新一代輪式機動平臺制動性能影響因素分析

陳晉市 劉思遠 張美榮 王同建 霍東陽 張飛

摘? ?要：為了確保新一代輪式機動平臺的安全性、合理性，研究制動系統中關鍵制動元件對新一代輪式機動平臺制動性能的影響，以某型號8×8全電驅動越野車開發(fā)的新一代輪式機動平臺全液壓制動系統為研究對象，建立了雙回路腳制動閥和繼動閥理論分析模型，運用AMESim軟件建立了新一代輪式機動平臺全液壓制動系統仿真模型，分析了腳制動閥閥芯遮蓋量、上彈簧剛度及復位彈簧初始壓縮量對制動性能的影響，并通過實驗驗證了仿真模型的準確性. 分析結果表明：隨著上彈簧剛度增加、復位彈簧初始壓縮量減小，輸出制動力增大，響應時間增長;隨著腳制動閥閥芯遮蓋量減小，平衡時上彈簧壓縮量增大，輸出制動力增大;輸出制動力受閥芯遮蓋量、上彈簧剛度的影響比較敏感，響應時間受上彈簧剛度的影響比較敏感. 理論模型和仿真模型為新一代輪式機動平臺性能調節(jié)及進一步優(yōu)化提供可靠依據.

關鍵詞：全液壓制動系統;仿真分析;腳踏閥;繼動閥;實驗驗證

中圖分類號：TH137.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Analysis on Influencing Factors on Braking Performance

of New Generation Wheel Motor Platform

CHEN Jinshi1，2，LIU Siyuan1，ZHANG Meirong3，WANG Tongjian1?，HUO Dongyang1，ZHANG Fei3

（1. School of Mechanical and Aerospace Engineeringr，Jilin University，Changchun 130025，China;

2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，China;

3. Inner Mongolia First Machinery Group Co Ltd，Baotou 014000，China）

Abstract：In order to ensure the safety and rationality of the new generation wheeled mobile platform and to study the influence of the key brake elements in the braking system on the braking performance of the new generation wheeled mobile platform，a theoretical analysis model of the two-loop foot brake valve and the relay valve is established based on the new-generation hydraulic brake system developed by a model 8×8 full-electric drive off-road vehicle. Based on AMESim software，a simulation model of a new generation of full-hydraulic brake system of wheeled mobile platform is established. The influence of cover quantity，stiffness of upper spring and initial compression of reset spring on braking performance is analyzed，and the accuracy of the simulation model is verified by experiments. The analysis results show that the output braking force increases and the response time increases as the stiffness of the upper spring increases and the initial compression of the reset spring decreases; As the cover of the valve core of the foot brake valve decreases，the compression of the upper spring increases during balance and the output braking force increases; The output braking force is sensitive to the cover of the valve core and the stiffness of the upper spring，and the response time is sensitive to the stiffness of the upper spring. The theoretical model and the simulation model provide reliable basis for the performance adjustment and further optimization of the new generation wheeled mobile platform.

Key words：full hydraulic braking system;simulation analysis;foot valve;relay valve;experimental verification

近年來，在能源與環(huán)保成為時代主題的背景下，電驅動車輛以其噪聲小、無污染、能量轉化率高等優(yōu)點越來越受到國內外汽車行業(yè)的親睞[1-2]，全液壓制動系統是確保電驅動車輛安全性、可靠性的重要子系統之一，并且由于其結構緊湊、響應迅速、回路簡單等特點成為輪式車輛的首要選擇[3-5]，其特性匹配及影響因素研究越來越受到重視. 然而我國全液壓制動系統起步較晚，相關研究資料并不完整，較國外仍有不小差距.

而國外全液壓制動系統起步較早，已取得了很多的成果，Tota Antonio等人建立了兩種啟發(fā)式算法和模型預測控制方法，研究了帶有液壓再生制動系統的鉸接式車輛的燃油消耗[6];Triet Hung Ho等人基于閉環(huán)靜液壓傳動系統，分析了液壓蓄能系統的能量利用率以及對系統能量回收潛力的影響[7];William JB Midgley等人構建了盤式制動器組件和車輪的動力學模型，給出了液壓制動的極限制動結構[8];Ramakrishnan等人建立了液壓、電力協同系統的AMESim模型，實施了以能源為核心的控制策略，實現了最大的液壓再生能量和再生效率[9].

在國內，黃春奎等人通過硬件在環(huán)（HIL）模擬液壓調制器和智能控制器的性能及路面情況，提出了一種用于摩托車的全液壓防抱死系統[10];韋建龍設計了一套礦用車輛智能穩(wěn)速聯合制動電液系統，實現了礦用車輛行駛速度的自適應智能控制，降低了車輛故障率[11];黃世健等人建立了卡鉗需液量的數學模型，基于Labview分析了制動軟管對需液量的影響[12];徐衛(wèi)潘等人運用LS-DYNA軟件搭建了越野車輪胎模型，分析了不同路面下滑移率與牽引力之間關系[13].

然而，現有的研究大多集中在單一元件的特性分析，或者對這個系統的驗證、優(yōu)化分析上，基于特定元件關鍵參數對整體系統影響的研究尚不充分. 因此，本文以某型號8×8全電驅動越野車開發(fā)的新一代輪式機動平臺為研究對象，基于雙回路腳制動閥和繼動閥理論分析模型，建立了新一代輪式機動平臺全液壓制動系統的AMESim仿真模型，模擬不同參數下的制動情況，采用理論分析、動態(tài)仿真和實驗驗證相結合的方法，分析了不同參數下新一代輪式機動平臺全液壓制動系統的制動性能，為新一代輪式機動平臺性能調節(jié)及進一步優(yōu)化提供可靠依據.

1? ?新一代輪式機動平臺全液壓制動系統原理

1.1? ?電控狀態(tài)下全液壓制動

制動踏板不動作時，電液比例伺服閥和繼動閥沒有信號輸入，均保持在圖1所示初始位置，制動缸內的油液經電液比例閥和繼動閥流回油箱，制動缸在復位彈簧的作用下回縮，沒有制動力輸出. 踩下制動踏板后，集成在制動踏板中的傳感器的輸出信號發(fā)送至控制器，控制器根據此信號控制電液比例伺服閥，壓力油便由蓄能器輸出壓力到達梭閥的一個油口;腳制動閥輸出的壓力油作為繼動閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下，將繼動閥打開，壓力油便由蓄能器直接經過繼動閥后到達梭閥的另一個油口，梭閥自動選擇兩者中的高壓進入制動缸. 此時，為保證制動力大小受電液比例伺服閥控制，在控制算法中應使比例伺服閥的輸出大于繼動閥的輸出壓力.

1.2? ?非電控狀態(tài)下全液壓制動

踩下制動踏板后，腳制動閥輸出的壓力油作為繼動閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下，將繼動閥打開，壓力油便由蓄能器直接經過繼動閥，再經過梭閥進入制動缸，制動力的大小與制動踏板力呈比例關系. 同時繼動閥輸出壓力經過閥芯上的通道反饋至閥芯下端，此壓力產生的液壓力與彈簧力共同與先導控制口PP壓力產生的液壓力平衡，當二者相等時，繼動閥關閉，保持輸出壓力.

2? ?關鍵元件特性理論分析

2.1? ?雙回路腳制動閥特性理論分析

雙回路腳制動閥作為保證全液壓制動系統的操縱性和安全性的關鍵元件[14]，其結構如圖2所示. 當腳制動閥處于自由狀態(tài)時，P口封閉，制動壓力輸出口A與油箱口T接通，無壓力輸出;當踏板最初被踏動時，制動閥芯處于空行程階段，油箱口對制動口關閉，制動壓力輸出仍為零;當在踏板上的腳踏力增加時，該力通過頂桿壓縮上彈簧產生彈簧力，該彈簧力大于下面的復位彈簧的彈簧力時，兩個閥芯向下移動，蓄能器壓力口P對制動壓力輸出口A打開，正常輸出制動壓力，A口輸出壓力分別通過兩個閥芯上的相應通道反饋至兩個閥芯下端產生液壓力，液壓力與下面的彈簧力與上面的彈簧力平衡時，所有閥口關閉，A口輸出壓力保持不變.

當前后橋均輸出制動力時，雙回路腳制動閥輸出理論特性為：

式中：mq和mh分別為前、后橋制動閥芯質量，g;Cq和Ch分別為前、后橋閥芯阻尼，N/（m·s-1）;Ks和KF分別為上彈簧和復位彈簧剛度，N/mm;xs和xF分別為上彈簧和復位彈簧變形量，mm;pq和ph分別為前后橋輸出壓力，MPa;Aq和Ah分別為前后橋閥芯橫截面積，mm2;xs0和xF0分別為上彈簧和復位彈簧初始壓縮量，mm. 可以看出xs和xF、xs0和xF0、Ks和KF是影響輸出制動力的因素，其中Ks、xs0值極小影響可以忽略，而xs不是直接變量而是一個因變量其變化受閥芯遮蓋量影響，因此閥芯遮蓋量、上彈簧剛度及復位彈簧初始壓縮量是影響腳制動閥輸出壓力的重要因素.

2.2? ?繼動閥特性理論分析

繼動閥作為保證全液壓制動系統的響應迅速、壓力平穩(wěn)的關鍵元件[15]，其結構如圖3所示. P口與蓄能器相連，控制口PP接腳踏閥出口，當腳踏閥不工作時，PP口無制動壓力，繼動閥不開啟;當腳踏閥工作時，輸出壓力到達PP口后推動閥芯移動，經過一段空行程后閥芯打開，同時輸出壓力經過反饋通道到達反饋腔，當PP口壓力與反饋壓力及彈簧力平衡時，閥口關閉，保證B口輸出壓力不變.

式中：m為閥芯質量;C為閥芯阻尼，N/（m·s-1）; A為閥芯橫截面積，mm2;KF為復位彈簧剛度，N/mm;pc和ppp分別為反饋壓力和PP口先導壓力，MPa; xF0為復位彈簧初始壓縮量，mm;xF為復位彈簧變形量，mm. 可以看出xF0、xF、ppp是影響系統輸出的因素，但是xF0、xF值極小影響可以忽略，且ppp是由腳踏閥輸出口壓力決定的，因此腳制動閥閥芯遮蓋量、上彈簧剛度及復位彈簧初始壓縮量是影響系統輸出的關鍵因素.

綜上所述，本文將對腳制動閥閥芯遮蓋量、腳制動閥上彈簧剛度、腳制動閥復位彈簧初始壓縮量3個參數對系統的影響進行分析.

3? ?仿真分析與實驗研究

3.1? ?仿真分析

新一代輪式機動平臺全液壓制動系統分為電控狀態(tài)下全液壓制動和非電控狀態(tài)下全液壓制動兩種工況.其中電控狀態(tài)下全液壓制動由比例伺服閥、繼動閥、腳踏閥、梭閥、制動缸并聯組成;非電控狀態(tài)下全液壓制動由繼動閥、腳踏閥、制動缸串聯組成. 現階段針對流體仿真工作分為MATLAB /Simulink聯合仿真和AMESim仿真兩個方向，但前者優(yōu)勢在于解決控制策略的調整以及系統尋優(yōu)問題，針對具體液壓元件主要參數的影響考慮尚不全面，且計算速度較慢[16-17];而后者對液壓系統的關鍵元件無論從結構類型還是主要參數、計算形式都進行了專業(yè)處理[18]. 因此本文運用專業(yè)液壓流體仿真軟件AMESim的HCD庫、HD庫、信號庫搭建了新一代輪式機動平臺全制動系統的仿真模型，如圖4所示.

仿真分析兩種全液壓制動狀態(tài)下，前橋蓄能器充液壓力0 MPa，充氣壓力10 MPa，體積2 L;后橋蓄能器充液壓力19 MPa，充氣壓力10 MPa，體積2 L;腳制動閥上彈簧剛度175 N/mm;后橋閥芯遮蓋量5 mm;繼動閥復位彈簧剛度2 N/mm.快速踩下制動踏板（即0.1 s踩下制動踏板），保持0.8 s的時間，抬起制動踏板的全過程.仿真曲線如圖5所示，電控狀態(tài)下穩(wěn)定仿真輸出為12.84 MPa，非電控狀態(tài)下穩(wěn)定仿真輸出為11.50 MPa.

3.2? ?實驗研究

為了節(jié)約實驗成本，減小實驗場地，便捷采集數據，采用臺架實驗法進行兩種全液壓制動狀態(tài)下的實驗研究. 同時為保證實驗與仿真的一致性，實驗采用充液壓力19 MPa、充氣壓力10 MPa、體積2 L的蓄能器為后橋供能，同時前橋蓄能器關閉，踩下制動踏板時確保信號輸入為1 s，并按仿真中管路設置長度布置實驗管路.實驗布置如圖6所示，實驗結果如圖7所示.電控狀態(tài)下實驗仿真輸出為12.84 MPa，非電控狀態(tài)下穩(wěn)定仿真輸出為11.80 MPa.

仿真與實驗結果對比如表1所示. 可以看出，在兩種制動方式下無論是輸出壓力還是輸出壓力變化趨勢，以及輸出壓力的最大超調量基本相同，超調量

的細微差異主要是因為腳踏閥上彈簧剛度過大在測量過程中存在較大誤差以及上彈簧AMESim子模型中接觸剛度參數設置不準確造成的;而實驗曲線的輕微抖動，主要是在踩下制動踏板時人為因素導致的. 總的來說，仿真過程復現了兩種制動方式下的輸出特性，仿真模型具有高度可靠性.

4? ?新一代輪式機動平臺關鍵參數影響分析

由于腳踏閥無論雙回路影響特性還是單回路影響特性，其影響因素相同，影響方式一致，考慮計算求解方便、快捷，采用單回路形式進行以下分析.

4.1? ?腳制動初始遮蓋量對制動性能的影響

運用圖4的仿真模型，分別設置腳踏閥后橋遮蓋量為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，其它參數不變，在0.5 s、2.5 s、4.5 s、6.5 s、8.5 s時踩下制動踏板進行5次全液壓制動，仿真結果如圖8所示.

可以看出，遮蓋量越小每進行一次制動蓄能器壓降越大、輸出制動壓力越大，且遮蓋量為3 mm、4 mm、5 mm時均滿足大于12.5 MPa的制動力要求，而遮蓋量為6 mm時輸出制動壓力明顯不足.為進一步探究遮蓋量影響，分別分析不同遮蓋量下腳踏板位移與輸出制動力關系和腳踏板位移與上彈簧壓縮量關系，如圖9、圖10所示，遮蓋量直接影響上彈簧壓縮量，遮蓋量越大腳制動閥的空行程越大平衡時上彈簧壓縮量越小，導致輸出制動力越小. 數據對比如表2所示.

4.2? ?腳制動閥上彈簧對制動性能的影響

運用圖4的仿真模型，分別設置腳踏閥上彈簧剛度為155 N/mm、165 N/mm、175 N/mm、185 N/mm，其他參數不變，在0.5 s、2.5 s、4.5 s、6.5 s、8.5 s時踩下制動踏板進行5次全液壓制動，仿真結果如圖11所示.

可以看出，上彈簧剛度越大每進行一次制動蓄能器壓降越大、輸出制動壓力越大，且輸出制動壓力隨剛度增大呈線性變化，剛度為175 N/mm、185 N/mm時均滿足大于12.5 MPa的制動力要求.如圖12所示，將前兩組制動放大，可以看出，增加剛度來提升輸出制動力時響應時間也隨之增加. 數據對比如表3所示.

4.3? ?腳制動閥復位彈簧初始壓縮量對制動性能的? ? ? ? 影響

運用圖4的仿真模型，分別設置腳踏閥復位彈簧初始壓縮量為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，其它參數不變，在0.5 s、2.5 s、4.5 s、6.5 s、8.5 s時踩下制動踏板進行5次全液壓制動，仿真結果如圖13、圖14所示.

可以看出，復位彈簧初始壓縮量越小每進行一次制動蓄能器壓降越大、輸出制動壓力越大，且輸出制動壓力隨壓縮量增大呈線性變化，但與上彈簧剛度變化對輸出制動力的影響相比較弱，4組實驗均滿足大于12.5 MPa的制動力要求;減小復位彈簧初始壓縮量來提升輸出制動力時響應時間也隨之增加，但與上彈簧剛度變化對響應時間的影響相比較弱. 數據對比如表4所示.

綜上所述，上彈簧剛度、復位彈簧初始壓縮量共同影響輸出制動力和響應時間，腳制動閥芯遮蓋量通過影響上彈簧平衡時的壓縮量影響輸出制動力;隨著上彈簧剛度增加、復位彈簧初始壓縮量減小，輸出制動力增大，響應時間增長;隨著腳制動閥遮蓋量減小，導致腳制動閥的空行程減小、平衡時上彈簧壓縮量增大，最終導致輸出制動力增大;腳制動閥閥芯遮蓋量、上彈簧剛度對輸出制動力影響較大;上彈簧剛度變化對響應時間的影響較大;上彈簧剛度變化、復位彈簧初始壓縮量變化與輸出制動力變化成線性關系;與理論分析結果一致.

5? ?結? ?論

本文依據理論分析、臺架實驗、仿真對比三者結合的研究方法，分析了關鍵元件參數對新一代輪式機動平臺制動性能的影響，具體結論如下.

1）建立了雙回路腳制動閥和繼動閥理論模型，理論分析結果表明，腳踏閥閥芯遮蓋量、腳踏閥上彈簧剛度、腳踏閥復位彈簧初始壓縮量是影響制動性能的主要參數;

2）利用AMESim專業(yè)液壓流體仿真軟件建立了新一代輪式機動平臺全液壓制動系統仿真模型，仿真與實驗結果的相似性驗證了模型的正確性;

3）通過分析不同參數下仿真數據，分析腳踏閥閥芯遮蓋量、腳踏閥上彈簧剛度、腳踏閥復位彈簧初始壓縮量對新一代輪式機動平臺的影響，為今后新一代輪式機動平臺的性能調節(jié)和優(yōu)化提供參考.

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