汽车液压制动系统轮缸压力阶梯减压控制特性分析.pdf

2 0 1 4 年 第 3 6 卷 第 1 期 汽车工程 Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 01 401 9 汽车液压制动系统轮缸压力阶梯减压控制特性分析 木 齐志权 ， 裴晓飞， 马国成 ， 王宝锋 北京理工大学机械与车辆学院， 北京1 0 0 0 8 1 [ 摘要] 基于 B r a k e H y d r a u l i c s 软件库和M K 2 0 型压力调节器建立了液压制动系统仿真模型， 并在此基础上定 量分析了制动系统阶梯减压控制周期或占空比和压差与轮缸压力变化率的关系， 为 A B S 、 A S R、 E S P等与制动相关 的控制系统中确定阶梯减压控制占空比提供了依据。 关键词 压力调节器 ； 轮缸压力； 阶梯减压 ； 占空比 An An a l y s i s o n t h e S t e p p e d Re l e a s e Co n t r o l Ch a r a c t e r i s t i c s o f Wh e e l C y l i n d e r P r e s s u r e i n Ve h i c l e Hy d r a u l i c B r a k e S y s t e m Q i Z h i q u a n， P e i X i a o f e i ， Ma Gu o c h e n g Wa n g B a o f e n g S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， B e ij i n g I n s t it u t e of T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 [ A b s t r a c t ] B a s e d o n R T B r a k e H y d r a u l i c s s o f t w a r e l i b r a r y a n d MK 2 0 p r e s s u r e m o d u l a t o r ， a s i mu l a t i o n m o d - e l f o r h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m i s b u i l t ．b a s e d o n wh i c h a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s i s c o n d u c t e d o n t h e r e l a t i o n s h i p a mo n g s t e p p e d r e l e a s e c o n t r o l c y c l e o r d u t y c y c l e ， p r e s s u r e d i f f e r e n c e a n d t h e c h a n g i n g r a t e o f w h e e l c y l i n d e r p r e s s u r e ， S O p r o v i d i n g a b a s i s for d e t e r mi n i n g t h e d u t y c y c l e o f s t e p p e d r e l e a s e c o n t r o l for b r a k i ng r e l a t e d c o n t r o l s y s t e ms s u c h a s AB S，A S R a n d E S P e t c ． Ke y wo r d shy dr a ul i c p r e s s ur e mo dula t o r；wh e e l c y l i nde r pr e s s ur e；s t e ppe d r e l e a s e；d ut y c yc l e 日 IJ舌 汽车液压制动系统 轮缸压力调 节装置 也称为 压力调节器 是制动防抱死系统 A B S 、 驱动防滑控 制系统 A S R 和电子稳定性程序 E S P 等主动安全 系统的执行机构 ， 是液压制动 系统 的核心 ， 它 由阀 体、 电磁阀、 低压蓄能器 、 回油柱塞泵和直流电动机 等部件组成。阀体采用多复合孔技术将液压元件连 成通路， 结构十分紧凑⋯。压力调节器置于制动主 缸与车轮制动轮缸之间， 主要功用是根据控制系统 电子控制单元 E C U 的控制指令 ， 自 动调节制动轮 缸的压力。为了控制轮缸压力 的减压速率 ， 通常采 用阶梯减压控制策略， 它是控制过程中较为实用的 控制手段。 液压制动系统压力调节装置 的调压特性对系统 控制性能有着重要的影响 J ， 而制动系统的各部件 结构参数和性能参数决定了压力调节装置的调压特 性 ， 国内外学者对影 响较大 的电磁 阀部件进行 了理 论分析和相关试验 ， 文献 [ 3 ] 中对 A B S电磁 阀的响 应特性进行 了研究 ， 测试 了 B o s c h某型号压力调节 器电磁阀在空载和加压等工况下的响应时间。文献 [ 4 ] 中分别采用 A N S Y S 、 S i m u l i n k和 A ME S i m分析电 磁阀动态响应， 进行了A B S 液压控制单元匹配的仿 真研究。本文 中基于 B r a k e H y d r a u l i c s 和 MK 2 0型压 力调节器建立了制动系统仿真模型， 分析了制动系 统阶梯减压控制策略对轮缸减压特性的影响。 1 汽车液压制动系统结构 图 1为某 型汽车液压制动系统示意 图， 其 中集 成 的制动轮缸压力调节器 由进油电磁阀 进油阀 、 {国家青年 自 然科学基金 5 1 0 0 5 0 1 9 资助。 原稿收到 日期为2 0 1 1年9月 1 9日， 修改稿收到 E t 期为 2 0 1 2年 5月 1 4日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 齐志权， 等 汽车液压制动系统轮缸压力阶梯减压控制特性分析 制动 图 1 汽车液压制动系统简图 单个车轮 出油电磁阀 出油阀 、 电动机与回油泵、 低压储能 室、 高压储能器、 单向阀和制动管路组成。当需要进 行轮缸压力调节时 ， 压力调节器按照一定的逻辑 通 过进油阀、 出油阀和回油泵等元件的控制， 实现制动 管路压力增加 、 保持和减少控制 。 对于轮缸减压过程 ， 进油 电磁 阀关闭 ， 出油 电磁 阀打开 ， 制动主缸 与制动轮缸之间的进油管路被 切 断 ， 制动轮缸内的制动液经 出油阀流 回到低压储 能 室中。当压力调节器 电机工作 时， 驱动 回油泵将低 压储液室中的制动液泵人高压储能器， 回液通道为 制动轮缸一出油阀人 口一出油阀腔室 出油阀出口 一低压储能室一电动回油泵一高压缓冲器。随着制 动轮缸中的制动液流回高压储能器， 制动轮缸压力 随之降低。 2 轮缸压力响应模型 在轮缸压力控制过程 中， 对其 动态特性影 响较 大的系统元件有电磁 阀、 低压储 能室 、 柱塞泵 、 制 动 管路和轮缸等。 2 ． 1 电磁 阀 轮缸压力调节器采用 了两个二位二通 电磁 阀 一 个进油阀和一个 回油阀， 进油阀为常开电磁 阀， 回 油阀为常闭电磁阀。电磁阀阀口的流量一 压力方程为 一 √ △ p 式 中 Q 为通过电磁 阀的流量 ， m ／ s ； C d 为 由阀 口形 状、 液体流态、 油液性质等因素决定的流量系数； 4为 阀 口的 通 流 截 面 积 ， m ； P为 制 动 液 密 度 ， k g ／ m ； A o 为 阀E l 前后 的压力差 ， P a 。 通常情况下矿物型制动液密度为 1 0 5 6 k g ／ m ， 流量系数为 0 ． 2 ， 在进、 出油电磁阀动作过程中， 通 流截面积 A随着 阀芯的开启或关闭而发生变化 ， 回 油电磁阀通流截面积 4的变化规律 为 A 。 A 0 0 ． 5 0 ． 5 t a n h t t - t o d e l 2 式中 。 为回油电磁阀阀口完全打开的通流截面积 ， m ； 。 。 。 。 。 为 出油 电磁 阀打 开 动作 时 的开 启 斜 率 ， m s ～； 为时间， ms ； t 。 为出油电磁阀打开动作的延 迟时间， m s 。 进油电磁阀通流截面积 的变化规律为 A i A 1 0 ． 5 - 0 ． 5 t a n h t 1 。 。 。 t - t 。 d e J 3 式 中 A 为进 油 电磁 阀阀 口完全 打开 的通 流截 面 积 ， m ； t c s l o p e 为进油 电磁阀关 闭动作时的关 闭斜率 ， m s ～； 为进油 电磁 阀关 闭动作的延迟时间， m s 。 2 ． 2 低压储能室 轮缸压力调节器中的低压储能室设在出油阀和 回油泵之间， 采用弹簧蓄能式结构， 主要用于存储 A B S减压过程中从制动轮缸 流回的制动液 ， 同时衰 减回流制动液所造成的压力波动。其压力一 流量模 型 为 ． E Q l i p Vo l E A 22 ／ K 4 式中 P l 为储液室端 口压力 ， P a ； Q i 为储液室端 E l 输 入流量 ， m 。 ／ s ； E为制动液 的体积模 量 ， N ／ m ； V o 为 储液室制动液体积， m ； A 为储液室活塞面积， m ； 为储液室内弹簧刚度 ， N ／ m。 2 ． 3柱塞泵 回油泵是往复式单柱塞泵， 其数学表达式 为 6 1 0 4 5 Q 一 面 ‘ 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 4年 第 3 6卷 第 1 期 式中 Q 为回油泵的流量 ， m ／ s ； q b 为回油泵 的排量 ， L； 为电机转速 ， r ／ m i n ； p h 为 回油泵制 动液的进 口 压力， P a ； p 为回油泵制动液的出口压力， P a ； a为 回油泵压力因子 。 2 ． 4 制动轮缸 图2为制动轮缸的原理结构简图。在制动初始 阶段 ， 轮缸活塞须经过一段空行程 ， 以消除制动衬片 与制动盘 或制动鼓 之间的间隙。此外 ， 由于制动 轮缸不 同于一般往 复运动的液压缸 ， 活塞 的运动输 出很小 ， 因此通常在分析轮缸的压力流量特性时， 只 考虑力 的输 出， 轮缸的压力流量方程为 E Q ／ 6 式中 p 为制动轮缸压力， P a ； V w 为轮缸体积， m ； Q 为轮缸流量 ， m ／ s 。 l w l ． _ I p w A w ， 、 ， 、 ， 、 ～- 图2 制动轮缸原理简图 2 ． 5 制动管路 制动管路由制动硬管和制动软管两部分组成， 对轮缸减压特性 的影响主要表现为压力调节滞后 。 制动硬管一般为铜质， 可忽略其影响。制动软管压 力波传递时问的经验公式 为 t 。 1 ． 9 5 l 7 式中 。 为制动软管中的压力传递时问， m s ； z 。 为制 动软管的长度 ， I n 。 3 轮缸阶梯减压控制特性仿真分析 在车辆紧急制动 A B S控制 阶梯减压过程 中， 轮 缸压力先减压一定时间， 再保压一定时间， 然后再减 压和再保压， 如此反复。因此轮缸压力阶梯控制的 占空比、 周期等参数对轮缸压力的动态特性有着重 要影响。通过基于 B r a k e H y d r a u l i c s 仿真分析软件建 立的液压制动系统仿真模型， 分析占空比大小对轮 缸压力动态特性的影响。 3 ． 1 系统模型仿真主要参数 根据系统结构、 物理特性分析和实验对比等方 法， 确定的仿真模型主要参数如表 1 所示。 表 1 模型仿真主要参数 制动液密度 P 1 0 5 6 储液室液阻／ 8 0 0 0 ／ k g ／ m。 g ／ s c m ’ 制动液体积弹性 1 ． 8 1 0 3 单向阀弹簧 O ．1 模量／ MP a 刚度／ N m 进油阀 口流量系数 C d 0 ． 2 单向阀受力 面积／ m 1 ． 4 3 1 0 一 电磁阀打开斜率／ m s 1 ／ 5 ． 5 轮缸弹簧的预紧力／ N O ． 1 电磁 阀打开延迟 1 ．8 轮缸弹簧最大 0 ．0 0 1 5 时间／ m s 压缩量／ m 阀口完全通流截面积／ mm 2 9 ． 6 2 轮缸直径／ mm 4 8 储液室制动液体移 m 3 1 0 6 轮缸体积／ c m 4 ． 7 3 ． 2 工况设置及输入 由于压力调节器出油电磁阀的响应时问一般为 4～ 5 ms ， 因此在阶梯减压控制过程中设置 出油电磁 阀开启持续 时间为 固定值 5 m s ， 通过改变 阶梯减压 控制周期来改变 占空比的大小。 模拟制动主缸初始压力为 8 M P a 、 占空比为 0 ． 4 时的阶梯减压过程时， 系统输入如图 3～图 6所示 。 其中图6 是第一个减压保压控制周期时出油阀开关 状态， 其占空比等于A D与周期 A E的比值， 图中A D 5ms， AE1 2． 5ms 。 出 培 图3 主缸压力输入曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 齐志权， 等 汽车液压制动系统轮缸压力阶梯减压控制特性分析 9 1 1碟 耀 圄 厘 露 号 j 时间／ s 图 5 回油泵开关状态 1 开， 0关 图6 出油阀的开关状态 1 开， 0关 3 ． 3 仿真结果与分析 在上述制动主缸压力和执行元件控制输入情况 下， 轮缸压力变化过程如图7和图 8 所示。由图可 见， 在阶梯减压初始阶段， 由于轮缸和低压储液室压 差较大， 轮缸的压力变化率也较大。此外 ， 表2和图 9均给出了在不 同轮 缸和低 压储 液室压差 ， 以及不 同阶梯减压控制占空比情况下， 轮缸压力变化率的 仿真结果。从表 2和图9可知， 阶梯减压控制占空 比越大， 则减压越快。实际控制过程中， 在控制周期 一 定的情况下 ， 应根据控制逻辑按图9和表 2 选择 合适 的占空比和轮缸压力减压速率 ， 以提高轮缸 压 力控制系统的控制精度和控制性能。 R 幽 时间／ s 图7 左前轮轮缸压力曲线 耋 时间／ s 图8 阶梯减压阶段左前轮轮缸压力曲线 表 2 阶梯控制轮缸压力变化率 MP a f s 与占空比和压差的关系 ＼＼ 占空比 ＼ 0 ． 3 O 0 ． 4 0 0 ． 5 O O ． 6 0 0 ． 7 0 0 ． 8 0 1 ． O O 压差／ M ＼ 1 6 ． 3 5 8 ． 0 0 9 ． O 9 l 0 ． 5 3 1 1 ．1 1 1 3 ． 3 3 1 5 ． 3 8 2 9 ． 2 0 1 1 ． 1 1 1 3 ． 3 3 1 6 ． 0 o 1 8 ． 1 8 1 9 ． 51 2 2 ． 2 2 3 11 ． 43 1 3． 9 5 1 6 ． 6 7 l 9 ． 3 5 2 2 ． 2 2 2 5 ． 0 0 2 7 ． 2 7 4 1 3 ． 1 1 1 6． 4 9 2 0 ． O 0 2 2 ． 2 2 2 5 ． 8 1 2 8 ． 5 7 3 2 ． o o 5 1 5 ． 5 O 1 9． 2 3 2 2 ． 9 9 2 6 ． 6 7 3 O ． 3 0 3 3 ． 3 3 3 7 ． 0 4 6 1 7 ． 2 7 2 1 ． 8 2 2 6 ． 0 9 3 0 ． O 0 3 3 ． 3 3 3 8 ． 1 O 41 ． 3 8 7 1 9 ． 3 1 2 4． 1 4 2 8 ． 5 7 3 3 ． 3 3 3 7 ． 8 4 4 2 ． 4 2 4 2 ． 6 7 8 21 ． 1 9 2 6． 2 3 31 ． 3 7 3 6 ． 3 6 41 ． 0 3 4 7 ． 0 6 51 ． 6 1 9 2 2 ． 93 2 8． 1 3 3 4 ． 6 2 3 9 ． 5 6 4 5 ． O 0 5 O ． O O 5 4 ． 5 5 1 0 2 4 ． 3 9 3 0． 5 3 3 6 ． 3 6 4 2 ．1 1 4 8 ． 1 9 5 4 ． 0 5 5 9 ． 7 0 1 1 2 6 ． 3 5 3 2 ． 8 4 3 8 ． 9 4 4 5 ． 3 6 5 2 ． 3 8 5 7 ． 8 9 6 4 ． 7 1 1 2 2 8 ． 2 4 3 5． 0 6 4 2 ． 1 1 4 8 ． 9 8 5 5 ． 8 1 6 1 ． 5 4 6 8 ． 5 7 1 3 3 O ． 6 3 7． 41 4 4 ． 8 3 5 2 ． o o 5 8 ． 4 3 6 5 ． 0 o 7 2 ． 2 2 8 0 皇 6 o 槲4 0 2 0 收 0 1 5 图 9 轮缸压力变化率三维图 为验证仿真结果的可信度， 进行了实车试验。 驾驶员踩下制动踏板并保持一定时间， 使轮缸压力 处于一恒定值 ， 此时关闭进油阀， 按一定 占空比打开 出油 阀， 采集轮缸压力变化曲线。图 l O为仿真结果 和实验结果的对比曲线， 可以看出， 实际轮缸压力的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 汽车工程 2 0 1 4年 第 3 6卷 第 1 期 变化与仿真结果较为接近， 但存在一定偏差。由于 实际的A B S 、 A S R和 E S P等控制系统中并不要求对 轮缸压力作出精确估计， 故该仿真结果可以应用于 实际控制系统中。 篙 瓣 出 压差／ MP a 图 1 0 仿真结果和实验结果对比 占空比1 图1 1 为实车 A B S紧急制动的实验结果， 可以 看出， 完全满足控制系统的要求。 1 0 0 5 o 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ．5 2 ．0 2 ． 5 3 ．0 3 ． 5 4 ． 0 O ． 5 1 ． 0 1 ．5 2 ． 0 2 ． 5 3 ．0 3 ． 5 4 O 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2．5 3 ．0 3 ． 5 4 ．0 0 ． 5 1 ．0 1 ． 5 2 ． 0 2 ．5 3 ． 0 3 ． 5 4 ．0 时间／ s 图 1 1 A B S紧急制动实验结果 4 结论 通过分析液压制动系统各模块数学模型 ， 并 基 于 B r a k e Hy d r a u l i c s软件 ， 建 立 了液压 制 动系统 仿 真模 型 ， 研究 了轮缸压 力变化 率 与阶梯 减压控 制 占空 比和压 差之 间的关 系 ， 给 出了根据 压差 和 期望压力变化率查找理论 占空比的数值表 ， 为阶 梯减压控 制 占空 比的设 计 提 供 了依 据 。实 车 实 验结果 表 明， 该 设 计 依 据 可 满 足 控 制 系 统 的 要 求。此外， 该液压系统仿真模型的建立有助于分 析研究电磁阀、 储能器等部件参数对阶梯减压过 程压力变化特性 的影响 。 参考文献 舒华， 姚建军， 姚国平， 等． 桑塔纳 2 0 0 0 G S i 型轿车 M K 2 0 一 I 型 A B S结构研究 [ J ] ． 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