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类菱形车行车制动性能研究 摘要 制动系统作为汽车的子系统之一，其性能直接关系到车辆的安全性。汽车的 制动性能主要受轮胎与路面的附着条件以及汽车各车轮制动力分配的影响。本文 以类菱形车为研究对象，分析其制动性能并对其制动系统的设计方法进行研究。 针对类菱形车独特的底盘布置特点以及考虑相关制动工况，建立了类菱形车 整车制动过程中的数学模型。该模型考虑到了在紧急制动过程中整车的纵向运动 和横向运动。并且针对类菱形车紧急制动过程中可能遇到的方向稳定性问题，考 虑了外在干扰力，干扰力矩，风阻以及弯曲运动时的离心力等因素，为类菱形车方 向稳定性能的分析和制动系统的设计打下基础。应用虚拟样机技术建立了类菱形 车整车动力学模型。其中包括前悬模型、中悬模型、后悬模型、轮胎模型、转向 系统模型以及车身模型。并且应用m a t l a b s i m u l i n k 建立了整车的制动系统模型。 最后将a d a m s 和s i m u l i n k 联合起来，构建类菱形车整车制动系统的联合仿真模型 并进行了仿真分析。分析该车在前轮、中轮、后轮分别单独抱死以及两根车轴抱 死的情况下的方向稳定性能。并且应用该模型分析车速以及不同车轴抱死的时间 间隔对方向稳定性能的影响。为整车制动系统的设计提供理论依据。 根据整车制动系统数学模型以及对方向稳定性的仿真结果，研究出针对于类 菱形车的制动系统设计方法。其中包括根据轴荷分配对整车质心位置的确定，理 想制动力曲线( 双i 曲线) 和实际制动力分配曲线( 双b 曲线) 的计算，各轴制动 力比例系数的确定以及最后对根据实车参数确定的制动力分配合理程度进行分 析，计算出该车的前后轴利用附着系数，并绘制曲线与国标要求进行比较，结果 表明该车的利用附着系数达到国家标准要求。 整个工作系统地研究了类菱形车的制动性能，对类菱形车制动系统的设计， 提高该车的整车制动安全性具有重要的意义。 关键词：类菱形车：制动；方向稳定性；仿真；设计 硕十学位论文 a b s t r a c t a st h es u b s y s t e mo fc a r ，t h ep e r f o r m a n c eo fb r a k i n gs y s t e mi sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h ev e h i c l es a f e t y t h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ei sm a i n l ya f f e c t e d b yt h et i r e s ，r o a d c o n d i t i o n sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fb r a k i n gf b r c eo nt h ew h e e l b a s e do nt h ed i a m o n d c a r ，w ea n a l y s e dt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n ds t u d yh o wt od e s i g nt h eb r a k i n gs y s t e m f o rt h ed i a m o n dc a r a c c o r d i n gt ot h ed i a m o n dc a r su n i q u ec h a s s i sa n dc o n s i d e rt h eb r a k ec o n d i t i o n ， w ee s t a b l i s h e dt h eb r a k i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sm o d e lc o n s i d e r st h el o n g i t u d i n a l m o t i o na n d1 a t e r a lm o v e m e n ti ne m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o n a i ma tt h ed i r e c t i o n s t a b i l i t yp r o b l e m ，c o n s i d e r i n g t h ee x t e r n a ld i s t u r b a n c e ，e x t e r n a l t o r q u e ， w i n d r e s i s t a n c ea n dc e n t r i f u g a lf o r c e ，a l lo ft h i se s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nt h e o r yf o rt h e d i a m o n dc a r t h ea p p l i c a t i o no fv i n u a lt e c h n 0 1 0 9 ye s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c sm o d e l f o rt h ed i a m o n dc a r i n c l u d i n gt h ef r o n ts u s p e n s i o nm o d e l ，t h em i d d l es u s p e n s i o n m o d e l ，t h er e a rs u s p e n s i o nm o d e l ，t h et i r em o d e l ，t h es t e e r i n gs y s t e mm o d e la n dt h e v e h i c l eb o d ym o d e l a n dw ea l s oe s t a b l i s h e dt h ev e h i c l eb r a k i n gs y s t e mt h r o u g ht h e m a t l a b s i m u l i n k f i n a n y ，c o n s t r u c t e dt h ed i a m o n dc a r sc o m b i n es i m u l a t i o nm o d e l a n ds i m u l a t e dt h r o u g ht h ea d a m sa n ds i m u l i n k b yt h ec o m b i n es i m u l a t i o n ，w ec a n k n o wt h ed i r e c t i o ns t a b l i l i t yo ft h ed i a m o n dc a rw h e ne a c ho ft h ew h e e la x l ei sl o c k e d o rt w ow h e e la x l e sa r el o c k e d w ea l s oc a nk n o wl o c ki n t e r v a lb e t w e e nt h ea x l e sa n d t h ev e h i c l es p e e d si n f l u e n c et ot h ed i r e c t i o ns t a b l i l i t y p r o v i d et h et h e o r yg u i d a n c e f 0 rb r a k es y s t e md e s i g no ft h ed i a m o n dc a r a c c o r d i n gt ot h eb r a “n gm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w eg e t t h ed e s i g nw a yo ft h ed i a m o n dc a r sb r a k es y s t e m i n c l u d i n gh o wt oc a l c u l a t et h e c e n t e ro fm a s sb yl o a d i n gd i s t i b u t i o n ，h o wt oc a l c u l a t et h ei d e a lb r a k i n gf o r c ec u r ve ! ( d o u b l eic u r v e ) ，h o wt oc a l c u l a t et h ea c t u a lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nc u r v e ( d o u b l e bc u r v e ) ，a n dh o wt oc a l c u l a t et h eb r a k er a t i o f i n a l l ya n a l y s e dt h eb r a k ef o r c e d i s t r i b u t i o nr e a s o n a b l e n e s s t h ew o r ks y s t e m a t i c a l l ys t u d y e d t h eb r a k i n gp e r f o r m a n c 弓o ft h ed i a m o n dc a ra n d h o wt od e s i g nt h eb r a k es y s t e mf o rt h ed i a m o n dc a r ，i t ss i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e b r a “n gs a f e t y k e yw o r d s ：d i a m o n dc a r ；b r a k i n g ；s t e e rs t a b i l i t y ；s i m u l a t i o n ；d e s i g n ； i i i 类菱形车行车制动性能研究 插图索引 图1 1 国外所研究类菱形概念车3 图1 2 菱形车底盘布置结构3 图1 3 汽车制动系统基本结构：4 图1 4b o s c h 公司的a b s 控制器6 图1 5a b s 示意图6 图1 6b o s c h 公司的e s p 发展示意图7 图1 7e s p 使用效果图7 图1 8t r w 公司的e p b 8 图2 1 车辆运动坐标系l o 图2 2 正常行驶与减速制动不同状态比较1 1 图2 3 制动时整车纵向受力图1 2 图2 4 制动过程中车身变形示意图1 3 图2 5 干扰力作用于质心的方向1 4 图2 6 直线制动时类菱形车各轴载荷与制动减速度的关系1 4 图2 7类菱形车侧倾刚体模型1 5 图2 8 考虑悬架刚度后的侧倾模型1 6 图2 9 制动时整车转动半径1 8 图2 1 0制动时整车横向受力1 9 图2 1 l 车轮制动时纵向受力2 0 图3 1 类菱形车虚拟样机坐标2 6 图3 2 前后悬架模型2 7 图3 3 中悬架模型2 7 图3 4 转向系统模型2 8 图3 5 创立系统状态变量3 3 图3 6 输入参数的设置3 3 图3 7c o n t r o l s 模块参数设定3 3 图3 8m a t l a b 命令窗口所显示模型变量3 4 图3 9a d a m s s y s 系统结构图3 4 图3 1 0a d a m ss u b 模块3 4 图3 1 l 参数修改3 4 图3 1 2 联合仿真模型框图。3 4 图4 1 后轮先抱死时的受力情况3 7 v i 硕士学位论文 图4 2 附着系数曲线3 7 图4 3 前轮先抱死时的受力情况3 8 图4 4 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n ，前轮抱死时整车航向角变化情况4 0 图4 5 前轮抱死时受力分析4 0 图4 6 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n ，中轮抱死时整车航向角变化情况4 1 图4 7 中轮抱死时受力分析4 1 图4 8 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n ，后轮抱死时整车航向角变化情况4 2 图4 9 中轮抱死时受力分析4 2 图4 1 0 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n ，前三轮抱死时整车航向角变化情况4 3 图4 1 l 前轮与中轮抱死时受力分析4 4 图4 1 2 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n 后三轮抱死时整车航向角变化情况4 5 图4 1 3 后三轮抱死时整车受力情况4 5 图4 1 4 车速6 0 k m h ，干扰力3 0 0 n ，前轮和后轮抱死时整车航向角变化情况4 6 图4 1 5 前后轮抱死时整车受力情况4 6 图4 1 6 车速6 0 k m h ，干扰力矩5 0 0 n m ，前轮抱死时整车航向角变化情况4 7 图4 1 7 车速6 0 k m h ，干扰力矩5 0 0 n 皿，中轮抱死时整车航向角变化情况4 7 图4 1 8 车速6 0 k m h ，干扰力矩5 0 0 n m ，后轮抱死时整车航向角变化情况一4 8 图4 1 9 车速6 0 k m h ，干扰力矩5 0 0 n m ，前三轮抱死时整车航向角变化情况4 8 图4 2 0 车速6 0 k m h ，干扰力矩5 0 0 n m ，后三轮抱死时整车航向角变化情况4 9 图4 2 1 干扰力作用下不同车速对方向稳定性的影响5 0 图4 2 2 干扰力矩作用下不同车速对方向稳定性的影响5 0 图5 1 菱形车质心计算5 3 图5 2 类菱形车在各种路面上的制动器理想制动力分配曲线5 5 图5 3 类菱形车的双i 曲线与p 曲线5 6 图5 4 只有前轮抱死时的前轮地面制动力与中轮地面制动力关系曲线5 8 图5 5 只有中轮抱死时的中轮地面制动力与前轮地面制动力的关系曲线5 9 图5 6 只有中轮抱死时的中轮地面制动力与后轮地面制动力的关系曲线5 9 图5 7 只有后轮抱死时的中轮地面制动力与后轮地面制动力的关系曲线。6 0 图5 8 在附着系数为0 7 的路面上整车制动情况6 0 图5 9 在附着系数为o 5 的路面上车轮抱死情况6 2 图5 1 0 在附着系数为o 9 的路面上车轮抱死情况分析6 2 图5 11 类菱形车利用附着系数与制动强度的关系6 4 图5 1 2 类菱形车利用附着系数与国标规定利用附着系数的比较6 5 图5 1 3 传统汽车制动管路常见布置型式6 8 图5 1 4 类菱形车制动管路布置6 9 v i i 类菱形车行车制动性能研究 图5 1 5 类菱形车实际利用附着系数与国标规定利用率系数比较示意图7 1 图5 1 6 驴2u 7 的路面上，干扰力作用下，整车横向位移7 1 图5 1 7 伊2u y 的路面上，干扰力作用下，整车横向位移7 2 图5 1 8 矿2u 7 的路面上，干扰力矩作用下，整车横向位移7 2 图5 1 9 伊2u y 的路面上，干扰力矩作用下，整车横向位移7 2 图5 2 0 伊2u 7 的路面上，干扰力作用下，整车行程7 3 图5 2 1 缈2u y 的路面上，干扰力作用下，整车行程7 3 图5 2 2 缈2u 7 的路面上，干扰力矩作用下，整车行程7 4 图5 2 3 伊2u y 的路面上，干扰力矩作用下，整车行程7 4 i i 硕士学位论文 附表索引 表3 1 类菱形车整车技术参数2 5 表3 2 不同轮胎特性以及应用范围2 9 表3 3u a 轮胎模型所需特性参数3 0 表3 4 类菱形车整车模型自由度分析：3 0 表4 1 不同车轮抱死时间间隔对稳定性的影响5 0 表5 1 制动法规列举5 3 硕十学位论文 1 1 所选课题的研究背景 第1 章绪论 随着近年来我国汽车工业的快速发展，人民生活水平的不断提升，以及国家 对高速公路，乡村公路等建设的大力投入，汽车已经走入千家万户，成为人们日 常生活中重要的一部分。由于我国汽车的保有量不断增加，道路上车流的密集化 和车辆速度的高速化，交通安全问题也日益突出。交通安全问题已成为我国乃至 全世界一个严重的社会问题，引起了世界各国的高度重视。特别是在我国汽车市 场不断壮大、产销量不断攀升的同时，车辆行驶安全性问题已经成了令所有人十 分关注的焦点。而据有关机构调查显示，在交通事故中，很多都是由于车辆的制 动性能不良所引起的。在紧急制动过程中，经常会出现制动跑偏、后轴侧滑或前 轮失去转向能力而使汽车失去控制离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方车辆 行驶轨道、滑下水沟、山坡的危险情况【l 】。所以制动跑偏、侧滑与前轮失去转向 能力等制动性能不良是造成交通事故的重要原因。在对我国高速公路上发生的大 量事故进行统计分析的结果表明：由车辆制动性能不足或制动失效等而导致的追 尾、制动跑偏、甩尾等等恶性交通事故所占比例达到3 0 。据安徽省1 9 9 5 年的数 据统计表明，在由车辆本身原因而导致的3 18 起交通事故中，由于制动不良引起的 事故达到了1 2 0 起，由于制动失效等引起的事故达到了1 0 7 起【2 】。据德国联合保险 协会和b o s c h 公司的研究数据表明：2 5 造成严重伤害的交通事故和6 0 引起死 亡的交通事故都是由于车辆侧滑所致【3 j 。由此可见，改进车辆的制动性能，并对 汽车的制动性能进行全面的理论和试验研究，不断提高车辆制动系统性能，提高 汽车的主动安全性具有很强的现实意义。可以切实提高车辆行驶的安全性，减少 由于车辆原因而导致的交通事故的发生概率，具有积极的社会效益和明显的经济 效益。 汽车行驶时能在短距离内停车并且维持方向稳定性和在下长坡时能维持一定 车速的能力就是汽车的制动性【4 】。汽车的制动性主要由下列三方面来评价： 1 ) 制动效能( 制动距离与制动减速度) ； 2 ) 制动效能的恒定性( 抗热衰退性能) ； 3 ) 制动时汽车的方向稳定性( 制动时不发生跑偏，侧滑和失去转向能力的性 能) 。 其中，制动效能的恒定性，即抗热衰退性能以及水衰退问题主要和行车制动 器结构以及与制动器中摩擦片摩擦材料性能相关。在本次类菱形车制动系统设计 类菱形车行车制动性能研究 与性能研究中，由于行车制动器采用目前传统汽车底盘行车制动器的结构型式与 摩擦材料，因此对类菱形车制动效能的恒定性不进行相关研究与分析。仅对类菱 形概念车制动性中的制动效能以及制动时的方向稳定性进行相关研究，其中重点 对制动时的方向稳定性问题进行研究。 汽车方向稳定性一般指汽车在制动过程中维持直线行驶或按驾驶员预先设定 弯道行驶的能力。汽车试验中常规定一定宽度的试验通道( 如1 5 倍车宽或3 7 m ， 我国国标规定为2 5 m ) ，制动时方向稳定性合格的车辆，在试验过程中不允许产生 不可控制的效应使它离开这条通道。( 我国国标规定在初速为5 0 k m h 时进行制动不 允许偏出2 5 m 通道【5 1 ) 。在汽车制动时稳定性中，“跑偏”是指制动时汽车自动向左 或向右偏驶。“侧滑”是指制动时汽车的某一轴或两轴同时发生横向移动。最危险 的情况是在高速制动时发生后轴侧滑，此时汽车非常容易发生不规则的急剧回转 运动而失去控制。传统汽车跑偏与侧滑是有联系的，严重的跑偏有时会引起后轴 侧滑，而易于发生侧滑的汽车也往往有加剧跑偏的趋势。前轮失去转向能力是指 弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出，直线行驶制动时， 虽然转动转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象。对于传统汽车来说失去转向能 力和后轴侧滑也有联系的，一般如果汽车后轴不会侧滑，前轮就可能失去转向能 力，后轴侧滑，前轮常仍有转向能力。 汽车的制动效能是指汽车迅速停车的能力。评价制动效能的指标主要是制动 距离和制动减速度。其中制动距离与车辆载荷、制动踏板力、路面附着条件、发 动机是否结合等许多因素相关。另外，由于制动器存在热衰退现象，因此制动距 离也与制动器的热状况关系密切。制动减速度主要反映地面制动力的大小，因此 与制动器的制动力( 车轮滚动时) 和地面附着力( 车轮抱死拖滑时) 相关。在评 价汽车的制动效能时，由于瞬时减速度曲线形状比较复杂，很难用某一点的数值 来表达，因此，我国汽车行业标准均采用平均减速度的概念。即 知志弘衍 口= l a l r i 讲 ，2 一n j 式中，为压力达到7 5 最大压力( p m a x ) 的时刻，t 2 为停车时总时刻2 3 的 时刻。 而e c er 1 3 和g b 7 2 5 8 采用的是充分发出的平均减速度( 坍s 2 ) 舢：竖二盟一 2 j 9 2 ( 以一剐 式中，为0 8 时的车速( k m h ) ，为起始制动车速( k m h ) ，心为0 1 时的车速( k m h ) ，既为到车辆所经过的距离( m ) ，墨为到“。车辆所经 过的距离( m ) 。 本次课题中所研究的对象是根据钟志华院士基于碰撞安全性，机动性，燃油 硕士学位论文 经济性方面的考虑提出的类菱形车，并首次系统地将类菱形底盘布置应用于家用 轿车和客车。在设计上充分考虑到了我国的城市道路、交通、能源、生态环境以 及普通百姓收入情况。在整车的外形、结构布置、动力、电气系统等方面进行了 大量创新的工作，力争在安全性、灵活性、操纵性、环保、节能、和舒适性等方 面有所突破【6 1 。目前全世界已知的有一位意大利的工程师将该布置形式应用于赛 车上，以及另外一位工程师将该底盘布置形式应用于一种新能源概念车上面。如 图1 1 所示。 图i 1 国外所研究类菱形概念车 图1 2 菱形车底盘布置结构 1 一前轮2 一前悬架 3 一转向系统4 一中轮5 一中悬架仁后悬架7 一后轮8 一质心 类菱形车底盘布置型式如图1 2 所示，与传统汽车底盘两轴前后各布置一轴 的型式相异，该车分为前、中、后三轴的布置型式。其中前轮和后轮采用单轮布 置，车辆的中部左、右各有一个车轮。在整车布置中，发动机和乘员的质量主要 集中在中部，两个中间车轮共承载约6 0 的载荷，前车轮承载约2 5 的载荷，后 车轮承载约1 5 的载荷。前、后车轮联动转向，中间车轮负责驱动。在这种设计 中，由于前、后车轮联动转向，而不是与常规汽车一样两个前轮进行转向，因此 可减小车辆转弯半径，增加了车辆的灵活性，方便汽车在拥挤，狭窄的道路中进 行转向。另外由于中间车轮承担整车的大部分载荷，因此与同等整车载荷的传统 汽车相比较，在同样路面工况下，可增大加速时驱动轮与地面的附着能力，汽车 的加速性能得以提高，同时使得车辆结构更加紧凑【7 j 。 类菱形车行车制动性能研究 一款新车型的开发需要众多经验丰富的设计人员，加工制造人员，试验人员 以及管理人员的分工协作才能很好的完成，工程复杂并且庞大。绝非区区数人可 以完成。而自从类菱形车这个课题提出并一直持续开发至今，还未对该车的制动 性能做过系统的分析与研究以及对该车的制动过程进行详细而深入的理解，在设 计时按照传统汽车的设计方法进行研究，而在实际的行驶过程中出现过跑偏等制 动问题。因此本文仅仅针对该概念车的制动性能方面进行研究，力争对类菱形车 的制动性能，制动过程，以及制动系统的设计进行透彻的分析和理解，提高类菱 形车的制动性能。但是由于类菱形车与传统汽车结构相差较大，具有不少新的特 性，尤其是其底盘四个车轮呈菱形状布置，与传统汽车存在很大差别，传统汽车 的底盘性能分析以及设计方法已经不能完全适用于类菱形车的底盘设计与分析。 因此，必须对其制动性能进行重新研究。分析类菱形车在制动时是否会出现传统 汽车制动时出现的相关问题，在何种情况下会出现这种问题，如何避免这种问题 的出现。最后便研究针对这种特殊底盘制动系统的设计方法，提高类菱形车的制 动性能。 1 2 国内外汽车制动性的研究概况 从汽车诞生开始，随着车速的不断提升，消费者对车辆安全性能的日益重视， 车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组 简单的机械装置向制动器施加作用力。由于这时车辆的质量比较小，速度比较低， 机械制动基本能满足车辆制动的需要。 】234 5 图1 3 汽车制动系统基本结构 l 一制动盘2 一制动卡钳3 一制动总泵4 一真空助力器5 一制动踏板仁液压管路 但随着汽车质量和速度的增加，这种简单的机械制动系统已不能满足车辆制 动的要求了，光靠人力来制动效果已经大大有限。助力装置对车辆制动系统来说， 已显得十分必要。这时便在英国最先出现真空助力装置。第一个现代化的真空助 力器出现在1 9 2 8 年的p i e r c e a r r o w 牌轿车上。1 9 3 2 年生产的卡迪拉克v 1 6 车四轮 硕l 学位论文 采用的鼓式制动器也有制动踏板控制的真空助力装置。随着科学技术及汽车工业 的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动时继机械制动后的又一重大革新。通 用和福特分别与1 9 3 4 年和1 9 3 9 年采用了液压制动技术。在5 0 年代中期，液压制动 器开始用在法国雪铁龙轿车上和一些赛车上。从这时开始直至如今，汽车制动系 统结构形式基本确定下来。即由制动踏板，真空助力器，制动总泵，储液罐，制 动油路，制动器所组成。基本结构如图1 3 所示。 随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱死制动系统 的使用和推广。防抱死制动系统( a b s ) 作为一种开发时间长、推广应用迅速和目 前较为有效的安全部件，己经成为中高级轿车和载重车的标准装备。早在1 9 2 8 年， 防抱死理论就被提出。1 9 4 3 年防抱死系统开始应用在铁路机车上，5 0 年代初应用 于对安全性能要求高而对价格不十分敏感的航空工业上，为客机起降而研制的【引。 1 9 5 1 年g 0 0 d y e a r 航空公司将a b s 装于载重车。但这一阶段控制部分主要是机械式 的，工作很不可靠。直到上世纪6 0 年代末和7 0 年代初，美国三大汽车公司分别推 出了装有a b s 的高级轿车，但由于受当时技术条件的限制，a b s 采用了模拟计算 机与真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上出现了很多问题，美国汽车 制造厂家不得不在7 0 年代终止了a b s 轿车的生产1 9 】。但直到7 0 年代末，随着电子 技术的发展，关于a b s 的研究才有了突破性进展。第一个实际应用于汽车的防抱 死制动器于1 9 6 6 年出现在英国一种名叫j e n s e nf f 的跑车上。默谢苔斯公司在1 9 7 8 年推出了一种更加适用的防抱死制动器。随着计算机和调节器技术的不断发展， a b s 的性能和抗干扰能力不断增强，a b s 在欧洲又重新兴起。在上世纪8 0 年代中 后期和9 0 年代，a b s 在世界范围内得到了广泛地推广和应用，成为在汽车上应用 最成功的电子控制产品之一。大大改善了汽车在制动时的稳定性。林肯汽车分部 于1 9 8 5 年开始大量生产带有防抱死制动器的轿车。到1 9 9 0 年全世界a b s 的生产量 就己经超过了1 0 0 0 万台。在9 0 年代中期以后，世界上主要汽车生产厂家生产的轿 车几乎全部备了a b s ，使得a b s 成为现代汽车的标准装备。1 9 9 5 年美国5 5 的新 轿车装有防抱死制动器，到2 0 0 0 年这个比例达到了1 0 0 【l0 1 。国外防抱死制动系统 的控制技术到目前已经相当成熟。国内的a b s 研究开始于八十年代中期，只有长 春汽车研究所、国营5 1 4 厂、原西安公路学院、交通部重庆公路科研所等少数几家 单位进行了准备性研究。直到九五价段，国家才把汽车防抱死制动系统研究作为 重点攻关项目，清华大学、中国重型汽车技术发展中心、原吉林工业大学、东风 汽车公司等科研院所和单位都从理论和试验上进行了深入的研究，并取得了一定 的科研成果l l 卜1 2 j 。 a b s 系统主要由轮速传感器、电子控制装置( e c u ) 、压力调节器所组成。 如图1 4 所示，图1 5 所示。其中图1 4 为b o s c h 公司的a b s 控制器模块。该模块将电 子控制装置与压力调节器集成在一起，体积很小，质量很轻，非常方便整车设计 类菱形车行车制动性能研究 时的布置【1 3 1 。 图1 4b o s c h 公司的a b s 控制器 图1 5a b s 不惹图 1 一轮速传感器 2 一e c u + 压力调节器3 一真空助力器 上世纪9 0 年代，a b s 的发展经历了t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，牵引力控制 系统) 、e s p ( e l e c t r o n i c a la b i l i t yp r o g r a m ，电子稳定程序) 等阶段。t c s 是通过在汽 车启动时识别驱动轮车速，从而控制发动机驱动力矩，防止驱动打滑的一套控制 系统。而e s p 是通过调节汽车纵向制动力大小及匹配，旨在提高汽车在极限工况 下的操纵稳定性的主动安全系统，并且还可以控制汽车的横向运动。该系统已经 包含了a b s 和t c s 系统，是这两种系统功能的延伸，并且可以对a b s 和t c s 功能进 行协调，从而极大地提高汽车行驶的主动安全性。e s p 系统由传感器、e c u ( 电 子控制单元) 和执行器三大部分组成，在电脑实时监控汽车运行状态的前提下， 对发动机及制动系统进行干预和调控。其工作原理为：在汽车行驶过程中，方向 盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度大小，车速传感器监测车速、节气门传 感器检测节气门开度，制动主缸压力传感器监测各个车轮上的制动压力，而侧向 加速度传感器和横摆角速度传感器则监测汽车的横摆角速度和侧倾速度。e c u 根 据这些信息，通过计算后判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距， 硕士学位论文 然后由e c u 发出指令，调整发动机的转速和车轮上的制动力，如果实际行驶轨迹 与期望的行驶轨迹发生偏差，则e s p 系统自动控制对某一车轮施加制动，从而修 正汽车的过度转向或不足转向，以避免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死， 从而保证汽车的行驶安全【1 4 ，15 1 。图1 5 为b o s c h 公司所开发的e s p 产品示意图，图 1 6 为安装有e s p 的汽车在出现危险情况时的反应效果图。 图1 6b o s c h 公司的e s p 发展示意图图1 7e s p 使用效果图 近1 0 年来西方发达国家又兴起了对车辆线控系统( x b y w i r e ) 的研究，线控 制动系统( b r a k e b y w i r e ) 应运而生，由此展开了对电控机械制动系统 ( e l e c t r o m e c h a n i c a lb r a k i n gs y s t e m ) 的研究。简单的来说电控机械制动系统就 是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速 度、增加制动效能等，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度。因此 结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐，可以预见电 子机械制动系统将最终取代传统的液压制动系统，成为未来车辆的发展方向 【1 6 ，1 7 j 。从2 0 世纪9 0 年代开始，一些国际大型汽车零部件厂商和汽车厂商开始进行 电子机械制动系统的研究。其中以b o s c h ，s i e m e n s ，c o n t i n e n t a lt e v e s 三大公司对该 系统的研究比较深入，都已经研究出样品，并进行多次试验和改进。并申请了一 系列专利【1 8 1 9 】。在1 9 9 9 年法兰克福车展上，德国b o s c h 公司展出了被认为是电子机 械制动系统( e m b ) 前身的电子液压制动系统( e h b ) 。此后，b o s c h 和 d a i m l e r - c l l r y s l e r 公司开始研究用于商业的e h b 系统。目前b o s c h 公司已将其研制的 e h b 应用到2 0 0 4 奔驰c l k 敞篷版、奔驰s l 5 0 0 ，在最新的m a y b a c h 6 2 中也装备了 该系统。t e v e s 公司已经有了比较成型的试验品，已经推出了几代电子机械式制动 执行器【2 0 ，2 1 1 。此外，瑞典的h a l d e x 公司也在大力推进这一技术的发展，并在其基 础上研制出e m b 样机【2 2 1 。美国t r w 公司也在进行电子机械制动控制系统的研究， 该公司在大力发展电子驻车制动部分，已经取得比较大的成果，已将其研制的电 子驻车系统应用到在华生产的奥迪a 6 l 上i z3 。如图1 7 所示。但目前电子机械制动 系统( e m b ) 仍在试验阶段，并无批量装车的产品进入市场，只是在概念车上应 用，如2 0 0 2 a c u r ad n x 概念车【2 4 】。2 0 0 5 年5 月2 1 日，澳大利亚的p b ri n t e r n a t i o n a l l i m i t e d 公司宣布开发出澳大利亚的第一款电子机械制动汽车。c o n t i n e n t a lt e v e s 类菱形车行车制动性能研究 公司与德国d a r m s t a d tu n i v e r s i t yo ft e c h n o i o g y 合作研究了e m b 制动系统模型及 其控制系统模型，进行了系统仿真和装车试验，开始逐步运用到汽车上。目前国 内只有清华大学，南京航空航天大学，同济大学和江苏大学等高校在进行e m b 关 键技术的理论研究工作。 图1 8t r w 公司的e p b 1 3 本文研究的主要内容 一款新型底盘的研发，是一项涉及多学科的庞大工程，需要不同专业，不同 学科的研究人员进行长时间的研究。而对于类菱形车的研究，目前已有研究人员 对该车进行了基本的理论研究，主要对比了类菱形底盘布置和普通轿车底盘布置 的性能，从理论上分析了类菱形车和普通轿车在舒适性和操纵稳定性的上的区别 【7 】。文献 6 】对类菱形车底盘布置车辆进行动力学分析和优化，并且对类菱形车的 悬架进行了系统的研究。文献【2 5 】对类菱形车转向传动机构进行了设计和分析， 文献【2 6 】对类菱形车的整车转向性能进行了分析。本文主要侧重于对类菱形车的 整车制动性能进行系统的研究与分析，为其制动系统的设计提供理论依据。研究 内容安排如下： 第一章主要对汽车制动系统的工作原理、结构特点等进行了分析，并在现有 文献的基础上，分析了汽车制动系统的研究意义与国内外的发展趋势。并且根据 类菱形车的研究现状和实际行驶中所曾出现的问题，确定了本文的主要研究内容。 第二章建立了类菱形车制动系统数学模型。其中包括全部轮胎，悬架，转向 系统在内，总共拥有十五自由度模型。在不影响分析准确性的前提下，对模型做 了一些简化，其中，汽车整车模型简化为做纵向，横向，横摆运动，四轮滚动， 前后转向轮转动，簧载质量侧倾等运动。另外将悬架等效为线性弹簧。在建模的 过程中考虑了行驶过程环境的干扰以及整车发生稳定性问题后的离心力等因素。 简化之后，可利用该数学模型对类菱形车的制动性能进行分析，以及为菱形车制 硕一卜学位论文 动系统的设计提供理论依据。 第三章主要是通过a d a m s 与s i m u l i n k 软件对类菱形车制动系统建立整车多体 动力学模型以及制动系统模型，为第四章的联合仿真分析做准备。 第四章主要是针对第三章所建立的类菱形车多体动力学模型进行联合仿真并 对结果进行分析。通过建立模型并联合仿真，分析出类菱形车在除转向制动工况 下的方向稳定性能，为下一步的制动系统设计提供依据。同时还对质心位置对方 向稳定性的影响，速度对方向稳定性的影响进行了仿真和分析。 第五章根据第四章对整车模型仿真结果的分析，确定出类菱形车制动系统的 设计前提。计算出类菱形车的理想制动力曲线( 双i 曲线) ，实际制动力曲线( b 曲线) ，分析出该车在实际附着系数大于、等于、小于同步附着系数等路面上的详 细制动过程。并计算出该车的利用附着系数并与国标要求进行比较。得出类菱形 车制动系统的设计方法。最后根据整车实际参数得出类菱形车的一组制动系统参 数并对该组参数进行分析。 1 4 本章小结 本章主要分析了类菱形车制动系统的研究背景，国内外汽车制动系统的发展 状况及趋势。另外说明了类菱形车制动系统研究的必要性和重要意义。最后对本 次研究的主要内容进行了简单扼要的说明。 类菱形车行车制动性能研究 第2 章类菱形车制动系统数学模型 在汽车制动性的三项性能指标中，制动效能的恒定性主要与制动器结构以及 摩擦片材料有关，由于类菱形车的行车制动器采用传统汽车的行车制动器，并且 行车制动器技术已经比较成熟，因此在本次课题中不予研究。制动时的制动效能 以及制动时的方向稳定性为制动系统设计主要考虑的两个方面。汽车制动系统设 计的首要目标便是保证汽车在减速过程中的方向稳定性以及获得最小的制动距 离。制动过程中的方向稳定性一般用跑偏、侧滑的程度来进行评价。制动效能在 我国一般用平均减速度来进行评价，并且制动效能主要和汽车制动系统的结构以 及轮胎与路面的附着条件有关，该项性能更多的是通过具体结构上来实现的，该 项性能的测试也是通过实际测试来获得的。而方向稳定性能则与整车的载荷分配， 制动力分配等因素息息相关。并且该项性能的实车试验是非常危险的，在车速较 高的情况下发生方向稳定性问题很容易导致翻车等危险状况【2 7 1 。而由于方向稳定 性与整车的载荷分配、制动力分配相关，因此该项性能是可以通过计算机模拟出 来的。为了解类菱形车在制动过程中的方向稳定性，方便后面章节对整车方向稳 定性进行软件仿真以及对类菱形车在各种路面上制动过程的分析，需要建立类菱 形车的制动系统数学模型。 整车运动过程中的受力模型如图2 3 所示。其中地面和整车上分别固定有绝对 坐标系x y z o 和相对坐标系x y z o ( 图2 1 示) 。相对坐标系固定于汽车非悬挂质量上， 以整车静止时质心铅垂线与车身侧倾轴( 中轴侧倾力矩中心与前轴轮胎接地点连 线) 交点为坐标原点o ，将过。点的水平面与汽车纵向对称面交线定为x 轴，并以前 进方向为正，同一水平面内与x 轴垂直的轴线定为y 轴，以汽车左侧方向为正，根 据右手定则取过。点竖直向上的直线为z 轴。绝对坐标系以汽车初始位置的整车质 心在地面上的投影为原点o ，x ，y 轴过o 点( 在地平面上) ，并分别与汽车在初始位 置时的x ，y 轴相平行，z 轴竖直向上。 图2 1 车辆运动坐标系 硕十学位论文 研究类菱形车的制动性能，涉及到汽车的纵向运动，横向运动以及侧倾运动。 在不影响分析准确性的前提下，对系统做如下假设： 1 ) 类菱形车整车模型简化为做纵向、横向、横摆运动，四轮滚动，前后转向 轮转动，簧载质量侧倾的十自由度模型； 2 ) 在类菱形车制动过程中，质心高度将会发生显著的变化，但根据研究的实 际情况这里认为质心高度保持不变； 3 ) 考虑到悬架系统的复杂性，要计算其动态响应非常复杂，并且悬架系统的 动态响应对仿真的影响精度不大，因此，将悬架等效为线性弹簧； 4 ) 考虑制动过程中的迎风阻力，忽略轮胎的滚动阻