一種線控制動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及仿真

陳志強(qiáng)，常思勤

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

車輛制動(dòng)系統(tǒng)是保證車輛安全行駛的重要系統(tǒng)之一，對(duì)于汽車安全的技術(shù)研究，各大汽車公司以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者從未停止過(guò)。當(dāng)前，應(yīng)用于車輛上的制動(dòng)系統(tǒng)是技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的液壓制動(dòng)系統(tǒng)。然而，隨著車輛安全性能要求的逐步提高，傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得相當(dāng)復(fù)雜，并且制造和維護(hù)的難度增加，這就推動(dòng)了簡(jiǎn)單、全面、可靠制動(dòng)系統(tǒng)的研究發(fā)展。線控制動(dòng)是近些年來(lái)車輛制動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，代表著未來(lái)車輛制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的新方向，其主要包含兩個(gè)方面：電子液壓制動(dòng)(EHB) 與電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)。

對(duì)于電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)與學(xué)者做了許多突破性的研究。通用汽車、Analogy、BOSCH等公司在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研發(fā)相關(guān)的EHB系統(tǒng)樣件，并在實(shí)車試驗(yàn)中得到了理想的制動(dòng)效果。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，BOSCH等主要廠商都陸續(xù)有成熟產(chǎn)品面世。國(guó)內(nèi)以學(xué)術(shù)為主，也對(duì)EHB做了許多試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1] 中建立了七自由度車輛仿真模型，并對(duì)所建立系統(tǒng)中的備用制動(dòng)、常規(guī)制動(dòng)與緊急制動(dòng)工況下整車的制動(dòng)性能進(jìn)行了分析與研究。ZHAO Jian等人提出一種基于eboost的主動(dòng)制動(dòng)壓力控制的四閉環(huán)算法。結(jié)果表明，所提出的控制算法能保證制動(dòng)液壓力精確跟蹤目標(biāo)值，具有良好的控制性能[2]。

對(duì)于電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代起，BOSCH、Siemens和Continental Teves等著名車輛電子零配件廠商就開(kāi)始了對(duì)EMB的研發(fā)與設(shè)計(jì)，且做了許多系統(tǒng)的仿真與實(shí)車試驗(yàn)的工作。意大利著名制動(dòng)系統(tǒng)公司布雷博更是研發(fā)了一套以電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)變速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)卡鉗的線控制動(dòng)系統(tǒng)，且預(yù)計(jì)在2020年投入批量生產(chǎn)[3]。國(guó)內(nèi)的吉林大學(xué)、清華大學(xué)以及同濟(jì)大學(xué)等高校對(duì)于EMB的研究也作了許多貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[4] 中對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，研發(fā)了一整套新型機(jī)電制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)響應(yīng)，最大限度地減小磨損差異，提高初始制動(dòng)力。劉剛則對(duì)于EMB的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究并且試制了關(guān)鍵的原理樣機(jī)[5]。

本文提出了一種以電磁直線執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的、高壓液壓源為基礎(chǔ)的線控制動(dòng)系統(tǒng)方案，并且利用AMESim及Matlab/Simulink兩個(gè)軟件建立了系統(tǒng)方案的聯(lián)合仿真模型，搭建了基于滑移率門限值控制的ABS仿真模型，以及在此基礎(chǔ)之上研究了與之匹配的三位高速開(kāi)關(guān)閥參數(shù)對(duì)ABS性能的影響，確定了三位高速開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間以及閥口截面積兩個(gè)重要參數(shù)。

1 系統(tǒng)方案與關(guān)鍵部件原理

1.1 系統(tǒng)方案

本文所提出的線控制動(dòng)系統(tǒng)布置方案以及整體框架如圖1所示。系統(tǒng)整體由踏板模擬器、主控制器、制動(dòng)系統(tǒng)控制器、高壓液壓源、三位高速開(kāi)關(guān)閥以及蓄能器等組成。其中，主控制器的功能可以根據(jù)實(shí)際需要情況來(lái)確定，只完成車輛制動(dòng)功能或者完成整車動(dòng)力學(xué)控制功能，在主控制器中集成EBD/ABS等控制算法。另外，考慮到制動(dòng)力的分配以及使系統(tǒng)具有一定程度的冗余性，在前后軸各分配一個(gè)高溫液壓源。

圖1 線控制動(dòng)系統(tǒng)方案

系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)工作模式后的流程如下：1)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板，由踏板感覺(jué)模擬器模擬出與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)相同的踏板感覺(jué)并反饋給駕駛員；2)系統(tǒng)中主控制器收集制動(dòng)踏板的行程以及踩踏速度等信息，并以此來(lái)識(shí)別出駕駛員的制動(dòng)意圖；3)將收集到的信息與制動(dòng)系統(tǒng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且進(jìn)行計(jì)算，由制動(dòng)系統(tǒng)控制器按照前后輪理想制動(dòng)力分配曲線給前后軸兩個(gè)液壓源提供相應(yīng)大小的電流；4)在電磁力的作用下推動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件以及柱塞往左運(yùn)動(dòng)，使液壓腔中制動(dòng)液升壓。最后通過(guò)三位高速開(kāi)關(guān)閥來(lái)控制制動(dòng)液流入制動(dòng)輪缸，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

1.2 關(guān)鍵部件原理

電磁直線執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換為電磁力并且避免使用機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。作為制動(dòng)單元的動(dòng)力提供單元，電磁直線執(zhí)行器的性能直接決定制動(dòng)單元的性能。其中，執(zhí)行器所能提供的最大電磁力為328N，且已經(jīng)試制了原理樣件并進(jìn)行了性能測(cè)試[6]。

三位高速開(kāi)關(guān)閥為系統(tǒng)中另一關(guān)鍵部件。兩端均由電磁鐵控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的增壓、保壓和減壓功能。此外，制動(dòng)油液經(jīng)過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的流量性能與閥口的形狀、入口與出口之間的壓力差、閥口的橫截面積、制動(dòng)液黏度以及雷諾數(shù)有關(guān)，用式(1)表示如下：

(1)

其中：Cq為最大流量系數(shù)，受閥口形狀的影響；A為閥口截面積；ρ為油液的密度；ΔP為進(jìn)出制動(dòng)油液的壓差；x為閥口濕周長(zhǎng)度；λc為制動(dòng)油液流動(dòng)雷諾系數(shù)；η0為制動(dòng)油液的動(dòng)力黏度。制動(dòng)液流量雷諾系數(shù)選擇為1 000。本次主要模擬研究了高速開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間以及閥口橫截面積在制動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。

2 聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 AMESim模型

在本次線控制動(dòng)系統(tǒng)的研究中，三位高速開(kāi)關(guān)閥是調(diào)節(jié)輪缸制動(dòng)壓力的重要部件，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在很大程度上決定ABS系統(tǒng)的控制性能。為了著重研究開(kāi)關(guān)閥在車輛線控緊急制動(dòng)ABS工作時(shí)的特性，將原理圖1簡(jiǎn)化為圖2所示的模型。圖中3為開(kāi)關(guān)閥控制器，是與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的接口。

1—柱塞；2—三位三通開(kāi)關(guān)閥；3—控制單元；4—制動(dòng)輪缸；5—油箱。 圖2 系統(tǒng)硬件模型組成

2.2 Simulink數(shù)學(xué)模型

Simulink中搭建的數(shù)學(xué)模型主要由三部分組成：車輛動(dòng)力學(xué)模型、輪胎模型和滑移率控制模型。

1)車輛動(dòng)力學(xué)模型

此次仿真模型采用了經(jīng)典的單輪車輛模型，能夠簡(jiǎn)潔明了地表現(xiàn)車輪的制動(dòng)情況，并且不用計(jì)算車輛的迎風(fēng)阻力和車輪的滾動(dòng)阻力，且認(rèn)為車輪的載荷是恒定值。行駛中的車輪整體受力情況如圖3所示，由經(jīng)典力學(xué)分析得出車輛動(dòng)力學(xué)方程：

(2)

(3)

車輛縱向摩擦力方程：F=μN(yùn)

(4)

圖3 車輛受力分析

由公式建立的仿真模塊如圖4所示。

圖4 車輛受力仿真模型

2) 輪胎模型

對(duì)于目前應(yīng)用于車輛仿真的輪胎模型，魔術(shù)公式與雙線性輪胎模型是最常用的兩種。本次采用了應(yīng)用比較廣泛的雙線性輪胎模型。數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(5)所示。

(5)

由公式在Simulink中搭建的仿真模塊如圖5所示。

圖5 輪胎模型

3)滑移率控制模型

有許多方法可以控制汽車的滑移率，典型控制方法有PID控制、邏輯門限值控制、模糊PID控制等。本次仿真采用的是邏輯門限控制算法，為了實(shí)現(xiàn)車輛良好的制動(dòng)效果，將最佳滑移率控制在0.15～0.20之間(干燥混凝土路面)。在當(dāng)前階段，邏輯門限控制是應(yīng)用于車輛上很成熟的技術(shù)。

建立的仿真模塊如圖6所示。

圖6 滑移率控制模型

由式(2)-式(5)以及滑移率控制方法，最終在Simulink中建立完整的基于滑移率控制的線控制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖7所示。

圖7 基于滑移率控制系統(tǒng)模型

3 系統(tǒng)ABS制動(dòng)過(guò)程仿真分析

針對(duì)乘用汽車，制動(dòng)系統(tǒng)的基本要求主要有：制動(dòng)性能高、平順性好以及方向穩(wěn)定性好。主要的技術(shù)參數(shù)有車輛制動(dòng)時(shí)間、最大制動(dòng)距離、車輛制動(dòng)減速度以及滑移率等。本次仿真以某款大眾捷達(dá)車輛為例，1/4質(zhì)量M= 388kg,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I= 0.87,車輪半徑R= 0.289m。在干混凝土路面上，模擬仿真了不同的高速開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間以及閥口橫截面積在車輛緊急制動(dòng)時(shí)的影響情況。獲得車速、輪胎線速度、車輛制動(dòng)距離和滑移率變動(dòng)曲線并且進(jìn)行比較分析，選擇最佳的電磁閥參數(shù)。系統(tǒng)其他重要參數(shù)如表1所示。

表1 線控制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

閥口截面積A是高速開(kāi)關(guān)閥的重要性能參數(shù)，經(jīng)過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)資料查閱得出開(kāi)關(guān)閥的閥口面積一般取值為0.5mm2～1.3mm2，對(duì)于三位高速開(kāi)關(guān)閥的驗(yàn)證過(guò)程，選取了幾個(gè)具有代表性的值進(jìn)行仿真。A的值依次取為0.5mm2、1mm2、1.3mm2。此外，仿真過(guò)程當(dāng)中對(duì)于三位高速開(kāi)關(guān)閥采用的不同響應(yīng)時(shí)間為：1.5ms、1ms、0.5ms,輪缸壓力取值為：11MPa、11.5MPa、12MPa。對(duì)于閥口截面積、響應(yīng)時(shí)間以及輪缸壓力在聯(lián)合仿真下作了3因素3水平的正交試驗(yàn)，選用L9(34)正交表，結(jié)果如表2所示。表中K1、K2、K3的值分別為1、2、3水平下的制動(dòng)距離之和。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)正交表分析可以得出，閥口截面積與輪缸壓力在選擇范圍內(nèi)越大，制動(dòng)距離越短，以截面積1.3mm2，輪缸壓力為12MPa最好。另外，只從響應(yīng)時(shí)間因素分析，響應(yīng)時(shí)間越短，制動(dòng)效果越好，但從整體數(shù)據(jù)分析，在閥口截面積為1.3mm2，輪缸壓力控制為12MPa，響應(yīng)時(shí)間為1ms時(shí)，制動(dòng)時(shí)間最短為2.87s，制動(dòng)距離也最短為36.09m，制動(dòng)結(jié)果最為理想，此因素下的仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)車輛的滑移率維持于理想值(0.2)附近，車輛在制動(dòng)過(guò)程當(dāng)中也未發(fā)生抱死拖滑現(xiàn)象，車輪具有良好的制動(dòng)性能。綜合分析結(jié)果，最終三位高速開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)時(shí)間選定為1ms，閥口截面積為1.3mm2。另外，與現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)相比，一方面，該系統(tǒng)省去了傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)“主缸升壓—傳遞壓力—輪缸升壓”的制動(dòng)模式，使制動(dòng)響應(yīng)更加迅速，從仿真結(jié)果可以看出，制動(dòng)減速度迅速達(dá)到最大值所需時(shí)間為0.1s左右(一般現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)需要0.15～0.3s)，縮短了制動(dòng)器起作用的時(shí)間。在現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)情況下，此款捷達(dá)汽車官方的制動(dòng)距離為40.86m(此系統(tǒng)仿真結(jié)果為36.09m)，縮短了制動(dòng)距離，提高了安全性能。另一方面，此系統(tǒng)取消了常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)中真空助力器以及部分液壓管路，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔化與模塊化。

圖8 截面積1.3 mm2、響應(yīng)時(shí)間1 ms的 仿真結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，總結(jié)如下：

1) 提出了一種新的線控制動(dòng)系統(tǒng)方案，搭建了基于AMESim與Simulink的單輪線控制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。通過(guò)聯(lián)合仿真與正交試驗(yàn)分析，電磁閥的響應(yīng)時(shí)間并不是越短性能越好。最終，確定了三位高速開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間為1 ms，閥口截面積為1.3mm2，為電磁閥下一步樣件試制提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2) 驗(yàn)證了該線控制動(dòng)系統(tǒng)用于某款乘用車上防抱死制動(dòng)(ABS)時(shí)，能夠提供快速、穩(wěn)定的制動(dòng)力，提高了車輛的制動(dòng)性能，并且與現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)相比，縮短了制動(dòng)器作用時(shí)間，制動(dòng)距離縮短，提高了行車安全性能，進(jìn)一步說(shuō)明了此線控制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

3) 考慮到該線控制動(dòng)系統(tǒng)以后能夠使用于工程應(yīng)用當(dāng)中，還需解決制動(dòng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括集成制動(dòng)力分配算法與電子穩(wěn)定控制程序等主動(dòng)安全控制算法，以及對(duì)系統(tǒng)冗余性問(wèn)題的考慮。