商用車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究

王玉桃 ，葛浩

1.徐州徐工汽車制造有限公司技術(shù)中心，江蘇徐州 221004；2.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221004

0 引言

汽車的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障，改善汽車制動(dòng)性能，始終是汽車設(shè)計(jì)制造部門的重要任務(wù)。目前，主機(jī)廠制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般通過簡單的理論計(jì)算選擇制動(dòng)系統(tǒng)特性參數(shù)，制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后直接采用試驗(yàn)驗(yàn)證。純理論計(jì)算假設(shè)因素太多，比較理想化，且直接通過試驗(yàn)驗(yàn)證成本高，不易隨便開展。AMESim可以詳細(xì)建立各閥、管路等的結(jié)構(gòu)模型，更接近實(shí)際模型，設(shè)計(jì)師在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，可以邊設(shè)計(jì)邊仿真分析所設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)性能，并與多目標(biāo)優(yōu)化軟件聯(lián)合優(yōu)化匹配參數(shù)，為設(shè)計(jì)師提供參考與便利。

1 商用車制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的搭建

某商用車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥、繼動(dòng)閥、ABS電磁閥、單膜片式制動(dòng)氣室和彈簧膜片式制動(dòng)氣室等組成[1]。

圖1 某商用車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥仿真模型

串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由上、下兩腔組成，分別與前、后制動(dòng)管路相連，兩腔相互獨(dú)立，一腔損壞時(shí)另一腔可正常工作。

圖2 串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)原理

制動(dòng)時(shí)，頂桿座1在制動(dòng)踏板的作用下推動(dòng)上腔活塞3，克服復(fù)位彈簧使上腔排氣口4關(guān)閉，上腔進(jìn)氣口16打開，壓縮空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入腔體17，并經(jīng)上腔進(jìn)氣口16由上腔出氣口15輸出到后軸制動(dòng)管路。隨著踏板開度增大，頂桿繼續(xù)推動(dòng)閥桿5下移，并作用于下腔活塞8上，同時(shí)上腔的壓縮空氣通過流通孔14也作用于下腔活塞8上，關(guān)閉下腔排氣口13，并打開下腔進(jìn)氣口11，由下腔供氣口10的壓縮空氣經(jīng)下腔出氣口12輸送到前軸制動(dòng)管路。因上、下腔的開啟由頂桿位移控制，故任何一腔出現(xiàn)故障，都不會(huì)影響另一腔正常工作[2]。

根據(jù)串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)以及工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖3所示。輸入閥特性參數(shù)，設(shè)置頂桿位移信號，頂桿位移在0.5 s內(nèi)從0增加到15 mm，保持2 s后，又在0.5 s內(nèi)降為0。氣源氣壓設(shè)置為1.2 MPa，對串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥仿真模型

圖4 制動(dòng)閥響應(yīng)曲線

圖5 制動(dòng)閥輸出氣壓隨頂桿位移變化曲線

由圖4和圖5可知，在升壓過程中，后軸管路先開始增壓，上下腔之間存在2 mm間隙，克服間隙后，前軸管路開始增壓。前后管路升壓所用時(shí)間約為0.25 s。釋放制動(dòng)時(shí)，前后軸管路氣壓迅速降為0，制動(dòng)閥充放氣迅速，符合其工作特性，仿真模型準(zhǔn)確。

1.2 繼動(dòng)閥仿真模型

商用車因軸距大，導(dǎo)致制動(dòng)閥與氣室之間的距離較長，為縮短空壓機(jī)中氣體輸送到制動(dòng)氣室的距離，提高響應(yīng)速度，在制動(dòng)閥后串聯(lián)繼動(dòng)閥，制動(dòng)閥輸出的壓縮空氣只用來控制繼動(dòng)閥的開啟，制動(dòng)氣室的壓縮空氣直接由儲氣筒經(jīng)繼動(dòng)閥提供，以實(shí)現(xiàn)快速充放。

繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。繼動(dòng)閥總共有4個(gè)接口，1為進(jìn)氣口，與儲氣筒相連；2為出氣口，與前、后橋制動(dòng)管路相連；3為排氣口，與大氣相通；4為控制口，與制動(dòng)閥相連，用于控制繼動(dòng)閥的開關(guān)。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)閥輸出壓縮空氣進(jìn)入控制口，克服復(fù)位彈簧后使活塞向下移動(dòng)，關(guān)閉排氣口并打開進(jìn)氣口，使壓縮空氣由出氣口輸出[3]。

圖6 繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)繼動(dòng)閥實(shí)際物理結(jié)構(gòu)和工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖7所示。輸入繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行仿真分析[4]。

繼動(dòng)閥控制氣壓與輸出氣壓的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知，輸出端氣壓先要克服閥門開啟壓力，隨著控制氣壓增大克服開啟壓力后，輸出端氣壓隨控制端氣壓的增大基本呈線性增大。繼動(dòng)閥響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖可知，在控制氣壓作用下，輸出端氣壓快速上升達(dá)到穩(wěn)定值，達(dá)到穩(wěn)定壓力75%所用時(shí)間為0.25 s，響應(yīng)迅速，符合繼動(dòng)閥工作原理。

圖7 繼動(dòng)閥仿真模型

圖8 繼動(dòng)閥控制氣壓與輸出氣壓的關(guān)系曲線

圖9 繼動(dòng)閥響應(yīng)曲線

1.3 ABS電磁閥仿真模型

ABS電磁閥是防抱死控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，串聯(lián)在制動(dòng)管路中，按ABS控制系統(tǒng)的命令控制制動(dòng)氣室的增壓、減壓、保壓以調(diào)節(jié)制動(dòng)力，防止制動(dòng)過程中車輪發(fā)生抱死，并將制動(dòng)滑移率控制在最佳值附近，充分利用路面附著系數(shù)，提高制動(dòng)性能[5]。

ABS電磁閥結(jié)構(gòu)原理如圖10所示。車輛制動(dòng)增壓時(shí)，進(jìn)排氣電磁閥都不通電，壓縮空氣進(jìn)入腔體15，克服彈簧壓力，從而打開進(jìn)氣閥口3，使出氣口4輸出氣壓。保壓時(shí)，進(jìn)氣電磁閥通電，使壓縮空氣進(jìn)入進(jìn)氣閥先導(dǎo)氣室1，關(guān)閉進(jìn)氣閥，同時(shí)排氣電磁閥依舊斷電，使得排氣閥口6依舊關(guān)閉，ABS電磁閥處于保壓狀態(tài)。減壓時(shí)，進(jìn)排氣電磁閥都通電，進(jìn)氣先導(dǎo)氣室里的氣壓關(guān)閉進(jìn)氣口，同時(shí)排氣先導(dǎo)氣室里的氣壓打開排氣口，使氣體從排氣口9排出[6]。

圖10 ABS電磁閥結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)ABS電磁閥物理結(jié)構(gòu)和工作原理搭建AMESim模型，如圖11所示，輸入ABS電磁閥結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)進(jìn)行仿真。

圖11 ABS電磁閥仿真模型

輸出氣壓與進(jìn)、排氣電磁閥關(guān)系曲線如圖12所示。根據(jù)ABS電磁閥工作原理，在0～0.4 s內(nèi)進(jìn)、排氣電磁閥都不通電，即仿真增壓工況，由仿真結(jié)果可見，此時(shí)間段內(nèi)出氣口壓力增大并保持在穩(wěn)定值。在0.4～0.6 s內(nèi)進(jìn)氣電磁閥通電，電流輸入為40 mA，排氣電磁閥不通電，即仿真保壓工況，由仿真結(jié)果可見，該階段內(nèi)出氣口壓力保持不變，處于保壓狀態(tài)。在0.6～1 s進(jìn)、排氣電磁閥都通電，且給予40 mA的電流值，由仿真結(jié)果可見，此時(shí)間段內(nèi)出氣口壓力迅速降為0，ABS電磁閥進(jìn)行減壓。整個(gè)增壓、保壓、減壓過程與ABS電磁閥工作特性相同。

圖12 輸出氣壓與進(jìn)、排氣電磁閥關(guān)系曲線

1.4 前后橋制動(dòng)氣室仿真模型

制動(dòng)氣室與制動(dòng)器相連，由制動(dòng)閥操控而來的壓縮空氣進(jìn)入制動(dòng)氣室，推動(dòng)推桿，推桿使制動(dòng)蹄壓緊在制動(dòng)鼓上，實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。

前橋使用單膜片式制動(dòng)氣室，氣體推動(dòng)膜片克服復(fù)位彈簧，使得推桿伸出，如圖13所示。

圖13 單膜片制動(dòng)氣室

后橋采用彈簧膜片式制動(dòng)氣室，該制動(dòng)氣室存在兩個(gè)氣腔，膜腔用于行車制動(dòng)，彈簧腔用于緊急制動(dòng)和駐車制動(dòng)，且兩腔相互獨(dú)立，如圖14所示。常規(guī)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管路中的壓縮空氣由進(jìn)氣口2進(jìn)入膜腔1，由膜片推動(dòng)托盤，克服膜腔的復(fù)位彈簧，使推桿伸出。駐車制動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)，通過手制動(dòng)閥的操作，彈簧腔8的壓縮空氣由排氣口7排出，在復(fù)位彈簧作用下，推出推桿，作用于制動(dòng)器，對車輪施加制動(dòng)力[7]。

圖14 彈簧膜片式制動(dòng)氣室

根據(jù)工作原理及結(jié)構(gòu)特征，建立AMESim模型如圖15和圖16所示。

圖15 單膜片式制動(dòng)氣室仿真模型

圖16 彈簧膜片制動(dòng)氣室仿真模型

1.5 制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1的制動(dòng)系統(tǒng)布置方式及車型制動(dòng)管路特征，將各閥用管路連接起來形成整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，如圖17所示。仿真時(shí)間設(shè)置為4 s，步長為0.01 s，對制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖17 制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變化曲線如圖18所示。由圖可以看到，隨著頂桿位移的增大，先克服開啟壓力后，前橋制動(dòng)氣室氣壓在0.46 s達(dá)到穩(wěn)定氣壓的75%，后橋制動(dòng)氣室氣壓在0.5 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定氣壓的75%，前后橋響應(yīng)時(shí)間均小于0.6 s。相較于制動(dòng)閥，整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)因管路、閥等因素影響，響應(yīng)時(shí)間增大，且由于后軸管路較長，導(dǎo)致前軸響應(yīng)略快于后軸。

圖18 制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變化曲線

2 制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化

基于AMESim聯(lián)合多目標(biāo)優(yōu)化軟件，對制動(dòng)系統(tǒng)的管路特性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可提高制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，基于建立的AMESim制動(dòng)系統(tǒng)模型，在AMESim軟件菜單的接口里選擇管路特性參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，即設(shè)計(jì)變量，以制動(dòng)氣室氣壓作為輸出參數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)為使制動(dòng)氣室氣壓達(dá)到最大穩(wěn)定氣壓75%的響應(yīng)時(shí)間最短，制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化約束條件見表1。將接口設(shè)置好后選擇導(dǎo)出格式為多目標(biāo)優(yōu)化文件，建立模型調(diào)用文件，設(shè)置為.bat格式。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化約束條件

在多目標(biāo)優(yōu)化軟件中調(diào)用AMESIim模塊，設(shè)置設(shè)計(jì)變量及設(shè)計(jì)目標(biāo)，并根據(jù)管路特性參數(shù)的上下限值設(shè)置約束條件，采用全局探索優(yōu)化與數(shù)值優(yōu)化自由組合的Pointer-2算法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。由優(yōu)化結(jié)果可以看出，前橋優(yōu)化前的響應(yīng)時(shí)間為0.46 s，優(yōu)化后的響應(yīng)時(shí)間為0.41 s；后橋優(yōu)化前的響應(yīng)時(shí)間為0.50 s，優(yōu)化后的響應(yīng)時(shí)間為0.43 s。前后橋響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。

表2 響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化結(jié)果 單位:s

3 整車制動(dòng)性能仿真分析

前文講述了制動(dòng)系統(tǒng)各閥的AMESim仿真模型搭建以及整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算，而制動(dòng)性能的好壞需要與整車結(jié)合起來進(jìn)行評價(jià)，在整車模型的基礎(chǔ)上分析制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、減速度以評價(jià)制動(dòng)性能的高低。

基于AMESim搭建8×4整車模型，根據(jù)整車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建仿真模型，如圖19所示。為了便于參數(shù)的修改，設(shè)置全局參數(shù)進(jìn)行整車建模，路面附著系數(shù)選擇0.8，初始制動(dòng)時(shí)的車速為60 km/h，進(jìn)行整車制動(dòng)性能仿真計(jì)算。

制動(dòng)性能仿真結(jié)果如圖20所示，車輛從60 km/h減速至停車，最大減速度為5.19 m/s2(去除個(gè)別因路面不平而引起的尖點(diǎn))，制動(dòng)距離為34.5 m。因選取車輛開始制動(dòng)時(shí)的前軸所在位置為位移原點(diǎn)，而此處讀取的是質(zhì)心處位移數(shù)據(jù)，故位移前面一段為負(fù)值。

圖20 制動(dòng)性能仿真結(jié)果

4 結(jié)論

(1)AMESim可搭建詳細(xì)的仿真模型，仿真精度高。本文通過研究商用車制動(dòng)系統(tǒng)各閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建了各閥仿真模型，又根據(jù)實(shí)車管路布置方案和管路特性參數(shù)連接各閥形成整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，通過計(jì)算分析，仿真結(jié)果與實(shí)際規(guī)律相符，說明可通過該模型計(jì)算分析制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

(2)基于建立的AMESim制動(dòng)系統(tǒng)模型，聯(lián)合多目標(biāo)優(yōu)化軟件，對制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)匹配優(yōu)化，使制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。此外，根據(jù)整車結(jié)構(gòu)特征建立道路、輪胎、懸架等模塊，搭建整車制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，用于分析計(jì)算整車制動(dòng)距離、減速度等制動(dòng)性能。