基于Carsim的車輛制動防抱死過程分析

杜春臣，張文廣，周孫鋒

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西西安 710054）

0 引 言

車輛制動性是汽車的主要性能之一，制動性能的好壞直接關(guān)系到道路交通安全。重大交通事故往往與制動距離太長，緊急制動時發(fā)生側(cè)滑等情況有關(guān)，良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。車輛制動性能不僅取決于較短的制動距離和較好的抗熱衰退性，還要保證汽車的方向穩(wěn)定性。即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑，以及不能失去轉(zhuǎn)向能力。最理想的制動情況是任何車輪不抱死，前后車輪都處于滾動狀態(tài)，這樣可以確保最佳的制動效果。車輪制動防抱死裝置（ABS）能有效地將制動器制動力調(diào)節(jié)到適應(yīng)輪胎——地面所能提供的附著力，防止車輪在緊急制動過程中抱死，從而提高車輛的制動穩(wěn)定性。

車輛的行駛過程是一個比較復(fù)雜的動態(tài)過程，每個車輪接觸地面所提供的附著系數(shù)不盡相同，尤其是在冰雪道路等明顯分離摩擦系數(shù)的路面。在傳統(tǒng)的車輛制動防抱死仿真中，一般將 4輪模型簡化為單一車輪模型來研究車輪的制動距離和滑移率，驗證制動防抱死控制算法的可靠性，從而忽略了在分離摩擦系數(shù)的路面上，整車的行駛狀態(tài)。文中通過 CarSim軟件建立整車動力學(xué)模型（S函數(shù)），在Simulink環(huán)境中對車輛動力學(xué)模型進(jìn)行制動防抱死控制，以分析ABS對于車輛整體制動性能的影響。

1 制動過程車輪運動特性

汽車在制動過程中，車輪發(fā)生打滑現(xiàn)象，主要是由于地面附著力滿足不了車輛提供的制動壓力。因此，要實現(xiàn)最佳制動壓力的控制，必須了解地面附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系，而且不同的路面條件有不同的附著系數(shù)。地面附著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系見圖1。圖1中縱向附著系數(shù)φB和橫向附著系數(shù) φS分別代表相對應(yīng)滑移率下地面所能提供給車輪的最大縱向力和橫向力。地面提供的縱向附著力使車輛減速，橫向附著力防止車輛發(fā)生側(cè)滑。

當(dāng)縱向附著力和橫向附著力達(dá)到最佳時，才可以獲得最佳的制動效能。研究發(fā)現(xiàn)，將滑移率控制在10%～30%內(nèi)，制動效果最好。因此，通常把 20%的滑移率稱為理想滑移率或最佳滑移率。文中設(shè)計的仿真系統(tǒng)中滑移率控制范圍為18%～22%。

ABS的基本控制原理是通過車載傳感器監(jiān)測車輛在制動過程中車輪的狀態(tài)，通過電控單元（ECU）對輪速、車速、加減速度及滑移率等重要參數(shù)進(jìn)行計算、分析、比較，根據(jù)這些參數(shù)使用閾值控制方法，對制動壓力發(fā)出增壓、保壓或減壓的控制指令，通過控制制動壓力來控制汽車制動過程中的車輪運動狀態(tài)，使車輪保持在最佳制動狀態(tài)，達(dá)到獲得最佳制動力的效果。

為達(dá)到仿真可行性與可信度的統(tǒng)一，利用CarSim軟件建立整車4輪模型，在分離摩擦系數(shù)的條件下，通過控制每個車輪的制動壓力，實現(xiàn)車輛4輪的防抱死，研究車輛在制動過程中的最佳制動性能。

2 CarSim整車模型

Carsim 是由美國機(jī)械仿真公司（the Mechanical Simulation Corporation，MSC）于1996年研發(fā)，面向特性的參數(shù)化建模車輛動力學(xué)仿真軟件。主要用來模擬不同路面情況下汽車的制動、加速和轉(zhuǎn)向盤調(diào)整，通過三維動畫和曲線直觀地分析汽車的各種響應(yīng)。

Carsim軟件結(jié)合了傳統(tǒng)的車輛動力學(xué)與現(xiàn)代的多體動力學(xué)建模方法，將車輛進(jìn)行抽象簡化，如圖2。主要包括1個車體部分，4個簧下質(zhì)量部分，4個旋轉(zhuǎn)車輪部分和1個發(fā)動機(jī)曲軸部分。通過傳動系和制動系來確定對車輪的驅(qū)動和制動，通過轉(zhuǎn)向系特性和懸架 K&C特性綜合考慮車輪的轉(zhuǎn)向運動，最終確定輪胎的運動量，進(jìn)而用輪胎模型確定輪胎力。

車輛在低附著系數(shù)、分離摩擦系數(shù)等路面上行駛時突然制動，引起側(cè)滑和甩尾是非常危險的工況。CarSim提供了精確的輪胎制動模型，可以對4個輪胎進(jìn)行差動制動控制，如圖3所示。差動制動也稱主動制動控制（Active Braking Control）。它是根據(jù)需要對不同車輪施加不同的制動力來改變車輛的運動狀態(tài)的一種主動控制方法。利用差動制動方式進(jìn)行汽車穩(wěn)定性控制，尤其是輪胎附著極限下的穩(wěn)定性控制是最為合適的。

該界面定義了車輛制動系統(tǒng)的一些性能參數(shù)，具體包括：制動力矩曲線，制動壓力分配比例曲線，流體動力學(xué)時間常數(shù)，流體傳遞滯后，ABS關(guān)閉和開啟的滑移率門限值，ABS最低工作車速。

3 建立仿真模型

在CarSim中設(shè)置的車輛仿真參數(shù)如表1所示。

表1 車輛仿真參數(shù)

滑移率 s計算的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個仿真正確性，根據(jù)滑移率的定義公式：可知，車輛在制動過程中，需要通過車速、輪速來判斷車輪狀態(tài)，進(jìn)而通過控制制動液壓缸的壓力來調(diào)節(jié)車輪運動狀態(tài)。因此，在CarSim中建立整車模型后，將CarSim的輸出變量依次定義為：Vx_L1（左前輪速/(km/h)）、Vx_R1（右前輪速/(km/h)）、Vx_L2（左后輪速/(km/h)）、Vx_R2（右后輪速/(km/h)）、Vx_SM（汽車質(zhì)心處的速度/(km/h)）、Pbk_Con（主缸壓力的控制輸入/MPa）。Simulink根據(jù)CarSim的輸出信號，設(shè)置車輛ABS控制策略和仿真制動過程車輪運動狀態(tài)，整體仿真模型如圖 4所示。在制動過程中車輪接受液壓缸的制動力矩，要防止車輪抱死，即要控制作用在車輪上的壓力。因此，將 4個車輪的輪缸壓力作為 CarSim的輸入變量。其順序依次為：IMP_PBK_L1（左前輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_R1（右前輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_L2（左后輪缸壓力/MPa）、IMP_PBK_R2（右后輪缸壓力/MPa）。

4 仿真結(jié)果

利用CarSim建立精確的4輪整車模型，通過Simulink設(shè)計控制策略，主要完成車輪防抱死系統(tǒng)在制動過程中對提高車輛制動性能的仿真。包括車輪側(cè)滑角、車速與輪速、制動壓力、車輪轉(zhuǎn)角等參數(shù)。通過有無ABS兩種情況的制動過程比較，驗證了車輪防抱死對于提高車輛制動時穩(wěn)定性的作用。具體圖形曲線與結(jié)果分析如圖 5～圖8所示。

從以上各圖可以看出，在分離摩擦系數(shù)的路面上，車輛開始制動時，無 ABS的車輛，車輪很快抱死，車輪側(cè)滑角迅速變化，車輛開始出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。相反，在有 ABS防抱死的作用下，車輪壓力變化緩慢，輪速始終圍繞車速變化，即車輪沒有發(fā)生抱死，達(dá)到最佳的制動性能，使車輛穩(wěn)定地迅速制動。

5 結(jié) 論

通過CarSim和Simulink相結(jié)合的仿真方法，可以有效地模擬真實車輛的制動過程，比較真實地反映了ABS系統(tǒng)實際的工作情況。仿真分析表明，ABS不僅縮短車輛制動距離，而且對于車輛制動時的穩(wěn)定性也有很大提高。從仿真動畫中可以看到加裝ABS的車輛在制動時向相鄰車道有一定的偏移，這與仿真模型的精度、控制策略的效果，以及明顯的分離摩擦系數(shù)路面有關(guān)。從整體來看，仿真結(jié)果具有實用性價值，為進(jìn)一步研究汽車動力學(xué)性能提供了有效的手段。

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