为间隔至600kPa。

3.按照权利要求1所述的商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，其特征在于：在步骤四中，有效制动时间定义为90％制动初速度到10％制动初速度所经历的时间；利用统计学的方法判定制动力矩试验数据是否服从正态分布时，采用绘制制动力矩数据P-P图、Q-Q图和单样本Kolmogorov–Smirnov正态性检验，P-P图反映了变量的实际累积概率与理论累积概率的符合程度，Q-Q图反映了变量的实际分布与理论分布的符合程度，Kolmogorov–Smirnov正态性检验是通过对比数据序列与标准正态分布有没有显著性差异，从而判断序列是否满足正态分布。

4.按照权利要求1所述的商用车气压盘式制动器总成摩擦系数测试方法，其特征在于：在步骤五中，以制动流程a～d进行所述一次制动过程，制动过程中同时记录制动力矩、速度、管路压力、夹紧力、制动距离、增量距离参数，速度从29.7km/h～3.3km/h范围对应的时间为有效制动时间，

a、制动初速度33km/h；

b、试验冷却风速11m/s，冷却空气的温度为室温；

c、采用恒定输入方式进行试验，调整控制气压为0.30MPa，从制动初速度进行制动，到终速度为零；

d、制动间隔时间以控制制动器初温不超过50℃而定；

利用有效制动时间内的瞬时制动扭矩、制动气室瞬时输入气压以及已知的摩擦片个数、制动盘有效摩擦半径参数，应用瞬时摩擦系数计算公式，计算出瞬时摩擦系数随制动距离的变化曲线关系；

利用有效制动时间内的瞬时摩擦系数、制动距离以及增量距离，应用平均摩擦系数的计算公式，计算出一次制动过程中的平均摩擦系数。

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