基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統(tǒng)建模與分析

張凡 彭富明

（南京理工大學(xué) 南京市 210094）

基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統(tǒng)建模與分析

張凡 彭富明

（南京理工大學(xué) 南京市 210094）

簡述ESP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理，基于AMESim軟件建立ESP液壓系統(tǒng)仿真模型，模擬汽車在不同工況下ESP系統(tǒng)增壓、保壓、泄壓的工作過程，對ESP液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行分析。

電子穩(wěn)定程序；液壓執(zhí)行單元；動態(tài)特性；AMESim

引言

汽車電子穩(wěn)定程序（Electronic Stability Program）是目前世界上最尖端的汽車主動安全系統(tǒng)電子設(shè)備。汽車ESP液壓系統(tǒng)主要由電子控制單元（Electronic Control Unit）、傳感器和液壓系統(tǒng)等三部分組成，在汽車行駛過程中，ESP根據(jù)車輛行駛狀況，通過對單個(gè)車輪施加一定的制動壓力，調(diào)節(jié)汽車橫擺力矩，保證汽車按照駕駛員的意圖行駛[1]。汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)可以使汽車在各種行駛工況及允許的物理極限范圍下，保持在車道內(nèi)穩(wěn)定行駛，提高汽車在高速時(shí)遇到突發(fā)情況下的安全性。ESP系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件—液壓調(diào)節(jié)器（HCU），是一個(gè)在短時(shí)間內(nèi)完成動態(tài)響應(yīng)的高速響應(yīng)系統(tǒng)，HCU的性能顯著地影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。為保證ESP系統(tǒng)的工作可靠性和控制精度，進(jìn)行其液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究是十分必要的。

1 ESP液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

ESP液壓控制系統(tǒng)的組成主要包括制動主缸，制動輪缸，液壓調(diào)節(jié)器。其中液壓調(diào)節(jié)器包括12個(gè)二位二通電磁閥、單向閥、柱塞泵等。ESP系統(tǒng)工作時(shí)，隔離閥1從常通狀態(tài)切換為限壓狀態(tài)，吸入閥2打開，制動液在預(yù)壓泵9的作用下通過吸入閥2、回油泵6進(jìn)入高壓阻尼器8，再進(jìn)入增壓閥3進(jìn)入輪缸5，壓緊摩擦片進(jìn)行制動；當(dāng)制動力足夠時(shí)，增壓閥3和吸入閥2關(guān)閉，減壓閥4打開，輪缸中的高壓制動液進(jìn)入蓄能器7，為下一次制動作準(zhǔn)備。如此循環(huán)直到退出ESP模式。

2 ESP液壓系統(tǒng)建模

2.1 液壓缸建模

ESP系統(tǒng)用于控制車輛的橫擺力矩，其制動過程主要有三種形式，分別為被動制動、半主動制動和全主動制動?？紤]到低溫條件下，液壓介質(zhì)的黏度很高，在全主動制動過程中，液壓系統(tǒng)建立壓力時(shí)間長，不利于車輛的主動干預(yù)，所以引入預(yù)壓泵單元。系統(tǒng)液壓主缸采用汽車常用的雙腔串聯(lián)式制動主缸，保證至少有一個(gè)制動回路能正常工作。其中兩個(gè)油缸分別用于前輪制動和后輪制動。結(jié)合雙腔串聯(lián)制動液壓缸的結(jié)構(gòu)原理和預(yù)壓泵單元中油泵的數(shù)學(xué)模型，從AMESim庫中選取正確的元件構(gòu)建模型。為驗(yàn)證液壓缸建模合理性，現(xiàn)對其獨(dú)立仿真分析，仿真結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出兩個(gè)油缸的輸出壓力與給定的信號在時(shí)域內(nèi)吻合，說明液壓缸的模型是正確的。

11月5日，美國正式恢復(fù)了對伊朗能源、金融領(lǐng)域單邊制裁。美國制裁伊朗，最終的目的是要制造全球石油市場的緊缺，提升石油的價(jià)格，從而為美國石油打開國際市場，促進(jìn)美國原油的生產(chǎn)，提升美國的利益。但美國的這個(gè)設(shè)想存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，不但難以實(shí)現(xiàn)，還可能遭到反噬。

圖1 制動主缸壓力響應(yīng)

圖2 制動輪缸壓力響應(yīng)

商務(wù)英語教學(xué)的主要目標(biāo)之一就是讓學(xué)生掌握大量的專業(yè)詞匯，這是學(xué)好商務(wù)英語的基礎(chǔ)。詞匯和語法的學(xué)習(xí)應(yīng)與語言技能訓(xùn)練與商務(wù)話題緊密結(jié)合，才能在規(guī)范語言的同時(shí)增加針對性和趣味性（莫再樹，2006）。詞匯和語法學(xué)習(xí)者通過語言輸入進(jìn)行體驗(yàn)，觀察目標(biāo)語的結(jié)構(gòu)和語義，然后抽象出目標(biāo)語使用的規(guī)則，形成假設(shè)，再通過練習(xí)來檢驗(yàn)這種假設(shè)。

2.2 制動輪缸建模

液壓調(diào)節(jié)器用于接收電子穩(wěn)定性系統(tǒng)控制器發(fā)出的指令，通過各液壓元件的動作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)回路的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各制動輪缸壓力的調(diào)節(jié)?；谟捅?、蓄能器節(jié)流器、電磁閥等模型的數(shù)學(xué)模型，分別在AMESim軟件的液壓庫和機(jī)械庫中為其找到相應(yīng)的子模型，按照液壓原理圖連接好，得到的ESP液壓調(diào)節(jié)器的模型。建立好完整的汽車ESP液壓系統(tǒng)模型[2]。

2.3 液壓調(diào)節(jié)器建模

汽車ESP液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性是指系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)達(dá)到一個(gè)新平衡狀態(tài)的過程中所表現(xiàn)出來的特性。在這個(gè)動態(tài)過程中，系統(tǒng)中的各變量都在隨時(shí)間不斷地變化，這樣就體現(xiàn)了系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。根據(jù)動態(tài)特性相關(guān)理論，本文對ESP液壓系統(tǒng)提出系統(tǒng)穩(wěn)定和輪缸壓力響應(yīng)速度兩個(gè)動態(tài)指標(biāo)，并從電磁閥截流面積、預(yù)壓單元預(yù)壓大小兩個(gè)因素進(jìn)行仿真研究并分析。仿真參數(shù)設(shè)置為：柱塞泵排量為0.18cc/r，蓄能器活塞直徑為15mm，活塞行程為10mm，預(yù)壓單元預(yù)壓值為25bar，增壓閥截流面積0.5mm2，減壓閥截流面積0.6mm2，隔離閥和吸入閥截流面積為2mm2，工作溫度39℃，液壓介質(zhì)密度850kg/m3。ESP系統(tǒng)處于全主動工作狀態(tài)，一個(gè)調(diào)節(jié)周期為0.5s，其中增壓時(shí)間0.2s，保壓時(shí)間0.1s，減壓時(shí)間0.2s。

獲取粒子pi適應(yīng)值后，與當(dāng)前粒子的位置進(jìn)行比較并判斷是否最優(yōu).粒子i達(dá)到過的最優(yōu)位置記為pbesti=(pi1，pi2，pi3，…，piD)T，整個(gè)粒子群體遍歷到的最優(yōu)位置記為gbest=(pg1，pg2，pg3，…，pgD)T.在傳統(tǒng)的粒子群算法中，每次迭代過程中的速度更新和位置刷新一般按照以下表達(dá)式:

車輪制動器分為鼓式制動器與盤式制動器。盤式制動器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，對于車輛制動性能以及車輛主動安全性的提高效果明顯，所以本文將建立盤式制動器模型。結(jié)合盤式制動器的結(jié)構(gòu)原理在AMESim中建立制動輪缸模型。對其性能分析，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出在第0.5s的時(shí)候電磁閥開啟，經(jīng)過0.1s電磁閥開啟最大流通面積，同時(shí)在預(yù)壓泵工作的條件下輪缸壓力迅速建立起來，壓力響應(yīng)快，說明制動輪缸的模型是正確的。

3 動態(tài)特性分析

前進(jìn)速度：當(dāng)鐵絲直徑為8 毫米時(shí)，前進(jìn)的速度為4500 能正常循跡，但速度過慢，當(dāng)提速為4800 時(shí)加速2 秒，當(dāng)加速到5000 時(shí)因車速過快，影響了循跡，卡頓現(xiàn)象嚴(yán)重。故選擇最佳前進(jìn)速度4800。

3.1 預(yù)壓單元預(yù)壓大小對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

仿真對比預(yù)壓單元壓力分別為0bar，20bar，40bar的左前輪缸壓力響應(yīng)和流量響應(yīng)。仿真結(jié)果如圖3～4所示，從圖中可以看出，預(yù)壓單元預(yù)壓力為0時(shí)，輪缸的響應(yīng)很慢，對主缸進(jìn)行預(yù)壓處理后，響應(yīng)的品質(zhì)大為提高。

圖3 預(yù)壓單元壓力對輪缸壓力的影響

圖4 預(yù)壓單元壓力對輪缸流量的影響

3.2 液壓控制閥截流面積對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

液壓控制閥特征參數(shù)是閥口截流面積，在實(shí)際ESP液壓系統(tǒng)中，液壓閥的截流面積一般在0.5mm2左右。故設(shè)置增壓閥截流面積分別為0.8mm2、0.5mm2、0.3mm2， 對 應(yīng) 的 減 壓 閥 截 流 面 積 為 0.9mm2、0.6mm2、0.4mm2，仿真得到變化曲線如圖5～6所示，從圖中可以看出過小的截流面積導(dǎo)致系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)明顯滯后，使得輪缸壓力建立過慢；但是過大的截流面積容易產(chǎn)生流量的脈動沖擊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此截流面積設(shè)計(jì)時(shí)要注意與實(shí)際系統(tǒng)的匹配。

4 總結(jié)

本文基于AMESim軟件，建立了ESP液壓系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了其合理性，在此基礎(chǔ)上，提出兩個(gè)動態(tài)性能指標(biāo)，并選擇其中兩個(gè)關(guān)鍵影響因素對整個(gè)ESP液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明各影響因素對系統(tǒng)特性有重要的影響，在設(shè)計(jì)ESP液壓系統(tǒng)時(shí)，要求合理匹配主要器件的特征參數(shù)。

圖5 截流面積對輪缸壓力的影響

圖6 截流面積對輪缸流量的影響

[1]Anton T van Zanten，Rainer Erhardt，Georg Pfalf.VDC，the vehicle dynamic control system of Boscp[C].SAE Paper 950759，1995.

[2]祁雪樂，宋健，土?xí)x，等.基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統(tǒng)建模與分析.機(jī)床與液壓，2005，8：115～118.

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1004-7344（2016）21-0271-02

2016-7-10