蒙 柳 Meng Liu
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基于Matlab/Simulink的汽車制動(dòng)防抱死研究
蒙 柳 Meng Liu
(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 實(shí)驗(yàn)中心,陜西 西安 710117)
汽車制動(dòng)距離的大小主要與地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力與附著力存在關(guān)系,而制動(dòng)過(guò)程中控制滑移率在15%~20%時(shí),車輛可獲得較好的地面附著力,從而縮短并改善汽車在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)以及發(fā)生側(cè)滑跑偏造成交通事故。利用Matlab/Simulink仿真軟件模擬車輛在行駛過(guò)程中有無(wú)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的制動(dòng)性能,驗(yàn)證利用ABS控制車輛制動(dòng)時(shí)的滑移率在15%~20%具有較好的制動(dòng)效果。
制動(dòng)距離;側(cè)滑跑偏;滑移率;Matlab/Simulink仿真
汽車制動(dòng)性是汽車的主要性能之一,制動(dòng)性直接關(guān)系到交通安全,重大交通事故往往與制動(dòng)距離太長(zhǎng)、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況相關(guān),因此汽車的制動(dòng)性是汽車安全行駛的重要保障[1]。
根據(jù)地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力與附著力之間的關(guān)系,汽車地面制動(dòng)力首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力,同時(shí)又受到地面附著條件的限制,因此只有汽車具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力,同時(shí)地面又能提供高的附著力時(shí),才能獲得足夠的地面制動(dòng)力。
利用Matlab/Simulink仿真軟件建立相應(yīng)的防抱死ABS制動(dòng)系統(tǒng)模型來(lái)驗(yàn)證汽車制動(dòng)性能,在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)作用下制動(dòng)距離、滑移率以及制動(dòng)時(shí)間的仿真驗(yàn)證與不具有ABS制動(dòng)系統(tǒng)模型相比對(duì),具有ABS制動(dòng)系統(tǒng)的汽車在制動(dòng)過(guò)程中具有良好的制動(dòng)效果。
不考慮空氣阻力、車輪滾動(dòng)阻力及加速阻力等因素,只考慮車體縱向運(yùn)動(dòng)和車輪轉(zhuǎn)動(dòng),可得2自由度模型如式(1)~(3)[2],車輪制動(dòng)受力情況如圖1所示。
車輛運(yùn)動(dòng)方程
車輪縱向摩擦力
式中,M為汽車的質(zhì)量,kg;V為汽車的速度,m/s;Fx為地面制動(dòng)力,N;I為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg×m2;w為車輪角速度,rad/s;r為車輪滾動(dòng)半徑,m;Tb為制動(dòng)力矩,N×m;Tg為輪胎和地面的制動(dòng)力矩,N×m;m為附著系數(shù);N為車輪對(duì)地面法向反力,N。
當(dāng)車輪處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),車輪受到摩擦片與制動(dòng)器相互摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)器制動(dòng)力并引起輪胎與路面摩擦產(chǎn)生地面制動(dòng)力,車輪的輪速在不斷下降,并出現(xiàn)滑移;隨著制動(dòng)壓力的增加,車輪滑移的成分也在不斷增加,當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力大于路面附著能力極限時(shí),車輪會(huì)出現(xiàn)抱死并產(chǎn)生拖滑現(xiàn)象。
在地面制動(dòng)力和制動(dòng)器制動(dòng)力矩的共同作用下,車輪的轉(zhuǎn)速下降從而改變滑移率,滑移率的改變又導(dǎo)致地面制動(dòng)力的變化[3]。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出,當(dāng)車輪的滑移率或制動(dòng)減速度在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí),汽車可獲得良好的制動(dòng)效果,有效防止發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象以及縮短制動(dòng)距離。
車輪制動(dòng)時(shí)的滑移一般采用來(lái)描述[4-6],滑移率和縱向附著系數(shù)以及側(cè)向附著系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。
式中,l為車輪的滑移率;V為整車速度,m/s;w為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s。
汽車未制動(dòng)之前,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的初始角速度應(yīng)與車輛的速度相對(duì)應(yīng)。仿真模型中采用2個(gè)模塊來(lái)分別計(jì)算車輪角速度與車速。利用2個(gè)速度來(lái)計(jì)算滑移率,其由公式(5)來(lái)表示。
沒(méi)有滑移時(shí)車輪角速度
式中,v為車輪半徑劃分的車輛角速度,rad/s;v為車輛線速度,m/s;r為車輪半徑,m;w為車輪角速度,rad/s;為滑移率。
滑移率為0時(shí),車輪速度與車速相等;當(dāng)車輪抱死時(shí)滑移率為1。由圖2知理想的滑移率應(yīng)控制在15%~20%之間,即車輪轉(zhuǎn)速在數(shù)值上等于0.8倍非制動(dòng)條件下與其車速相同的車輪轉(zhuǎn)速。從而最大限度地減少輪胎和路面之間的附著性,并最大限度地利用摩擦力矩減小制動(dòng)距離。
輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)u為滑移率的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)函數(shù),即滑移率曲線。通過(guò)Matlab中變量使用Simulink框圖建立滑移率曲線,該模型的摩擦力f為輪胎垂向作用力與摩擦系數(shù)u的乘積,作用于輪胎的周緣。滾動(dòng)阻力除去車身質(zhì)量得到車輛減速度,并通過(guò)積分獲得車輛的速度[7],防抱死制動(dòng)系統(tǒng)車輪速度模型如圖3所示。
該模型根據(jù)實(shí)際的滑移和所需的滑移之間的誤差采用一個(gè)理想的魯棒防抱死制動(dòng)控制器,為使制動(dòng)距離最小化則使滑移率的值控制在接近滑移率曲線的峰值,一般出現(xiàn)在滑移率為15%~20%。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖4所示。
圖3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)車輪速度模型
圖4 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模型
由于在實(shí)際車輛行駛過(guò)程中,滑移率是不能直接測(cè)量獲得的,所以此控制幾何算法是不實(shí)際的。
控制制動(dòng)壓力的變化率,模型從實(shí)際滑動(dòng)減去期望滑動(dòng)并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為Bang-Bang控制(+ 1或-1,取決于正負(fù)誤差);這個(gè)開(kāi)/關(guān)速率通過(guò)1階滯后表示與制動(dòng)系統(tǒng)的液壓管路相關(guān)聯(lián)的延遲;該模型集成過(guò)濾率,以產(chǎn)生實(shí)際的制動(dòng)壓力,由此產(chǎn)生的信號(hào)乘以制動(dòng)活塞面積和半徑相對(duì)于車輪制動(dòng)力矩系數(shù)。
圖5 具有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輛與車輪速度
防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果如圖5~6所示,車輪角速度與車輛角速度對(duì)應(yīng),在車輪沒(méi)有抱死制動(dòng)的情況下車輪速度始終低于車身速度,車輛行駛速度由70 km/h降至0 km/h的時(shí)間低于15 s;并且在制動(dòng)過(guò)程中滑移率能夠保持在20%左右。
圖6 具有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的滑移率仿真結(jié)果
圖7 沒(méi)有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輛與車輪速度
圖8 沒(méi)有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的滑移率仿真結(jié)果
不具有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的模型仿真結(jié)果如圖7~8所示,車輪在第7 s左右抱死,當(dāng)車輪抱死之后可以利用的地面附著力瞬間下降,車輛滑移率急劇變?yōu)?作純滑動(dòng);車輛行駛速度由70 km/h降至0 km/h的時(shí)間超過(guò)16 s。
圖9 車輛制動(dòng)距離仿真結(jié)果
根據(jù)圖9中車輛制動(dòng)距離仿真結(jié)果顯示,不具有ABS的車輛制動(dòng)距離比具有ABS的車輛制動(dòng)距離超出40 m左右,制動(dòng)時(shí)間超出3 s。
1)基于Matlab/Simulink以及汽車動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論建立汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型,仿真得到車速及汽車前、后軸垂直力。
2)搭建與所得車速及前、后軸垂直力相應(yīng)的輪胎模型,并詳細(xì)闡述輪胎滑移速度模型、接觸點(diǎn)滑移模型以及低速下滑移率修正模型等子模型。
3)汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型與輪胎模型相互關(guān)聯(lián),是整個(gè)汽車模型中的關(guān)鍵部分。通過(guò)Matlab/ Simulink建立的輪胎模型能夠?qū)Σ煌瑺顟B(tài)下的輪胎滑移狀態(tài)進(jìn)行研究,具有一定的理論參考價(jià)值。
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