ABS液壓系統(tǒng)抗沖擊性能研究與仿真分析

劉小斌，尹新權(quán)，李寶棟

(蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 前言

ABS(Anti-lock Braking System)防抱死制動系統(tǒng)其作用是當(dāng)車輛在不同附著系數(shù)的路面制動時，根據(jù)車輛速度與減速度的變化，電控單元通過控制電磁閥來調(diào)節(jié)制動壓力，控制車輪在理想的滑移率范圍內(nèi)制動，以獲得最佳的制動效果和方向穩(wěn)定性。然而，ABS在工作時，常伴有尖銳的噪聲及振動，如何在不影響ABS作用效果的情況下平穩(wěn)工作，值得研究與分析［1］。

1 ABS系統(tǒng)振動機(jī)制

單輪ABS系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)踩下制動踏板1，制動液由主缸2壓縮腔經(jīng)常開閥7、節(jié)流閥9進(jìn)入輪缸10，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增壓。經(jīng)ABS系統(tǒng)的ECU單元的計算判斷，若需要輪缸10制動壓力降低，則發(fā)出控制信號，使常開閥7關(guān)閉，同時啟動回流泵電機(jī)3并打開常閉閥11，使制動液流向低壓蓄能器12，或流回主缸2，使輪缸壓力降低，制動力減小。若輪缸壓力需要保持，則ECU發(fā)出控制信號，將常開閥7關(guān)閉(通電)，常閉閥11保持關(guān)閉狀態(tài)(不通電)，則輪缸10內(nèi)的制動液被封閉，制動壓力保持不變。通過改變電磁閥開關(guān)切換，改變制動液的通路，從而形成增壓、保壓和減壓3種壓力狀態(tài)。

圖1 1/4車體ABS系統(tǒng)示意圖

ABS工作過程中，換向閥常處于頻繁切換過程。當(dāng)換向閥突然換向時，油液速度突然變化，壓強(qiáng)快速升高或降低，引起沖擊波動，壓力沖擊波作用于液壓輪缸，從而引起振動與噪聲。若不考慮液壓油黏度變化的影響，沖擊波的傳播速度C［2］:

式中:K'為液壓油的等效體積彈性模量(Pa)，K為液壓油的體積彈性模量(Pa)，ρ為液壓油的密度(kg/m3)，E為管道材料的彈性模量(Pa)。

當(dāng)電磁換向閥突然關(guān)閉時，管道內(nèi)的液體運(yùn)動突然停止，根據(jù)能量守恒定律，液體的動能將轉(zhuǎn)化為液體的彈性能，即

所以

制動輪缸的運(yùn)動部件的運(yùn)動速度取決于流量，當(dāng)突然改變流量時(如閥口關(guān)閉)，由于液壓油的慣性作用，產(chǎn)生液壓沖擊。沖擊壓力最大升值Δp為液壓油慣性沖擊和運(yùn)動部件慣性沖擊產(chǎn)生的壓力升值之和，即:

式中:A為液壓缸的活塞面積(m2)，li為液壓油第i段管道的長度(m)，Ai為液壓油第i管道的有效面積(m2)，m為當(dāng)缸體不動，活塞運(yùn)動時，折算到活塞上的運(yùn)動部件質(zhì)量(kg)，v1、v2分別為活塞變化前后的運(yùn)動速度(m/s)，t為活塞由速度v1到v2的變化時間(s)。

因此，液壓沖擊的實(shí)質(zhì)是液體動能的轉(zhuǎn)變，它與沖擊波的傳播速度C有關(guān)，傳播速度C決定了能量的變化大小。

2 ABS系統(tǒng)建模與振動分析［3-4］

AMESim(系統(tǒng)仿真平臺)是系統(tǒng)工程建模與仿真平臺［5］，它提供了系統(tǒng)工程設(shè)計的完整平臺，在此平臺上，工程師可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真計算和分析。目前，AMESim已經(jīng)成為用于車輛、越野設(shè)備、航空航天以及重型設(shè)備工業(yè)的多學(xué)科領(lǐng)域，包括流體、機(jī)械、熱分析、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺［6］。

根據(jù)圖1建立ABS系統(tǒng)AMESim模型(如圖2所示)。

圖2 1/4車體ABS系統(tǒng)AMESim仿真模型

主要步驟如下:

(1)忽略一些不重要的部分，將系統(tǒng)主要物理結(jié)構(gòu)分為最小的元素，每個小元素用AMESim功能模塊來代替，其中圖中輪缸10為封裝后的超級元件;

(2)模型中的MCU為MATLAB/Simulink建立的ABS控制器，其控制方法為邏輯門限值控制。輸入信號包括:制動轉(zhuǎn)矩、四輪輪速(本模型針對1/4車體，只需輸入左前輪輪速信號)和車速信號，ABS控制器產(chǎn)生的壓力調(diào)節(jié)信號輸出到AMESim車輛模型中的ABS系統(tǒng)(1/4車體)，實(shí)現(xiàn)制動管路壓力的調(diào)節(jié)與控制。Simulink所建立的ABS控制器嵌入AMES-im模型，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真;

(3)在軟件界面中連接所有的模塊并設(shè)置參數(shù);

(4)將建好的模型放進(jìn)搭建的系統(tǒng)中仿真并分析結(jié)果。

利用圖2所示的仿真模型在AMESim環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)，控制器采用MATLAB/Simulink建立的邏輯門限值控制器。主要分析數(shù)據(jù)是液壓缸的位移、速度、加速度與管道中的壓力波動。仿真時間為100 s，仿真步長為0．001 s，換向閥打開時刻為10 s，整定系統(tǒng)壓力為22．3 MPa。仿真試驗(yàn)得到換向閥打開時的壓力曲線(圖3)、活塞位移曲線(圖4)、活塞速度曲線(圖5)和活塞加速度曲線(圖6)。

圖3 原ABS系統(tǒng)壓力曲線

圖4 原ABS系統(tǒng)活塞位移曲線

圖5 原ABS系統(tǒng)活塞速度曲線

圖6 原ABS系統(tǒng)活塞加速度曲線

在換向閥工作時，系統(tǒng)壓力經(jīng)過0．128 s，系統(tǒng)壓力從22．3 MPa驟降到10．400 2 MPa，在14．618 s恢復(fù)到22．198 4 MPa。這種液壓沖擊對活塞位移影響如圖3所示，說明原系統(tǒng)的抗沖擊性能很差?？梢?在ABS液壓系統(tǒng)中，當(dāng)換向閥突然打開后，由于液壓泵無法滿足瞬時的大流量需求，系統(tǒng)壓力驟降，出現(xiàn)換向壓力沖擊。通過速度及加速度曲線表明液壓沖擊波的傳遞、反射、液流方向的變化將反復(fù)進(jìn)行，直到耗盡引起沖擊的能量，沖擊現(xiàn)象才會結(jié)束。

3 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)及性能分析

通過上述試驗(yàn)，說明原ABS系統(tǒng)在換向閥工作時，存在明顯的液壓沖擊，由公式(3)說明，沖擊壓力最大升值Δp與流速v成正比，v=q/t。所以換向閥打開引起的流量的突變是引起液壓沖擊的根本原因。而原系統(tǒng)的換向閥打開或關(guān)閉很直接的，閥的開閉是非連續(xù)的，存在明顯的流量突變。所以改進(jìn)系統(tǒng)用伺服閥替換原系統(tǒng)的換向閥，用基于壓力反饋的PID控制結(jié)合邏輯門限控制實(shí)現(xiàn)伺服閥的打開與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)AMESim模型如圖7所示。

利用圖7所示的仿真模型在AMESim環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)，控制器采用MATLAB/Simulink建立的基于壓力反饋的PID控制結(jié)合門限值控制的ABS控制器［7］。經(jīng)仿真試驗(yàn)，得到改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)在伺服閥打開時的壓力曲線如圖8所示，活塞位移曲線如圖9所示，活塞速度曲線如圖10所示，活塞加速度曲線如圖11所示。

圖7 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)AMESim模型

圖8 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)壓力曲線

圖9 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)活塞位移曲線

圖10 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)活塞速度曲線

圖11 改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)活塞加速度曲線

如圖8所示，伺服閥的打開信號輸入時刻為10 s，經(jīng)過1．549 s，系統(tǒng)壓力從22．3 MPa降低到18．042 8 MPa，到13．884 s，又升高到22．198 4 MPa。液壓沖擊較緩慢，沖擊明顯減弱。如圖9所示，活塞位移曲線非常平緩。對比圖5與圖10，原系統(tǒng)速度最大變化為0．3 m/s，改進(jìn)后的系統(tǒng)速度最大變化為0．004 m/s，表明活塞速度的突變明顯減弱。對比圖6與圖11，原系統(tǒng)的加速度變化的最大幅度為10 m/s2，改進(jìn)后的系統(tǒng)的加速度變化的最大幅度為0．1 m/s2，加速度的突變明顯減弱。

4 結(jié)論

通過原ABS系統(tǒng)與改進(jìn)后ABS系統(tǒng)的試驗(yàn)對比，在換向閥打開的瞬間，改進(jìn)系統(tǒng)的壓力變化非常平緩;活塞速度變化由原來的0．3 m/s降低到0．004 m/s;活塞加速度變化由原來的10 m/s2降低到0．1 m/s2。試驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)的ABS系統(tǒng)利用伺服閥替換傳統(tǒng)換向閥，用基于壓力反饋的PID控制結(jié)合門限值控制代替單純邏輯門限值控制方式，用連續(xù)流量控制代替非連續(xù)流量控制，由于伺服閥的響應(yīng)快，反饋信號的頻率高，相當(dāng)于用伺服閥高頻的振蕩來抵消了壓力沖擊，系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定，抗沖擊性能明顯提高。

［1］楊風(fēng)和，孫伯．改變DRP控制邏輯以解決ABS閥體噪聲［J］．汽車技術(shù)，2012(7):37-39．

［2］馬憲亭，尹新愛．液壓沖擊計算與控制方法［J］．煤礦機(jī)械，2009，30(3):157-158．

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［5］李吉，李華聰．仿真軟件AMESim應(yīng)用研究［J］．航空計算技術(shù)，2006，36(1):56-58．

［6］付永領(lǐng)，祈曉野．AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

［7］WUMingchin，SHIH Mingchang．Simulated and Experimental Study of Hydraulic Anti-lock Braking System Using Sliding-mode PWM Control［J］．Mechatronics，2003，13(4):332-350．