基于Carsim的AMS制動性能分析方法

張東珉，王天培，趙永坡，張 凱

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

基于Carsim的AMS制動性能分析方法

張東珉，王天培，趙永坡，張 凱

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

（長城汽車股份有限公司 技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

對歐洲制動AMS試驗的仿真實現方法進行了研究。選用特定車型，應用已有的Carsim懸架、輪胎等模型建立整車模型，通過改變制動系統模型進行仿真過程的標定。最后根據歐洲AMS制動試驗方法設定了仿真工況，并進行了制動效能和制動熱衰退性能的仿真分析。仿真分析結果表明：通過標定Carsim制動系統模型的AMS制動性能仿真結果與試驗結果具備較好的一致性。研究表明在車輛設計初期利用Carsim軟件可以快速準確地對車輛的制動性能進行仿真，從而對其性能做出預測和評估，并可有效地找到解決方案。

AMS；制動效能；制動熱衰退；Carsim

0 引 言

目前車輛的安全性越來越受到公眾的關注，而制動系統是汽車行駛安全的重要保障之一，德國汽車類雜志AMS（Auto Motor und Sport）組織的對歐洲市場車輛制動性能測試，其條件嚴格且測試結果公正、可靠，在歐洲很受公眾和消費者認可。開發車輛通過AMS試驗，不僅能提升制動性能，而且對提升信譽度，增強消費者購買信心大有益處。由于AMS試驗準備工作量多，試驗強度大，需要投入大量人力、物力，因此用仿真分析方法提高效率，節約成本是十分重要的。

Carsim是一種基于特性參數建模的汽車動力學仿真軟件，建立模型時，不需要定義零部件具體的結構形式，只需要定義體現性能的相關參數或曲線[1]。應用Carsim仿真平臺，建立制動系統仿真模型，并針對AMS試驗的制動效能和熱衰退性能對仿真進行驗證。

1 分析原理

車輛制動系統的設計要能夠在緊急情況時，在保持行駛穩定性條件下完全制動，并具有盡可能短的制動距離；同時在連續制動的情況下，減少制動效能的衰退程度。歐洲AMS制動性能試驗主要包括冷態狀態下空載100 km/h制動過程和熱態狀態下滿載連續10次100 km/h的制動過程2部分，分別考察車輛的制動效能和抗衰退性能。

1.1 制動效能

制動系統的能量傳遞如圖1所示，駕駛員通過操作制動踏板產生作用力在真空助力器輸入桿上，如式（1）。

其中，Fbo為真空助力器輸入力；Fdriver_為駕駛員輸入力；ipedal為踏板杠桿比。

真空助力器作為供能裝置，對踏板操作力再進行放大，從而作用在主缸上。將真空助力器看成一個整體，通過臺架試驗獲得真空助力器穩態的輸入輸出特性曲線，通過一階滯后環節近似地來表達真空助力器的遲滯現象，如式（2）～式（3）。

其中，Fboostout為真空助力器輸出力；fboster為真空助力器輸入輸出函數；Fmc為主缸輸入力；Tapp為動態時間常數。主缸輸入力通過不同的主缸直徑產生不同的壓力值，為車輪制動器活塞提供液壓，如式（4）。

其中，Pmc為主缸壓力輸入；MCdiameter為主缸直徑。

制動壓力作用在制動盤上產生夾緊力，制動盤和摩擦片產生摩擦從而產生制動力矩，如式（5）。

其中，r為制動器輪缸半徑；μ為不同溫度下摩擦系數；β為前后制動管路壓力分配系數；p為制動軟管油液壓強；R為制動盤有效作用半徑。

理想狀態下，在不超過路面附著極限情況下，制動力矩的大小直接影響車輛減速度的大小。

1.2 制動熱衰退

制動過程中，制動器溫度不斷升高導致摩擦片表面出現物理和化學反應引起摩擦系數的變化，從而影響制動力矩的大小，導致制動距離加長。對制動系統熱傳導起決定性作用的是把車輛全部動能轉變為熱量的制動盤。熱能一方面被制動盤存儲，另一方面隨著溫度的升高，通過對臨近部件的熱傳導、表面和通風槽的對流及表面輻射把熱量散發出去。制動盤溫度通過制動盤能量吸收與散發計算，如式（6）。

其中，Tb為制動盤制動力矩；ωwh1為車輪轉速。

制動盤能量輸出計算如式（7）。

其中，C為制動盤冷卻系數；Mrotor為制動盤質量；Cp為制動盤比熱容；Trotor為制動盤溫度；Tair為空氣環境溫度。

根據能量的吸入和散發計算制動器溫度變化，如式（8）。

根據式（6）～式（8）得出，由制動盤確定的熱容量對制動器的性能有重大影響。大而重的制動盤有很大的熱容量，能很好接受制動時由動能轉換成的熱量，并避免由于系統過熱而使制動摩擦片出現衰退效應。影響制動盤熱容量的參數包括制動盤質量、材料比熱容及冷卻系數[2]。

Carsim中制動模型根據上述原理進行構建，利用此模型完全能夠在設計初期進行制動模型的搭建和AMS制動系統性能分析。

2 模型建立

2.1 整車模型

Carsim整車模型是基于汽車各子系統特性參數進行搭建的，建立模型時，不需要定義零部件具體的結構形式，而只需要定義體現性能的相關參數或曲線。這樣工程師在車輛設計初期不用糾結零部件具體結構形式，直接以性能為導向分析車輛動力學性能，指導底盤性能的開發。

應用已有的Carsim整車模型，包括懸架模型、動力總成模型、輪胎模型及整車參數，如圖2。其中懸架模型不只是結構特性參數，還包括K特性和C特性參數，并與實車操穩試驗結果進行對比，驗證懸架模型的準確性。

動力總成模型主要包括發動機負荷特性曲線及變速器擋位傳動比和換擋曲線。AMS熱衰退制動試驗過程中要求每次制動完成后以最大油門加速到目標車速，車輛動力性、加速性能越好，意味著每次制動間隔越短，對車輛抗熱衰退性能要求越高。

2.2 制動模型

Carsim軟件提供兩種制動系統模型可以選擇，一種是基礎制動系統模型，如圖3所示。模型中只包含了制動器性能參數及制動管路壓力分配參數，模型相對簡單，不能完整展示制動系統。

另一種是詳細制動系統模型，如圖4。模型中包含了踏板杠桿比、真空助力器曲線、制動管路壓力分配曲線、主缸直徑及制動器性能曲線，能夠完整描述整個制動系統，同時可以設置制動盤熱特性參數，來模擬制動熱衰退性能。文中采用此模型進行AMS制動性能仿真分析。

3 模型校對及評價

根據AMS制動效能試驗方法設置Carsim仿真條件，將實車試驗過程中踏板力作為輸入，進行相應的制動仿真過程，通過對比實車試驗車輛減速度、車速和溫度曲線驗證制動系統建模方法的有效性和模型的準確性。

3.1 制動效能仿真

制動減速度與車速隨時間變化曲線如圖5和圖6所示。

依據仿真結果得知，制動減速度為1.05 g左右，制動距離為39.43 m，AMS制動距離評價標準如表1，據此得知該車制動效能較好。

表1 AMS制動距離評價準則

3.2 制動熱衰退仿真

制動盤溫度與制動距離變化情況如圖7和圖8所示。

依據仿真結果得知，經過10次制動過程后，前軸溫度達到508℃，后軸溫度達到328℃，符合700℃以下設計規則，因為當制動摩擦片溫度超過700℃時，摩擦系數會出現明顯的下降。制動距離衰退比率為3.5%，符合小于10%的設計要求，具體計算如下式所示。

綜合制動盤溫度變化和制動距離變化情況，驗證制動系統抗熱衰退性能符合設計要求 。

4 仿真分析

文中通過與實車試驗對比驗證了此模型的正確性，應用此模型可以進行熱衰退性能參數影響分析，指導性能開發。根據分析原理，在制動時出現快速溫度升高，其高低一方面取決于車輛能量及其質量，另一方面取決于制動盤的儲熱能力、質量和通風冷卻好壞[3]。文中通過修改制動比熱容、質量和冷卻系數分析其對制動衰退性能的影響。如圖9所示。

從仿真結果可以得出，制動盤質量越大、比熱容越大，則溫度升高小。在升高后的冷卻期，通風制動盤形狀所決定的冷卻系數越大即通風狀況越好，溫度下降越快。故若設計初期車輛衰退性能不好，可以通過修改制動盤尺寸、材料或增加通風槽保證車輛最高溫度接近臨界溫度限值，但修改過程中要綜合考慮制動系統結構和成本等因素。

5 結 論

針對歐洲AMS制動性能試驗進行相應研究，應用Carsim建立了面向AMS制動性能分析的整車動力學模型，通過與實車試驗數據對比驗證模型精度，提出了一種在設計初期對AMS制動性能分析和預測的方法，為汽車制動性能的設計和改進提供了重要的借鑒和指導作用。

[1]李志奎. 基于Carsim的整車動力學建模與操縱穩定性仿真分析. [D]：長春：吉林大學，2007.

[2]Mechanical Simulation Corporation: Carsim Reference Manual，Version6.03，July，2005.

[3]（德）B. 布勒伊爾，K.比爾，劉希恭，等譯. 制動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

U463.5.07

A

2014-03-12

1002-4581（2014）04-0028-04