基于AMESim的汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)性能研究

鄧紅星，王憲彬

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040)

防抱制動(dòng)系統(tǒng)(Antilock Braking System，簡(jiǎn)稱ABS)是車(chē)輛主動(dòng)安全領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。但是對(duì)ABS控制性能有重要影響的許多參數(shù)，如車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)特征參數(shù)研究、壓力傳遞特征分析，大多數(shù)學(xué)者尚屬初步研究，而且大部分研究沒(méi)有考慮到液壓管路的影響。如郭孔輝，等［1］在仿真研究中，認(rèn)為制動(dòng)管路中制動(dòng)液流量較小、液壓管路內(nèi)壁比較光滑，可以忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失。但在實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)試中，這種假設(shè)使仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)論存在較大差別。

1 波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置簡(jiǎn)介

汽車(chē)ABS是通過(guò)調(diào)節(jié)液壓管路中的壓力而達(dá)到防抱目的的，在其工作過(guò)程中，管路中形成了一定的壓力波動(dòng)。筆者在研究ABS制動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)設(shè)計(jì)一種波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置，可以在制動(dòng)管路中產(chǎn)生波動(dòng)效應(yīng)，與ABS產(chǎn)生相近的功效［2］。

波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置主要由柴油機(jī)單缸柱塞泵、電動(dòng)機(jī)、波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)和管件等組成。為了使制動(dòng)管路產(chǎn)生一定的壓力波動(dòng)，利用柱塞泵在泵油過(guò)程中的吸油、噴油的反復(fù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)管路油壓的控制。波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置在制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí)即開(kāi)始工作實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)制動(dòng)油壓［3-4］，實(shí)物臺(tái)架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置Fig.1 Device producing fluctuant load

2 基于AMESim的整車(chē)建模

2.1 制動(dòng)系統(tǒng)建模

結(jié)合波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的工作原理，在左前輪的輪缸與主缸的制動(dòng)管路上連接波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置，并按照波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立的基于AMESim制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2［5-6］。

圖2 安裝波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的制動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型Fig.2 Braking system model with device producing fluctuant load based on AMESim software

在制動(dòng)過(guò)程中，輪缸的壓力等于主缸與節(jié)流閥之間以及節(jié)流閥與制動(dòng)輪缸之間所有直管沿程壓力損失、局部壓力損失以及節(jié)流閥口前后之間的壓力差3者的疊加［7］。因此，假設(shè)制動(dòng)管路水平放置，以制動(dòng)主缸為起點(diǎn)，則距離主缸l的管路中壓力可以表示為［8］：

式中：ζ1為沿程阻力系數(shù)，雷諾數(shù)Re=為制動(dòng)管長(zhǎng)度，m;d為制動(dòng)管直徑，m;ρ為制動(dòng)液的密度，kg/m3;v為制動(dòng)液的平均流速，m/s;ζ為局部阻力系數(shù)。

節(jié)流閥口前后壓力差ΔPt可以表示為［1］：

式中：Qw為輪缸的流量;CT為由節(jié)流閥口形狀、制動(dòng)液性質(zhì)等因素決定的系數(shù);AT為節(jié)流閥口的通流截面積;K為由節(jié)流閥口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)。

制動(dòng)液平均流速v是流入輪缸的制動(dòng)液流量Qw的函數(shù)。因?yàn)樵谥苿?dòng)過(guò)程中制動(dòng)液的壓縮性和制動(dòng)器本身的彈性是形成輪缸動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的主要因素，所以根據(jù)流體力學(xué)理論，規(guī)定制動(dòng)輪缸流量的流入方向?yàn)檎紤]到制動(dòng)器剛度的影響，則輪缸的連續(xù)流量方程為［6］：

式中：Vw為制動(dòng)輪缸容積;Kw為輪缸的等效體積彈性模量。

2.2 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的建立

為進(jìn)行波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置與整車(chē)的聯(lián)合仿真試驗(yàn)建立了以AMESim為基礎(chǔ)的雙軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖3。模型主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳動(dòng)系模型、車(chē)身模型、車(chē)橋模型和輪胎模型。

圖3 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Vehicle dynamics model based on AMESim software

為驗(yàn)證乘車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的正確性，筆者將進(jìn)行了與國(guó)際知名車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件veDYNA的典型直線加速減速工況的仿真對(duì)比。由圖4和圖5可以看出仿真結(jié)果較為接近可以用來(lái)進(jìn)行仿真研究。

圖4 veDYNA軟件仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of veDYNA software

圖5 AMESim軟件仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of AMESim software

3 仿真分析

圖6和圖7為整車(chē)模型聯(lián)合波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的仿真結(jié)果。圖6中的實(shí)線和虛線分別為波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)車(chē)輛的制動(dòng)距離。由圖6的結(jié)果可以看出當(dāng)波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置作用時(shí)，制動(dòng)距離縮短了約1.8 m。圖7給出了在制動(dòng)過(guò)程中4個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)管路中的壓力。

圖6 車(chē)輛制動(dòng)距離的的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of braking distance

圖7 制動(dòng)管路中的壓力Fig.7 Simulation results of braking line pressure

為了驗(yàn)證整套模型的正確性和波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的實(shí)際工作效果，在BOSCH-SDL26型汽車(chē)性能檢測(cè)線上進(jìn)行了波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的實(shí)車(chē)試驗(yàn)。

圖8和圖9分別為實(shí)車(chē)檢測(cè)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)畫(huà)面截圖。波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 rev/min。由截圖可以看出在制動(dòng)過(guò)程中，波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置能夠在制動(dòng)管路中產(chǎn)生波動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而使制動(dòng)力產(chǎn)生波動(dòng)。而且在波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置作用和過(guò)程中，制動(dòng)力波動(dòng)平緩，未出現(xiàn)制動(dòng)力驟增的現(xiàn)象。

圖8 波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置打開(kāi)時(shí)的前輪制動(dòng)力Fig.8 Front wheel braking force when the device producing fluctuant load turns on

圖9 波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置關(guān)閉時(shí)的前輪制動(dòng)力Fig.9 Front wheel braking force when the device producing fluctuant load turns off

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用AMESim軟件建立了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置模型，并分析了波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置在制動(dòng)過(guò)程中的作用，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的實(shí)際效果，可以看出波動(dòng)負(fù)載發(fā)生裝置的研發(fā)為研究車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)提供了一種新方法。

［1］郭孔輝，劉溧，丁海濤，等.汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(tǒng)的液壓特性［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999，29(4)：1-5.Guo Konghui，Liu Li，Ding Haitao，et al.A study on hydraulic characteristics of anti-lock braking system［J］.Journal of Jilin University of Technology：Natural Science，1999，29(4)：1-5.

［2］Deng Hongxing，Zhang Wenhui，Wang Xianbin.Device Producing Fluctuant Load of ABS in Automobile［C］//Proceedings of 2010 WASE International Conference on Information Engineering.Beid-aihe，China：IEEE Conference Publications，2010：448-451

［3］鄧紅星，關(guān)強(qiáng).汽車(chē)ABS波動(dòng)效應(yīng)負(fù)載發(fā)生裝置的研制［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(12)：49-50，56.Deng Hongxing，Guan Qiang.Device producing fluctuant load of ABS in automobile［J］.Journal of Northeast Forestry University，2008，36(12)：49-50，56.

［4］鄧紅星，關(guān)強(qiáng).汽車(chē)防抱制動(dòng)管路波動(dòng)效應(yīng)負(fù)載發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(4)：159-161.Deng Hongxing，Guan Qiang.Device design of producing fluctuant load in automobile anti-lock braking pipeline［J］.Transport Standardization，2009(4)：159-161.

［5］鄧紅星.基于AMESim的汽車(chē)制動(dòng)管路波動(dòng)效應(yīng)仿真［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37(10)：105-107.Deng Hongxing.Simulation on fluctuation effect of automobile brake Line based on AMESim［J］.Journal of Northeast Forestry University，2009，37(10)：105-107.

［6］鄧紅星.汽車(chē)ABS制動(dòng)管路壓力波動(dòng)特性試驗(yàn)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37(12)：122-123.Deng Hongxing.Pressure fluctuation test on ABS braking pipelines［J］.Journal of Northeast Forestry University，2009，37(12)：122-123.

［7］鄧紅星.汽車(chē)制動(dòng)管路壓力波動(dòng)效應(yīng)研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2009：17-21.Deng Hongxing.Analysis of Pressure Fluctuant Effect in Automobile Braking Line［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2009：17-21.

［8］李洪人，陳照弟.新的液壓管路分段集中參數(shù)鍵圖模型及其試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36(3)：61-64.Li Hongren，Chen Zhaodi.New sectional concentrated-parameter model using bond graphs for hydraulic pipelines［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2000，36(3)：61-64.