0 引 言

随着汽车重大交通事故的频发，汽车制动安全问题越来越成为人们关注的焦点。汽车制动性能的优劣主要与制动效能、制动效能的恒定性、制动时汽车的方向稳定性相关[1]。汽车制动是驾驶员通过制动踏板作用力或力矩在车轮上使其达到减速停车的目的。轮胎作为车身与地面接触的唯一部件，对轮力的测试是汽车制动性能研究必不可少的环节。WFT是专门用于测试轮力数据的重要检测仪器，其研发的先进技术主要掌握在欧美日等工业极为发达国家，包括美国DATRON/MSC/MTS、瑞士Kistler Instrument、德国LBF研究所/CORRSYS研究中心、日本TML等[2-5]。我国也在六分力传感器技术领域投入大量精力，不乏许多知名高校科研所，如东南大学、吉林工业大学、湖南大学、长春汽车研究所、华晨汽车、东风汽车等积极投入研究且取得不错成绩，但由于汽车工业发展整体起步较晚，整个研发测试技术还处于较落后阶段。因此，对六分力测试系统的开发研究十分必要。该系统设计以东南大学研制的轮胎六分力传感器为基础，开发了基于LabVIEW的汽车车轮六分力数据采集与分析系统进行道路试验测试，可精确采集制动工况下汽车驱动轮动态性参数，完成汽车制动性能的研究。

1 测试系统

1.1 测试系统的硬件组成

测试系统主要包括硬件、软件部分设计。其中硬件部分包括WFT、GPS车速传感器、阿尔泰采集箱、试验车、电源、逆变器、笔记本等。软件部分包括前面板和程序框图设计，前面板包含串口的配置部分、信号采集与分析功能部分按钮、历史信号处理与分析部分按钮、曲线窗口显示等部分的合理布局；程序框图设计包括实现信号采集功能、信号的分析处理功能以及数据文件的存储功能等。

该测试系统专门开发用于测量汽车行驶过程中汽车制动性能和动态特性的系统装置，其结构框如图1。

图1 汽车六分力测试系统结构框Fig. 1 Block diagram of vehicle six-component force test system

1.1.1 轮力及运动参数的测量方法

汽车轮力坐标模型是指建立以O为原点的车轮坐标系，并规定各轴向分力和力矩，箭头方向分别代表X，Y，Z各轴的正方向，纵向力为Fx、侧向力为Fy、垂向力为Fz、翻转力矩为Mx、滚动力矩为My、回正力矩为Mz[1]。坐标模型如图2。

图2 汽车轮胎六分力坐标系模型Fig. 2 Model of vehicle tire six-component coordinate system

车轮六分力传感器由随着车轮转动的信号采集模块和不随车轮转动的信号传输模块组成。两者之间通过无线方式进行通讯。内部硬件包括过渡法兰、改制轮辋、弹性元件、弹性体盖板、采集模块、传输模块、圆螺母。传感器弹性体通过一个过渡法兰与轮毂相连，另一侧直接与专用轮辋相连[3]，车轮六分力传感器结构如图3。

图3 车轮六分力传感器总体结构Fig. 3 Overall structure of the wheel six-component force transducer

车轮六分力传感器通过测量弹性体的受力应变实现轮力采集，当中弹性体结构必须考虑安装空间、工作环境以及测量精度等因素。该传感器弹性体采用盘状八梁轮辐式对称结构的合理设计解决了安装和高速运转环境等问题。测量原理为在8个梁的相应位置进行特殊组桥贴片，构成六路惠斯通电桥，实现对三维空间中三维力和三维力矩信息的获取以及六分力测量通道间信号的直接解耦输出[6-8]，同时通过电路组桥的方法对应变片进行温度补偿，克服了温度漂移带来的误差影响。测试时将输出的轮力信号传输至采集箱，再由采集箱将多路传感器信号调理后上传至上位机LabVIEW测试系统。

将采集到的车轮力数据进行处理分析，得出该工况下汽车滑移率、附着系数等制动参数。该道路试验方法较传统台架试验采集数据更为准确、全面，能够动态反应不同工况的车轮力参数，用于对地面附着系数φ、滑移率s等进行计算分析，如式(1)～式(5):

FXbmax=Fφ=Fz.φ

式中：FXbmax为地面对轮胎的最大切向反作用力；Fφ为附着力；Fz为驱动轮法向反作用力；φ为附着系数；s为滑移率；rr0为无制动力时车轮滚动半径；uw为车轮中心速度；Tμ为制动阻力矩；φb为制动附着系数；Fxb为纵向制动力；Fz为垂向力；r为车轮半径。

1.1.2 GPS运动参数的测量方法

GPS定位测速方式是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的地理坐标值位置，再通过相应的计算就能得到需要的参数，其定位方式分为绝对定位(单点定位)和相对定位(差分定位)。单点定位是根据单接收机的观测数据来确定接收机位置，采用伪距观测量，可用于车船等导航定位。差分定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置，采用伪距观测量或用相位观测量，常用于大地测量或工程测量。在汽车道路试验中，利用其单点定位方式即可完成位移、速度、时间等数据测量。试验选用RS232输出模式的GPS传感器，包括脉冲输出和串口输出两种形式，其中数据传输技术参数如表1、表2。