基于AMESim的汽车液压ABS建模与仿真

1、先进制造工艺技术文章编号:1006-3269(2011 01-0037-06基于AM ESim 的汽车液压ABS 建模与仿真徐国民1, 马明星1, 2, 黄锦川2, 管延才1(1. 扬州大学机械工程学院, 江苏扬州225127; 2. 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京100084摘 要: 利用ABS 混合仿真试验台实测制动压力,对某型号A BS 进行阶梯增减压制动的实验测试. 在分析ABS 液压系统的组成和工作原理的基础上, 基于A M ESim 建立了包括液压调节器、制动主缸、电磁阀及制动轮缸等模型. 仿真了阶梯增减压制动. 正常制动、常加常减制动的仿真结果与实验结果基本一致. 结果表明

2、:所建液压A BS 系统模型和参数的设置是比较准确的. 该研究为A BS 轮缸压力的精细调节和精确理论建模提供了重要的实验和理论依据.关 键 词: A BS; 液压系统; A M ESim; 仿真实验中图分类号: U 463. 5 文献标识码: A do i:10. 3969/j. issn. 1006-3269. 2011. 01. 009压、减压制动. 其仿真结果与实验结果基本一致. 本文还通过实验验证了所建模型的正确性, 并在此基础上仿真了正常制动和常加常减制动. 其结果为以后的ABS 轮缸压力的精细调节和精确理论建模提供了重要的实验和理论依据.1 ABS 液压系统数学模型1. 1 AB

3、S 液压系统的组成图l 为典型的ABS 液压系统结构组成. 在制动时, 制动踏板力经真空助力器的放大后作用在总泵上; 总泵的2条输出管路分别将压力作用在交叉的2个车轮上.1. 2 ABS 液压系统的工作原理ABS 液压系统的工作原理是利用电磁阀的开关动作实现轮缸内的增压、保压和减压3种状态. ABS 未动作时, 增压阀常开, 减压阀常闭; 在紧急制动情况下, 驾驶员踩下制动踏板, 压力很快上升, 当车轮有抱死趋势时, 关闭增压阀, 进行保压, 如果车轮仍有抱死趋势, 则打开减压阀, 进行减压. 在图1所示的减压过程中, 制动液的流动通道为:左前轮轮缸 回油电磁阀 ABS 低压储液器 回油单向阀

4、 ABS 回油泵 回油单向阀 制动总泵 储液室2. 随着制动轮缸中的制动液流回储液室, 轮缸中的压力降低, 使车轮转速充分恢复, 然后再重新进入升压阶段. 在升压过程中, 为了保持制动过程的平顺性而防止出现振荡, 一般采用阶梯升压策略3. 这种压力调节方式的特点在于:压力的变化是非连续的, 但通过3种压力状态的高速切换, 可实现精细的压力调节, 并且具有简单、可靠和便于电气控制的优点. 因此, 这种压力调节方式得到了广泛应用.防抱死制动系统(Anti 1o ck Braking Sy stem,以下简称ABS 是汽车主动安全技术的重要领域. 国外虽然已经有成熟产品, 但由于国外技术的保密, 其

5、压力控制模型和具体技术参数很难获取, 而国内ABS 技术并不成熟, 主要依赖于进口. 中国目前对ABS 制动系统的研究, 大多集中在ECU(Electronic Co ntro l Unit 的控制理论及ABS 的匹配试验方面, 而对ABS 液压系统的理论模型研究相对较少, 因此, 在理论模型包含的多个液压单元的诸多重要参数的选择和匹配问题上缺乏系统的理论研究1.本文以AM ESim 软件为平台, 建立了完整的ABS 液压系统模型, 设置相关参数并仿真了阶梯增收稿日期:2011-03-10基金项目:汽车安全与节能国家重点实验室开放基金(11151 ; 汽车动态模拟国家重点实验室开放基金(200

6、91113作者简介:徐国民(1984- , 男, 江苏宿迁人, 硕士研究生, 主要从事汽车电子及控制技术的研究.Group Technology &Production Modernization Vo l. 28, N o. 1, 2011先进制造工艺技术 1. 总泵 2. 液压调节系统 3. 增压阀 4. 减压阀 5、8. 蓄能器 6. ABS 电机 7. ABS 回油泵 9. 进油电磁阀 10. 出油电磁阀图1 ABS 液压系统结构组成示意图1. 3 主要液压元件的数学模型根据流体力学的相关理论可以建立描述系统主要液压元件动态性能的数学模型, 为汽车ABS 液压系统动态性能仿真分

7、析和液压单元设计提供理论依据4.1. 3. 1 ABS 电磁阀模型加压阀主要由动铁和阀芯、静铁、回位弹簧、隔磁管、阀座等零件组成, 如图2所示.质量块, 受电磁力、弹簧力、液压力、冲击力和粘滞力等作用. 电磁阀的线圈通电后产生电磁力, 用来控制电磁阀的开关状态.动铁和阀芯的动力学方程为:=F m (i, x -k(x 0+x +F p (x -d t m F f -cv 2=v d t式中:m 动铁和阀芯的质量和;x 动铁和阀芯的位移;v 动铁和阀芯的速度; x 0 回位弹簧预压缩量; i 线圈电流;k 回位弹簧刚度; c 速度阻尼系数;(1图2 A BS 加压型阀模F p 阀芯组件液压力;

8、F m 电磁力; F f 摩擦力.电磁阀线圈电流i 的微分方程为:=d tU -iR -iv /L(x , i +成组技术与生产现代化 2011年第28卷第1期高速开关电磁阀包括增压阀和减压阀. 其中, 增压阀是常开阀, 减压阀是常闭阀. ABS 液压系统的高频响应性能很大程度上取决于ABS 电磁阀的动态响应特性, 动铁和阀芯可以视为有限位运动的38先进制造工艺技术i i式中:U 线圈电压;R 线圈电阻; L 线圈电感.阀起到节流作用, 根据其流量特性, 压力变化率一般表述为:c=k 1 pk 2d t 式中:k 1k 2 常系数;p 阀口两侧压差;p c 管路的当前压力.电磁阀可视为一阶延迟

9、环节, 电磁阀响应比较快, 在ABS 工作过程中可以认为是阶跃响应. 一阶系统单位阶跃响应的时域表达式为:c(t =1-e -t/T(4 (2材料不同, 体积模量差异很大.软管压力特性的计算如下:=-A 式中: 管路和流体的有效体积模量.=+ fluid hose式中: fluid 流体体积模量;hose 管路体积模量.硬管中压力流量特性的计算如下:=-A 式中:B 管路和流体的有效体积模量;A 管路截面积. 流速计算为:v =L f f(6(3其中, T 为时间常数, 其值的大小反应了液压系统的增压、减压能力. 1. 3. 2 制动轮缸模型制动轮缸是一个作用有弹簧力、液压力和阻尼力的液压缸.

10、制动钳的微分方程为:2g m 2=ps -k sin (x -x g -f d t d t-F s -f ric -f visc (5式中:v 流速;D 管路直径;P 计算步长终点和起点之间的压降;油液密度; L 管路长度; 管路弯角; f f 摩擦系数.sin (x -x g =x -x g , (x -x g >0 0, (x -x g <02 基于AM Esim 的液压A BS 建模与仿真AM ESim 作为多学科领域复杂系统高级建模和仿真的主流平台, 主要应用于液压/机械系统的建模、仿真及动力学分析. 它用直观的图标符号代表系统的各个元件, 包括车辆所涉及的各个学科领域的基

11、础库:机械、液压、气动及电磁等元件. AM ES im 仿真在汽车燃油喷射系统、润滑回路、车辆悬挂系统、制动系统、传动系统、动力系统、冷却系统、废气回流、热管理和热分配控制等方面都有很好的应用5.AM ESim 系统模型搭建步骤如下: 依据ABS 的工作原理, 在草绘模式下从AMESim 元件库中选取合适的模块, 并按照图3搭建; 定义整个系统的液压参数, 如制动液的体积模量、动力粘度和温度等, 以及各个元器件的内部结构参数等; 设定仿真参数、运行仿真并查看结果.式中:p 制动轮缸液压压力;m 制动钳可动部分质量;x 制动钳位移;F s 制动钳回位弹簧压力; s 油液作用等效面积; f ric

12、 制动钳移动中的摩擦力; f visc 粘滞力;x g 摩擦块与制动盘之间间隙; k 制动盘抗压刚度; f 制动盘阻尼系数. 1. 3. 3 液压管路模型连接ABS 液压调节器和制动系统其他部件的管路分为硬管和软管, 如图1所示. 测量软硬管的直径、长度、管壁厚度, 管路材料的杨氏模量由AMESim H elp 文件获取.软管流速的计算与硬管基本相同, 但由于管路Group Technology &Production Modernization Vo l. 28, N o. 1, 2011先进制造工艺技术 1. 制动主缸 2. 单向阀 3. 增压阀 4. 减压阀 5. 蓄能器 6.

13、泵 7. 电机 8. 制动轮缸 9. 制动液图3 液压A BS 系统的A M Esim 模型根据系统组成和控制原理建立液压ABS 模型, 主要包括制动主缸、增压阀模型、减压阀模型、泵模型、单向阀模型、低压蓄能器模型和缓冲腔模型, 它们也都来自液压元件库; 控制信号采用控制信号库中的模型; 电动机模型来自机械元件库; 制动轮缸采用AMESim 制动系统给出的车辆轮缸模型. 建立四轮车辆模型时, 为了与实验相匹配, 仿真时取左前轮进行仿真.2. 1 基于AM ESim 的ABS 性能仿真分析与参数设置利用AM ESim 软件在液压建模和动态仿真方面的优势, 对ABS 液压调节器的工作过程, 实现增

14、压、保压及减压工作过程进行仿真分析, 探讨相关406参数对ABS 液压响应特性的影响.设定主缸压力为6MPa, 根据上述理论设定模型参数, 给定A BS 电磁阀脉冲控制信号, 周期为0. 5s, 脉宽为6ms. 通过加、减压阀的配合, 使制动压力升至最高后, 先阶梯形下降11个周期, 保持2s, 再阶梯形上升11个周期. 仿真时间共20s, 步长0. 0001s. 试验与仿真采用相同脉冲控制信号, 试验数据采集时间也为20s. 得到的仿真与试验结果如图4所示.阶梯加、减压实验是为了研究实际工况中猛踩刹车下ABS 和制动系统的特性. 由图4可以看出:开始主缸压力为6M Pa, 并保持了1. 74

15、s; 随着11个阶梯形减压而下降到最小压力为1. 58M Pa, 需要成组技术与生产现代化 2011年第28卷第1期先进制造工艺技术性, 即制动加压能达到的最高压力和减压能达到的最小压力. 模拟驾驶员遇到障碍踩下踏板时的主缸压力变化为6M Pa 并保持6s, 然后稍松踏板使主缸压力达到最低压力约为0. 68MPa, 并保持3. 5s, 之后驾驶员再次踩下踏板使主缸压力达到最高压力约为5. 8M Pa, 并一直保持到最后总时间20s. 此过程中, ABS 一直未工作.常加常减压是在ABS 作用下制动能达到的最图4 阶梯加、减压仿真与实验的对比结果大和最小压力. 可以验证在ABS 作用下制动压力能

16、不能达到正常制动的水平. 同样是模拟驾驶员在踩踏踏板过程中, 在ABS 的作用下主缸压力的变化. 由图6可以看出, 主缸能达到的最大压力为5. 63MPa, 最低达到0. 31M Pa.2. 2 仿真结果与实验影响因素的分析从以上仿真和实验结果对比可以看出, 所建ABS 液压系统模型以及参数的设置是比较准确的, 但也存在误差(见表1.表1 不同工况实验与仿真结果误差统计工况阶梯加减压正常制动常加常减制动ABS 工作状况工作未工作工作实验与仿真结果误差统计结果/%10365. 01s, 并保持2s; 之后再阶梯形上升11个周期, 增到最大压力5. 98M Pa.同样设定正常制动和常加常减压主缸压

17、力为6MPa, 根据上述理论设定模型参数, 给定ABS 电磁阀脉冲控制信号(正常制动程序中对ABS 输入的信号都为0值 , 周期为0. 5s, 脉宽为6ms, 设定正常制动模型和常加常减制动模型信号, 其仿真结果如图5、图6所示.表1反映了上述3种不同工况在主缸为6M Pa 时, 实验与仿真结果存在的误差. 分认为析误差存在是由几个方面引起的.(1 ABS 控制系统的控制存在滞后环节. 主缸压力与轮缸压力的变化要经过加压阀和减压阀, 而加压阀和减压阀打开和关闭的时间则影响轮缸压力的变化. 两阀打开和关闭的时间越长, 则系统的滞后性就越大, 引起实验和仿真的误差也就越大.(2 本系统是采用脉冲信

18、号控制的, 一次脉冲压力的误差非常小, 但多次累计以后, 仿真结果会与试验结果有明显的差异. 阶梯制动图6越到后期, 误差也就越大.(3 电磁阀节流口径大小不一致和形状不一样. 单向阀泄漏, 电磁阀阀杆行程不一致性, 电磁阀节流指数的设计, 制动管路长度以及沿程压力损失, 管路的传输延迟, 压力波传播速度等, 都会使仿真和实验正常制动实验是为了检测制动系统本身的特 Group Technology &Production Modernization Vo l. 28, N o. 1, 2011先进制造工艺技术 结果产生误差. 这主要是因为理论模型基本上忽略 了这些实际存在的东西. 6

19、M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006. 王 吉, 李 建华, 靳力 强, 等. 基于 A M Es im 与 Sim ulink / S t at e fl ow 的 汽车 A BS 联 合仿 真建 模与 仿真 研究 J . 汽车 技 术, 2010, 41( 1 : 25- 33. 3 结束语 通过 AM ESim 建立完整的 ABS 液压制动系统 仿真模型. 经试验验证, 该模型正确可靠, 并且选择 的各部模型参数比较准确. 在此基础上, 设定了正 常制动模型和常加常减制动模型信号, 得到了相同 仿真时间和步长的结果. 为研究者提供了非常全面 的研究对象数据, 为改进 ABS

20、 的性能提供了简便有 效的手段, 为控制逻辑参数的选择提供了有力的依 据. 该模型与控制逻辑模型及整车动力学模型结合 可进行整车路面防抱死制动研究, 为 ABS 轮缸压力 的精细调节和精确理论建模提供了重要的实验和理 论依据. 因此, 该模型为更全面的研究奠定了基础. 但理论与实验也存在一定的误差, 需要进一步研究 各种因素对制动系统的具体影响. Modeling and Simulation of Automobile Hydraulic ABS Based on AMESim XU Guo min1 , M A Ming xing 1, 2 , H U ANG Jin chuan , GU

21、 AN Yan cai ( 1. Scho ol of M echanical Eng ineering , Y ang zho u U niv ersity , Y ang zho u 225127; 2. Department of A utomo tive Engineer ing, T singhua U niversit y, Beijing 100084, China Abstract: Based o n A BS hy dr aulic test bench , ex per i menta l test on the step brake was do ne for a ty pe of A BS. A M ESim model including hy dr aulic reg ulator , main cy lin der , step br ake soleno id valve and w heel cy linders is set up based on the analysis of A BS hy dr aulic system composition and w or king principle. T he simulat ion result of step br ake, the normal br ake, and on - off