基于双滚筒转毂的线控制动性能测试系统设计及验证.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.013 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.013 基于双滚筒转毂的线控制动性能测试系统 设计及验证 陈忠廷1，贯怀光*2（1.上海极氪蓝色新能源技术有限公司，上海 200232；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）摘要：以智能驾驶为目标的车辆安全性能，特别是车辆制动性能日益受到关注。文章研究一种更接近真实的前后轮双滚筒转毂试验平台，此装置能够模拟出车辆在实际运行过程中的情况，达到精确测试智能驾驶车辆制动性能目的。在此基础上，基于前后轮双滚筒转毂试验台检测原理，对双滚筒转毂制动试验台测试系统进行设计，本试验系统能够对车辆制动性能进行自动评估，只需试验人员根据系统指示将车辆开到试验用双滚筒转毂试验台上并踩下制动器即可获得车辆制动性能试验结果。文章分析了速度阶跃信号、制动压力阶跃信号、建压速度持续时间等参数，经过试验和数据分析得知：双滚筒转毂制动试验台更接近于实际使用路况，通过车辆信号周期、最大延迟时间和制动压力建压速度等测试结果能较真实地反映车辆制动性能。关键词：双滚筒转毂；线控制动性能；智能驾驶车辆；台架试验 中图分类号：U467.5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-64-06 Design and Verification of Line Control Dynamic Performance Testing System Based on Double Drum Hub CHEN Zhongting1,GUAN Huaiguang*2(1.Shanghai Krypton Blue New Energy Technology Company Limited,Shanghai 200232,China;2.CATARC(Tianjin)Automotive Engineering Research Institute Company Limited,Tianjin 300300,China)Abstract:The safety performance of vehicles aiming at intelligent driving,especially the braking performance of vehicles,has attracted increasing attention.The paper investigates a more realistic closer to front and rear wheel double drum hub test rig,which can simulate the vehicles in actual operation and achieve accurate testing of the braking performance of smart driving vehicles.Based on this,based on the detection principle of front and rear double-drum hub test bench,the test system of double-drum hub test bench is designed.The test system can automatically evaluate the braking 作者简介：陈忠廷（1991），男，工程师，研究方向为主被动悬架开发，E-mail:。通信作者：贯怀光（1997），男，硕士，工程师，研究方向为智能驾驶车辆决策，E-mail:。基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB2501101）。第 16 期 陈忠廷，等：基于双滚筒转毂的线控制动性能测试系统设计及验证 65 performance of the vehicle,and the test results of vehicle braking performance can be obtained only when the test personnel drive the vehicle to the test bench with the double drum rotating hub according to the system instructions and step on the brake.The paper analyses parameters such as speed step signal,brake pressure step signal and build-up speed duration,and after testing and data analysis,it is learnt that the double drum hub brake test stand is closer to the actual road conditions and the test results can reflect the vehicle braking performance more realistically through the vehicle signal cycle,maximum delay time and brake pressure build-up speed.Keywords:Double drum hub;Line control dynamic performance;Intelligent driving vehicle;Bench test 目前针对人类驾驶车辆的测试程序，例如联邦机动车辆安全标准（Federal Motor Vehicle Safety Standard,FMVSS）、GB 7258 和 ISO 26262 仅规范汽车安全相关的部件、系统和设计特征，没有考虑智能驾驶完成驾驶任务1。当前配置自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking,AEB）的车辆频繁出现碰撞事故，说明不仅在研发阶段完成功能测试，而且在生产阶段也有必要验证功能的可靠性。汽车的中高速防撞预警、汽车 AEB 系统是最基本的核心安全功能，在车辆量产下线阶段，却没有在中高速检测其安全功能的有效性，致使发生安全事故。车辆 AEB 系统利用车载传感器（雷达和摄像头等）来感知交通状况，并评价和远处车辆、行人或者前面其他交通参与者可能发生碰撞风险。当驾驶员在驾驶过程中出现紧急情况时，控制系统可通过传感器获取周围环境信息并对危险情况进行判断和分析。接着，该系统会自动地触发执行器进行所需制动，以免发生碰撞或者降低碰撞的严重性2-3。国内外研究现状在车辆制动性能测试中，LIU 等4基于 Persson 摩擦理论，建立轮胎滑水有限元模型，并对车辆进行动力学分析，针对汽车制动性能评价问题，提出集成轮胎汽车模型。LYU 等5评估了高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assi-stance System,ADAS）对中国驾驶员的有效性以及道路类型、性别及经验等因素对驾驶性能的潜在影响，这些影响因素可通过横向、纵向动力学参数进行评估。LIU 等6提出再生制动单踏板控制策略，以进一步提高能源效率。在保证制动安全的前提下，可以有效提高能量回收率，延长续驶里程。LIAO 等7研究了一种用于模拟 1/4 车辆制动的试验台架，基于试验台架和道路搭建 1/4 车辆制动系统，并建立相应的模型，对各种路面的仿真结果进行对比分析。HE 等8提出了用于复合制动系统（Combined Brake System,CBS）的人工神经网络（Artificial Neural Networks,ANNs）控制器，以同时优化能量经济性和制动稳定性。HU 等9基于泊肃叶定律，针对商用车制动压力变化率问题，提出一种有效的检测方法，同时，设计了一种以等温容器和层流阻力管为核心部件的新型测量装置，并通过实验验证了该测量装置的可行性。智能驾驶汽车测试前、后轮双滚筒转毂试验台可以逼近实际制动情况，本文以前后轮双滚筒转毂试验台试验系统为研究对象，聚焦制动试验台试验制动系统，通过理论推导和对智能驾驶汽车的制动性能试验结果进行研究分析。1 智能驾驶车辆制动性能测试方法 1.1 制动试验台装置原理与结构 转毂试验台属于室内试验设备，确定汽车的使用性能及检验汽车的技术状况、加速性能，制动性能与滑行性能等，如图 1 所示。转毂试验台主要由 4 对转毂组成，多用在承载车轮上。各转毂分别与矢量调节三相交流电动机相连。电机由变频器进行控制，由电机“驱动”或者由发电机“制动”驱动，其在网络中进行数据传输时需要使用数据线10。图 1 转毂试验台 66 汽 车 实 用 技 术 2023 年 为了提高过线效率及生产节拍，将制动方面的测试从转毂台独立出来，前后轮双滚筒制动台可完成制动力测试、防抱死制动系统（Antilock Brake System,ABS）泵和阀测试，如图 2 所示。其中制动力测试由各轮制动力测试组成，即各轴左、右轮制动差试验、对各车轮进行阻滞力检测、驻车制动力试验、踏板力及手拉力测试。在网络中进行数据传输时需要使用数据线，在 ABS 测试中包括 ABS 通信的初始化电子控制单元（Elect-ronic Control Unit,ECU）ID 读取、去除错误信息、进行 I/O 测试，例如制动踏板信号测试，警告灯测试、轮速传感器的检测、静态 ABS/循迹控制系统（Traction Control System,TCS）/电子稳定性控制（Electronic Stability Controller,ESC）测试、建立制动力对泵和阀测试等。1显示与控制台；2侧滑测试平板；3,5制动、轴重测试平板；4过渡板；6拉力传感器；7,10压力传感器；8面板；9钢球；11底板。图 2 前后轮双滚筒转毂试验台简图 图 3 制动转毂试验台的整车受力图 前后轮双滚筒转毂试验台制动过程中的受力情况如图 3 所示。FXb1和 FXb2分别为汽车前轮和后轮正进行转毂试验台上制动力；N1和 N2为前轮和后轮向试验平板施加的压力；Fj为汽车的惯性力；O 点为智能驾驶汽车质心；G 为重力；h 为质心高度；a 和 b 分别为前轮和后轮与智能驾驶汽车质心间的距离；L 为前后轮轴距。前轮汽车与测试平板接触处所取力矩为 2jN LGaFh=（1）后轮汽车与测试平板接触部位所取力矩为 1jN LGbFh=+（2）由式（1）、式（2）可得，车辆于制动时因惯性力之影响前轮与被测平板之压力升高，后轮作用在测试平板上的压力降低，即当汽车轴荷向前移动时，车轮作用在测试平板上随惯性变化改变。当车辆在双滚筒转毂试验台上进行试验时，能较好地反映车辆制动时轴荷重新分布的制动效果等。因此，双滚筒转毂试验台更能接近于车辆的真实制动效果。车辆在制动时，车轮会出现滚动、抱死等现象，当车轮受到一定程度的摩擦力后即产生抱死感。当制动踏板力 F 相对较小时，执行制动器受到的摩擦力矩也较小，车轮滚动的过程中，这时地面制动力 FX等于制动器的制动力 F；制动踏板力 F 增大到某一极限 Flim后，地面制动力 FX达到附着力 F要求，这时车轮处于抱死状态。如果制动踏板力不断加大至 FFlim，此时制动器摩擦力矩亦不断增大，而地面制动力 FX却在实现粘附着力 F以后不再增大，即 FXmax=F。在平板式制动试验台上进行试验，试验制动力采用地面制动力 FX。当最大制动力值的检测需要制动踏板力达到 FFlim，因此，制动踏板力对检测结果的影响较大。智能驾驶车辆制动性能测试时，测试人员踏板力应达到极限 Flim，否则进行检测其结果将有很大不同。汽车的初速度可根据情况冲量估计得到。在汽车制动过程中，任一时间段各采样时间内制动力变化量相等。对于非常小的情况，可以假定制动力值在此采样时间是恒定的，并依据冲量定理进行计算，即 F dtd mv=dt=d(mv)（3）式中，m 为恒定的；dt 为时间变化量，即 F.dt=m.dv （4）式中，dv 为速度变化量。第 16 期 陈忠廷，等：基于双滚筒转毂的线控制动性能测试系统设计及验证 67 其中，011NiiFmvf=（5）换算可得 011NiivFmf=（6）式中，Fi为各采样时间制动力；f 为采样频率；v0为车辆初速度；N 为采样总数。因此，得到汽车初速度在汽车制动性能检测中的作用11-14。通过实验可知，在不同车速下，汽车制动力与汽车行驶阻力之间存在一定关系，即随着车辆运行速度增加而增大，且这种相关性随车速变化呈现非线性变化规律。现将两种车型制动性能的测试情况进行介绍。1.2 智能驾驶车辆制动性能测试步骤 在智能驾驶车辆制动性能测试之前需准备智能驾驶车辆执行测试单元流程配置，并设置所需测试单元，对所设置的测试单元分配测试参数和测试指标参数。在设置测试流程中，将测试单元按照所需测试次序添加到测试流程组中设置车型信息。车型信息包括试验相关车辆参数，试验项目及其他信息。如果和制造执行系统（Manufactur-ing Execution System,MES）连接，则设置和 MES车型的匹配信息。实验通过车载自动诊断（On Board Diagnos-tics,OBD）系统通信设备接口，将所给控制序列作用于汽车，以控制汽车。同时，利用 OBD 接口，实时获取车辆响应信号和车辆状态信息，对测试工位大屏电视进行控制-测量曲线的实时渲染，并对性能指标进行实时分析。各测试单元的试验结束后，所述指标参数和所述判定结果在所述工位大屏电视中进行展示。测试单元控制序列可以由流程控制软件配置，可以在性能测试列表中添加配置测试单元、性能测试软件，用于将排列好次序，并按照排序进行测试。具体测试流程如图 4 所示，首先在发车阶段选取车型，并进行测试车辆登记，选择测试指标（可通过 MES 系统联网自动匹配车型）。之后，车辆驶入性能测试工位，测试工程师扫描车辆识别码（Vehicle Identification Number,VIN），进行性能测试。在性能测试过程中，实时显示测量曲线、性能指标、测试结果。最后，车辆驶离，测试工程师打印结果报表（包含测试曲线、性能指标、测试结果等信息），并且将测试结果上传至MES。图 4 智能驾驶车辆制动性能测试流程图 2 实验结果分析 针对一款智能驾驶车辆线控底盘汽车进行制动性能检测，部分检测结果数据如图 5图 7 所示。图 5 速度阶跃信号测试曲线 在速度阶跃信号测试上，主要测试速度的阶跃信号响应性能指标。采取速度阶跃信号激励曲线，并使用速度阶跃测量曲线作为响应曲线。此测试主要考核制动时车速性能考核指标，即车速变化延迟时间、速度阶跃信号上升时间、制动速度超调量及稳态误差。68 汽 车 实 用 技 术 2023 年 由速度阶跃信号测试曲线可得，该智能驾驶车辆信号周期为 18.125 s，最大延迟时间为 0.403 s，测试结果合格，符合国标机动车车辆制动系机动车运行安全技术条件（GB 72582017）基本要求。图 6 制动压力阶跃信号测试 图 7 制动压力建压速度时间测试 制动压力阶跃信号主要测试制动压力的阶跃信号响应性能指标。采取制动压力阶跃信号作为激励曲线，并制动压力阶跃测量曲线作为响应曲线。此测试实验的制动性能考核指标为制动执行机构信号响应延迟时间、制动力建立最大值的上升时间、制动压力超调量、制动压力稳态误差。由制动压力阶跃信号测试曲线可得，该智能驾驶车辆信号周期为 0.900 s，最大延迟时间为 0.144 s，测试结果合格。制动压力建压速度时间测试上，主要是给定阶跃信号。在测量制动压力建压时间，由制动压力建压速度时间测试曲线可得，该智能驾驶车辆所得制动压力建压为 80 bar，建压速度为 551.724 bar/s，测试结果合格。3 总结 本文首先阐述了智能驾驶汽车制动性能研究的背景及意义，并进一步提出了前后轮双滚筒转毂试验台在制动性能检测方面的实际意义及展望。依据国家标准，结合前后轮双滚筒转毂试验台制动试验台的基本原理，详细描述测试系统硬件设计及软件设计。目前，前后轮双滚筒转毂试验台已安装到了一个智能驾驶汽车检测站，并着手测试车辆制动性能。基于收集到的某款车型数据曲线，对汽车在制动过程中的情况进行了分析，并通过系列实验加以验证。结果显示，前后轮双滚筒转毂试验台能较真实地反映车辆制动性能，但是重复性差。本文对速度阶跃信号、制动压力的阶跃信号和制动压力建压速度的持续时间进行测试分析，可从如下几方面对测试系统进行改进：首先可以采用综合性能检测台等，使用前后轮双滚筒转毂不仅能对车辆制动性能进行测试，也可增加检测汽车侧滑、悬架及其他特性等功能，从而减少汽车检测站所占面积，提高汽车检测工作效率。其次，可以采用分辨率更高的模拟数字转换器提高系统的测试精度，使测试系统更加精确，测试数据更加可信。参考文献 1 FENG S,YAN X,SUN H,et al.Intelligent Driving Inte-lligence Test for Autonomous Vehicles with Naturali-stic and Adversarial EnvironmentJ.Nature Commun-ications,2021,12(1):1-14.2 YANG L,YANG Y,WU G,et al.A Systematic Review of Autonomous Emergency Braking System:Impact Factor,Technology,and Performance EvaluationJ.Journal of Advanced Transportation,2022,10:1188089.3 WANG Y,YIN H,YANG Z,et al.Assessing the Brake Particle Emissions for Sustainable Transport:A Review J.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2022,167:112737.4 LIU X,CAO Q,WANG H,et al.Evaluation 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