基于MATLAB/GUI的制动系统设计与评价软件开发

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

摘要 基于MATLAB/GUI开发了汽车制动系统设计与性能评价软件。软件分为4大模块：有比例阀（比例分配阀、差压比例阀、感载比例阀、加速度比例阀）汽车制动系统匹配计算与分析；无比例阀汽车制动系统匹配计算与分析；基于踏板力计算分析评价汽车制动稳定性；ECE制动法规要求以及曲线。以某轻型货车为例，进行了模拟计算并与Carsim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。

主题词 MATLAB 制动系统 软件 开发

1 前言

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，因此汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。传统的汽车制动系统设计计算主要是依靠设计者的经验知识，计算项目多，当只改变一个参数时也必须对很多项目重新进行计算，加上计算中可能出现的错误引起计算次数增多，因此造成制动系统的设计计算量非常大。利用计算机开发软件进行制动系统设计，可以提高设计效率，缩短开发时间。已有的汽车制动系统设计软件大多是运用VC或VB为语言基础编写的，且不包含对制动性能的评价。本文运用GUI ，基于MATLAB的界面设计，使得界面更加友好、功能强大、开放性强。GUI可以与SIMULINK方便地进行互相调用，使模型仿真与人机界面进行结合，有利于结果分析。本文所开发软件不但可以进行制动系统的设计分析和制动性能的评价，还可以在软件的制动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。

2 软件的基本功能

本软件分为4大模块：有比例阀（比例分配阀、差压比例阀、感载比例阀、加速度比例阀）汽车制动系统匹配计算与分析；无比例阀汽车制动系统匹配计算与分析；基于踏板力计算分析评价汽车制动稳定性；ECE制动法规要求及曲线。每个模块都可以独立运行，很好地解决了较大型软件运行时内存覆盖的程序管理问题，使每一模块都能充分利用微机的全部内存，有效地提高了程序的运行速度。

3 软件的输入输出端口

软件需要输入的数据主要有4部分：整车参数、比例阀参数、制动系参数、制动强度。软件的输出有3种形式：数字、图形、信息对话框。数字输出可以对每个不同制动强度下的相关量作输出，进而可对不同制动强度下的车辆性能变化进行仔细了解；图形输出可以对性能有全貌和形象的理解，使输出结果更加直观，如结合ECER13制动法规界限，以曲线形式评定汽车空满载工况下的制动性能；信息对话框输出可以给用户提供参考信息，解释概念，分析结果，帮助用户分析车辆制动性能等。

4 制动性能分析评价

本文通过对某轻型货车进行模拟计算，证明该软件的可靠性与实用性。该轻型货车制动系统设计流程如图1所示。

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1～表3所列。

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指标来评价车辆制动性能，评价的第一步是对各相关量进行计算。不同压力调节阀的制动性能分析计算方法的主要区别是：实际前、后制动力调节时会有不同的比例，出现不同的折点，比例阀实际制动力分配线由两部分组成；差压比例阀由3部分组成；感载比例阀有3个折点；加速度比例阀则有4个折点。上述不同点在回调函数中根据比例阀参数用循环语句实现，计算时根据制动强度数值确定实际制动力的分配。

根据整车参数和比例阀参数计算空载与满载前后轴轴荷、地面制动力、利用附着系数以及附着系数利用率。通过这些计算值作图分析比较，判断是否符合：前轮地面制动力曲线在后轮地面制动力曲线之上，满载地面制动力曲线在空载地面制动力曲线之上；前轴轴荷随着制动强度的增大而增大，后轴轴荷反之；空载轴荷小于满载轴荷。从图2和图3可得，该车各值符合上述规定。

4.4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标，直接关系着行车安全。制动方向稳定性与前、后轮抱死次序有关，而抱死次序与质心位置有关，若质心位置保证汽车的同步附着系数等于汽车常用路面附着系数，则制动稳定性较好；若质心前移，易发生后轴侧滑，高速时危险性大；若质心后移，前轮易丧失转向能力。

由前、后轮抱死所需踏板力大小可以判断车辆前后轮抱死次序，如果后轮抱死所需踏板力小于前轮抱死所需踏板力，制动时后轮会先抱死，易发生后轴侧滑、甩尾甚至重大事故。本文通过满载时整车参数、比例阀参数、助力器参数（表4）、路面附着系数来计算车轮抱死所需制动踏板力，以判断车辆的制动稳定性。

对该车在不同附着系数路面上的制动稳定性进行了模拟计算，踏板力计算结果见表5所列，分析计算结果，可得出如下结论。

a．在附着系数小于等于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板力，即制动时后轮比前轮先抱死。此时会提示用户修改参数：减少前轴静载荷（质心后移），重新进行设计，可以避免后轮先抱死。

b．在附着系数大于0.3的路面上，该车不会出现后轮先抱死的情况，属于稳定工况。

4.5 Carsim仿真验证

Carsim在车辆动力学方面具有强大优势，其仿真结果准确、可靠。本文建立了前述轻型货车Carsim模型，并选择以下工况进行仿真：初始车速为80km/h，主缸压力为8MPa，分别在高、低各种附着系数的路面上进行制动，仿真结果如图5和图6所示。

图5为车辆在附着系数小于0.3路面上的滑移率曲线，从图5中可得，前、后轮的滑移率都达到了－1，且后轮滑移率比前轮先达到－1，这表明后轮比前轮先发生抱死，与本文软件计算结果一致。

图6为车辆在附着系数大于0.3的路面上制动的滑移率曲线，图中前、后车轮滑移率在0～－0.1范围内，说明前、后轮制动时都不会抱死，与本文软件计算结果一致。

5 结束语

利用Matlab语言编制了汽车制动系统设计与评价软件，利用该软件对某轻型货车进行了仿真，通过对该车各项制动性能指标进行模拟计算，并与Carsim仿真结果对比，证明了该软件的可靠性和实用性。