【《汽车ABS液压制动系统模型构建和参数仿真研究》16000字（论文）】

汽车ABS液压制动系统模型构建和参数仿真研究目录TOC\o"1-3"\u第一章引言 第一章引言汽车防抱死系统（AntilockBreakSystem）简称ABS，是现代汽车上必备的主动安全装置之一；其作用是防止汽车在制动时因车轮抱死而在路面上拖滑、转向轮抱死失去转向能力。可以提高汽车在制动时的安全性、避免转向轮失去转向能力以及缩短制动距离。ABS液压制动系统是目前汽车上采用的最多的制动系统。与传统的制动系统相比，ABS液压制动系统具有高速行驶制动时稳定性好、制动距离短、有效的减少轮胎磨损、使用方便、工作可靠等优势。对于汽车而言，ABS液压制动系统的重要性是不言而喻的，装有ABS液压制动系统的汽车不论是在安全性，还是操作稳定性方面与未安装ABS液压制动系统的汽车相比都有很大的提高。ABS液压制动系统主要的研究方法有采用实验和仿真模拟两种；我国最初对ABS液压制动系统的研究主要是以采用实验为主，但是随着计算机技术的发展，越来越多的科研人员、企业等都更倾向于使用仿真模拟，利用AMESim、MATLAB等软件进行仿真模拟，可以缩短研发周期、提高工作效率、减少材料的损耗、提高经济性；采用计算机进行仿真模拟可以避免测试员进行一些危险工况的实地测试，提高了安全性；仿真模拟还可以监测ABS液压制动系统控制器信号传递路径，为进一步研究ABS液压制动系统的控制规律；优化ABS液压制动系统的控制规律提供了技术支持和参考依据。国外对ABS装置研究可以追溯到二十世纪初期。早在二十世纪二十年代末，防抱死理论就被提出[1]。二十世纪三十年代初，机械防抱死系统被开发出来并在火车上使用[2]。在二十世纪三十年代中期，德国的博世公司率先申请了一种带有电磁轮速传感器获防抱死系统的专利权。这项专利的出现和应用是ABS装置发展史上的一个里程碑。二十世纪四十年代左右，国外开发了一种纯机械式ABS制动装置，当时这种防抱死装置仅在少量的汽车上装配还未大范围的推广使用。二十世纪五十年代后半期到60年代，GoodYear公司和HydroAire公司都对防抱死装置进行研究。这种装置是根据轮速传感器测得的车轮减速时的轮速变化，这种装置液压控制采用了一种新技术，按照轮速来调整系统的液压，采用分段式控制。此外，还利用初代的计算机系统进一步提高了ABS装置的性能。模拟电子技术是在二十世纪六十年代才开始逐步的应用到ABS装置上，但由于当时的技术有限、生其成本较高且相对于传统ABS装置可靠性低，无法在汽车上广泛的推广使用。数字式电子控制防抱死制动系统出现在二十世纪七十年代后期。这项技术使得ABS装置有了飞跃式的发展，拉开了现代ABS装置发展的序幕。从二十世纪八十年代以来，ABS装置的大范围推广使用和研发又进入了一个新的发展高潮；在九十年代以后，由于电子技术得到非常大的发展，电子技术在ABS装置上的应用使得ABS得到了快速的发展。在这一时期，成为许多汽车，特别是轿车的重要装置。到二十世纪九十年代中期，美国、德国、日本轿车中装有ABS系统的比例就分别达到55%、50%和85%。其中美国福特汽车公司生产的货车，ABS的装有率达到94%[3]。通用汽车公司在1994年当年生产的汽车基本上全部装有ABS装置。目前，世界上最大的ABS装置生产厂家是德国的博世公司，该公司生产的ABS装置已近被奥迪、雷诺及大众等汽车公司广泛的使用。丰田、本田及三菱等日系车都采用自己本国生产的ABS装置。现阶段，国外开发的ABS系统相关的产品不论是理论模型还是加工工艺都已经非常的稳定、可靠，产品的总体性能也十分可靠。新型制作材料、新型生产技术、新型加工工艺的发展，使得ABS制动系统的设计也逐渐向轻、小等方向发展。ABS产品的整体性能也在不断的发展和提高，主要表现在耐压强度、响应速度、性能稳定等方面。许多研究ABS装置的国外研究实验室，都能够分别对回流泵、ABS装置的电机、液压调节器（增压阀和减压阀、蓄能器）等各个部件的性能进行检测。我国在二十世纪七十年代之后才开始了对ABS装置的研究。我国对于ABS系统的正式研究是从1977年开始。最早的研究机构是长春汽车研究所。二十世纪八十年代初，西安公路大学研制出了一种由集成逻辑电路组成的电子ABS装置，并进行了道路试验。1985年，东风汽车公司将一款德国公司的ABS装置并安装在一辆EQ140型汽车上进行研究。以诺尔公司研制的ABS为基础，研制了一种电控元件。1986年，中国航空部514厂研制出3500-QFBD-2型气动电子ABS，并开始在CA140型载重汽车上安装。这套系统独特之处在于硬件开发上，采用了了一种全新的选路开关。这种开关的主要功能是，驾驶员可以在进行制动之前根据路况做出判断，由驾驶员自己做出选择，这套系统的最大缺点就是系统不能自动识别路况。清华汽车工程系对ABS系统的基础理论层面的知识研究始于二十世纪80年代末期。济南重型汽车集团技术中心与二十世纪90年代中期开始也步入了研究ABS装置的道路，到目前为止，该公司已近自研成功一款16位电子控制器。由于我国ABS装置的研究时间短，已近掌握的技术与德、日、美等发达国家之间有一定的差距。事实上，ABS装置还处于研究和实验层面。ABS制动系统的先进生产制造技术需要牢牢握在手中，而且未来我国生产的ABS制动系统不仅在国内“消化”，还可出口欧美、日本等发达国家。ABS制动装置的从研发到生产销售是一个具有很大潜力的市场。只要我国能够掌握与德、美、日等发达国家媲美的技术，我国的ABS市场会带来无法估量的经济受益。我国ABS研究项目曾列入“九五”规划。2004年5月1日，中国开始实施《中华人民共和国道路交通安全法》，并颁布了一系列与车辆安全性能相关的标准和法规，其中GB72S8-2004《机动车运行安全技术条件》在一定程度上也参考了欧洲经济委员会汽车制动法规：ECER13。对此作出详细规定，要求在规定的车辆上强制安装ABS装置。现阶段我国实施的汽车安全标准法规最新版本为GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》，该项标准于2018年1月1日正式开始实施[4]。到目前为止，ABS装置的结构、稳定性以及安全性能已经走向成熟，但汽车在制动安全方面的技术在今后的研究和发展仍是一个热点，未来的研究方向和发展趋势主要集中在以下几个方面：（1）体积减小，重量降低，方便布置。（2）防抱死系统（ABS）和防滑控制装置（ASR）一体化。（3）防抱死系统（ABS）/防滑控制装置（ASR）与自动巡航控制装置（ACC）集成（4）控制系统总线技术。近年来，国内也有许多科研人员做了许多与汽车ABS液压制动系统相关的研究。李冰林、吕立亚、赵奉奎、张涌基于AMESim对汽车的防抱死制动系统控制进行研究分析[5]。该项目主要是采用PID控制和有限状态机相结合的控制方法,实现对ABS液压制动系统的制动控制；应用AMESim与Simulink对ABS液压制动系统进行联合仿真，分析不同动力粘度的液压油对ABS的影响，结果表明，应用这种控制策略可以使车轮的滑移率控制在最佳滑移率附近。同时，该项研究表明制动液粘度增加会是指定距离加长。王权、周飞虎、岳海姣基于AMESim对整车制动系统进行建模与仿真分析[6]。分别进行轻微制动、常规制动与紧急制动3种制动工况的制动过程进行仿真分析，并将仿真结果与理论计算结果进行对比分析，结果表明，利用计算机仿真得到的结果与理论计算值一致。证明利用计算机建模仿真分析的可靠性，同时也为我国在未来的研发ABS液压制动系统的道路上提供了参考。具有代表性的ABS系统研究机构和院校主要由以下几个：（1）吉林大学的汽车整车动态模拟仿真国家重点实验室有以郭孔辉院士为主要代表的研究团队[7]。郭孔辉院士对ABS研究的结论有以下几点：1）影响轮缸增、减压速率的结构主要因素是电磁阀的节流指数；2）通过模拟分析在各种附着系数的路面上作防抱死制动，由于制动轮缸的压力工作点不同，导致制动轮缸增、减压的速率也不相同；3）制动轮缸的压力状态在切换时存在一定的滞后，防抱死制动的效果受滞后特性会的影响达不到理想状态。（2）清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有以宋健为代表的研究团队。该研究团队在ABS制动系统方面也做了深入的研究；其中，在提高轮速信号抗干扰能力、车轮转速信号异常点的剔除等方面的研究在国内处于领先的地位。该团队对ABS系统研究的结论有：1）建立了ABS液压制动系统的数学模型。利用数学模型开发了一套ABS液压制动系统的车载试验平台，并且已经利用该平台进行实验研究。研究结果表明，仿真结果与试验数据都与理论计算结果相同。证明了该实验平台的合理性和可靠性。2）建立了包含整车、控制器、液压系统等在内的ABS系统仿真模型。汽车行业对于ABS液压制动系统的研究还在继续，本文就是利用AMESim对某轿车的ABS液压制动系统进行建模与仿真分析，通过AMESim对某一款汽车的ABS液压制动系统进行建模仿真分析，通过对正常制动与轻踩制动踏板制动、正常制动与快速踩制动踏板制动、轻踩制动踏板制动与快速踩制动踏板制动进行对比分析，探究影响ABS控制信号的因素。第二章ABS液压制动系统2.1ABS液压制动系统的结构2.1.1ABS液压制动系统的基本结构ABS液压制动系统结构如图2.1所示。ABS液压制动系统主要由踏板力输入机构（制动踏板、真空助力器）、ABS液压系统以及执行刹车任务的执行器（制动器）。ABS液压系统是整车ABS液压制动系统中的最核心部分。ABS液压系统主要由轮速传感器、电子控制单元和执行机构三大部分组成。ABS液压系统的执行机构包括制动主缸、液压调节单元、制动轮缸等液压部件。液压调节单元的组成有：进油阀（又称常开阀或加压阀）、回油阀（又称常闭阀或减压阀）、蓄能器、ABS回油泵、阻尼控制器[8]。液压调节单元的内部结构如图2.2所示。某ABS产品如图2.3所示，主要包括油泵电机、液压调节器和电子控制单元。图2.1ABS液压制动系统结构示意图图2.2ABS液压调节单元内部结构图2.3ABS产品实物图2.1.2转速传感器转速传感器也被称为车轮轮速传感器，是用来检测汽车在行驶过程中车轮转速的一种传感器。对于当代生产制造的汽车而言，车轮转速信息是必不可少的。在整车系统中需要检测车轮轮速信息的系统主要有以下几个：汽车电子稳定系统(ESP)、ABS液压制动系统、自动变速器的控制系统。综上所述，轮速传感器对当下和今后生产制造的汽车都有着至关重要的作用。在现代生产制造的车辆基本都配备了这种轮速传感器，轮速传感器主要有两种：磁电式轮速传感器、霍尔式轮速传感器。图2.4所示的是磁电式轮速传感器；图2.4（a）的极轴采用的是凿式，图2.4（b）的极轴采用的是极柱式。磁电式轮速传感器的研发原理是电磁感应原理，结构组成简单、生产价格低廉、被污泥污染后还可以稳定工作是这类传感器的最大特点，在现代ABS防抱死制动系统的轿车还有很大一部分在使用这种传感器。磁电式轮速传感器也有一些缺点：（2）抗电磁波信号的干扰能力差，尤其是在输出信号输出的振幅值较小时，这种影响更为明显。(a)凿式极轴(b)柱式极轴图2.4磁电式轮速传感器根据霍尔效应原理研发生产的传感器被称作霍尔式轮速传感器，结构如图2.5所示。霍尔式轮速传感器具有如下特点：（1）输出信号输出的是电压信号，其振幅值不会受转速变化的影响；（2）频率响应高；（3）抗电磁波干扰能力强。（a）霍尔式传感器外观（b）霍尔式传感器结构图图2.5霍尔式轮速传感器霍尔式传感器不仅克服了磁电式所具备的缺点，还具有磁电式所不具备的优势，在任何车速下都可以稳定的工作，因此在近现代生产制造的汽车上，ABS系统使用的传感器主要是霍尔式轮速传感器。2.1.3电子控制单元ECUABS制动系统中的电子控制单元ECU(ElectronicControlUnit)实质就是一台微型数字计算机。电子控制单元的组成及功能见表2.1表2.1电子控制单元的组成及功能电子控制单元（ECU）组成功能微型处理器对来自轮速传感器、汽轮的数据进行逻辑计算轮速传感器的输入放大电路将来自轮速传感器车轮转速信号进行放大处理整形电路（RC电路）滤波作用，根据整形电路的连接方式保留的波形；串联在电路中过滤低频波，并联在电路中过滤高频波；运算电路对数字信号按照设定好的计算逻辑进行运算处理电磁阀驱动电路接收控制电磁阀的信号，控制电磁阀执行开、闭操作回油泵驱动电路接收控制回油泵的信号，控制回油泵工作稳压电源电路中电压出现异常的波动，稳压电源迅速响应输出电压使其稳定电源监控电路检测电路的电源是否出现异常信号波动故障诊断电路判断电路是否出现故障，出现故障时控制ABS故障信号灯发亮2.1.4液压调节单元液压调节单元HCU(HydraulicControlUnit)，ABS液压制动系统的执行机构就是HCU。该构件的工作主要是由ABS控制器的控制。当HCU接受到来自ABS控制器的信号后就会根据信号来判断需要那个电磁阀通电，从而实现对制动轮缸中液压油量的变化，最终实现对制动压力的控制。HCU的内部结构爆炸图如图2.6所示，HCU在ABS装置中并不是单独的一个元件，它是与ABS控制器封装共同组成一个复合结构。整个HUC中共有8个电磁阀：四个增压阀、四个减压阀。四个增压阀（进油阀、常开阀）用来连接制动主缸和四个制动轮缸，减压阀（回油阀、常闭阀）用来连接制动轮缸和蓄能器。一个进油阀和一个回油阀共同组成一个制动轮缸的高速开关阀，通过接受来自ABS控制器的信号实现开、闭的切换。图2.6ABS液压调节单元内部结构爆炸图2.2ABS液压制动系统的工作原理2.2.1ABS液压制动系统的基本理论汽车之所以能够向前或向后行驶，这是路面和汽车的轮胎共同作用产生的结果，汽车开始实施制动后，汽车车轮产生的制动力矩会转变成为汽车的制动力。当路面给车轮提供的附着力不足以使制动器执行制动命令时产生的制动力矩被车轮的转矩克服时，车轮就会发生抱死。将汽车行驶的方向作为研究汽车附着力时的正方向，附着力的大小就取决于附着系数和汽车轮胎与路面之间的垂直载荷，即：F=−μ∙Fz（2-式中：F——制动钳回位弹簧压力；μ——附着系数；Fz随着科学技术的发展和对制动系统研究的不断深入，发现轮胎和路面之间的相互后产生的力不仅仅有与汽车轮胎行驶方向相同的单个附着力，而是受到来自两个不同方向的力的作用，分别是作用在车轮纵向的纵向附着力Fx以及在车轮横向的横向附着力Fy。汽车的侧向稳定性就取决于侧向力的大小，而侧向力还受到横向附着系数φy的影响。纵向附着系数φFx=φxFy=φy式中：FxFyφxφyFz制动时车轮的滑移程度一般用滑移率SxSx=Vx式中：SxVxVw——车轮的瞬时圆周速度，Vω——车轮的转动角速度；R——车轮半径。车轮的抱死情况主要分为三种：拖滑（轮胎抱死）、未完全抱死产生边滚边滑、近似于纯滚动。车轮完全抱死，但汽车还在继续行驶时，ω=0，滑动率S=100%；车轮在作近似于纯滚动的行驶时，Vx=ωR，滑动率Sx=0；在未完全抱死作车轮进行边滚边滑行驶时，Vx图2.7滑移率与附着系数的关系图由图2.7可知，纵向附着系数并不是一直增大或一直减小的状态，而是在某一范围内增大或减小，纵向附着系数的变化过程中会出现一个峰值，峰值位置的制动力系数被称作峰值附着系数φp。纵向附着系数的峰值通常是位于滑移率Sx=20%附近。由图2.7可知，纵向制动力系数在滑移率0~20%之间，二者之间是正相关，滑移率与制动力系数同步增大，稳定区根据滑移率与制动力系数这种变化关系而命名的；纵向制动力系数与滑移率在Sx>20%以后是表现为负相关。Sx>20%区域也被称作非稳定区，假设制动力矩不变，汽车在滑移率位于这个区域最末端的时候制动车轮就会抱死。由图2ABS控制器的主要是控制汽车制动时产生的制动力矩，从而使滑移率处于Sx=15%~20%附近；将路面给轮胎提供的的附着力发挥到最大，经过ABS控制器的调节后，汽车制动性能会得到提升；滑移率处于Sx=15%~20%2.2.2ABS液压制动系统的制动过程ABS系统主要是通过在制动时按照一定的规律不断调节制动压力使车轮发生不抱死的工况。当汽车以某一车速运行时，制动踏板接收到来自驾驶员的控制时，ABS系统的就开始工作，轮速传感器采集车轮转速信号然后将采集的信号传给ECU进行分析，ECU通过逻辑分析获得车轮减速度和滑移率的值，同时还要作出判断，判断车轮此时会不会产生抱死的趋势；其制动压力调节的基本过程如下：（1）增压过程当驾驶员根据自身判断认为汽车需要制动停驶时，开始给制动踏板施加一个输入力，这个输入力首先传给真空助力器，接着再施加给制动轮缸，最后利用液压系统传给制动轮缸。在最开始给制动踏板输入力时，液压调节器中的所有电磁阀都处于断电状态，进油阀维持开启状态保持不变，常闭阀维持关闭状态不变；每个制动主缸和制动轮缸并不是直接用液压管路连接在一起，而是在它们之间接入进油阀，制动主缸的液压油必须流经进油阀，进油阀开启后才能流入制动轮缸，从而达到给制动轮缸增压的目的。（2）保压过程制动时，ABS控制器通过分析来自轮速传感器的信号，并判断出此时的滑移率在Sx（3）减压过程制动时，ABS控制器要时刻分析由轮速传感器传来的信号，控制滑移率维持在Sx=20%附近，因此，制动过程中保压阶段甚至可以直接跳过，直接从增压阶段进入到减压阶段。ABS控制器为了将滑移率维持在ABS循环控制原理图如图2.8所示。图2.8ABS循环控制原理图压力调节器在ABS调节过程中电磁阀一个循环的工作过程如图2.9所示。图2.9电磁阀在制动时的工作过程根据图2.9可知，电子阀通过连续切换开关使制动液的流向发生改变，从而控制ABS液压系统维持增压、保压、减压三种工作状态中的某一状态。利用压力调节器调节压力的方式的最大缺点就是：压力变化的非连续性，对于整个系统而言，会产生很大的波动。但是与可以连续调节的伺服阀液压调节器相比，其生产成本非常低，因此，很大一部分ABS液压制动系统仍采用这种非连续变化的压力调节器。目前，这种非连续的液压调节器已经采取了一系列的措施来尽可能的改善调节过程中压力的大幅波动；通过采用采用脉宽调制控制技术，是液压调节器的电磁阀能够产生近似连续变化调节的效果。这项技术的使用大大减少了传统液压调节器的压力波动，而且生产成本也比伺服阀液压调节器的低，总体的设计结构比较简单，两项技术结合使用时的功耗也比单使用伺服阀液压调节器低。第三章汽车ABS液压制动系统模型3.1AMESim软件介绍AdvancedModelingEnvironmentforperformingSimulationofengineeringsystems是AMESim软件的全称，是一个建模仿真平台；1995年，为了推动科学技术更快速的发展，法国Imagine公司为工程师打造了AMESim这款仿真建模软件。用户可以利用这个软件平台上建立系统庞杂的、涉及学科领域广、综合性强的系统模型，在选定子模型、设置完参数之后就可以运行仿真模型，可以实时观测数据的变化，帮助用户对系统模型进行深入分析。该软件平台不仅可以研究系统在稳定状态时的性能变化，还可以研究系统动态变化的性能。面向工程师的定位使得AMEsim成为在汽车、船舶、工程机械等工业研发团队在设计模型和仿真的优选平台。AMESim可以对汽车的电子助力制动系统进行建模仿真、探索真空助力器动作时的力特性曲线、探索气插电式混合动力汽车动力性与经济性。AMESim软件设计的初衷就是帮助工程师分析和优化系统、降低研发成本、缩短科研周期。同时，可以使工程师在研究过程中集中力量研究系统的物理设计，可以忽略数学模型。现实系统的每一个最小零件都可以在AMESim应用库中找到与其对应的元件模型，且模型的功能与现实零件的功能是一模一样的，不需要使用编程软件来控制模型的功能使之与现实零件保持一致。AMESim现在已经发展的非常完善，应用库已经实现标准化并且还进行了优化，所有的应用库中的模型总和已经超过4500。现有应用库主要分类如表3.1所示：表3.1AMESim中的应用库分类序号应用库类别功能1机械库可以建立一维、二维和三维的机械模型2液压库主要是用于液压阀、液压缸等液压机构或完整的液压系统3信号库用于信号的输入、处理；主要用于建立控制系统AMESim作为一个工程类软件，不仅独立建模仿真，还可以与其他类仿真软件联合使用；联合仿真的软件有：Simulink、Adams、Simpack。AMESim从选择元件到模拟仿真主要分为四个步骤：选取合适的元件搭建模型、进入子模型模式建立子模型、设置参数、运行模型仿真；建模流程如图3.1所示：图3.1AMESim仿真建模流程本章的主要内容是根据整车的ABS液压制动系统的组成及其工作原理搭建整车ABS液压制动系统模型，并建立子模型。建立的子模型主要有：汽车底盘模型（车身模型、前后悬架模型、车轮模型）、制动主缸模型、制动轮缸模型、液压调节器模型以及ABS控制器模型。3.2汽车底盘模型AMESim中汽车底盘的模型种类主要有：7自由度、15自由度、18自由度以及22自由度四种模型，本文主要以研究汽车ABS液压制动系统，综合考量后选取的汽车底盘模型是15自由度的汽车底盘模型。图3.2所示是汽车车身模型；在此模型的基础上又搭建了汽车的前、后悬架模型，主要搭建的模块有：端部制动块（下部和上部）、阻尼器模型、弹簧模型、防侧倾稳定杆模型。建立的汽车后悬架模型如图3.3所示，汽车前悬架模型如图3.4所示。图3.2汽车底盘模型图3.3汽车后悬架模型图3.4汽车前悬架模型图3.5所示为汽车车轮模型。整个汽车的车轮模型主要包括以下几个部分：车轮运动学模型、车轮阻尼模型、轮胎的弹性模型、轮胎接地模型、路面附着系数模型以及路面模型。图3.5车轮模型3.3制动主缸模型制动器采用双腔式主缸，建模时考虑了其内部两个活塞的惯性，两个活塞间的间隙及弹簧阻尼链接。图3.6所示的是制动主缸模型示意图。图3.6制动器主缸建模示意图根据制动主缸示意图建立制动主缸模型，模型主要由两个质量块、两个活塞模型、带弹簧的活塞、接触式阻尼弹簧、弹簧阻尼系统组成。制动主缸模型的基础上又搭建了从制动主缸输出液压油的管路模型。建立的制动主缸模型如图3.7所示。图3.7制动主缸模型3.4制动轮缸模型本文选择的制动轮缸为盘式制动器的制动轮缸，在建立模型简化时已经考虑了钳体的惯性，钳体和制动盘之间的间隙和接触后的弹簧阻尼；该模型的输入为制动压力，输出的是制动器制动力。模型的示意图如图3.8所示。图3.8制动轮缸建模示意图根据制动轮缸建模示意图建立制动轮缸模型，该模型主要由线性弹簧、接触式阻尼弹簧以及一个单活塞缸组成。制动轮缸模型如图3.9所示。图3.9制动轮缸模型3.5液压调节器模型虽然AMESim已经发展的比较完善，但是仍有一些元件还未开发出来；AMESim中没有现成的高速开关阀元件，但是存在着与其数学模型相似的比例阀，在高速开关频率的作用下，比例阀的特性与高速开关阀的特性是相同的。因此，本文采用比例阀来代替高速开关阀建立了液压调节器模型。液压调节器的模型如图3.10所示。图3.10液压调节器模型3.6ABS控制器ABS控制器是ABS液压制动系统的核心部件，模型如图3.11所示。该模型是一种简化的防抱死制动系统(ABS)模型。模型的功能包括控制单元和每轮制动转矩的调节。这种防抱死制动系统专为4轮车辆检测是否一个或多个车轮即将锁住制动条件，并提供一个适当的扭矩调节，然后避免车轮锁住。模型还包括防滑调节系统(ASR)的功能建模。这个ABS系统的扩展也被称为牵引控制系统，防止车轮在加速阶段旋转。该简化方法以车轮转速和车速为输入，轮胎滚动半径为参数，实现了轮胎纵向滑移率的近似计算。模型的输出端口是1~8；1和8端口输出的是左前轮经ABS调节后的制动力输出与ABS调节状态，2和7端口输出的是右前轮经ABS调节后的制动力输出与ABS调节状态，3和6端口输出的是左后轮经ABS调节后的制动力输出与ABS调节状态，4和5端口输出的是右后轮经ABS调节后的制动力输出与ABS调节状态。模型的输入端口是9~17；9~12四个端口分别输入的是右后轮、左后轮、右前轮和右后轮的制动力信号，13端口是输入汽车的行驶车速，14~17四个端口输入的分别是左前轮、右前轮、左后轮以及右后轮的车轮转速。图3.11ABS控制器模型3.7整车ABS液压制动系统模型图3.12为整车ABS液压制动系统模型。整车在连接过程中，首先将车身模型与车轮模型进行连接；第二步将前、后轴的悬架模型进行连接；接着将ABS控制器的输入端口与整车模型进行连接；ABS模型与车身模型连接完毕后，将ABS模型的输出端口与液压调节器电磁阀的个输入端口进行连接；接着将压力调节器的电磁阀与制动主缸和制动轮缸分别进行连接；接着将制动主缸与真空助力器连接；最后将真空助力器与制动踏板模型连接，并给制动踏板模型加一个输入信号；一个完整的汽车整车ABS液压制动系统模型搭建完毕。整车ABS液压制动系统模型主要包括以下几个部分：制动踏板模型、真空助力器模型、制动主缸模型、制动轮缸模型、ABS液压调节器模型、ABS控制器模型、汽车模型及汽车的轮胎模型。图3.12整车ABS液压制动系统模型第四章整车ABS液压制动系统参数设置与仿真分析4.1模型参数设置4.1.1整车的参数整车的模型参照的是某轿车进行建立的。轿车车身模型参数如表4.1所示。表4.SEQ表\*ARABIC1轿车参数参数数值单位重力常数9.80665m/s2车身重心在X轴方向位置1056mm车身重心在Z轴方向位置375mm车体初速度-X轴15m/s簧载质量（车体+转向齿条）1300kg转向齿条质量2kg车身质量1298kg主轴质量（前桥）18kg车轮质量（前桥）18kg主轴质量（后桥）15kg车轮质量（后桥）14kg簧载质量惯性-滚动250kgm2簧载质量惯性-节距1000kgm2簧载质量惯性-偏航1300kgm2弹簧质量惯性积-Ixy0kgm2弹簧质量惯性积-Ixz-20kgm2弹簧质量惯性积-Ixz0kgm2Z参考悬架（前轴、后轴）75mm轴距2400mm续轴距2400mm车辙、轨道（前桥、后桥）1450mm转向齿条小齿轮半径8mm悬架刚度（前轴、后轴）21000N/m悬架阻尼（前轴）2000N/(m/s)悬架阻尼（后轴）1500N/(m/s)防侧倾刚度（前轴）30000Nm/rad防侧倾刚度（后轴）20000Nm/rad轮胎自由半径0.292m轮胎滚动半径0.29m轮胎垂直刚度200000N/m垂直轮胎凹陷100N/(m/s)前左、右轴：主轴X方向的转动惯量-主轴架0.2kgm2前左、右轴：主轴Y方向的转动惯量-主轴架0.2kgm2前左、右轴：主轴Y方向的转动惯量-主轴0.2kgm2左、右前轴：车轮X方向的转动惯量-车轮架0.5kgm2左、右前轴：车轮Y方向的转动惯量-车轮架1kgm2左、右前轴：车轮Z方向的转动惯量-车轮架0.5kgm2后左、右轴：主轴X方向的转动惯量-主轴架0.2kgm2后左、右轴：主轴Y方向的转动惯量-主轴架0.2kgm2后左、右轴：主轴Y方向的转动惯量-主轴架0.2kgm2左、右后轴：车轮X方向的转动惯量-车轮架0.5kgm2左、右后轴：车轮Y方向的转动惯量-车轮架1kgm24.1.2制动液的参数制动液的具体参数如表4.2所示。表4.SEQ表\*ARABIC2制动液的参数参数数值单位制动液密度1030kg/m3绝对粘度14mP·s体积弹性模量14700bar制动液工作温度25℃溶解空气的饱和压力106bar4.1.3制动主缸的参数制动主缸的具体参数如表4.3所示。表4.SEQ表\*ARABIC3制动主缸参数参数数值单位制动主缸第一缸活塞直径22.2mm制动主缸第一缸活塞杆直径3.25mm制动主缸第一缸活塞质量0.3kg制动主缸第二缸活塞直径22.2mm制动主缸第二缸活塞杆直径3.25mm制动主缸第二缸活塞质量0.2kg制动主缸第二缸弹簧刚度3.8N/m第二缸活塞位移为零时的弹簧力97N制动主缸无间隙弹簧刚度7880N/m阻尼器评级10N/(m/s)制动主缸间隙18mm制动主缸有间隙弹簧的接触刚度1000000N/m制动主缸有间隙弹簧阻尼100000N/(m/s)制动主缸有间隙弹簧全阻尼穿透0.01mm4.1.4制动轮缸的参数本文在选择制动轮缸的参数时分别对汽车的四个车轮的制动轮缸进行设置，选择不同的参数进行仿真，分析制动轮缸在不同参数下的制动力的输出以及对车轮轮速的影响。右前轮与右后轮的制动轮缸参数相同，具体参数如表4.4所示。表4.SEQ表\*ARABIC4右前轮与右后轮制动轮缸参数参数数值单位制动轮缸活塞直径60mm制动轮缸活塞杆直径0mm接触式阻尼弹簧间隙0.2mm接触式阻尼弹簧弹簧刚度40000000N/m线性弹簧弹簧刚度7000000N/m位移为零的弹簧力0N左前轮与左后轮的制动轮缸参数相同，具体参数如下表4.5所示。表4.5左前轮与左后轮制动轮缸参数参数数值单位制动轮缸活塞直径35mm制动轮缸活塞杆直径0mm接触式阻尼弹簧间隙0.25mm接触式阻尼弹簧弹簧刚度15000000N/m线性弹簧弹簧刚度2500000N/m位移为零的弹簧力0N4.1.5低压蓄能器参数低压蓄能器的参数如下表4.6所示。表4.6低压蓄能器参数参数数值单位续活塞直径22mm活塞冲程10mm弹簧刚度5N/mm完全释放时弹簧的负载50N4.2模型仿真与分析4.2.1输入的踏板力本文通过设置三种制动方式来探究ABS控制器再ABS液压系统中的控制过程，三种制动方式分别为：常规制动、轻微制动以及紧急制动三种方式。常规制动与轻微制动时踏板力的输入对比如图4.1所示。常规制动与紧急制动时踏板力的输入对比如图4.2所示。轻微制动与紧急制动时踏板力的输入对比如图4.3所示。图4.1常规制动与轻微制动时踏板力的输入对比图4.2常规制动与紧急制动时踏板力的输入对比图4.3轻微制动与紧急制动时踏板力的输入对比4.2.2常规制动与轻微制动对比分析（1）车速与制动距离分析图4.4所示的是常规制动和轻微制动的车速的曲线。图4.5所示的是常规制动和轻微制动的制动距离的关系曲线。由图4.4可知，轻微制动与常规制动相比，车轮的轮速减小要更慢、制动距离更长；ABS控制器激活的最低车速是2m/s，当车速大于2m/s时，ABS控制器处于工作状态，当车速低于2m/s时，ABS控制器就不在其调节作用；因此，在车速变化图中可以看出，在车速等于2m/s时，出现了明显的拐点，车速大于2m/s是车速的变化一条圆滑的曲线，车速小于2m/s时，车速的变化曲线是一种线性变化的关系。轻微制动与常规制动的最大制动力都是40N，在ABS控制器的调节作用下，制动距离只有微小的变化。图4.4常规制动和轻微制动的车速比较图4.5常规制动和轻微制动的制动距离比较（2）制动减速度分析图4.6所示为常规制动与轻微制动时的减速度。由图4.6可知，在整个制动过程中制动减速度的变化是毫无规律的，这是由于ABS控制器再根据汽车的车速在不断的控制着液压调节器的开度，调整进入制动轮缸的液压油量，使车轮减速的同时又不会使车轮发生抱死的情况，从而使车轮一直处于近似于纯滚动的状态。图4.6常规制动与轻微制动的制动减速度比较（3）制动主缸第一腔室液压油出口容量变化图4.7所示的是常规制动与轻微制动时制动主缸第一腔室液压油出口容量变化关系曲线。由图4.7可知，在0~1s内，轻微制动与常规制动的出油口容量变化率相同，1s以后轻微制动的出油口的容量变化率较缓，同时出油口的出油时间更长，以保证轻微制动时的输出的最大制动力与常规制动时相同。图4.7常规制动与轻微制动的制动主缸第一腔室液压油出口容量变化（4）制动主缸第二腔室出口液压油流速图4.8所示的是常规制动与轻微制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速。由图4.8可知，轻微制动与常规制动的曲线走势相同，轻微制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速比常规制动慢；在制动开始时，制动液迅速的流入制动轮缸（增压），曲线在一段时间内与X轴重合的部分表示增压阀已经关闭，曲线出现在X下方（出现负值是因为与出油时的方向相反）表示回油泵将蓄能器中的液压油重新泵回制动主缸。图4.8常规制动与制动主缸第二腔室出口液压油流速（5）ABS控制信号与液压调节器增压阀、减压阀控制信号分析图4.9所示的是常规制动与轻微制动的ABS控制信号；图4.10所示的是常规制动与轻微制动的液压调节器增压阀控制信号；图4.11所示的是常规制动与轻微制动的液压调节器减压阀控制信号；由图4.9与图4.10可知，在ABS控制器工作过程中，液压调节器增压阀的信号变化与ABS控制器的信号变化是相同的；由图4.9与图4.11所知，液压调节器减压阀的信号变化趋势与ABS控制器的信号变化趋势相反；这是由于在制动最一开始时，增压阀需要开启使液压油流入制动轮缸中，从而使制动轮缸开始工作使车速开始降低，当车速降低到某一值后，制动轮缸不在需要更多地液压油，则ABS控制器控制增压阀关闭、减压阀开启。图4.9常规制动与轻微制动的ABS控制信号图4.10常规制动与轻微制动的液压调节器增压阀控制信号图4.11常规制动与轻微制动的液压调节器减压阀控制信号4.2.3常规制动与紧急制动对比分析（1）车速与制动距离分析图4.12所示的是常规制动和紧急制动的车速的曲线。图4.13所示的是常规制动和紧急制动的制动距离的关系曲线。由图4.12可知，紧急制动与常规制动相比，车轮的轮速减小要更快、制动距离更短；ABS控制器激活的最低车不变，仍保持2m/s，当车速大于2m/s时，ABS控制器就会进入工作状态，车速的变化一条圆滑的曲线；当车速低于2m/s时，ABS控制器就不在其调节作用，车速的变化曲线是一种线性变化的关系；因此，从车速变化图中可以看出，在车速等于2m/s时，出现了明显的拐点。紧急制动与常规制动的最大制动力都控制在40N，在ABS控制器的调节作用下，制动距离产生了微小的变化。图4.12常规制动和紧急制动的车速图4.13常规制动和紧急制动的制动距离比较（2）制动减速度分析图4.14所示为常规制动与紧急制动时的减速度。从图4.14中可以看出，整个制动过程中制动减速度的变化是没有规律的，但紧急制动和常规制动的制动减速度曲线的走势相同。制动减速度在制动开始时会出现很大的峰值，但在ABS的调节作用下开始减小；不规则的变化规律可以反映出ABS在制动过程中进行着实时调节。图4.14常规制动与紧急制动的制动减速度（3）制动主缸第一腔室液压油出口容量变化图4.15所示的是常规制动与紧急制动时制动主缸第一腔室液压油出口容量变化关系曲线。由图4.15可看出，紧急制动与常规制动的第一腔室液压油出口最大容量相同；二者曲线的走向大体相同，但紧急制动的出油率比常规制动快很多。图4.15常规制动与紧急制动的制动主缸第一腔室液压油出口容量变化（4）制动主缸第二腔室出口液压油流速图4.16所示的是常规制动与紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速。根据图4.16可知，紧急制动与常规制动的曲线走势相同，紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速比常规制动快；在制动开始时，制动液迅速的流入制动轮缸完成对制动主缸的增压过程，曲线在一段时间内与X轴重合的部分表示增压过程已经完成；曲线出现在X下方（出现负值是因为与出油时的方向相反）表示回油泵将蓄能器中的液压油重新泵回制动主缸。图4.16常规制动与紧急制动主缸第二腔室出口液压油流速（5）ABS控制信号与液压调节器增压阀、减压阀控制信号分析图4.17所示的是常规制动与紧急制动的ABS控制信号；图4.18所示的是常规制动与紧急制动的液压调节器增压阀控制信号；图4.19所示的是常规制动与紧急制动的液压调节器减压阀控制信号；由图4.17与图4.18可知，在ABS控制器工作过程中，液压调节器增压阀的信号变化与ABS控制器的信号变化是相同的；由图4.17与图4.19所知，液压调节器减压阀的信号变化趋势与ABS控制器的信号变化趋势相反；；这是由于在制动最一开始时，增压阀需要开启使液压油流入制动轮缸中，从而使制动轮缸开始工作使车速开始降低，当车速降低到某一值后，制动轮缸不在需要更多地液压油，则ABS控制器控制增压阀关闭、减压阀开启。图4.17常规制动和紧急制动的ABS控制信号图4.18常规制动和紧急制动的液压调节器增压阀控制信号图4.19常规制动和紧急制动的液压调节器减压阀控制信号4.2.4轻微制动与紧急制动对比分析（1）车速与制动距离分析图4.20所示的是轻微制动和紧急制动的车速的曲线。图4.21所示的是轻微制动和紧急制动的制动距离的关系曲线。由图4.20可知，紧急制动与轻微制动相比，车轮的轮速减小要更快、制动距离更短；ABS控制器激活的最低车不变，仍保持2m/s，当车速大于2m/s时，ABS控制器就会进入工作状态，车速的变化一条圆滑的曲线；当车速低于2m/s时，ABS控制器就不在其调节作用，车速的变化曲线是一种线性变化的关系；因此，从车速变化图中可以看出，在车速等于2m/s时，出现了明显的拐点。紧急制动与轻微制动的最大制动力都控制在40N，在ABS控制器的调节作用下，制动距离产生了明显的变化。图4.20轻微制动和紧急制动的车速图4.21轻微制动和紧急制动的制动距离比较（2）制动减速度分析图4.22所示为轻微制动与紧急制动时的减速度。从图4.22中可以看出，整个制动过程中制动减速度的变化是没有规律的，但紧急制动和轻微制动的制动减速度曲线的走势相同。制动减速度在制动开始时会出现很大的峰值，但在ABS的调节作用下开始减小；这是由于ABS控制器再根据汽车的车速在不断的控制着液压调节器的开度，调整进入制动轮缸的液压油量，使车轮减速的同时又不会使车轮发生抱死的情况，从而使车轮一直处于近似于纯滚动的状态。图4.22轻微制动与紧急制动的制动减速度比较（3）制动主缸第一腔室液压油出口容量变化图4.23所示的是轻微制动与紧急制动时制动主缸第一腔室液压油出口容量变化关系曲线。由图4.23可看出，紧急制动与轻微制动的第一腔室液压油出口最大容量相同；二者曲线的走向大体相同，但紧急制动的出油率比轻微制动快很多。图4.23轻微制动与紧急制动的制动主缸第一腔室液压油出口容量变化（4）制动主缸第二腔室出口液压油流速图4.24所示的是轻微制动与紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速。根据图4.24可知，紧急制动与轻微制动的曲线走势相同，紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速比轻微制动快很多；在制动开始时，制动液迅速的流入制动轮缸完成对制动主缸的增压过程，曲线在一段时间内与X轴重合的部分表示增压过程已经完成；曲线出现在X轴下方（出现负值是因为与出油时的方向相反）表示回油泵将蓄能器中的液压油重新泵回制动主缸。图4.24轻微制动与紧急制动主缸第二腔室出口液压油流速（5）ABS控制信号与液压调节器增压阀、减压阀控制信号分析图4.25所示的是轻微制动与紧急制动的ABS控制信号；图4.26所示的是轻微制动与紧急制动的液压调节器增压阀控制信号；图4.27所示的是常规制动与紧急制动的液压调节器减压阀控制信号；由图4.25与图4.26可知，在ABS控制器工作过程中，液压调节器增压阀的信号变化与ABS控制器的信号变化是相同的；由图4.25与图4.27所知，液压调节器减压阀的信号变化趋势与ABS控制器的信号变化趋势相反；；这是由于在制动最一开始时，增压阀需要开启使液压油流入制动轮缸中，从而使制动轮缸开始工作使车速开始降低，当车速降低到某一值后，制动轮缸不在需要更多地液压油，则ABS控制器控制增压阀关闭、减压阀开启。图4.25轻微制动和紧急制动的ABS控制信号图4.26轻微制动和紧急制动的液压调节器增压阀控制信号图4.27轻微制动和紧急制动的液压调节器减压阀控制信号4.2.5分析总结由于ABS控制器工作的最低车速设置为2m/s，因此，从图4.4常规制动和轻微制动的车速比较曲线、图4.12常规制动和紧急制动的车速比较曲线以及图4.20轻微制动和紧急制动的车速比较曲线可以看出有ABS控制器时车速的变化情况与ABS不工作时车速的变化情况，当ABS控制器起作用时，车速的变化是一条圆滑的曲线，而没有ABS控制器控制的车速变化呈现出一条线性关系变化的曲线。ABS控制器可以控制车速平稳、缓慢的下降，从而使汽车的操作稳定性和安全性大大提高。通过分析图4.7常规制动与轻微制动的制动主缸第一腔室液压油出口容量变化曲线、图4.15常规制动与紧急制动时制动主缸第一腔室液压油出口容量变化曲线以及图4.22轻微制动与紧急制动时制动主缸第一腔室液压油出口容量变化曲线，图4.9常规制动与轻微制动的ABS控制信号曲线、图4.17常规制动与紧急制动的ABS控制信号曲线以及图4.25轻微制动与紧急制动的ABS控制信号曲线可以看出制动主缸的第一腔室出油口容量的变化率会影响ABS信号的切换时间，出油口容量的变化率越大，ABS控制器信号的切换越提前，从而也会导致液压调节器进油阀控制信号的回油阀的控制信号也提前切换。通过分析图4.8常规制动与轻微制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速曲线、图4.16常规制动与紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速曲线以及图4.16常规制动与紧急制动的制动主缸第二腔室出口液压油流速曲线，图4.9常规制动与轻微制动的ABS控制信号曲线、图4.17常规制动与紧急制动的ABS控制信号曲线以及图4.25轻微制动与紧急制动的ABS控制信号曲线可以看出，制动主缸的第二腔室出口液压油的流速会影响ABS信号的改变，出口处液压油的流速越快，ABS信号的切换就越提前，从而使得液压调节器的进油阀控制信号和回油阀控制信号切换也越提前。第五章结论5.1全文总结ABS液压制动系统对汽车的重要性是不言而喻的。人们对汽车安全性能的要求不断提高，推动着ABS液压制动系统的不断进步，从而推动着整个汽车工业也在高速的发展；我国虽然在ABS液压制动系统方面的研究与德、美、日等发达国家相比仍有较大的差距，但随着我国汽车工业的整体发展和技术研究人员对ABS液压制动系统研究的不断深入，这种差距会越来越小甚至可以实现超越。应用软件建模仿真分析ABS液压制动系统的研究在进行。本文主要才用的是对整车ABS液压制动系统建模，在制动踏板的最大输入都是40N的情况下，通过控制制动踏板模型的输入端口模拟了正常制动与轻踩制动踏板制动、正常制动与快速踩制动踏板制动、轻踩制动踏板制动与快速踩制动踏板制动并对实验模拟仿真结果进行进行对比分析，得出以下成果和结论：（1）分析整车的ABS液压制动系统的工作原理与结构，并应用AMESim建立了整车ABS液压制动系统模型。（2）通过分析制动主缸第一腔室液压油出口容量变化与ABS控制信号的曲线得出：制动主缸第一腔室液压油出口最大容量不变的情况下，容量的变化率越小，ABS的信号切换就会出现滞后的现象。（3）通过分析制动主缸的第二腔室出口液压油流速曲线与ABS控制信号曲线可得：制动主缸第二腔室出口液压油流速越快，ABS的控制信号的切换就会提前。综上所说可以得出：制动主缸第一腔室液压油出口容量变化率的快慢以及制动主缸第二腔室出口液压油的流速都会影响ABS控制信号切换的时机。5.2展望由于本次对整车ABS液压制动系统的研究周期较短、知识储备不足，本次的研究并没有非常的深入。对于整个汽车王国来说，ABS液压制动系统的探索和研究仍有很长的路要走。我认为针对本次研究设计的整车ABS液压制动系统仿