越野車ESP液壓系統動態特性研究

宋 杰，寇西征，鄭賢文，林光成，葉建偉

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

汽車電子穩定性程序 （Electronic Stability Pro gram，ESP）是改善汽車行駛性能的一種控制系統。因為ESP能較大提升車輛的主動安全水平，其在乘用車上的裝備量近些年急劇增加，而越野車由于自身結構和技術參數與乘用車差別較大，其底盤高、質心位置高且偏向車身中部的特點使得其行駛穩定性不易控制。目前，國內外學者對乘用車ESP進行了廣泛的研究，而對越野車ESP的研究較少，隨著越野車市場的迅猛發展，人們對越野車的操縱穩定性和安全性的要求越來越高，因此越野車ESP有廣闊的發展空間［1］。

ESP主要由液壓系統、傳感器和ECU組成，其工作性能和控制品質不僅與傳感器和ECU的控制邏輯有關，而且還與其液壓系統的動態特性緊密相連。ESP液壓系統作為執行機構，是一個在短時間內完成動態響應的高速響應系統，為保證ESP的工作可靠性和控制精度，而進行其液壓系統動態特性的研究是十分必要的［2］。

1 ESP液壓系統模型的建立

1.1 ESP液壓系統結構及工作原理

某典型ESP液壓系統結構如圖 1所示［3］，主要包含：制動主缸、制動輪缸、液壓調節器。ESP含有3種制動狀態：被動制動、半主動制動、全主動制動。其中全主動制動狀態是在車輛處于不穩定狀況，駕駛員未踩下制動踏板，ESP檢測到此時車輛所處的狀態，將轉換閥（USV）關閉，高壓開關閥（HSV）打開，電動機驅動回液柱塞泵（PE）轉動，液壓介質從制動主缸（和低壓蓄能器AC）經高壓開關閥（HSV）進入回液柱塞泵（PE），壓力升高后經高壓阻尼器和進液閥（EV）進入制動輪缸，產生足夠的制動壓力。高壓阻尼器可減弱油壓脈動。當車輛恢復到穩定行駛狀態后，排液閥（AV）打開，過高壓力的液壓介質經排液閥（AV）流入低壓蓄能器（AC），此時低壓蓄能器的液壓介質成為ESP下一次增壓的油源。在新的增壓過程中，液壓介質在回液柱塞泵（PE）的驅動下，從低壓蓄能器（AC）出發通過高壓阻尼器，進液閥（EV）再次進入制動輪缸。如此的增減壓循環直至系統退出ESP模式。

1.2 ESP液壓系統數學模型的建立

根據流體力學相關理論，建立ESP液壓系統主要模塊的數學模型，為ESP動態特性分析提供理論支撐［4］。

1.2.1 油泵模型

油泵模型是預壓單元中預壓泵和回液柱塞泵模型，輸出量為流量，輸入量為壓力。定義預壓泵和回液柱塞泵的排量和驅動電機的轉速，并將液壓介質和機械損失等對系統的影響忽略，得出其數學模型為：

式中：q為油泵輸出流量，L/min；V為油泵排量，cc/r；n為驅動電機轉速，r/min；E為制動液體積模量，bar；Pin為油泵入口端壓力，bar；Pout為油泵出口端壓力，bar；a為油泵壓力因子。

油泵排量V為0.1 cc/r，驅動電機轉速n為3 000 r/min，壓力因子a為0～1某一數值，制動液體積模量E為17 000 bar。

1.2.2 蓄能器模型

ESP中彈簧活塞式蓄能器包括低壓蓄能器和高壓阻尼器兩種。輸出量為壓力，輸入量為液壓介質的流量，忽略活塞重力，需要定義的參量為彈簧剛度、活塞行程和直徑，得出數學模型為：

式中：P為蓄能器端口壓力，Pa；qout為蓄能器端口流量，L/min；Ap為活塞直徑，m2；K 為彈簧剛度，N/mm；Vol為蓄能器中液壓介質體積，m3。

不同蓄能器的模型可通過調整彈簧剛度和活塞直徑獲取。

1.2.3 節流器模型

節流器模型的輸出量為流量，輸入量為液壓介質的壓力。其數學模型為：

式中：Q為液壓介質流量，m3/s；Cqmax為最大流量系數；ρ為液壓介質密度，kg/m3；Δp為節流器模型兩端壓力差，Pa；A 為節流孔截面積，m2；λc為液壓介質流動雷諾數；χ為節流孔濕周長度；η為液壓介質動力粘度，mm2/s。

節流器模型中雷諾數λc取100，最大流量系數Cqmax取0.7，動力粘度η取42.5mm2/s，液壓介質密度ρ取850 kg/m3。節流器流量特性可通過改變節流器的孔徑獲取。

1.2.4 液壓控制閥模型

由于ESP中各液壓控制閥的作用不同，所以它們的特征尺寸亦有差別。高壓開關閥（HSV）的閥座孔徑較大為2.5 mm，而進液閥（EV）和排液閥（AV）的閥座孔徑約為0.5 mm，液壓控制閥的流量特性可按式（3）計算。

液壓控制閥的關閉和開啟均存在一定的延遲，對閥芯的速度和位移引入二階延遲環節進行計算：

式中：ω為固有頻率；ζ為阻尼比。

1.3 ESP液壓系統模型的建立

AMESim是世界著名的工程系統高級建模、仿真和動力學分析軟件，用戶可在其提供的友好環境下仿真分析系統或元件的動態特性或穩定性。利用AMESim軟件建立ESP液壓系統模型如圖2所示。

2 ESP液壓系統動態特性仿真分析

利用AMESim軟件模擬ESP液壓系統在全主動制動狀態下系統增壓、保壓、減壓的工作過程。參考相關資料，設置ESP系統參數，仿真運行結果如圖 3～圖 5 所示，曲線 1（實線）代表進液閥（EV），曲線2（點劃線）代表排液閥（AV）。圖6和圖7曲線1（實線）代表左后輪鼓式制動器，曲線2（點劃線）代表右前輪盤式制動器。

從仿真結果可以看出，在控制信號驅動下，增壓閥、減壓閥可實現周期性的開啟和關閉，輪缸制動壓力和流量也呈現周期性變化，以實現制動車輪的增壓-保壓-減壓-保壓的循環工作。

進液閥和排液閥并不隨著控制信號的通斷立即開啟、關閉，而是存在明顯的遲滯特性，這與實際電磁閥的工作過程吻合。

3 ESP液壓系統動態特性影響因素分析

根據動態特性相關理論，擬定ESP液壓系統的動態特性指標，包含兩個方面：①ESP液壓系統的流量脈動、壓力的瞬間峰值和壓力的波動，即系統的穩定性；②制動輪缸壓力響應速度。

在溝道邊坡，農田中的污染物質在透過透水型護砌材料進入溝道過程中，護砌材料會對氮磷等污染物質發生物理吸附、生物降解以及溝道植被的吸收而使污染物濃度降低。

本文從液壓介質、預壓單元、回液柱塞泵排量、進液閥、排液閥、低壓彈簧蓄能器和制動輪缸等因素來分析ESP液壓系統的動態特性。

3.1 液壓介質對ESP液壓系統動態特性的影響

液壓介質（即制動液）是ESP液壓系統中傳遞壓力的工作介質。參考相關資料，設置ESP參數，得到左后輪制動輪缸的壓力和流量響應曲線如圖8和圖9所示，曲線1（實線）代表液壓介質動力黏度為1 500 cP，曲線2（點劃線）代表液壓介質動力黏度為42.5 cP，曲線3（虛線）代表液壓介質動力黏度為1.50 cP。

動力黏度為1 500 cP時，由于此時液壓介質的黏度太大，液壓介質在ESP液壓系統管路中所受到的阻力較大，致使制動車輪輪缸壓力和流量較低；動力黏度為1.5 cP時，液壓介質的黏度過小將導致液壓介質的泄露量增加，影響汽車ESP的控制精度。

3.2 預壓單元預壓力對ESP液壓系統動態特性的影響

預壓泵使ESP在全主動制動狀態克服低溫下液壓介質粘度高的影響很快建立系統壓力。預壓泵和壓力傳感器配合對制動主缸進行預壓，動態的保證制動主缸穩定在一定的壓力。

參考相關資料，設置ESP系統參數，得到左后輪制動輪缸的壓力和流量響應曲線如圖10和圖11所示，曲線1（實線）代表預壓單元預壓力為0 bar，曲線2（點劃線）代表預壓單元預壓力為25 bar，曲線3（虛線）代表預壓單元預壓力為50 bar。

由圖10和圖11可以看出，當ESP液壓系統制動主缸沒有預壓時，制動輪缸壓力和流量響應緩慢；給制動主缸一定的預壓力，制動輪缸的壓力和流量迅速增加。

3.3 回液柱塞泵排量對ESP液壓系統動態特性的影響

ESP液壓系統要求的壓力較高，故回油泵采用能夠產生高壓的柱塞泵。參考相關資料，設置ESP參數，得到左后輪制動輪缸的壓力和流量響應曲線如圖12和圖13所示，曲線1（實線）代表回液柱塞泵流量為0.05 cc/r，曲線2（點劃線）代表回液柱塞泵流量為0.1cc/r，曲線3（虛線）代表回液柱塞泵流量為 0.15 cc/r。

3.4 進液閥、排液閥截流面積對ESP液壓系統動態特性的影響

ESP液壓系統的進液閥（EV）和排液閥（AV）是典型的二位二通電磁換向閥。利用AMESim軟件模擬汽車ESP液壓系統工作過程，得到左后輪制動輪缸的壓力和流量響應曲線和低壓蓄能器活塞位移曲線如圖14和圖15所示，曲線1（實線）代表進液閥（EV）閥口截流面積 0.4 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積 0.5 mm2；曲線 2（點劃線）代表進液閥（EV）閥口截流面積 0.5 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積0.6 mm2；曲線 3（虛線）代表進液閥（EV）閥口截流面積 0.6 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積 0.7 mm2。

由圖14和圖15可以看出，隨著進液閥和排液閥截流面積的增大，制動輪缸的壓力和流量都在增大，但是增大的不是特別明顯，這就說明進液閥和排液閥的截流面積對汽車ESP液壓系統動態特性的影響較小。

3.5 低壓蓄能器對ESP液壓系統動態特性的影響

ESP液壓系統中的低壓蓄能器為彈簧活塞式，它的主要作用是儲存制動輪缸減壓階段經排液閥（AV）排出的高壓液壓介質，并作為液壓系統下次增壓循環回液柱塞泵的油源。低壓蓄能器的特征參數為活塞行程與活塞直徑。

利用AMESim軟件模擬ESP液壓系統工作過程，參考相關資料，設置ESP參數，得到左后輪制動輪缸的壓力和流量響應曲線如圖16所示，曲線1（實線）代表低壓蓄能器活塞直徑15 mm，活塞行程10 mm；曲線2（點劃線）代表低壓蓄能器活塞直徑20 mm，活塞行程10 mm；曲線3（虛線）代表低壓蓄能器活塞直徑25 mm，活塞行程10 mm。

由圖16可以看出，制動輪缸在減壓過程結束后的壓力隨著低壓蓄能器活塞直徑的增大而降低，但因為回液柱塞泵的轉速與排量不變，這勢必造成下一增壓循環制動輪缸壓力的不足。

3.6 制動輪缸對ESP液壓系統動態特性的影響

本文車輪制動器前輪采用盤式制動器，制動輪缸直徑50 mm，后輪采用鼓式制動器，制動輪缸直徑32 mm。利用AMESim軟件模擬汽車ESP增壓、保壓、減壓的工作過程。參考相關資料，設置ESP液壓系統參數，仿真運行結果如圖17和圖18所示，圖中曲線1（實線）代表左后輪鼓式制動器制動輪缸，曲線2（點劃線）代表右前輪盤式制動器制動輪缸。

由圖17和圖18可以看出，后輪鼓式制動器制動輪缸的壓力響應速度大于前輪盤式制動器制動輪缸的壓力響應速度；而后輪鼓式制動器制動輪缸的流量小于前輪盤式制動器制動輪缸的流量。

4 結束語

本文主要分析了液壓介質、預壓單元、回液柱塞泵、進液閥、排液閥、低壓彈簧蓄能器和制動輪缸6個因素對汽車ESP液壓系統動態特性的影響。

在進行建模仿真過程中將一些液壓器件的泄露和液壓管道的阻力等忽略；預壓單元建模和液壓調節器中各控制閥的控制信號進行簡化；文中所得結論有待試驗進一步驗證。

［1］王國業，付燕榮，曾蔚瑛.越野車ESP控制原理仿真研究［C］.中國汽車工程學會越野車技術分會2008年學術年會論文集，2008：310-315.

［2］魏春源，等譯.汽車安全性與舒適性系統［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［3］顧柏良，等譯.BOSCH汽車工程手冊［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［4］祁雪樂，宋健，王會義，等.基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統建模與分析［J］.機床與液壓，2005，8：115-118.