两轴汽车行车制动系Ⅰ型制动性能热衰退虚拟试验方法

摘要

本发明公开了一种两轴汽车行车制动系I型制动性能热衰退虚拟试验方法，包括步骤：一、确定被测试制动器摩擦系数-温度间的函数关系μ＝f(T)：通过建立三维几何模型及三维热-机耦合有限元模型，对所建立三维热-机耦合有限元模型进行耦合温度场仿真分析得出；二、根据I型制动性能热衰退试验方法对被测试两轴汽车两轴汽车制动系统进行重复制动温升及各轴制动器摩擦性能虚拟测试；三、采用I型制动性能热衰退试验方法对被测试两轴汽车重复制动之后的热衰退制动效能进行虚拟测试。本发明设计合理、投资成本低、模拟效果好且操作简便，能解决现有I型制动性能热衰退虚拟系统及方法存在的成本高、模拟性较差、试验方法复杂、试验周期长等缺陷。

主权项

1.一种两轴汽车行车制动系I型制动性能热衰退虚拟试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、确定被测试两轴汽车制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)，被测试制动器为鼓式制动器或盘式制动器，其确定过程如下：101、建立三维几何模型：根据被测试制动器的装配结构，利用CAD软件建立被测试制动器的三维几何模型；102、建立三维热-机耦合有限元模型，其建模过程如下：1021、将步骤101中所述三维几何模型导入多场耦合分析软件中；1022、在多场耦合分析软件环境下，选定分析单元并以所选定的分析单元对所述三维几何模型进行网格划分，所选定的分析单元包括被测试制动器的三维实体结构单元、摩擦接触单元和对流辐射单元三种类型单元；1023、输入根据工程材料手册所查询出的或者通过常规材料性能测试试验所测得的被测试制动器的材料物性参数，选择一种收敛快速的摩擦接触算法，同时选定摩擦系数-温度模型，最终建立三维热-机耦合有限元模型，所述摩擦系数-温度模型为被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)，式中μ为被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数，T为被测试制动器制动摩擦副的摩擦接触面温度；所述材料物性参数包括被测试制动器制动摩擦副所采用材料的弹性模量、密度、导热系数、比热容、热膨胀系数和泊松比；103、对所建立的三维热-机耦合有限元模型进行耦合温度场仿真分析，在被测试制动器制动摩擦副上选定一个或多个测试点，将对所述三维热-机耦合有限元模型在各测试点上的温度场仿真结果与采用常规制动器温升试验方法对各测试点上所测试的温度测试结果进行比较，从而对步骤1023中所述函数关系μ＝f(T)进行验证，实现对函数关系μ＝f(T)中的系数进行准确辨识，最终得出被测试制动器制动摩擦副的摩擦系数-温度之间的函数关系μ＝f(T)；步骤二、利用运算处理器且根据I型制动性能热衰退试验方法对被测试两轴汽车各轴制动器的温升及摩擦性能进行虚拟测试，其测试过程包括以下步骤：201、初始参数设定、计算与存储：根据汽车I型制动性能热衰退试验方法规定的进行重复制动的试验工况，确定对被测试制动器进行虚拟试验的试验参数，包括被测试制动器所处车辆的初始速度V₀且此时V₀＝常量v、汽车制动减速度a₀、被测试制动器的初始温度T₀、循环制动次数和制动周期，并且根据所确定的循环制动次数和制动周期对总循环次数m和循环周期t进行设定；之后，调用参数设置单元输入所述试验参数和汽车及制动器的结构参数，同时根据测试精度及效率需求设定时间步长Δt，并计算出每一次循环制动过程的时间总步数k＝t/Δt，且将所输入的V₀、a₀、m、t、Δt、k和T₀均同步存入存储单元内；同时调用参数计算单元并根据公式计算得出被测试制动器中旋转部件的初始角速度ω₀，并将初始角速度ω₀分别转存为ω_f和ω_r后同步存入存储单元内；被测试制动器所处车辆为两轴汽车，则所述被测试制动器包括对两轴汽车的前轮进行制动的前轴制动器和对两轴汽车的后轮进行制动的后轴制动器；所述旋转部件为所述鼓式制动器的制动鼓或盘式制动器的制动盘；202、建模：所述运算处理器根据汽车五自由度制动动力学方程组：$\left\{\begin{array}{c}\Sigma F_X=-2(F_{\mathrm{fb}}+F_{\mathrm{rb}})-F_e=-M{a}_X\\ \Sigma F_Z=2(F_{\mathrm{fk}}+F_{\mathrm{fd}}+F_{\mathrm{rk}}+F_{\mathrm{rd}})=M_s{a}_{\mathrm{sZ}}\\ \Sigma M_Y=-2(F_{\mathrm{fk}}+F_{\mathrm{fd}})·a+2(F_{\mathrm{rk}}+F_{\mathrm{rd}})·b=I_s{ϵ}_{\mathrm{sY}}\\ \Sigma M_{\mathrm{wf}}=M_{\mathrm{bf}}-F_{\mathrm{fb}}·r=I_{\mathrm{wf}}{ϵ}_{\mathrm{wf}}\\ \Sigma M_{\mathrm{wr}}=M_{\mathrm{br}}+\frac{1}{2}{F}_e·r-F_{\mathrm{fb}}·r=I_{\mathrm{wr}}{ϵ}_{\mathrm{wr}}\end{array}\right.$建立被测试制动器所处两轴汽车的动力学模型，所述两轴汽车的前轮和后轮的半径相同，式中∑F_X、∑F_Z、∑M_Y、∑M_wf和∑M_wr分别为汽车纵向合力、悬挂质量垂向合力、悬挂质量俯仰合力矩、前轮合力矩和后轮合力矩；F_fb和F_rb为根据轮胎模型、滑移率和车轮载荷计算出来的汽车前、后轮纵向地面作用力；F_e、F_fk、F_fd、F_rk、F_rd、M_bf和M_br分别为发动机制动力、前悬架弹性元件作用力、前悬架阻尼元件作用力、后悬架弹性元件作用力、后悬架阻尼元件作用力、前轴制动器输出力矩和后轴制动器输出力矩，且上述变量均为在预先设置初始值的基础上根据制动动力学方程组动态解算；M、M_s、I_s、I_wf和I_wr分别为汽车质量、悬挂质量、悬挂质量绕质心转动惯量、前轮转动惯量和后轮转动惯量且在步骤201中进行设定；a、b和r分别为汽车质心到前轴距离、质心到后轴距离和车轮的滚动半径且在步骤201中进行设定；a_X、a_sZ、ε_sY、ε_wf和ε_wr分别为汽车纵向加速度、悬挂质量垂向加速度、悬挂质量俯仰角加速度、前轮角加速度和后轮角加速度，且上述变量根据制动动力学方程组动态解算；建立所述两轴汽车动力学模型的同时，将上述参数分别对应存入存储单元内，且此时${ϵ}_{\mathrm{wf}}={ϵ}_{\mathrm{wr}}=\frac{a_0}{r},$${\omega }_f={\omega }_r=\frac{V_0}{3.6r};$203、被测试两轴汽车制动热衰退循环过程中持续制动时制动器的管路压力值确定，其确定过程如下：2031、调用管路压力值确定模块进行第一个时间步长Δt内制动器管路压力值的确定，其确定过程如下：20311、先按照管路压力非线性递增规律确定前轴制动器和后轴制动器的管路压力递增量Δp_f和Δp_r，再根据公式p_if＝p_0f+Δp_f和p_ir＝p_0r+Δp_r，计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的管路压力p_if和p_ir，并将p_if和p_ir分别转存为p_f和p_r，对存储单元内的管路压力参数进行实时更新，其中p_0f和p_0r为被测试两轴汽车前轴制动器和后轴制动器的推出压耗；20312、根据步骤20311中计算得出的p_f和p_r，计算得出前轴制动器和后轴制动器的输出力矩M_bf和M_br，并对存储单元内的输出力矩参数进行实时更新；20313、结合步骤202中所述的发动机制动力F_e以及汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb，并根据公式∑M_wf＝M_bf-F_fb·r＝I_wfε_wf和计算得出被测试两轴汽车前后轮的角减速度ε_wf和ε_wr，并对存储单元内的角减速度参数进行实时更新；20314、调用角速度计算模块且根据公式ω_if＝ω_f-ε_wf×Δt和ω_ir＝ω_r-ε_wr×Δt，计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir，并转存为ω_f和ω_r以对存储单元内的角速度参数进行实时更新；20315、根据公式∑F_X＝-2(F_fb+F_rb)-F_e＝-Ma_X，计算得出此时间步长Δt结束时被测试两轴汽车的减速度a_X；再根据公式V_i0＝V₀-a_X·Δt计算得出此时间步长Δt结束时被测试两轴汽车的车速V_i0并转存为V₀，以对存储单元内的车速参数进行实时更新；20316、结合ω_f、ω_r和V₀，并根据公式和计算得出前轮和后轮的滑移率s_if和s_ir，并分别转存为s_f和s_r以对存储单元内的滑移率参数进行实时更新；20317、根据轮胎模型且结合s_f和s_r，计算得出此时间步长Δt结束时汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb并同步存入存储单元内，且相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20318、根据车速V₀并结合经常规试验测试得出的发动机制动力F_e与车速V₀之间的函数关系，计算得出此时间步长Δt结束时发动机制动力F_e并同步存入存储单元内，并相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20319、判断|a_X-3|是否小于δ，其中δ＝0.01～0.001：当|a_X-3|＜δ时，将步骤20311中计算得出的p_f和p_r输出并另存为p_mf和p_mr，并将p_mf和p_mr作为制动热衰退循环过程中持续制动时前轴和后轴制动器的管路压力值，进入步骤204；否则，进入步骤2032；2032、调用管路压力值确定模块进行下一时间步长Δt内制动器管路压力值的确定，其确定过程如下：20321、先按照管路压力非线性递增规律确定前轴制动器和后轴制动器的管路压力递增量Δp_f和Δp_r，再根据公式p_if＝p_f+Δp_f和p_ir＝p_r+Δp_r，计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的管路压力p_if和p_ir，并将p_if和p_ir分别转存为p_f和p_r，以对存储单元内的管路压力参数进行实时更新；20322、再根据步骤20321中计算得出的p_f和p_r，计算得出前轴制动器和后轴制动器的输出力矩M_bf和M_br，并对存储单元内的输出力矩参数进行实时更新；20323、结合步骤202中所述的发动机制动力F_e以及汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb，并根据公式∑M_wf＝M_bf-F_fb·r＝I_wfε_wf和计算得出被测试两轴汽车前后轮的角减速度ε_wf和ε_wr，并对存储单元内的角减速度参数进行实时更新；20324、调用角速度计算模块且根据公式ω_if＝ω_f-ε_wf×Δt和ω_ir＝ω_r-ε_wr×Δt，计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir，并转存为ω_f和ω_r以对存储单元内的角速度参数进行实时更新；20325、根据公式∑F_X＝-2(F_fb+F_rb)-F_e＝-Ma_X，计算得出此时间步长Δt结束时被测试两轴汽车的减速度a_X；再根据公式V_i0＝V₀-a_X·Δt计算得出此时间步长Δt结束时被测试两轴汽车的车速V_i0并转存为V₀，以对存储单元内的车速参数进行实时更新；20326、结合ω_f、ω_r和V₀，并根据公式和计算得出前轮和后轮的滑移率s_if和s_ir，并分别转存为s_f和s_r，以对存储单元内的滑移率参数进行实时更新；20327、根据轮胎模型且结合s_f和s_r计算得出此时间步长Δt结束时汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb并同步存入存储单元内，并相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20328、根据车速V₀并结合经常规试验测试得出的发动机制动力F_e与车速V₀之间的函数关系，计算得出此时间步长Δt结束时发动机制动力F_e并同步存入存储单元内，并相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20329、判断|a_X-3|是否小于δ，式中δ＝0.01～0.001：当|a_X-3|＜δ时，将步骤20321中计算得出的p_f和p_r输出并另存为p_mf和p_mr，并将p_mf和p_mr作为制动热衰退循环过程中持续制动时前轴和后轴制动器的管路压力值；否则，返回步骤20321；204、循环制动：按照步骤201所设定的参数与步骤202中所建立的两轴汽车的动力学模型，在保持前轴制动器和后轴制动器的最大管路压力p_f＝p_mf且p_r＝p_mr的前提下，分m次分别对所述前轴制动器与后轴制动器的制动热衰退过程进行循环虚拟测试，其循环虚拟测试的测试过程如下：2041、调用循环测试模块进行制动热衰退试验过程中第一个时间步长Δt内的试验，其试验过程如下：20411、按照步骤20311至步骤20318，分别计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir、汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb以及发动机制动力F_e，并将前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir分别转存为ω_f和ω_r后，相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20412、制动器温升计算，调用制动器温升计算模块对此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)分别进行计算，其计算过程如下：20412a、根据公式p_bf＝M_bfω_f和p_br＝M_brω_r，计算出此时间步长Δt内的前轴制动器和和后轴制动器的吸收制动功率p_bf和p_br，并将此时所求得的前轴制动器和后轴制动器的吸收制动功率p_bf和p_br同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的吸收制动功率参数进行实时更新；20412b、根据温度变化微分方程P_bf×dt-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)和P_br×dt-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，分别求解出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，并将此时所求得的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度参数进行实时更新；式中，h为前轴制动器或后轴制动器的对流换热系数，m为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件的质量，c为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件所采用材料的比热，T_E为环境温度；20413、热衰退摩擦性能计算：调用热衰退摩擦性能计算单元，根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20412b中计算出来的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，相应分别计算出前轴制动器和后轴制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ_f和μ_r并相应存入存储单元内；20414、调用所述参数计算单元，且根据制动器效能因数的常规计算方法且结合步骤20413中计算得出的热态摩擦系数μ_f和μ_r，计算得出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的效能因数BF_f和BF_r；再根据制动器输出力矩的常规计算方法，且结合此时所计算出来的效能因数BF_f和BF_r与前轴制动器管路压力p_f和后轴制动器管路压力p_r，相应推算得出此时间步长Δt结束时，前轴制动器和后轴制动器的输出力矩M_bf和M_br，并将所计算出来的效能因数BF_f和BF_r以及输出力矩M_bf和M_br同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的制动器效能因数和输出力矩参数进行实时更新；同时，相应对步骤202中所建立的两轴汽车动力学模型进行实时更新；20415、利用步骤20414中实时更新后的两轴汽车动力学模型，且根据公式∑M_wf＝M_bf-F_fb·r＝I_wfε_wf，调用参数计算单元计算得出此时间步长Δt结束时的前轮角加速度ε_wf和后轮角加速度ε_wr，并将此时所计算出来的前轮角加速度ε_wf和后轮角加速度ε_wr同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的前轮角加速度参数和后轮角加速度参数进行实时更新；2042、调用循环测试模块进行制动测试过程中下一时间步长Δt内的测试，其测试过程如下：20421、按照步骤20321至步骤20328，分别计算得出此时间步长Δt结束时前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir、汽车前、后轮纵向地面作用力F_fb和F_rb以及发动机制动力F_e，并将前轴制动器和后轴制动器的角速度ω_if和ω_ir转存为ω_f和ω_r，并相应对步骤202中所建立的动力学模型进行实时更新；20422、制动器温升计算，调用制动器温升计算模块对此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)分别进行计算，其计算过程如下：20422a、根据公式p_bf＝M_bfω_f和p_br＝M_brω_r，计算出此时间步长Δt内的前轴制动器和和后轴制动器的吸收制动功率p_bf和p_br，并将此时所求得的前轴制动器和后轴制动器的吸收制动功率p_bf和p_br同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的吸收制动功率参数进行实时更新；20422b、根据温度变化微分方程P_bf×dt-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)和P_br×dt-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，分别求解出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，并将此时所求得的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度参数进行实时更新；式中，h为前轴制动器或后轴制动器的对流换热系数，m为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件的质量，c为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件所采用材料的比热，T_E为环境温度；20423、热衰退摩擦性能计算：调用热衰退摩擦性能计算单元，根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20422b中计算出来的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，相应分别计算出前轴制动器和后轴制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ_f和μ_r并相应存入存储单元内；20424、调用所述参数计算单元，且根据制动器效能因数的常规计算方法且结合步骤20423中计算得出的热态摩擦系数μ_f和μ_r，计算得出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的效能因数BF_f和BF_r；再根据制动器输出力矩的常规计算方法，且结合此时所计算出来的效能因数BF_f和BF_r与前轴制动器管路压力p_f和后轴制动器管路压力p_r，相应推算得出此时间步长Δt结束时，前轴制动器和后轴制动器的输出力矩M_bf和M_br，并将所计算出来的效能因数BF_f和BF_r以及输出力矩M_bf和M_br同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的制动器效能因数和输出力矩参数进行实时更新；同时，相应对步骤202中所建立的两轴汽车动力学模型进行实时更新；20425、利用步骤20424中实时更新后的两轴汽车动力学模型，且根据公式∑M_wf＝M_bf-F_fb·r＝I_wfε_wf，调用参数计算单元计算得出此时间步长Δt结束时的前轮角加速度ε_wf和后轮角加速度ε_wr，并将此时所计算出来的前轮角加速度ε_wf和后轮角加速度ε_wr同步存入所述存储单元内，对所述存储单元内的前轮角加速度参数和后轮角加速度参数进行实时更新；20426、本时间步长Δt结束时，对当前所述存储单元内更新后的被测试两轴汽车的车速V₀进行判断：当时，返回步骤2042，继续进行制动试验过程中的下一时间步长Δt内的试验测试，如此不断循环；当时，说明已经完成本次热衰退试验虚拟测试过程中的制动试验过程，则进入步骤2043，此时本次热衰退试验中制动试验过程所用时间步数为n₁；2043、制动器提速散热阶段的制动器温度计算，其计算过程如下：20431、调用制动器提速散热模块进行循环提速散热计算过程中第一个时间步长Δt内的计算，其计算过程如下：20431a、根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新，式中T_E为环境温度，h为前轴制动器或后轴制动器的对流换热系数，m_bf为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件的质量，c为前轴制动器或后轴制动器的旋转部件所采用材料的比热；20431b、提速散热摩擦性能计算：根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20431a中计算出来的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，计算出前轴制动器和后轴制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ_f和μ_r，并相应存入存储单元内；20432、调用制动器提速散热模块进行循环提速散热计算过程中下一个时间步长Δt内的计算，其计算过程如下：20432a、根据公式-h×A[T(t)-T_E]dt＝m×c×dT(t)，求解出此时间步长Δt内前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)并同步存入所述存储单元内，且对所述存储单元内的温度参数进行实时更新；20432b、提速散热摩擦性能计算：根据步骤103中验证的函数关系μ＝f(T)且结合步骤20432a中计算出来的前轴制动器和后轴制动器的瞬时动态温度T(t)，计算出前轴制动器和后轴制动器在此时间步长Δt内的热态摩擦系数μ_f和μ_r，并相应存入存储单元内；20433、返回步骤20432，继续进行循环提速散热计算过程中下一个时间步长Δt的计算，不断重复且经m₁＝(t-n₁×Δt)/Δt个时间步长计算后进入步骤2044，且本次热衰退试验中提速散热计算过程所用时间步数为m₁；2044、重复步骤2041至步骤2043，直至完成m次热衰退性能循环虚拟测试，则完成所述被测试两轴汽车前轴制动器和后轴制动器的温升及摩擦性能虚拟测试过程；步骤二进行虚拟测试过程中，通过与所述运算处理器相接的显示器输出所述存储单元内所存储的所有计算数据进行同步显示，此时被测试两轴汽车各轴制动器的温升及摩擦性能虚拟测试过程结束。