CN101109695A

CN101109695A - 连续式路面摩擦系数测试方法

Info

Publication number: CN101109695A
Application number: CNA2007100185915A
Authority: CN
Inventors: 张启明; 田见校; 马建; 王雨臣; 陈德迎; 范陆军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2008-01-23

Abstract

本发明公开了一种连续式路面摩擦系数测试方法，包括如下步骤：检测轮速信号，获取车轮的滑移率；ECU控制单元根据计算得出的滑移率数值控制调节制动力调控单元，将车轮的滑移率调至100％或控制在15％－25％的范围内；ECU控制单元对传入的检测得到的车轮与地面之间的制动力与法向力进行同步谐调处理，计算得出对应的道路滑动摩擦系数或道路峰值摩擦系数；上述各步骤中，ECU控制单元同时将测得的数据即时传给上位机进行显示、保存及处理。本测试方法操作步骤简便，安全、高效、准确，在测量道路滑动摩擦系数的同时，也能测量对应于ABS***工作范围中的峰值附着系数的道路峰值摩擦系数，且能够实现摩擦系数的高速连续式检测。

Description

连续式路面摩擦系数测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，尤其是涉及一种测试路面摩擦系数、考核路面抗滑性能的连续式路面摩擦系数测试方法。

背景技术

目前，我国在路面纵向抗滑能力测试方面主要采用的是摆式摩擦系数仪。摆式摩擦系数仪作为传统的公路检测仪器，其采用摆捶的势能与路面在一定条件下接触瞬间所产生的摩擦阻力来度量摩擦系数，长期以来在公路建设和养护方面发挥了较大的作用。但随着我国公路交通事业的迅猛发展，高级公路里程的迅速增长，传统的摆式摩擦系数仪已经越来越不适应我国高速公路建设的需要。一方面该测试仪所采用的摩擦系数测试方法是静态单点抽样检测，需要多人在道路上进行试验作业，存在较大的安全隐患，同时检测速度缓慢，对交通的影响也较大；另一方面该类测试不能很好地反映路面的宏观纹理构造对摩擦系数的影响，而同时宏观纹理构造是高速公路影响路面抗滑能力好坏的决定因素；另外，在测试过程中需要大量的人为操作，效率低，误差来源多，可重复性差，数值往往有较大的误差，其测试效率、检测频率和可靠性均无法满足高等级公路管理、养护的现实需要。

在2006年7月12日公告的实用新型专利CN2795847Y中披露了一种智能摆式摩擦系数测定仪，该实用新型对传统的摆式摩擦系数测定仪作了较大改进。在该实用新型中，提出采用光电编码器测定摆动角度，并采用单片机进行数据采集处理的一套相应的摩擦系数测试方法，其误差小、测量的准确度高、重复性好，克服传统的摆式摩擦系数测定仪的一些不足。但是其终究是一种摆式摩擦系数测试仪，随着近年人们对汽车动力学、轮胎力学、车轮与道路相互作用的深入研究，人们已经认识到，摆式摩擦系数仪的测量方法不足以反映轮胎和道路间的摩擦作用。

尤其当汽车制动防暴死装置ABS***已经成为汽车的标准配置时，该问题显得尤为突出。当前迫切需要一种安全、高效、准确、能客观地反映路面与车轮附着性能的道路摩擦系数测试方法，能克服上述现有技术中存在的缺陷及不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种连续式路面摩擦系数测试方法，该测试方法操作步骤简便，安全、高效、准确，而且能够实现摩擦系数的高速连续式检测。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种连续式路面摩擦系数测试方法，包括如下步骤：

(a)检测轮速信号，获取车轮的滑移率S：将检测获得的测试轮6与辅助轮7的两路轮速信号传入ECU控制单元4，计算得出车轮的滑移率S；

(b)控制调节制动力调控单元3，将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内：ECU控制单元4根据计算得出的滑移率数值，对制动力调控单元3发出相应控制指令，相应地不断控制调节施加在测试轮6上的制动力，从而将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内；

(c)检测车轮与地面之间的制动力与法向力，获取对应的道路摩擦系数φ：将ECU控制单元4对传入的两路检测获得信号进行同步谐调处理，并计算得出对应的道路滑动摩擦系数φs或道路峰值摩擦系数φp；

上述各步骤中，ECU控制单元4同时将测得的数据即时传给上位机5进行显示、保存及处理。

所述步骤(a)中将所测得的测试轮6的轮速信号数值V_R与辅助轮7的轮速信号数值V_F，带入公式S＝(V_F-V_R)/V_F×100％，即可计算得出车轮的滑移率S。而ECU控制单元4根据输入的两路轮速信号，对测试轮的运动状态进行监测和判定，并采用逻辑门限法经过内部计算得出车轮的滑移率S。

所述步骤b中控制调节制动力调控单3将车轮的滑移率S调至100％，当S＜100％时，持续控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐增大至100％；测试完后立即减小测试轮6的制动力。

所述控制调节制动力调控单元3将滑移率S控制在15％-25％范围内，当S＜15％时，控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐增大；当S＞25％时，控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐减小。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤d中，车轮轮胎与路面之间的制动力，采用制动力传感器或扭矩传感器进行检测。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述步骤d中，车轮轮胎与路面之间的法向力，采用法向力传感器或加速度传感器进行检测。

综上所述，采用本发明一种连续式路面摩擦系数测试方法，具有以下优点：1、该方法操作步骤简单、方便而且测量过程中安全系数高，能够有效保证操作人员、检测设备和其他车辆行驶的安全性。2、测量准确度高，测得数据的真实性、有效性、精确性高，可重复性好，具有较高的测试效率、检测频率和可靠性。3、该测试方法能够较好地反映路面的宏观纹理构造对摩擦系数的影响，真正客观反映实际车辆行驶过程中车轮与道路的相互作用情况；尤其针对汽车ABS的大量使用，在测量道路滑动摩擦系数的同时，也能测量对应于ABS***工作范围中的峰值附着系数的道路峰值摩擦系数。4、能够提高测试效率和测试速度，实现摩擦系数的高速连续式检测。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是连续式摩擦系数测试装置的整体结构示意图。

图2是本发明优选实施方式的整体测试控制流程图。

图3是不同路面上车轮滑移率与纵向附着系数间关系的对照图。

图4是滑移率控制与附着系数间的关系示意图。

附图标记说明：

1-轮速检测单元； 2-力检测单元； 3-制动力调控单元；

4-ECU控制单元； 5-上位机； 6-测试轮；

7-辅助轮； 8-干混凝土； 9-干沥青；

10-湿沥青； 11-雪地； 12-冰地；

具体实施方式

如图1所示，连续式摩擦系数测试装置由轮速检测单元1、力检测单元2、制动力调控单元3、ECU控制单元4以及上位机5五部分组成。

如图2所示，所述的连续式路面摩擦系数测试方法包括如下步骤：

第一步、检测轮速信号，获取车轮的滑移率S：将轮速传感器检测获得的测试轮6与辅助轮7的两路轮速信号传入ECU控制单元4，计算得出车轮的滑移率S。

根据汽车动力学及轮胎力学的研究成果，道路摩擦系数φ(即车轮附着系数)随车轮滑移率S的变化而变化。在图3中提供了在干混凝土8、干沥青9、湿沥青10、雪地11以及冰地12五种不同的路面上车轮滑移率与纵向附着系数间关系的对照图。如图3所示，在不同的路面上，车轮附着系数随车轮滑移率的变化而呈一定的规律变化。车轮滑移率是指车轮在制动过程中滑移成份在车轮纵向运动中所占的比例，用“S”表示。则其定义表达式为S＝(V_F-V_R)/V_F×100％，其中S为制动时车轮滑移率，V_F为实际车速，V_R为车轮滚动时圆周速率。由上式可知：当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度(V_F＝V_R)时，滑移率为零(S＝0)，车轮为纯滚动；当V_R＝0时，S＝100％，车轮完全抱死而作纯滑(移)动；当0＜S＜100％时，车轮既滚动又滑动。因而，滑移率S相应地反映了车轮的不同运动状态。

在连续式路面摩擦系数测试方法中，先由轮速检测单元1中的轮速传感器检测获得测试轮6与辅助轮7的两路轮速信号，其中所测得的测试轮的轮速信号数值即为车轮滚动时圆周速率V_R，所测得的辅助轮的轮速信号数值即为实际车速V_F，上述测得的数值带入公式：S＝(V_F-V_R)/V_F×100％，即可计算得出滑移率的数值大小。测试过程中，将所测得的测试轮6与辅助轮7的两路轮速信号传入ECU控制单元4。ECU控制单元4根据输入的两路轮速信号，对测试轮的瞬时运动状态进行监测和判定。

第二步、控制调节制动力调控单元3，将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内：ECU控制单元4根据计算得出的滑移率数值，对制动力调控单元3发出相应控制指令，相应地不断控制调节施加在测试轮6上的制动力，从而将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内。

在实际车轮制动动过程中，车轮所受的地面制动力Fxb与法向力Fz的比值Fxb/Fz是变化的，其大小随着车轮滑移率的变化而变化。实验测定，当滑移率为15％-25％的范围内的某一点时，Fxb/Fz达到最大值，此时车轮具有最大的纵向附着系数，称为峰值附着系数φp，该附着系数代表了路面的最佳抗滑性能，也是装备有ABS(或ASR)的车辆起作用的附着系数；当滑移率S调至100％时，车轮具有稳定的纵向附着系数，称为滑动附着系数φs，该附着系数代表了路面的稳态抗滑性能，也是没有装备ABS(或ASR)车辆的起作用的附着系数，通常所说的路面摩擦系数指的就是滑动附着系数φs。

峰值附着系数φp和滑动附着系数φs均可代表路面的抗滑性能，对于高速公路及等级路面，峰值附着系数和滑动附着系数互相之间存在着一定的对应关系，参见表1。

从理论上讲，滑动附着系数φs准确地代表了普通制动***的车辆与路面之间的附着性，而峰值附着系数φp则准确地代表了配置有ABS(或ASR)的车辆与路面之间的附着性。刹车式摩擦系数测试仪所检测的就是滑动附着系数。而峰值附着系数检测设备属于不完全刹车式摩擦系数测试仪，具有检测速度高、数值准确、测试轮磨损小、使用寿命长等优点，是国内外路面抗滑测试设备的必然发展方向。因而在今后的发展过程中，对峰值附着系数φp的测量日益重要。虽然从表1可以看出，峰值附着系数和滑动附着系数互相之间存在着一定的良好对应关系，但是在实践中若纯粹地依此对应关系来确定道路摩擦系数，也存在一定的误差。

表1

路面峰值附着系数滑动附着系数

沥青或混凝土(干) 0.8～0.9 0.75

沥青(湿) 0.5～0.7 0.45～0.6

混凝土(湿) 0.7～0.8 0.6～0.7

图4是滑移率控制与附着系数间的关系示意图。如图4所示，当滑移率S＝100％时，所测得的摩擦系数为道路滑动摩擦系数φs；而当滑移率S在15％-25％范围内的某一点Sp时，车轮具有最大的纵向附着系数φp，称为峰值附着系数，也就是说此时测得的摩擦系数为道路峰值摩擦系数φp。因此若测量道路滑动摩擦系数φs，需要把测试轮的滑移率S调至100％，而若测量道路峰值摩擦系数φp，需要把测试轮的滑移率控制在Sp附近的某个区间，通常为15％-25％之间。

若所测得的滑移率数值未达到100％或者不在15％-25％范围内时，通过对制动力调控单元3的控制调节来相应改变测试轮6的制动力大小，改变测试轮6的车速，进而进一步改变滑移率数值，以保证将滑移率S调至100％或控制在15％-25％范围内。当需要测量道路滑动摩擦系数φs时，若S＜100％，持续控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐增大至100％，此时测得的即为道路滑动摩擦系数；测试完后立即减小测试轮6的制动力。而当需要测量道路峰值摩擦系数φp时，若S＜15％，控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐增大；若S＞25％，控制调节制动力调控单元3，增大测试轮6的制动力，使得滑移率S逐渐减小。总之，通过对制动力调控单元3的不断控制调节，将滑移率S调至100％或控制在15％-25％范围内。

第三步、检测车轮与地面之间的制动力与法向力，获取对应的道路摩擦系数φ：ECU控制单元4对传入的两路检测获得信号同步进行实时的采集和处理，计算得出对应的道路滑动摩擦系数φs或道路峰值摩擦系数φp。

根据轮胎力学的原理，峰值附着系数φp＝Fx/Fz，其中Fx为轮胎与路面之间的制动力的极限值(即车轮所受的地面制动力Fxb)，Fz为轮胎与路面之间的法向力，因而只需要测得轮胎与路面之间的制动力Fx和轮胎与路面之间的法向力Fz即可获得车轮峰值附着系数φp。实验测定：当车轮滑移率S＝100％时，经过检测计算得出的比值Fx/Fz即为车轮滑动附着系数φs；而当车轮滑移率S被控制在Sp附近的范围(15％-25％)内时，经过检测计算得出的比值Fx/Fz即为车轮峰值附着系数φp。因而，只需测得当S≈100％或15％＜S＜25％时，轮胎与路面之间的制动力Fx和轮胎与路面之间的法向力Fz，二者的比值即为道路滑动摩擦系数φs或道路峰值摩擦系数φp。

本测试方法中，采用制动力传感器或扭矩传感器检测获得轮胎与路面之间的制动力Fx，而采用法向力传感器或加速度传感器来检测获得轮胎与路面之间的法向力Fz。其中扭矩传感器测得的扭矩信号数值N，利用公式F＝N/r(其中r为车轮的滚动半径)，即可换算得出轮胎与路面之间的制动力Fx。而加速度传感器测得的加速度信号a，利用公式F＝ma(其中m为车轮实际质量)，即可换算得出轮胎与路面之间的法向力Fz。

上述各传感器分别连续动态测量每一瞬间测试轮6所受地面的制动力Fx和法向力Fz，并将测得信号输入到ECU控制单元4，由ECU控制单元4对输的制动力Fx与法向力Fz数值进行分析、判断，在此基础上进行同步谐调处理且进行有关计算，从而得到道路滑动摩擦系数φs或道路峰值摩擦系数φp。

与此同时，在上述三步测试过程中，ECU控制单元4将测得的数据即时传给上位机5进行显示、保存并处理。而上位机5相当于一个人工操作界面，可以进行测量滑动摩擦系数或峰值摩擦系数的状态选择，设定进行连续测量或间隔测量的状态等，之后控制ECU控制单元4执行相对应的控制指令。根据上位机5的控制指令，ECU控制单元4也可实现连续长距离高速的峰值摩擦系数检测，也根据设定的时间步长或距离步长进行间隔性峰值摩擦系数检测。在测量滑动摩擦系数时，因为需要将滑移率S调至100％，因而在一次测量结束后，ECU控制单元4通过控制制动力调控单元3，立即减小施加在测试轮6上的制动力；之后根据上位机5的控制指令，再连续进行下次滑动摩擦系数测量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)检测轮速信号，获取车轮的滑移率S：将检测获得的测试轮(6)与辅助轮(7)的两路轮速信号传入ECU控制单元(4)，计算得出车轮的滑移率S；

(b)控制调节制动力调控单元(3)，将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内：ECU控制单元(4)根据计算得出的滑移率数值，对制动力调控单元(3)发出相应控制指令，相应地不断控制调节施加在测试轮(6)上的制动力，从而将车轮的滑移率S调至100％或控制在15％-25％的范围内；

(c)检测车轮与地面之间的制动力与法向力，获取对应的道路摩擦系数φ：将ECU控制单元(4)对传入的两路检测获得信号进行同步谐调处理，并计算得出对应的道路滑动摩擦系数φ s或道路峰值摩擦系数φp；

上述各步骤中，ECU控制单元(4)同时将测得的数据即时传给上位机(5)进行显示、保存及处理。

2.按照权利要求1所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(a)中将所测得的测试轮(6)的轮速信号数值V_R与辅助轮(7)的轮速信号数值V_F，带入公式S＝(V_F-V_R)/V_F×100％，计算得出车轮的滑移率S。

3.按照权利要求1或2所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(a)中ECU控制单元4根据输入的两路轮速信号，对测试轮的运动状态进行监测和判定，并采用逻辑门限法经过内部计算得出车轮的滑移率S。

4.按照权利要求1或2所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(b)中控制调节制动力调控单元(3)将车轮的滑移率S调至100％，当S＜100％时，持续控制调节制动力调控单元(3)，增大测试轮(6)的制动力，使得滑移率S逐渐增大至100％；测试完后立即减小测试轮(6)的制动力。

5.按照权利要求1或2所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(b)中控制调节制动力调控单元(3)将滑移率S控制在15％-25％范围内，当S＜15％时，控制调节制动力调控单元(3)，增大测试轮(6)的制动力，使得滑移率S逐渐增大；当S＞25％时，控制调节制动力调控单元(3)，增大测试轮(6)的制动力，使得滑移率S逐渐减小。

6.按照权利要求1或2所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(d)中车轮轮胎与路面之间的制动力，采用制动力传感器或扭矩传感器进行检测。

7.按照权利要求1或2所述的连续式路面摩擦系数测试方法，其特征在于：所述步骤(d)中车轮轮胎与路面之间的法向力，采用法向力传感器或加速度传感器进行检测。