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线控制动系统制动力分配策略的研究与仿真

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第28卷第l0期 文章编号:1006—9348(2011)10—0324—04 计算机仿真 2011年1O月 线控制动系统制动力分配策略的研究与仿真 黄源,彭晓燕,谭震 (湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082) 摘要:研究车轮制动系统优化问题,针对传统的液压制动系统在设计制动力的分配时存在不足,使得各车轮的附着条件无法 得到充分的利用,从而不能有效的缩短制动距离。线控制动系统是由电机提供制动力,使得制动压力可以在各个车轮之间 进行灵活的分配。为了使各个车轮的附着条件均得到充分的利用,提出了基于各车轮垂直载荷的线控制动系统制动力分配 策略,并分别在直道与弯道制动的情况下对线控制动车辆与液压制动车辆进行仿真对比。结果表明,线控制动车辆的四个 车轮几乎同时发生抱死,且缩短了制动距离,优化效果明显,为线控制动系统的实际应用提供了参考。 关键词:线控制动系统;制动力分配策略;垂直载荷估计 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B Study and Simulation of Brake Force Distribution Method for Brake—by—wire System HUANG Yuan.PENG Xiao—yan,TAN Zhen (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Hunan Changsha 410082,China) ABSTRACT:There are some disadvantages in the design of the brake force distirbution method for traditional hy— draulic brake system.Therefore,the tracting ability of each tire can not be used sufficiently in most situations,which can not better sho ̄en the stopping distance.In brake—by—wire system,the brake force is provided by the motor, thus the brake force Can be distributed to each tire flexibly.In order to make the traction ability of each tire more suf- ifciently,the brake force distribution method for brake—by—wire system based on the normal load Was explicitly pro— posed.Vehicle equipped with the brake—by—wire system and vehicle equipped with the traditional hydraulic system were compared and analyzed when respectively braking on straight and crooked road.The result revealed that the four wheels of the vehicle equipped with the brake—by—wire system locked almost simuhaneously,and the stopping dis— tance was shorter compared with the vehicle equipped with the traditional hydraulic system.So this brake force distri— bution method makes the traction ability of each tire more sufficiently.And this study is helpful to the application of brake—by—wire system. KEYWORDS:Brake—by—wire system;Brake force distribution method;Normal load estimation 定的折衷,这使得在制动过程中,制动压力无法在前后左右 1 引言 传统的液压制动系统中制动主缸与制动轮缸之间通过 四个车轮之间进行动态的,合理的分配,从而在大多数情况 下,各个车轮的附着条件无法得到充分的利用,不能有效的 缩短制动距离,甚至可能发生后轮先于前轮抱死,后轴发生 侧滑,导致危险的发生 。 线控制动系统(brake—by—wire)是由电机来提供制动 力,由于其具有结构简单,质量轻,响应迅速,易于采用模块 化结构,易于进行改进与增加功能等诸多特性,现在已经成 为了一个研究的热点 。 线控制动系统中制动踏板与制动器之间仅通过电路相 液压管路直接相连,这使得制动主缸的压力与各车轮的制动 压力之间存在一个确定的关系,通常前轮制动压力等于主缸 压力,后轮制动压力与前轮制动压力成一个确定的比例关 系,同一车轴上左右车轮的制动压力则是相等的 。受此硬 件条件的,液压制动系统在设计制动力的分配时做了一 收稿日期:2010—08—23修回日期:2010一i0—12 ----——324---—— 连,当驾驶员踩下制动踏板时,制动压力可以在四个车轮之 间进行灵活的分配。 立的: = n=a[g] (2) 为了使各个车轮的附着条件均得到充分的利用,本文提 出了基于各车轮垂直载荷的线控制动系统制动力分配策略。 其中 和 分别为前后车轴的牵引系数,n为整车的减速 度(以重力加速度g为单位)。 车辆在弯道上制动时,同一车轴上左右车轮之间的垂直 载荷并不相同。类比于直道制动的情况,若要使制动力分配 最优,须施加合适的制动力使四个车轮的牵引系数相同,直 到四个车轮同时达到附着极限,如式(3)所示。 RR=a Eg] (3) 为了验证该分配策略的有效性,通过联合MATLAB/Simulink 与车辆动力学软件Carsim,分别在直道与弯道制动的情况下 对线控制动车辆与液压制动车辆进行了对比仿真。 2线控制动系统的结构和工作原理 线控制动系统的基本组成如图1所示,它主要包括制动 r。儿= r朋.= rIm= r,其中 r'凡 r'朋 r' rI 分别为前左轮、前右轮、后左轮、 踏板模块、控制器、车轮制动模块、通讯网络、电源模块 后右轮的牵引系数。 等部分。 3.2制动过程中纵向及侧向载荷的转移 由以上分析可知,要合理的分配制动力,必须实时的估 计制动过程中各个车轮上的垂直载荷。当车辆在直道上制 动时,可以利用整车参数和纵向减速度,通过式(4)来估计前 后车轴之间的载荷转移 j: △ :华+ (4) 其中△ 为前后车轴之间的载荷转移,/7/, 为悬挂质量, 和m 分别为前后车轴的非悬挂质量,,,和,,分别为前后车 轮的转动惯量,h 为悬挂质量重心高度,h 为非悬挂质量重 心高度, 为轴距,r为车轮半径, 为整车纵向减速度。 l一制动踏板模块;2一控制器;3一车轮制动模块 4—通讯网络;5一电源模块 载荷在左右车轮之间的转移可以通过整车参数和侧向 加速度来估计 ]。将连接前、后悬架侧倾中心的直线定义为 图1线控制动系统的基本组成 侧倾轴线,当整车存在侧向加速度时,绕侧倾轴线的力矩大 小为: 当驾驶员踩下制动踏板时,制动踏板模块通过压力传感 =mh1[0 +舯] (5) 器和角位移传感器辨识驾驶员的制动意图,控制器根据 其中 为绕侧倾轴线的力矩,m为整车质量,h。为垂直于 驾驶员的制动意图,并结合整车纵向加速度传感器、整车侧 地面的方向上重心距侧倾轴线的距离,。 为整车侧向加速 向加速度传感器以及轮速传感器等传感器的信息,按照一定 度,币为整车侧倾角。 同时也满足式(6)所示的等式 的分配策略,计算各个车轮制动力的大小,并将计算结果通 关系: 过通讯网络传入各车轮制动模块,车轮制动模块控制电机来 实施制动。电源模块用于给系统的各个部分提供能量。 = + =( + ,)咖 (6) 其中 和肘妒分别为前后车轴绕侧倾轴线的力矩, 矿和 3线控制动系统的制动力分配策略 分别为前后车轴的侧倾刚度,它们可以通过式(7)进行计算: =0.5K, t (7) 3.1最优的制动力分配 其中 为第i车轴的侧倾刚度, 为第i车轴悬架弹簧与车 文献[4]对制动力分配进行了研究,并将牵引系数(trac- 轮(也可视为一个弹簧)串联后的垂直刚度,t 为第i车轴的 tion coefifcient)定义为制动力与车轴动态载荷的比值,如式 轮距。 (1)所示: 由式(5)和(6)可算得侧倾角的大小为: Fxi (1) = 咖= mh la ̄ (8) 其中 为第i车轴的牵引系数, 为第i车轴的制动力, 由此可得前后车轴的侧倾力矩大小分别为: 为第i车轴的动态载荷。 一 文献[4]还指出,在任何程度的减速情况下,施加合适的 咖 ㈨ 制动力使前后车轴的牵引系数相同,直到两个车轴同时达到 mh lar= 附着极限,这就是最优的制动力分配,此时,等式(2)是成 +mrh,n =△ f, ...——325...—— 其中m,和m,分别为前后车轴静载质量, ,和h,分别为前后 悬架侧倾中心高度, 和t,分别为前后车轴轮距,由式(9)可 算得前后车轴左右车轮之间的载荷转移△ 和△ 。 统相同。 4仿真与分析 4.1仿真模型的建立 由以上的分析可得在兼有转向与制动的情况下四个车 轮的垂直载荷分别为: Fz PL= -0mfg+ F z 一 F 期=,÷(msg+AFz)+△ (10) Fz.m=÷(m g一△,z)一△ 。艘=÷(m,g一△Fz)+△ 其中 , , m、 . 分别为前左轮、前右轮、后左轮、 后右轮的垂直载荷。 3.3直道上制动时的制动力分配策略 线控制动系统的踏板力对应于一个制动压力需求P , 使前车轮的制动压力等于P ,即: PBn=PB=.. PB (11) 使后车轮的制动压力与前车轮的制动压力满足式(2)所示的 最优制动力分配关系,即: m = 一 = ~ = — (12)lz  由于制动力难以直接测量得到,因此近似其为制动力矩除以 车轮半径,则式(12)可转化为: /7 : /7 (13)、‘一,  而制动力矩等于制动压力乘以制动器的制动力矩增益 ,则 式(13)可转化为: = Fzm Fzm 其中 ,和k,分别为前后车轴制动器的制动力矩增益(单位 为N・m/MPa)。 研哪 由此可求得后车轮的制动压力为: kL rPBRL==PBfFz,n R==r pB.. krFFr.FL (15 z当车辆即将停下时,由于悬架的振动,使各车轮的垂直载荷 发生较大的波动,由此将导致后轮的制动压力也存在较大的 波动。因此,当车速低于3km/h时,使线控制动系统的制动 力的分配方式与液压制动系统相同。 3.4弯道上制动时的制动力分配策略 弯道上制动时先根据前后车轴总的垂直载荷来分配前 后车轴总的制动压力,其数值大小与3.3中所算得的各车轴 总的制动压力大小相等。然后再将总的制动压力在左右轮 之间进行分配,使左右轮压力之比等于垂直载荷之比,最终 各个车轮之间的制动压力将满足式(3)所示的最优关系。同 样为了避免车辆即将停下时制动压力的大幅波动,当车速低 于3km/h时,使线控制动系统制动力分配方式与液压制动系 .---——326----—— 为了验证线控制动系统制动力分配策略的有效性,分别 在直道与弯道制动的情况下对线控制动车辆与液压制动车 辆作仿真对比。基于MATLAB/Simulink与车辆动力学仿真 软件CarSim的联合仿真,建立仿真模型。CarSim是由美国 机械仿真公司开发的用于分析车辆系统动力学的专业软件, 它采用参数化的车辆模型数据库,可以方便快速地建立完整 的整车动力学模型。本次仿真所用车辆的参数如表1所示: 表1整车参数 参数名称 数值 车重m/kg 簧载质量mc/kg 前车轴非簧载质量mfu/kg 后车轴非簧载质量rnru/kg 车轮转动惯量I/kg・m 整车重心高度h/m 簧载质量重心高度hc/m 非簧载质量重心高度hu/m 轴距L/m 整车重心至前轴的距离lf/m 前轮轮距ff/m‘ 后轮轮距tr/m 车轮半径r/m 前悬架侧倾中心高度hf/m 后悬架侧倾中心高度hr/m 舳 呻 一前悬架刚度Kfwn ̄N(mm) 后悬架刚度Km ̄/N(mm)   一 一 一朋 嘟 一 m ∞∞ 加 拗 珊 姗轮胎垂直刚度Kti ̄/N(mm) 前轮制动力矩增益Kf/N・111(MPa) 后轮制动力矩增益Kr/N・m(MPa)I1 4.2直道上制动仿真 仿真条件:车辆以120 km/h的初速度在平直路面上行 驶,当行驶到第3 S时车辆开始制动,线控制动系统所需求的 制动压力与液压制动系统制动主缸的压力均在第118时上 升到15 MPa。仿真结果如图2至图5所示。 由图2可知,线控制动车辆的制动距离比液压制动车辆 缩短了4m。由图3和图4可知,线控制动车辆前后车轮几 乎同时发生抱死,而液压制动车辆前轮先于后轮发生抱死。 线控制动系统前后车轮的制动压力如图5所示,液压制动系 统的前轮制动压力等于主缸压力,前轮制动压力与后轮制动 压力的比值则是Carsim软件中已经设定好的一个定值,为5  毒 谴 幅 磊 图2制动距离对比 图3线控制动车辆车速及轮速的变化 图4液压制动车辆车速及轮速的变化 奋 鎏 图5线控制动系统前后车轮制动压力 :2。 4.3弯道上制动仿真 晕 嘲世舔 仿真条件:车辆以120 km/h的初速度沿着半径为152m 一II,【j霸匠舔 的轨道行驶,采用驾驶员预瞄模型,使车辆与车道外侧保持 1.65 lrl的距离。当行驶到第3 s时车辆开始制动,线控制动 系统所需求的制动压力与液压制动系统制动主缸的压力均 在第1ls时上升到15 MPa。仿真结果如图6到图9所示。 蟹 标 纂 图6制动距离对比 D/越 星悉 图7线控制动车辆车速及轮速的变化 图8液压制动车辆车速及轮速的变化 由图6可知,线控制动车辆的制动距离比液压制动车辆 缩短了4.3m。由图7和图8可知,线控制动车辆四个车轮几 乎同时抱死,而液压制动车辆前左轮、 (下转第369页) --・——327・--—— 总结出简化模型的一般规律,首先对问题进行仔细分析,写 仿真学报,2002,14(1):31—33. 出非常详细的数学模型,在不影响原问题本质内容的情况 下,做出合理假设,找出简化办法。首先对城市车辆调度建 立优化数学模型,从城市车辆实际调度出发,将车辆运行调 度为题归并为制造系统中的FLOWSHOP调度问题,构建一 种动态开放的车辆调度系统优化模型,并采用改进的蚂蚁算 [4]胡小兵,黄席樾.蚁群优化算法及其应用[J].计算机仿真, 2004,21(5):81—85. [5] 谢秉磊,李军,郭耀煌.有时间窗的车辆调度问题的遗传算法 [J].系统工程学报,2000—3. [6] 张涛,王梦光,杨建夏.不确定计划数的轧制批量计划的模型 和算法[J].系统工程学报,2000,15(1). [7] 许箐,雷定漕,邓煜阳.基于区位理论的物流中心车辆调度优 法对该数学模型进行求解。仿真结果表明,提出的新的算法 不仅能有效的求解车辆调度优化模型,可以快速得到近似最 优解,而且计算机复杂度较低,收敛速度较快,是一种有效地 车辆调度算法。 参考文献: [1]李宁,陈彬,徐凯.一种基于道路网路拓扑改进的格网空间索 引算法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2008,37(5): 482—483. 化算法[J].现代物流,2007—9. [8] 郎茂祥,胡思继.车辆路径问题的禁忌搜索算法研究[J].管 理工程学报,2004,18(1):81—84. [作者简介] 徐张滨(1960一),男(汉族),江苏南通市人,副教 亦(1965一),女(汉族),宁夏银川人,副教授, 授,主要研究领域:计算机应用、计算机网络。 [2]经怀明,张立军.多车型车辆调度问题的建模与仿真[J].计 算机仿真,2007—4. [3]王颖,谢剑英.一种自适应蚁群算法及其仿真研究[J].系统 主要研究领域:计算机信息处理及系统集成。 (上接第327页) 真,分别在直道与弯道制动的情况下对线控制动车辆与液压 制动车辆进行了对比。结果表明该策略能使各车轮的附着 条件得到更加充分的利用,提升了制动性能,为线控制动系 统的实际应用提供了一定的参考。 参考文献: [1] 陈家瑞主编.汽车构造(第2版)[M].北京:机械工业出版 社,2004. 芝 出 需 器 [2]余志生主编.汽车理论(第4版)[M].北京:机械工业出版 社,2006. [3] 彭晓燕,章兢.汽车线传电控制动系统及其关键技术分析[J]. 时间/s 汽车工程,2007,(29):880—883. [4]R Limpert.Brake Design and Safety[M].SAE Publishers,1999. 图9线控制动系统四个车轮的制动压力 [5]N C Nantais,B P Minaker.Active Four eel Brake Proportio. ning for Improved Performance and Safety[J].SAE 2008—01 1224. 前右轮、后左轮、后右轮先后发生抱死。线控制动系统四个 车轮的制动压力如图9所示,而液压制动系统的前后轮制动 压力的比值为5:2。 —[6]Thomas D Gillespie著,赵六奇,金达锋译.车辆动力学基础 [M].北京:清华大学出版社,2006. 由以上仿真结果可以看出,不论是在直道还是在弯道制 动的情况下,线控制动车辆的制动性能都要优于液压制动车 辆。这要得益于线控制动系统的制动力分配策略使各个车 轮的附着条件均得到了充分的利用,这使得在任何一个车轮 发生抱死前整车将产生更大的制动力和制动减速度,从而使 线控制动车辆的制动距离更短。 一 [究要黄彭生研晓究,燕源主方要(1向研968为5究汽一方)车,向男女电为作(子汽汉者与车族简控电)介,制子湖]与, 南机控长株电制沙洲控。人 制,教硕复授杂士,研主系 统计算机控制等。 5总结 本文提出了基于各车轮的垂直载荷的线控制动系统制 动力分配策略。通过MATLAB/Simulink与CarSim的联合仿 谭震(1985一),男(汉族),山东潍坊人,硕士研究生,主要研究方 向为汽车电子与控制。 ----——369----—— 

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