基于AMESim的不同工況汽車制動效能的研究與優(yōu)化

熊自遠(yuǎn) 李棟文 王磊 劉振華 趙毅

摘? 要：汽車制動效能是直接影響汽車駕駛安全性的重要因素之一。基于汽車動力學(xué)理論，建立了面向汽車制動效能的制動系統(tǒng)各部件的AMESim仿真模型，并結(jié)合實(shí)車試驗驗證了模型的合理性和準(zhǔn)確性。基于搭建的模型，分析了高速、中速和低速下不同附著系數(shù)路面的十五種不同工況下的汽車制動效能，并提出了制動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方案。研究結(jié)果表明，該模型適用于研究與優(yōu)化不同工況下汽車制動效能，為研究與優(yōu)化復(fù)雜工況下汽車制動效能奠定了理論基礎(chǔ)，縮短了汽車制動系統(tǒng)的研發(fā)工期，同時該模型為智能汽車ACC自適應(yīng)巡航和AEB自動緊急制動的研究提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：汽車工程;不同工況;制動效能;AMESim仿真

中圖分類號：U461? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0021-08

Research and Optimization of Vehicle Braking Efficiency Under Different Working Conditions Based on AMESim

XIONG Zi-yuan， LI Dong-wen， WANG Lei， LIU Zhen-hua， ZHAO Yi

（ Electronic Control Development Department， Dongfeng Commercial Center of DFCV， Wuhan 430056， China）

Abstract： Brake efficiency is one of the most important factors that directly affect driving safety. Based on the theory of vehicle dynamics， the AMESim simulation model of various parts of the braking system for vehicle braking efficiency was established， and evaluated the rationality and accuracy of the model by combining with the real vehicle tests. Based on the established model， the braking efficiency of vehicles under 15 different working conditions with different adhesion coefficients of high speed， medium speed and low speed road surface were analyzed. And the scheme of parameter optimization of braking system was put forward. Research results show that the model is suitable for the study and optimization of brake efficiency under different working conditions. It lay a theoretical foundation for the research and optimize of automobile braking performance under the complex working conditions， shorten the development period of automobile brake system. At the same time， the model provides the theoretical support for the smart car ACC adaptive cruise and AEB automatic emergency braking research.

Key Words：Automobile Engineering; Different Operating Conditions; Braking Efficiency; Amesim Simulation

隨著經(jīng)濟(jì)增長和科技發(fā)展，作為人們出行主要工具之一的汽車，其安全性、舒適性等深層方面越來越受人們重視，而汽車制動性能則是直接影響汽車駕駛安全性的重要因素之一。國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對汽車制動性進(jìn)行了深入研究。研究表明，汽車制動效能是汽車制動性能重要影響因素之一。汽車制動效能是指汽車迅速降低車速直至停車的能力，每增加0.1m的制動距離，交通事故的發(fā)生率就會大幅提高[1]。因此，良好的制動效能能降低事故發(fā)生概率，從而提高汽車行駛安全性[2]。

制動效能的檢測分析主要為實(shí)車檢測和仿真兩方面。實(shí)車檢測采用的是臺架檢測法或路試檢測[3]，多數(shù)以臺架檢測為主[4-5]。仿真方面，國內(nèi)王謝等人[6]通過matlab搭建了汽車模型并對汽車制動性能進(jìn)行分析。郭星東等人[7]使用matlab對使用PID算法的ABS制動系統(tǒng)進(jìn)行了制動效能的分析。夏長高等人[8]則基于matlab分析了輪胎前滑移率對制動效能的影響。李健等人[9]基于試驗與數(shù)據(jù)擬合分析了輪胎磨損對制動效能的影響。國外Juraj Gerlici等人[10]指出了制動過程中噪聲與溫度對制動效能的影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。Predrag D. MILENKOVI?等人[11]分析了剎車片導(dǎo)熱系數(shù)對制動效能的影響，并提出了一種散熱方法，Sangmyeong Kim等人[12]使用matlab對某種車輛的進(jìn)行建模分析制動效能，同時進(jìn)行制動系統(tǒng)的開發(fā)。

國內(nèi)外學(xué)者主要是對汽車制動系統(tǒng)本身與汽車制動效能關(guān)系進(jìn)行了大量仿真研究，但人、車和環(huán)境三者是共同組成車輛行駛的三大重要因素。復(fù)雜路面和復(fù)雜工況在真實(shí)汽車行駛中也是常見的，同時，隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，路面環(huán)境的變化對汽車安全具有重要影響。本文基于汽車動力學(xué)分析，搭建了汽車制動系統(tǒng)的AMESim模型，對高速、中速和低速下，不同附著系數(shù)路面的十五種工況進(jìn)行了研究，并分析了制動系統(tǒng)參數(shù)對制動效能的影響，從而優(yōu)化了汽車的制動效能。高速工況下的五種路面的制動效能研究，主要基于高速公路下的安全距離。中速工況下五種路面的制動效能研究，主要基于GB7258—2012中路試檢測標(biāo)準(zhǔn)。低速工況下五種路面的制動效能研究是基于E-NCAP和C-NCAP下行人工況。

1? ? 動力學(xué)建模

汽車制動系統(tǒng)動力學(xué)模型由踏板、真空助力器、液壓主缸、管路、制動器以及車輛本身共六大部分組成，由于篇幅限制，本文只介紹真空助力器雙腔動力學(xué)模型、制動輪缸車輛動力學(xué)模型和整車動力學(xué)模型。

1.1? ?真空助力器雙腔動力學(xué)模型

真空助力器真空腔和大氣腔雙腔動力學(xué)模型可等效于雙活塞氣壓缸。其中，前氣壓缸等效于真空腔，后氣壓缸等效于大氣腔，中間膜片等效于氣缸活塞，助力器輸入推桿等效于大氣腔推桿，助力器輸出推桿等效于真空腔推桿，如圖1所示：

對雙腔進(jìn)行動力學(xué)分析得：

（1）

式中：F0—中間膜片輸出力，P1—真空助力器真空腔工作壓力（MPa），P2—真空助力器大氣腔工作壓力（MPa），A1—膜片有效面積（mm2），A2—大氣腔推桿柄部面積（mm2），A3—真空腔推桿柄部面積（mm2）。

1.2? ?制動輪缸動力學(xué)模型

制動輪缸是將制動系統(tǒng)中液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置，本文采用浮動鉗盤式制動器，如圖2所示即為制動輪缸動力學(xué)模型圖。

在不考慮由于活塞密封導(dǎo)致活塞收縮的回滾效應(yīng)情況下，對輪缸進(jìn)行動力學(xué)分析：

對制動液進(jìn)行分析得到液體壓縮公式：

式中：C—活塞阻尼系數(shù)（N/（mm/s）;ML—制動塊質(zhì)量（kg）;XL—制動塊位移（mm）;PL—制動輪缸腔內(nèi)制動壓強(qiáng)（MPa）;AL—制動輪缸活塞截面積（mm2）;KL—制動輪缸活塞橡膠密封圈等效彈簧剛度（N/mm）;FL—制動塊與制動盤接觸力（N）;E—制動液體積彈性模量（MPa）;Qr—制動輪缸流入流量（mm3/s）;VL—制動輪缸初始容積（mm3）[13-14]。

1.3? ?整車動力學(xué)模型

如圖3所示，構(gòu)建的整車動力學(xué)模型受力包括空氣阻力Fw、地面制動力Ff1、Ff2、地面法向反力FN1、FN2、滾動阻力f和坡度阻力F0。其中，本文只分析汽車在水平直線路面上制動，故地面坡度為0，即坡度阻力為0。

汽車制動時動力學(xué)方程如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

式中：Fa—汽車所受合外力（N）;Ff1、Ff2—汽車前后輪所受制動力（N）;Fw—汽車所受空氣阻力（N）;f—汽車所受滾動阻力（N）;φ—路面附著系數(shù);G—汽車重力（N）;L1—汽車軸距（m）;L3、L2—汽車重心與汽車前后軸之間的距離（m）;ε—制動強(qiáng)度;H1—汽車重心高度;CD—空氣阻力系數(shù);A—汽車迎風(fēng)面積（m2）;ρ—空氣密度（kg/m3）;Vr—汽車與空氣相對速度（m/s）;m—汽車質(zhì)量（kg）;g—重力加速度（m/s2）;μ—汽車滾動阻力系數(shù);a—汽車加速度（m/s2）。

2? ? 制動模型仿真

2.1? ?AMESim整車制動仿真模型

基于汽車動力學(xué)分析，搭建面向汽車制動效能的制動系統(tǒng)及整車AMESim模型，如圖4所示：

采用某品牌SUV進(jìn)行實(shí)車試驗，驗證模型與仿真結(jié)果正確性。車輛參數(shù)由于篇幅限制，只列出制動器與整車參數(shù)，如表1所示：

2.2? ?仿真模型試驗認(rèn)證

由試驗車與仿真車加速度、速度對比（圖5）可知，試驗結(jié)果只在汽車制動剛開始有明顯波動，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。波動的主要原因是受車身限制，駕駛員開始制動時，汽車會前后抖動，導(dǎo)致試驗車加速度產(chǎn)生輕微波動。試驗結(jié)果曲線與仿真結(jié)果不完全重合，但誤差大小是在試驗允許的誤差范圍內(nèi)。故在試驗允許的誤差范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致性較好。證明了仿真模型的合理性和準(zhǔn)確性。

3? ? 不同工況的仿真

車輛在行駛時，人、車、環(huán)境三個因素會造成駕駛工況的多重性和復(fù)雜性。本文研究對象主要是三種車速與五種路面組成的十五種典型工況。三種車速，分別是高速80km/h、中速50km/h和低速20km/h;五種路面，分別是瀝青路面：附著系數(shù)1.0;濕瀝青路面：附著系數(shù)0.8;砂石路面：附著系數(shù)0.68;濕砂石路面：附著系數(shù)0.5和雪地路面：附著系數(shù)0.2[15]。汽車制動間隙消除時間取0.4s，汽車制動力上升時間取1s，最大踏板制動力取500N[16]。

3.1? ?高速下不同路面工況

汽車高速（80km/h）行駛通常是在高速公路或較為寬廣的道路上。在該類路面上，駕駛員視線狹窄，無法對周圍車輛行駛情況及時準(zhǔn)確處理，極易發(fā)生事故[17]，故對汽車制動效能要求較高。汽車制動在高速（80km/h）下的五種路面仿真結(jié)果如圖6所示，圖中曲線分別是汽車速度、制動距離和制動加速度。如圖可知，在瀝青路面、濕瀝青路面、砂石路面、濕砂石路面和雪地路面，汽車制動距離分別為46m、50m、53m、60m和120m，汽車制動時間分別為3.5s、3.9s、4.2s、4.9s和10.5s。根據(jù)研究，駕駛員平均反應(yīng)時間為1.5s [18]。因此，汽車，在高速工況下，汽車從駕駛員產(chǎn)生制動意圖到最終停止總制動距離分別為79m、83m、86m、93m和153m。其中，瀝青路面、濕瀝青路面、砂石和濕砂石路面上汽車制動距離小于高速公路一般的安全距離100m，這說明該車在高速工況的一般情況下，能起到較好的制動效果。但在雪地路面，總制動距離達(dá)到153m，這說明著該車高速行駛在雪地路面上時，至少需要和前車或其它障礙物保持直線距離在153m以上時，才有可能規(guī)避碰撞。

3.2? ?中速下不同路面工況

汽車中速行駛（50km/h）是大多數(shù)城市內(nèi)汽車行駛速度，也是最為普遍的汽車速度之一，分析此時汽車制動效能可以適用大部分行駛工況。同時，在汽車制動效能的分析中，對于乘用汽車，國家標(biāo)準(zhǔn)初始速度即為50km/h，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1[19]。其中充分平均減速度計算公式為[20]：

式中：MFDD：充分發(fā)出的平均減速度（m/s2），Vb：0.8V0，試驗車速（km/h），Ve：0.1V0，試驗車速（km/h），V0：試驗車制動初始速度（km/h），Sb：試驗車車速從V0到Vb，車輛行駛距離（m），Se：試驗車車速從V0到Ve，車輛行駛距離（m）。

汽車制動汽車中速（50km/h）下五種路面仿真結(jié)果如圖7所示，圖中曲線分別是汽車速度、制動距離和制動加速度。由圖可知，汽車在瀝青、濕瀝青、砂石、濕砂石和雪地路面上制動距離分別為21m、22m、24m、27m和50m，計算出充分發(fā)出地平均減速度分別為7.7m/s2、7.6m/s2、6.2m/s2、6.0 m/s2和2.1m/s2。數(shù)據(jù)表明，該試驗車中速行駛在瀝青、濕瀝青、砂石和濕砂石路面上時主動制動，充分發(fā)出地平均減速度良好，制動距離短，符合GB7258—2012中路試檢測標(biāo)準(zhǔn)。試驗車中速行駛在瀝青、濕瀝青、砂石和濕砂石路面上時可以較快、較好地進(jìn)行制動，從而規(guī)避碰撞。試驗車在雪地路面上充分發(fā)出地平均減速度小，制動距離大，這會導(dǎo)致該工況下汽車容易發(fā)生碰撞。

3.3? ?低速下不同路面工況

汽車低速行駛（20km/h）主要發(fā)生在路面交通擁堵的時候或崎嶇山路上，此時車輛之間間距較小或存在多彎多障礙物，因此對車輛制動效能有很大的要求，需要汽車能在較短距離內(nèi)停下。如圖8所示為汽車中速（50km/h）下不同路面的仿真結(jié)果，圖中曲線分別為汽車速度、制動距離和制動加速度。由圖可得，汽車在瀝青、濕瀝青、砂石、濕砂石和雪地路面上制動距離分別為5.4m、5.6m、5.7m、6.1m和9.6m，制動時間分別為1.4s、1.5s、1.6s、1.7s、和3.0s。由數(shù)據(jù)可得，汽車低速行駛在五種路面下的制動距離均不超過10m，雪地路面制動距離依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種路面下制動距離。這說明駕駛員在雪地行駛需要比平時預(yù)留中更多的安全距離以免發(fā)生碰撞。將20km/h下的五種工況數(shù)據(jù)應(yīng)用在AEB的測試中可以得到：在E-NCAP中AEB Pedestrian工況[21]，汽車制動在瀝青、濕瀝青、砂石和濕砂石路面上皆可避免碰撞行人;在雪地路面上，CVFA-50下汽車可以規(guī)避碰撞，其余工況則需要汽車制動距離離行人水平行駛距離9.6m以上;而在C-NCAP的行人測試時，汽車在此五種路面皆可以很好規(guī)避行人碰撞[22]。

3.4? ?制動系統(tǒng)效能優(yōu)化與智能駕駛制動應(yīng)用

由上文仿真數(shù)據(jù)得，該車瀝青、濕瀝青、砂石和濕砂石路面上行駛時制動效能較好，雪地行駛時制動效能較差。因此，制動效能優(yōu)化主要針對雪地路面下的三種不同工況。由仿真數(shù)據(jù)得，該試驗車在雪地路面制動時，制動距離較大主要的原因是雪地路面附著系數(shù)較小。針對此缺點(diǎn)，將汽車輪胎改換成為有效半徑更小，與路面摩擦系數(shù)更大的輪胎，同時，增大制動器鉗體變形等效剛度。三次參數(shù)優(yōu)化后，汽車在雪地路面上制動距離分別為高速87m，中速37m和低速7.5m，如圖9所示。

優(yōu)化結(jié)果表明，該試驗車經(jīng)過優(yōu)化后，高速工況下，該試驗車總制動距離120m，相對未優(yōu)化縮短33m;中速工況下，汽車制動距離相對未優(yōu)化縮短13m，汽車充分發(fā)出地平均減速度為3.2m/s;低速工況下，汽車制動距離相對未優(yōu)化縮短2.1m。由數(shù)據(jù)得出，通過三次參數(shù)優(yōu)化，該試驗車制動效能提升至約原128%，并且中速雪地工況下亦符合GB7258—2012中路試檢測標(biāo)準(zhǔn)中制動距離和充分發(fā)出地平均減速度要求。

該制動系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)，同樣可適用于智能駕駛中，以優(yōu)化后的車輛低速雪地為例：車輛在雪地上進(jìn)行低速行駛，此時，車載路面?zhèn)鞲衅鳈z測為雪地，車速傳感器檢測行駛狀態(tài)為低速，當(dāng)車載雷達(dá)監(jiān)測到車輛前方7.5m外有障礙物時，若監(jiān)測到駕駛員沒有手動換道或減速意圖，車輛會開始進(jìn)行一定地自動調(diào)節(jié)（制動以降低速度或變道），并提醒駕駛員。通過這樣自動調(diào)節(jié)，可避免部分因駕駛員疏忽而造成的車禍。

4? ? 結(jié)語

本文基于AMESim上搭建的汽車整車模型，分別對高速、中速和低速下五種不同路面的汽車制動效能進(jìn)行了研究。針對制動效能較差的雪地工況進(jìn)行調(diào)參優(yōu)化，使制動效能提升為原128%。研究結(jié)果表明，該模型可以用來針對性地研究汽車不同工況下制動效能并且進(jìn)行優(yōu)化改動，這為研究汽車智能駕駛下能否完成安全制動與汽車在更為復(fù)雜工況下的制動效能奠定了研究基礎(chǔ)。

同時，本文將實(shí)驗與仿真相結(jié)合，在保證了仿真結(jié)果準(zhǔn)確性下，降低了研究成本，縮短了研究周期，為分析不同車輛的不同制動工況提供了研究依據(jù)。建立的仿真模型還可以用來分析傳統(tǒng)制動系統(tǒng)下車輛不同工況下制動踏板感覺。

并且，通過將該模型進(jìn)行編譯，模型可適用于乘用車制動系統(tǒng)HIL臺架測試，減少實(shí)車測試風(fēng)險，擴(kuò)大測試工況范圍，縮短測試時間，降低測試成本。

展望：下一步可以模型基礎(chǔ)上加入汽車驅(qū)動系統(tǒng)與復(fù)雜的道路模型，從而對長時間且長距離下復(fù)雜路面汽車駕駛過程進(jìn)行仿真。同時可以將真空助力器換成電子助力器，并加入制動意圖分析，從而實(shí)現(xiàn)汽車無人駕駛下的制動工況分析。

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