基于Carsim的AMS制動(dòng)性能分析方法

張東珉，王天培，趙永坡，張 凱

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

基于Carsim的AMS制動(dòng)性能分析方法

張東珉，王天培，趙永坡，張 凱

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

對(duì)歐洲制動(dòng)AMS試驗(yàn)的仿真實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。選用特定車型，應(yīng)用已有的Carsim懸架、輪胎等模型建立整車模型，通過改變制動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真過程的標(biāo)定。最后根據(jù)歐洲AMS制動(dòng)試驗(yàn)方法設(shè)定了仿真工況，并進(jìn)行了制動(dòng)效能和制動(dòng)熱衰退性能的仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：通過標(biāo)定Carsim制動(dòng)系統(tǒng)模型的AMS制動(dòng)性能仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具備較好的一致性。研究表明在車輛設(shè)計(jì)初期利用Carsim軟件可以快速準(zhǔn)確地對(duì)車輛的制動(dòng)性能進(jìn)行仿真，從而對(duì)其性能做出預(yù)測(cè)和評(píng)估，并可有效地找到解決方案。

AMS；制動(dòng)效能；制動(dòng)熱衰退；Carsim

0 引 言

目前車輛的安全性越來越受到公眾的關(guān)注，而制動(dòng)系統(tǒng)是汽車行駛安全的重要保障之一，德國(guó)汽車類雜志AMS（Auto Motor und Sport）組織的對(duì)歐洲市場(chǎng)車輛制動(dòng)性能測(cè)試，其條件嚴(yán)格且測(cè)試結(jié)果公正、可靠，在歐洲很受公眾和消費(fèi)者認(rèn)可。開發(fā)車輛通過AMS試驗(yàn)，不僅能提升制動(dòng)性能，而且對(duì)提升信譽(yù)度，增強(qiáng)消費(fèi)者購(gòu)買信心大有益處。由于AMS試驗(yàn)準(zhǔn)備工作量多，試驗(yàn)強(qiáng)度大，需要投入大量人力、物力，因此用仿真分析方法提高效率，節(jié)約成本是十分重要的。

Carsim是一種基于特性參數(shù)建模的汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立模型時(shí)，不需要定義零部件具體的結(jié)構(gòu)形式，只需要定義體現(xiàn)性能的相關(guān)參數(shù)或曲線[1]。應(yīng)用Carsim仿真平臺(tái)，建立制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，并針對(duì)AMS試驗(yàn)的制動(dòng)效能和熱衰退性能對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 分析原理

車輛制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要能夠在緊急情況時(shí)，在保持行駛穩(wěn)定性條件下完全制動(dòng)，并具有盡可能短的制動(dòng)距離；同時(shí)在連續(xù)制動(dòng)的情況下，減少制動(dòng)效能的衰退程度。歐洲AMS制動(dòng)性能試驗(yàn)主要包括冷態(tài)狀態(tài)下空載100 km/h制動(dòng)過程和熱態(tài)狀態(tài)下滿載連續(xù)10次100 km/h的制動(dòng)過程2部分，分別考察車輛的制動(dòng)效能和抗衰退性能。

1.1 制動(dòng)效能

制動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞如圖1所示，駕駛員通過操作制動(dòng)踏板產(chǎn)生作用力在真空助力器輸入桿上，如式（1）。

其中，F(xiàn)bo為真空助力器輸入力；Fdriver_為駕駛員輸入力；ipedal為踏板杠桿比。

真空助力器作為供能裝置，對(duì)踏板操作力再進(jìn)行放大，從而作用在主缸上。將真空助力器看成一個(gè)整體，通過臺(tái)架試驗(yàn)獲得真空助力器穩(wěn)態(tài)的輸入輸出特性曲線，通過一階滯后環(huán)節(jié)近似地來表達(dá)真空助力器的遲滯現(xiàn)象，如式（2）～式（3）。

其中，F(xiàn)boostout為真空助力器輸出力；fboster為真空助力器輸入輸出函數(shù)；Fmc為主缸輸入力；Tapp為動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)。主缸輸入力通過不同的主缸直徑產(chǎn)生不同的壓力值，為車輪制動(dòng)器活塞提供液壓，如式（4）。

其中，Pmc為主缸壓力輸入；MCdiameter為主缸直徑。

制動(dòng)壓力作用在制動(dòng)盤上產(chǎn)生夾緊力，制動(dòng)盤和摩擦片產(chǎn)生摩擦從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，如式（5）。

其中，r為制動(dòng)器輪缸半徑；μ為不同溫度下摩擦系數(shù)；β為前后制動(dòng)管路壓力分配系數(shù)；p為制動(dòng)軟管油液壓強(qiáng)；R為制動(dòng)盤有效作用半徑。

理想狀態(tài)下，在不超過路面附著極限情況下，制動(dòng)力矩的大小直接影響車輛減速度的大小。

1.2 制動(dòng)熱衰退

制動(dòng)過程中，制動(dòng)器溫度不斷升高導(dǎo)致摩擦片表面出現(xiàn)物理和化學(xué)反應(yīng)引起摩擦系數(shù)的變化，從而影響制動(dòng)力矩的大小，導(dǎo)致制動(dòng)距離加長(zhǎng)。對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)熱傳導(dǎo)起決定性作用的是把車輛全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康闹苿?dòng)盤。熱能一方面被制動(dòng)盤存儲(chǔ)，另一方面隨著溫度的升高，通過對(duì)臨近部件的熱傳導(dǎo)、表面和通風(fēng)槽的對(duì)流及表面輻射把熱量散發(fā)出去。制動(dòng)盤溫度通過制動(dòng)盤能量吸收與散發(fā)計(jì)算，如式（6）。

其中，Tb為制動(dòng)盤制動(dòng)力矩；ωwh1為車輪轉(zhuǎn)速。

制動(dòng)盤能量輸出計(jì)算如式（7）。

其中，C為制動(dòng)盤冷卻系數(shù)；Mrotor為制動(dòng)盤質(zhì)量；Cp為制動(dòng)盤比熱容；Trotor為制動(dòng)盤溫度；Tair為空氣環(huán)境溫度。

根據(jù)能量的吸入和散發(fā)計(jì)算制動(dòng)器溫度變化，如式（8）。

根據(jù)式（6）～式（8）得出，由制動(dòng)盤確定的熱容量對(duì)制動(dòng)器的性能有重大影響。大而重的制動(dòng)盤有很大的熱容量，能很好接受制動(dòng)時(shí)由動(dòng)能轉(zhuǎn)換成的熱量，并避免由于系統(tǒng)過熱而使制動(dòng)摩擦片出現(xiàn)衰退效應(yīng)。影響制動(dòng)盤熱容量的參數(shù)包括制動(dòng)盤質(zhì)量、材料比熱容及冷卻系數(shù)[2]。

Carsim中制動(dòng)模型根據(jù)上述原理進(jìn)行構(gòu)建，利用此模型完全能夠在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行制動(dòng)模型的搭建和AMS制動(dòng)系統(tǒng)性能分析。

2 模型建立

2.1 整車模型

Carsim整車模型是基于汽車各子系統(tǒng)特性參數(shù)進(jìn)行搭建的，建立模型時(shí)，不需要定義零部件具體的結(jié)構(gòu)形式，而只需要定義體現(xiàn)性能的相關(guān)參數(shù)或曲線。這樣工程師在車輛設(shè)計(jì)初期不用糾結(jié)零部件具體結(jié)構(gòu)形式，直接以性能為導(dǎo)向分析車輛動(dòng)力學(xué)性能，指導(dǎo)底盤性能的開發(fā)。

應(yīng)用已有的Carsim整車模型，包括懸架模型、動(dòng)力總成模型、輪胎模型及整車參數(shù)，如圖2。其中懸架模型不只是結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，還包括K特性和C特性參數(shù)，并與實(shí)車操穩(wěn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證懸架模型的準(zhǔn)確性。

動(dòng)力總成模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線及變速器擋位傳動(dòng)比和換擋曲線。AMS熱衰退制動(dòng)試驗(yàn)過程中要求每次制動(dòng)完成后以最大油門加速到目標(biāo)車速，車輛動(dòng)力性、加速性能越好，意味著每次制動(dòng)間隔越短，對(duì)車輛抗熱衰退性能要求越高。

2.2 制動(dòng)模型

Carsim軟件提供兩種制動(dòng)系統(tǒng)模型可以選擇，一種是基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)模型，如圖3所示。模型中只包含了制動(dòng)器性能參數(shù)及制動(dòng)管路壓力分配參數(shù)，模型相對(duì)簡(jiǎn)單，不能完整展示制動(dòng)系統(tǒng)。

另一種是詳細(xì)制動(dòng)系統(tǒng)模型，如圖4。模型中包含了踏板杠桿比、真空助力器曲線、制動(dòng)管路壓力分配曲線、主缸直徑及制動(dòng)器性能曲線，能夠完整描述整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)可以設(shè)置制動(dòng)盤熱特性參數(shù)，來模擬制動(dòng)熱衰退性能。文中采用此模型進(jìn)行AMS制動(dòng)性能仿真分析。

3 模型校對(duì)及評(píng)價(jià)

根據(jù)AMS制動(dòng)效能試驗(yàn)方法設(shè)置Carsim仿真條件，將實(shí)車試驗(yàn)過程中踏板力作為輸入，進(jìn)行相應(yīng)的制動(dòng)仿真過程，通過對(duì)比實(shí)車試驗(yàn)車輛減速度、車速和溫度曲線驗(yàn)證制動(dòng)系統(tǒng)建模方法的有效性和模型的準(zhǔn)確性。

3.1 制動(dòng)效能仿真

制動(dòng)減速度與車速隨時(shí)間變化曲線如圖5和圖6所示。

依據(jù)仿真結(jié)果得知，制動(dòng)減速度為1.05 g左右，制動(dòng)距離為39.43 m，AMS制動(dòng)距離評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1，據(jù)此得知該車制動(dòng)效能較好。

表1 AMS制動(dòng)距離評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

3.2 制動(dòng)熱衰退仿真

制動(dòng)盤溫度與制動(dòng)距離變化情況如圖7和圖8所示。

依據(jù)仿真結(jié)果得知，經(jīng)過10次制動(dòng)過程后，前軸溫度達(dá)到508℃，后軸溫度達(dá)到328℃，符合700℃以下設(shè)計(jì)規(guī)則，因?yàn)楫?dāng)制動(dòng)摩擦片溫度超過700℃時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。制動(dòng)距離衰退比率為3.5%，符合小于10%的設(shè)計(jì)要求，具體計(jì)算如下式所示。

綜合制動(dòng)盤溫度變化和制動(dòng)距離變化情況，驗(yàn)證制動(dòng)系統(tǒng)抗熱衰退性能符合設(shè)計(jì)要求 。

4 仿真分析

文中通過與實(shí)車試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了此模型的正確性，應(yīng)用此模型可以進(jìn)行熱衰退性能參數(shù)影響分析，指導(dǎo)性能開發(fā)。根據(jù)分析原理，在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)快速溫度升高，其高低一方面取決于車輛能量及其質(zhì)量，另一方面取決于制動(dòng)盤的儲(chǔ)熱能力、質(zhì)量和通風(fēng)冷卻好壞[3]。文中通過修改制動(dòng)比熱容、質(zhì)量和冷卻系數(shù)分析其對(duì)制動(dòng)衰退性能的影響。如圖9所示。

從仿真結(jié)果可以得出，制動(dòng)盤質(zhì)量越大、比熱容越大，則溫度升高小。在升高后的冷卻期，通風(fēng)制動(dòng)盤形狀所決定的冷卻系數(shù)越大即通風(fēng)狀況越好，溫度下降越快。故若設(shè)計(jì)初期車輛衰退性能不好，可以通過修改制動(dòng)盤尺寸、材料或增加通風(fēng)槽保證車輛最高溫度接近臨界溫度限值，但修改過程中要綜合考慮制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本等因素。

5 結(jié) 論

針對(duì)歐洲AMS制動(dòng)性能試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)研究，應(yīng)用Carsim建立了面向AMS制動(dòng)性能分析的整車動(dòng)力學(xué)模型，通過與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型精度，提出了一種在設(shè)計(jì)初期對(duì)AMS制動(dòng)性能分析和預(yù)測(cè)的方法，為汽車制動(dòng)性能的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要的借鑒和指導(dǎo)作用。

[1]李志奎. 基于Carsim的整車動(dòng)力學(xué)建模與操縱穩(wěn)定性仿真分析. [D]：長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[2]Mechanical Simulation Corporation: Carsim Reference Manual，Version6.03，July，2005.

[3]（德）B. 布勒伊爾，K.比爾，劉希恭，等譯. 制動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

U463.5.07

A

2014-03-12

1002-4581（2014）04-0028-04