重型越野汽車電控制動系統的設計與仿真

張 堃，黃 茂，劉保國，虎 忠

(陜西重型汽車有限公司，西安 710200)

前言

EBS系統是將駕駛員制動意圖和制動氣壓輸出的控制方式電子化、電控化，具有制動響應時間快，制動性能安全可靠等特點［1］。本文中針對某型重型越野汽車設計了EBS系統的結構，并建立了Matlab/Simulink仿真模型。通過將緊急制動工況下制動模型的仿真結果與常規ABS試驗數據進行對比，驗證了所設計的EBS制動系統的合理性和優越性。

1 EBS系統的設計

1.1 EBS系統的結構

目前，國內重型越野汽車制動系統普遍采用氣壓制動方式，本文中在參考國外商用車輛成熟產品的基礎上，設計了基于電控-氣壓制動方式的EBS系統。該系統以某型4×4重型越野汽車為目標車型，其主要技術參數如表1所示。

圖1為所設計的EBS系統結構示意圖。系統主要由電子制動踏板、EBS控制器、比例繼動閥和備壓電磁閥組成。電子制動踏板可將駕駛員產生的制動踏板行程轉換為兩路PWM信號輸出，同時輸出兩路冗余控制氣壓，以確保電控系統失效時制動系統自動切換為基本的純氣控模式。EBS控制器根據電子制動踏板信號、輪速信號和集成于比例繼動閥的制動氣壓反饋信號控制前后橋比例繼動閥的制動氣壓。后橋比例繼動閥與前橋比例繼動閥結構相同，其氣壓控制口與備壓電磁閥的輸出口相連。當電控系統失效時，備壓電磁閥自動切換冗余控制氣路至后橋比例繼動閥，使后橋比例繼動閥恢復為傳統的氣控模式。

表1 整車技術參數

1.2 EBS控制策略

EBS控制策略為:當EBS控制器采集到有效PWM制動信號后，根據當前輪速信號和制動氣壓信號，按照目標車型理想的制動力分配曲線，對制動氣壓進行適時調整，從而得到優異的前后輪制動力分配效果，避免出現車輛喪失轉向控制和側滑甩尾的危險［2－3］。當EBS系統異常斷電或 EBS控制器檢測到系統嚴重故障時，系統通過備壓電磁閥將比例繼動閥的工作模式轉換至傳統的純氣控模式，以保證基本的氣壓制動。控制原理圖見圖2。

2 EBS系統動力學仿真模型

以Matlab/Simulink為仿真平臺，分別建立了目標車型的整車模型和EBS控制系統模型［4］。

整車模型中有如下設定:將簧上與簧下質量的和作為整車質量，忽略車輛側傾、輪胎滾動阻力和風阻的影響，考慮車輛縱向、側向和繞慣性軸的轉動，車輛的運動方程為

采用基于Magic Formula的 Burckhardt輪胎模型。該模型中地面制動力為

式中:λ為滑移率;φ為附著系數;C、D、E均為參考系數。附著系數φ與滑移率λ滿足如下關系:

式中C1、C2、C3為參考系數，在干瀝青路面條件下分別為 1.280、23.990、0.520。

采用1階滯后環節傳遞函數描述制動器模型壓力建立和釋放的動態過程。響應的時域方程為

式中:p0為系統初始壓力;pS為系統目標氣壓;Tb1為系統時間常數;Tb2為系統滯后時間常數。

由制動氣室氣壓可求得制動凸輪軸上的制動力矩為

式中:A為制動氣室有效作用面積;L為制動臂長;p為制動氣室氣壓。

由此可得制動器制動力矩為

式中:K為制動效能因數;R為制動鼓半徑;η為制動器效率因數;e為制動凸輪有效作用半徑。

3 EBS系統仿真結果分析

3.1 低附著路面制動仿真分析

以目標車型為仿真對象，在峰值附著系數為0.2的冰雪路面，初始車速為30km/h，空擋、滿載和緊急制動狀態下對本文中設計的EBS控制邏輯進行仿真，將仿真結果與裝有ABS系統的目標車型在相同條件下得到的試驗數據進行對比，結果如圖3和圖4所示。

圖3表明，在冰雪路面上所設計的EBS系統對前后輪滑移率差值的控制效果明顯優于常規ABS系統。由圖4可知，ABS系統從制動開始到車輛停止，所經歷的時間為5.33s，制動距離為23.32m，而所設計的EBS系統對應的制動時間僅為4.86s，制動距離為20.85m，比常規制動ABS控制的制動距離減少2.47m。其主要原因是在冰雪路面上，峰值附著系數僅為0.2，由滑移率引起的附著系數變化對地面附著力的影響不大，此時影響制動效能的主要因素為制動響應時間。所設計的EBS系統采用電子制動踏板反映駕駛員的制動意圖，并通過控制器輸出控制命令，制動響應時間較常規制動更快。

圖5為車輛在冰雪路面上EBS制動力分配比隨制動過程的變化，可見隨著車輛質心的前移，前后橋制動力分配比根據控制策略被實時調整，可有效提高車輛的制動安全性能。

3.2 高附著路面制動仿真分析

以目標車型為仿真對象，在峰值附著系數為0.85的干瀝青路面，初始車速為60km/h，空擋、滿載和緊急制動狀態下對設計的EBS控制邏輯進行仿真試驗，將仿真結果與裝有ABS系統的目標車型在相同條件下得到的試驗數據進行對比，結果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，所設計的EBS系統前后輪滑移率的差值可以有效控制在程序所設定的門限值之內，控制效果明顯優于常規ABS系統。由圖7可知，常規ABS系統的制動時間為2.51s，經計算制動距離為22.01m。而所設計的EBS系統的制動時間為2.59s，制動距離為22.61m，比ABS系統的制動距離長0.6m。其主要原因是EBS控制算法在制動過程中根據前后輪滑移率的差值實時修改制動力分配比，以保證前后輪滑移率的差值在安全范圍之內，從而避免甩尾工況，提高汽車的制動安全性能，但由于沒有充分利用地面提供的附著力，因此犧牲了少量的制動效能。車輛在干瀝青路面上EBS制動力分配比隨制動過程的變化曲線如圖8所示。

3.3 制動反應時間臺架試驗

根據目標車型參數，搭建本文中設計的EBS系統制動試驗臺架，并與常規制動ABS系統進行了制動反應時間對比試驗，其結果如圖9所示。

由圖可見，ABS制動反應時間為0.57s，EBS制動反應時間為0.38s，較前者減少了0.19s，EBS制動系統具有較明顯優勢。其主要原因為EBS系統駕駛員的制動意圖和控制信號均以電信號傳輸，其傳輸速率較傳統氣壓信號有較大優勢。

4 結論

(1)設計的EBS系統在兩種極限工況下均能有效控制目標車輛的滑移率，且制動距離滿足GB7258—2012規定。

(2)設計的EBS系統制動反應時間短，較常規制動系統提前了0.19s。

(3)設計的EBS系統在高附著系數路面制動時可有效控制前后輪的滑移率差值，從而提高了車輛的制動安全性能，但與常規制動ABS系統相比，制動距離稍有增大。

(4)在低附著系數路面制動時，EBS系統對制動距離的改善效果顯著，提高了車輛的制動性能。

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