设计 计算 研究 · · · · 基于 MATLAB/GUI 设计与评价软件开发 的制动系统 张继红 宗长富 郑宏宇 吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室 （ ） 基于 【摘要】 差压比例阀 、 ） 基于踏板力计算分析评价汽车制动稳定性 MATLAB/GUI 感载比例阀 、 、 开发了汽车制动系统设计与性能评价软件 加速度比例阀 汽车制动系统匹配计算与分析 制动法规要求以及曲线 4 软件分为 大模块 有比例阀 比例分 无比例阀汽车制动系统匹配计算与 ； 进行了模拟计算 以某轻型货车为例 ： （ 。 ；ECE ， 配阀 分析 并与 ； 仿真结果进行了对比 从而验证了该软件的可靠性与实用性 Carsim 主题词： 中图分类号： MATLAB U463.5 ， 制动系统 软件 开发 文献标识码： A 文章编号： 。 。 1000－3703（2009）08－0018－04 An Automotive Brake System Design and Evaluation Software Development Based on MATLAB/GUI Zhang Jihong,Zong Changfu,Zheng Hongyu （State Key Laboratory of Automobiles Dynamic Simulation,Jilin University） 【Abstract】An Automotive braking system design and performance evaluation software is developed based on MATLAB/GUI.The software consists of four modules:proportioning valve （proportioning valve,pressure difference proportioning valve,load sensing proportioning valve,acceleration proportioning valve）used in computation and analysis of automobile braking system match;computation and analysis of braking system match for vehicle without proportioning valve;automotive braking stability computation,analysis and evaluation based on pedal force;ECE braking regulation requirement and curve.Simulation computation is carried out with a light duty truck as an example and compare the result with Carsim simulation,reliability and practicability of the software are thus validated. Key words：MATLAB,Braking system,Software,Development 前言 1 重大交通事故往往与车辆制动失效 车辆紧急 、 制动时发生侧滑等情况有关 是汽车安全行驶的重要保障 设计计算主要是依靠设计者的经验知识 [1]， 因此汽车的制动性能 传统的汽车制动系统 计 算 项 ， 。 制臂外铰点 连线 ） 与 ， 即为主销轴线 可以通过改变 改变主销内倾角与后倾角 。 的位置 B1、A3B3 数值 A4B4 ， 从而达到设计要求 ， 。 前束角与车轮外倾角 前轮前束可以通过改变横拉杆长度来调整 3.2 前 设计时使转向 ； 轮外倾角是在转向节设计中确定的 节轴颈的轴线与水平面成一定角度 ， 。 结束语 4 通 过 ADAMS/CAR 运动学分析和对前悬架模型的验证 法的正确性与准确性 。 后悬架性能比较理想 力 模 块 对 前 悬 架 与 后 悬 架 的 说明了建模方 由仿真结果可知 该车的前 、 前悬架具有良好 的 回 正 能 减少轮 有利于提高前轮安全性 转向操纵轻便 ， ， ； ， ， ， 胎磨损 稳定性 ； ， 后悬架结构设计合理 减少轮胎磨损 。 参 考 文 献 有利于增加汽车横向 ， 1 Ichiro kangeyama,Hee Young Jo.An Advanced Vehicle Contr- ol Using Independent Four －Wheel －Steering System．IEEE, 2 3 4 1998,42（4）：954～959. 陈家瑞 汽车构造 北京 . . 机械工业出版社 ： ．2000. Sano S,Furukawa Y,Shlralshis. Four wheel Steering Systems with Rear Wheel Steer Angle Controlled as a Function of Ste- ering Wheel Angle.SAE paper 860625,1986. 汪 文 龙 . 合肥 文 车 辆 操 纵 稳 定 性 的 虚 拟 仿 真 技 术 研 究 合肥工业大学 ]. ： .2006，5. 学 位 论 ：[ 5 ADAMS/CAR Theory Seminar.Mechanical Dynamics,Inc.1994. 修改稿收到日期为 2009 年 7 责任编辑 帘 青 （ 月 日 ） 20 。 18— — 汽 车 技 术 

表 3 所列 。 进入主界面 选定车型 带有比例阀汽车制动性能 评测计算界面和作图界面 输入整车参数 ： 轴荷分配 车载 、 质心位置等 、 输入比例阀参数 无比例阀汽车制 动性能评测计算 界面和作图界面 输入整车参数 ： 轴荷分配 车载 、 质心位置等 、 制动器初选 工作半径 前后制动器 （ 轮缸直径 、 、 制动因数等 ） 效能初步评估 同步附着系数 利用率 制动力分配 （ 、 路面附着系数 、 利用附着系数曲线 、 踏板力计算等 、 ） 否 符合 法规 ECE ？ 是 评测完成 ， 制动性好 1 图 表 1 轻型货车制动系统设计流程 模拟计算所选车型的整车参数 参数 数值 参数 数值 前轮制动力矩 /N·m 252 后轮制动力矩 /N·m 146.8 空载整车质量 /kg 空载前轴静载荷 /kg 空载后轴静载荷 /kg 空载质心高度 车轮滚动半径 /mm /mm 1 655 955 700 619 332 满载整车质量 /kg 满载前轴静载荷 /kg 2 650 1 065 满载后轴静载荷 /kg 1 585 满载质心高度 /mm 707 轴距 /mm 3 085 表 2 选用的制动器及其相关参数 轮缸直径 工作半径 制动力矩 制动器类型 前轮盘式制动器 后轮鼓式制动器 表 3 参数 比例阀拐点液压 /MPa 比例阀拐点斜率 /mm 66.67 /mm 100 26.99 135 选用的比例阀参数 空载 2 0.25 /N·m 252 146.8 满载 6 0.25 。 ， ， 。 ， ， · · · 或 VC 研究 缩短开发时间 ， 因此造成制动系统的设计计算量非常大 设计 · 目多 进行计算 数增多 用计算机开发软件进行制动系统设计 计效率 件大多是运用 VB 包含对制动性能的评价 计算 当只改变一个参数时也必须对很多项目重新 加上计算中可能出现的错误引起计算次 利 可以提高设 已有的汽车制动系统设计软 且不 为语言基础编写的[2，3]， 本文运用 基于 GUI [4，5]， 。 功 能 强 使 得 界 面 更 加 友 好 MATLAB 方便地进行互 大 相调用 使模型仿真与人机界面进行结合 有利于结 本文所开发软件不但可以进行制动系统的 果分析 还可以在软件的制动 设计分析和制动性能的评价 系统模型中加入现代电控制动系统模型 进而可对 包括电控制动系统的整车制动性能进行匹配设计与 评价 的界面设计 开放性强 SIMULINK 可以与 。 GUI ， 、 、 ， ， 。 ， ， 。 软件的基本功能 2 ； ） 、 、 （ 4 本软件分为 大模块 感载比例阀 有比例阀 ： 加速度比例阀 比例分配阀 、 汽车制动 无比例阀汽车制动系统匹配 基于踏板力计算分析 [6，7]评价汽车制动 制动法规要求[8]以及曲线 每个模块都 很好地解决了较大型软件运行时内 使每一模块都能充分利用 差压比例阀 系统匹配计算与分析 计算与分析 稳定性 可以独立运行 存覆盖的程序管理问题 微机的全部内存 有效地提高了程序的运行速度 ；ECE ； 。 ， ， ， 。 软件的输入输出端口 3 软件需要输入的数据主要有 比例阀参数 制动系参数 、 4 制动强度 、 种形式 数字 图形 信息对话框 。 、 、 ： 3 每个不同制动强度下的相关量作输出 同制动强度下的车辆性能变化进行仔细了解 输出可以对性能有全貌和形象的理解 更加直观 式评定汽车空满载工况下的制动性能 输出可以给用户提供参考信息 果 帮助用户分析车辆制动性能等 制动法规界限 解释概念 ECER13 如结合 ， ， ， ， 。 ， ： 部分 整车参数 、 软件的输出有 。 数字输出可以对 进而可对不 图形 使输出结果 以曲线形 ， 信息对话框 分析结 ； ， ； 制动性能分析评价 4 本文通过对某轻型货车进行模拟计算 证明该 该轻型货车制动系统设计 ， 软件的可靠性与实用性 流程如图 所示 。 1 。 。 ， 4.2 性能计算分析 本文主要以利用附着系数与制动方向稳定性为 评价的第一步是对各相 指标来评价车辆制动性能 关量进行计算 不同压力调节阀的制动性能分析计 后制动力调节时会有 算方法的主要区别是 比例阀实际制动力分 不同的比例 配线由两部分组成 感载 上 个折点 比例阀有 述不同点在回调函数中根据比例阀参数用循环语句 计算时根据制动强度数值确定实际制动力的 实现 分配 差压比例阀由 加速度比例阀则有 实际前 出现不同的折点 ； 个折点 部分组成 3 3 4 ： 、 ， ， ； ； ， 。 。 车辆前轴满载利用附着系数计算过程如下 比例阀折点处制动强度 ： 。 （1） 4.1 输入已知参数 该轻型货车整车与制动系统相关参数见表 2（[BEF]f +[BEF]r）· ·D 2 f·RB·P π 4 G·rk z0 = 1~ 年 第 期 8 2009 19— — 

f1 = Ff Fz1 为满载前轮地面制动力 ，Ff （5） 为满载前轴轴 ；Fz1 数 系 着 附 用 利 式中 荷 。 · 研究 · · 计算 设计 · 式中 直径 为车轮滚动半径 ；RB ，[BEF]f、[BEF]r ；G （z＜z0） M1 Ff = 为车辆满载总质量 折点前 前轮地面制动力 ；Df 。 ；P ： ·G·z （2） M1+M2 分别为前轮制动力矩和后轮制动力 为比例阀 为制动强度 ；z0 和 ，M1 为车辆满载总质量 式中 矩 折点处制动强度 ；G M2 ；z 。 折点后 （z＞z0） 前轮地面制动力 ： M1 M1+f·M2 Ff =2·M1·P /rk +G·（z-z0）· 式中 为比例阀拐点处斜率 ，f 满载前轴轴荷 ： 式中 度 ；L Fz1 =G1+hg·G·z/L 为满载车辆前轴静载荷 ，G1 为轴距 满载前轮利用附着系数 。 。 ： （4） 为满载质心高 ；hg 、 、 地面制动力 通过这些计算值作图分析比较 根据整车参 数 和 比 例 阀 参 数 计 算 空 载 与 满 载 利用附着系数以及附着 判断 。 前轮地面制动力曲线在后轮地面制动力 满载地面制动力曲线在空载地面制动力 前轴轴荷随着制动强度的增大而增大 ， 空载轴荷小于满载轴荷 该车各值符合上述规定 。 从图 2 。 ， 和 ： 前后轴轴荷 系数利用率 是否符合 曲线之上 曲线之上 后轴轴荷反之 图 可得 ， ； 3 ， ； N k / 力 动 制 面 地 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 图 2 空载前轴 空载后轴 满载前轴 满载后轴 0.2 0.4 制动强度 0.6 0.8 地面制动力与制动强度关系曲线 制动性能评价 法规规定 类车辆 ECE M1 ， 4.3 之间的 0.2）， 的关系 对于路面附着系数 ， 要求制动强度 准 =0.2~0.8 f Z≥0.1+0.85（准 - 之间 在 与与制动强度 由于 Z 0.85Z/（Z+0.7） 转换成利用附着系数 ： f ≥0.85Z/（Z+0.7）。 均为制动效能因数 为前轮缸 为前轮制动器工作半径 为轮缸液压 （0~0.8] ；rk 0.453。 为单调增函数 从计算中可得 所以 ， max [0.85Z/（Z+0.7）]= min（ f ）>0.453， 满足规定 。 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 N k / 荷 载 轴 空载前轴 空载后轴 满载前轴 满载后轴 0 0.2 0.4 制动强度 0.6 0.8 （3） 图 图 3 所示 轴载荷与制动强度关系曲线 本车利用附着系数曲线在 法规 ， 且前轮利用附着系数大于后轮利用附 ECE 制动法规 ， ECE 保证了制动安全性 。 限制范围内 ， 着系数 满足 4 ， 1.0 0.8 0.6 空载前轴 空载后轴 满载前轴 满载后轴 法规线 ECE f =z f=（z+0.07）/0.85 0.4 f=z+0.05 0.2 0 0 0.2 0.4 制动强度 0.6 0.8 4 ， ， ， 。 ， 4.4 若质心前移 利用附着系数曲线 图 踏板力计算 制动方向稳定性是评价车辆制动性能的重要指 后 直接关系着行车安全 标 、 若质 轮抱死次序有关 心位置保证汽车的同步附着系数等于汽车常用路面 易发生 附着系数 ， 后轴侧滑 前轮易丧 ， 失转向能力 则制动稳定性较好 高速时危险性大 而抱死次序与质心位置有关 制动方向稳定性与前 ； 若质心后移 。 后轮抱死所需踏板力大小可以判断车辆 如果后轮抱死所需踏板力小于前 制动时后轮会先抱死 易发生后 本文通过满载时整车参 路面附着系数 以判断车辆的制 前后轮抱死次序 ， 轮抱死所需踏板力 轴侧滑 表 数 来计算车轮抱死所需制动踏板力 动稳定性 。 助力器参数 甩尾甚至重大事故 比例阀参数 由前 4）、 ； ， 、 ， ， 、 、 、 （ ， 。 表 4 参数 助力器有效直径 助力器参数 /mm 助力比 主缸直径 /mm 数值 228.6 7.5∶1 20.64 对该车在不同附着系数路面上的制动稳定性进 20— — 汽 车 技 术 

研究 · 计算 设计 · · 行了模拟计算 计算结果 ， · 踏板力计算结果见表 所列 分析 ， 5 可得出如下结论 ， 在附着系数小于等于 。 a. 0.3 的路面上 出现后 轮抱死的最小制动踏板力小于前轮抱死 的 制 动 踏 此时会提示用 板力 户修改参数 重新进 行设计 即制动时后轮比前轮先抱死 减少前轴静载荷 质心后移 ）， ， ， 。 ： （ ， 可以避免后轮先抱死 在附着系数大于 。 的 路 面 上 该 车 不 会 ， 0.3 b. 出现后轮先抱死的情况 属于稳定工况 ， 。 表 5 踏板力计算结果 路面附着系数 前轮抱死所需 后轮抱死所需 踏板力 /N 踏板力 /N 率 移 滑 0.04 0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 前轮 后轮 0 5 10 时间 /s 15 20 图 6 中 、 高附着系数路面车轮滑移率 结束语 5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 12.3 25.8 40.7 56.9 74.5 93.3 113.5 133.0 仿真验证 8.5 10.7 15.0 101.7 465.1 979.1 1 425.0 1 802.8 4.5 Carsim Carsim 真 结 果 准 确 模型 可 靠 在车辆动力学方面具有强大优势 其仿 本 文 建 立 了 前 述轻 型 货 车 初 始 车 速 低各种附 、 并选择以下工况进 行 仿 真 ： 分别在高 ， 。 8 MPa， 、 仿真结果如图 和图 5 6 80 km/h， ， 主缸压力为 Carsim 为 着系数的路面上进行制动 所示 ， 5 。 图 率 曲 线 了 比前轮先发生抱死 -1， 5 ， 为车辆在附着系数小于 从 图 中 可 得 前 ， 、 0.3 路面上的滑移 后 轮 的 滑 移 率 都 达 到 这表明后轮 且后轮滑移率比前轮先达到 与本文软件计算结果一致 ， -1， Matlab 利用该软件对某轻型货车进行了仿真 利用 评价软件 过对该车各项制动性能指 标 进 行 模 拟 计 算 语言编制了汽车制动系统设计与 通 并 与 证明了该软件的可靠性和实 仿真结果对比 ， ， ， ， Carsim 用性 。 参 考 文 献 杨志华 等 汽车制动系专家系统人机界面 , . 农业机械学报 . 汽车制动系设计计算软件开发研究 北 京 汽 ,2006,37（6）：23~26. . 于鹏晓 汽车液压制动系统设计与 分 析 软 . 南京理工大学学报 .MATLAB7.x ,2001,25（3）：247~251. 界面设计与编译技巧 北京 电子工业 . ： ,1999（1）：13~16. . , , 邹乃威 吴建生 方泳龙 , 和知识库的建立 舒红 车 王良模 件的开发 李显宏 出版社 施晓红 曾小平 ,2006. , , . .GUI 1 2 3 4 5 7 图形界面编程 北京 . ： 北京大学出版社 ,2003. 6 Vaduri S,Law E H．Development of an Expert System for the Analysis of Track Test Data．Sae Paper, 2000. 方 泳 龙 汽 车 制 动 理 论 与 设 计 北 京 国 防 工 业 出 版 社 . ： , . 2005. 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 5 率 移 滑 图 。 8 ECE R13-H. Distribution of Braking Among the Axles of Ve- hicles and Requirements for Compatibility Between Towing Ve- 前轮 后轮 hicles and trailers.2004. 修改稿到日期为 2009 年 月 6 责任编辑 学 林 （ 30 日 。 ） 1.0 1.1 1.2 时间 1.3 1.4 1.5 /s 低附着系数路面车轮滑移率 图 为车辆在附着系数大于 图中前 后车轮滑移率在 ， 后轮制动时都不会抱死 、 0.3 的路面上制动 范 与本文软件 0~-0.1 ， 6 的滑移率曲线 说明前 围内 、 计算结果一致 ， 。 年 第 期 8 2009 1990 来电向本社邮购 年以来历年精装合订本 元 每本 有 ， ， 80 ~110 、 本社尚有 需求者可来函 元 扩版 （ 联系人 电话 ）。 高岩 ： ：0431-85789855 汽车技术 《 杂志社 》 21— —