權(quán)靜

摘要：制動(dòng)系統(tǒng)是確保汽車穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，為更好掌握車輛制動(dòng)影響因素，真正實(shí)現(xiàn)汽車安全運(yùn)行。文章針對傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，對汽車電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)，為汽車電控機(jī)械制動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車;電控機(jī)械制動(dòng);仿真

在科技不斷發(fā)展的背景下，絕對的安全性是人們對汽車產(chǎn)品的重要要求之一。現(xiàn)代化汽車，人們可通過了解其實(shí)際制動(dòng)性及一體化底盤等關(guān)鍵技術(shù)，真正了解汽車安全性能?，F(xiàn)代化汽車電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（簡稱EMB），其通過與其他部件和CAN集成，建立綜合控制系統(tǒng)。下文針對實(shí)際部件參數(shù)，對EMB機(jī)械執(zhí)行及電機(jī)執(zhí)行等建模、動(dòng)力學(xué)分析，和傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)比對，驗(yàn)證系統(tǒng)優(yōu)越性，對今后更好完善設(shè)計(jì)提供參考。

1 傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的缺陷

傳統(tǒng)汽車制動(dòng)以HB、EHB線控液壓制動(dòng)，EHB系統(tǒng)是在HB系統(tǒng)上發(fā)展來的，相較于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)器，EHB采用一體化制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)效果突出，系統(tǒng)操作簡單，噪聲小，且無需真空裝置輔助，優(yōu)越性突出。但是，EHB制動(dòng)系統(tǒng)管路復(fù)雜，裝配及維修不便，響應(yīng)不及時(shí)，且制動(dòng)液會污染環(huán)境，需在原有技術(shù)上進(jìn)一步改進(jìn)。

2 電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方向

電控是汽車制動(dòng)新方向，將電控單元融入汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)，開發(fā)全新車輛電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（簡稱EMB），可解決傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)缺陷，提高制動(dòng)效果。

2.1工作原理

電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、制動(dòng)器、控制器（ECU）、傳動(dòng)裝置等組成。汽車制動(dòng)，制動(dòng)踏板上傳感器將數(shù)據(jù)傳送給RCU（終端控制器Remote Control Units，兼?zhèn)淇刂坪屯ㄐ殴δ埽ㄟ^踏板速度及位移情況分析駕駛員實(shí)際駕駛情況，以此推斷是緊急制動(dòng)或還是正常制動(dòng)[4]。制動(dòng)中，ECU將制動(dòng)力、車輪傳感力等進(jìn)行分析，以控制算法計(jì)算，得到電壓控制信號，減速器減速，經(jīng)滾動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)及制動(dòng)塊壓緊力控制。完成后，F(xiàn)lexRay將信號傳遞給ECU，ECU將信號傳遞給電機(jī)[5]。

2.2控制目標(biāo)

控制目標(biāo)分為以下幾個(gè)：

2.2.1踏板力感控制，優(yōu)化制動(dòng)感覺。

2.2.2對車輪電機(jī)控制，實(shí)時(shí)控制車輪制動(dòng)力矩，同時(shí)實(shí)現(xiàn)ABS制動(dòng)防抱死。

2.2.3制動(dòng)力分配，含車前后軸制動(dòng)力分配、再生制動(dòng)控制。

2.2.4轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)系統(tǒng)集成控制，實(shí)現(xiàn)ESP、ASR功能。

3 車輛制動(dòng)管動(dòng)力學(xué)模型及制動(dòng)仿真分析

3.1制動(dòng)模型

制動(dòng)模型包含整車制動(dòng)、控制器、輪胎模型及制動(dòng)系統(tǒng)模型等。

3.1.1整車制動(dòng)

分為雙輪模型、四輪模型、1/4模型。下文以1/4模型為例分析。

3.1.2輪胎

輪胎模型表征制動(dòng)為路面縱向附著系數(shù)及輪胎滑移率之間關(guān)系，路面附著系數(shù)為輸出，輪胎滑移率為輸入。計(jì)算可針對輪速、車速，計(jì)算滑移率，以查表模塊應(yīng)用，查找路面縱向附著系數(shù)。該研究以Burckhardt模型支持，如圖1，圖中分析干濕路面、冰雪路面最佳滑移率，分別為0.2、0.08、0.15。

3.1.3 電控機(jī)械制動(dòng)

模型由減速器、制動(dòng)器、電機(jī)、絲杠傳動(dòng)模型等組成，電機(jī)力矩輸入，以制動(dòng)力矩完成輸出。

3.1.4控制器

以PID制動(dòng)控制，控制器模型輸入實(shí)際滑移率及最佳滑移率差，電機(jī)力矩為期望輸出。

3.2制動(dòng)仿真

為提高研究信服力，對不同車輛、不同路面制動(dòng)進(jìn)行研究，研究對車輛在不同路面制動(dòng)試驗(yàn)，不同路面以80km/h速度制動(dòng)，施加制動(dòng)力矩階躍輸入模擬緊急制動(dòng)：

3.2.1干燥路面，對車輛制動(dòng)力矩對制動(dòng)的影響比對分析，若制動(dòng)力矩同附著力限定制動(dòng)路局?jǐn)?shù)據(jù)較小，車輛制動(dòng)需3.ls，制動(dòng)長度34.5m，若制動(dòng)力矩及限定制動(dòng)力矩較高，將導(dǎo)致制動(dòng)長度增加，車輪抱死，具體制動(dòng)時(shí)間5. Is，制動(dòng)距離55. 2m。

3.2.2濕滑路面，若制動(dòng)力矩同附著力限定制動(dòng)路局?jǐn)?shù)據(jù)較小，車輛制動(dòng)需5.8s，制動(dòng)長度63. 6m;若制動(dòng)力矩及限定制動(dòng)力矩較高，具體制動(dòng)時(shí)間9. 8s，制動(dòng)距離105. 8m。

3.2.3冰雪路面，若制動(dòng)力矩同附著力限定制動(dòng)路局?jǐn)?shù)據(jù)較小，車輛制動(dòng)需13. 5s，制動(dòng)長度151m;若制動(dòng)力矩及限定制動(dòng)力矩較高，具體制動(dòng)時(shí)間16. 1s，制動(dòng)距離176.6m，車輪抱死，則車輛危險(xiǎn)較大。

綜上所述，同干路面道路行駛相比，濕滑路面車輛高速行駛下制動(dòng)，短時(shí)間出現(xiàn)抱死，滑移率100%，且地面附著系數(shù)較低，導(dǎo)致制動(dòng)距離延長。同濕滑路面，冰雪路面高速行車時(shí)制動(dòng)，抱死時(shí)間短，瞬間形成抱死，滑移率100%，相較于濕滑路面，冰雪路面附著系數(shù)更低，制動(dòng)距離更長。車輛在附著系統(tǒng)較低路面高速行駛時(shí)制動(dòng)，未控制防抱死，則很可能出現(xiàn)防抱死，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

3.3以遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)

以MATLAB軟件操作支持，對車輛電控機(jī)械制動(dòng)策略仿真圖形界面設(shè)計(jì)分析，以軟件操作，用戶將車輛輪胎及整車對應(yīng)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，點(diǎn)擊控制算法按鈕，可迅速獲取車輛制動(dòng)信息，獲取直觀的分析數(shù)據(jù)。此外，文章以遺傳算法對PID參數(shù)優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。一些復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化，采用遺傳算法隨機(jī)優(yōu)化搜索，可在一時(shí)間對空間中各個(gè)點(diǎn)位快速搜索，實(shí)現(xiàn)全局收斂。因此，可利用模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過PID控制參數(shù)中積分系統(tǒng)、微分系數(shù)及比例系數(shù)，得到變量，在固定長度路面上，以制動(dòng)實(shí)際滑移率及理想的滑移率之差均方根視作目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化各項(xiàng)約束條件，以MATLAB中“工具箱”的算法求解目標(biāo)函數(shù)，以獲取車輛穩(wěn)定性提高的理論基礎(chǔ)。之后對主程序M文件及目標(biāo)函數(shù)的M文件編寫，得到的理想控制參數(shù)的最終優(yōu)化。

在此次研究中，對不同路面情況下控制參數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)：（1）在干燥路面下，制動(dòng)時(shí)間2. 6s，制動(dòng)距離29.4m，經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)滿足國家制動(dòng)規(guī)范。 （2）在濕滑路面，制動(dòng)時(shí)間4.6s.制動(dòng)距離51.4m、經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)滿足國家制動(dòng)規(guī)范。（3）冰雪路面，制動(dòng)時(shí)間12s，制動(dòng)距離133. 8m，經(jīng)比對，發(fā)現(xiàn)其基本能滿足國家制動(dòng)規(guī)范。

由此可見，在不同路面下，均可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)滑移率實(shí)施追蹤，對地面附著力最大限度利用，縮短車輛制動(dòng)長度，提高車輛高速行駛中方向穩(wěn)定性，提高制動(dòng)效能。

4 效果比對分析

經(jīng)仿真優(yōu)化后，車輛電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)比對分析，發(fā)現(xiàn)電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

4.1 結(jié)構(gòu)及性能

傳統(tǒng)車輛制動(dòng)與電控機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較的結(jié)果如表l所示。

4.2制動(dòng)距離

以載貨車（約40t）為例，配置盤式制動(dòng)器及ENS，時(shí)速90km/h制動(dòng)，到車輛停止位置制動(dòng)距離比ABS及鼓式制動(dòng)器縮短約45%，而EMB又在此基礎(chǔ)上縮短近14%制動(dòng)距離，可見電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢明顯（如圖2）。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文首先對汽車電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析、控制策略設(shè)計(jì)軟件開發(fā)，再者，對電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)控制目標(biāo)FENIX實(shí)現(xiàn)的前提下，對PID控制對制動(dòng)的影響分析，最后，以遺傳算法對PID控制參數(shù)優(yōu)化，對目標(biāo)滑移率跟蹤，在應(yīng)用最大限度的路面附著力基礎(chǔ)上，縮短車輛高速行駛下制動(dòng)距離，以此提高車輛穩(wěn)定性，減少安全隱患發(fā)生。

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