汽车有比例阀的制动器分析系统设计

　　摘要：文章基于Visual C++6.0开发平台, 设计开发了一套含有比例阀的制动系统性能分析系统, 搭建了传统制动系统开发的自动化平台, 设计了友好的用户界面, 弥补了传统手工或编程计算的不足, 拓宽了制动器开发系统的使用范围。

　　关键词：软件开发; VC++; 制动器; 性能分析平台;

　　Abstract：Based on Visual C + + 6. 0 development platform, a set of brake system performance analysis system with proportional valve is designed and developed. The automation platform with traditional brake system is developed, and a friendly user interface is designed. It can make up for the traditional manual or programming computing deficiency and broaden the scope of the brake development system.

　　汽车制动系统是一个重要的安全保障系统, 在汽车高速行驶的情况下, 一旦发生后轴抱死, 将会造成侧滑甩尾等严重的危险事故[1]。没有比例阀, 制动系统的制动液压分配是定比分配的过程, 对于质量较小的汽车, 尚且可以后轴不抱死或后抱死, 但对于质量较大的汽车, 就很难在不同路面上都使后轴不抱死或后轴后于前轴抱死。为了使制动器尽可能适应多种路面状况, 则必须加装比例阀。加装比例阀后, 制动液压的分配比会有两个或两个以上, 会在适当的时候减小后轴的液压分配比例, 后制动器制动力的分配比例也随之减小, 能够尽可能保证后轴不抱死, 保证制动效率处在较高水平。不同的比例阀对制动液压分配的影响也不同, 因此为了设计一个性能优良的制动系统, 分析比例阀对制动性能的影响是十分重要的。

　　传统的制动器智能开发系统, 往往都只注重对于基本制动器的参数进行分析计算, 这就使得传统制动器智能开发系统的应用范围和应用价值有所局限。针对这种情况, 本文对制动系统中常用的比例阀作了一定自身结构研究, 以及对比例阀影响制动器效能的情况作了深入理论研究和分析计算。最后, 在全面理解传统制动器智能开发系统的设计思路之后, 本文以实际液压分配关系为切入点, 考虑比例阀特性, 并将计算程序耦合在传统系统开发上, 利用传统制动器智能开发系统的程序及功能基础, 完善了其功能。

　　对比于Matlab开发的系统, VC++可生成.exe文件, 不依赖于Matlab或者VC++主体软件。鉴于VC++6.0开发平台中MFC应用程序接口所面向对象的设计思路可以大大简化程序开发的过程, 同时也可以使代码数量减少等优点, 利用该开发平台实现了对有比例阀的制动器分析系统的开发[2]。

　　1、前期开发研究

　　1.1、理论研究

　　比例阀会减小后轴液压分配所占的比例, 从而减小后轴制动力分配所占比例, 即改变制动力分配系数。保持同步附着系数大于路面附着系数, 就能够满足前轴先抱死。

　　比例阀的作用主要体现在液压分配转折点的液压值 (简称折点液压) 之后, 折点之前, 制动力分配系数β为一定值, 整个液压分配系统为线性系统;而折点之后, β为一随制动液压而改变的变量, 液压分配系统为非线性系统。在分析制动强度与利用附着系数关系以及附着系数与制动效率关系的阶段, 制动力分配系数是一个关键的影响因子。因为在进行上述分析时, 若制动力分配系数β只是一个仅仅与液压分配有关系的变量, 则还不足以进行相应理论分析, 所以还必须将β与附着系数以及制动强度相关联。β是制动器制动力之间的关系, 而制动器制动力与制动液压相关的同时也与地面制动力相关。本文利用在车轮未抱死时, 制动器制动力与地面制动力相等以及制动强度与附着系数相等的关系[3], 结合制动器制动力与液压分配的关系进行理论分析。得出如下等式

　　式中:fμl、fμ2分别为前、后制动器制动力;m为汽车质量;g为重力加速度;φ为附着系数;z为制动强度;kbf、bbf分别为实际制动力曲线在折点之后的斜率以及在纵坐标轴上的节距。

　　1.2、MFC应用程序设计

　　MFC是微软的位于Windows API之上的基础类库。它秉承了VC面向对象的设计思路, 使用户方便实现功能。它封装了程序开发常用的对象, 使用了标准化的接口。然而, MFC应用程序设计的本质仍是Windows程序设计。

　　Windows程序设计的运行原理是主要基于消息的事件驱动方式的程序设计模式, 用户需要实现某种功能的时候调用操作系统的支持, 然后操作系统将用户需求打包成消息发送到消息列队, 应用程序在消息列队中获取消息并进行响应。其流程图如图1所示。

图1 Window程序设计

　　2、系统整体研究

　　2.1、系统功能

　　本文主要是论述考虑比例阀模块的制动系统, 对制动性能影响的分析及计算功能。主要从液压分配曲线、制动力分配曲线、利用附着系数与制动强度的关系曲线、制动效率曲线以及制动距离曲线几个方面进行设计。因为该系统在传统制动器智能开发系统基础之上开发, 为了节约资源需要实现数据等资源共享。主要设计功能要求如图2所示。

　　2.2、资源需求

　　参数资源部分由本文设计的系统平台在传统制动器智能开发平台上建立, 需要从基础系统上获取整车参数、制动器参数、轮缸参数、真空助力器等制动系统的参数。开发工具部分除了程序开发平台VC++6.0外, 为了将用户选择的参数、计算求得的参数、以及整车参数等相关参数保存, 按照车型进行对比, 本系统还需要使用Access 2000数据库。

　　2.3、整体思路

　　本开发平台的基本思路为, 先获取基础程序和用户输入的参数, 再推导关系绘制曲线, 继而查询具体分析数据, 对数据及图片进行保存。具体思路如图3所示。

图2 性能分析平台基本功能

图3 程序功能框架

　　3、程序开发

　　3.1、利用基础制动器智能开发系统

　　在利用基础系统方面, 本系统设置选择参数的界面, 供用户选择基础系统上的参数, 再将参数传至全局变量, 由全局变量给新系统变量赋值, 如将制动系统的制动器类型、制动器参数、真空助力器及主缸等的参数选择传递给全局变量供新系统使用。选择制动器其它参数的界面如图4所示。

图4 选择制动器其它参数的界面截图

　　3.2、比例阀参数

　　比例阀的存在直接影响着前、后实际液压分配关系, 在实际液压分配曲线上显示出来为曲线的斜率和折点这2个基本参数。本系统以此着手, 让用户直接输入这2个参数, 然后进行计算绘制出实际液压分配曲线等性能曲线。

　　3.3、计算关系

　　因为使用本系统的目的是对有比例阀的制动器进行性能计算和分析, 那么在该系统中嵌入相关公式则是必须的环节。

　　在制动强度与利用附着系数的关系中, 在没有比例阀的制动系统中, 前、后轴利用附着系数与制动强度z的关系为

　　式中:φf、φr为前、后利用附着系数;β为制动力分配系数;L为轴距;a为质心到前轴距离;b为质心到后轴距离;hg为质心高度。

　　在没有装比例阀的制动系统中, 以上两式中的制动力分配系数β的值是一定值, 而在装有比例阀的制动系统中, β值将是随着液压的改变而改变的。

　　利用制动力与制动强度的关系, 以及前、后制动力的关系, 可以得出制动力分配系数与制动强度的关系。从而得到利用附着系数与制动强度的关系为

　　同样, 由于在装有比例阀的制动系统中, β值将是随着液压的改变而改变的。在制动效率与附着系数关系中, 得出β值与附着系数的关系, 带入无比例阀的制动效率与附着系数的关系中即可得到比例阀作用后的制动效率与附着系数关系为

　　3.4、数据保存

　　为了将计算得出的数据与曲线图片保存起来, 本系统采用Access 2000数据库。在对数据库进行开发利用方面, 本文采用ADO方式的数据库操作方法。

　　本系统是在基础制动器智能开发系统基础上二次开发而来, 在数据库方面也要继承基础数据库的基本结构, 要做到为新功能服务而不影响原有功能的正常运行。为此, 本系统采用在原有数据库中镶嵌数据表或数据字段, 这种方式不破坏原数据库的基本结构, 同时, 镶嵌的数据表和数据字段可为新功能采用, 但不允许脱离基础数据库单独使用, 保证了系统的完整统一性。具体关系如图5所示。

图5 程序与数据库的关系

　　4、性能曲线

　　在本系统中, 创建On Update () 函数来进行对话框的重绘以及位图的建立, 而避免直接采用对话框创建时自动重绘窗口的On Paint () 函数。相对独立的On Update () 函数既能被On Paint () 函数调用, 也能被其它触发程序调用, 方便进行人工触发式绘图。具体绘图则使用Draw (CDC*p DC) 函数[4,5]、Draw (CDC*p DC) 函数判断用户是否选择了设置比例阀参数, 分别调用不同的绘图参数, 通过移动智能画笔类CDC指针, 进行曲线的绘制。

　　4.1、液压分配曲线部分

　　用户在进入系统之后, 先选择制动器基本参数, 然后输入比例阀对液压分配关系影响的参数, 继而本系统生成液压分配曲线。本系统在增设有比例阀的液压分配曲线的同时, 保留了基础系统无比例阀的液压分配曲线, 用户可以分别选择有比例阀或无比例阀两种模式。当有比例阀作用时的液压分配曲线如图6所示。

图6 有比例阀的液压分配曲线

　　无比例阀作用的液压分配曲线则如图7所示。

　　有比例阀的液压分配曲线绘制过程中, 首先需要获取界面上折点后的倾角以及折点液压值等液压曲线受比例阀影响的参数。根据取得的数据, 创建double型pressure_function (double fp) 函数以计算折点后前、后液压分配关系。该函数首先将折点倾角转换为斜率, 再结合折点液压值建立直线方程。Draw (CDC*p DC) 函数可调用该函数以进行折点后的液压关系绘图, 而折点之前的液压分配关系与无比例阀的液压分配关系相同。在无比例阀的液压分配曲线的Draw (CDC*p DC) 函数中则没有调用pressure_function (double fp) 函数, 因此无比例阀的液压分配关系曲线是一条斜率一定的直线, 而有比例阀的液压分配关系曲线在折点液压之前的斜率与无比例阀的液压分配关系曲线斜率相同, 折点液压之后的斜率为另一值。

图7 无比例阀的液压分配曲线

　　比较图6、图7, 可以看到有比例阀的液压分配曲线在折点液压为8.7 MPa以后沿与横坐标正向成10°的方向延伸, 比折点液压之前的曲线斜率更小[6-9]。无比例阀的实际液压分配曲线与理想液压分配曲线的交点为12.1 MPa, 而有比例阀的该交点大约为22 MPa, 比无比例阀的交点值增大约10 MPa。这说明比例阀的作用使得汽车的同步附着系数增大, 这样就能保证汽车在更多路面上制动时, 前轴先抱死[6,10]。

　　4.2、制动效率曲线部分

　　本系统会生成一系列其它用于分析制动性能的关系曲线, 以制动效率曲线为例, 在选择了设置比例阀参数的状态下, 本系统产生的制动效率曲线如图8所示。

　　无比例阀作用时的制动效率曲线则如图9所示。

　　在有比例阀的制动效率曲线绘制过程中, 首先判断前、后轴抱死的状况。因为汽车在小于同步附着系数的路面上制动时, 前轴先抱死。根据图6, 调用coe () 、inter_fai_1 () 和inter_fai_2 () 函数得出实际制动液压分配曲线与理想制动液压分配曲线在折点之前和折点之后是否相交以及相交对应的附着系数值。用co MPare () 函数判断实际制动液压分配曲线在理想液压分配曲线之上或之下。当实际制动液压分配曲线在理想液压分配曲线之下时Draw (CDC*p DC) 函数调用eff_f (double fai) 函数获取前轴制动效率关系以绘制曲线;否则, 调用eff_r (double fai) 函数获取后轴制动效率关系以绘制曲线。因为有比例阀的作用使液压分配关系在折点之后改变, 则折点之后的制动效率与附着系数的关系也会改变。因此, 创建snap_fai_ () 函数计算折点对应的附着系数。在折点之前的部分eff_f (double fai) 或eff_r (double fai) 函数调用m_beita变量进行制动效率的计算, 而在折点之后, 调用beita (double fai) 函数计算的制动力分配系数与附着系数的关系进行制动效率的计算。

图8 有比例阀作用时的制动效率曲线

图9 无比例阀作用时的制动效率曲线

　　比较图8、图9在有比例阀的制动效率曲线中, 只能看到前轴制动效率, 这说明制动时在附着系数为0~1范围的路面上始终是前轴先抱死。尽管制动效率没有达到100%, 但也始终处于高效率的水平。这样既能够保证汽车的制动距离, 也能够避免后轴先抱死的危险状况。而无比例阀作用的制动效率曲线在同步附着系数0.81之后为后轴利用效率, 后轴先抱死, 是危险工况。

　　5、结语

　　实践表明, 该软件结构设计合理, 并能较好满足各车型制动系的设计需要。较之同类产品, 该软件不仅可以进行理论计算, 绘制精准图像曲线, 同时通过与其他软件的接口, 可以进行性能仿真, 并且可以计算带有比例阀的制动系统等, 是国内汽车制动器开发软件中功能最为全面的软件之一。本系统平台主要描述带有比例阀的制动器制动性能分析方法, 可以提高设计效率, 缩短设计周期, 降低设计费用, 该平台能够准确迅速的给出有比例阀的制动系统性能分析依据, 弥补了传统制动器智能开发平台功能的不足, 使制动器智能开发平台的应用范围更广泛, 使制动器开发的准确性和效率都有很大程度的提高。

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