一種線控制動系統的方案設計及仿真

陳志強，常思勤

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

車輛制動系統是保證車輛安全行駛的重要系統之一，對于汽車安全的技術研究，各大汽車公司以及國內外學者從未停止過。當前，應用于車輛上的制動系統是技術已經相當成熟的液壓制動系統。然而，隨著車輛安全性能要求的逐步提高，傳統的制動系統結構變得相當復雜，并且制造和維護的難度增加，這就推動了簡單、全面、可靠制動系統的研究發展。線控制動是近些年來車輛制動系統研究的熱點，代表著未來車輛制動系統發展的新方向，其主要包含兩個方面：電子液壓制動(EHB) 與電子機械制動(EMB)。

對于電子液壓制動系統，國內外相關企業與學者做了許多突破性的研究。通用汽車、Analogy、BOSCH等公司在20世紀90年代就開始研發相關的EHB系統樣件，并在實車試驗中得到了理想的制動效果。經過20多年的發展，BOSCH等主要廠商都陸續有成熟產品面世。國內以學術為主，也對EHB做了許多試驗研究。文獻[1] 中建立了七自由度車輛仿真模型，并對所建立系統中的備用制動、常規制動與緊急制動工況下整車的制動性能進行了分析與研究。ZHAO Jian等人提出一種基于eboost的主動制動壓力控制的四閉環算法。結果表明，所提出的控制算法能保證制動液壓力精確跟蹤目標值，具有良好的控制性能[2]。

對于電子機械制動系統，20世紀90年代起，BOSCH、Siemens和Continental Teves等著名車輛電子零配件廠商就開始了對EMB的研發與設計，且做了許多系統的仿真與實車試驗的工作。意大利著名制動系統公司布雷博更是研發了一套以電機為基礎，通過變速箱來驅動浮動卡鉗的線控制動系統，且預計在2020年投入批量生產[3]。國內的吉林大學、清華大學以及同濟大學等高校對于EMB的研究也作了許多貢獻。文獻[4] 中對于輪轂電機驅動的電動汽車，研發了一整套新型機電制動執行機構。該機構能實現快速制動響應，最大限度地減小磨損差異，提高初始制動力。劉剛則對于EMB的設計方法進行研究并且試制了關鍵的原理樣機[5]。

本文提出了一種以電磁直線執行器驅動的、高壓液壓源為基礎的線控制動系統方案，并且利用AMESim及Matlab/Simulink兩個軟件建立了系統方案的聯合仿真模型，搭建了基于滑移率門限值控制的ABS仿真模型，以及在此基礎之上研究了與之匹配的三位高速開關閥參數對ABS性能的影響，確定了三位高速開關閥的響應時間以及閥口截面積兩個重要參數。

1 系統方案與關鍵部件原理

1.1 系統方案

本文所提出的線控制動系統布置方案以及整體框架如圖1所示。系統整體由踏板模擬器、主控制器、制動系統控制器、高壓液壓源、三位高速開關閥以及蓄能器等組成。其中，主控制器的功能可以根據實際需要情況來確定，只完成車輛制動功能或者完成整車動力學控制功能，在主控制器中集成EBD/ABS等控制算法。另外，考慮到制動力的分配以及使系統具有一定程度的冗余性，在前后軸各分配一個高溫液壓源。

圖1 線控制動系統方案

系統進入制動工作模式后的流程如下：1)駕駛員踩踏制動踏板，由踏板感覺模擬器模擬出與傳統液壓制動系統相同的踏板感覺并反饋給駕駛員；2)系統中主控制器收集制動踏板的行程以及踩踏速度等信息，并以此來識別出駕駛員的制動意圖；3)將收集到的信息與制動系統控制器進行數據交換，并且進行計算，由制動系統控制器按照前后輪理想制動力分配曲線給前后軸兩個液壓源提供相應大小的電流；4)在電磁力的作用下推動運動部件以及柱塞往左運動，使液壓腔中制動液升壓。最后通過三位高速開關閥來控制制動液流入制動輪缸，實現制動功能。

1.2 關鍵部件原理

電磁直線執行器將電能轉換為電磁力并且避免使用機械轉換機構。作為制動單元的動力提供單元，電磁直線執行器的性能直接決定制動單元的性能。其中，執行器所能提供的最大電磁力為328N，且已經試制了原理樣件并進行了性能測試[6]。

三位高速開關閥為系統中另一關鍵部件。兩端均由電磁鐵控制，以實現系統的增壓、保壓和減壓功能。此外，制動油液經過高速開關閥的流量性能與閥口的形狀、入口與出口之間的壓力差、閥口的橫截面積、制動液黏度以及雷諾數有關，用式(1)表示如下：

(1)

其中：Cq為最大流量系數，受閥口形狀的影響；A為閥口截面積；ρ為油液的密度；ΔP為進出制動油液的壓差；x為閥口濕周長度；λc為制動油液流動雷諾系數；η0為制動油液的動力黏度。制動液流量雷諾系數選擇為1 000。本次主要模擬研究了高速開關閥響應時間以及閥口橫截面積在制動時對系統的影響。

2 聯合仿真模型的建立

2.1 AMESim模型

在本次線控制動系統的研究中，三位高速開關閥是調節輪缸制動壓力的重要部件，其動態響應特性在很大程度上決定ABS系統的控制性能。為了著重研究開關閥在車輛線控緊急制動ABS工作時的特性，將原理圖1簡化為圖2所示的模型。圖中3為開關閥控制器，是與MATLAB/Simulink聯合仿真的接口。

1—柱塞；2—三位三通開關閥；3—控制單元；4—制動輪缸；5—油箱。 圖2 系統硬件模型組成

2.2 Simulink數學模型

Simulink中搭建的數學模型主要由三部分組成：車輛動力學模型、輪胎模型和滑移率控制模型。

1)車輛動力學模型

此次仿真模型采用了經典的單輪車輛模型，能夠簡潔明了地表現車輪的制動情況，并且不用計算車輛的迎風阻力和車輪的滾動阻力，且認為車輪的載荷是恒定值。行駛中的車輪整體受力情況如圖3所示，由經典力學分析得出車輛動力學方程：

(2)

(3)

車輛縱向摩擦力方程：F=μN

(4)

圖3 車輛受力分析

由公式建立的仿真模塊如圖4所示。

圖4 車輛受力仿真模型

2) 輪胎模型

對于目前應用于車輛仿真的輪胎模型，魔術公式與雙線性輪胎模型是最常用的兩種。本次采用了應用比較廣泛的雙線性輪胎模型。數學表達式如式(5)所示。

(5)

由公式在Simulink中搭建的仿真模塊如圖5所示。

圖5 輪胎模型

3)滑移率控制模型

有許多方法可以控制汽車的滑移率，典型控制方法有PID控制、邏輯門限值控制、模糊PID控制等。本次仿真采用的是邏輯門限控制算法，為了實現車輛良好的制動效果，將最佳滑移率控制在0.15～0.20之間(干燥混凝土路面)。在當前階段，邏輯門限控制是應用于車輛上很成熟的技術。

建立的仿真模塊如圖6所示。

圖6 滑移率控制模型

由式(2)-式(5)以及滑移率控制方法，最終在Simulink中建立完整的基于滑移率控制的線控制動系統模型如圖7所示。

圖7 基于滑移率控制系統模型

3 系統ABS制動過程仿真分析

針對乘用汽車，制動系統的基本要求主要有：制動性能高、平順性好以及方向穩定性好。主要的技術參數有車輛制動時間、最大制動距離、車輛制動減速度以及滑移率等。本次仿真以某款大眾捷達車輛為例，1/4質量M= 388kg,車輪轉動慣量I= 0.87,車輪半徑R= 0.289m。在干混凝土路面上，模擬仿真了不同的高速開關閥響應時間以及閥口橫截面積在車輛緊急制動時的影響情況。獲得車速、輪胎線速度、車輛制動距離和滑移率變動曲線并且進行比較分析，選擇最佳的電磁閥參數。系統其他重要參數如表1所示。

表1 線控制動系統參數

閥口截面積A是高速開關閥的重要性能參數，經過相關文獻資料查閱得出開關閥的閥口面積一般取值為0.5mm2～1.3mm2，對于三位高速開關閥的驗證過程，選取了幾個具有代表性的值進行仿真。A的值依次取為0.5mm2、1mm2、1.3mm2。此外，仿真過程當中對于三位高速開關閥采用的不同響應時間為：1.5ms、1ms、0.5ms,輪缸壓力取值為：11MPa、11.5MPa、12MPa。對于閥口截面積、響應時間以及輪缸壓力在聯合仿真下作了3因素3水平的正交試驗，選用L9(34)正交表，結果如表2所示。表中K1、K2、K3的值分別為1、2、3水平下的制動距離之和。

表2 正交試驗結果

通過正交表分析可以得出，閥口截面積與輪缸壓力在選擇范圍內越大，制動距離越短，以截面積1.3mm2，輪缸壓力為12MPa最好。另外，只從響應時間因素分析，響應時間越短，制動效果越好，但從整體數據分析，在閥口截面積為1.3mm2，輪缸壓力控制為12MPa，響應時間為1ms時，制動時間最短為2.87s，制動距離也最短為36.09m，制動結果最為理想，此因素下的仿真結果如圖8所示。從圖中可發現車輛的滑移率維持于理想值(0.2)附近，車輛在制動過程當中也未發生抱死拖滑現象，車輪具有良好的制動性能。綜合分析結果，最終三位高速開關閥響應時間選定為1ms，閥口截面積為1.3mm2。另外，與現有的制動系統相比，一方面，該系統省去了傳統液壓制動系統“主缸升壓—傳遞壓力—輪缸升壓”的制動模式，使制動響應更加迅速，從仿真結果可以看出，制動減速度迅速達到最大值所需時間為0.1s左右(一般現有制動系統需要0.15～0.3s)，縮短了制動器起作用的時間。在現有制動系統情況下，此款捷達汽車官方的制動距離為40.86m(此系統仿真結果為36.09m)，縮短了制動距離，提高了安全性能。另一方面，此系統取消了常規制動系統中真空助力器以及部分液壓管路，使系統的結構變得簡潔化與模塊化。

圖8 截面積1.3 mm2、響應時間1 ms的 仿真結果圖

4 結語

通過研究，總結如下：

1) 提出了一種新的線控制動系統方案，搭建了基于AMESim與Simulink的單輪線控制動系統聯合仿真模型。通過聯合仿真與正交試驗分析，電磁閥的響應時間并不是越短性能越好。最終，確定了三位高速開關閥的響應時間為1 ms，閥口截面積為1.3mm2，為電磁閥下一步樣件試制提供了設計依據。

2) 驗證了該線控制動系統用于某款乘用車上防抱死制動(ABS)時，能夠提供快速、穩定的制動力，提高了車輛的制動性能，并且與現有制動系統相比，縮短了制動器作用時間，制動距離縮短，提高了行車安全性能，進一步說明了此線控制動系統的可靠性。

3) 考慮到該線控制動系統以后能夠使用于工程應用當中，還需解決制動系統控制器的設計問題，包括集成制動力分配算法與電子穩定控制程序等主動安全控制算法，以及對系統冗余性問題的考慮。