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                        汽車有比例閥的制動器分析系統設計

                        添加時間:2018/06/30
                        汽車制動系統是一個重要的安全保障系統, 在汽車高速行駛的情況下, 一旦發生后軸抱死, 將會造成側滑甩尾等嚴重的危險事故[1]。沒有比例閥, 制動系統的制動液壓分配是定比分配的過程, 對于質量較小的汽車, 尚且可以后軸不抱死或后抱死。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:文章基于Visual C++6.0開發平臺, 設計開發了一套含有比例閥的制動系統性能分析系統, 搭建了傳統制動系統開發的自動化平臺, 設計了友好的用戶界面, 彌補了傳統手工或編程計算的不足, 拓寬了制動器開發系統的使用范圍。

                          關鍵詞:軟件開發; VC++; 制動器; 性能分析平臺;

                          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.

                          汽車制動系統是一個重要的安全保障系統, 在汽車高速行駛的情況下, 一旦發生后軸抱死, 將會造成側滑甩尾等嚴重的危險事故[1]。沒有比例閥, 制動系統的制動液壓分配是定比分配的過程, 對于質量較小的汽車, 尚且可以后軸不抱死或后抱死, 但對于質量較大的汽車, 就很難在不同路面上都使后軸不抱死或后軸后于前軸抱死。為了使制動器盡可能適應多種路面狀況, 則必須加裝比例閥。加裝比例閥后, 制動液壓的分配比會有兩個或兩個以上, 會在適當的時候減小后軸的液壓分配比例, 后制動器制動力的分配比例也隨之減小, 能夠盡可能保證后軸不抱死, 保證制動效率處在較高水平。不同的比例閥對制動液壓分配的影響也不同, 因此為了設計一個性能優良的制動系統, 分析比例閥對制動性能的影響是十分重要的。

                          傳統的制動器智能開發系統, 往往都只注重對于基本制動器的參數進行分析計算, 這就使得傳統制動器智能開發系統的應用范圍和應用價值有所局限。針對這種情況, 本文對制動系統中常用的比例閥作了一定自身結構研究, 以及對比例閥影響制動器效能的情況作了深入理論研究和分析計算。最后, 在全面理解傳統制動器智能開發系統的設計思路之后, 本文以實際液壓分配關系為切入點, 考慮比例閥特性, 并將計算程序耦合在傳統系統開發上, 利用傳統制動器智能開發系統的程序及功能基礎, 完善了其功能。

                          對比于Matlab開發的系統, VC++可生成.exe文件, 不依賴于Matlab或者VC++主體軟件。鑒于VC++6.0開發平臺中MFC應用程序接口所面向對象的設計思路可以大大簡化程序開發的過程, 同時也可以使代碼數量減少等優點, 利用該開發平臺實現了對有比例閥的制動器分析系統的開發[2]。

                          1、前期開發研究

                          1.1、理論研究

                          比例閥會減小后軸液壓分配所占的比例, 從而減小后軸制動力分配所占比例, 即改變制動力分配系數。保持同步附著系數大于路面附著系數, 就能夠滿足前軸先抱死。

                          比例閥的作用主要體現在液壓分配轉折點的液壓值 (簡稱折點液壓) 之后, 折點之前, 制動力分配系數β為一定值, 整個液壓分配系統為線性系統;而折點之后, β為一隨制動液壓而改變的變量, 液壓分配系統為非線性系統。在分析制動強度與利用附著系數關系以及附著系數與制動效率關系的階段, 制動力分配系數是一個關鍵的影響因子。因為在進行上述分析時, 若制動力分配系數β只是一個僅僅與液壓分配有關系的變量, 則還不足以進行相應理論分析, 所以還必須將β與附著系數以及制動強度相關聯。β是制動器制動力之間的關系, 而制動器制動力與制動液壓相關的同時也與地面制動力相關。本文利用在車輪未抱死時, 制動器制動力與地面制動力相等以及制動強度與附著系數相等的關系[3], 結合制動器制動力與液壓分配的關系進行理論分析。得出如下等式

                          式中:fμl、fμ2分別為前、后制動器制動力;m為汽車質量;g為重力加速度;φ為附著系數;z為制動強度;kbf、bbf分別為實際制動力曲線在折點之后的斜率以及在縱坐標軸上的節距。

                          1.2、MFC應用程序設計

                          MFC是微軟的位于Windows API之上的基礎類庫。它秉承了VC面向對象的設計思路, 使用戶方便實現功能。它封裝了程序開發常用的對象, 使用了標準化的接口。然而, MFC應用程序設計的本質仍是Windows程序設計。

                          Windows程序設計的運行原理是主要基于消息的事件驅動方式的程序設計模式, 用戶需要實現某種功能的時候調用操作系統的支持, 然后操作系統將用戶需求打包成消息發送到消息列隊, 應用程序在消息列隊中獲取消息并進行響應。其流程圖如圖1所示。

                        圖1 Window程序設計
                        圖1 Window程序設計

                          2、系統整體研究

                          2.1、系統功能

                          本文主要是論述考慮比例閥模塊的制動系統, 對制動性能影響的分析及計算功能。主要從液壓分配曲線、制動力分配曲線、利用附著系數與制動強度的關系曲線、制動效率曲線以及制動距離曲線幾個方面進行設計。因為該系統在傳統制動器智能開發系統基礎之上開發, 為了節約資源需要實現數據等資源共享。主要設計功能要求如圖2所示。

                          2.2、資源需求

                          參數資源部分由本文設計的系統平臺在傳統制動器智能開發平臺上建立, 需要從基礎系統上獲取整車參數、制動器參數、輪缸參數、真空助力器等制動系統的參數。開發工具部分除了程序開發平臺VC++6.0外, 為了將用戶選擇的參數、計算求得的參數、以及整車參數等相關參數保存, 按照車型進行對比, 本系統還需要使用Access 2000數據庫。

                          2.3、整體思路

                          本開發平臺的基本思路為, 先獲取基礎程序和用戶輸入的參數, 再推導關系繪制曲線, 繼而查詢具體分析數據, 對數據及圖片進行保存。具體思路如圖3所示。

                        圖2 性能分析平臺基本功能
                        圖2 性能分析平臺基本功能

                        圖3 程序功能框架
                        圖3 程序功能框架

                          3、程序開發

                          3.1、利用基礎制動器智能開發系統

                          在利用基礎系統方面, 本系統設置選擇參數的界面, 供用戶選擇基礎系統上的參數, 再將參數傳至全局變量, 由全局變量給新系統變量賦值, 如將制動系統的制動器類型、制動器參數、真空助力器及主缸等的參數選擇傳遞給全局變量供新系統使用。選擇制動器其它參數的界面如圖4所示。

                        圖4 選擇制動器其它參數的界面截圖
                        圖4 選擇制動器其它參數的界面截圖

                          3.2、比例閥參數

                          比例閥的存在直接影響著前、后實際液壓分配關系, 在實際液壓分配曲線上顯示出來為曲線的斜率和折點這2個基本參數。本系統以此著手, 讓用戶直接輸入這2個參數, 然后進行計算繪制出實際液壓分配曲線等性能曲線。

                          3.3、計算關系

                          因為使用本系統的目的是對有比例閥的制動器進行性能計算和分析, 那么在該系統中嵌入相關公式則是必須的環節。

                          在制動強度與利用附著系數的關系中, 在沒有比例閥的制動系統中, 前、后軸利用附著系數與制動強度z的關系為

                        前、后軸利用附著系數與制動強度z的關系

                          式中:φf、φr為前、后利用附著系數;β為制動力分配系數;L為軸距;a為質心到前軸距離;b為質心到后軸距離;hg為質心高度。

                          在沒有裝比例閥的制動系統中, 以上兩式中的制動力分配系數β的值是一定值, 而在裝有比例閥的制動系統中, β值將是隨著液壓的改變而改變的。

                          利用制動力與制動強度的關系, 以及前、后制動力的關系, 可以得出制動力分配系數與制動強度的關系。從而得到利用附著系數與制動強度的關系為

                        利用附著系數與制動強度的關系

                          同樣, 由于在裝有比例閥的制動系統中, β值將是隨著液壓的改變而改變的。在制動效率與附著系數關系中, 得出β值與附著系數的關系, 帶入無比例閥的制動效率與附著系數的關系中即可得到比例閥作用后的制動效率與附著系數關系為

                        制動效率與附著系數關系

                          3.4、數據保存

                          為了將計算得出的數據與曲線圖片保存起來, 本系統采用Access 2000數據庫。在對數據庫進行開發利用方面, 本文采用ADO方式的數據庫操作方法。

                          本系統是在基礎制動器智能開發系統基礎上二次開發而來, 在數據庫方面也要繼承基礎數據庫的基本結構, 要做到為新功能服務而不影響原有功能的正常運行。為此, 本系統采用在原有數據庫中鑲嵌數據表或數據字段, 這種方式不破壞原數據庫的基本結構, 同時, 鑲嵌的數據表和數據字段可為新功能采用, 但不允許脫離基礎數據庫單獨使用, 保證了系統的完整統一性。具體關系如圖5所示。

                        圖5 程序與數據庫的關系
                        圖5 程序與數據庫的關系

                          4、性能曲線

                          在本系統中, 創建On Update () 函數來進行對話框的重繪以及位圖的建立, 而避免直接采用對話框創建時自動重繪窗口的On Paint () 函數。相對獨立的On Update () 函數既能被On Paint () 函數調用, 也能被其它觸發程序調用, 方便進行人工觸發式繪圖。具體繪圖則使用Draw (CDC*p DC) 函數[4,5]、Draw (CDC*p DC) 函數判斷用戶是否選擇了設置比例閥參數, 分別調用不同的繪圖參數, 通過移動智能畫筆類CDC指針, 進行曲線的繪制。

                          4.1、液壓分配曲線部分

                          用戶在進入系統之后, 先選擇制動器基本參數, 然后輸入比例閥對液壓分配關系影響的參數, 繼而本系統生成液壓分配曲線。本系統在增設有比例閥的液壓分配曲線的同時, 保留了基礎系統無比例閥的液壓分配曲線, 用戶可以分別選擇有比例閥或無比例閥兩種模式。當有比例閥作用時的液壓分配曲線如圖6所示。

                        圖6 有比例閥的液壓分配曲線
                        圖6 有比例閥的液壓分配曲線

                          無比例閥作用的液壓分配曲線則如圖7所示。

                          有比例閥的液壓分配曲線繪制過程中, 首先需要獲取界面上折點后的傾角以及折點液壓值等液壓曲線受比例閥影響的參數。根據取得的數據, 創建double型pressure_function (double fp) 函數以計算折點后前、后液壓分配關系。該函數首先將折點傾角轉換為斜率, 再結合折點液壓值建立直線方程。Draw (CDC*p DC) 函數可調用該函數以進行折點后的液壓關系繪圖, 而折點之前的液壓分配關系與無比例閥的液壓分配關系相同。在無比例閥的液壓分配曲線的Draw (CDC*p DC) 函數中則沒有調用pressure_function (double fp) 函數, 因此無比例閥的液壓分配關系曲線是一條斜率一定的直線, 而有比例閥的液壓分配關系曲線在折點液壓之前的斜率與無比例閥的液壓分配關系曲線斜率相同, 折點液壓之后的斜率為另一值。

                        圖7 無比例閥的液壓分配曲線
                        圖7 無比例閥的液壓分配曲線

                          比較圖6、圖7, 可以看到有比例閥的液壓分配曲線在折點液壓為8.7 MPa以后沿與橫坐標正向成10°的方向延伸, 比折點液壓之前的曲線斜率更小[6-9]。無比例閥的實際液壓分配曲線與理想液壓分配曲線的交點為12.1 MPa, 而有比例閥的該交點大約為22 MPa, 比無比例閥的交點值增大約10 MPa。這說明比例閥的作用使得汽車的同步附著系數增大, 這樣就能保證汽車在更多路面上制動時, 前軸先抱死[6,10]。

                          4.2、制動效率曲線部分

                          本系統會生成一系列其它用于分析制動性能的關系曲線, 以制動效率曲線為例, 在選擇了設置比例閥參數的狀態下, 本系統產生的制動效率曲線如圖8所示。

                          無比例閥作用時的制動效率曲線則如圖9所示。

                          在有比例閥的制動效率曲線繪制過程中, 首先判斷前、后軸抱死的狀況。因為汽車在小于同步附著系數的路面上制動時, 前軸先抱死。根據圖6, 調用coe () 、inter_fai_1 () 和inter_fai_2 () 函數得出實際制動液壓分配曲線與理想制動液壓分配曲線在折點之前和折點之后是否相交以及相交對應的附著系數值。用co MPare () 函數判斷實際制動液壓分配曲線在理想液壓分配曲線之上或之下。當實際制動液壓分配曲線在理想液壓分配曲線之下時Draw (CDC*p DC) 函數調用eff_f (double fai) 函數獲取前軸制動效率關系以繪制曲線;否則, 調用eff_r (double fai) 函數獲取后軸制動效率關系以繪制曲線。因為有比例閥的作用使液壓分配關系在折點之后改變, 則折點之后的制動效率與附著系數的關系也會改變。因此, 創建snap_fai_ () 函數計算折點對應的附著系數。在折點之前的部分eff_f (double fai) 或eff_r (double fai) 函數調用m_beita變量進行制動效率的計算, 而在折點之后, 調用beita (double fai) 函數計算的制動力分配系數與附著系數的關系進行制動效率的計算。

                        圖8 有比例閥作用時的制動效率曲線
                        圖8 有比例閥作用時的制動效率曲線

                        圖9 無比例閥作用時的制動效率曲線
                        圖9 無比例閥作用時的制動效率曲線

                          比較圖8、圖9在有比例閥的制動效率曲線中, 只能看到前軸制動效率, 這說明制動時在附著系數為0~1范圍的路面上始終是前軸先抱死。盡管制動效率沒有達到100%, 但也始終處于高效率的水平。這樣既能夠保證汽車的制動距離, 也能夠避免后軸先抱死的危險狀況。而無比例閥作用的制動效率曲線在同步附著系數0.81之后為后軸利用效率, 后軸先抱死, 是危險工況。

                          5、結語

                          實踐表明, 該軟件結構設計合理, 并能較好滿足各車型制動系的設計需要。較之同類產品, 該軟件不僅可以進行理論計算, 繪制精準圖像曲線, 同時通過與其他軟件的接口, 可以進行性能仿真, 并且可以計算帶有比例閥的制動系統等, 是國內汽車制動器開發軟件中功能最為全面的軟件之一。本系統平臺主要描述帶有比例閥的制動器制動性能分析方法, 可以提高設計效率, 縮短設計周期, 降低設計費用, 該平臺能夠準確迅速的給出有比例閥的制動系統性能分析依據, 彌補了傳統制動器智能開發平臺功能的不足, 使制動器智能開發平臺的應用范圍更廣泛, 使制動器開發的準確性和效率都有很大程度的提高。

                          參考文獻
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