基于Amesim的整車制動系統建模與仿真

王 權，周飛虎，岳海姣

(長安大學 工程機械學院，陜西西安 710064)

基于Amesim的整車制動系統建模與仿真

王 權，周飛虎，岳海姣

(長安大學 工程機械學院，陜西西安 710064)

設計整車制動系統的結構方案，闡述其結構和工作原理?；贏mesim建立整車制動系統模型，通過該模型仿真汽車在制動踏板位移分別為30，40，50 mm時，分別進行輕微制動、常規制動與緊急制動等3種制動工況的制動過程，結果表明：仿真結果與理論計算一致，該制動系統模型可以準確的模擬汽車的制動過程，給汽車制動系統的研發提供理論依據，可縮短制動系統的研發周期。

整車制動系統；ABS；Amesim；制動工況；仿真分析

我國汽車保有量位于世界第二位，要在激烈的市場競爭中占有一席之地，擁有自主知識產權，使我國由汽車大國躋身為汽車強國，就必須加大汽車關鍵部件的自主研發。眾所周知，汽車的重中之重是制動的安全性[1]。汽車的制動系統涉及到電磁、液壓、機械、控制等多個領域，而AMESim軟件能夠在一個平臺上將諸多個領域的系統建立在一起展示[2-4]。因此，本文基于AMESim 軟件平臺，建立整車制動系統模型，對在不同制動工況下的汽車制動過程進行仿真。

1 汽車制動系統方案的設計

汽車制動系統的結構示意圖如圖1所示[5-9]。

圖1 汽車制動系統

1.1制動踏板模擬器

本方案中，踏板力與液壓制動力之間通過踏板模擬器解耦，踏板模擬器內裝有測量踏板位移的位移傳感器。本文將制動分為緊急制動、常規制動和輕微制動3種工況，應用場合和特征見表1。將位移傳感器測出的位移進行微分，得到踏板運動速度，以此判別出某次制動屬于哪種制動工況。

表1 汽車制動工況分類

不同的制動強度與踏板位移的關系如圖2所示。由圖2可以看出，緊急制動時，制動強度(制動減速度與重力加速度之比)上升最快，其目的是讓汽車能夠迅速停車；輕微制動時，制動強度上升緩慢，可以給駕駛員更大的調速空間；而常規制動時，制動強度的變化位于緊急制動與輕微制動之間，既可以較快的得到目標制動強度又可以擁有較大的調速空間。最后，踏板模擬器通過踏板位移和踏板速度計算出目標制動強度，并傳送給扭矩控制器。控制流程如圖3所示。

圖2 制動強度與踏板位移的關系

圖3 制動踏板模擬器流程圖

1.2 ABS控制器

圖4 附著系數利用率與滑移率的關系

ABS控制器的作用是通過輪速和車速計算出滑移率并加以對比分析，從而輸出控制信號。路面附著系數利用率與車輪滑移率的關系見圖4，當滑移率為100%時，車輪被抱死，橫向附著系數為0，此時車輪在較小的橫向力作用下就會失去穩定性。當滑移率為20%時，縱向附著系數利用率最大，即地面制動力最大。當滑移率為0時，即車輪純滾動時，縱向附著系數為0，橫向附著系數利用率最大，此時汽車最穩定[10]。

因此，本方案中ABS的控制以20%的滑移率為基準，當實際滑移率<20%時，ABS控制器使常開電磁閥5打開、常閉電磁閥4關閉，液壓系統增壓；當滑移率=20%時，ABS控制器使常開電磁閥5和常閉電磁閥4關閉，液壓系統保壓；當滑移率﹥20%時，ABS控制器使常開電磁閥5關閉、常閉電磁閥4打開，系統降壓[11-15]。

2 系統建模

在Amesim草圖模式下，利用機械庫、控制庫、液壓庫、氣動庫和傳動系庫等庫中的元件搭建圖5所示的整車制動系統模型。其中的真空助力器、雙列雙腔制動主缸和制動輪缸是借鑒Amesim幫助里的模板。車身選用簡單的車體模型，能提供車體速度和車重等基本參數。車輪模型可提供轉矩、轉速及路面附著系數等基本信息。本模型中有3個自建模塊，分別是踏板、ABS液壓系統和ABS控制器。

模型搭建完成后，在子模型模式下選擇最優子模型，在參數模式下設置好相應的參數：整車質量為1 430 kg、空氣阻力系數為0.45、空氣密度為1.22 kg/m3、汽車迎風面積為2.1 m2、車輛重心到前軸的距離為1.05 m、重心到后軸的距離為1.35 m、質心高度為0.578 m、車輪半徑為0.3 m、前輪有效半徑為0.276 m、后輪有效半徑為0.28 m。在運行模式下設置相應的運行參數如運行時間、仿真步長等，最后運行仿真查看所需的變量結果。

圖5 整車制動系統模型

3 仿真分析

在所建立的整車制動系統模型基礎上，通過合理選擇制動工況對整車制動系統進行仿真，根據仿真結果對制動系統的性能進行評價分析，并通過參數匹配和模型修正，實現控制策略的優化。在初始車速為72 km/h、路面附著系數為0.7的情況下，選取制動踏板位移分別為30 mm時輕微制動、40 mm時常規制動、50 mm時緊急制動3種制動工況來驗證模型的正確性。

3.1輕微制動

由圖2可知，制動踏板位移為30 mm輕微制動時，對應的制動強度為0.21，換算成加速度為-2.06 m/s2。圖6的a)、b)、c)、d)分別為車速、前輪輪速、后輪輪速和加速度隨時間的變化曲線。

圖6 輕微制動仿真結果

從圖6中可以看出，最大加速度為-2.06 m/s2左右，與理論計算一致，因為0.21<0.7，輪速能夠很好的追隨車速，與實際相符。

3.2常規制動

由圖2可知，制動踏板位移為40 mm、進行常規制動時，對應的制動強度為0.5，換算成加速度為-4.9 m/s2。圖7的a)、b)、c)、d)分別為車速、前輪輪速、后輪輪速和加速度隨時間的變化曲線。從圖7中可看出，最大加速度值為-4.9 m/s2左右，與理論計算一致，因為0.5<0.7，輪速能夠很好的追隨車速，與實際相符。

圖7 常規制動仿真結果

圖8 緊急制動滑移率

3.3緊急制動由圖2可知，制動踏板位移為50 mm、進行緊急制動時，對應的制動強度為0.88，換算成加速度為-8.62 m/s2。因為制動強度0.88>0.7，使車輪趨于抱死，此時ABS防抱死系統開始工作，將滑移率保持在20%左右，如圖8所示。由圖8可看出，后輪先于前輪抱死，保證了車輛的行駛穩定性，此現象與實際相符。圖9的a)、b)、c)、d)分別為車速、前輪輪速、后輪輪速和加速度隨時間的變化曲線。從圖9中可看出，仿真加速度被控制在-6.9 m/s2以內，與理論計算結果一致。

圖9 緊急制動仿真結果

4 結語

通過AMESim建立的整車制動系統仿真模型，仿真制動踏板位移分別為30,40,50 mm時，分別進行的輕微制動、常規制動與緊急制動等3種制動工況的制動過程，所得汽車的車速、輪速、加速度和滑移率等與理論計算結果一致。因此，所建制動系統模型可以準確的模擬汽車的制動過程，為汽車性能的研究與改進提供了理論依據，可縮短制動系統的研發周期。

實際車輛在剎車過程中的重心是會往前移的，即前后輪對地面的壓力是變化的，本文在建模時忽略了重心轉移這個問題，從而使仿真結果與實際存在一些偏差，在待于進一步探討。

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BrakingSystemModelandSimulationBasedonAmesim

WANGQuan，ZHOUFei-hu,YUEHai-Jiao

(SchoolofConstructionMachinery,Chang′anuniversity,Xi′an710064,China)

In this paper, the structure program of the vehicle braking system is designed and its structure and working principle are also described. Based on the Amesim, the vehicle braking system model is established from the pedal, control system, the wheels and to the body. The model is used to simulate the braking process of three braking conditions such as the slight braking, conventional braking and emergency braking when the displacement of the vehicle braking pedal is at 30 mm, 40 mm and 50 mm respectively. The result shows that the result of simulation is consistent with the theoretical calculation and that the braking system model can accurately simulate the vehicle braking process, provide the theoretical basis for the developing the vehicle braking system, and shorten the development period of the braking system.

brake system; ABS; Amesim; braking condition; simulation analysis

楊秀紅)

2014-06-11

王 權(1988—)，男，浙江江山人，長安大學碩士研究生，主要研究方向為再生制動系統.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.003

U463.5

A

1672-0032(2014)03-0010-05