汽車電子機械制動系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

李電敏

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽淮南232001)

汽車電子機械制動系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

李電敏

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽淮南232001)

研究汽車電子機械制動系統(tǒng)制動性能是新能源電動汽車面臨的新課題，以特定車型滿載運行工況為對象，基于simulink軟件建立了整車、輪胎和制動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，完成了制動性能分析，驗證了抱死拖滑的制動效果及其影響，得到了制動減速度變化、制動距離和附著系數(shù)值等制動效能參數(shù)；分析結(jié)果表明，該制動系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

電子機械制動； simulink； 動力學(xué)模型； 制動性能

汽車電子機械制動系統(tǒng)是新能源電動汽車的研究熱點[1]，國內(nèi)外對此進行了深入研究。德國的Bosch公司[2]巧妙地利用電磁離合器實現(xiàn)制動間隙的快速進給，并通過二級減速齒輪機構(gòu)完成制動蹄塊的增力；清華大學(xué)[3]和吉林大學(xué)[4]分別搭建的電子機械制動試驗臺，對制動器軟硬件以及控制方法進行研究等等。但總體上，由于電子機械制動系統(tǒng)本身存在的技術(shù)問題使其仍然處于研究試驗階段，并無批量裝車產(chǎn)品進入市場，只有少量概念車型裝車使用[5]。為了加快其產(chǎn)業(yè)化步伐，進一步提高電子機械制動系統(tǒng)性能，必須對其性能優(yōu)化分析。對此，合肥工業(yè)大學(xué)[6]、南京理工大學(xué)[7]等高校和科研院所進行了相關(guān)研究，但對其動力學(xué)仿真分析缺少針對性的研究。本文以汽車電子機械制動系統(tǒng)為研究對象，基于simulink對其進行動力學(xué)仿真分析。

1 車況信息

選取BJ1041貨車為例進行仿真分析，其滿載參數(shù)見表1。輪胎參數(shù)為6.50-1 610PR，滾動半徑R=0.356 m，前輪滾動慣量I1=1.798 kg·m2；后輪滾動慣量I2=3.598 kg·m2。

表1 BJ1041貨車主要參數(shù)

2 建立動力學(xué)模型

2.1 整車動力學(xué)模型

忽略汽車所承受的空氣阻力、側(cè)向風、彈性跳動、懸架以及輪胎彈性阻尼，將整個汽車視作一個剛體，同時假設(shè)制動過程中車輛行駛在水平無風的路面上，建立的1/2整車受力模型如圖1所示。

圖1 受力模型圖

由模型得制動微分方程：

以及力矩及旋轉(zhuǎn)運動微分方程:

(2)式中：Tμ1、Tμ2分別為汽車前后輪制動力矩；I1、I2分別為前后輪轉(zhuǎn)動慣量。由于汽車在車輪抱死拖滑時的運動方程為:

故在Simulink軟件中，建立整車動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 整車動力學(xué)模型

2.2 輪胎模型

采用魔術(shù)公式建立輪胎模型，該公式利用三角函數(shù)公式來擬合輪胎實驗數(shù)據(jù)，簡單描述力和力矩聯(lián)合作用情況，以及輪胎縱向附著系數(shù)與車輪滑移率之間關(guān)系：

(4)式中：μ為縱向摩擦系數(shù)；f為輪胎靜摩擦系數(shù)；E為曲率因子；s為滑移率；C為曲線形狀因子；B為剛度因子；D為峰值因子。

在車輪純滾動運動時， f等于摩擦因數(shù)，并且通常包括D、C 、B 、E。其中E是常數(shù)，且與道路情況有關(guān)。改變這些參數(shù)可以仿真不同路況的摩擦系數(shù)，建立的車輪動力學(xué)模型如圖3所示。模型由魔術(shù)公式模塊和滑移率計算模塊組成。

圖3 輪胎模型

2.3 制動系統(tǒng)模型

由結(jié)果追溯原因的方法是逆向的，其意義在于確保順向思維的正確性，旨在把握事物的因果聯(lián)系，提高預(yù)見性，培養(yǎng)多維度思考問題的能力。思想政治教育接受過程受到多種因子的影響，是各種要素有機結(jié)合、共同作用的結(jié)果。當代大學(xué)生面臨著國外環(huán)境瞬息萬變、國內(nèi)改革舉步維艱的情形，趕上了科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，迎接著意識形態(tài)日新月異的挑戰(zhàn)。他們是否具備優(yōu)良的思維能力與視角、思考維度與方式、行為判斷與選擇、實踐本領(lǐng)與才干、創(chuàng)新理念與才智，是決定其能否成為一名優(yōu)秀的現(xiàn)代化事業(yè)掌舵人的標準。歸因理論為當代大學(xué)生打開了思維轉(zhuǎn)換之門。

制動器的制動力矩Tμ為:

(5)式中：BFi為制動效能因數(shù)；P為制動器氣室壓力，Mpa；S為制動氣室膜片面積，mm2；K為力傳動比；R為制動盤作用半徑，mm；ηa為制動器的工作效率，通常取0.85。

制動執(zhí)行器可簡化成電磁閥模塊，以積分模塊形式體現(xiàn)，則傳遞函數(shù)為:

考慮到電磁閥反應(yīng)時間少于或等于0.1 s，故慣性系數(shù)取0.01，k取100。假設(shè)制動器是理想的，認為非線性部分很少且忽略其延遲影響，得：

Tμ=Fμr=kpp(7)

由此建立車輪制動動力學(xué)模型如圖4所示。模型以制動系統(tǒng)的信號為輸入，由制動系統(tǒng)輸出制動力矩到動力學(xué)模塊。車輪動力學(xué)模塊輸入制動力矩和減速度，輸出地面制動力到減速度計算模塊進行輸出減速度計算。

圖4 車輪制動動力學(xué)模型

3 仿真分析

在Simulink中，利用四階-五階Runge-Kutta算法進行，其中求解器Solver選擇ODE45，變步長計算，最大步長值為0.001。以80 km/l初速度為制動初始狀態(tài)，仿真運行結(jié)果如圖5所示。

a.前輪滑移率變化曲線

b.后輪滑移率變化曲線

c.車速與前輪輪速變化曲線

d.車速與后輪輪速變化曲線

e.整車減速度變化

f.制動距離變化

g.縱向附著系數(shù)與滑移率變化

對圖5仿真結(jié)果進行分析：

(1)由圖a與圖b可知，前后輪的滑移率均迅速升高至100 %，表明前后輪迅速抱死拖滑；且前輪抱死時間略微領(lǐng)先后輪抱死時間，符合預(yù)期結(jié)果。

(2)由圖c與d可知，前后輪輪速迅速下降為0，而車速在輪速降為0后勻速下降直至為0，表明車輪抱死導(dǎo)致減速度不變。

(3)由圖e可知，車輛減速度開始迅速增長至約-9 m/s2，然后迅速穩(wěn)定在-7.5 m/s2。

(4)由圖f可知，車輛以幾乎勻減速狀態(tài)進行減速最后在3.5 s左右完全制動，此時制動距離為42.16 m。

(5)由圖g可知，利用附著系數(shù)隨滑移率先增大，達到一個最大值后逐漸下降至0.72左右，且滑移率為0.2左右時，利用附著系數(shù)達到最大為0.9。

4 結(jié)論

本文以汽車電子機械制動系統(tǒng)為研究對象，以特定車型滿載運行工況為例，基于Simulink軟件建立了整車、輪胎和制動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，完成了制動性能分析，驗證了抱死拖滑的制動效果及其影響，得到了制動減速度變化、制動距離和附著系數(shù)值等制動效能參數(shù)。分析表明，該制動系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

[1] 彭曉燕. 汽車線控制動系統(tǒng)安全控制技術(shù)研究M].長沙：湖南大學(xué),2013.

[2] Frank Schumann,Boennigheim.Electromechanical Wheel Brake Device.US,6305508[P], 2001-10-23.

[3] 張猛.電子機械制動系統(tǒng)EMB式驗臺的開發(fā)[M].北京:清華大學(xué),2004.

[4] 譚樹梁.輕型汽車電子機械制動執(zhí)行器及硬件在環(huán)試驗臺研究[M].長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,2008．

[5] 黃淵芳.電子機械制動系統(tǒng)(EMB)試驗臺的開發(fā)與應(yīng)用研究[M].南京:南京航空航天大學(xué),2007.

[6] 趙春花.汽車電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計研究[M].南京：南京理工大學(xué),2009.

[7] 熊璐,佘卓平,張立軍,等.車用電制動器(EMB)樣機設(shè)計[J].汽車技術(shù),2005,(8):15-18.

Dynamic Simulation Analysis of Automobile Electronic Mechanical Braking System

LI Dianmin

(Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade, HuainanAnhui232001)

Research on the braking performance of automobile electronic mechanical braking system is a new task faced by the new energy electric vehicles. This paper made the full load operation as object, established the dynamics models of the vehicle, tire and brake system based on simulink, and completed the braking performance analysis, verified the braking effect and influence of locking and sliding, and got the braking performance parameters of the change of braking deceleration, braking distance and adhesion coefficient values. Analysis results showed that the braking performance of the system was stable.

Electronic mechanical braking; Simulink; Dynamic model; Braking performance

2016-11-18

李電敏(1978-)，女，安徽淮南人，碩士，講師，研究方向為機電工程，電話：13721159519。

U463.5

B

1671-4733(2016)06-0004-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.06.002