毕业论文-基于AMESIM的汽车液压ABS建模与仿真.doc

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书基于AMESIM的汽车液压ABS建模与仿真机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017 年 6月基于AMESIM的汽车液压ABS建模与仿真摘要在掌握、分析汽车ABS系统结构和工作原理的前提下，利用多学科领域复杂系统建模仿真平台-LMS Imagine.Lab AMESIM软件建立关于汽车液压ABS模型，此液压ABS模型包含了电磁阀、液压调节器、制动主缸和制动轮缸在内的多个元件；应用这个模型对汽车的正常制动、常加常减压制动、阶梯加减压制动等工况进行仿真，并分析关于制动主缸、制动主缸等元件的仿真结果。通过观察正常制动工况下制动轮缸的仿真结果得出制动轮缸在制动加压时制动所能达到的最大压力、制动减压时所能达到小的压力；用常加常减压制动、阶梯加减压制动仿真结果的最大与最小压力与正常制动的结果做对比，证明所搭建模型的可行性。改变模型的主要参数，探究这些参数对ABS系统的影响并通过对比得出较优的参数。经过计算得出汽车在附着力系数较大的干路面及附着力系数较小冰雪路面上制动时制动器制动力小于路面的附着力，验证在阶梯加减压制动工况下，仿真出的制动轮缸的最大压力、最小压力是正确的；通过搭建整车模型进一步验证仿真结果的准确性。此毕业设计可以为制动轮缸压力的精细调节和ABS的精确理论建模提供重要的理论依据。关键词：建模，仿真，ABS，液压调节系统，参数优化Modeling and Simulation of vehicle hydraulic ABS based on AMESIMAbstract In the premise of understanding and analyzing the ABS system structure and working principle, the use of multidisciplinary field of complex system simulation platform -LMS Imagine.Lab AMESIM software to establish a hydraulic model of ABS, the hydraulic model of ABS consists of several components of the solenoid valve, hydraulic regulator, brake master cylinder and wheel brake cylinder, the application of this model; the normal brake, the car often vacuum brake, step decompression braking simulation, and analyze the simulation results on the brake master cylinder, brake master cylinder etc. Through the observation under normal braking condition on the brake wheel cylinder, simulation results can be achieved by small pressure, the maximum pressure can reach the brake pressure of brake decompression; often used with constant decompression, decompression ladder brake braking simulation results of the maximum and minimum pressure and normal braking results, prove the feasibility build model. Change the main parameters of the model, explore the impact of these parameters on the ABS system, and get the better parameters through comparison. By the calculation of automobile brake in the road adhesion coefficient of the surface and the adhesion coefficient on the ice and snow road braking force is less than the adhesion, verification in ladder decompression under braking condition, the maximum pressure, brake wheel cylinder simulation of the minimum pressure is correct.Further verify the accuracy of simulation results by building the vehicle model.This graduation project can provide important theoretical basis for the fine regulation of brake wheel cylinder pressure and the accurate theoretical modeling of ABS.Key words: modeling,simulation, ABS, hydraulic regulation system, parameter optimization目录1 引言11.1 ABS的重要性11.2 ABS的发展及研究现状11.2.1 ABS的发展11.2.2 ABS研究现状21.3 选题的依据及主要工作21.3.1 选题依据21.3.2 主要工作31.4 本章小结32 ABS系统的组成及原理42.1 ABS的组成42.2 ABS液压调节器的结构42.3 ABS的工作原理52.4 本章小结63 仿真73.1 主要元件的数学模型73.1.1 双腔串联式主缸的模型73.1.2 制动轮缸的模型73.2 基于AMESIM的液压ABS模型73.2.1 在AMESIM中建模的步骤83.2.2 制动主缸模型83.2.3 制动轮缸模型93.2.4 控制信号93.2.5 液压ABS模型93.3 进行仿真133.3.1 基于AMESIM的ABS仿真的参数设置133.3.2 正常制动的仿真13第 页 共 页3.3.3 常加、常减压制动的仿真143.3.4 阶梯加、减压制动的仿真163.4 主要元件类型及主要参数对系统的影响183.4.1 体积弹性模量、绝对粘度对ABS系统的影响183.4.2 制动液温度对ABS系统的影响203.4.3 节流阀的最大等效孔径、最大流量系数对ABS系统的影响213.4.4 回油泵排量对ABS系统的影响223.4.5 储能器活塞直径对ABS系统的影响243.4.6 制动轮缸直径对ABS系统的影响253.5 本章小结：274 验证模型的正确性284.1 通过计算验证284.1.1 路面制动力、制动器制动力和路面附着力之间的关系：284.1.2 滑移率和附着力系数294.1.3 ABS液压调节系统在整车上的验证294.1.4 仿真结果验证304.2 通过整车模型验证304.2.1 整车模型304.2.2 制动系统314.2.3 仿真324.3 本章小结：345 结论与展望365.1 结论365.2 展望36参考文献38致谢40第 页 共 页1 引言1.1 ABS的重要性 汽车防抱死制动系统（Anti-ock Braking System通常简称ABS），是汽车工程师为了能充分利用制动过程中路面的附着系数和避免汽车制动时因抱死滑移而产生危险工况所研发的汽车制动附加装置1。近年来随着汽车工业的迅猛发展，汽车厂商及用户开始越来越注重汽车的安全性，然而ABS又是汽车主动安全的重要领域。ABS系统的主要作用在于最大程度的发掘轮胎与轮胎接触的地面之间潜在者的附着力、尽最大的可能提高汽车的制动性能，并以此来满足对汽车制动性的要求。这是汽车厂商一直以来努力的方向及汽车用户一直以来追求的目标。 1.2 ABS的发展及研究现状1.2.1 ABS的发展虽然ABS的相关理论基础确立得比较早，但是由于相关的工业及制造水平的限制（这其中就包括电子技术发展水平的限制），这就使得价格的效益比与使用的可靠性成为抑制ABS发展的两个最大的阻碍。在1970年以后，得益于电子技术的迅猛发展，ABS的可靠性得到了显著的提升，ABS的功能也逐步得到了完善，从而使得ABS的应用范围逐步扩大。另外由于汽车行驶的速度不断提高使得制动时车轮抱死拖滑成为行车安全的最大安全隐患之一，这也使得ABS的使用范围越来越广泛。从20世纪70年代中后期开始，大规模的集成电路式计算机被应用到了ABS控制器上面，这类数字计算机具有运算速度快，而且不易受到干扰的优点。这不仅能够提高ABS控制器的稳定性，也为改善ABS功能提供了有利条件2。 到了1980年以后，ABS的硬件方面，在使用数字式电路基础上，汽车用ABS的控制器硬件增加了微处理器；另外信号的输入输出也开始变得越来越集成化、网络化；液压元器件的精密制造技术也慢慢开始变得成熟；而在软件方面，ABS的控制逻辑也由之前的单一化也在慢慢向着多元化转变，比如最优控制策略、变结构控制策略及模糊控制策略。ABS技术得益于计算机技术的发展也逐步向纵深扩展，例如ASR（制动防滑装置）、ESP车身电子稳定系统及速度限制器等，可以说ABS装置是汽车上应用最成功的安全技术之一13。1.2.2 ABS研究现状控制在制动过程当中的滑移率并以此来增加路面附着系数利用率、减少制动的距离、增加制动的方向稳定性这是ABS的主要环节之一。但是，路面附着系数与滑移率之间的关系又受到许多因素的影响，例如车辆的结构参数、车速、轮胎的充气压力、轮胎的垂直载荷、气象条件以及路面的状况等等。要求ABS在短时间内保证汽车在各种路面上、各种情况下都能够安全制动，这具有相当大的难度。并且，目前国内关于ABS 液压调节器的测试、研究、实验，大多数是利用装有ABS系统的车辆在道路上进行实地试验，但是ABS 液压调节器的工作过程、动态的性能以及ABS的故障，只有在汽车行驶过程中进行制动时才能够观察的到。这种实车道路测试具有以下几种缺点：成本较高、试验精度较低、试验周期长、观察不到ABS液压调节器动态的性能、不能够观察到ABS液压调节器的工作过程、不容易发现ABS 液压调节器的故障、具有较高的危险性。国内可以在实验室或者台架条件下对ABS 液压调节器性能进行检测的设备还十分有限45。 1.3 选题的依据及主要工作1.3.1 选题依据 构建合理、有效的ABS模型并对其进行深入的研究与分析，通过分析能为今后ABS的研究提供可靠的理论依据，从而能够缩短ABS产品的开发周期、节约成本，也能大大提高国产ABS系统的竞争力。需要建立一个完整的ABS液压系统模型，该ABS液压系统模型需要跨越液压、机械、电磁和控制等多个学科领域，只有AMESIM和其它几种少数的数学软件能够将如此多的学科领域的系统建立在统一的平台上6。而LMS Imagine.Lab AMESIM（AMESIM表示工程系统仿真高级建模环境-Advanced Modeling Environment forPerforming Simulations of engineering systems）软件为多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，用户可以在这个单一平台上建立复杂的不同学科领域的系统模型，并在建立模型基础之上进行精确仿真计算及深入的分析和研究，另外任何元件和系统的稳态、动态性能都可以在这个平台上进行研究。AMESIM最大的优势之一就是基于直接图形的接口，在全部仿真过程中系统的各项结果可以及时地显示在环境中；针对不同系统的元件，AMESIM 软件利用不同的图标符号来表示，这些图标有一部分是国际标准组织如工程范畴的ISO为液压元部件确定的标准符号，或者当一些标准符号不存在AMESIM软件中时，这时候系统就可以为用户提供一个相对易与辨认、易于接受的非标准的图形特征；另一部分为AMESIM系统自行给定的方块图形符号。AMESIM中所有的来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的78，所以AMESIM软件中集成的一整套完善的应用库完全可以支持使用者来设计一个完整系统。因此利用AEMSIM软件来搭建一个液压ABS模型来进行仿真分析是完全可行的。1.3.2 主要工作 在分析、掌握了汽车ABS的原理和ABS的结构基础上，利用AMESIM软件，自行搭建一个完整、合理的ABS液压调节器系统模型，通过对所搭建的模型进行仿真、分析为ABS系统中的增压阀和减压阀的精确配合、轮缸压力的精细调节和ABS的精确理论建模积累经验并提供重要的理论依据。利用AMESIM搭建的汽车液压ABS模型对汽车正常制动、常加常减压制动、阶梯加减压制动三种制动模式进行仿真；通过仿真，深入理解ABS在精细调节轮缸压力工程中，每个元件的工作过程；验证并清楚认识到各项参数都ABS系统的影响，并且尽可能地优化系统的各项参数；验证此模型的正确性及从侧面验证仿真结果的准确性（通过验证汽车在附着系数较高的干路面及附着系数的冰雪路面上，通过ABS的调节都能保证制动轮缸在合适的压力下工作，从而使制动器在保证制动力矩的情况下的使制动力小于路面的附着力）。1.4 本章小结 在本章，对ABS的重要性、及研究现状进行的简单的介绍。提出了此毕业设计的选题依据及意义，并对在毕业设计的主要工作进行了说明，清晰此次毕业设计的主题，为后续的章节做好准备。2 ABS系统的组成及原理ABS的控制通道： 在ABS系统中可以进行单独压力调节的制动管路通道。根据控制通道的数量可以把ABS系统分为四类：单通道系统、双通道系统、三通道系统和四通道系统。其中三通道系统和四通道的ABS系统的应用最为广泛。例如：使用三通道ABS系统的轿车有：奥迪100/200、奇瑞轿车等、越野车包括切诺基和牧马人等；使用四通道ABS系统的轿车有：早期的风神蓝鸟轿车等。其中奇瑞轿车使用MK20-I/E型三通道ABS系统，切诺基、牧马人使用本迪克斯的三通道ABS系统，风神蓝鸟使用BOSCH公司的 5.3型四通道ABS系统。在此毕业设计中利用AMESIM软件搭建的汽车ABS模型为四通道液压ABS系统模型。四通道的ABS系统具有以下几点的优势：可以保证最大程度地利用每个车轮的最大附着力进行制动每个车轮都能够较好地的抵抗外界侧向力。因此，装有此种ABS系统的汽车不仅具有良好的方向稳定性和操作能力，而且能够获得较短的制动距离。2.1 ABS的组成 车用ABS系统的元件主要包括电子控制单元（ECU）、液压控制单元、车轮速度传感器等。ABS的组成如图2.1所示。图2.1 ABS的组成 2.2 ABS液压调节器的结构 ABS系统中的液压控制器主要由增压阀、减压阀、回油泵、蓄能器、和电机等构成；每个制动轮缸对应一个减压阀和增压阀，每个阀都有单独的控制信号，ECU正是通过向这些阀发出控制信号来控制整个ABS系统的。ABS调节器如图2.2所示。图2.2 ABS调节器简图 双腔串联式制动主缸、制动轮缸、储液室、液压管路等主要元件构成了普通制动系统的液压装置；又经过设计、匹配后，在普通制动系统的液压装置的基础之上增加了ABS制动压力调节器从而组成了ABS的液压控制总成。除了普通制动系统的液压元件外，ABS系统的制动压力调节器主要由回油泵、储能器、增压阀减压阀等构成9。在液压ABS系统中，增压阀和减压阀通过开与关的两个动作的配合来实现对制动系统压力的控制, 从而对制动器实现增压、保压、减压的这三个过程；蓄能器的作用是：接收从制动轮缸回流的制动液, 并对其压力进行衰减；而回油泵负责把蓄能器中的制动液增加压力送到制动主缸中。 回油泵：能在极短的时间之内将制动液加压到13到17MPa，随时能给整个ABS液压系统提供压力足够高的制动液。回油泵独立于ABS电脑之外，这样做的目的在在于假如ABS电脑出现了故障，回油泵仍然可以正常工作。 增压阀、减压阀：是液压调节器的重要部件，EUC通过他们完成对ABS的控制。本文中采用的是二位一通阀等多种形式。 储能器：其结构形式多种多样，但在ABS系统中应用较多的是活塞-弹簧式储能器，储能器安装于电磁阀和回油泵之间，从轮缸流出的液压油进入储能器，使弹簧压缩导致储能器液压腔容积增大，这样就可以将制动液暂时储存在储能器之内。2.3 ABS的工作原理在汽车紧急制动的情况下，车轮速度传感器将车轮的速度反馈给电子控制单元（ECU），电子控制单元经过计算后判断汽车的行驶行驶状态，并给ABS的液压控制器发出指令，液压控制器控制制动器使轮胎始终保持在最优的滑移率附近，以此来保证汽车的制动安全性。 液压ABS系统的工作工程大多可以分为三个：增压、保压和减压。在增压的过程当中：增压阀打开，减压阀关闭，制动液由高压处流向低压处进入到制动轮缸中，使制动主缸缸内压力不断上升；在保压的过程当中：增压阀关闭、减压阀关闭，液压油不再进入制动轮缸，缸内压力保持在稳定的状态；在减压的过程当中：增压阀关闭、减压阀开启，并且油泵开始工作，制动轮缸内的液压油流出，缸内压力下降。 利用电磁阀的开启、关闭，实现增压、保压、减压三个工作过程。在ABS系统不工作的时候，增压阀处于常开、减压阀处于常闭状态，制动轮缸与制动主缸直接连通，在这时后制动轮缸的压力就是制动主缸的压力，这时制动主缸的压力完全来由刹车的踏板力提供；在紧急制动的情况下，制动踏板被踩下，压力迅速上升，当车轮速度传感器监测到车轮有抱死的趋势时，电子控制单元（ECU）控制增压阀关闭进入保压状态；若此时车轮仍有抱死的趋势，减压阀立刻开启，制动轮缸内压力下降。在减压的过程当中，制动液的流经元件的顺序为制动轮缸减压阀储能器回油单向阀回油泵回油单向阀制动主缸。 为了避免在制动的过程当中出现振荡现象，以及保持制动过程的平顺性，ABS系统通常采用压力阶梯增加和压力阶梯减小的调压方式。在这种调节方式下，压力并不是连续变化的，但是减压、保压、增压三种压力状态之间进行快速切换，可以实现对压力的精细调节，最大的优点在于：简单、可靠！因此，此种控制压力的方式得到了广泛的应用10。2.4 本章小结 本章的主要内容为介绍了ABS系统的结构组成和ABS液压调节器的结构组成；介绍了液压ABS系统工作的过程及工作的原理；ABS系统在增压、保压、减压三种制动工况下增压阀和减压阀的工作和配合的情况。为后面在AMESIM搭建ABS模型及仿真打好了基础。3 仿真 本文利用LMS Imagine.Lab AMESIM 14版本的软件进行仿真。3.1 主要元件的数学模型3.1.1 双腔串联式主缸的模型 制动主缸的首要作用是将制动过程当中将制动踏板输入的机械能转换成液压能。目前汽车大多使用双腔串联式主缸,根据制动主缸的结构及工作原理,考虑系统的阻尼、活塞间隙及弹性负载等11因素将制动主缸等效转化成图。图3.1 制动主缸模型简图 液压双腔串联式制动主缸最大的优点就是双管路制动：前轮的制动管路与后轮的制动管路相互独立，在一个制动管路损坏的情况下，另一个管路不受影响仍然可以继续工作，从而进一步提高汽车的安全性。3.1.2 制动轮缸的模型图3.2 制动轮缸简图 制动轮缸的作用主要是将来制动主缸的传来的液压力转换为使制动蹄张开的机械动力，或者转化为使制动块压紧的机械动力。3.2 基于AMESIM的液压ABS模型在AMESIM软件中，使用者能够建立新的系统模型或者从软件的帮助功能中直接调用已有的模型；在使用已有的模型时只需要对该模型进行微小的改动或者是仅仅进行参数优化就能满足要求；AMESIM软件采用了便于识别的标准ISO图标和非常直观形象的图标, 为使用者提供了丰富的特定应用实例，能够使使用者方便、快速地建立复杂的系统；在AMESIM的仿真过程中可以实时地观察系统每个元件各项数据的变化；如果使用者需要对系统或者某个参数进行分析，只需要在参数模式下对该参数进行重新设置并再次仿真即可；其界面友好、操作非常方便。3.2.1 在AMESIM中建模的步骤 AMESIM在搭建ABS模型时按照以下步骤进行: 根据ABS系统的工作原理和结构图,在草图模式（Sketch model）下，从AMESIM软件的专业模型库当中将ABS相关的每个元件都选取出来并按照之前的原理图连接好; 在子模型模式（Submodel）下，为每一个元件都选取较为合理的子模型，也可以使用系统默认的模型； 在参数模式（Parameter）下，设置全局性的液压参数, 如制动液的粘度等；设置液压ABS系统的各个液压元件的关键尺寸与之相关的主要内部参数; 在仿真（Simulation）模式下，设置仿真参数,进行仿真,查看仿真的结果11。3.2.2 制动主缸模型图3.3 制动主缸模型 对于主缸，主要功能模型是活塞的影响，在其两个腔室。在主缸模型中不考虑返回部分（等效溢流阀），以避免腔室中的气穴现象。主缸模型考虑了前腔输出的限制，后腔也有限制但是其孔径较大。 主缸模型元件组成： 输入信号、反转输入符号、转换器、零力源、质量与摩擦和可配置的终端、活塞模型、连接器模型弹性接触模型、机械弹簧和阻尼器模型、带有弹簧的活塞模型。 其中输入信号、反转输入符号、转换器组成一个完整的输入：将一个关于时间的一维信号转换为力输出。3.2.3 制动轮缸模型图3.4 制动轮缸模型 如图3.4 所示，轮缸模型组成：零速度（其中位移，速度，加速度源等参数都为零）模型、模型理想线性弹簧模型、质量与摩擦和可配置的终端、活塞模型、连接器模型弹性接触模型、机械弹簧和阻尼器模型。3.2.4 控制信号 增压阀、减压阀以及回油泵的控制信号为ABS系统的主要控制信号；另外在汽车正常制动的工况下，控制信号也包括对制动主缸力的输入信号。 在AMESIM中搭建的ABS模型的控制信号主要是利用一维（关于时间与数值）信号输入模型（table time）来输入信号，此模型输入信号是通过一系列的点来形成信号曲线，用来输入没有规律或者是周期短的信号，具有很强的操作性；在输入信号形成data文件后，在别的模型中也可以利用此信号，可以为参数的调试节省很多时间，使用这种信号输入但是不适用于输入规律性强、周期长而复杂及曲线（如正余弦）信号。3.2.5 液压ABS模型 在AMESIM中，所搭建的液压ABS模型主要由制动液、制动轮缸、制动主缸、油泵、储能器、控制阀、控制信号以及连接管路等模型组成。液压ABS模型如图3.5所示。双腔串联式制动主缸、储能器、回油泵（回油泵由控制信号、电机、油泵组成）、节流阀、单向阀、制动轮缸、增压阀、减压阀、控制信号图3.5 基于AMESIM的ABS模型 ABS模型中的主要元件：表3.1 基于AMESIM的ABS模型主要元件名称元件描述制动液模型基本流体性质一维信号输入针对不同制动工况输入信号是不同的，所以在此模型中选用了动态时间表信号，用来输入关于时间的一维信号。反转输入符号转换器一个无量纲的信号从端口1输入和在端口2输出值相同的力N。零力源：该元件必须连接到需要输入力的一维机械端口。质量与摩擦和可配置的终端站当有位移的摩擦和限制（可选）弹性效应的接触中，使用该元件为一维运动施加的力；该元件的应用在阀门或者是活塞上。活塞模型在AMESIM中，利用此模型可以构建液压千斤顶、制动系统和自动变速箱液压配件。连接器模型续表3.1名称元件描述弹性接触模型这是一个两体之间可直线运动的弹性接触子模型。如果没有接触，这两个机构独立移动。当接触发生时，在N的接触力被施加到两个机构。这个力包含弹簧力和阻尼力。机械弹簧和阻尼器模型是一种理想的弹簧阻尼模型带有弹簧的活塞模型零速度（位移，速度，加速度源）模型该模型提供了位移、速度和加速度值的常数。理想线性弹簧模型从实际参数输入两个位移和弹簧压缩量来计算弹簧力。没有限制的弹簧长度。增压阀模型增压阀和减压阀的模型是相同的，但是两个阀不同的在于输入的信号不同，即控制阀的开启关闭时刻不同。减压阀模型节流阀模型流量控制3.3 进行仿真3.3.1 基于AMESIM的ABS仿真的参数设置原始数据：设定制动主缸的压力为6Mpa；在此仿真过程中，没有实验数据进行对比，故选取了某小型轿车收集其关于制动系的一些参数进行设置，所以设定制动主缸压力为6Mpa，以此轿车满足制动的制动器制动力的要求；在整个仿真过程中，设定总的仿真时长为20S；阀的脉冲信号的周期0.5S脉冲宽度为0.006S。在正常制动过程中，要求轮缸压力上升到6Mpa并保持6S左右，下降到一定压力并保持4S左右，在上升压力最大值并保持到最后。在阶梯加减压过程中，轮缸压力由最大阶梯下降14个周期，保持一段时间后，再阶梯上升14个周期。建立四轮模型进行仿真，并对左前轮的数据进行采集；3.3.2 正常制动的仿真 正常制动的仿真目的在于检测ABS液压控制系统的本身特性：制动加压工况下所能达到的最高压力，以及制动减压工况下能到的最小压力。用来模拟在行驶状况下，驾驶员猛踩刹车、及稍微抬起制动踏板的制动工况。在此制动工况下，ABS没有工作，增压阀处于常开状态，减压阀处于常关状态，即制动主缸压力就是制动轮缸的压力10。仿真结果：如图3.6所示图3.6制动轮缸压力 由图3.6可以得出在正常制动工况下，轮缸所能达到的最大压力为6MPa，最小压力为0.63MPa。在此仿真工程中缸内压力完全依靠踏板力来实现，图3.7、图3.8为输入到制动主缸的力和轮缸压力的对照、制动主缸和制动轮缸压力的对照。 图3.7 轮缸压力和主缸输入力的关系 图3.8轮缸、主缸压力关系 由图3.7、 图3.8可以直观地看出，在正常制动的工况下制动轮缸的力随着输入到制动主缸的力的变化而变化。用在AMESIM中仿真这种工况用来模拟驾驶员在遇到障碍是踩下刹车踏板时制动主缸/轮缸压力变化6MPa并保持6S，然后驾驶员稍微松开踏板使制动主缸/轮缸压力降到最低约0.63MPa并保持约3.5S，之后驾驶员又踩下踏板制动主缸/轮缸压力上升到约6MPa，并最后保持到20S。3.3.3 常加、常减压制动的仿真 常加、常减压制动过程当中制动轮缸的最大、最小压力是在ABS系统的作用下制动系统所能达到的最大、最小的压力。仿真此制动过程的目的在于验证在ABS液压调节器的作用下轮缸的制动压力能不能达到正常制动的水平。仿真结果：轮缸压力，如图3.9所示图3.9轮缸压力 由图3.9仿真结果曲线可知在常加、常减压制动模式下，轮缸所能达到的最大压力约为6Mpa，最小压力约为0.58Mpa。由3.3.2可知，在正常制动下制动轮缸的最大、最小压力分别为6Mpa、0.63MPa，通过常加、常减压制动仿真，可以得出此ABS模型能满足正常制动的压力要求。轮缸压力、增压阀控制信号、减压阀控制信号间的关系，如图3.10所示图3.10 轮缸压力与控制阀信号关系 增压阀信号与减压阀信号在关闭时刻重合的部分（即增压阀与减压阀信号都在-1时）为轮缸的保压过程；当增压阀开启时（增压阀信号从-1上升至1并保持一段时间）、在此过程中减压阀一直关闭（即图中曲线3一直在-1处），在这一过程中主缸的制动液可以直接进入轮缸并且不会从轮缸流出，轮缸压力迅速上升，此为制动轮缸的增压过程；当减压阀开启时，此过程中增压阀一直关闭，制动液不能够进入制动轮缸并且油泵工作开始回油，一方面使轮缸的压力迅速下降，另一方面可以保持制动主缸内液压油的压力，为下一次制动轮缸压力上升做准备，此为减压过程。 对常加常减压制动工况进行仿真不仅验证了在所搭建的液压ABS系统的作用下制动器的制动压力能达到正常制动的水平；同时也可以十分清晰、深入地认识到在增压、保压、减压工况下增压阀、减压阀的精确配合。主缸压力 图3.11 主缸压力 图3.12 主缸与油泵压力关系 由图3.11可知在此过程中，主缸的压力稳定在6Mpa，当制动轮缸的增压阀开启时，主缸可以稳定地为轮缸提供6Mpa的压力；由图3.12可以得出主缸在给轮缸供油时，油压会下降，这时候油泵开始工作使主缸压力稳定在6Mpa。此模型的仿真过程模拟了驾驶员在踩下制动踏板的过程当中，制动轮缸的压力在ABS液压调节器的作用下的变化。由图可以得出，轮缸所能达到的最大压力为6Mpa，所能达到的最小压力为约为0.58Mpa，由此可以得出，此ABS模型能达到最大压力与最小压力的要求。3.3.4 阶梯加、减压制动的仿真 此过程仿真了在实际驾驶中猛踩刹车的工况，依旧设定主缸压力为6Mpa，将增压阀、减压阀的信号设置为周期为0.5S，脉冲宽度为0.006S。通过增压阀、减压阀的配合，制动轮缸的压力升高后，先阶梯下降14个周期，保持2S左右，再阶梯上升14个周期。仿真结果轮缸压力，如图3.13图3.13 轮缸压力 由仿真结果的曲线可以得出：轮缸压力在0S至1.75S之间压力保持在6Mpa，在阶梯下降14个周期之后压力降为0.87Mpa并保持2S后阶梯上升14个周期后压力达5.8Mpa。轮缸压力、增压阀控制信号、减压阀控制信号间的关系，如图3.14 图3.14 轮缸压力与控制阀信号的关系 由图可以得出在ABS系统的减压过程当中增压阀信号一直为-1即增压阀处于关闭状态；在增压的过程中减压阀信号一直为-1即减压阀处于关闭状态。从这个仿真结果中能进一步理解增压阀与减压阀的配合。3.4 主要元件类型及主要参数对系统的影响 本节目的在于通过对主要参数的对比，可以深刻认识在ABS液压调节系统中，不同参数对此系统的影响；另一方面通过比较可以得出使系统响应更好的参数，如制动液的弹性模量等，可以对前面的系统进行优化、细化；并且还可以为今后的ABS液压调节器的建模积累经验，同时也可以为参数的选择提供理论依据。3.4.1 体积弹性模量、绝对粘度对ABS系统的影响 为了使图形简洁，但又可以体现出增压、保压、减压的工况故选取常加、常减压的仿真模型。选择制动轮缸进行仿真、设定仿真的时间为0.0S至3.0S，设定仿真的步长为0.001S。其中，体积弹性模量符号“E”，绝对粘度符号为“”91213。分别取 E17000bar 42.5； E17000bar 60 ； E30000bar 42.5； E30000bar 60。这四组数据进行对比仿真仿真结果：如图3.15、图3.16、图3.17图3.15轮缸压力对图3.15圆形区域内的曲线进行放大，得到如下结果图图3.16轮缸压力局部放大图3.17轮缸压力局部放大结果分析： 由图3.16和图3.17可以得出制动液的体积弹性模量和绝对粘度影对液压ABS液压系统的液压特性的影响较为显著。其中体积弹性模量越大、绝对粘度越小, ABS液压调节器调节器表现的液压特性越好。3.4.2 制动液温度对ABS系统的影响 设定制动液温度分别为39.85degC、60degC、100degC、300degC，其他参数不变，进行仿真。仿真结果：如图3.18、图3.19图3.18 39.85degC、60degC、100degC对比图3.19 39.85degC、300degC曲线对比结果分析： 由图3.18、3.19可以得知，制动液温度在39.85degC、60degC、100degC、300degC下制动轮缸的压力曲线是重合，故在此模型中，制动液的温度对液压ABS系统没有产生影响。3.4.3 节流阀的最大等效孔径、最大流量系数对ABS系统的影响 同样选取常加、常减压的仿真模型，设定仿真的时间为0.0S至3.0S，设定仿真步长为0.001S。因为制动主缸靠近节流阀，所以这次采集制动主缸的压力曲线进行分析。其中，最大等效孔径的符号为“D”，最大流量系数的符号为“”1214。仿真结果：如图3.20、图3.21图3.20主缸压力对图3.20圆形区域内的曲线进行放大，得到如下图结果（ 图3.21）图3.21 局放大图结果分析：节流阀口的形状、通流面积会显著影响着调节器的液压特性。由图4.10能够得出：最大流量系数、最大等效孔径（关联于通流面积）的值越大, ABS液压调节器表现的液压特性越好。3.4.4 回油泵排量对ABS系统的影响 选取常加、常减压的仿真模型，设定仿真的时间为0.0S至6.0S，设定仿真的步长为0.01S。设定回油泵的排量分别为：2.0cc/rev、0.5cc/rev、5.0cc/rev、10.0cc/rev对制动轮缸、制动主缸关于的压力仿真结果进行分析。仿真结果：如图3.22、图3.23 图3.22 制动主缸压力图3.23 制动轮缸压力仿真结果分析：油泵从4.14S开始工作，由仿真图像可得较大的油泵排量会导致流量脉冲过大，在压力上升后制动主缸的压力会高于6Mpa，而过低的油泵排量会使轮缸的压力不能稳定在6Mpa，从而使轮缸压力也不能上升至6Mpa；而在此转速下，油泵排量设定为2.0cc/rev可以保证制动轮缸在给制动轮缸供油过后压力还能维持在6Mpa，能够为制动轮缸的下一次供油做准备，使下一次增压阀开启后轮缸压力还能上升至6Mpa。3.4.5 储能器活塞直径对ABS系统的影响 选取常加、常减压的仿真模型，设定仿真的时间段为0.0S至6.0S，设置仿真的步长为0.01S。设定储能器的活塞直径分别为：50mm、40mm、30mm、20mm，对制动主缸、制动轮缸的压力曲线进行对比。仿真结果：如图3.24、图3.25图3.24 制动主缸压力图3.25 制动轮缸压力结果分析：由图3.24可知，储能器活塞直径的大小对制动主缸的压力的影响十分微小12。但是由图3.25可知储能器活塞直径的大小对制动轮缸的最低压力有较大的影响，在此模型中选取的储能器活塞直径为50mm。3.4.6 制动轮缸直径对ABS系统的影响 选取常加、常减压的仿真模型，设定仿真的时间段为0.0S至6.0S，设置仿真的步长为0.01S。设定制动轮缸的直径分别为：35mm、30mm、40mm、50mm，对制动轮缸、制动主缸的压力曲线进行对比。仿真结果：如图3.26、图3.27图3.26制动主缸压力图3.27 制动轮缸压力结果分析：由图3.26、3.27可以得出，在35mm、30mm、40mm、50mm的轮缸缸径下，制动主缸的4条压力曲线是重合的，轮缸的压力曲线也是重合的。故改变轮缸的压力不会ABS系统产生影响，液压油的压力没有改变。但是轮缸直径的改变会影响到制动器的制动力，在相同的油压下，轮缸的直径越小，制动器制动力越大。为了在后面的验证过程中，与选定的某轿车的制动力要求所匹配，故设置前轮的缸径为35mm，后轮缸径为22mm。3.5 本章小结： 根据ABS的原理，在AMESIM中搭建了液压ABS模型，对系统和元件进行参数设置后，对汽车正常、常加常减压和阶梯加减压这三种制动模式进行了仿真。对正常制动工况进行仿真是为了检验制动系统本身的特性：制动加压、减压所能达到的最大、最小压力。对常加常减压制动工况进行仿真是为了检验在ABS工作的情况下，系统所能达到的最大、最小压力。通过分析正常制动与常加常减压制动的仿真结果得出在液压ABS系统工作的状态下，制动系统的最大、最小压力能满足要求，证明了所搭建的ABS模型具有可行性。通对阶梯加减压的仿真，深入理解了在ABS工作过程中，控制阀的配合情况。对一些主要参数进行重新设置，并进行仿真，探究不同参数对整个ABS系统的影响，一方面可以尽可能地对系统进行优化，另一方面能为今后的建模仿真积累经验、提供可靠的理论依据。4 验证模型的正确性 通过对干路面（附着力系数最大0.9）、雪压实接近冰的路面上（附着力系数最小0.2）这两种极限路况，制动时制动器制动力始终小于路面附着力来证明所搭建模型的正确性。在AMESIM中搭建装有ABS系统的整车模型，利用该整车模型在一种路况下进行制动仿真，通过液压ABS模型与整车模型右前制动轮缸压力的对比，验证仿真结果的准确性。4.1 通过计算验证4.1.1 路面制动力、制动器制动力和路面附着力之间的关系：图4.1路面制动力、制动器制动力及附着力之间的关系 、其中为车轮上的载荷，N；为路面附着力系数。汽车的路面制动力主要取决于两个因素：一方面于制动器的制动力决定，另一方面又会受路面附着条件的限制。所以可以得出如果要使汽车获得足够高的路面制动力，必须要求汽车具有足够大的制动器制动力同时路面又能为汽车提供足够高的路面附着力。4.1.2 滑移率和附着力系数 装有一般制动器的汽车在制动过程中为了缩短制动距离而一味地增加制动器制动力，很容易使轮胎的滑移率达到100%从而使轮胎抱死，由图5.2可知，在此时侧向力系数会最低，这种情况下即使车轮受到轻微的侧向力也可能造成轮胎侧滑，从而出现危险工况；而且在这种情况下，附着力系数不是最大的，路面的附着条件没有得到充分利用，从而获得的制动距离也不是最短的1819。图4.2附着力系数-滑移率S关系 装有ABS系统的汽车在制动过程中，能始终使轮胎的滑移率保持适当的数值：如图4.2中S15%20%间，使制动车轮既能获得较高的附着力系数，又能有较好的侧向附着力系数，从而显著地改善制动时的制动效能与方向稳定120。 阶梯加减压的仿真过程，模拟了在ECU通过传感器对轮胎的滑移率进行判断；为了使滑移率保持在适当的范围内，ECU对ABS发出信号时制动轮缸进行增压、保压、减压工况的切换，从而使车轮充分利用各种路面的路面附着系数。制动器制动力在此过程中将会不会大超过路面附着力。4.1.3 ABS液压调节系统在整车上的验证 以一小型轿车为例选取ABS阶梯加减压工况来验证所搭建的模型的正确性、并验证在附着力系数较高、附着力系数较低的路面上，制动器制动力与路面附着力的关系：小型轿车整体参数如下：满载质量：1500KG；空载质量：1310KG；质心高度：空载时616MM、 满载时580MM；轴 距：2513MM；轮 胎：185/80 R14 ； 紧急制动时前后轴的法向反力： 0.9时，前轮：9691N;后轮：2825N 0.2时，前轮：8827N后轮：4010N制动器参数 轮缸直径：前轮35mm，后轮22mm；制动盘有效半径：113mm4.1.4 仿真结果验证在干路面，路面况较好的情况下（路面附着系数较大0.9）前轮的制动轮缸压力为最大：6Mpa前轮的制动器制动力为：5769.75N 8721,故在路面附着力最大（干路面）的情况下，在前轮的制动器制动力不会大于路面的附着力，在此路况下制动，能充分利用路面附着系数。在普通雪路面，路面况较差的情况下（路面附着系数较小0.2）此时前轮的制动轮缸压力为最小：0.87Mpa前轮的制动器制动力为：836.6N 1765,故在路面附着力较小（冰雪路面）的情况下，前轮的制动器制动力不会大于路面的附着力，在此路况下制动，也能够充分利用路面附着系数。4.2 通过整车模型验证 通过计算验证有很大的局限性，为了进一步验证所搭建液压ABS的模型的正确性，在AMESIM软件中建立以一个装有ABS系统的整车模型，通过模拟对在某一路面上制动时，整车模型的轮缸压力与之前液压ABS模型的轮缸压力的比较，通过右前轮的轮缸压力的比较验证所搭建的液压ABS模型的正确性和仿真结果的准确性。4.2.1 整车模型该整车模型是在将ICAR模型的基础修改后形成，使其主要应用于制动系的仿真;它包含了制动、转向、悬架、动力等系统，是一个较为完整的车辆模型：还包括了路面模型，可以对车辆在不同路面情况下行驶、制动进行仿真。整车模型如图4.3所示：图4.3 基于AMESIM的整车模型4.2.2 制动系统 制动系统主