基于AMESim的半掛汽車列車再生制動研究?

姚念猛，路玉峰，朱 騰，高歡歡

(齊魯工業大學機械與汽車工程學院，濟南 250000)

基于AMESim的半掛汽車列車再生制動研究?

姚念猛，路玉峰，朱 騰，高歡歡

(齊魯工業大學機械與汽車工程學院，濟南 250000)

為研究半掛汽車列車的再生制動方法，分析了制動過程中的載荷轉移和牽引座縱向力，運用AMESim軟件搭建了半掛汽車列車再生制動仿真模型。在理想制動力分配的基礎上，制訂了適合半掛汽車列車的再生制動控制策略，在不同工況下對半掛汽車列車再生制動進行仿真。結果表明，再生制動能量回收率可達27.7%，實際制動力分配曲線與理想制動力分配曲線吻合，說明所建立的模型能準確模擬半掛汽車列車的再生制動過程，本研究為重型車研發與優化提供了參考。

半掛汽車列車；再生制動；控制策略；AMESim仿真

前言

半掛汽車列車由于貨運效率高，運輸成本低，已經成為我國運輸業的主要運載工具。據統計，2012年全國貨物周轉量的80.46%由汽車列車完成[1]。因此，國家對半掛汽車列車的動力性和經濟性要求越來越高。

半掛汽車列車的再生制動系統對動力性、燃油經濟性和制動穩定性有較大影響。再生制動過程中，半掛汽車列車容易發生側滑、折疊和甩尾等不穩定制動狀態[2]，因此必須對機械摩擦制動力與再生制動力的分配進行控制。

目前，對于雙軸車輛的制動力匹配問題已經有成熟的研究。文獻[3]中提出了基于理想制動力分配曲線的CVT混合動力汽車再生制動控制策略。文獻[4]中提出了定壓源飛輪液壓再生制動系統。文獻[5]中對液壓混合動力公交車進行研究，提出了基于動態規劃算法的再生制動控制策略。

與雙軸車輛不同，半掛汽車列車包括牽引車和掛車兩個運動單元，在制動過程中，不僅有載荷轉移的影響，還有牽引座縱向力的影響，制動力分配關系更為復雜。本文中對此加以研究，在AMESim中建立了半掛汽車列車再生制動仿真模型，對其進行多種制動工況的分析研究。

1 半掛汽車列車結構與數學模型

1.1 半掛汽車列車再生制動結構

半掛汽車列車再生制動結構如圖1所示。

圖1 半掛汽車列車再生制動結構圖

半掛汽車列車再生制動系統由傳動裝置、液壓泵、溢流閥、蓄能器和油箱組成。再生制動過程為：開始制動時，控制器接收制動踏板信號和蓄能器壓力信號，分配三軸的制動器制動力和再生制動力，控制離合器1分離，離合器2接合，通過傳動裝置，掛車車輪驅動液壓泵旋轉，液壓泵產生的轉矩反作用于掛車車輪，使其轉速降低，同時，液壓泵將低壓油轉變為高壓油，儲存在蓄能器中。

1.2 車軸動載荷力學模型

本文中對半掛汽車列車作以下假設：忽略側傾、俯仰和側向載荷轉移的影響，只考慮縱向載荷轉移。不考慮牽引車與掛車之間的沖擊作用。制動過程中的整車受力圖如圖2所示。車輛減速度的變化會引起載荷轉移，這是動態制動過程中的一個重要問題，制動系統應保證各車軸的制動力與該軸承受的動態負荷成比例。

因此，依據理想制動力分配原則，假設制動時，三軸同時抱死并沿直線拖滑，分別以牽引車前軸、牽引車后軸和牽引座為力矩中心，列出力矩平衡方程，整理得到半掛汽車列車的三軸動載荷力學模型[6]：

圖2 制動時半掛汽車列車受力圖

式中：m1為牽引車質量，kg；m2為掛車質量，kg；L1為牽引車軸距，mm；L2為牽引座至掛車后承載中心水平距離，mm；a為牽引車前軸與其質心水平距離，mm；b為牽引車后軸與其質心水平距離，mm；c為牽引座至掛車質心水平距離，mm；d為掛車后承載中心至掛車質心水平距離，mm；e為牽引座至牽引車后軸水平距離，mm；h1為牽引車質心高度，mm；h2為牽引座至地面高度，mm；h3為掛車質心高度，mm；g為重力加速度，取9.8m/s2；φ為附著系數；Fz1，Fz2，Fz3分別為地面對第1，2，3軸的法向反力，N；F1，F2，F3分別為第1，2，3軸的地面制動力，N；A，B分別為牽引車前軸與后軸、牽引車前軸與掛車車軸的理想制動器制動力分配比；β1，β2，β3分別為第1，2，3軸的理想制動力分配系數。

1.3 牽引座力學模型

半掛汽車列車以變化不大的減速度行駛時，牽引車與掛車之間的作用力可以簡化成水平作用力和垂直作用力。以牽引車為分離體，牽引座的力學模型[7]為

式中：p為牽引座水平作用力，N；q為牽引座垂直作用力，N；Fq為牽引車驅動力，N；Ff為牽引車滾動阻力，N；Fi為牽引車坡道阻力，N；j為加速度，m/s2。

1.4 車輪縱向力模型

采用動態法計算車輪縱向滑移率，建立車輪縱向力的雙曲正切力學模型：

式中：k為縱向滑移率，%；r為車輪滾動半徑，mm；v為車速，m/s；ω為車輪角速度，rad/s；s為車輪縱向松弛長度，m；Fp為車輪縱向力，N；Fmax為車輪最大縱向力，N；σφ為車輪摩擦因數的調節因子；σBCD為車輪滑移剛度的調節因子；dsx為車輪縱向滑動閾值，%。

本文中不考慮σφ和σBCD對縱向力的影響，即σφ和σBCD均設為1，則式(12)簡化為

2 能量回收分析

液壓蓄能方式具有功率密度大、工作性能穩定和成本低等優點[8]。本文中選用皮囊式液壓蓄能器，為分析簡便，假設蓄能過程中無能量損耗，蓄能器的工作視為絕熱狀態，不考慮液壓油的壓縮性。

根據波爾氣體定律[9]，有

式中：n為氣體多變指數，等溫過程為1，絕熱過程為1.4[10]；T為常數；pi為蓄能器任意時刻氣體壓力，Pa；p0為蓄能器充氣壓力，Pa；p1為蓄能器最低工作壓力，Pa；p2為蓄能器最高工作壓力，Pa；Vi為蓄能器任意時刻氣體體積，m3；V0為蓄能器初始氣體體積，m3；V1為蓄能器最低工作壓力下的氣體體積，m3；V2為蓄能器最高工作壓力下的氣體體積，m3。

由式(14)可得

由熱力學第一定律[11]可知，蓄能器存儲的能量為

聯立式(15)～式(17)可得

式(18)表示，在氣體體積V0、充氣壓力p0和最高工作壓力p2的狀態下，蓄能器所能存儲的能量。

同理可得，在氣體體積為V0、充氣壓力為p0和最低工作壓力為p1的狀態下，蓄能器所具有的能量為

由式(18)和式(19)可得車輛制動過程中任意時刻的能量回收率：

式中：v0為車輛的制動初速度，m/s。

由式(20)可知，能量回收率的主要影響因素為蓄能器的容積、初始充氣壓力和最低工作壓力。

3 再生制動控制策略

半掛汽車列車再生制動系統的制動力包括液壓馬達再生制動力和車輪制動器制動力。根據不同的制動工況，合理分配再生制動力和制動器制動力是再生制動控制策略的重點。

本文中在理想制動力分配的基礎上，分析牽引座縱向力和整車需求制動力，確定掛車車軸再生制動力的上限，讓再生制動力盡可能處于最大回收狀態，減少機械摩擦制動力與牽引座縱向力，控制策略如下。

(1)輕度制動工況(制動強度z≤0.2)

優先使用液壓馬達制動，再生制動力等于需求制動力與最大再生制動力中的較小值。三軸制動器制動力補償需求制動力與再生制動力的差值。

(2)中度制動工況(制動強度0.2＜z≤0.7)

按照三軸理想制動力分配曲線分配制動力，再生制動力等于掛車車軸需求制動力與最大再生制動力中的較小值。

(3)重度制動工況(制動強度z＞0.7)

按照三軸理想制動力分配曲線分配制動力，牽引座縱向力的方向與減速度的方向相反時，再生制動力等于牽引座縱向力與最大再生制動力中的較小值；牽引座縱向力的方向與減速度的方向相同時，不進行再生制動。

(4)再生制動過程中，當蓄能器的壓力達到最大時，斷開再生制動線路，再生制動力消失，牽引座縱向力會發生較大波動。此時，增加掛車車軸機械摩擦制動力，補償消失的再生制動力。

4 半掛汽車列車的仿真模型

半掛汽車列車的車身參數如表1所示，制動能量回收系統的主要參數如表2所示。

表1 半掛汽車列車的主要參數

表2 能量回收系統參數

運用AMESim軟件，搭建仿真模型[12]，如圖3所示。該仿真模型由驅動與制動控制模型、車身模型、動載荷計算模型、制動力分配系數計算模型、制動力分配與再生制動控制模型、車輪與車輪縱向力模型和再生制動系統組成。

5 仿真分析

本文中設計了半掛汽車列車的輕度制動、中度制動和重度制動的仿真工況，驗證半掛汽車列車模型的正確性。同時，對設計的再生制動控制策略(C1)和普通機械摩擦制動控制策略(C2)進行仿真分析。仿真工況的時間-速度曲線如圖4所示。

圖4 仿真工況的時間-速度曲線

通過模型仿真，對制動過程中的制動力分配系數、車速、牽引座縱向力和回收的能量進行分析，結果如圖5～圖10所示。

由圖5～圖7可見，3種制動工況下，再生制動控制策略的制動力分配系數曲線都與理想制動力分配系數曲線貼近，驗證了再生制動控制策略符合制動性能要求。

由圖8可見，與普通機械摩擦制動控制策略相比，采用再生制動控制策略時，3種制動工況的牽引座縱向力分別減少了41%，34%和27%，提高了縱向制動穩定性。

圖5 輕度工況制動力分配系數

圖6 中度工況制動力分配系數

圖7 重度工況制動力分配系數

圖9 仿真車速曲線

圖10 回收能量曲線

(3)由圖9可見，3種制動工況下，與普通機械摩擦制動控制策略相比，采用再生制動控制策略時，制動時間分別減少了25%，16%和15%，提高了整車制動性能。

(4)由圖10可見，再生制動控制策略下，3種制動工況所回收的能量分別為55 893，464 674和670 427J，對應的再生制動能量回收率分別為27.7%，14.5%和9.2%。

6 結論

通過搭建的半掛汽車列車再生制動模型，分別對基于理想制動力分配的再生制動控制策略和普通機械摩擦制動控制策略進行仿真。結果表明，實際制動力分配系數曲線與理想制動力分配系數曲線貼近，滿足半掛汽車列車的縱向制動穩定性和安全性要求。制動能量回收率最高可達到27.7%，驗證了半掛汽車列車再生制動模型的正確性。

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A Study on Regenerative Braking of Tractor-semitrailer Combination Based on AMESim

Yao Nianmeng，Lu Yufeng，Zhu Teng＆Gao Huanhuan
School ofMechanical＆Automotive Engineering，Qilu University of Technology，Jinan 250000

For studying the regenerative brakingmethod of tractor-semitrailer combination，the load transfer between vehicle axles and the longitudinal force on fifth wheel are analyzed，and a simulationmodel for the regenerative braking of tractor-semitrailer combination is constructed using software AMESim.On the basis of ideal braking force distribution，the regenerative braking control strategy for tractor-semitrailer combination is formulated and a simulation on the regenerative braking process of tractor-semitrailer combination under different operating conditions is carried out.The results indicate that the energy recovery rate with regenerative braking can reach 27.7%and the actual braking force distribution curve is very close to that of ideal one，meaning that themodel built can accurately simulate the regenerative braking process of tractor-semitrailer combination.The study provides references for the research，development and optimization of heavy-duty vehicles.

tractor-sem itrailer combination；regenerative braking；control strategy；AMESim simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.007

?山東省科技發展計劃項目(2015GGX105005)資助。

原稿收到日期為2016年7月18日，修改稿收到日期為2016年10月24日。

路玉峰，副教授，E-mail：luyf78＠126.com。