基于Carsim的車輛制動防抱死過程分析

杜春臣，張文廣，周孫鋒

（長安大學 汽車學院，陜西西安 710054）

0 引 言

車輛制動性是汽車的主要性能之一，制動性能的好壞直接關(guān)系到道路交通安全。重大交通事故往往與制動距離太長，緊急制動時發(fā)生側(cè)滑等情況有關(guān)，良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。車輛制動性能不僅取決于較短的制動距離和較好的抗熱衰退性，還要保證汽車的方向穩(wěn)定性。即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑，以及不能失去轉(zhuǎn)向能力。最理想的制動情況是任何車輪不抱死，前后車輪都處于滾動狀態(tài)，這樣可以確保最佳的制動效果。車輪制動防抱死裝置（ABS）能有效地將制動器制動力調(diào)節(jié)到適應輪胎——地面所能提供的附著力，防止車輪在緊急制動過程中抱死，從而提高車輛的制動穩(wěn)定性。

車輛的行駛過程是一個比較復雜的動態(tài)過程，每個車輪接觸地面所提供的附著系數(shù)不盡相同，尤其是在冰雪道路等明顯分離摩擦系數(shù)的路面。在傳統(tǒng)的車輛制動防抱死仿真中，一般將 4輪模型簡化為單一車輪模型來研究車輪的制動距離和滑移率，驗證制動防抱死控制算法的可靠性，從而忽略了在分離摩擦系數(shù)的路面上，整車的行駛狀態(tài)。文中通過 CarSim軟件建立整車動力學模型（S函數(shù)），在Simulink環(huán)境中對車輛動力學模型進行制動防抱死控制，以分析ABS對于車輛整體制動性能的影響。

1 制動過程車輪運動特性

汽車在制動過程中，車輪發(fā)生打滑現(xiàn)象，主要是由于地面附著力滿足不了車輛提供的制動壓力。因此，要實現(xiàn)最佳制動壓力的控制，必須了解地面附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系，而且不同的路面條件有不同的附著系數(shù)。地面附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系見圖1。圖1中縱向附著系數(shù)φB和橫向附著系數(shù) φS分別代表相對應滑移率下地面所能提供給車輪的最大縱向力和橫向力。地面提供的縱向附著力使車輛減速，橫向附著力防止車輛發(fā)生側(cè)滑。

當縱向附著力和橫向附著力達到最佳時，才可以獲得最佳的制動效能。研究發(fā)現(xiàn)，將滑移率控制在10%～30%內(nèi)，制動效果最好。因此，通常把 20%的滑移率稱為理想滑移率或最佳滑移率。文中設計的仿真系統(tǒng)中滑移率控制范圍為18%～22%。

ABS的基本控制原理是通過車載傳感器監(jiān)測車輛在制動過程中車輪的狀態(tài)，通過電控單元（ECU）對輪速、車速、加減速度及滑移率等重要參數(shù)進行計算、分析、比較，根據(jù)這些參數(shù)使用閾值控制方法，對制動壓力發(fā)出增壓、保壓或減壓的控制指令，通過控制制動壓力來控制汽車制動過程中的車輪運動狀態(tài)，使車輪保持在最佳制動狀態(tài)，達到獲得最佳制動力的效果。

為達到仿真可行性與可信度的統(tǒng)一，利用CarSim軟件建立整車4輪模型，在分離摩擦系數(shù)的條件下，通過控制每個車輪的制動壓力，實現(xiàn)車輛4輪的防抱死，研究車輛在制動過程中的最佳制動性能。

2 CarSim整車模型

Carsim 是由美國機械仿真公司（the Mechanical Simulation Corporation，MSC）于1996年研發(fā)，面向特性的參數(shù)化建模車輛動力學仿真軟件。主要用來模擬不同路面情況下汽車的制動、加速和轉(zhuǎn)向盤調(diào)整，通過三維動畫和曲線直觀地分析汽車的各種響應。

Carsim軟件結(jié)合了傳統(tǒng)的車輛動力學與現(xiàn)代的多體動力學建模方法，將車輛進行抽象簡化，如圖2。主要包括1個車體部分，4個簧下質(zhì)量部分，4個旋轉(zhuǎn)車輪部分和1個發(fā)動機曲軸部分。通過傳動系和制動系來確定對車輪的驅(qū)動和制動，通過轉(zhuǎn)向系特性和懸架 K&C特性綜合考慮車輪的轉(zhuǎn)向運動，最終確定輪胎的運動量，進而用輪胎模型確定輪胎力。

車輛在低附著系數(shù)、分離摩擦系數(shù)等路面上行駛時突然制動，引起側(cè)滑和甩尾是非常危險的工況。CarSim提供了精確的輪胎制動模型，可以對4個輪胎進行差動制動控制，如圖3所示。差動制動也稱主動制動控制（Active Braking Control）。它是根據(jù)需要對不同車輪施加不同的制動力來改變車輛的運動狀態(tài)的一種主動控制方法。利用差動制動方式進行汽車穩(wěn)定性控制，尤其是輪胎附著極限下的穩(wěn)定性控制是最為合適的。

該界面定義了車輛制動系統(tǒng)的一些性能參數(shù)，具體包括：制動力矩曲線，制動壓力分配比例曲線，流體動力學時間常數(shù)，流體傳遞滯后，ABS關(guān)閉和開啟的滑移率門限值，ABS最低工作車速。

3 建立仿真模型

在CarSim中設置的車輛仿真參數(shù)如表1所示。

表1 車輛仿真參數(shù)

滑移率 s計算的準確性直接關(guān)系到整個仿真正確性，根據(jù)滑移率的定義公式：可知，車輛在制動過程中，需要通過車速、輪速來判斷車輪狀態(tài)，進而通過控制制動液壓缸的壓力來調(diào)節(jié)車輪運動狀態(tài)。因此，在CarSim中建立整車模型后，將CarSim的輸出變量依次定義為：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）。Simulink根據(jù)CarSim的輸出信號，設置車輛ABS控制策略和仿真制動過程車輪運動狀態(tài)，整體仿真模型如圖 4所示。在制動過程中車輪接受液壓缸的制動力矩，要防止車輪抱死，即要控制作用在車輪上的壓力。因此，將 4個車輪的輪缸壓力作為 CarSim的輸入變量。其順序依次為：IMP_PBK_L1（左前輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_R1（右前輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_L2（左后輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_R2（右后輪缸壓力/MPa）。

4 仿真結(jié)果

利用CarSim建立精確的4輪整車模型，通過Simulink設計控制策略，主要完成車輪防抱死系統(tǒng)在制動過程中對提高車輛制動性能的仿真。包括車輪側(cè)滑角、車速與輪速、制動壓力、車輪轉(zhuǎn)角等參數(shù)。通過有無ABS兩種情況的制動過程比較，驗證了車輪防抱死對于提高車輛制動時穩(wěn)定性的作用。具體圖形曲線與結(jié)果分析如圖 5～圖8所示。

從以上各圖可以看出，在分離摩擦系數(shù)的路面上，車輛開始制動時，無 ABS的車輛，車輪很快抱死，車輪側(cè)滑角迅速變化，車輛開始出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。相反，在有 ABS防抱死的作用下，車輪壓力變化緩慢，輪速始終圍繞車速變化，即車輪沒有發(fā)生抱死，達到最佳的制動性能，使車輛穩(wěn)定地迅速制動。

5 結(jié) 論

通過CarSim和Simulink相結(jié)合的仿真方法，可以有效地模擬真實車輛的制動過程，比較真實地反映了ABS系統(tǒng)實際的工作情況。仿真分析表明，ABS不僅縮短車輛制動距離，而且對于車輛制動時的穩(wěn)定性也有很大提高。從仿真動畫中可以看到加裝ABS的車輛在制動時向相鄰車道有一定的偏移，這與仿真模型的精度、控制策略的效果，以及明顯的分離摩擦系數(shù)路面有關(guān)。從整體來看，仿真結(jié)果具有實用性價值，為進一步研究汽車動力學性能提供了有效的手段。

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