（光学工程专业论文）abs液压单元hcu的性能研究及测试设备的开发.pdf

中文摘要 摘要 文章就当今在汽车上应用日益广泛的液压制动防抱死装置( 英文为a n t i l o c k b r a k es y s t e m ，简称a b s ) 系统中的关键执行部件a b s 液压单元f 又称h c u ) 的 性能、测试设备的设计及检测方法，进行了详尽的分析研究，并设计开发出了h c u 测试设备的软、硬件，为分析检测同类产品提供了有效的测试设备和方法。 针对汽车液压制动系统建立了数学模型，这对于模拟研究制动系统中a 3 s h c u 的性能提供了分析判断的依据，为模拟输出装有a b s 的制动系统中的制动分 泵的制动压力与实际测试压力进行比较提供了工具，这样可以在测试设备上更好 地测试出被测h c u 的性能是否满足实际使用要求。 采用v i s u a lb a s i c 编制设计了测试设备的控制软件，该测试设备可以进行a b s h c u 静特性( 密封性、耐压性等) 、动特性( 频率特性等) 以及模拟a b s 工作过程进 行的混合模拟测试，同时还可以进行h c u 总成的寿命( 可靠性) 试验。为验证该设 备的各项功能，并进行分析研究，利用该设备分析检测了国外与国内某厂家的h c u 样件，对于其各项性能进行了比较与研究。 总之，本文从车辆液压制动系统理论模型的建立开始，阐明了h c u 需要检测 的项目，最终完成了h c u 测试设备的制作，并用国内外的h c u 样件进行了设备 各项功能的验证。该a b s 液压单元( h c u ) i 咂! j 试设备的开发成功，对于检测、研究、 开发a b sh c u 产品提供了很好的设备，可以替代价格昂贵的进口设备。 关键词：制动防抱死装置，液压单元，性能，检测试验台 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i s m a n u s c r i p t ，t h et e s t s t a n df o rt h ek e yc o m p o n e n to fa b ss y s t e m ，t h e h y d r a u l i cc o n t r o lu n i t 汹s ok n o w n a sh c u ) i sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h ew h o l e t e s ts t a n d a r di sd e s i g n a t e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt e s ts t a n di sa l s om a d e i t p r o v i d e se f f e c t i v et o o lf o ri n s p e c t i n ga n de x a m i n i n gt h eh c u f i r s t ，t h em a t h e m a t i cm o d e lf o ra u t o m o t i v eh y d r a u l i cb r a k i n gi sb u i l t ，w h i c hi s e f f e c t i v et o o lf o ra n a l y n n gh c uc h a r a c t e r i s t i c s i tc a nc o m p a r et h eh c up r e s s u r e o u t p u to fm o d e la n dt h a to fp r a c t i c a lh y d r a u l i cs y s t e m ，w h i c hc a nv e r i f yw h e t h e rt h e h c uc a nm e e tt h en e e do f ar e a l a b ss y s t e m t h es t a n dp r o g r a mi sm a d eb yv i s u a lb a s i cc o m p u t e rl a n g u a g e i th a sm a n yt e s t f u n c t i o n ss u c ha sh c us t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ( s e a l ，h i g hp r e s s u r e ) ，p e r f o r m a n c e ( d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f r e q u e n c y ) ，a n dh y b d ds i m u l a t i o na b sw i t hr e a lb r a k i n g p r e s s u r ea n dh c ur e l i a b i l i t yf o rh c u i no r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c to ft e s ts t a n d ，t w o k i n d so f h c ua r et e s t e do nt h i ss t a n d t h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e d i ns u m m a r y , t h i sm a n u s c r i p ti n t r o d u c e st h ev e h i c l eb r a k i n gs y s t e mm o d e l ，t h et e s t s t a n d a r d t h em a n u f a c t u r eo ft e s ts t a n d , t h ev e r i f i c a t i o no ft e s ts t a n d t h i ss t a n di so f i m p o r t a n c ef o ri n s p e c t i n gh c u a n dd e v e l o p i n gh c u nc a na l s or e p l a c ee x p e n s i v e i m p o r te q m p m e n tf o rh c u k e y w o r d s ：a b s ，h c u ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t e s ts t a n d i l 绪论 1 绪论 该部分从防抱死制动控制系统( 英文为a n t i l o c kb r a k es y s t e m ，简称a b s ) 的功 能、在汽车上的作用、其主要执行部件一压力调节单元( h c u ) 的组成和检测情况等 进行了说明，提出了本文研究的问题及研究意义。对a b s 国内外的研究现状和 h c u 检测国内外的检测现状作了介绍，并对本文研究的主要内容进行了概要介绍。 1 1 问题的提出及研究意义 传统汽车制动系统的功能是使高速行驶的汽车车轮受到制动力矩的作用而停 止转动，使汽车在短距离内停住。防抱死制动控制系统( 英文为a n t i - l o c kb r a k e s y s t e m ，简称a b s ) 则是在传统制动系统的基础上采用电子控制技术，在制动时防 止车轮抱死的一种机电一体化系统。 它的引入使制动过程中车轮处于非抱死状态，这样不仅可以防止制动过程中 后轮抱死而导致的车辆侧滑甩尾，提高方向稳定性，可减少交通事故约7 ；同时 可以防止前轮抱死而丧失转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯 道制动时的轨迹保持能力；另外，在冰雪或湿滑路面上，可缩短制动距离约 1 0 2 0 ；还有，防止轮胎在路面上抱死“拖胎”，减少轮胎粉尘对大气的污染，延 长轮胎使用寿命6 - 1 0 ，因此a b s 系统是一种有效的车辆制动安全装置。且近年 来我国公路建设速度加快，高等级道路已遍布全国，交通流量和密度增大，交通 事故呈逐年上升趋势，使装a b s 成为了一个紧迫任务，我国的法规也已制定出要 求强制性配置a b s 系统的时间表。a b s 在我国有着广阔的应用前景，市场潜力大。 由于a b s 系统是一项机电一体化的高科技产品，又是安全性能要求很高的制 动部件，其技术难度大。目前国内轿车安装的a b s 产品都是国外品牌的( 或合资公 司生产的，或直接进口的) ，国产品牌正处在发展阶段。 制动防抱死系统主要是由三部分组成：电控单元( e c u ) 、液压控制单元c u ) 和车轮轮速传感器。车轮轮速传感器感知每个车轮的转速并将信号送达e c u ，e c u 根据每个车轮转速传感器信号将控制信号送到h c u ，h c u 根据e c u 的指令进行 压力调节，并控制每一个车轮的液压，从而防止车轮抱死。 a b s 系统性能的优劣、控制效果的好坏，与e c u 的控制逻辑、控制算法密 切相关。但在e c u 性能保证的情况下，h c u 的性能将决定整套a b s 系统的性能。 即e c u 已经发出了正确的控制指令，而h c u 对于指令的执行不彻底或其节奏跟 不上，都将导致e c u 发出的指令执行后，a b s 达不到预期控制的效果，影响制动 安全。为避免制动压力瞬间急剧上升而导致制动力矩过大、车轮抱死，这就要求 重庆大学硕士学位论文 制动压力的增加是阶梯状的，即小步长增压，要完成这一功能，h c u 需要准确、 快速、按时执行指令，才能达到对车辆车轮制动的防抱死要求。而e c u 发出的指 令时间间隔为毫秒级的，这就要求h c u 具有很高的响应频率，其响应时间般在 3 8 m s 之间，也就是说在3 8 m s 之间h c u 中的电磁阀应能完成相应指令( 增压、 保压及减压) 的动作。 h c u 是a b s 压力调节的执行部件，是由增压阀、减压阀、回流泵、阻尼器、 泵电机、低压蓄能器等部件组成。h c u 动作频率的高低，是由h c u 中的高速电 磁开关阀的频响特性决定的。h c u 液路的关闭效果是由其密封性决定的。h c u 长 时间的使用稳定性是由其耐久性决定的。为此h c u 检测项目主要也就是密封性、 动态特性、耐久性等。 目前国内有几家企业正在迸行h c u 的研究与开发。对于国内企业来说，产品 是新的，其性能的分析、性能的检测都需要自主进行。国外对这些技术是作为核 心技术在加以保护，且不作技术转让。不同的a b s 生产企业，其测试设备均为自 行开发研制的，其研究技术及设备并不作为商品来交易，各企业的测试设备都是 不一样的。开发h c u ，相应的检测设备也需要开发制作，而这种设备目前国内尚 无成熟的技术和产品，进口国外的这样一套设备价格昂贵，维护升级也很困难， 为此开发国产的h c u 检测设备已是势在必行，且乃国内开发a b s 的当务之急。 鉴于以上的分析及论述，研制开发具有自主知识产权的h c u 的测试设备，可 以达到如下目的： 分析研究国外同类产品的各项性能，可以通过该设备来检测国外的h c u ， 提高我们对h c u 各项特性的认识，并对理论分析进行验证，提高h c u 的研究水 平。 可以为自行研制开发的h c u 进行各方面研究性的溯试，帮助我们查找开 发中存在的问题，并对产品的任何改进进行测试验证，以保证生产的h c u 能符合 实际使用要求。 本文的研究，为企业自行开发类似的检测设备提供了很好的参考，既拥有 了产品的检测设备，同时又为企业培养了人才。检测设备是自行开发制作的，也 便于维护升级，节约了资金。 h c u 性能的研究，将为a b s 系统的开发奠定坚实的基础，对提高a b s 的研 发水平有很大促进作用，对国内汽车电子控制自主研发也有很大的促进作用。测 试设备的开发将为h c u 的开发和生产提供产品检验设备，并为检测研究国外同类 产品提供试验条件，尽而为提高整套a b s 系统的性能提供有力的支持，使国产a b s 系统尽快批量装车，创造经济效益，扩大市场份额具有重要的意义。 2 1 绪论 1 - 2 国内外研究现状 1 2 1a b s 的国内外研究现状 l 、国内a b s 研究现状 国内a b s 研究始于7 0 年代，但由于受元器件和技术条件等原因的限制而终 止。从8 0 年代中期以后，研究气压a b s 的单位有济南重型汽车研究所、西安华 兴公司和重庆宏安公司等，清华大学于1 9 8 9 年开始研究液压a b s 。目前国内研发 的a b s 系统已处于实际应用阶段，但性能与可靠性方面与国外的a b s 产品仍有一 些差距。 国内较早从事液压a b s 研究的单位是清华大学，其于1 9 9 6 年得到国家“九五” 科技攻关液压a b s 研究项目的资助，并于2 0 0 0 年1 2 月份进行了验收，取得了阶 段性成果。清华大学与“亚太”和“黄海”两家企业共同开发液压a b s 的h c u ，已试 制出了样品；a b s 控制器由清华大学独立完成。项目的目标是在南京依维克车上 进行试验与匹配，目前已作过很多路试，并在进一步作测试匹配。整体水平较高， 在国内位居前列，但未达到批量装车的水平。 徐州中矿大联盟科技公司自行研制开发的a b s 系统在2 0 0 2 年1 0 月已通过中 国轿车质量监督检验中心的检测，并先后通过了尤尼柯、依维柯、英格尔三种车 辆的a b s 安全性能检测试验，整体水平较高，尤其是h c u 的质量较好。 东风汽车研究院也参加了有关a b s 的“九五”攻关研究项目，并独立开发出了 a b s 控制器，其研究水平与清华大学相当，研究的匹配车型主要是轻型车，研究 方案是采用b o s c h5 _ 3 系统作为样品进行仿制，并做了许多实车道路试验，取得了 较好的控制效果。 万向集团技术中心与济南捷特汽车电子技术研究所已进行了多年的合作，主 要是开发液压a b s 。济南捷特汽车电子技术研究所具有较成熟的开发技术，其开 发的气动a b s 系统( “九五”攻关项目) 己成功转化为产品并实现y d , 批量装车。因 而合作进展较快，现已开始在某车型上小批量装车，其采用的h c u 主要是以某品 牌a b s 的h c u 为样件测绘并加以改进制做的，现已进入试装车阶段，但还存在 很多问题需要完善，离量产还有很长的距离。 国内还有许多机构从事液压a b s 系统的研究，北京汽车研究所从1 9 9 6 年测 绘仿制k e l n gh a l s e 的单通道a b s ，即在车辆后轴上安装单通道的a b s ，在b jj e e p 车上进行了试验，2 0 0 0 年取得了阶段性进展，并准备进一步研究与开发。合肥工 业大学在江淮车上开发了液压a b s ，此项目通过了安徽省的省级鉴定。上海交通 大学近几年对a b s 系统也进行了研究，并与上海汇众公司建立了合作关系，拟进 行进一步的开发研究。陕西博华公司也进行液压a b s 系统的开发，正在江淮轻型 车上进行实车匹配。国内还有其他高等院校也在从事a b s 的研究工作。 重庆大学硕士学位论文 国内a b s 研究的基础和差距大致可概述如下： 理论上已开展的研究有：基于多自由度动力学模型与a b s 控制逻辑的仿 真研究和基于相平面分析的状态变量时域轨迹特性法。但这些研究目前只能提供 定性认识。为了进行a b s 与汽车的匹配，开展实时仿真模拟或实时混合控制研究 是十分必要的。 e c u 软件、硬件方面。硬件开发已经起步，做出了一些成果。软件是a b s 的关键技术，国外保密极严，甚至不愿意按正常方式转让。故需要组织国内技术 力量攻关，特别是低附着系数路面的控制规律。 a b s 属于电控系统的高技术产品，为了保证其可靠性和便于维修，必须具 各故障自诊断能力。这方面的研究工作国内已有初步基础，已开发出手持式中文 故障诊断仪。 h c u 是a b s 执行机构的关键部件，工艺要求很高。h c u 动态特性研究和 特性参数测量是重要的研究课题，目前国内缺乏专用的测量装备和仪器仪表。 a b s 中采用了多种传感器，其中以轮速传感器和路面附着性质识别传感器 为主，国内尚没有相应的产品。 2 、国外a b s 研究现状 从第一个车辆防滑专利发表至今，已经历了7 0 年左右的历程。a b s 技术研究 开发和推广应用可概括为三个阶段，即： a b s 控制技术研究阶段，研究a b s 与各种车型和不同路况的匹配： a b s 可靠性和安全性研究阶段； a b s 提高性能价格比阶段，即提高性能、扩大产量降低价格。 1 9 8 0 年左右，欧洲制定了a b s 性能标准e c e r 1 3 附件1 3 ( 关于“带防抱死装 置的车辆的试验要，) ，该标准对a b s 在各荦申路面上的试验结果判定进行了详细的 规定，促进了a b s 技术的发展。 技术上，e c u 普遍采用具有高速处理能力的1 6 位芯片，如：i n t e r m c s 8 0 9 6 系列和m o s t e km k6 8 2 0 0 系列芯片。为了缩短线束，降低成本，有的已采用耐 高温的元器件，将e c u 安装于发动机机罩内。 作为a b s 执行机构的h c u ，般要求1 2 1 5 h z 的工作频率。通用公司开发 了独具特色的高速可逆电机一活塞系统，来代替电磁阀控制管路压力的变化，简 化了结构，降低了成本。 轮速传感器是a b s 实现控制的关键信息源，为提高可靠性和便于安装，新德 柏特海牙公司提出了轴承一体式轮速传感器设计。以前大都采用被动式传感器， 其在低速情况下，信号感应将无法实现。现采用主动式传感器的产品已经很多， 4 1 绪论 其可以检测几乎为o 的速度。 随着a b s 应用的推广，已研究了与汽车型式结构相关的多种特殊技术，例如 己把a b s 和自动力分配、驱动防滑转等结合起来统一控制，并且已有产品供应市 场。 但a b s 仍有某些关键技术未能攻克，例如滑移率、瞬时车速和路面附着系统 的测量等。因此目前普遍采用逻辑门限值控制，即以车轮角加速度和参考滑移率 进行平行控制。为了进一步提高控制精度，国外已经在研究采用基于状态空间法 的最优控制。 目前在国际市场上已经批量供货a b s 的公司主要有b o s c h 、c o n f i n e n t e d t e v e s 、d e l p h i 、t r w 、d e n s o ( 日本电茬) 和w a n d o ( 韩国万都) 等六家。 c o n f i n e n t e dt e v e s ( 大陆公司1 的a b s 出自德国的a f r e dt e v e sg m b h ，在1 9 9 6 年被大陆公司收购，其a b s 产量在全球范围内排名第二。大陆公司生产的a b s 为紧凑型结构，其a b s 没有低压储能器，电机及泵与a b s 集成在一起，价格较低， 可以使a b s 成为汽车的一个标准装置。g o f l 车以1 0 0 k m h 的初速度制动，在装备 a b s 后制动距离在1 0 年内从4 0 m 已缩短达3 0 m 。大陆公司的主要产品是a b s m k 2 0 ，它的模拟化结构使它可以方便地应用，也可方便地配置到其他各种车辆上。 新一代的产品是a b sm k 6 0 ，体积更小、重量更轻。其在国内的合资厂( 上海汽车制 动器厂) 主要生产a b sm k 2 0 ，为s a n t a n a 、p a s s a t b 5 、b u i c k , j e t t a 、a u d i a 6 、夏利、 长安之星等供应，占有国内较大的市场份额。 k e l s e y h a y e s 最初由l u c a s v a r i t y 收购，1 9 9 9 年又被t r w 收购。t r w 在制动 系统的销售中，a b s 占3 7 ，主要供给美国三大汽车公司，欧洲和日本的整车上 也有少量供货。目前的产品是e b c 4 3 0 ，这是1 9 9 6 年开始推出的，可以配备牵引力 控制和后轮动载比例阀功能等。 1 2 2a b sh c u 检测的研究现状 l 、国内检测的研究现状 h c u 各项性能的检测目前主要依靠道路试验进行。为便于问题的分析，其首 先排出e c u 的问题，选用进口的e c u 配装在国产的h c u 上。然后按标准g b l 3 5 9 4 在各种道路上进行试验，根据出现的问题再逐一查找解决。这种检测方法工作量 大，费用高，发现和解决问题速度慢。目前在试验室里进行的检测还基本上是一 片空白。 2 、国外检测的研究现状 国外液压a b s 的批量生产已有近2 0 年的历史，h c u 的各项技术均已很成熟， h c u 从理论模型到各项制造工艺都已稳定，产品质量可靠。其理论上的研究，如 电磁场分析、有限元分析、物理模型的建立等也已很成熟。且随着新技术、新材 重庆大学硕士学位论文 料、新工艺的发展，h c u 的设计制造趋势向重量轻、体积小的方向发展，性能也 在逐步提高，表现在耐压强度、动作频率上等，同时可靠性也在加强。 h c u 的各性能检测在国外已经非常细化，首先在测试设各上进行，然后根据 试验的结果解决完善后在进行路试验证。在实验室里，其能够分别对增压阀、减 压阀、回流泵、阻尼器、泵电机、低压蓄能器等各部件进行相应的检测，如增减 压阀的高速运动特性、噪音等，回流泵的旋转稳定性、在各种压力下的变形量等， 低压储能器的压力特性，h c u 液压回路的流场特性等。国外检测设备完善，对a b s 的开发和匹配设计等已形成很好的保障。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几部分：车辆制动系统模型的建立、h c u 的性 能研究、检测项目的设置、测试设备的设计开发及检测方法、样件测试验证等。 1 、车辆制动系统模型的建立。由于h c u 是液压a b s 系统中的执行元件，而 a b s 安装在车辆的制动系统中，要准确测试h c u 的性能，或判断h c u 是否能适 合a b s 动作时的要求。一种简单直接的方法是装车进行a b s 道路试验，这对于单 件或很少的h c u 来说还可以一试，但对于大量需要检测的h c u 来说，是不可能 的，因而将h c u 进行室内台架测试是最经济的选择。这样，在台架上进行a b sh c u 检测时，就要用到车辆制动系统，而建立其数学模型，用计算机模拟出a b se c u 发出给h c u 的动作信号，使其动作，就势在必行。用数学模型代替实际的车辆制 动系统，模拟出制动控制时的制动压力，该压力可以与实测h c u 输出的制动压力 进行比较，以观察其与理论模型模拟出的压力的吻合情况，这样可以达到道路试 验效果。节约了人力、物力和财力，且大大提高了检测效率。 2 、h c u 的性能及检测原理研究。h c u 是a b s 执行机构的关键部件，工艺要 求很高。h c u 动态特性研究和特性参数决定了h c u 的性能，其好坏将直接影响 a b s 的控制结果。本文将着重对h c u 本身的性能( 密封性、动态响应特性、可靠 性等) 和检测原理进行研究。h c u 密封性试验。由于h c u 为一液压元件，因而 h c u 总成各部件的密封性及耐压性就必须检测。该部分检测项目有总成密封性、 高压密封性、增压阀密封性、减压阀密封性等。h c u 性能试验。这也是h c u 主要的特征。该部分检测项目有频率特性( p w m 试验) 、动特性试验、最小开关特 性试验、响应时间测试、组合工作程序模拟试验、a b s 控制程序组合模拟试验、 柱塞泵压力特性试验、增压阀压力特性试验、减压阀压力特性试验、柱塞泵流量 测试、增压阀流量测试、减压阀流量测试。h c u 可靠性试验。包括电磁阀耐久 性能、柱塞泵耐久性能、增压阀耐久性能、减压阀耐久性能、高压动态强度、常 温耐久性能、高低温耐久性能。 1 绪论 3 、h c u 测试设备的设计开发 h c u 测试设备的设计涉及机械结构和微机控制系统两大部分。其中的机械部 分主要为模拟汽车制动的液压系统。由于制动系统的压力较高，台架能承受的最 高压力须设定为2 5 m p a ，同时由于检测h c u 样件的工作介质为黏度较低的制动液， 低黏度的液体不易达到高的压力，因此，本文拟采用两级压力系统来达到所需压 力。这样有利于减少制动液的损耗，并容易控制和保持制动液的清洁，避免h c u 的堵塞而，影响检测精度。控制部分涉及控制原理、结构、检测设备软件的构成， 软件中试验参数的设置等研究内容。另外，测试设备工作台面的设计布置，需要 有便于操作的按钮、指示仪表，安装样件的夹具等等。 5 、样件测试验证 通过对国内外各一套h c u 样件在台架上的检测分析，以试验数据为依据，分 析了性能的优劣，进一步说明了h c u 测试设备设计开发的必要性，并验证了及检 测方法的正确性。 2 车辆制动系统数学模型的建立 2 车辆制动系统数学模型的建立 制动系统包括两部分，一部分是液压传动，另一部分是制动器。本章将主要 讨论a b s 制动系统液压传动和制动器的数学模型建立，为后续模拟试验h c u 压力 调节的控制软件的编写确定方法。 2 1h c u 液压工作原理 由图2 1 为某液压a b s 制动系统原理图，结合该原理图，将液压控制单元 总成( h c u ) ( 图中0 8 ) 在a b s 工作过程中的增压、减压及保压过程及原理描述如下： 图2 1 液压a b s 制动系统原理图 f i g u r e2 1 p r i n c i p l e d i a g r a m f o r h y d r a u l i c a b s b r a k i n gs y s t e m 9 d b 2 车辆制动系统数学模型的建立 2 车辆制动系统数学模型的建立 制动系统包括两部分，部分是液压传动，另| 部分是制动器。本章将主要 讨论a b s n 动系统液压传动和制动器的数学模型建立，为后续模拟试验h c u 压力 调节的控制软件的编写确定方法。 2 1h c u 液压工作原理 由图2 1 为某液压a b s 制动系统原理图，结合该原理图，将液压控制单元 总成( h c u ) ( 图中0 8 ) 在a b s 工作过程中的增压、减压及保压过程及原理描述如下： 总成( h c u ) ( 图中0 8 ) 在a b s 工作过程中的增压、减压及保压过程及原理描述如下： 图2 1 液压a b s 制动系统原理圈 f i g u r e21p r i n c i p l ed i a g r a mf o rh y d r a u l i ca b sb r a k i n gs y s t e m 9 明 重庆大学硕士学位论文 ( o i 总泵1 ( 主动缸回路) ，0 2 总泵2 ( 随动缸回路) ，0 3 右前轮，0 4 左后轮，0 5 右后 轮，0 6 左前轮，0 7 总泵助力器单元总成，0 8 液压控制单元总成似c u ) ；l 右前轮常 开阀，2 左后轮常开阀，3 右后轮常开阀，4 e 前轮常开阀，5 右前轮常闭阎，6 左后 轮常闭阀，7 右后轮常闭阀，8 左前轮常闭阀，9 双回路液压泵，1 0 直流电机，l l 低 压蓄能器，1 2 高压阻尼器) 以其中的一个制动分泵为例进行说明，当踏下制动踏板，制动液由总泵助力 器单元0 7 经由0 1 、0 2 两条管路流向各制动分泵。制动液经过h c u 单元的右前轮 常开阀l 流往右前轮制动分泵，此时完成右前轮分泵的增压功能。 经a b s 控制单元的控制策略计算判断，若需要该轮分泵的制动压力降低，则 在e c u 控制下发出控制信号，使常开阀1 关闭，同时打开常闭阀5 及回流泵电机， 使制动液压流向低压蓄能器，并经h c u 的回流泵将制动液泵回总泵，以降低右前 轮分泵的制动压力，从而完成减压功能。 根据a b s 制动状态，若该轮的制动压力需要保持，则e c u 发出控制信号， 将常开阀1 关闭( 通电) ，常闭阀5 保持关闭状态( 不通电) ，则右前轮分泵内的制动 液被封住，以保持该分泵的制动压力不变，从而完成保压过程。 2 _ 2 制动系统数学建模方法 制动系统的数学建模方法主要有物理方法、传递函数方法以及试验建模方法。 建模主要针对制动系统的液压传动部分进行。采用m a t l a b s i m u l i n k 进行编程，并 对模型进行试验验证，进行理论模型完善。 2 _ 2 1 物理建模方法 物理建模是针对所要建立模型对象的组成及工作过程的各个环节，根据流体 力学原理建立系统流量压力方程，并用物理公式表述出来。这样，模型的各个参 数物理意义明确。本模型由于考虑的问题比较全面，因而模型与实际系统的误差 就小，这为进一步详细地研究制动系统的性能，特别是含有h c u 的制动系统的特 性具有重要的作用。 图2 1 为应用于轿车的液压a b s 制动系统。由流体力学的原理可知，流过控制 阀口、节流孔与液阻的流量为： 隔 q = 一i a j 掣 式中q 液体流量 o 【- 流量系数 a _ 一阀口通流面积 ( 2 1 ) 2 车辆制动系统数学模型的建立 d 流体密度 p l 一阀口上流压力 p 广阀口下流压力 在动力学控制中，采用p w m 开关阀实现比例控制，则p w m 信号将建立一种近 线性的流量与p w m 信号之间的一种比例关系，也即形成一种等效面积即 a = a o i p m( 2 2 ) 式中a o - - - 阀口最大打开位置 i p w 犷- p w m 信号引进的修正系数，其值在( o ，1 ) 之间。 一个封闭容腔中液体的压力可以表达为 p ：等f g 出 ， 式中v 压力区的( 封闭容腔) 的总容积 e ( t 卜一液体有效弹性模量 q 一液体流量 下面根据图2 1 以及流量压力公式计算制动系统制动力矩。 液压柱塞泵流量 绯2 k ，p p + b p ( 2 4 ) 式中q 口_ - 从液压泵流出流量 k 商的压力与流量特性曲线的斜率 p p 一柱塞泵出口压力 b ，泵压力与流量特性曲线在压力为零时的流量 制动分泵中的容积变化率 茅2 q 2 m q 2 - ( i 。1 ，2 ，3 ，4 )( 2 5 ) 式中卜分别代表四个车轮的制动分泵 d v n d 卜。某个分泵中液体的容积变化率 q 2 i + l 一流入“进液电磁阀”的流量 q 2 r 梳出“出液电磁阀”的流量 贮压容器容积变化率 i 。一( 绯一绯一级一如) ( 2 6 ) q r 一流过第一回路贮能器的流量 重庆大学硕士学位论文 同 q 。一流过第二回路贮能器的流量 o b 一流过减压阀的流量 管路e p 的容积变化率 第一回路 警= + g q l q 3 式中 q f 。一流入主缸第一回路的流量 0 1 、q 3 _ 流入第一回路中两个迸液电磁阀的流量 第二回路 鲁= + 绋一q 5 一q 7 式中 o r d _ 流入主缸第二回路的流量 0 5 、q 广流入第二回路中两个进液电磁阀的流量 制动主缸踏板位置 x d = ( q p p + q 0 ap 式中x 广制动踏板位置 a p 喵0 动主缸活塞面积 贮能器能量( 势能) 变化率 _ 矿2 一i 矿p ， 式中 e x _ 一贮能器能量 制动主缸中的压力 p e d = ( p a 一后口x d ) ，4 p 式中 p p d _ 制动主缸中压力 p 一0 动踏板力 k 。r 制动主缸中回位弹簧刚度 第一、二回路中的管路压力 第一回路p ，= e k 第二回路p 。= e k ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) r 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中 v l o 、v 2 0 - 一初始的第一、二回路中的液体容积，一般与管路容积相 p f 、p r 第一、二回路中的管路压力 贮能器中的压力 2 车辆制动系统数学模型的建立 贮能器压力由气体的压缩形成，由气体状态方程可得 p p ：m 譬 ( 2 1 4 ) rx f t = 二一 (215)m c ， 、 m o = p 。o 圪o r r o ( 2 1 6 ) 式中m 气体质量 p p 0 初始贮能器气体压力 v ；旷砌始气体体积 v 厂气体体积 r 气体常量 t - 气体绝对湿度 t 旷_ 初始气体绝对温度s m 砌始气体质量 p 口_ 一贮能器中气体压力 制动分泵中的压力 首先求制动分泵中的压力，由试验数据可以拟合压力与容积之间成为一个三 次代数多项式，即 n = g 1 + a 2 + 码。 ( 2 1 7 ) i = l ，2 ，3 ，4 分别代表四个制动分泵 式中a 1 、a 2 、a 3 寸烈合系数，由试验数据拟合而得 p r 制动分泵中的压力 v 。广希4 动分泵中的液体容积 将上i 茚塞些式子联立成为一阶线性方程组，采用数值微分就可以解出最终的 制动压力。在这一系统中，即采用了数学建模的方法，如流量压力的计算，同时 也采用了实验建模的方法，如制动分泵压力的计算。 2 2 2 制动系统传递函数建模方法 传递函数的建模，相对物理建模方法来说，比较简单。它主要是通过实验数 据拟合一、二阶模型的系统参数，将制动分泵的压力升高过程假定为一阶积分环 节，通过部分试验确定相关参数，该方法考虑的参数相对较少，所建模型实时， 能够满足制动系统实时性的要求。从工程实用观点，需要的常是一个足以反映系 统本质的尽可能简单的模型，因此要在模型的简单性和精确性之间寻求工程上的 重庆大学硕士学位论文 折衷方案，这要求作出合理的假设，以简化模型的结构，因此对制动分泵系统的 建模则采用一、二阶系统来近似。在实际应用中，经典的方法常用阶跃响应法和 频率响应法，阶跃响应法试验简单，且与动态响应曲线相一致，故采用阶跃响应 法。 首先考虑制动系统为一个带迟滞的一阶系统，其传递函数为： g = 篙( 2 1 8 1 ) 嚣+ 式中g r 一系统的传递函数 卜系统的迟滞时间常数 t - - 系统的时间常数 k 一系统的比例( 放大) 系数 为计算方便，一阶系统的微分表达式为： r 等+ p = k p f ( t f ) ( 2 1 9 ) 式中 p 一制动系统的输出压力，一般是制动分泵腔内的压力 t - 一时间 l ( 一系统增益，也即系统的饱和压力 p i 啼0 动系统的单位输入压力 f 一系统滞后时间常数 在一般的制动动态过程中，这一模拟可以将系统的动态特性反映出来，只是 系统的高频特性有所损失，这一模型有待于今后做更迸一步的完善。 两种建模方法各有特点，物理建模参数的物理意义明确，但公式比较复杂， 有些参数数值不易确定。传递函数的建模比较实用、简单，适合于实时模拟系统， 通过实验数据拟合、二阶模型的系统参数，这样就可以很好地模拟制动系统： 缺点是模型粗糙，与实际情况相比，误差较大。应根据应用对象选用不同的方法。 本文采用的传递函数建模方法，其中结合少部分试验，以确定修正参数，以使模 型准确地反映实际情况。 2 3 制动器建模 制动时首先要克服制动器及制动缸中的弹簧回位力，假定克服弹簧力所需压力 为p m ，则相应制动力矩可以表达为： o b 仉，；嚣 偿2 。，5 b 仉) ；一暴o q 。2 0 ) 1 4 2 车辆制动系统数学模型的建立 式中 k 一0 动器制动因数 m 厂制动器制动力矩 制动因数是由制动器的结构参数及使用工况所决定的，它不是一个常数，而 是与温度有关的函数。而对温度影响最大的又是车辆速度，可用一个速度的二次 多项式来表达。 k t , = 墨+ 世2 v + k 3 - 矿2 ( 2 2 1 ) 式中：k l 、k 2 、k 3 为多项式拟合系数，通过试验数据可求得这些系数。 如果制动时制动系统的压力状态不变的话，即制动系统直处于压力增加状 态，直到制动缸达到最大的制动压力，仅用式( 2 2 0 ) 计算制动力矩就可以了。然而 对防抱系统来说，压力状态一直处于不断的变化之中，这时制动力的计算要考虑 制动器的滞后，它是由制动器间隙、克服系统摩擦力所引起的。制动力增加或减 少，其滞后效应是不同的，图2 2 为一个滞后效果图。 图2 2 制动器滞后 f i g u r e2 2 2 b r a k ed r a g g i n ge f f e c t 为描述这一滞后效应，应已知在特定的压力点p o 处的系统滞后为a p 0 ，相应的 滞后制动液压切换应满足下列条件 卸声面a p 0 p 肇砷未p 由增压切换为减压 由减压切换为增压 ( 2 2 2 ) f 2 2 3 ) 2 4 制动系统m a t l a b s i m u l i n k 模型 图2 3 所示，采用m a t l a b s i m u l i n k 编制的含有a b sh c u 车辆制动系统模型， 图的下半部分为a b s 起作用的情况下，制动分泵模拟压力输出。 重庆大学硕士学位论文 图2 3 包含有h c u 阀的制动系统m a t l a b s i m u l i n k ；漠型 f i g u e2 3m a t l a b s i m u l i n km o d e l i n go f b r a k i n gs y s t e mi n c l u d i n gh c u v a l v e 2 4 1 模型分析 首先分析制动器模型的增压、减压和保压时的制动压力( 力矩) 的计算模拟方 法，在制动过程中，制动压力是变化的，在每一个循环步长( 实际在线模拟时为采 样时间) 内，采用标准的一阶模型来分析，将式2 1 9 做一阶差分，得到下列方程： 增压时，即电磁阀信号为0 时， a p = 一p k ( i 一1 ) t 2 + p p 0 t 2 ( 2 2 4 ) 式中， a p ： 为一个循环步长的制动压力变化量 p k f i 一1 ) ：上一循环的压力值 t 2 ：制动器滞后常数( 系数) p p 0 ：制动系数额定压力值 减压时，电磁阀信号为3 时，每个循环步长的压力变化率a p ： a p = p k ( i 一1 ) t 2 - p k ( i - i ) ( t 2 2 ) r 2 2 5 ) 式中各变量的意义同( 2 2 4 ) 式。 保压时，电磁阀信号为1 时，a p = 0 ( 2 2 6 ) 由压力的变化量，最终求得的压力为： p k ( d = p k ( i 一1 ) + a p x d t( 2 2 7 ) 式中，p k ( i ) ：当前时刻的制动压力 p k ( i 1 1 ：前一时刻的制动压力 1 6 2 车辆制动系统数学模型的建立 a p ：压力变化量 d t ：模拟运行的时间步长( 0 0 0 5 秒) 制动压力求出来后，与各制动器相应的制动因数相乘，即可得出制动力矩。 m w = p k ( i ) k t( 2 2 8 ) 式中，m w ：制动力矩n m p k ( i ) ：制动压力b a r k t ： 制动器制动因数( 0 2 ) 制动因数在制动过程中是变化的，且是非线性的。为了简化模型，本程序将 其设定为定值。 图2 4h c u 阀的制动系统m a t l a b s i m u l i n k 模型 r i g u e2 4 m a t l a b s i m u l i n km o d e l i n go f h c uv a l v eb r a k i n gs y s t e m 2 4 2m a t l a b s i m i i i n k 的程序实现 将上面的模型通过s i m u l i n k 建模来实现，并给出输出所需的信号，图2 3 为模型。本模块的阀信号由s t a t e f l o w 编制的子模块( 图2 4 ) 来模拟输出，有规律的 输出0 、i 、3 三种数值，分别使h c u 完成制动分泵的增压、保压及减压的功能。 由前面的计算公式( 2 2 4 ) 至( 2 2 8 ) ，用s i m u l i n k 模块来搭建模型，最终输出制动 力矩。 首先对输入的阀信号进行处理，因为输入的阀信号只有o ( 代表增压) 、1 ( 代表 保压) 、3 ( 代表减压) - - 种状态，为了将这三种状态进行区别，并能利用信号通路库 ( s i g n a lr o u t i n g ) 中的多项开关( m u l t i p o r ts w i t c h ) 对阀的三种状态进行区分， 将阀信号通过普通函数表达式u + l 进行转换，则三种状态转换后的数值分别为：l ， 2 ，4 。再通过饱和模块处理，最终将阀的三种状态0 ，1 ，3 转换为l ，2 ，3 ，这样 重庆大学硕士学位论文 就可以利用多项开关来模拟输出阀在不同状态下的压力变化率。 当多项开关输入控制值为1 时( 此时输入的阀信号为o ) ，则为增压状态，其压 力变化率用式( 2 2 4 ) 来计算，即增压状态；当多项开关输入控制值为2 时( 此时输入 的阀信号为1 ) ，则为保压状态，压力变化率为o ( 式( 2 2 6 ) ：当多项开关输入控制值 为3 时f 此时输入的阀信号3 为减压状态) ，其函数计算公式为式( 2 2 5 ) 。求出各种 状态下的压力变化率之后，再乘以时间步长d t ，该时间步长用当前时钟值与上一 个循环时间结束值之差即为时间变化量。 在这一步中用到了3 个s i m u l i n k 模块，即源库( s o u r c e s ) 中的c l o c k 模 块、数学操作库( m a t ho p e r a t i o n s ) 的“s u m ”模块、不连续库( d i s c r e t e ) 的 m e m o r y 模块。其中“s u m ”模块可以通过双击来进行编辑，“m e m o r y ”模块通过双 击来设置初始值。本程序中，将初始值设置为0 0 0 5 秒以便时间从0 秒开始模拟时， 就有一个差值。这样求得的压力变化之后，与前模拟时间的压力值之和，即得 出了制动系统的