轻型客车制动性设计计算研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.研究背景及概念

汽车自19世纪末诞生至今100余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，写下了人类近代文明史的重要篇章。汽车是现代交通工具中用的最多、最普遍，也是最方便的交通工具。

车辆的制动性能是其重要性能之一，它直接关系到人们和交通的安全。重大交通事故的发生，往往与制动距离过长、紧急制动时车轮抱死发生侧滑、甩尾、失去方向稳定性等情况有关^[1]。其评价指标主要有3项：(1)制动效能，即制动距离与制动减速度；(2)制动效能的恒定性，即抗热衰退性能；(3)制动稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力^[2]。制动及操纵稳定性一直是用来衡量车辆行驶安全性的一部分，良好的制动性以及操纵稳定性能够使行驶中的车辆安全性更有保证^[3]。尤其是对于载客量更多的轻型客车，由于车身尺寸和总质量较大，为保证良好安全的行驶能力，对其制动性能的设计研究就显得尤为重要。

2.国内外研究现状

就我国对轻型客车的标准而言，在2005年之前，根据国家标准，车辆长度范围在3.5m以上7m以下的客车称为轻型客车^[4]。从2005年开始，按新的车型统计分类(参考GB/T3730.1-2001和GB/T15089-2001)将不超过9座的客车定义为轻型客车。客车主动安全性的目标是预防和避免交通事故的发生。优良的底盘设计和底盘匹配是客车主动安全性的核心。现代安全客车应该前后轮都装备盘式制动器，并加装ABS、ASR和ESP等电子控制设备。有的还会用到涡流缓速器，充分保证客车安全行驶。还有多种安全装置可以减轻驾驶员的劳动强度，以保障安全行驶，如多档位自动变速器、智能巡航控制系统、动力辅助转向、空气悬架、良好的人机工程、良好的视野、智能预警信息系统、轮胎气压监控系统和智能前照灯系统等^[5]。这将有效的降低由制动而引起的交通事故^[6]。

2017年，美国联邦运输管理局(FTA)向华盛顿州莱克伍德的皮尔斯运输公司提供了166万美元的赠款，用于公共汽车避撞和缓解安全研究和示范项目。该项目包括安装一个先进的技术包，即行人回避安全系统(PASS)，该系统使用激光雷达传感器触发自动减速和制动系统。它使用了一个独立的基于微处理器的控制器和专有的传感器融合算法，将行人检测和预警传感器系统与汽车动力系统和制动系统集成在一起。通过监测CAWS预警数据和车辆动力学(速度、方向、油门和刹车位置等)，该系统能够在不到一秒的时间内确定是否需要自动运作来协助司机进行制动^[7]，从而得到更为出色的制动性能。

3.研究方法

一辆汽车在制动时的稳定性，即轮胎粘附系数的值是由横向路面急剧下降、外力(风)、路面环境、驾驶员的操作以及制动系统的条件和结构所决定的^[8]。轮式车辆制动最困难的条件之一是两侧车轮的不均匀制动，这导致在水平面上出现转动力矩。通常是由制动的各种操作和技术原因以及路面的横向不均匀的粘附系数造成的^[9]。

在弗罗茨瓦夫科学技术大学的机械设计和摩擦学部门，这些问题也得到了广泛的研究，研究的重点是与钢和铸铁制动部件接触的摩擦。开发经验表明，车辆在城市道路上的工作在相当困难的道路条件下，制动器的高负荷导致其密集磨损。 特别是摩擦块、制动鼓(盘)的高强度磨损，以及它们的过早更换，降低了它们工作的可靠性和交通安全。此外，频繁更换刹车装置的磨损部件需要较高的成本。因此，通过对摩擦垫摩擦特性的实验研究，提高车辆制动机构的有效性。从而确保制动的稳定性机制和安全系统的用于汽车工业^[10]。

目前，车辆稳定控制器的外部输入通常包括方向盘角传感器、偏航率传感器、横向加速度计和轮速传感器。这些先进的交互式车辆动力学技术是福特为了提高安全性、改善性能和成本效率而开发的^[11]。在我国，根据GB 7258-1997规定,就行车制动性能检验而言,汽车、汽车列车、农用运输车等在制动试验台上测得的制动力应符合表1的要求,若对空载检验制动力有质疑时,可用表1规定的满载检验制动力要求进行检验。另外,当采用制动试验台检验车辆驻车制动的制动力时,要求车辆空载,乘坐1名驾驶员,使用驻车制动装置,驻车制动力的总和应不小于该车在测试状态下整车重量的20%^[12]。

表1　台试检验制动力要求^[13]

*空载和满载状态下测试均应满足此要求

表征汽车制动性能的制动距离、制动减速度、制动力和制动协调时间等参数的量值都需要用相应的仪器和专用设备测试才能获取，并需按照一定的程序进行测试操作，以保证测试数据的可靠性和可比性。当前国内外采用的制动性测试方法有两类道路试验检测法和台架试验检测法^[14]。而在羊拯民，张代胜，郑海波，孙骏（1999）^[15]的研究中通过对轻型客车进行了动力学分析,建立了与防抱制动系统相关的数学模型。以车轮角加减速度及车轮角加减速度变化率为控制对象,在Matlab/Simulink仿真软件下,对轻型客车进行了制动过程动态模拟。平面双轴式整车及轮胎受力分析如图2所示。

图2 整车及轮胎受力分析图^[15]

利用Matlab和Simulink工具箱可将上述数学模型转换为计算机仿真模型^[16]。

图3^[17]为转换后的汽车制动过程的制动动力学仿真总体模块图。

图 3 制动动力学仿真总体模块图^[17]

随后将试验车辆的具体参数代入仿真模型中, 然后以实测管路油压为输入, 进行实时仿真, 最小仿真步长为0.001s, 最大为0.1s, 仿真精度为1E-6。得出的试验结果与仿真结果基本接近，说明仿真模型较为接近真实情况。

由于汽车制动技术的进步，车辆动力系统的电气化成为时代发展的主要趋势^[18]，制动性能的表现更加出色，汽车在主动安全方面有了很大的提升。总的来的说，汽车制动性能的提高对交通安全有着积极的影响。但是制动性能好、制动技术先进并不等于绝对的安全，可以随心所欲地驰骋。如果汽车行驶速度过快，制动距离就随之增加，使制动的非安全区扩大。同时在驾驶员反应时间和制动滞后时间内车辆驶过的距离也长，一旦发生突然情况，会使驾驶员措手不及，很容易发生交通事故。另外，在车辆使用过程中要经常对制动系统进行检查、维护和保养，及时发现问题并解决问题，不留安全隐患^[19]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

主要任务有：1.掌握运用激光数字扫描法，建立三维数模的基本方法与基本原理；2.对不同工况下混合动力轻型客车制动过程中制动距离、制动时间计算分析；3.汽车各系统相关通用件、标准件的选择；4.轻型客车的整车制动性的方案设计。

研究方法：在理论分析和试验的基础上，根据整车模型、制动器模型、轮胎模型等一系列数学力学模型, 利用MATLAB/SIMULINK 仿真软件进行制动过程的动力学仿真，计算出车速、轮速、制动力矩等参数随时间变化的关系。在SIMULINK环境下建立完仿真系统的模型之后，进行仿真研究。仿真采用五阶变步长RangeKutta法，最小仿真步长为0.001秒，最大仿真步氏为0.01秒。之后学习应用CATIA三维设计软件完成整车及零件的建模，同时查阅收集相关书籍及车辆制动系统设计有关资料，学习相关知识和计算方法，根据任务书中轻型客车整车参数进行客车前后制动力与制动力矩分配、制动器制动效能因数等设计计算。