基于Amesim的整车制动系统建模与仿真

王 权，周飞虎，岳海姣

(长安大学 工程机械学院，陕西西安 710064)

基于Amesim的整车制动系统建模与仿真

王 权，周飞虎，岳海姣

(长安大学 工程机械学院，陕西西安 710064)

设计整车制动系统的结构方案，阐述其结构和工作原理。基于Amesim建立整车制动系统模型，通过该模型仿真汽车在制动踏板位移分别为30，40，50 mm时，分别进行轻微制动、常规制动与紧急制动等3种制动工况的制动过程，结果表明：仿真结果与理论计算一致，该制动系统模型可以准确的模拟汽车的制动过程，给汽车制动系统的研发提供理论依据，可缩短制动系统的研发周期。

整车制动系统；ABS；Amesim；制动工况；仿真分析

我国汽车保有量位于世界第二位，要在激烈的市场竞争中占有一席之地，拥有自主知识产权，使我国由汽车大国跻身为汽车强国，就必须加大汽车关键部件的自主研发。众所周知，汽车的重中之重是制动的安全性[1]。汽车的制动系统涉及到电磁、液压、机械、控制等多个领域，而AMESim软件能够在一个平台上将诸多个领域的系统建立在一起展示[2-4]。因此，本文基于AMESim 软件平台，建立整车制动系统模型，对在不同制动工况下的汽车制动过程进行仿真。

1 汽车制动系统方案的设计

汽车制动系统的结构示意图如图1所示[5-9]。

图1 汽车制动系统

1.1制动踏板模拟器

本方案中，踏板力与液压制动力之间通过踏板模拟器解耦，踏板模拟器内装有测量踏板位移的位移传感器。本文将制动分为紧急制动、常规制动和轻微制动3种工况，应用场合和特征见表1。将位移传感器测出的位移进行微分，得到踏板运动速度，以此判别出某次制动属于哪种制动工况。

表1 汽车制动工况分类

不同的制动强度与踏板位移的关系如图2所示。由图2可以看出，紧急制动时，制动强度(制动减速度与重力加速度之比)上升最快，其目的是让汽车能够迅速停车；轻微制动时，制动强度上升缓慢，可以给驾驶员更大的调速空间；而常规制动时，制动强度的变化位于紧急制动与轻微制动之间，既可以较快的得到目标制动强度又可以拥有较大的调速空间。最后，踏板模拟器通过踏板位移和踏板速度计算出目标制动强度，并传送给扭矩控制器。控制流程如图3所示。

图2 制动强度与踏板位移的关系

图3 制动踏板模拟器流程图

1.2 ABS控制器

图4 附着系数利用率与滑移率的关系

ABS控制器的作用是通过轮速和车速计算出滑移率并加以对比分析，从而输出控制信号。路面附着系数利用率与车轮滑移率的关系见图4，当滑移率为100%时，车轮被抱死，横向附着系数为0，此时车轮在较小的横向力作用下就会失去稳定性。当滑移率为20%时，纵向附着系数利用率最大，即地面制动力最大。当滑移率为0时，即车轮纯滚动时，纵向附着系数为0，横向附着系数利用率最大，此时汽车最稳定[10]。

因此，本方案中ABS的控制以20%的滑移率为基准，当实际滑移率<20%时，ABS控制器使常开电磁阀5打开、常闭电磁阀4关闭，液压系统增压；当滑移率=20%时，ABS控制器使常开电磁阀5和常闭电磁阀4关闭，液压系统保压；当滑移率﹥20%时，ABS控制器使常开电磁阀5关闭、常闭电磁阀4打开，系统降压[11-15]。

2 系统建模

在Amesim草图模式下，利用机械库、控制库、液压库、气动库和传动系库等库中的元件搭建图5所示的整车制动系统模型。其中的真空助力器、双列双腔制动主缸和制动轮缸是借鉴Amesim帮助里的模板。车身选用简单的车体模型，能提供车体速度和车重等基本参数。车轮模型可提供转矩、转速及路面附着系数等基本信息。本模型中有3个自建模块，分别是踏板、ABS液压系统和ABS控制器。

模型搭建完成后，在子模型模式下选择最优子模型，在参数模式下设置好相应的参数：整车质量为1 430 kg、空气阻力系数为0.45、空气密度为1.22 kg/m3、汽车迎风面积为2.1 m2、车辆重心到前轴的距离为1.05 m、重心到后轴的距离为1.35 m、质心高度为0.578 m、车轮半径为0.3 m、前轮有效半径为0.276 m、后轮有效半径为0.28 m。在运行模式下设置相应的运行参数如运行时间、仿真步长等，最后运行仿真查看所需的变量结果。

图5 整车制动系统模型

3 仿真分析

在所建立的整车制动系统模型基础上，通过合理选择制动工况对整车制动系统进行仿真，根据仿真结果对制动系统的性能进行评价分析，并通过参数匹配和模型修正，实现控制策略的优化。在初始车速为72 km/h、路面附着系数为0.7的情况下，选取制动踏板位移分别为30 mm时轻微制动、40 mm时常规制动、50 mm时紧急制动3种制动工况来验证模型的正确性。

3.1轻微制动

由图2可知，制动踏板位移为30 mm轻微制动时，对应的制动强度为0.21，换算成加速度为-2.06 m/s2。图6的a)、b)、c)、d)分别为车速、前轮轮速、后轮轮速和加速度随时间的变化曲线。

图6 轻微制动仿真结果

从图6中可以看出，最大加速度为-2.06 m/s2左右，与理论计算一致，因为0.21<0.7，轮速能够很好的追随车速，与实际相符。

3.2常规制动

由图2可知，制动踏板位移为40 mm、进行常规制动时，对应的制动强度为0.5，换算成加速度为-4.9 m/s2。图7的a)、b)、c)、d)分别为车速、前轮轮速、后轮轮速和加速度随时间的变化曲线。从图7中可看出，最大加速度值为-4.9 m/s2左右，与理论计算一致，因为0.5<0.7，轮速能够很好的追随车速，与实际相符。

图7 常规制动仿真结果

图8 紧急制动滑移率

3.3紧急制动由图2可知，制动踏板位移为50 mm、进行紧急制动时，对应的制动强度为0.88，换算成加速度为-8.62 m/s2。因为制动强度0.88>0.7，使车轮趋于抱死，此时ABS防抱死系统开始工作，将滑移率保持在20%左右，如图8所示。由图8可看出，后轮先于前轮抱死，保证了车辆的行驶稳定性，此现象与实际相符。图9的a)、b)、c)、d)分别为车速、前轮轮速、后轮轮速和加速度随时间的变化曲线。从图9中可看出，仿真加速度被控制在-6.9 m/s2以内，与理论计算结果一致。

图9 紧急制动仿真结果

4 结语

通过AMESim建立的整车制动系统仿真模型，仿真制动踏板位移分别为30,40,50 mm时，分别进行的轻微制动、常规制动与紧急制动等3种制动工况的制动过程，所得汽车的车速、轮速、加速度和滑移率等与理论计算结果一致。因此，所建制动系统模型可以准确的模拟汽车的制动过程，为汽车性能的研究与改进提供了理论依据，可缩短制动系统的研发周期。

实际车辆在刹车过程中的重心是会往前移的，即前后轮对地面的压力是变化的，本文在建模时忽略了重心转移这个问题，从而使仿真结果与实际存在一些偏差，在待于进一步探讨。

[1]杨武双.基于AMESim的车辆防抱死制动系统的仿真研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[2]陶润，张红，付德春，等.基于AMESim的ABS液压系统的建模与仿真[J].广东交通职业技术学院学报，2010，9(1)：46-48.

[3]刁立福，戴汝泉，张全良.汽车双回路制动系统布置形式研究[J].山东交通学院学报，2006，14(04)：14-16.

[4]邓红星，王宪彬.基于 AMESim 的汽车制动系统性能研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2013，32(5)：1059-1062.

[5]徐国民，马明星，黄锦川，等.基于 AMESim 的汽车液压 ABS 建模与仿真[J].先进制造工艺技术，2011，28(1)：37-42.

[6]李朝禄，郗义举，赵峰.汽车气制动防抱系统控制原理[J].山东交通学院学报，2007, 15(01)： 66-70.

[7]陈晋市，刘昕晖，王同建，等.全液压制动系统的仿真分析与试验[J].吉林大学学报：工学版，2012，42(2)：360-364.

[8]王展.全液压制动系统仿真分析与实验研究[D].长春：吉林大学，2012.

[9]张永杰.地面制动力与滑移率的关系研究[J].山东交通学院学报，1996, 4(4)：7-11.

[10]何渝生.汽车控制理论基础[M].重庆:重庆大学出版社,1995:3-6.

[11]张洪欣.汽车系统动力学[M].上海:同济大学出版社,1996:5-7.

[12]孟嗣宗,崔艳萍.现代汽车防抱制动系统和驱动控制系统[M].北京:北京理工大学出版社,1995:124-139.

[13]司利增.汽车防滑控制系统——ABS和ASR[M].北京:人民交通出版社,1997:53-78.

[14]ABS株式会社.汽车制动防抱制动装置的构造与原理[M].李朝禄,刘荣华,译.北京:机械工业出版社,1995:18-62.

[15]程军.汽车防抱死制动系统的理论与实践[M].北京:北京理工大学出版社,1999:43-78,168-185.

BrakingSystemModelandSimulationBasedonAmesim

WANGQuan，ZHOUFei-hu,YUEHai-Jiao

(SchoolofConstructionMachinery,Chang′anuniversity,Xi′an710064,China)

In this paper, the structure program of the vehicle braking system is designed and its structure and working principle are also described. Based on the Amesim, the vehicle braking system model is established from the pedal, control system, the wheels and to the body. The model is used to simulate the braking process of three braking conditions such as the slight braking, conventional braking and emergency braking when the displacement of the vehicle braking pedal is at 30 mm, 40 mm and 50 mm respectively. The result shows that the result of simulation is consistent with the theoretical calculation and that the braking system model can accurately simulate the vehicle braking process, provide the theoretical basis for the developing the vehicle braking system, and shorten the development period of the braking system.

brake system; ABS; Amesim; braking condition; simulation analysis

杨秀红)

2014-06-11

王 权(1988—)，男，浙江江山人，长安大学硕士研究生，主要研究方向为再生制动系统.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.003

U463.5

A

1672-0032(2014)03-0010-05