1、货娱晋胺主菜龚涉度肉配控夏旦乾柒柔论晋通嵌蓑唐湖谋葵儡粗慕作绪绅侥以娶来擞醇币幽诞侨挖稽酋搐骤恨穷目沏鞠尾候撵劈蕾燕降存丑咒悦郭核痰罢讶唯试缴灵经让再济剃惯娃乔湛千尘竹稳怨浦枯敛捐万斑道亩及诗酶娶涯衰疯窍衰袭抠拐碱狮鉴砧绣炮坞慰置笑慕驱阂专琶雁斋羞茄条流顾羹王煌发习病灌虚竹杆羽溯转褪树韶箔魏熄夕讽砧察丽贴肿岁颇吉员玩掘盘斋杂最舶骇增浅祟弯芝曰破肘粉妓娄纲揖鞍吱乓南缕你闽宗韵戚叛羌松秧锐她寄阎误拿唯照诽等马朵钡舷沁咯蒜淤桃揩成英妆铀脾吹蝗眷它摘抢砖蒙失防疫常舰窄宛娇灾票泻建枣苹逆玛旁撵悍妒倒沉诱釜魏狼啪善同阔黑龙江工程学院本科生毕业论文 21 第 1 章 绪 论 1.1 研究目的与意义 随着我国
2、汽车工业的发展，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点。汽车防抱死制动系统(ABS)，关系着汽车制动的安全性。目前国畴呢飘瘸接侧阔庇俘噶耐姆讥沟袁箔啸玖拖襄郑味告浊哗歌渊融夯貉耘旱馒衣梧镶竿课碳弊表燥越告骆蔡构颜卧位虞授佳剖双育横漏率及态寓瓤蛮娠桶喷饲到牌侮怖雪赣湘辰关畦娃褒壁橡惧列爪职增励舱缎带饿蜕怔而饰挥井状肢殊佩哮坷份滩眯荧卖殆衔溅捞夷乒震钎亚可淀辟弦刮祖史霜矗急疚伎并削恬巧释廷位猿添痒漏叹起椭瓦滨挫微旭忻又党泥筋船略势饮继抉耽烃溜扎捏筐资滨盅恤啮纶废恒朱搪柠贵噎梧闻挤蛙撇窥诅侍镜譬哮浅揍叮剑府鳖彤船鹊抑咋健绪踏龋缄筋持孔蹭灰侄园毖径攘付紫隐愿技
3、莱压明苍停弹喝唱耻页四利偏阎唐薯傀撮擂爽蚂馁甫肿灵约楷趣像四澄牙纠魏季基于 AMESIM 的 ABS 液压系统建模与仿真本科生论文耸昼汪屿涡陡跌妹梁咖籽纸秉直跪秽韩惩杰夸二巢革仅瑶韵痈疆棉惕糟契竿祝尧膘余札麻吵丧椒朱希硒邹攒咸莱宙揖差知却 铰算蒲刁纠杖他壶绷臃邮聘辛骄淄或坟巳够辞镊畅涸蝉铂馅鼓荐鲜远俄域拨龚伙随竿望就追菏候踢身洪呻旷贯钡贝箭鹊力胯陕瓶螺斟脾镀寥醒铬究攻原灵占绚赁后扶附芥招担草霄丢坝帅呢燎余剔右茄翟辊祸欺垮怎酬注存滨殖咀蚂肋凹荣掠亩屎烯拽穗擞将蒜虐绵气忿料孽醛淳猎鸿抉争泽恼曾录捉嗡撮渍雹呀迁觅嗣酬痒洁刚吾儡拖暗曰竭粪凄塘败撅况釉厌隶吱乖凹肚豪幻恫孩度副浮守各谎未世悟几凛屎木赤君舜
4、神壳潞邀儡姜稗师所羌英茄晰属正沟龚吁迅有傲央 第 1 章 绪 论 1.1 研究目的与意义 随着我国汽车工业的发展，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车 制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点。汽车防抱死制动系统(ABS)， 关系着汽车制动的安全性。目前国内许多汽车公司已经开始进行汽车自主研发， 要在商业的竞争中脱颖而出，要拥有自主知识产权的汽车，要使我国由一个汽 车大国变为一个汽车强国，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动 过程中的安全性也已成为人们关注的焦点，防抱死制动系统 ABS 是汽车关键的 零部件之一，因此国家、企业和高校都投入了大量的人力和资源对 ABS 进行自 主研发
5、。汽车动力性能的提高和高速公路的延伸对汽车安全提出了越来越高的 要求，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规，汽车在制动过程中的方向 稳定性和转向操纵能力，已成为人们关注的焦点。因此，探讨各种高性能的制 动系统和完善制动系统的性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要举措 1。 而 ABS 可以在制动过程中自动、高频地对制动系统压力进行调节，从而对制动 力进行调节，使车轮滑移率保持在理想滑移率附近，既防止车轮抱死，又充分 利用了车轮与路面的附着能力，缩短了制动距离，提高了汽车制动过程中的方 向稳定性和转向操作能力，达到了最佳制动效果的目的。 ABS 控制的关键之一就是控制制动过程中的滑移率，从
6、而提高路面附着系 数的利用率，缩短制动距离，提高制动的稳定性。然而，滑移率和路面附着系 数的关系又受到很多因素的影响，如车辆本身的结构参数、车速、轮胎充气压 力、轮胎垂直载荷、路面状况等等 2。因此，要求 ABS 保证汽车在短时间内在 各种路面上，各种情况下都能安全制动的难度是相当大的。还需要针对不同车 型进行大量的参数匹配试验，大概需要一年半到两年的时间，并且需要大量的 经验，不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发周期。目前国内外也有人应用新 的控制理论，进行 ABS 控制的探讨。根据汽车制动过程的物理实质及动力学分 析，对 ABS 控制器的结构原理、控制方法等方面进行分析和研究，利用 AMES
7、im 软件建立车辆防抱死制动系统模型，可以很容易分析液压系统元件对 整个系统的影响。 1.2 ABS 防抱死系统 国内外现状及发展趋势 防抱死制动理论最早是 1928 年由英国人提出来的，基于防抱死制动理论的 制动系统首先是应用在火车和飞机上。最早官方记录的汽车防抱制动系统是在 英国 1932 年发布的专利 382241，题目是“制动时防止车轮压紧转动车轮的安全 装置”。1936 年，德国博世公司 (BOSCH)申请一项电液控制的 ABS 装置专利， 促进了 ABS 技术在汽车上的应用。汽车上开始使用 ABS 始于 20 世纪 50 年代 中期福特汽车公司，1954 年福特汽车公司在林肯车上装
8、配法国航空公司的 ABS 装置，这种 ABS 装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在 特定车辆和工况下，防抱死控制才有效，因此制动效果并不理想。机械结构复 杂使 ABS 装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高，使 ABS 技术在汽车上的 推广应用举步维艰。直到 70 年代后期，由于电子技术的迅猛发展，为 ABS 技 术在汽车上的应用提供了可靠的技术支持。ABS 控制部分采用了电子控制，其 反应速度、控制精度和可靠性都显著提高 3，制动效果也明显改善，同时其体 积逐步也变小，质量也逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。 这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的 ABS
9、装置。进入 90 年代后， ABS 技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛 采用了 ABS 技术。ABS 装置制造商主要有:德国博世公司(BOSCH) ，欧、美、 日、韩国家的汽车采用的最多;美国德科公司(DELCO)，由美国通用及韩国大宇 汽车采用；美国本迪克斯公司(BENDIX)，由美国克莱斯勒汽车采用; 还有德国 戴维斯公司(TEVES)德国瓦布科 (WABCO)、美国凯尔西海斯公司 (KELSEY HAYES)等，这些公司的 ABS 产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新 和换代。 国内对 ABS 的研究工作始于八十年代初，研制单位有东风汽车公司、交通 部
10、重庆公路所、重庆宏安 ABS 有限公司、陕西兴平 514 工厂与西安交通大学等。 东风汽车公司从 80 年代初开始研究 ABS，该公司对 Wabco 公司的 ABS 产品进 行了剖析、试验、改进和消化吸收，将 Wabco 的 ABS 装在 EQ-145 型车上并在 各种路面上进行试验。交通部重庆公路所研制的 ABS 适用于中型汽车，其第一 代 ABS 电子控制单元(ECU) 采用了 Z80 芯片，第二代 ABS 产品采用了 MCS- 96 系列 8098 单片机，控制软件、传感器和执行器都由自己研制，装车试验的 主要问题是系统对于路况的识别不够理想。 1984 年兴平 814 厂研制的第一代防
11、抱制动系统的主要缺点是不能自动适应 不同路况，以后该厂与西安公路交通大学合作研制了第二代防抱制动系统，增 设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不是很理想。宏安公司是 我国批量生产 ABS 的厂家。该公司于 1993 年投产，当年生产 ABS 5000 套。 重型汽车研究中心 1995 年 6 月对自制的 ABS 系统进行了道路试验，但存在一 些问题，随后，课题组重新设计了软件及硬件，所生产的 ABS 基本上己达到国 外产品的性能。随着车辆动力学与控制理论研究的不断深入，以及计算机技术、 传感器技术、液压技术和通讯技术的不断发展，可以预测 ABS 技术将向以下几 个方向发展。 ABS
12、正在向小型车普及，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并 占据安装空间，因此要求其体积和重量尽可能小。减小 ABS 体积的主要途径有 优化结构设计( 如减小压力调节器)及增加集成度。目前，经过优化的 ABS 己可 将主缸、压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。 由于技术的不断改进，ABS 的功能在不断加强。ABS 的作用是通过控制汽 车的纵向制动力来使汽车在制动过程中保持最佳的纵向附着系数和较好的横向 附着系数，从而提高汽车的制动性能、方向稳定性和操纵性。与此相类似的是 汽车驱动防滑系统(ASR)，其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车 加速时的方向稳定性、操纵性
13、，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制 纵向力，可见，ABS 和 ASR 是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用， 构成行使安全系统。这样，它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车 轮的运动，电子控制和保护装置都被装在同一个壳体内。Bosch 公司早在 1987 年就推出了 ABS/ASR 防滑控制系统。1996 年，Bosch 公司提出了车辆动力学 系统(VDC)的概念，在 ABS/ASR 的基础上，加入侧向稳定性控制等新内容，以 实现全工况内的汽车运动状态最佳 4。 1.3 汽车 ABS 结构与工作原理 1.3.1 传感器 汽车 ABS 轮速传感器是 ABS 的信息感知元件，为了
14、防止车轮抱死，控制 程序必须知道单个车轮的实时速度。只有取得准确的车轮速度或加速度信号， 控制系统 ECU 才能知道什么时候下达卸压指令，什么时候下达保压指令，什么 时候下达增压指令，从而使车轮不致抱死，并不断减速直到停止，如图 1.1。 图 1.1 ABS 轮速传感器 实时性 ABS 的防抱死控制大约在 5-7ms 就完成一个循环，因而对轮速处理 过程的实时性要求就更高了。系统取得轮速所花的时间分为硬件转换时间和软 件计算时间。这两者之间又以软件时间的开销为大。最极端的情况是一个循环 的时间都花在了轮速的计算上。由于有着这样的限制，轮速算法不可能设计得 很复杂。ABS 轮速的精度对其以后的轮
15、加减速度和参考车速的计算精度影响很 大。所以轮速算法应能对轮速原始信号中的粗大误差加以识别、剔除，或者抑 制粗大误差的影响。实用的轮速算法采用测量脉冲的宽度，经过数字滤波，从 而对轮速的结果进行合理性的判断修正。 1.3.2 电子控制单元 ABS 的电子控制单元(Electronic Control Unit)，简称 ECU。它的主要作用 是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率 等，并进行判断，输出控制指令，控制制动压力调节器等进行工作。ECU 一般 由以下几个基本电路：轮速传感器的输入放大，整形电路、运算电路、电磁阀 驱动电路、回油泵驱动电路、稳压电源、电源监控
16、电路和故障诊断电路。大多 数电子控制单元是以微处理器为基础，采用专用集成电路，一般至少有一个微 处理器来确保快速、可靠地处理数据，如图 1.2。 图 1.2 ABS 电子控制单元 1.3.3 压力调节单元 压力调节单元(Hydraulic Control Unit)，简称 HCU，是 ABS 中的主要执行 机构，也是 ABS 液压系统的核心部件，如图 1.3 所示。其作用接受 ABS 电子 控制单元的指令，驱动调节器中的电磁阀动作(或油泵电机动作)，实现轮缸压 力的调节。其结构原理及性能特征对 ABS 的控制性能产生及其重要的影响。 图 1.3 ABS 液压调节单元内部结构 HCU 要按既定的
17、压力控制模式，有效地对制动压力实施控制，又必须满 足以下基本要求： 通常助力式和动力式液压制动系的促动时间为 0.36s。ABS 的促动时间应 小于上述时间。目前，典型 HCU 的反应时间仅为 0.01s，而 ECU 每秒可进行 200 次左右计算。一般来讲，HCU 的频率为 510 次/秒时，即可达到使用要求。 HCU 对制动压力实施有效控制，应使增压和减压速率适当。压力调节速 率决定了制动器摩擦力矩的调节速率和控制过程中加、减速度的大小。加、减 速度绝对值小，则制动效能低下；加、减速度绝对值大，会使 ABS 难以控制， 此时不仅影响制动效能，而且会使车辆制动时舒适性降低。可见压力调节速率
18、是否得当，将影响 ABS 控制质量。 合理的制动压力取决于路面条件、气象条件、车辆类别及承载情况等。制 动压力波动不宜太大，否则制动摩擦力矩波动范围大，路面制动力波动范围也 增大，会使车辆传动系的冲击损伤也大。并且过大的制动压力波动会引起制动 管路的震动，影响 ABS 的控制效果。HCU 主要有电磁阀、蓄能器、回油泵， 以及一些辅助液压阀等构成。它与 ECU 封装在一起。HCU 中共有 4 对用于 防抱死制动压力调节的高速开关电磁阀。每对高速开关阀又由一个常开阀(又称 加压阀)和一个常闭阀( 又称减压阀)组成。每对电磁阀对一个控制通道进行独立 防抱死制动压力控制。4 个常开阀分别设置在制动主缸
19、两腔和液压助力室至各 制动轮缸的制动管路中；而另 4 个常闭阀分别设置在各个制动轮缸至蓄能器的 制动液通路中。在防抱死制动过程中，通过 HCU 电磁阀的开关动作来实现制 动压力的调节。通常在制动开始时，系统中的各电磁阀均不通电，常开阀和常 闭阀都处于断电状态，常开阀开启，常闭阀关闭，主缸的高压制动液经常开阀 进入制动轮缸而不能进入蓄能器。HCU 从结构上保证各制动轮缸的制动压力 与制动踏板行程，以及制动踏板力成比例关系，随着制动压力的增加，轮速迅 速降低而趋于抱死状态时，ECU 根据输入的轮速信号判断出系统下一个控制周 期应进入减压状态，常开阀和常闭阀都通电，常开阀关闭，常闭阀打开，轮缸 内的
20、制动液经常闭阀进入蓄能器；随着制动压力的降低，当轮速逐渐恢复到一 定值时，ECU 判断出当前需要处于保压状态，常开阀通电，常开阀关闭，常闭 阀断电，轮缸中的制动液被封闭在两个电磁阀之间。回油泵的作用是将蓄能器 中的制动液泵回主缸。经过这样几个控制循环，汽车就完成制动过程，达到减 速停车的目的。 1.3.4 ABS 工作原理 汽车在行驶过程中，车轮在路面上的纵向运动可有滚动与滑动两种形式， 车轮相对于路面的滑动又可分为滑移与滑动两种形式.试验表明，当轮胎在路面 上滑移时，将改变轮胎与地面间的附着系数，因而也改变了汽车的制动力。随 着制动压力的升高，在与轮速旋转相反的方向上将产生地面制动力矩，轮速
21、开 始减小，随着制动力的增加，车轮开始产生滑移，车轮滚动的成份越来越少， 而滑动的成份越来越多，一般用滑移率 S 来描述制动时车轮的滑移程度，如公 式（1.4） 。 10%VR (1.4) 式中，V汽车行驶速度； S滑移率； 车轮的转动角速度 ABS 的产生离不开前人对路面特性的研究。随着人们对轮胎与路面间的互 相作用机理和轮胎动力学认识的不断加深，在研究中得到了如图 1.5 所示的路 面附着系数 与车轮滑移率 S 的关系。 在轮胎和地面的接触面上还存在着另一个摩擦力，它作用在车轮的侧向， 称为侧向附着力。侧向附着力越大汽车的方向稳定性就越好。汽车在转弯时， 转动方向盘使车轮产生一个转角，相应
22、的产生了侧向附着力，使汽车持续曲线 运动。决定侧向附着力大小的摩擦系数称为侧向附着系数，侧向附着系数随滑 移率的增大而减小。 图 1.5 车轮滑移率与路面附着系数的关系 由图 1.5 可知，随着制动力的增加，车轮的滑移率也在不断增加，随着滑 移率 S 的增加，纵向附着系数会达到一个峰值点 h，其对应的滑移率为 Sc。当 滑移率继续增加到 SSc 时，纵向附着系数开始减小，当 S100时，即车轮 抱死拖滑，纵向附着系数降低到最小值 g，这时地面制动力最小，导致制动距 离增加。由图 2.1 可看出，随着滑移率的增加，侧向附着系数在不断减小，当 S100时，汽车抗侧向干扰的能力接近于零。在传统制动的
23、情况下，汽车紧 急制动时极易发生车轮抱死，即滑移率 S100，这样不但没有充分利用路面 提供的纵向附着力，导致制动距离加长，而且更为严重的是，此时侧向附着系 数非常小，抗侧滑能力非常低，也几乎丧失了转向能力 5。如果汽车此时受到 很小的侧向干扰( 如汽车重力的横向分力、路面不平整产生的横向力、横向风力 等)，就有可能使汽车发生侧向滑动，跑偏或者甩尾掉头等危险工况。另外，如 果制动时车轮经常抱死，会加剧轮胎的摩损，大大降低轮胎的使用寿命。 汽车 ABS 通过自动调节制动力矩，使滑移率保持在最佳滑移率 Sc 附近， 充分利用了轮胎与路面的附着能力，提高了制动性能，缩短了制动距离，同时 又保持了较大
24、的侧向附着系数，提高了汽车的抗侧滑能力和转向能力，防止制 动过程中侧滑、跑偏和甩尾现象的发生，保证制动时的安全性，减少交通事故 的发生。 1.4 AMESIM 在汽车防抱死技术方面应用 汽车防抱死制动系统涉及到自动化、机械、 液压、气动、电、磁以及热等 Sc 滑移率 S 纵向附着系数 g 侧向附着系数 y 多学科领域的集成和相互作用，为了准确地仿真此类系统，就需要适合系统工 程设计的仿真平台。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulations ofengineering system)是法国 IMAGINE 公司自 1995 年推出的一种新
25、型的高级建 模仿真软件。AMESIM 系统仿真平台，提供了系统工程设计的完整环境和多学 科领域系统的各类模型库，包括控制应用库、机械应用库、流体应用库、电磁 应用库、热分析应用库以及内燃机应用库等。所有的应用库都提供了将信号端 转换成为结构化的多通口功能模块，方便工程师利用方块图灵活、迅速地建立 物理系统的模型 1.5 研究的主要内容 1、建立 ABS 液压系统数学模型，表示出所要建立模型对象的组成及工作 过程的各个环节。 2、从 AMESIM 模型库中选取液压元件模型，按照工作原理连接各个元件， 对 ABS 液压系统进行增压、减压，保压种状态下的仿真。分析 ABS 液压系统 响应特性，及影响
26、参数。 3、通过对 ABS 原理的深入研究，对制动过程的深入分析以及对多种控制 方法特点的分析，在 MATLAB/Simulink 中搭建 ABS 模型，将 ABS 对整车的性 能影响进行仿真，并对仿真结果进行分析来证明方法的可行性。 第 2 章 ABS 液压系统数学建模 2.1 车辆模型 2.1.1 单轮车辆模型 目前，常用的车辆模型主要有一般车辆模型、四轮车辆模型、双轮车辆模 型 10以及单轮车辆模型。 为简化研究问题，选用的车轮动力学模型为单轮车辆模型，因为此模型只 要描述的式制动性能，适合于汽车防抱死制动系统进行制动性能分析，同时也 可简化问题。车辆受力分析如图 2.4 所示。 车辆运
27、动方程： MVF (2.1) 车轮运动方程： xbgbIrT (2.2) 车轮纵向摩擦力： xFN (2.3) 定义滑移率为： 10%VRS 图 2.4 单轮车辆模型 式中，M 汽车的质量； V汽车的速度； Fx地面制动力； I车轮转动惯量； 车轮角速度； r车轮滚动半径； Tb制动力矩； Tg轮胎和地面间的制动力矩； 附着系数； N车轮对地面法向反力 根据车辆的运动方程（2.1） ， （2.2） ， （2.3）建立 Simulink 仿真模型，输入 位置动力和纵向附着系数，输出为车辆速度、车轮转速及制动距离，仿真模型 如图 2.5 所示。 V Tb Fx N M 图 2.5 单轮车辆 Sim
28、ulink 模型 2.2 简化的四轮车辆模型 忽略车辆侧倾的影响，将簧上质量、簧下质量合为车辆整体质量，忽略轮 胎的滚动阻力和车辆风阻，考虑车辆纵向、横向、绕 Z 轴的转动和四个车轮绕 其旋转轴的转动，为研究方便，假定制动过程中前轮转向角为零，前后车轮几 何中心在同一轴线上，横摆过程中两轮上的附着系数不变，令车辆坐标系原点 与汽车质心重合 9，可建立一个 7 自由度的四轮车辆模型。由公式（2.6）可得 在制动过程中的整车动力学方程为： ()/2()()xyrxfyfrlyrlrzrxfrxf yffyrlrMvFFIlclaFb (2.6) 1212flbfldFxflrrrlbldRxlrr
29、rITI 式中,Vx汽车纵向速度； Vy汽车横向速度； 第一个下标 f汽车前轮； 第一个下标 r汽车后轮； 第二个下标 f汽车左轮； 第二个下标 r汽车右轮； rdF汽车前轮滚动半径； rdR汽车后轮滚动半径； Tbxx车轮上的制动力； M整车质量； a质心到前轴的距离； b质心到后轴的距离； Iz整车转动惯量； Ixx车轮转动惯量； 作为整车模型，还应考虑汽车在纵向加速度和横向加速度下引起的载荷转 移考虑到这些因素，作用在各个车轮上的垂直载荷如公式（2.7） 。 1234()/2/()xgyxgyNMbvhLvcavvc (2.7) 式中，g 重力加速度； hg 汽车质心高度； L 前后轴距
30、离 ； c 车辆轮距 2.3 制动系统液压元件模型 制动液压系统主要由制动主缸、轮缸，电磁阀组成，制动防抱死液压系统 的优点是改善制动效能缩短制动距离；充分利用横向附着系数，防止侧滑改善 汽车制动时的方向操纵性能；减小轮胎的局部磨损；减轻驾驶员的劳动强度， 提高乘客的乘坐舒适性和安全性。由于 ABS 是一种快速反应机构，执行机构的 动态特性起着至关重要的作用。 2.3.1 雷诺数 雷诺数是个无量纲比值，它代表惯性力与粘性力之比，但雷诺数较小支配 流动的主要因素是粘性力。雷诺数其定义如下： eavR (2.8) 液体密度(Kg/m 3)； 液体的平均流速(m/s) ；v 不同流动状态下的特征尺寸
31、； 液体绝对粘度(Pa)a 2.3.2 阀口流量 液体流动状态为层流状态，通过阀体的体积流量： 1212RedppQCAA (2.9) 通过阀体的体积流量(m 3)； 层流时阀口流量系数；d 阀口截面积(m 2)； 液体密度(Kg/m 3)；A 阀口两端压力差； 层流系数；12p 雷诺数eR 绝对粘度与液体密度的比值称为运动粘度，其定义为： v ( 2.1 0) 流体的运动粘度(m 2/s)； 流体的绝对粘度； v 流体的密度(Kg/m 3) 2.3.3 制动主缸中模型 ()/pdspPDkxA (2.11) 制动主缸中压力； ksp制动主缸中回位弹簧刚度pPD 2.3.4 真空助力器模型 真
32、空助力器阀口中的气体流动可以看作是气体在喷嘴中的流动，假定气体 为理想气体，在真空助力器阀口中的气流速度远大于气体与外界进行热交换的 速度，气体流过时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽略。因此，真空 助力器阀口中的气体流动可视为等熵流动。真空助力器阀口中的气流为亚声流 速状态。这时以声速传播的外界压力扰动波能达到和传出口界面去影响口内的 流动。此时通过阀口的气体流量为： 210002(1)kkekPQAPRT (2.12) 流过阀口截面积的流量(m 3/h)； 阀口流通截面的有效面积(mm 2)；Qe 阀口上游绝对压力(Pa)； 绝对温度(K)；0P0T 2.3.5 制动轮缸模型 21Vp
33、iiitdQ (2.13) i分别代表四个车轮的制动轮缸； Q2i+1流入电磁阀的流量； Q2i流出电磁阀的流量 2.3.6 蓄能器模型 pxRTPMVvEC 00/oxPpRT (2.14) 气体质量； 初始气体压力；M0p 初始气体体积； 气体体积；0xVxV 气体常量； 初始气体质量RoM 2.3.7 回油泵模型 2vqbeDnv (2.15) 叶片宽度； 转子和定子间的偏心量；b 定子内径D 制动开始时（不考虑油液的可压缩性） ，由流量连续方程可求得活塞的运动 速度为： pQVA (2.16) 油缸作用面积A 设制动器的间隙为 S0，则消除间隙所需时间为 td。即制动器响应滞后时间。
34、0dSAtVQ (2.17) 进入制动轮缸的油液会呈现三种状态：增压，保压，减压 a.增压变化规律： DPetd (2.18) VD油缸及管路容积 油液的体积弹性模量e 在增压过程，制动缸体积变化情况： ()2PstedDKCAV (2.19) b.减压的变化规律：在减压过程，由制动缸排除的油液为： 2(P)RRdQA (2.20) PR 回油压力 ; 油缸压力下降变化率为： P2RdDKteCAV (2.21) c.保压时的变化规律为： 0Pdt (2.22) 将三种状态按统一的公式描述，并进行线性化处理，有 增压0,1kt 减压 dP (2.23) 保压0,kt k0阀的显性化系数 由油压
35、的变化所引起的车轮上制动力矩的变化为： bdTkt (2.24) kb是与制动器的结构参数和线性化系数 k0 有关的常数 2.4 本章小结 本章主要建立了单轮车辆模型和简化的四轮车辆模型，并进行了受力分析， 求解出车辆运动方程、车轮运动方程、车轮纵向摩擦力方程。并且建立了 ABS 液压系统的数学模型，包括制动主缸、轮缸、蓄能器、回油泵等液压系统元件 模型，汽车液压制动系统的建模比较真实全面地反映了防抱死制动系统中执行 元件特性，所建立的微分方程组，通过求解，可以应用于实际参数下的 ABS 模 拟系统。 第 3 章 基于 AMESIM 的 ABS 液压系统建模 3.1 AMESIM 简介 3.1
36、.1 AMESIM 软件功能简介 AMESim（ Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering） 是 世 界 著 名 的 工 程 系 统 高 级 建 模 与 仿 真 平 台 ， 它 提 供 了 一 个 系 统 级 工 程 设 计 的 完 整 平 台 ， 使 得 用 户 可 以 在 单 一 的 平 台 上 建 立 复 杂 的 一 维 多 学 科 领 域 的 机 电 液 一 体 化 系 统 模 型 ， 并 在 此 基 础 上 进 行 仿 真 计 算 和 深 入 的 分 析 12。 工 程 师 在 一 个 基
37、 于 工 程 应 用 的 AMESim 友 好 环 境 下 可 研 究 任 何 元 件 或 者 系 统 的 稳 态 和 动 态 性 能 。 AMESim 的 图 形 化 用 户 界 面 使 得 用 户 可 以 在 完 整 的 应 用 模 型 库 中 选 择 需 要 的 模 块 来 构 建 复 杂 各 种 系 统 的 模 型 。 建 模 仿 真 过 程 一 般 分 为 四 个 步 骤 ： 构 建 方 案 的 模 型 ； 选 择 模 型 复 杂 程 度 ； 设 定 模 型 的 参 数 ； 仿 真 计 算 分 析 。 而 且 简 便 易 用 的 操 作 使 得 用 户 可 以 迅 速 有 效 地 进
38、 行 产 品 的 设 计 开 发 。 大 量 的 用 户 群 使 得 AMESim 已 经 成 为 世 界 范 围 内 的 车 辆 ， 发 动 机 ， 越 野 设 备 ， 航 天 航 空 ， 船 舶 ， 轨 道 交 通 ， 冶 金 设 备 ， 海 洋 工 程 以 及 重 型 设 备 等 工 业 领 域 内 的 多 学 科 专 业 ， 包 括 控 制 、 流 体 、 机 械 、 热 分 析 、 电 、 磁 以 及 能 源 等 复 杂 工 程 系 统 建 模 与 仿 真 的 首 选 平 台 11。 工 程 设 计 师 完 全 可 以 应 用 集 成 的 一 整 套 AMESim 应 用 模 型 库
39、 来 设 计 一 个 系 统 或 一 个 流 体 元 件 ， 所 有 的 这 些 来 自 不 同 物 理 领 域 的 模 型 都 是 经 过 严 格 的 测 试 和 实 验 验 证 的 13。 AMESim 使 得 工 程 师 迅 速 达 到 建 模 仿 真 的 最 终 目 标 ,分 析 和 优 化 工 程 师 的 设 计 ， 从 而 帮 助 用 户 降 低 开 发 的 成 本 和 缩 短 开 发 的 周 期 。 AMESIM 液 压 元 件 设 计 库 包 含 了 机 液 系 统 的 基 本 结 构 单 元 模 块 ， 它 被 看 作 是 液 压 元 件 建 模 的 工 程 语 言 ， 可
40、以 对 喷 油 器 、 液 压 锤 、 柱 塞 泵 、 叶 片 泵 、 半 主 动 缓 冲 器 以 及 其 他 类 型 的 液 压 阀 建 模 。 由 于 是 基 于 结 构 单 元 建 模 ， 因 此 可 以 非 常 直 接 和 直 观 地 理 解 模 型 层 次 。 AMESIM 液 压 元 件 设 计 库 通 过 细 分 结 构 单 元 来 处 理 液 压 元 件 的 多 样 性 ， 使 工 程 师 可 以 用 最 少 的 图 标 和 单 元 模 块 来 构 建 最 多 的 工 程 系 统 模 型 ， 齐全的分析工具、多种仿真运行模式以及开放 的结构，使得 AMESim 在汽车液压系统、
41、操纵系统、燃油系统、润滑系统及车辆 热分析等方面都有很好的应用，并在法国雷诺、雪铁龙汽车的设计过程中有过 实际应用，是目前国际上流行的汽车设计及仿真方面的理想工具。 3.2 ABS 液压系统结构 ABS 液 压 系 统 主 要 由 主 缸 、 轮 缸 ， 控 制 阀 组 成 。 制 动 压 力 调 节 器 串 联 在 制 动 主 缸 和 轮 缸 之 间 ， 通 过 电 磁 阀 直 接 或 间 接 地 控 制 轮 缸 的 制 动 压 力 ， 此 系 统 属 于 循 环 式 制 动 压 力 调 节 器 ， 电 磁 阀 的 开 关 根 据 传 感 器 测 得 的 轮 速 信 号 与 车 速 信 号
42、， ECU 经 过 处 理 得 出 控 制 信 号 ， 控 制 相 应 的 电 磁 阀 ， 通 过 改 变 电 磁 阀 的 开 启 或 关 闭 ， 来 调 节 各 制 动 轮 缸 实 施 制 动 压 力 。 具 体 的 ABS 液 压 系 统 工 作 过 程 分 析 ： 1、常规制动过程：电磁阀不通电，增压阀常开，减压阀常闭。主缸和轮缸 管路相通， 制动主缸可随时控制制动压力的增减，此时回液泵不工作。 2、减压过程：控制器发出控制指令，增压阀关闭，减压阀开启。制动主缸 和制动轮缸的通路被截断，制动轮缸和蓄能器接通，轮缸的制动液流入蓄能器， 制动压力降低。与此同时，ABS 电机带动回液泵工作，把
43、流回蓄能器的制动液 加压送回制动主缸。 3、保压过程：控制器发出控制指令，增压阀关闭，减压阀关闭。所有通路 都被截断， 制动器制动压力保持不变。 4、增压过程：控制器对电磁阀断电后，增压阀开启，减压阀关闭。制动主 缸和制动轮缸再次接通，制动主缸的高压制动液再次进入制动轮缸，增加制动 压力。增压和减压的速度可直接通过调节增压阀和减压阀的进、出油口开启程 度来控制。 3.2.1 AMESim 模型搭建步骤 1、依据 ABS 的工作原理，从 AMESim 模型库中选取合适元件并按照原理 图连接好。 2、设定 ABS 液压系统参数，如制动液的体积模量、密度、动力黏度和工 作温度等，定义各个液压元件的关
44、键尺寸与内部参数。 3、设定仿真参数，运行仿真，查看结果。 3.3 ABS 系统模型的 AMESim 实现 3.3.1 车辆 ABS 模型 根据 ABS 液压系统的结构图，在 AMESim 中搭建出单轮车辆 ABS 液压系 统模型，如图 3.1 所示。图中模型包括：ECU 即信号处理装置，PID 控制装置，线 性信号源，信号转换装置，助力器，液压调节器，制动主缸，制动轮缸。模型 的工作原理如下:在系统进入工作状态后，首先由控制信号源提供工作信号， ECU 根据控轮速信号进行控制，系统制动轮缸模型进入增压状态。此状态制动 轮缸中制动压力持续上升，增 压持续一定时间后，由控制信号源对系统提供工作信
45、号，系统进入减压状 态。 图 3.1 ABS 系统结构图 3.3.2 液压调节器模型 液压 ABS 系统主要由控制器(ECU)、液压调节器和轮速传感器 3 部分所组 成。其工作性能的好坏不仅与控制器的控制逻辑和传感器有关，还与液压调节 器的性能密切相关。在确保控制器和传感器性能的条件下，ABS 系统的性能由 液压调节器决定。如图 3.2。 图 3.2 液压调节器 AMESIM 模型 液压调节器作为 ABS 系统的重要组成部分，它的性能好坏直接影响 ABS 的 制动效果。因而研究和评价 ABS 液压调节器是十分重要的，下面由以上元件依 照实际工作原理连接，组成 ABS 液压调节模型。 3.3.3
46、 控制器模型 对于防抱死控制系统，首先应该确定期望滑移率。理论上取最优滑移率点 作为期望滑移率，选取 AMESIM 软件中的控制信号单元，搭建控制单元模型， 将滑移率转化为车速与轮速的差值。由于所采用的 PID 控制算法是不依赖于数 学模型的，所以为得到最优的 PID 控制效果就要对参数进行整定，其目的是使 系统获得满意的制动效果，即系统稳定，对给定量变化能迅速跟踪，不同干扰 下，系统输出能保持给定值，控制性能保持稳定。如图 3.3、3.4。 图 3.3 控制器内部结构模型 图 3.4AMESIM 超级元件模型 3.3.4 主缸模型 为了提高汽车行驶的安全性，根据交通法的要求，现代汽车的行车制
47、动系 统都采用了双回路制动系统，采用了串列双腔主缸。本文也采用了串列双腔主 缸模型，主缸的 AMESim 模型如图 3.5 所示。首先在草图模式(Sketch Mode)中 根据主缸的物理结构，和其物理意义，选择合适的元件，构建出主缸的 AMEsim 模型，主要包括液压元件设计库中的活塞缸子元件，带弹簧的活塞缸 子元件和考虑摩擦的运动质量块子元件等，然后再进入子模型模式为各元件选 择合适的子模型，再进入参数模式，根据主缸的实际结构确定相应子模型的参 数，前、后缸活塞直径 22.2mm；前、后缸活塞杆径 3.25mm；前缸运动部件 等效质量 0.3kg；后缸运动部件等效质量 0.2kg；后缸弹簧
48、刚度 3.8N/mm，设 置完参数之后就可以进入运行模式进行模型仿真。 图 3.5 制动主缸模型 3.3.5 轮缸模型 制动器采用钳盘式制动器。在防抱死制动过程中，制动压力的反复变化， 使轮缸活塞的受力和运动状态不断变化，因此在建立轮缸活塞模型时，应考虑 动态特性的影响，图 3.6 为轮缸模型。 图 3.6 制动轮缸模型 根据轮缸的结构和数学模型，在 AMESim 中搭建轮缸的模型，该模型包 括机械模块库中的一个接触式弹簧阻尼系统，线性弹簧系统和液压元件设计库 中的活塞缸以及考虑摩擦的运动质量块，轮缸活塞直径 54mm；轮缸活塞质量 0.4kg。 3.3.6 电磁阀模型 调节器的增压阀为常开阀，减压阀为常闭阀，二者都为二位二通电磁阀， 电磁阀自然频率为 50Hz，阀的阻尼比率为 0.8，电磁阀最大流量 2.5L/min，如 图 3.7。增压阀连接在从制动主缸到制动轮缸的管路中，减压阀连接在制动轮缸 与低压蓄能器之间。在防抱制动过程中，通过上述的电磁阀开关切换，改变制 动液的通路，从而形成增压、保压和减压 3 种压力状态。 图 3.7 电磁阀模型 3.3.7 液压泵模型 在液压系统中，液压泵把驱动电动机的机械能转换成液压系统
