（车辆工程专业论文）汽车esp液压系统动态特性研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：匀丕垄一i t 期：酗型型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解 蹴引獬卜孵翮 定) 日期：p f j 硌 摘要 汽车电子稳定性控制系统( e s p ) 的工作性能和控制品质不仅与传感器和电 子控制单元的控制逻辑有关，而且还与其液压系统的动态特性紧密相关。汽车 e s p 液压系统由多个液压元件组成，在电子控制单元e c u 的控制下各液压元件 协同工作，为实现对车辆运行状态的主动干预，根据车辆的不同行驶状态，对 相应车轮施加液压制动力。汽车e s p 液压系统作为执行机构，是一个在短时间 内完成动态响应的高速响应系统。为保证e s p 系统的工作可靠性和控制精度， 而进行其液压系统动态特性研究是十分必要的。 论文以某汽车e s p 系统为研究对象，分析了其结构和工作原理。汽车e s p 系统主要包括传感器、电控单元和执行机构三部分。电控单元对各传感器输送 的车辆运行状态信号进行分析，若检测到此时车辆处于不稳定行驶状态或者有 不稳定行驶的趋势，则电控单元对执行机构发出相应指令，执行机构采取动作， 使车辆在其物理极限范围内稳定行驶。 a m e s i m 是世界著名的工程系统高级建模与仿真软件。利用a m e s i m 软件建立制动助力器、制动主缸、预压单元、液压调节器、制动轮缸等汽车e s p 液压系统关键元件的模型，仿真运行结果显示了各个模型的正确性；同时，根 据流体力学相关理论，建立汽车e s p 液压系统中主要模块( 包括回液柱塞泵、 低压弹簧蓄能器、节流器、二位二通电磁换向阀) 的数学模型，为汽车e s p 系 统液压调节器的设计和动态特性的分析提供研究基础。 利用a m e s i m 软件，模拟汽车e s p 液压系统被动制动、半主动制动和全主 动制动三种工作状态下的增压、保压和减压工作过程，进一步验证了所建立的 汽车e s p 液压系统模型的正确性。 根据动态设计理论，拟定汽车e s p 液压系统动态特性评价指标，并以此对影 响汽车e s p 液压系统动态特性的关键因素如：液压介质、预压单元、回液柱塞 泵、进液阀、排液阀、制动轮缸和低压蓄能器进行批处理仿真分析，得到相应 的制动轮缸压力、流量等响应曲线。分析各仿真结果得出结论：液压介质、预 压单元、回液柱塞泵、进液阀、排液阀、制动轮缸和低压蓄能器对汽车e s p 液 压系统动态特性有着重要的影响，在设计汽车e s p 液压系统时，应将上述器件 的特征关键参数进行合理匹配。 关键词：汽车e s p ，液压系统，动态特性 a b s t r a c t v e h i c l ee s ph y d r a u l i cs y s t e mi sc o m p o s e do fs e v e r a lc o m p o n e n t s ，w h i c h o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o lq u a l i t yn o to n l yr e l a t e dw i t hs e n s o ra n d t h ec o n t r o l l o g i co fc o n t r o lu n i t ，b u ta l s oc l o s e l yr e l a t e dw i t hi t sh y d r a u l i cs y s t e m sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c h y d r a u l i ce l e m e n t sw o r k i n gc o l l a b o r a t i v e l yu n d e rt h ec o n t r o lo fe c u ， t or e a l i z ei n i t i a t i v ei n t e r v e n t i o nt ot h er u n n i n gs t a t u so fv e h i c l e s ，e x e r tt h eh y d r a u l i c p r e s s u r eb r a k i n gf o r c et o t h ec o r r e s p o n d i n gw h e e la c c o r d i n gt ov e h i c l e s d i f f e r e n t t r a n s p o r tc o n d i t i o n t h eh y d r a u l i cs y s t e mi sa ne l e c t r o ns t a b l ep r o c e d u r eo fv e h i c l e s ， a n di ti sa ni m p l e m e n t i n ga g e n c yt h a tc o u l dc o m p l e t e st h ed y n a m i cr e s p o n s ew i t h h i g h s p e e di nas h o r tt i m e i no r d e rt og u a r a n t e et h ee s po p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t ya n d t h ec o n t r o lp r e c i s i o n ，i ti se s s e n t i a lt os t u d yh y d r a u l i cs y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p e rt a k e st h ee s pa st h es t u d yo b j e c t ，a n dh a sa n a l y z e di t ss t r u c t u r ea n d t h ep r i n c i p l eo fw o r k v e h i c l ee s ps y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t sw h i c ha r et h e s e n s o r ，t h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e du n i ta n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c y e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i ta n a l y z e dt h ev e h i c l e sr u n n i n gs t a t u ss i g n a lw h i c ht r a n s p o r t e db ys e n s o r s ， i fd e t e c t e dt h a tv e h i c l ei nu n s t a b l eo p e r a t i o no ri nu n s t a b l er u n n i n gt r e n d ，t h e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tw i l ls e n dc o r r e s p o n d i n gi n s t r u c t i o nt ot h ei m p l e m e n t i n g a g e n c y ，a n dt h e nt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c yw i l la c t i o na c c o r d i n gt h ei n s t r u c t i o n ，s o t h a tt h ev e h i c l ec a nr u n n i n gs t a b l yw i t h i nt h ep h y s i c a ll i m i t s u s e dt h ea m e s i ms o f i w a r et oe s t a b l i s ht h ee s pm o d e lw h i c hi n c l u d eb r a k e b o o s t e r , b r a k em a s t e rc y l i n d e r ，p r e p r e s su n i t ，h y d r a u l i cc o n t r o l ，b r a k ew h e e l c y l i n d e r se t c ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eo p e r a t i o no fe a c hm o d e li sc o r r e c t ； m e a n w h i l e ，e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lt om a i nm o d u l e so fe s ph y d r a u l i c s y s t e m ( w h i c hi n c l u d i n gt h er e t u mt ol i q u i dp i s t o np u m p ，l o wp r e s s u r ea c c u m u l a t o r s p r i n g ，t h r o t t l ec o n t r o l ，t w ot w o w a ys o l e n o i dv a l v e )a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f f l u i dd y n a m i c s ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l s u p p o r tt ot h eh y d r a u l i cu n i ts t a b i l i t y p r o g r a md e s i g na n dd y n a m i ca n a l y s i s u s e dt h ea m e s i ms o f t w a r et os i m u l a t ev e h i c l eb r a k i n gp a s s i v ee l e c t r o n i c s t a b i l i t yp r o g r a m ，a l ls e m i a c t i v eb r a k i n ga n da c t i v eb r a k eb o o s t e ru n d e rt h et h r e e o p e r a t i n gs t a t e s ，t h ep r o c e s so fp a c k i n ga n dp r e s s u r eo fw o r k ，a n dt h i sf u r t h e rv a l i d a t e t h ec o r r e c to ft h eh y d r a u l i ca u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a ms y s t e mm o d e li s a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cd e s i g nt h e o r y ，d e v e l o p m e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s e v a l u a t i o no fv e h i c l ee s pw h i c hc a l l e d h y d r a u l i cs y s t e m s t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi n c l u d et w oa s p e c t s ：a ：t h ef l o wp u l s a t i o no f v e h i c l ee s ph y d r a u l i cs y s t e m ，t h ei n s t a n t a n e o u sp e a l 【p r e s s u r ea n dp r e s s u r e f l u c t u a t i o n s ，w h i c hm e a n ss y s t e m ss t a b i l i t y ；b ：r e s p o n s es p e e do ft h eb r a k ew h e e l c y l i n d e rp r e s s u r e a n dc a r r yo nt h eb a t c hr u ns i m u l a t i o na n a l y s i st ot h ek e yf a c t o r s ( i n c l u d i n gp r e s s u r em e d i u m ，p r e c o m p r e s s i o nu n i t ，r e t u r n st ot h ef l u i dr a mp u m p ，t o e n t e rt h ef l u i dv a l v e ，p l a t o o nf l u i dv a l v e , b r a k ew h e e lc y l i n d e ra n dl o wp r e s s u r e a c c u m u l a t o r ) w h i c ha f f e c te s ph y d r a u l i cs y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h e ng e t r e s p o n s ec u r s eo ft h ep r e s s u r et or e s p o n s e db r a k ew h e e lc y l i n d e ra n dt h ef l o wo f b r a k ew h e e lc y l i n d e r w eg e tc o n c l u s i o nt h r o u g ha n a l y z i n gv a r i o u ss i m u l a t i o nr e s u l t s ， w h i c ht h ep r e c o m p r e s s i o nu n i t ，r e t u r n st ot h ef l u i dr a mp u m p ，t oe n t e rt h ef l u i dv a l v e , t h ep l a t o o nf l u i dv a l v e ，t h eb r a k ew h e e lc y l i n d e ra n dt h el o wp r e s s u r ea c c u m u l a t o r h a st h ei m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h eh y d r a u l i cs y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e ni t i s r e q u e s t m a t c h r e a s o n a b l e l y t ot h ea b o v e c o m p o n e n t s k e yp a r a m e t e ro f c h a r a c t e r i s t i e sw h e nd e s i g nt h ev e h i c l ee s p k e yw o r d s ：v e h i c l ee s p , h y d r a u l i cs y s t e m ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 目录 第1 章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 汽车e s p 系统研究现状7 1 3 汽车e s p 液压系统动态特性研究现状9 1 4 本文主要研究内容1 l 第2 章汽车e s p 系统结构和建模12 2 1a m e s i m 软件简介1 2 2 2 汽车e s p 液压系统结构和工作原理1 3 2 2 1 汽车e s p 系统结构和工作原理1 3 2 2 2 汽车e s p 液压系统结构和工作原理1 8 2 3 基于a m e s i m 的汽车e s p 液压系统建模2 1 2 3 1 制动助力器的建模2 1 2 3 2 制动主缸的建模2 3 2 3 3 制动轮缸的建模2 5 2 3 4 预压单元的建模2 7 2 3 5 液压调节器的建模2 7 2 4 主要模块数学模型的建立2 9 2 4 1 油泵模型2 9 2 4 2 蓄能器模型3 0 2 4 3 节流器模型3 0 2 4 4 液压控制阀模型3 1 2 5 本章小结3 l 第3 章汽车e s p 液压系统动态特性仿真分析3 2 3 1 被动制动状态下汽车e s p 液压系统动态特性仿真分析3 2 3 1 1 汽车e s p 系统被动制动过程3 2 3 1 2 汽车e s p 系统被动制动过程仿真分析3 2 3 2 半主动制动状态下汽车e s p 液压系统动态特性仿真分析3 5 i v 3 2 1 汽车e s p 系统半主动制动过程3 5 3 2 2 汽车e s p 系统半主动制动过程仿真分析3 5 3 3 全主动制动状态下汽车e s p 液压系统动态特性仿真分析3 8 3 3 1 汽车e s p 系统全主动制动过程3 8 3 3 2 汽车e s p 系统全主动制动过程仿真分析3 8 3 5 本章小结4 l 第4 章汽车e s p 液压系统动态特性影响因素分析4 2 4 1 液压介质对e s p 液压系统动态特性的影响4 2 4 2 预压单元预压力对e s p 液压系统动态特性的影响4 4 4 3 回液柱塞泵排量对e s p 液压系统动态特性的影响4 5 4 4 进液阀、排液阀截流面积对e s p 液压系统动态特性的影响4 7 4 5 低压蓄能器对e s p 液压系统动态特性的影响5 1 4 6 制动轮缸对e s p 液压系统动态特性的影响5 2 4 7 本章小结5 3 第5 章全文总结与展望5 5 5 1 全文总结5 5 5 2 不足与展望5 6 参考文献5 7 致谢一6 0 发表论文及参加项目6 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 汽车电子稳定性控制系统( 简称汽车e s p , e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 是改 善汽车行驶性能的一种控制系统。该控制系统分成两个系统：一个系统在制动 系统中；另一个系统在驱动一传动系统中。利用与a b s 系统一起的综合控制可防 止汽车在制动时车轮抱死；利用a s r 系统可阻止汽车在起步时驱动轮滑转( 空 转) 。只要汽车在行驶时不超出物理极限，e s p 是兼有防止汽车转向时滑移、不 稳定和侧向驶出车道的综合系统。在车辆行驶过程中，e s p 通过制动主缸压力传 感器和方向盘转角传感器得到的信息经e c u 分析判断驾驶员对车辆的驾驶意 图，并得出车辆的理想运行状态，再将车辆运行的实际状态与理想状态进行比 较分析并通过一定的控制逻辑计算为使车辆恢复稳定的运行状态需施加多大的 汽车横摆力矩，通过对发动机动力和车轮制动器的控制实现对车辆运行状态的 纠正，再将纠正后的车辆运行状态经各传感器反馈至e c u ，进行下一循环的控 制，保证车辆的稳定运行状态。汽车e s p 可单独对每个车轮制动，具有针对性， 例如：若车辆过多转向，则e s p 就对弯道外侧前轮实施适当制动；若车辆不足 转向，则e s p 就对弯道内侧后轮实施适当制动。另外，汽车e s p 可使驱动轮加 速，保证车辆的稳定性，这主要是利用了发动机干预。 汽车e s p 可在以下几个方面改善汽车行驶安全性： 扩大汽车行驶稳定性范围。在车辆各种行驶工况下，如部分制动、全制动、 车轮空转、滑行、驱动和负载变化，仍能保证车辆稳定行驶。 使车辆在极端状况下仍能稳定行驶，例如在急打方向盘时就要求有特别的转 向技巧，以减少车辆横甩的发生几率。 在各种路况条件下，通过制动防抱死系统( a b s ) 、驱动防滑转控制( a s r ) 、 发动机倒拖转矩控制m s r ，可充分利用轮胎与路面问的附着力，增大牵引力、 缩短制动距离、改善汽车操纵性和行驶稳定性。其中m s r 系统可在发动机制动 力矩过高时自动提高发动机转速。图1 1 为未配备汽车e s p 的车辆横向动力学， 图1 2 为配备汽车e s p 的车辆横向动力学。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 一l 未配备汽车e s p 的车辆横向动力学 l 一驾驶员向左方向打方向盘，车辆产生侧向力；2 浮角过大，汽车稳定性受 到威胁；3 汽车反向转向，车辆失控；4 一车辆失控 m g - 横摆力矩；3 - 车辆行驶的方向与汽车纵轴线夹角( 浮角) ； f r 一车轮作用力； 图1 2 配备汽车e s p 的车辆横向动力学 1 驾驶员向左方向打方向盘，车辆产生侧向力；2 浮角过大，汽车稳定性受 到威胁；3 一汽车反向转向，车辆失控；4 - e s p 系统检n - n 车辆的不稳定行驶状态， 对左前轮进行制动，车辆恢复稳定 m g 横摆力矩；p 车辆行驶的方向与汽车纵轴线夹角( 浮角) ： f r 一车轮作用力； 汽车制动系统的主要作用是使车辆降速或者停车，汽车e s p 就是在汽车制 动系统的基础上使车辆能够“转向”。只要车辆在其物理极限范围内，汽车e s p 可在车辆的所有行驶状态下使车辆稳定行驶在预定车道。汽车e s p 可单独制动 武汉理工大学硕士学位论文 每个车轮，如当汽车出现不足转向时，e s p 对弯道内侧的后轮进行制动，或者当 汽车出现过多转向时，e s p 对弯道外侧的前轮进行制动( 如图1 - 3 ) 。另外，汽 车e s p 可利用发动机干预，对驱动车轮进行加速以保证汽车的稳定行驶状态。 汽车e s p 可减少汽车发生碰撞和侧翻的发生几率；防止汽车出现不足转向或过 多转向。 鲫泐 图1 3 车辆转弯时的过多转向状态与不足转向状态 ( a ) 过多转向状态 1 车辆后部向弯道外侧偏移；2 汽车e s p 对汽车左前轮进行制动，防止汽车 甩尾；3 未装配汽车e s p 的车辆甩出车道 ( b ) 不足转向状态 1 一车辆前部向弯道外侧偏移；2 一汽车e s p 对汽车右后轮进行制动，防止汽车 驶出车道；3 未装配汽车e s p 的车辆冲出车道 根据汽车行驶试验和用仿真软件对行驶试验进行仿真模拟再现，得到车辆 住极限行驶状态下，配有汽车e s p 和未配有汽车e s p 的行驶性能比对，如下所 示。 ( 1 ) 驾驶员对转向盘进行快速的转向或者快速的回转。 当驾驶员驾驶车辆改变行驶车道或者是急转向时，例如：在高速公路上进 行超车后快速转换车道；在狭窄车道会车或者遇到障碍物；汽车快速进入弯道 并且弯道过于狭窄。上述情况就需要驾驶员急打方向盘或者急回方向盘。其它 的行驶条件为：车速1 4 4 k m h ；驾驶员未实施任何制动干预；道路条件良好，附 着系数为l 。试验丌始时，两车以相同的行驶状态进入同一弯道，驾驶员快速转 动方向盘。装配有汽车e s p 和没有装配汽车e s p 的车辆驾驶机动性比较如图1 4 所示。 3 武汉理_ t 大学硕士学位论文 采配备疑p 汽车毫t 联妒 聿f 固 图1 4 驾驶员对方向盘进行快速转向或快速回转试验 1 驾驶员向左打方向盘，车辆产生侧向力；2 车辆的稳定性受到威胁。右图， 汽车e s p 对汽车左前轮进行制动；3 驾驶员反向回转方向盘。左图：车辆失去 控制；右图：车辆仍然处于可控制状态；4 。左图：车辆失去控制；右图：汽车 e s p 对汽车右前轮进行制动，车辆完全恢复到稳定行驶状态。 a 未装配汽车e s p 的车辆 如图1 4 左图，在第一阶段驾驶员丌始向右侧打方向盘。第二阶段时车辆已 经有不稳定状态的征兆。短时间内前轮侧向力急速增加，车辆绕z 轴顺时针旋 转。在第三阶段，驾驶员意识到此时车辆的不稳定状态，迅速回转方向盘，但 此时车辆已经失去控制。第四阶段，车辆甩出弯道。 b 装配汽车e s p 的车辆 如图1 4 右图，在第一阶段驾驶员开始向右侧打方向盘。第二阶段车辆已经 有不稳定状态的征兆，但e s p 检测到此时车辆的不稳定状态，在驾驶员未施加 任何制动力的情况下进行全主动制动，对左前轮施加制动力，车辆的横摆力矩 减小。第三阶段横摆力矩和横摆速度均改变作用方向。第四阶段e s p 继续对车 辆右前轮进行制动，直到汽车完全恢复稳定行驶状态。 4 武汉理工大学硕十学位论文 ( 2 ) 汽车以全制动方式变换车道 当车辆行驶于上坡路段，若此时坡顶突然出现障碍物，但由于驾驶员无法 提前观测，则车辆需要以全制动方式变换车道。试验车辆_ 二辆仅装有防抱死制 动系统，一辆还装配有汽车电子稳定性控制系统；试验路面的附着系数为0 1 5 ； 两汽车的初始速度均为5 0 k m h 。两车驾 mn 驶机动性比较如图1 5 所示。 a 装有a b s 但未装备e s p 的汽车 驾驶员转动方向盘后，车辆行驶方向 偏离汽车纵轴线的角度( 浮角) 和横摆力 矩增大，此时驾驶员必须回转方向盘才能 使汽车处于稳定状态。但此时在回转方 向，车辆行驶方向继续偏移汽车纵轴线并 加大，致使驾驶员再次急打方向盘，才能 使汽车保持稳定行驶。 b 装配e s p 的汽车 汽车e s p 的全主动制动控制可使车 辆的横摆速度和浮角尽可能的降低到可 以控制的程度。因此，装配有e s p 的车辆 对驾驶员的操纵技术要求降低。另外，制 动距离也要小于装配有a b s 的车辆。 ( 3 ) 车辆在雨雪覆盖的弯路上行驶， 驾驶员多次转向和反转向 当汽车在雨雪覆盖的需多次转弯的 道路上行驶时，驾驶员需要多次转向和反 转向。试验室车速为? 2 k m h ；驾驶员未 踩下制动踏板；道路附着系数为0 4 5 。装 配有汽车e s p 和未装配汽车e s p 的汽车 的行驶性能如图1 - 6 所示。 5 旧, - - 1 1 - ? + 恪 懵 l i 怒 ；二妻 ；镬 ； i 渖缁 k 缀 ，然缝 f i 鼍 固 ；勰，兰一： 囱兰 瓣 崮嚣 。村 叁b 搿 茚搿 瞄貉 ，7 南 图l 一5 汽车以全制动方式变换车道 武汉理工大学硕士学位论文 囊鼍鲁p 熊鬈e 3 p 聃 图1 6 车辆在雨雪覆盖的弯路上行驶试验 a 未装配汽车e s p 的车辆 驾驶员为了使车辆在雨雪弯道等速行驶，需要增加发动机功率继而增加驱 动轮的驱动滑转率。转向轮转角为4 0 。时，车辆由于驱动滑转率过大而出现不 稳定行驶状态。当驾驶员反方向转向时，车辆驶离车道。 b 装配汽车e s p 的车辆 装配汽车e s p 的车辆，在驾驶员因为反复转向和反转向变换而使车辆出现 不稳定行驶状态时，适时进行发动机主动干预和对相应车轮进行制动，使汽车 行驶状态恢复稳定。 ( 4 ) 车辆在弯道上减速和加速行驶 车辆在弯道上减速和加速行驶试验可用汽车转圈行驶试验取代。车辆转圈 行驶试验条件为：道路扶着系数为1 0 ；车辆缓慢加速至其物理极限并保持车速 稳定；车道半径为1 0 0 m 。试验结果如下所述： a 未装配汽车e s p 的车辆 当车速达到9 5 k m h 时，未装配汽车e s p 的车辆在转圈行驶试验中就达到了 物理行驶极限，出现稍微的转向不足。当车速达到9 8 k m h 时，未装配汽车e s p 的车辆行驶状态极不稳定，试验无法继续进行。 b 装配汽车r s p 的车辆 在车速达到9 5 k m h 时，装配汽车e s p 的车辆与未装配汽车e s p 的车辆行 6 武汉理工大学硕士学位论文 驶性能完全一样。因为此时车辆已经达到了稳定行驶的极限车速，故驾驶员无 法进一步提高车速。汽车e s p 此时利用发动机干预使车辆的驱动转矩限制在一 定的范围。此外，汽车e s p 可对相应车轮进行全主动制动，使车辆的不足转向 趋势减到最小，驾驶员可通过适当的方向盘转角进行转向修正。此时车辆控制 回路中的一个重要的环节就是驾驶员对车辆方向盘的操纵。汽车e s p 的控制逻 辑和其液压系统的动态特性将直接影响车辆的稳定行驶状态。 正因为汽车e s p 能较大提升汽车的主动安全水平，其装备量近些年急剧增 加。德国大众公司从2 0 0 0 年开始在其几乎所有车型( 轿车) 上提供e s p 作为选装 件；戴姆勒克莱斯勒、福特和通用公司也在其新车型中将e s p 作为选装件；2 0 0 2 年约1 3 的欧洲产轿车装有e s p 系统；德国b o s c h 公司在2 0 0 3 年底已累计生 产e s p 系统近一千万台；在2 0 0 6 年，美国国家公路交通安全委员会和交通部规 定：车重一万磅以下的所有2 0 0 9 年产的新车都要将汽车e s p 作为标准配置，美 国本土销售的所有新车到2 0 1 1 年9 月都必须将汽车e s p 作为标准配置。据美国 国家公路交通安全委员会的研究数据表明，上述措施的实行将每年使汽车交通 事故丧生的人数减少5 3 0 0 到l0 3 0 0 人。可见开展对汽车e s p 的研究不仅可以减 少交通事故死亡率，而且可减少交通事故的发生概率，带来社会效益和经济效 益。 汽车e s p 主要由液压系统、传感器和e c u 三部分组成，其工作性能和控制 品质不仅与传感器和电子控制单元的控制逻辑有关，而且还与其液压系统的动 态特性紧密相关。汽车e s p 液压系统由多个液压元件组成，在电子控制单元e c u 的控制下各液压元件协同工作，为实现对车辆运行状态的主动干预，根据车辆 的不同行驶状态，对相应车轮施加液压制动力。汽车e s p 液压系统作为执行机 构，是一个在短时间内完成动态响应的高速响应系统。为保证e s p 系统工作可 靠性和控制精度，而进行其液压系统动态特性的研究是十分必要的【。 1 2 汽车e s p 系统研究现状 汽车e s p 是在汽车a b s 和t c s 的基础上发展起来的。各研究机构和汽车厂 商对汽车电子稳定性控制系统的命名不同，比方日产公司称为v d c ( v e h i c l e d y n a m i c sc o n t r 0 1 ) ，宝马和马自达称其为d s c ( 动态稳定控制系统，d y n a m i c s s t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) ，奥迪、大众汽车、菲亚特、戴姆勒一克莱斯勒称之为e s p ，美 国f m v s s l 2 6 则称其为e s c ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) ，其中用的最为普遍的 7 武汉理工大学硕十学位论文 是e s p 。b o s c h 作为e s p 的发明者早期也称之为v d c 2 1 ，b o s c h 的工程师早在 1 9 8 3 年就通过优化a b s 的控制来增加车辆行驶时的稳定性，并在1 9 8 7 年申请 专利。b o s c h 和戴姆勒克莱斯勒公司于1 9 9 1 年开始合作，在1 9 9 2 年建立联合 项目基地，1 9 9 5 年电子稳定性控制系统开始批量生产，并首次应用于奔驰s 级 轿车。e s p 的成功之处在于其令人折服的功能和显著提高的安全性能。在接下来 的几年中，b o s c h 不断优化e s p 系统的功能和设计，e s p 系统第七代于1 9 9 8 年 推出，2 0 0 2 年，b o s c h 公司推出的第八代e s p 将以往e s p 的重量减少接近6 0 ， 从5 6 k g 减少到2 3 k g ，最轻的第九代e s p 系统仅重1 6 k g ，现如今汽车e s p 已发 展至第九代。 为解决汽车稳定性问题，在a b s 和a s r 的基础上改进其算法便是最初的汽 车稳定性控制概念【2 】，但此时还不能称其为汽车电子稳定性控制系统；汽车稳定 性控制概念最早出现在2 0 世纪9 0 年代初期，在对车辆稳定性进行理论分析的 基础上，提出直接对汽车横摆运动进行控制的概念，驾驶员的转向意图通过采 集方向盘转角来判断，汽车的横摆运动通过分配车轮上的制动力或驱动力来调 节，这样就能直接保证汽车的稳定性【3 】；但此时是通过内外车轮的轮速差问接计 算得到汽车的横摆角速度，汽车的稳定性在复杂工况下就很难保证。新一代的 汽车电子稳定性控制系统在1 9 9 5 年后随着丰田、宝马、b o s c h 、福特等公司使 用侧向加速度传感器和横摆角速度传感器而出现，并确认了汽车稳定性控制的 基本形式；此时，出现的大量汽车稳定性控制算法都是基于这种组成结构的【4 巧】， 比较典型的控制方法是b o s c h 的v d c ，汽车的横摆力矩通过车辆实际运行状态 和理想运行状态的误差反馈来决策，汽车横摆运动的调节是采用对发动机的控 制或差动控制睁8 1 ，现在汽车稳定性控制也是常用这一控制方法；近年来汽车稳 定性控制的热点是将不易测量的汽车或路面状态通过可测量的状态推测，这是 因为传感器并不能完全将汽车运行状态进行测量【9 。2 1 ，可喜的是控制系统的可靠 性因为大量状态估计方法的出现而大大改善。h 。优化控制理论、自适应滑模控 制方法、l q r 控制方法就是现在学者通过现代控制理论进行的汽车稳定性控制， 并取得了一定的控制效果【1 3 。6 j 。 对于汽车e s p 的研究在国内还处于起步阶段，只有少数学者进行了控制方 法的仿真研究，也只是停留在理论分析阶段【1 卜2 0 1 。吉林大学的王德平、郭孔辉 等人研究了a b s 与e s p 的结合与切换问题，提出稳定性判别准则；中国重型汽 车集团公司的程军等人用模拟方法研究了车辆动力学控制系统，采用闭环的车 辆侧偏角和横摆角速度控制，用它们之问的向平面确定控制策略；同济大学张 武汉理工大学硕士学位论文 成宝等人采用了最优控制。 1 3 汽车e s p 液压系统动态特性研究现状 液压系统由一平衡状态到达另一新的平衡状态的过程中表现出来的特性即 是液压系统的动态特性。外界干扰或者是控制系统和传动的过程变化都可引起 液压系统动态过程变化。稳定性问题和过渡品质问题是研究液压系统动态特性 的两个主要问题。稳定性问题是指容腔或管道内压力瞬间峰值和波动情况，主 要研究液压系统经过动态过程后，是形成持续震荡还是达到新的平衡，或是否 因为压力峰值过高产生压力冲击；过渡品质问题则是指液压元件的响应速度和 响应品质，主要分析液压系统到达稳定状态经历的时间以及到达压力峰值的时 间和位移、速度随时间的变化。 液压系统动态特性的研究方法主要有数字仿真法、实验研究法、模拟仿真 法和控制理论法 2 4 - 2 7 。其中，数字仿真方法是以现代控制理论为基础，首先建 立液压系统数学模型，其次通过电脑对液压系统数字仿真，计算出液压系统的 稳定性和动态特性。该方法分析液压系统动态特性经济、可靠、精确、适应性 强，可分析非线性和线性系统，并模拟任何输入函数下系统参变量随着时间的 变化规律；实验研究法分析液压系统动态特性的费用较大，需要的时问较长， 并且不具有通用性，但它可以真实、直观地反应液压系统参数与动态特性的变 化；模拟仿真法采用模拟电路或者模拟计算机来研究液压系统动态特性，该方 法将液压系统的物理量用电压量进行表示，然后连续运算，得出描述液压系统 动态特性的微分方程，此方法运算精度较低；控制理论法为了得到传递函数需 要对将要分析研究的液压系统的物理方程进行拉氏变换，得到的传递函数用伯 德图进行表示，液压系统动态响应特性则是采用相频曲线( 或者是幅频曲线) 进行分析，此方法具有较大的局限性，它只能对线性液压系统系统进行动态特 性分析。 自从计算机数字仿真技术用于液压系统设计，液压系统动态特性研究便进 入了信息化设计的新时代。h y d s i m 软件是c k s m i t h 等人在美国俄克拉合玛州 立大学于1 9 7 3 年开发的第一个专用液压仿真软件【2 8 】；d s h 是w b a c h e 等人在德 国哑琛工业大学开发的液压系统仿真软件包；h a s p 仿真软件包是d e b r o w n 教 授在英困巴斯大学丌发的【2 0 1 。它们都能够实现液压系统动态仿真模型的自动 建模，并且具有非线性模型和面向原理图建模等优点。h a s p 与d s h 将液压技 9 武汉理工大学硕士学位论文 术领域内的仿真技术带进了新的阶段。随后一系列液压仿真软件相继推出，例 如，h o p s a n 、c a t s i m 、p e r s i m 、a f s s 仿真软件包等仿真软件分别由瑞典林 平大学、芬兰坦培尔工业大学、美国俄克拉合玛州立大学、美国麦道公司推出 3 1 - 3 3 1 。以上软件无论是从功能和程序结构还是建模原理上都没有超出h a s p 和 d s h 的基本模式。h a s p 的升级版b a t h f p 和d s h + i 9 l i j 试版本分别由英国巴斯 大学和德国亚琛工业大学于1 9 9 2 年和1 9 9 4 年推出【3 4 j 。 7 0 年代末，我国开始进行液压仿真技术的研究。哈尔滨工业大学引入智能技 术，研发了液压系统原理图智能仿真软件；华南理工大学采用液压系统自动仿 真技术研发了c h i s p 软件；上海交通大学研发了h y c a d 软件，使仿真数学模 型能够从计算机屏幕上直接生成液压原理图；大连理工大学采用b a s i c 语言编 写了s i m 1 软件；此外，武汉理工大学、北京航空航天大学等都开展了相关研 究工作，并取得了一定的成果 2 4 之7 1 。 1 9 9 5 年法国i m a g i n es a 公司推出a m e s i m 软件，此款软件已被广泛应用， 主要用于机械、液压领域【3 5 1 。该软件将类似功率键合图法作为基本建模方法， 但却更先进一些。a m e s i m 软件建立的系统模型能直观反映工作原理，不限制 元件传递的数据个数，反映系统功率流动和软件负载效应；a m e s i m 仿真软件 最大的优点在于对方程特性的监视，并为能获得最佳仿真结果而自动变换积分 算法；a m e s i m 能为方程求解提供有效的求解环境，提高微分方程求解效率， 这些方程包括：微分一代数方程、偏微分方程、普通微分方程、代数方程等； a m e s i m 可与m a t l a b s i m u l i n k 之间进行联合仿真，使用m a t l a b s i m u l i n k 的控制器设计工具进行液压系统仿真，此外，a m e s i m 软件也常与a d a m s 软 件进行联合仿真。 各国学者自汽车e s p 发明以来对其液压系统动态特性作了大量的研究工作。 t a k a t o s h in i s h i m a k i 基于二自由度汽车模型开发了液压调节器控制器，并建立液 压系统状态方程【3 6 】；s e u n g - h a ny o u 在液压系统经验模型的基础上对液压系统进 行了时域分析【3 。7 】；h e r b e r ts c h u e t t e 对液压系统控制阀的响应情况进行的测试， 主要基于硬件在环技术【3 8 】；a l d os o m i o t t i 对液压系统元件在p o l i t e c n i c od it o r i n o 硬件在坏制动实验台上进行了测试【3 9 】。国内对汽车e s p 的研究才刚刚起步，对 于其液压系统动态特性的研究更是少之又少。研究机构主要集中在高等院校， 如