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基于路面识别的液压再生制动防抱死研究 S t u d y o n h y d r a u l i c r e g e n e r a t iv e a n t i l o c k b r a k i n g s y s t e m b a s e d o n r o a d i d e n t ifi c a t i o n ． 张晓龙，孙仁云，李锋，葛恒勇 ‘ ZHANG Xi a o l o n g，SUN Re n - y u n ，L I F e n g ，GE He n g y o n g 西华大学 汽车与交通学院，成都 6 1 0 0 3 9 摘要 为了使液压再生制动单独工作时具备防抱死功能，通过变量液压泵进行制动能量回收，在制 动时以各路面峰值附着系数的波动区间为识别区间进行路面识别，以识别路面的最佳滑移率 为控制目标，通过调整液压泵的排量来调节再生制动力矩。通过A m e s i m 和S i m u l i n k 进行联合 仿真，结果表明该系统在制动时能够快速准确地完成路面识别，液压再生制动具备防抱死功 能，最后通过道路实验对路面识别方法作了进一步验证。 关键词路面识别；联合仿真；液睛生 ；防抱死 中圈分类号 U 4 6 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 Z O l 5 0 7 下 -0 0 9 0 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 7 下 ． 2 8 0 引言 制动能量 回收能够有效提高汽车能量的利用效率， 对于汽车 的节能和环保有着重要意义⋯，目前 的研究主 要通过 电机和液压泵制动能量回收，而载重车、专用车 一 般通过液压泵进行制动能量回收 。为 了能够尽可能 多地回收制动能量，在小制动强度时往往仅采用液压再 生制动 。然而 当在低附着系数 的路面 如冰雪路面 上 仅采用再生制动时，即便制动强度小，也有可能出现驱 动轴抱死 ，导致车辆操纵稳定性严重下降 。解决这一 问题 的常用方法是在车轮即将抱死时，切断再生制动 ， 采用传统A B S I] 动 】 ，然而这将 降低制动能量的回收。 本文通过调节液压泵 的排量 ，使液压再生制动具备 防抱死功能，从而最大限度地回收制动能量 。同时考虑 到不同路面的附着特性的差异 ，只有将当前路面的最佳 滑移率作为系统的目标滑移率才能最大限度地利用路面 的附着条件 ，提 出基于路面识别的液压再生制动防抱 死研究。 1 轮胎模型 B u r c k h a r d t 等人通过大量试验拟合出了6 种典型路面 的 曲线 ，如图1 所示，给 出了一个实用 的轮胎一 路 面数学模型，其表达式为 ] q 1 一 e 一 一 c 3 S 1 式中c 、c 、c 3 为各典型路面的参数值 ，如表1 所示。 通过求极值 的方法得到6 种典型路面 的最佳滑移率 0 及 峰值附着系数 o ，如表1 所示。 0． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 滑移 率 图1 典型路面的 曲线 表1 轮胎模型中各典型路面参数值、 o 及 肛 0 2 液压再生制动A B S 要使车辆仅采用液压再生制动时具备防抱死功能， 需要根据制动时车轮的实际滑移率来实时调整液压再生 制动力矩，确保实际滑移率保持在 目标滑移率附近 。、 已知液压泵产生的再生制动力矩大小为 p l q m a x 2 2 ”6 01 O 。 式中p 为液压泵工作压力 MP a ；q 一为液压泵的 最大排量 m L ／ r ；i 为液压泵的排量系数 0 f 1 ； T 1 为液压泵总效率；i q 为液压泵的实时排量 m L ／ r 。 收稿日期2 0 1 5 - 0 3 -0 5 基金项目西华大学研究生创新基金；四川省科技厅应用基础项目 2 0 1 2 ．1 Y 0 0 4 9 ；西华大学人才培养与引进基金项目 R0 9 2 0 3 01 作者简介张晓龙 1 9 8 8一，男，陕西蒲城人，硕士，主要从事汽车电控技术研究。 【 9 0 】 第3 7 卷第7 期2 o 1 5 0 7 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从式 2 可以看 出，再生制动 力矩 的大 小与液压泵 的排量有关，因此 ，可采用变量液压泵进行制动能量回 收，通 过调节变量泵 的排量来 改变再生制动力矩 的大 小。如 图2 所示，以滑移率为控制 目标 ，通过调节变 量 泵 的排量使液压再生制动实现防抱死 。考虑到不 同路面 的最佳滑移率往往不同，以固定的滑移率作为控制 目标 时，不能最大限度地利用路面 的附着条件 ，这就需要在 制动过程 中对当前路面进行识别，同时将 当前路面的最 佳滑移率调整为控制器 的 目 标滑移率。 图2液压再生A BS 总体结构 3 路面识别 传 统的通过参数估 算进行路面识别 的方 法通常都 离不开滑移率 ，在识别过程 中需要实时估算车轮的滑移 率 ，同时将滑移率与其他参数对应起来 ，估算滑移率时 需要测量轮速和车速 ，而要准确测量车速难度 比较大 ， 同时计算量和数据量也非常大，铪 实车应用带来诸多不 便。本文将附着系数的波动区间作为识别区间，无需滑 移率即可实现路面识别。 如表1 所示，根据B u r c k h a r d t 模型得到各典型路面的 理论峰值附着系数 ，而实际生活中同一典型路面的峰值 附着系数往往会有不同程度的差异，但可以确定的是每 种典型路面峰值 附着系数 的实际值必然在其理论值附近 波动 ，因此根据B u r c k h a r d t 模型中的理论峰值 附着系数 可设计出各典型路面实际峰值 附着系数的波动区间，如 表2 所示。 表2 峰值附着系数的波动区间 实际生活 中各 典型路面 的实 际峰值 附着系数必然 在对应 的波动 区间内波动，也就是说在整个滑移率区间 上 ，各典型路面的附着系数均小于其峰值附着系数波动 区间的上限，因此以路面附着系数为识别参数 ， 以峰值 附着系数的波动区间为识别区间可进行路面识别。 制动开始后 ，实际滑移率从0 向目标滑移率增加 ， 车辆 的制动 力系数 也从0 开始递增 ，制动 力系数 首先 落入路面 1 冰 的识别 区间 0 ， 0 ． 1 2 】 ，因此将 系统 目标滑移率 的初始值 设为冰路面的最佳滑移率0 ． 0 3 1 ， 制动开始后实 际滑移率从0 向0 ． 0 3 1 快速递增 ，最终保 持在0 ． 0 3 1 附近 ，如果制动力系数 的估算值始终在 区间 0 ， 0 ． 1 2 】 冰路面的峰值附着系数波动区间内波动，则 表示即便是在路面 1 冰 的最佳滑移率下 当前路面 的 附着系数也小于路面 1 冰 峰值附着系数波动区间的 上限，结合图1 可看 出当前路面必然为路面 1 冰 。 如果制动力系数的估算值超 出路面 1 冰 的识别 区间，必然首先落入路面2 雪的识别区间，系统识 别 出当前路面为路面2 雪 ， 目标滑移 率调整为路面 2 雪 的最佳滑移率0 ． 0 6 ，以此类推 ，系统按照冰 、 雪、湿鹅卵石、湿沥青 、干沥青 水泥 的顺序 ，根据 估算的制动力系数对 当前路面进行判定，从而完成路面 识别。图3 为识别过程框图。 制动开始 制动力系数从 0 开始递增 _ 二二工二 l 制动力系数估算值 I 是I 是l 是I 是I I 南 南 陌 囱 图3 识别过程框 图 4 试验研究 4 ． 1联合仿真 如 图4 所示，在A me s i m中通过变 量液压泵， 马达建 立液压 再生制 动系统 ，制动 时液压泵／ 马达作 为泵工 作，产生的再生制动力矩对车轮进行制动 ，同时将汽车 制动的机械能转化为液压能，储存在储能器中，回收制动 时的能量。驱动时液压泵／ 马达作为马达工作 ，消耗储能 器中的高压油为车轮提供动力，释放回收的制动能量。 在S i m u l i n k 中搭建 车辆模型 、识别算法及控 制策 略，通过两个软件进行联合仿真。预设车辆在雪路面上 以1 0 m／ S 的初速度进行制动，仅采用液压再生制动。 如图5 所示 ，系统按照附着系数 由低至高的顺序对 当前路面依 次进行判 断识 别，识 别结果与预设路面一 致 ，识别快速准确。图6 为滑移率． 时间曲线 ，制动过程 中实际滑移率对最佳滑移率的跟踪快速准确 ，基本保持 在当前路面的最佳滑移率，控制效果 良好，充分利用了 当前路面的附着条件 。图7 为速度． 时间曲线，当车速小 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 0 7 下 1 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图4 联合仿真模型 于1 m／ s 时，再生ABS 停止工作，轮速快速减小，2 秒 时 车轮抱死，液压再生制动A B S I作过程 中车轮没有出现 抱死 ，可见在低 附着系数路面上制动时，液压再生制动 具备 防抱死功能，制动效果 良好 。如 图8 所示，制动过 程中系统根据实 际滑移率实时调整变量液压泵 的排量系 数，改变液压泵 的实时排量 ，从而调节液压再生制动力 矩 ，防止车轮抱死 。 a lr 嫌 I 罾 般 1 O ． 8 料0 ．6 穗 囊；O ．‘ n2 O 图5 路面识别仿真结果 实际滑穆率 ⋯⋯- 最佳滑移率 7 O n5 1 ’ ． s 2 2 ． 5 时间， I 图6 滑移率- 时 间曲线 时间， l 图7速度一 时 问曲线 K o 2 1 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 0 7 下 删 图8 排量系数一 时问曲线 4 ． 2 路面识别道路实验 如 图9 所示，利用六分力测试仪在干沥青路面进行 道路实验 ，车辆在制动过程中实时采集车轮受到的纵向 力和法向力信号，利用小波工具箱对信号去噪，得到制 动时车轮受到的纵向力F 和法 向力F Z ，根据式 3 可计算 出制动力系数 ，如图1 0 所示。 3 一 图9六分力测试仪 采秤 J { j 【 氟 圈1 0 制动力系数- 采样点数 曲线 制动开始后 ，随着制动强度增大 ，制动力系数逐渐 增大，依次超出冰 、雪、湿鹅卵石 、湿沥青路面 的识别 区间，当采样点数在1 1 5 左右时 ，制动力系数达到最大 值1 ． 0 4 ，最终落入干沥青 水泥 路面 的识别 区间，识 别 出当前路面为干沥青 水泥路面 。 道路实验表明以路面附着系数为识别参数 ，以各典 型路面峰值附着系数的波动区间为识别区间能够实现路 面状态 的准确识别。 5 结论 1 以路面 附着系数 为识别参数，以峰值附着系数 的波动区间为识别区间，在制动时对当前路面快速准确 【 下转第 1 O 9 页 】 【 ． 喜 瑙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度近似为4 8 ． 5 5 N ／ m m。与理论计算结果相差0 ． 4 3 ％，误 差很小，由此可知通过采用等效组合弹簧方法推导的矩 形截面弹簧计算公式是合理的。 善 妲 辑 叵 爨 轴向变形值I 一 _ 呻 图4 矩形截面弹簧特性线 3 ． 3 强度分析 单根矩形截面弹簧的最大工作载荷P 为2 4 7 7 ． 1 5 N， 因 此 设 计 的 矩 形 截 面 弹 簧 的 最 大 工 作 载 荷 P 为 9 9 0 8 ． 6 N，将 其除 以矩 形截面弹 簧轴 向刚度 可得最大 工作载荷下的变形值近似为2 0 3 ． 2 mm。运用A B AQ U S 进行 强度分析时 ，需对弹簧 的固定端进行完全固定约 束 ，在 自由端施加轴 向强迫位 移2 0 3 ． 2 mm，通过有 限 元分析 应力云 图可 以看 出此时 的应力分布 ，如 图5 所 示。从应力云 图中可 以看 出矩形截 面弹簧 的最大应力 为7 9 2 ． 3 MP a ，小于材料6 5 Mn 的屈服强度8 0 0 MP a 。从应 力最 大处的局部放大 图可 以看出，最大应力集 中在弹 簧矩 形截面的表层 ，而且 范围较 小 ，中间应力大部分 在 1 9 8 ． 1 MP a 6 6 0 ． 3 MP a 之间，并且此钻井封隔器是一次 性使用，不存在疲劳工况，所 以研究的弹簧强度符合设 计要求。钻井封隔器 中设计 的矩形截面弹簧的压缩量为 2 0 0 m m，因此该弹簧满足钻井封隔器的安装和强度要求。 4 结论 1 有限元分 析过程运用S o l i d Wo r k s -Z． 维设计软件 进行矩形截面弹簧的建模 ，并将模型导入A B A Q U S 有限 图5 矩形截面弹簧应力云图 元分析软件 中，建立了合适 的矩形截面弹簧有限元分析 模型。 2 采用等效组合弹簧的方法进行了矩形截面弹簧 的理论计算 ，获得了弹簧的轴向刚度，推导出此类矩形 截面弹簧的轴向刚度计算公式，通过与轴向刚度有限元分 析结果进行 比较，误差为0 ．4 3 ％，证明了此种计算方法是 合理的，为今后矩形截面弹簧的设计提供了理论方法。 3 最大工作载荷下，矩形截面弹簧 的最大应 力小 于材料的屈服强度，可知设计的弹簧在钻井封隔器中符 合强度要求。 参考文献 [ 1 】 冯春兰． 矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧的精度保证【 J ] ． 航天制造技 术。2 0 0 3 1 2 0 ． [ 2 】 成 大先 ． 机械 设计手册 第五版 单行本． 弹簧【 M】 ． 北京 化学工业 出版社 ．2 0 1 0 3 ． 5 5 ． 【 3 】 邹广平， 刘虹， 何蕴增， 吴国辉． 并联组合弹簧的力学性能分析【 J ] ． 哈尔滨 工程大 学学报， 2 0 0 2 ， 2 3 6 ． [ 4 】 马晓峰 ． AB AQUS 6 ． 1 1 中文 版有限元分 析从7 ． f q N精 通【 M】 ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 1 3 5 5 5 9 ． 【 5 】钟 文 彬 ． 圆柱 螺 旋弹 簧 刚度 特 性 的有 限 元 分析 【 J 】 ． 机 械 2 0 1 1 , 3 8 1 2 ． 如‘ 重● 蠢 ． 蠡‘妇． 妇．． ． 岛● 如● j蠢● 岛● 岛● {盎‘ 盘‘ {＆‘ 盘I 国‘ 蠡‘ j矗‘ 矗● 矗● 蠡● 矗‘ 【 上接 第9 2 页 】 地完成识别。 2 以变量液压泵进行制动能量 回收 ，通过调节变 量泵的排量来调整液压再生制动力矩，使液压再生制动 具备防抱死功能。 3 根 据路 面识别结果调整控制器的 目标滑移 率， 确保 车辆在不同路面制动时，完全采用液压再生制动能 够最大限度利用路面附着条件。 参考文献 【 1 】王猛，孙泽昌， 卓桂荣， 等． 电动汽车制动能量回收系统研究[ J 】 ． 农 业机械学报， 2 0 1 2 ，4 3 2 8 5 8 8 ． ． 【 2 】 徐耀挺， 宁晓斌 ， 王秋成． 基于A ME S i m的纯 电动汽车液压再生制 动 系统 的研 究[ J 】 ． 机 电工程， 2 0 1 2 2 1 4 6 ． 1 5 0 ． 【 3 】赵国柱， 滕建辉， 魏民祥， 等． 基于模糊控制的电动汽车低速再生 A B S 研究[J 1 ． 中国机械工程， 2 0 1 2 ， 2 3 1 1 1 7 1 2 1 ． 【 4 】 Z h a n g J i a n l o n g ， Yi n Ch e n g l i a n g ， Z h a n g J i a n wu ． De s i g n a n d a n a l y s i s o f e l e c t r o m e c h a n i c a l hy b r i d a n t i l o c k b r a k i n g s ys t e m f o r h y b ri d e l e c t r i c v e h i c l e u ti l i z i n g mo t o l r e g e n e r a t i v e b r a k i n g [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f Mech a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 1 2 2 4 2 4 9 ． 【 5 】张晓龙， 孙仁云， 李锋， 等． 基于平均附着系数的路面识别方法研 究[ J 】 ． 中国测试， 2 0 1 4 ，4 0 6 9 9 1 0 3 ． 【 6 】6 张晓慧． 液压混合动力车辆再生制动与A B S 协调控制【 D】 ． 哈尔 滨 哈尔滨工业大学， 2 0 1 1 ． 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 -0 7 下DO O l ～ 糍搿 濯 蒜 ■ ■ ■ 圃■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m