重型越野汽車電控制動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

張 堃，黃 茂，劉保國，虎 忠

(陜西重型汽車有限公司，西安 710200)

前言

EBS系統(tǒng)是將駕駛員制動意圖和制動氣壓輸出的控制方式電子化、電控化，具有制動響應(yīng)時間快，制動性能安全可靠等特點［1］。本文中針對某型重型越野汽車設(shè)計了EBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并建立了Matlab/Simulink仿真模型。通過將緊急制動工況下制動模型的仿真結(jié)果與常規(guī)ABS試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了所設(shè)計的EBS制動系統(tǒng)的合理性和優(yōu)越性。

1 EBS系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 EBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)重型越野汽車制動系統(tǒng)普遍采用氣壓制動方式，本文中在參考國外商用車輛成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于電控-氣壓制動方式的EBS系統(tǒng)。該系統(tǒng)以某型4×4重型越野汽車為目標車型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1為所設(shè)計的EBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由電子制動踏板、EBS控制器、比例繼動閥和備壓電磁閥組成。電子制動踏板可將駕駛員產(chǎn)生的制動踏板行程轉(zhuǎn)換為兩路PWM信號輸出，同時輸出兩路冗余控制氣壓，以確保電控系統(tǒng)失效時制動系統(tǒng)自動切換為基本的純氣控模式。EBS控制器根據(jù)電子制動踏板信號、輪速信號和集成于比例繼動閥的制動氣壓反饋信號控制前后橋比例繼動閥的制動氣壓。后橋比例繼動閥與前橋比例繼動閥結(jié)構(gòu)相同，其氣壓控制口與備壓電磁閥的輸出口相連。當(dāng)電控系統(tǒng)失效時，備壓電磁閥自動切換冗余控制氣路至后橋比例繼動閥，使后橋比例繼動閥恢復(fù)為傳統(tǒng)的氣控模式。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

1.2 EBS控制策略

EBS控制策略為:當(dāng)EBS控制器采集到有效PWM制動信號后，根據(jù)當(dāng)前輪速信號和制動氣壓信號，按照目標車型理想的制動力分配曲線，對制動氣壓進行適時調(diào)整，從而得到優(yōu)異的前后輪制動力分配效果，避免出現(xiàn)車輛喪失轉(zhuǎn)向控制和側(cè)滑甩尾的危險［2－3］。當(dāng)EBS系統(tǒng)異常斷電或 EBS控制器檢測到系統(tǒng)嚴重故障時，系統(tǒng)通過備壓電磁閥將比例繼動閥的工作模式轉(zhuǎn)換至傳統(tǒng)的純氣控模式，以保證基本的氣壓制動?？刂圃韴D見圖2。

2 EBS系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

以Matlab/Simulink為仿真平臺，分別建立了目標車型的整車模型和EBS控制系統(tǒng)模型［4］。

整車模型中有如下設(shè)定:將簧上與簧下質(zhì)量的和作為整車質(zhì)量，忽略車輛側(cè)傾、輪胎滾動阻力和風(fēng)阻的影響，考慮車輛縱向、側(cè)向和繞慣性軸的轉(zhuǎn)動，車輛的運動方程為

采用基于Magic Formula的 Burckhardt輪胎模型。該模型中地面制動力為

式中:λ為滑移率;φ為附著系數(shù);C、D、E均為參考系數(shù)。附著系數(shù)φ與滑移率λ滿足如下關(guān)系:

式中C1、C2、C3為參考系數(shù)，在干瀝青路面條件下分別為 1.280、23.990、0.520。

采用1階滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)描述制動器模型壓力建立和釋放的動態(tài)過程。響應(yīng)的時域方程為

式中:p0為系統(tǒng)初始壓力;pS為系統(tǒng)目標氣壓;Tb1為系統(tǒng)時間常數(shù);Tb2為系統(tǒng)滯后時間常數(shù)。

由制動氣室氣壓可求得制動凸輪軸上的制動力矩為

式中:A為制動氣室有效作用面積;L為制動臂長;p為制動氣室氣壓。

由此可得制動器制動力矩為

式中:K為制動效能因數(shù);R為制動鼓半徑;η為制動器效率因數(shù);e為制動凸輪有效作用半徑。

3 EBS系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

3.1 低附著路面制動仿真分析

以目標車型為仿真對象，在峰值附著系數(shù)為0.2的冰雪路面，初始車速為30km/h，空擋、滿載和緊急制動狀態(tài)下對本文中設(shè)計的EBS控制邏輯進行仿真，將仿真結(jié)果與裝有ABS系統(tǒng)的目標車型在相同條件下得到的試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3表明，在冰雪路面上所設(shè)計的EBS系統(tǒng)對前后輪滑移率差值的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)ABS系統(tǒng)。由圖4可知，ABS系統(tǒng)從制動開始到車輛停止，所經(jīng)歷的時間為5.33s，制動距離為23.32m，而所設(shè)計的EBS系統(tǒng)對應(yīng)的制動時間僅為4.86s，制動距離為20.85m，比常規(guī)制動ABS控制的制動距離減少2.47m。其主要原因是在冰雪路面上，峰值附著系數(shù)僅為0.2，由滑移率引起的附著系數(shù)變化對地面附著力的影響不大，此時影響制動效能的主要因素為制動響應(yīng)時間。所設(shè)計的EBS系統(tǒng)采用電子制動踏板反映駕駛員的制動意圖，并通過控制器輸出控制命令，制動響應(yīng)時間較常規(guī)制動更快。

圖5為車輛在冰雪路面上EBS制動力分配比隨制動過程的變化，可見隨著車輛質(zhì)心的前移，前后橋制動力分配比根據(jù)控制策略被實時調(diào)整，可有效提高車輛的制動安全性能。

3.2 高附著路面制動仿真分析

以目標車型為仿真對象，在峰值附著系數(shù)為0.85的干瀝青路面，初始車速為60km/h，空擋、滿載和緊急制動狀態(tài)下對設(shè)計的EBS控制邏輯進行仿真試驗，將仿真結(jié)果與裝有ABS系統(tǒng)的目標車型在相同條件下得到的試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，所設(shè)計的EBS系統(tǒng)前后輪滑移率的差值可以有效控制在程序所設(shè)定的門限值之內(nèi)，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)ABS系統(tǒng)。由圖7可知，常規(guī)ABS系統(tǒng)的制動時間為2.51s，經(jīng)計算制動距離為22.01m。而所設(shè)計的EBS系統(tǒng)的制動時間為2.59s，制動距離為22.61m，比ABS系統(tǒng)的制動距離長0.6m。其主要原因是EBS控制算法在制動過程中根據(jù)前后輪滑移率的差值實時修改制動力分配比，以保證前后輪滑移率的差值在安全范圍之內(nèi)，從而避免甩尾工況，提高汽車的制動安全性能，但由于沒有充分利用地面提供的附著力，因此犧牲了少量的制動效能。車輛在干瀝青路面上EBS制動力分配比隨制動過程的變化曲線如圖8所示。

3.3 制動反應(yīng)時間臺架試驗

根據(jù)目標車型參數(shù)，搭建本文中設(shè)計的EBS系統(tǒng)制動試驗臺架，并與常規(guī)制動ABS系統(tǒng)進行了制動反應(yīng)時間對比試驗，其結(jié)果如圖9所示。

由圖可見，ABS制動反應(yīng)時間為0.57s，EBS制動反應(yīng)時間為0.38s，較前者減少了0.19s，EBS制動系統(tǒng)具有較明顯優(yōu)勢。其主要原因為EBS系統(tǒng)駕駛員的制動意圖和控制信號均以電信號傳輸，其傳輸速率較傳統(tǒng)氣壓信號有較大優(yōu)勢。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的EBS系統(tǒng)在兩種極限工況下均能有效控制目標車輛的滑移率，且制動距離滿足GB7258—2012規(guī)定。

(2)設(shè)計的EBS系統(tǒng)制動反應(yīng)時間短，較常規(guī)制動系統(tǒng)提前了0.19s。

(3)設(shè)計的EBS系統(tǒng)在高附著系數(shù)路面制動時可有效控制前后輪的滑移率差值，從而提高了車輛的制動安全性能，但與常規(guī)制動ABS系統(tǒng)相比，制動距離稍有增大。

(4)在低附著系數(shù)路面制動時，EBS系統(tǒng)對制動距離的改善效果顯著，提高了車輛的制動性能。

［1］ Kim Donghyun，Kim Hyunsoo．Vehicle Stability Control with Regenerative Braking and Electric Brake Force Distribution for a Fourwheel Drive Hybrid Electric Vehicle［J］．Proceedings of the Inst itution of Mechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2006，220(6):683 －693．

［2］ Nakazawa M，Isobe O．Braking Force Distribution Control for Improved Vehicle Dynamics and Brake Performance［J］．Vehicle System Dynamics，1995，24:413 －426．

［3］ 李銳，鄭太雄，李銀國，等．汽車防抱死制動系統(tǒng)分級智能控制［J］．機械工程學(xué)報，2007，43(8):135 －141．

［4］ 程軍．用Matlab/Simlink建立載重車驅(qū)動與制動的統(tǒng)一動力學(xué)模型［J］．上海汽車，1997(3)．

［5］ 解龍，陳家琪．ABS四輪車輛的 Matlab/Similink建模與仿真［J］．上海理工大學(xué)學(xué)報，2004，26(2):164 －167．

［6］ 余志生．汽車理論［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007:56－70．