防抱死制動系統(tǒng)對SUV車輛操控穩(wěn)定性仿真分析

朱崇敬，郭朋彥，張瑞珠，馮金泉，馬付屹

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045）

防抱死制動系統(tǒng)對SUV車輛操控穩(wěn)定性仿真分析

朱崇敬，郭朋彥，張瑞珠，馮金泉，馬付屹

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045）

針對SUV車輛在制動情況下出現(xiàn)的操縱性和穩(wěn)定性變差現(xiàn)象，在CarSim軟件中建立了SUV車輛動力學模型，在對開的路面對行駛的緊急制動工況進行了仿真，初步發(fā)現(xiàn)防抱死系統(tǒng)對該工況下車輛操縱穩(wěn)定性的影響最大，為進一步驗證，與Simulink結(jié)合建立了整車聯(lián)合仿真模型，將Carsim中SUV制動過程中的制動壓力導出至Simulink模型作制動仿真測試，進一步描繪出車輪側(cè)偏角、橫移角速度和偏移位移等影響操縱穩(wěn)定性的參數(shù)數(shù)值變化曲線，通過分析對比，確定了緊急制動條件下為SUV車輛加裝防抱死系統(tǒng)能達到提高操縱穩(wěn)定性的目標，最終達到安全駕駛的目的。

CarSim；SUV；Simulink；操縱穩(wěn)定性；聯(lián)合仿真

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-116-04

前言

運動型多用途汽車（SUV）具有良好的動力性和較大的乘坐空間，所以隨著人們生活水平的提高，逐漸獲得了較高的市場占有率。然而，隨著汽車行駛速度的逐漸提高，汽車的行車安全性逐漸引起人們的重視，而汽車的操縱穩(wěn)定性對車輛高速行駛安全性有主要的影響作用。

SUV由于有良好的越野通過能力，底盤離地間隙較大，因此該型汽車在高速行駛遇突發(fā)事件需緊急制動時，極易出現(xiàn)側(cè)傾、滑移等危險現(xiàn)象，嚴重時會出現(xiàn)側(cè)翻等安全事故[1]。而德國的Bosch公司推出的ABS(防抱死系統(tǒng))能幫助汽車在制動時有效地將制動力調(diào)節(jié)至適應輪胎-地面所能提供的附著力，防止車輪在緊急制動情況下出現(xiàn)抱死，從而提高車輪的制動穩(wěn)定性，SUV型轎車相對于普通乘用車重心更高些，高速行駛時更易出現(xiàn)危險工況，因此在緊急制動工況下的安全性更需要進一步進行分析。本文基于CarSim平臺建立SUV整車動力學模型來模擬車輛以一定時速制動時的運行工況，同時與Simulink建立聯(lián)合仿真模型，將CarSim輸出制動壓力值發(fā)送至Simulink從而反映到制動時車速的變化以及車輛橫移角速度、側(cè)偏角和側(cè)偏位移等影響車輛操縱穩(wěn)定性參數(shù)的變化，通過對比制動工況下有無ABS對這些參數(shù)變化的影響，最終確定ABS對SUV車輛緊急制動時操縱穩(wěn)定性具有極大的改善作用。

1、CarSim整車模型

CarSim是國內(nèi)外汽車主機廠普遍采用的一款商業(yè)化車輛動力學仿真軟件，它在車輛整車建模方面具有參數(shù)化、簡潔化、智能化等優(yōu)點，廣泛應用于汽車整車和子系統(tǒng)研發(fā)部門，像Bosch、福特、本田、豐田、鈴木，沃爾沃等。采用CarSim建模時，用戶只需通過一個簡單友好的GUI界面就能根據(jù)整車模型參數(shù)輕松建立所需的整體車輛模型；它可以設置一定的仿真參數(shù)模擬整車在道路的行駛過程，以三維仿真動畫和動態(tài)輸出曲線的形式響應仿真參數(shù)的變化過程。該軟件通過建立的整車模型，設定一定的工況，并且模擬道路行駛實驗，可以對車倆的相關(guān)性能指標進行檢驗，如動力性，燃油經(jīng)濟性，制動性，操縱穩(wěn)定性以及平順性等[2]。

CarSim以參數(shù)化形式進行簡化建模，其中涵蓋了汽車的各個子系統(tǒng)，如動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架、車輪輪胎等，在進行分析時把空氣動力學，路況信息等影響因素包括在內(nèi)，在一個三維的虛擬場景里對汽車建立坐標系進行離線仿真分析，即以下做的整車仿真分析過程是一種可視化仿真過程[3]，形象逼真。下圖為SUV部分參數(shù)模型：

本文研究的是車輛路面附著系數(shù)較低且出現(xiàn)分隔開的摩擦系數(shù)工況下SUV車輛的制動情況，在此仿真過程中車輛會出現(xiàn)危險狀況如側(cè)滑和甩尾等，通過對比安裝有ABS和無ABS兩種情況下車輛側(cè)偏角、橫移角速度和偏移位移等參數(shù)的變化來分析汽車的操縱穩(wěn)定性的差別。運用CarSim軟件來仿真這些危險工況，相比實車測試更節(jié)約時間和費用成本，安全性更好，測試的重復度更好。

另外，CarSim軟件對于制動輪胎模型的建立表現(xiàn)的很精確，對4個輪胎可以實現(xiàn)差動制動控制[4]，而且還可以分別針對每個輪胎的運行工況做出仿真曲線，通過結(jié)合每個輪胎的工作曲線并做一定的對比來反應相關(guān)參數(shù)的變化，從而推斷出車輛在制動工況中整個運動過程。另一方面，在與Simulink軟件建立聯(lián)合仿真的過程中，利用CarSim導出四個車輪的制動壓力的數(shù)據(jù)，然后通過像差動制動ABS制動控制策略一樣來改變汽車的運動狀態(tài)，進而對汽車進行穩(wěn)定性控制[5,6,7]。本仿真中選擇的路面工況是對開的冰面，這是由于路面附著系數(shù)較低時，對汽車的穩(wěn)定性控制才顯得更加重要，同時仿真結(jié)果更加直觀明顯。

2、建立聯(lián)合仿真模型

在CarSim中設置的車輛仿真參數(shù)如表1所示。定義了SUV車輛制動前系統(tǒng)的一些仿真參數(shù)，如初始車速和開環(huán)的節(jié)氣門開度，制動壓力的變化過程，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和閉環(huán)控制轉(zhuǎn)向位置以及其它額外數(shù)據(jù)等[8]。

表1 車輛仿真參數(shù)

整車在冰面的滑移率 s 計算的準確性將直接關(guān)系到整個仿真正確性，滑移率的定義公式為：

式中，v——車輪中心的速度（m/s）；r——車輪的滾動半徑（m）；ω——車輪轉(zhuǎn)動角速度。并且定義車輪純滾動時，s=0；純滑動時，s=100%。

車輛在緊急制動工況下，整車的運動狀態(tài)需要通過車速以及車輪轉(zhuǎn)速來確定，而這兩個參數(shù)值與車輪的制動狀態(tài)相關(guān)，即由車輪上制動液壓缸的工作狀態(tài)最終決定。因此，在CarSim與Simulink建立聯(lián)合仿真模型后，輸出至Simulink模型中的變量依次定義為：Vx_L1（左前輪速/(km/h)）、Vx_R1（右前輪速/(km/h)）、Vx_L2（左后輪速/(km/h)）、Vx_R2（右后輪速/(km/h)）、Vx_SM（汽車質(zhì)心處的速度/(km/h)）、Pbk_Con（主缸壓力的控制輸入/MPa）。在Simulink中設置車輛制動過程中ABS控制策略，結(jié)合控制程序運行仿真過程，從而得到緊急制動過程中整車的運動狀態(tài)，整車聯(lián)合仿真模型如圖 3 所示[9,10]。在制動過程中車輪受到液壓缸產(chǎn)生的制動力矩，要防止車輪抱死，即控制該制動力矩的數(shù)值變化。

3、仿真結(jié)果

利用CarSim建立的 4 輪SUV整車動力學模型，與Simulink 建立的防抱死制動的控制策略相集成，組成一個聯(lián)合仿真模型。聯(lián)合仿真測試的具體圖形及曲線如圖4～圖8所示。

圖4中反映出裝有防抱死裝置的車輛在制動情況下行駛路徑有稍微偏移，但不影響安全行駛，而無ABS的SUV突遇緊急制動時會出現(xiàn)滑移，易出安全事故。

從上圖可以看出，有無防抱死裝置對于車輛質(zhì)心的速度有很大的影響作用，無ABS裝置的車輛在制動時會在摩擦分離路面上產(chǎn)生滑移，反映到曲線上就是車輛質(zhì)心的速度包括各個輪胎是上下跳動，呈非線性降速，導致汽車無法操縱，同時穩(wěn)定性較差，極易出現(xiàn)安全事故；而加裝防抱死裝置的汽車在制動情況下車速均勻變化，幾乎成線性減速，車輛的操縱穩(wěn)定性較好，是我們需要的制動情況下的工況。

圖6中反映出制動過程中有ABS時車輛的橫移角速度幾乎變化不大，無防抱死裝置時車輛橫移角速度最高可達150deg/s，當然該值隨著制動時車速的變化而變化。

圖7反映出有ABS時車輛制動時車輪輪胎的側(cè)偏角在4～5度之間，這是由于仿真測試時左側(cè)車輪與右側(cè)車輪行駛路面的附著系數(shù)不同（冰面和正常路面），車輪側(cè)偏角會有稍微變化；而無防抱死裝置從開始制動車輪側(cè)偏角就一直在變化，最大可達到將近90度，從而反映出無ABS的車輛緊急制動時已經(jīng)失穩(wěn)，操縱性較差。

上圖反映出有ABS時車輛制動過程中偏移原始路徑的位移很小，幾乎是一條直線，而無防抱死裝置的車輛制動時出現(xiàn)滑移，偏離正常行駛路徑達到6米，反映出汽車已經(jīng)嚴重偏離行駛路面。

結(jié)合兩個軟件聯(lián)合仿真得到車輛在緊急制動工況下車速、橫移角速度、側(cè)偏角以及偏移位移等參數(shù)的變化曲線，數(shù)據(jù)表明在無防抱死系統(tǒng)時SUV制動條件下的操縱穩(wěn)定性變差。

4、結(jié)論

本文通過CarSim和Simulink 聯(lián)合仿真實驗方法，在實驗室環(huán)境下模擬有ABS和無ABS兩種SUV在對開路面的緊急制動過程，得到影響操縱穩(wěn)定性的多個參數(shù)變化曲線，對比分析這些曲線證明，有ABS相對無ABS對車輛操縱穩(wěn)定性有極大的改善作用。

同時，本文用到的軟件聯(lián)合試驗仿真手段，客觀性地評價了車輛操縱穩(wěn)定性，同時還能模擬側(cè)滑、側(cè)傾等危險工況，相對于道路測試車輛操縱穩(wěn)定性，不僅節(jié)約了時間和金錢成本，而且測試重復度更好，總體看來，仿真分析具有實用性價值，為進一步研究汽車動力學性能提供了有效的研究手段。

[1] 余志生. 汽車理論第五版[M].北京：機械工業(yè)出版社.2010.

[2] 郭孔輝，付皓，丁海濤. 基于CarSim的車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制器開發(fā)[J].汽車技術(shù)，2008 (3):1-5.

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[8] 秦東晨，潘 筱，趙紅宇. 面向SUV車型操縱穩(wěn)定性的多體動力學建模與仿真[J].中國機械工程，2007.18(17):2126-2130.

[9] 馬史駛，陳家琪. 汽車操縱穩(wěn)定性的聯(lián)合仿真技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程.2013(4):57-62.

[10] 趙六奇，金達鋒. 車輛動力學基礎(chǔ)[M].北京：清華大學出版社.2006.

（12）將背板前傾（消除座椅靠背上的張力），然后再將背板放回座椅靠背上，該過程要使裝置保持水平。將左、右兩腳輪流抬離地板，直至兩腳不再產(chǎn)生附加的牽動。完成后發(fā)現(xiàn)座板不水平，于是在背板頂部施加一橫向力使裝置座板在座椅上保持水平。

（13）拉住T形桿，使三維H點裝置在座墊上不能向前滑移。

a．將背板放回到座椅靠背上；

b．在三維H點裝置探測桿約為軀干重塊中心高度處，交替地施加和撤去一個不大于25 N的向后水平力，直至力撤去后臀部角度量角器指示達到穩(wěn)定位置[4]。

（14）在H點標記鈕連線與車門內(nèi)部相交的位置做好標記X1、X2，在汽車碰撞試驗前安放測量假人時，使測量假人上面的H點標記鈕之間的連線與直線X1X2重合。

3、總結(jié)

如果制造廠對于某些條例有特殊的要求，應該按照制造廠的要求處理。在有些測量中有人會把實際靠背角人為的調(diào)節(jié)到與設計靠背角相一致，這樣的做法是錯誤的，在完成所有的裝置安裝后，實際靠背角與設計靠背角可以不一致，誤差范圍為5°。在步驟12調(diào)節(jié)背板過程中，裝置的雙腳不應有任何約束。如果雙腳變動位置，暫且不必調(diào)整。在抬腳時，兩腳要能自由轉(zhuǎn)動，不施加任何向前或側(cè)向的載荷。

正確測量H點位置不僅為測量假人的安裝提供可靠的依據(jù)，也提升了整個汽車碰撞試驗數(shù)據(jù)的可靠性與準確性。

參考文獻

[1] 《測量用三維H點裝置的尺寸校準技術(shù)研究》[J]，陳錫林，朱凱捷，周新良，《北京汽車》，2012年05期.

[2] GB/T 11563-1995 汽車H點確定程序.

[3] GB/T 26512-2011 商用車駕駛室乘員保護.

[4] 溫吾凡，《汽車人體工程學》[M]，吉林科學技術(shù)出版社.

Analysis on Handling Stability Simulation of SUV at the condition of Braking based on CarSim software

Zhu Chongjing, Guo Pengyan, Zhang Ruizhu, Feng Jinquan, Ma Fuyi
（Institute of Mechanics, North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045）

Aiming at the phenomenon that Sport Utility Vehicles will lose its stability and the steering ability will become bad in case of Emergency Braking, CarSim software is applied to establish full vehicle dynamic model in which the whole driving process of Emergency Braking condition is simulated, preliminary finding ABS system has a big influence on handling stability at this condition. For further validating, the collaborative simulation model is set up combining Carsim with Simulink, the numeric changes of slip angle, yaw and offset can be plotted, which reflect handling stability most under the input of braking pressure. After analyzing and making comparisons about testing data, the goal of improving handling stability by installing anti-lock braking system to SUV in case of emergency braking is determined. Finally the purpose of driving safely can be met.

CarSim; SUV; Simulink; Handling stability; Collaborative simulation

U467

A

1671-7988(2015)01-116-04

朱崇敬，就讀于華北水利水電大學機械學院。

河南省科技攻關(guān)項目（112102210104）；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目（13A460693）。