商用車氣壓制動系統仿真及優化研究

王玉桃 ，葛浩

1.徐州徐工汽車制造有限公司技術中心，江蘇徐州 221004；2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州 221004

0 引言

汽車的制動性能是汽車安全行駛的重要保障，改善汽車制動性能，始終是汽車設計制造部門的重要任務。目前，主機廠制動系統設計時一般通過簡單的理論計算選擇制動系統特性參數，制動系統設計好后直接采用試驗驗證。純理論計算假設因素太多，比較理想化，且直接通過試驗驗證成本高，不易隨便開展。AMESim可以詳細建立各閥、管路等的結構模型，更接近實際模型，設計師在制動系統設計初期，可以邊設計邊仿真分析所設計的制動系統性能，并與多目標優化軟件聯合優化匹配參數，為設計師提供參考與便利。

1 商用車制動系統仿真模型的搭建

某商用車制動系統結構如圖1所示，主要由串聯雙腔制動閥、繼動閥、ABS電磁閥、單膜片式制動氣室和彈簧膜片式制動氣室等組成[1]。

圖1 某商用車制動系統結構

1.1 串聯雙腔制動閥仿真模型

串聯雙腔制動閥結構原理如圖2所示，主要由上、下兩腔組成，分別與前、后制動管路相連，兩腔相互獨立，一腔損壞時另一腔可正常工作。

圖2 串聯雙腔制動閥結構原理

制動時，頂桿座1在制動踏板的作用下推動上腔活塞3，克服復位彈簧使上腔排氣口4關閉，上腔進氣口16打開，壓縮空氣由進氣口進入腔體17，并經上腔進氣口16由上腔出氣口15輸出到后軸制動管路。隨著踏板開度增大，頂桿繼續推動閥桿5下移，并作用于下腔活塞8上，同時上腔的壓縮空氣通過流通孔14也作用于下腔活塞8上，關閉下腔排氣口13，并打開下腔進氣口11，由下腔供氣口10的壓縮空氣經下腔出氣口12輸送到前軸制動管路。因上、下腔的開啟由頂桿位移控制，故任何一腔出現故障，都不會影響另一腔正常工作[2]。

根據串聯雙腔制動閥的實際物理結構以及工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖3所示。輸入閥特性參數，設置頂桿位移信號，頂桿位移在0.5 s內從0增加到15 mm，保持2 s后，又在0.5 s內降為0。氣源氣壓設置為1.2 MPa，對串聯雙腔制動閥進行仿真分析。仿真結果如圖4和圖5所示。

圖3 串聯雙腔制動閥仿真模型

圖4 制動閥響應曲線

圖5 制動閥輸出氣壓隨頂桿位移變化曲線

由圖4和圖5可知，在升壓過程中，后軸管路先開始增壓，上下腔之間存在2 mm間隙，克服間隙后，前軸管路開始增壓。前后管路升壓所用時間約為0.25 s。釋放制動時，前后軸管路氣壓迅速降為0，制動閥充放氣迅速，符合其工作特性，仿真模型準確。

1.2 繼動閥仿真模型

商用車因軸距大，導致制動閥與氣室之間的距離較長，為縮短空壓機中氣體輸送到制動氣室的距離，提高響應速度，在制動閥后串聯繼動閥，制動閥輸出的壓縮空氣只用來控制繼動閥的開啟，制動氣室的壓縮空氣直接由儲氣筒經繼動閥提供，以實現快速充放。

繼動閥結構原理如圖6所示。繼動閥總共有4個接口，1為進氣口，與儲氣筒相連；2為出氣口，與前、后橋制動管路相連；3為排氣口，與大氣相通；4為控制口，與制動閥相連，用于控制繼動閥的開關。制動時，制動閥輸出壓縮空氣進入控制口，克服復位彈簧后使活塞向下移動，關閉排氣口并打開進氣口，使壓縮空氣由出氣口輸出[3]。

圖6 繼動閥結構原理

根據繼動閥實際物理結構和工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖7所示。輸入繼動閥結構參數并進行仿真分析[4]。

繼動閥控制氣壓與輸出氣壓的關系曲線如圖8所示。由圖可知，輸出端氣壓先要克服閥門開啟壓力，隨著控制氣壓增大克服開啟壓力后，輸出端氣壓隨控制端氣壓的增大基本呈線性增大。繼動閥響應曲線如圖9所示。由圖可知，在控制氣壓作用下，輸出端氣壓快速上升達到穩定值，達到穩定壓力75%所用時間為0.25 s，響應迅速，符合繼動閥工作原理。

圖7 繼動閥仿真模型

圖8 繼動閥控制氣壓與輸出氣壓的關系曲線

圖9 繼動閥響應曲線

1.3 ABS電磁閥仿真模型

ABS電磁閥是防抱死控制系統的執行裝置，串聯在制動管路中，按ABS控制系統的命令控制制動氣室的增壓、減壓、保壓以調節制動力，防止制動過程中車輪發生抱死，并將制動滑移率控制在最佳值附近，充分利用路面附著系數，提高制動性能[5]。

ABS電磁閥結構原理如圖10所示。車輛制動增壓時，進排氣電磁閥都不通電，壓縮空氣進入腔體15，克服彈簧壓力，從而打開進氣閥口3，使出氣口4輸出氣壓。保壓時，進氣電磁閥通電，使壓縮空氣進入進氣閥先導氣室1，關閉進氣閥，同時排氣電磁閥依舊斷電，使得排氣閥口6依舊關閉，ABS電磁閥處于保壓狀態。減壓時，進排氣電磁閥都通電，進氣先導氣室里的氣壓關閉進氣口，同時排氣先導氣室里的氣壓打開排氣口，使氣體從排氣口9排出[6]。

圖10 ABS電磁閥結構原理

根據ABS電磁閥物理結構和工作原理搭建AMESim模型，如圖11所示，輸入ABS電磁閥結構和特性參數進行仿真。

圖11 ABS電磁閥仿真模型

輸出氣壓與進、排氣電磁閥關系曲線如圖12所示。根據ABS電磁閥工作原理，在0～0.4 s內進、排氣電磁閥都不通電，即仿真增壓工況，由仿真結果可見，此時間段內出氣口壓力增大并保持在穩定值。在0.4～0.6 s內進氣電磁閥通電，電流輸入為40 mA，排氣電磁閥不通電，即仿真保壓工況，由仿真結果可見，該階段內出氣口壓力保持不變，處于保壓狀態。在0.6～1 s進、排氣電磁閥都通電，且給予40 mA的電流值，由仿真結果可見，此時間段內出氣口壓力迅速降為0，ABS電磁閥進行減壓。整個增壓、保壓、減壓過程與ABS電磁閥工作特性相同。

圖12 輸出氣壓與進、排氣電磁閥關系曲線

1.4 前后橋制動氣室仿真模型

制動氣室與制動器相連，由制動閥操控而來的壓縮空氣進入制動氣室，推動推桿，推桿使制動蹄壓緊在制動鼓上，實現車輛的制動。

前橋使用單膜片式制動氣室，氣體推動膜片克服復位彈簧，使得推桿伸出，如圖13所示。

圖13 單膜片制動氣室

后橋采用彈簧膜片式制動氣室，該制動氣室存在兩個氣腔，膜腔用于行車制動，彈簧腔用于緊急制動和駐車制動，且兩腔相互獨立，如圖14所示。常規制動時，制動管路中的壓縮空氣由進氣口2進入膜腔1，由膜片推動托盤，克服膜腔的復位彈簧，使推桿伸出。駐車制動或緊急制動時，通過手制動閥的操作，彈簧腔8的壓縮空氣由排氣口7排出，在復位彈簧作用下，推出推桿，作用于制動器，對車輪施加制動力[7]。

圖14 彈簧膜片式制動氣室

根據工作原理及結構特征，建立AMESim模型如圖15和圖16所示。

圖15 單膜片式制動氣室仿真模型

圖16 彈簧膜片制動氣室仿真模型

1.5 制動系統仿真模型

根據圖1的制動系統布置方式及車型制動管路特征，將各閥用管路連接起來形成整個制動系統仿真模型，如圖17所示。仿真時間設置為4 s，步長為0.01 s，對制動系統進行仿真分析。

圖17 制動系統仿真模型

制動系統響應時間變化曲線如圖18所示。由圖可以看到，隨著頂桿位移的增大，先克服開啟壓力后，前橋制動氣室氣壓在0.46 s達到穩定氣壓的75%，后橋制動氣室氣壓在0.5 s內達到穩定氣壓的75%，前后橋響應時間均小于0.6 s。相較于制動閥，整個制動系統因管路、閥等因素影響，響應時間增大，且由于后軸管路較長，導致前軸響應略快于后軸。

圖18 制動系統響應時間變化曲線

2 制動系統的優化

基于AMESim聯合多目標優化軟件，對制動系統的管路特性參數進行優化，可提高制動響應時間，基于建立的AMESim制動系統模型，在AMESim軟件菜單的接口里選擇管路特性參數作為輸入參數，即設計變量，以制動氣室氣壓作為輸出參數，優化目標為使制動氣室氣壓達到最大穩定氣壓75%的響應時間最短，制動系統優化約束條件見表1。將接口設置好后選擇導出格式為多目標優化文件，建立模型調用文件，設置為.bat格式。

表1 制動系統優化約束條件

在多目標優化軟件中調用AMESIim模塊，設置設計變量及設計目標，并根據管路特性參數的上下限值設置約束條件，采用全局探索優化與數值優化自由組合的Pointer-2算法進行優化，結果見表2。由優化結果可以看出，前橋優化前的響應時間為0.46 s，優化后的響應時間為0.41 s；后橋優化前的響應時間為0.50 s，優化后的響應時間為0.43 s。前后橋響應時間明顯縮短。

表2 響應時間優化結果 單位:s

3 整車制動性能仿真分析

前文講述了制動系統各閥的AMESim仿真模型搭建以及整個制動系統仿真計算，而制動性能的好壞需要與整車結合起來進行評價，在整車模型的基礎上分析制動響應時間、減速度以評價制動性能的高低。

基于AMESim搭建8×4整車模型，根據整車的結構特點搭建仿真模型，如圖19所示。為了便于參數的修改，設置全局參數進行整車建模，路面附著系數選擇0.8，初始制動時的車速為60 km/h，進行整車制動性能仿真計算。

制動性能仿真結果如圖20所示，車輛從60 km/h減速至停車，最大減速度為5.19 m/s2(去除個別因路面不平而引起的尖點)，制動距離為34.5 m。因選取車輛開始制動時的前軸所在位置為位移原點，而此處讀取的是質心處位移數據，故位移前面一段為負值。

圖20 制動性能仿真結果

4 結論

(1)AMESim可搭建詳細的仿真模型，仿真精度高。本文通過研究商用車制動系統各閥結構特點搭建了各閥仿真模型，又根據實車管路布置方案和管路特性參數連接各閥形成整個制動系統仿真模型，通過計算分析，仿真結果與實際規律相符，說明可通過該模型計算分析制動系統的響應特性。

(2)基于建立的AMESim制動系統模型，聯合多目標優化軟件，對制動系統結構特性參數匹配優化，使制動系統響應時間明顯縮短。此外，根據整車結構特征建立道路、輪胎、懸架等模塊，搭建整車制動系統仿真模型，用于分析計算整車制動距離、減速度等制動性能。