（光学工程专业论文）汽车防抱死制动系统动态模拟仿真研究.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 a b s 系统作为一种辅助的制动系统在汽车紧急制动时可防止车轮抱死， 保证车辆在制动时的侧向稳定性和转向操纵性，同时还可在大多数路面条件下 获得最短的制动距离。目前，a b s 的应用越来越广泛，许多生产厂家也正在 开发新一代的a b s 产品。在a b s 产品开发过程中，对新产品的试验是一个重 要阶段。a b s 的试验费时、费力又需要大量的经费，同时a b s 的试验需要专 门的试验场地，因此又受到试验条件的制约。本文在应用计算机技术的基础上， 以装备a b s 的车辆的制动性能为研究对象，对a b s 系统进行了模拟仿真。实 现了a b s 系统车辆的计算模拟试验。 本文重点针对中型汽车建立了汽车整车运动模型、制动系统模型、车轮 轮胎模型以及a b s 的逻辑控制模型。在此基础上，在w i n d o w s 平台上利用 v i s u a lb a s i c 6 0 程序设计语言开发了双参数a b s 动态模拟仿真系统。通过模 拟结果与实车的试验结果的对比分析，证明了利用该系统可部分的取代a b s 产品开发过程中的试验，具有一定的实际应用价值。 关键词：a b s模拟仿真软件系统 长安大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ea n t i l o c kb r a k es y s t e mf a b s ) a sa l la u x i l i a r yb r a k es y s t e mc a r la v o i dt h e t i r el o c k i n ga n de n s u r et h el a t e r a ls t a b i l i t ya n d t u r n i n gs t e e r i n ga tt h et i m eo f b r a k i n g w h e nt h ev e h i c l eu r g e n tb r a k i n g b e s i d e si tc a nm a k et h ev e h i c l ea c h i e v et h e m i n i m u mb r a k ed i s t a n c eo nm o s to ft h er o a d n o wt h ea b si su s e dm o r ea n dm o r e w i d e l ya n dm a n ym a n u f a c t u r e r sa r ed e v e l o p i n gt h en e wa b s d u r i n gd e v e l o p i n g t h en e w p r o d u c t t e s ti st h em o s t i m p o r t a n tp h a s e n l e t e s to ft h ea b s i sl a b o r i o u s a n d e x p e n s i v ea n d n e e d sm o r et i m ea n dt h es p e c i a lf i e l d s oi ti sl i m i t e d b y t h et e s t s c o n d i t i o n n l i st h e s i st a k et h ev e h i c l e e q u i p p e da b sa s r e s e a r c h o b j e c t a n d s i m u l a t e st h ea b sb a s e do nt h ec o m p u t e r t e c h n i q u e i tr e a l i z e st h es t i m u l a n tt e s to f t h ev e h i c l ee q u i p p e dt h ea b s ， t h et h e s i sb u i l d sm o v i n gm o d e lo ft h ev e h i c l e ，b r a k es y s t e mm o d e l ，t h et i r e m o d e la n dt h el o g i cc o n t r o lm o d e lo fa b sa i m e da tt h em e d i u m s i z e dv e h i c l e b a s e da b o v ei tu s e st h ev i s u a lb a s i c 6 0o nt h ew i n d o w s p l a td e v e l o pt h ed o u b l e p a r a m e t e r sa b sd y n a m i cs i m u l a t i o na n de m u l a t o r b yc o n t r a s t i n gt h es t i m u l a n t r e s u l tt ot h et e s tr e s u l ti ti st e s t i f i e dt os u b s t i t u t et h et e s tp h a s ep a r t l y d u r i n gt h e p r o d u c td e v e l o p m e n t a n dt ob eo fv a l u a b l ea n d p r a c t i c a l k e y w o r d s ：a b ss i m u l a t i o n s o f t w a r es y s t e m 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1a b s 的使用现状 随着我国经济建设的发展，我国的道路设施建设也取得了令人满意的成果。 路面条件的日益改善，汽车平均行驶速度也逐渐提高，加之全国各地的汽车专用 路和高速公路通车里程的迅速延伸，使得汽车的高速行驶环境逐步形成。车辆速 度的提高对汽车的制动性能提出了更高的要求。汽车安全性研究资料表明4 0 的 道路交通事故与汽车的制动性能有关，其中1 0 雕j 道路交通事故是因汽车高速行 驶或在不良路面上行驶进行紧急制动，车轮抱死而发生侧滑或跑偏，使汽车失去 操纵性和稳定性引起的。a b s 系统做为一种辅助的制动系统在汽车紧急制动时可 防止车轮抱死，保证车辆制动时的稳定性和转向操纵性，还可在大多数路面条件 下获得最短的制动距离，从而使汽车的主动安全性达到一个新水平。 随着a b s 技术的发展与成熟以及对汽车行驶性能要求的提高，在8 0 年代后 期还只是少数汽车选择装备的a b s ，在进入9 0 年代以后得到了迅速的普及。在 国外，1 9 9 0 年生产的轿车和轻型货车中已经有2 5 将a b s 作为标准装备或选择装 备，到1 9 9 4 年这个数字已经超过5 0 。目前，a b s 的应用已经相当普遍，在国外 生产的轿车和轻型货车上已经有9 0 9 6 以上将a b s 系统作为标准装备或者选择装 备，尤其是重型汽车和大客车在欧洲和美国法规要求下其装备率已达1 0 0 。在 国内，我国政府对a b s 技术的研制也极为重视，也正在加大对a b s 系统的开发和 研究力度，制定了g b l 3 5 9 4 9 2 国家标准，很大程度地推动了我国科技界对a b s 研究的前进步伐，从而在国内应运而生了各种结构的a b s 系统。根据全国汽车发 展的趋势，预计在本世纪初我国轿车的a b s 的装车率将达4 0 ，轻型车、微型车 可达3 0 ，a b s 装置在我国的发展和应用将会有更加广泛的前景。 1 - 2 研究现状 以往国内对a b s 系统的研究大多集中在对国外的较成熟的a b s 产品进行介 绍和实际的装车研究应用方面。目前，我国加大了对a b s 产品研发的力度，一些 1 长安大学硕士学位论文 国内的a b s 产品相继问世并进行了装车试用。现在，a b s 技术已趋于成熟，对a b s 的研究和开发的焦点也逐渐集中在对a b s 系统进行进一步的改进，使其功能进一 步的可靠和完善，体积进一步缩小，更安全更实用方面。因此，许多功能更新更 可靠更完善的a b s 产品正在进一步开发和研制中。 在a b s 系统的模拟仿真方面，对车辆动力学系统进行模拟经历了较长的发 展时期，在早期主要用于分析而不是用于设计新产品。现在，车辆动力学系统已 经开始应用于车辆控制系统的设计，系统的建模采用诸如a d a m s 等常用的动力学 建模软件或使用c 语言等软件编程来实现。在a b s 系统的研制过程中，例如a b s 电磁阀的设计，特别是在一些控制理论的研究过程中，比如，最佳滑移率的控制、 轮速以及汽车加速度算法的实现等方面，设计者根据设计理论编写程序并在计算 机上进行模拟仿真，获得一定的性能曲线，继而和实际的试验曲线相对比，以此 来验证a b s 控制理论以及算法的正确性、精确性以及可靠性。另外，还有研究是 针对各个参数系统的a b s 进行模拟仿真研究并对结果进行对比分析，从而获得最 佳参数系统的a b s 。以上这些基本上都是在a b s 系统的研制和开发过程中，对a b s 的个别功能部分进行的模拟。而将a b s 系统和汽车的原制动系统以及汽车作为一 个整体进行研究并进行模拟仿真相对较少。因此，本文借助于前人研究的基础和 经验，将汽车以及汽车的制动系统做为一个整体进行的研究，对a b s 系统的工作 过程进行模拟仿真，借助于计算机来模拟a b s 系统在实际的试验过程中的一些性 能，并获取一定的数据及性能曲线。 1 3 研究的目的 在新产品的开发和研制过程中，试验是一个重要阶段。新的产品性能到底 怎样要通过一系列的科学的试验来验证。通过试验测得各种性能数据再反馈到产 品的开发中，然后对a b s 的各项参数进行进一步的调整，就这样通过产品开发一 试验一改进这一系列反复的循环，最终才能开发出性能可靠的a b s 产品。 对a b s 试验需要专门的试验场地和路面，更需要投入大量的人力和物力， 这无一不需要投入很大的资金，更增加了产品开发中的经费支出，同时多次的试 验要耗费大量的时间这也增加了产品开发的周期。基于以上情况本研究将a b s 系 2 长安大学硕士学位论文 统和汽车及其整个制动系统合成一个整体进行动态的模拟仿真，将制动中a b s 的 整个工作过程及汽车的运动状态的变化在计算机上进行比较直观的描述，以期达 到以下研究目的： 1 、部分的取代试验，以减少a b s 系统在产品开发中的试验阶段的劳动 量和经费支出。 在新产品开发过程中，将模拟程序中的a b s 参数改变为新产品的系统参数， 通过运行程序即可获得该产品的部分性能曲线，得知并预测该产品在实际装车试 验的情况，简单明了，减少了大量的人力、物力和财力。 2 、解决试验场地问题。 a b s 试验需要专门的试验场地，在国内专门用来做a b s 试验的场地很少。在 一般的试验过程中，试验工作人员要专门的人为的制造高附着系数路面、低附着 系数路面、对开路面等路面，这些增加了试验的工作量和试验的难度。在程序中 编制了模仿各种路面的程序语言，通过程序仿真可得知a b s 系统在各种路面上工 作情况以及汽车的整个运动情况，部分的解决了试验场地问题，同时也减少了工 作量。 3 、节约试验时间，缩短产品开发的周期。 该模拟程序部分的取代了产品开发中的装车试验，在节省人力、物力和财力 的同时也减少了产品试验阶段所需要的时间，这样缩短了产品开发的周期，同时 为a b s 研制开发的其它阶段省出了时间，以便于广大科研工作者将时间和主要精 力放在产品开发的其它阶段。 4 、为在a b s 系统基础上开发的其它电子控制系统的开发研制以及模拟仿真 打下基础。 目前，在a b s 系统的基础上正逐步开发研制e b s 系统、v d c 系统。本研究为 进一步进行这些系统的模拟仿真奠定了基础。在本研究的基础上进行进一步的开 发可以获得e b s 、v d c 等系统的模拟仿真程序，从而为这些系统的开发和研制提 供依据。 1 4 本研究的特点 长安大学硕士学位论文 1 、建立了汽车整车的运动模型，对轮胎的模型进行了选择，建立了包括a b s 系统在内的汽车整车制动系统模型。 2 、用v i s u a lb a s i c 语言对制动中整车的运动状态及各项参数进行仿真。 对制动时车轮的滑移率、轮速、车速的变化以及制动气室的气压变化等参数的变 化情况进行了直观的描述。 3 、本研究主要适用于中型车辆的气压制动a b s 系统。 长安大学硕士学位论文 第二章a b s 模拟仿真模型的研究 建立合理、准确、适用的数学模型是进行计算机仿真的关键。在本章通过 对车辆的力学分析来建立车辆的动力学模型。此外，还建立了轮胎模型，并对a b s 的逻辑控制模型进行了研究。 2 1 汽车整车运动模型的建立 在本节中将四轮车辆的左右两轮合并为一个车轮，考虑车轮滚动阻力及车 辆风阻，建立一个两轮车的模型，以此模型来研究车辆制动时的动力学问题。车 辆在制动过程中受力简图如图2 1 所示。在建立制动过程数学模型之前我们做以 下几点假设； 1 ) 不考虑车辆的横向运动 2 ) 忽略空气阻力矩 3 ) 轮胎不因制动而变形 4 ) 整车重心位置不因悬架变形而改变 根据车辆在制动过程的受力分析，运用牛顿力学可以得到以下运动模型关 系式： 前轴：一心= l p l + 鸩。一吃，r 后轴：以也= 2 巳+ 虬：一匕2 月 前轮对地面的正压力 n 1 = = 9 8 u g , - k g , ( l , , - l , o ) - c 。g , v , , c o s 一，ms 证铭 后轮对地面的正压力 n ：! ：! 丝2 二堡! 生z = 生q 2 二垒坠2 c o s e 6 一y d l s m 8 g 兰茎查茎堡主兰垡堡奎 一 l 1 c j ，一” 占 l j j 8形孓 乡 一 h i n ： 一 l 口 fv 芸 j 小 狳 口” 乡 一十= f 1 n j l 、弋j _ 丌1 1 f | | j 矗| | 长安大学硕士学位论文 车辆减速度 古：一互出墨出生2 1 丘銎墨 m 6 汽车萤心垂直位移加速度 = 学 车体俯仰角加速度 院：塑坠型k 丛虹堡嘻坐竖垫堕型妞立 g 以上公式中所用到的其它变量的计算如下： l d = a c o s 一( ) ，g as i n 先一r ) t g 如 丘2 = b c o s 0 g 一( y 64 - b s i n o a r ) t g o a t 1 = ( 虼一r ) s e e 岛一z , t g 铅 t 2 = ( y 6 一, r ) s e c 铭+ 三2 辔铭 = 儿s e c + 晚( y g r ) s e e 8 a 培一如厶s e e 2 目g t l = 多gs c c 铭+ 色( 比一r ) s e c o o 僖如+ 晚l 2s e c 2 0 g 式中，以前轴转动惯量( 堙m ：) 卜后轴转动惯量( 培m 2 ) ，g汽车转动惯量( 七g 卅2 ) 磁厂乾车质量( k g ) k g - 悬架刚度( n m ) c g _ 悬架阻尼( n s m ) m r 制动器制动力矩叫m ) v - _ 车速( m s ) v 卜悬架变形速率( m s ) l 矿制动前汽车重心到车轴水平面的距离( m ) f 广车辆风阻0 田 长安大学硬士学位论文 0 o - 一军体纵同转角( t a d ) r 车轮滚动半径( m ) f o 厂一地面作用于车轮的切向力( n ) a 车体水平位置时重心距前轴距离( m ) 良车体水平位置时重心距后轴距离( m ) 2 2 制动系统模型 该模型的建立是以制动管路模型为主干，采用特征线分析法，以制动阀、 继动阀、制动气室等气动元件作为边界，用工程热力学、气体动力学理论推出， 而后用匀熵修正理论处理。该模型能较全面地反映系统中结构参数对系统静、 动特性的影响。其计算模型如下： 奶= 嘲。+ 幽， 一吉已。心t 荡省“”“喁记( p 2 锄枷) 嘲s2 一贯1 三q 墨扩嘲死记( p s 勿， o 6 ，车轮角减速度控制下门限，b i - j ，使我在将来的工作和学 - - jc p 更加奋发努力。在此，向魏朗老师表示我最诚挚 的谢意。 在论文的撰写过程中研究生部的领导和老师们在工作、学习以及生活等方 面给予了我很大的支持，在此，对研究生部的各位领导和老师也表示我衷心的感 谢。 长安大学硕士学钽论文 参考文献 1 陈荫三，冯进，魏朗科学技术报告大客车和货车制动防抱死系统动 态模拟西安公路学院科研处，1 9 8 8 2 程军汽车防抱死制动系统的理论与实践北京；北京理工大学出版社， 1 9 9 9 3 邹长庚等现代汽车电子控制系统北京：北京理工大学出版社，1 9 9 7 4 魏朗用于汽车气制动传动系统动特性数字仿真研究的计算模型汽车运输研 究1 9 8 7 ( 2 ) 5 。( 美) l 鲁道夫编，张蔚林、陈名智译汽车制动系统分析与设计北京：机械 工业出版社1 9 8 5 6 日本z 一匕一z7 - 株式会社编，自勤卓用a b so 研究柬京：山海堂 1 9 9 3 7 庄继德，汽车轮胎学北京：北京理工大学出版社1 9 9 6 2 8 ( 美) l 埃克霍恩等著，叶淑贞、管山等译汽车制动系统北京：机 械工业出版社1 9 9 8 8 9 ( 德) 米奇克著，陈荫三译汽车动力学北京：人民交通出版社1 9 9 2 3 1 0 司利增汽车计算机控制北京：人民交通出版社2 0 0 0 ，2 1 1 项承寨，夏群生，何乐a b s 控制量的计算研究汽车技术2 0 0 1 ( 1 ) 1 2 程军防抱制动系统不同控帝8 方法的模拟研究汽车技术1 9 9 9 8 1 3 刘训忠，王一玲，夏群生汽车防抱死制动系统( a b s ) 轮速算法研究汽 车技术2 0 0 0 ( 1 ) 1 4 王敬之a b s 系统的现状和发展客车技术与研究1 9 9 3 1 1 5 陈荫三用于制动过程模拟的载重汽车轮胎计算模型西安公路学院学 报1 9 8 4 6 1 6 曾云声汽车气压制动a b s 的安装与使用客车技术与研究1 9 9 5 ( 1 ) 1 7 杨晓建，何玉军制动防抱死系统应用研究汽车工程1 9 9 9 ( 2 ) 1 8 刘庆和，贾铭新双