張曉龍，孫仁云，李 鋒，葛恒勇

（西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，成都 610039）

基于路面識(shí)別的液壓再生制動(dòng)防抱死研究

張曉龍，孫仁云，李 鋒，葛恒勇

（西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，成都 610039）

0 引言

制動(dòng)能量回收能夠有效提高汽車能量的利用效率，對(duì)于汽車的節(jié)能和環(huán)保有著重要意義[1]，目前的研究主要通過(guò)電機(jī)和液壓泵制動(dòng)能量回收，而載重車、專用車一般通過(guò)液壓泵進(jìn)行制動(dòng)能量回收[2]。為了能夠盡可能多地回收制動(dòng)能量，在小制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)往往僅采用液壓再生制動(dòng)。然而當(dāng)在低附著系數(shù)的路面（如冰雪路面）上僅采用再生制動(dòng)時(shí)，即便制動(dòng)強(qiáng)度小，也有可能出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸抱死，導(dǎo)致車輛操縱穩(wěn)定性嚴(yán)重下降[3]。解決這一問(wèn)題的常用方法是在車輪即將抱死時(shí)，切斷再生制動(dòng)，采用傳統(tǒng)ABS制動(dòng)[4]，然而這將降低制動(dòng)能量的回收。

本文通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量，使液壓再生制動(dòng)具備防抱死功能，從而最大限度地回收制動(dòng)能量。同時(shí)考慮到不同路面的附著特性的差異，只有將當(dāng)前路面的最佳滑移率作為系統(tǒng)的目標(biāo)滑移率才能最大限度地利用路面的附著條件[5]，提出基于路面識(shí)別的液壓再生制動(dòng)防抱死研究。

1 輪胎模型

Burckhardt等人通過(guò)大量試驗(yàn)擬合出了6種典型路面的)(sμ曲線，如圖1所示，給出了一個(gè)實(shí)用的輪胎—路面數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式為[5]：

式中c1、c2、c3為各典型路面的參數(shù)值，如表1所示。通過(guò)求極值的方法得到6種典型路面的最佳滑移率0s及峰值附著系數(shù)0μ，如表1所示。

圖1 典型路面的)(sμ曲線

表1 輪胎模型中各典型路面參數(shù)值、0s及0μ

2 液壓再生制動(dòng)ABS

要使車輛僅采用液壓再生制動(dòng)時(shí)具備防抱死功能，需要根據(jù)制動(dòng)時(shí)車輪的實(shí)際滑移率來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整液壓再生制動(dòng)力矩，確保實(shí)際滑移率保持在目標(biāo)滑移率附近。

已知液壓泵產(chǎn)生的再生制動(dòng)力矩大小為[6]：

式中：p為液壓泵工作壓力（MPa）；qmax為液壓泵的最大排量（mL/r）；i為液壓泵的排量系數(shù)（0≤≤i1）；η為液壓泵總效率；iqmax為液壓泵的實(shí)時(shí)排量(mL/r)。

從式(2)可以看出，再生制動(dòng)力矩的大小與液壓泵的排量有關(guān)，因此，可采用變量液壓泵進(jìn)行制動(dòng)能量回收，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵的排量來(lái)改變?cè)偕苿?dòng)力矩的大小。如圖2所示，以滑移率為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵的排量使液壓再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)防抱死?？紤]到不同路面的最佳滑移率往往不同，以固定的滑移率作為控制目標(biāo)時(shí)，不能最大限度地利用路面的附著條件，這就需要在制動(dòng)過(guò)程中對(duì)當(dāng)前路面進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)將當(dāng)前路面的最佳滑移率調(diào)整為控制器的目標(biāo)滑移率。

圖2 液壓再生ABS總體結(jié)構(gòu)

3 路面識(shí)別

傳統(tǒng)的通過(guò)參數(shù)估算進(jìn)行路面識(shí)別的方法通常都離不開滑移率，在識(shí)別過(guò)程中需要實(shí)時(shí)估算車輪的滑移率，同時(shí)將滑移率與其他參數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，估算滑移率時(shí)需要測(cè)量輪速和車速，而要準(zhǔn)確測(cè)量車速難度比較大，同時(shí)計(jì)算量和數(shù)據(jù)量也非常大，給實(shí)車應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。本文將附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間作為識(shí)別區(qū)間，無(wú)需滑移率即可實(shí)現(xiàn)路面識(shí)別。

如表1所示，根據(jù)Burckhardt模型得到各典型路面的理論峰值附著系數(shù)，而實(shí)際生活中同一典型路面的峰值附著系數(shù)往往會(huì)有不同程度的差異，但可以確定的是每種典型路面峰值附著系數(shù)的實(shí)際值必然在其理論值附近波動(dòng)，因此根據(jù)Burckhardt模型中的理論峰值附著系數(shù)可設(shè)計(jì)出各典型路面實(shí)際峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間，如表2所示。

表2 峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間

實(shí)際生活中各典型路面的實(shí)際峰值附著系數(shù)必然在對(duì)應(yīng)的波動(dòng)區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，也就是說(shuō)在整個(gè)滑移率區(qū)間上，各典型路面的附著系數(shù)均小于其峰值附著系數(shù)波動(dòng)區(qū)間的上限，因此以路面附著系數(shù)為識(shí)別參數(shù)，以峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間為識(shí)別區(qū)間可進(jìn)行路面識(shí)別。

制動(dòng)開始后，實(shí)際滑移率從0向目標(biāo)滑移率增加，車輛的制動(dòng)力系數(shù)也從0開始遞增，制動(dòng)力系數(shù)首先落入路面1（冰）的識(shí)別區(qū)間((0,0.12])，因此將系統(tǒng)目標(biāo)滑移率的初始值設(shè)為冰路面的最佳滑移率0.031，制動(dòng)開始后實(shí)際滑移率從0向0.031快速遞增，最終保持在0.031附近，如果制動(dòng)力系數(shù)的估算值始終在區(qū)間(0,0.12]（冰路面的峰值附著系數(shù)波動(dòng)區(qū)間）內(nèi)波動(dòng)，則表示即便是在路面1（冰）的最佳滑移率下當(dāng)前路面的附著系數(shù)也小于路面1（冰）峰值附著系數(shù)波動(dòng)區(qū)間的上限，結(jié)合圖1可看出當(dāng)前路面必然為路面1（冰）。

如果制動(dòng)力系數(shù)的估算值超出路面1（冰）的識(shí)別區(qū)間，必然首先落入路面2（雪）的識(shí)別區(qū)間，系統(tǒng)識(shí)別出當(dāng)前路面為路面2（雪），目標(biāo)滑移率調(diào)整為路面2（雪）的最佳滑移率0.06，以此類推，系統(tǒng)按照冰、雪、濕鵝卵石、濕瀝青、干瀝青（水泥）的順序，根據(jù)估算的制動(dòng)力系數(shù)對(duì)當(dāng)前路面進(jìn)行判定，從而完成路面識(shí)別。圖3為識(shí)別過(guò)程框圖。

圖3 識(shí)別過(guò)程框圖

4 試驗(yàn)研究

4.1 聯(lián)合仿真

如圖4所示，在Amesim中通過(guò)變量液壓泵/馬達(dá)建立液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)時(shí)液壓泵/馬達(dá)作為泵工作，產(chǎn)生的再生制動(dòng)力矩對(duì)車輪進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)將汽車制動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器中，回收制動(dòng)時(shí)的能量。驅(qū)動(dòng)時(shí)液壓泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作，消耗儲(chǔ)能器中的高壓油為車輪提供動(dòng)力，釋放回收的制動(dòng)能量。

在Simulink中搭建車輛模型、識(shí)別算法及控制策略，通過(guò)兩個(gè)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。預(yù)設(shè)車輛在雪路面上以10m/s的初速度進(jìn)行制動(dòng)，僅采用液壓再生制動(dòng)。

圖4 聯(lián)合仿真模型

如圖5所示，系統(tǒng)按照附著系數(shù)由低至高的順序?qū)Ξ?dāng)前路面依次進(jìn)行判斷識(shí)別，識(shí)別結(jié)果與預(yù)設(shè)路面一致，識(shí)別快速準(zhǔn)確。圖6為滑移率-時(shí)間曲線，制動(dòng)過(guò)程中實(shí)際滑移率對(duì)最佳滑移率的跟蹤快速準(zhǔn)確，基本保持在當(dāng)前路面的最佳滑移率，控制效果良好，充分利用了當(dāng)前路面的附著條件。圖7為速度-時(shí)間曲線，當(dāng)車速小于1m/s時(shí)，再生ABS停止工作，輪速快速減小，2秒時(shí)車輪抱死，液壓再生制動(dòng)ABS工作過(guò)程中車輪沒(méi)有出現(xiàn)抱死，可見在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，液壓再生制動(dòng)具備防抱死功能，制動(dòng)效果良好。如圖8所示，制動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際滑移率實(shí)時(shí)調(diào)整變量液壓泵的排量系數(shù)，改變液壓泵的實(shí)時(shí)排量，從而調(diào)節(jié)液壓再生制動(dòng)力矩，防止車輪抱死。

圖5 路面識(shí)別仿真結(jié)果

圖6 滑移率-時(shí)間曲線

圖7 速度-時(shí)間曲線

圖8 排量系數(shù)-時(shí)間曲線

4.2 路面識(shí)別道路實(shí)驗(yàn)

如圖9所示，利用六分力測(cè)試儀在干瀝青路面進(jìn)行道路實(shí)驗(yàn)，車輛在制動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集車輪受到的縱向力和法向力信號(hào)，利用小波工具箱對(duì)信號(hào)去噪，得到制動(dòng)時(shí)車輪受到的縱向力FX和法向力FZ，根據(jù)式(3)可計(jì)算出制動(dòng)力系數(shù)μ，如圖10所示。

圖9 六分力測(cè)試儀

圖10 制動(dòng)力系數(shù)-采樣點(diǎn)數(shù)曲線

制動(dòng)開始后，隨著制動(dòng)強(qiáng)度增大，制動(dòng)力系數(shù)逐漸增大，依次超出冰、雪、濕鵝卵石、濕瀝青路面的識(shí)別區(qū)間，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)在115左右時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)達(dá)到最大值1.04，最終落入干瀝青（水泥）路面的識(shí)別區(qū)間，識(shí)別出當(dāng)前路面為干瀝青（水泥）路面。

道路實(shí)驗(yàn)表明以路面附著系數(shù)為識(shí)別參數(shù)，以各典型路面峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間為識(shí)別區(qū)間能夠?qū)崿F(xiàn)路面狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別。

5 結(jié)論

1）以路面附著系數(shù)為識(shí)別參數(shù)，以峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間為識(shí)別區(qū)間，在制動(dòng)時(shí)對(duì)當(dāng)前路面快速準(zhǔn)確地完成識(shí)別。

2）以變量液壓泵進(jìn)行制動(dòng)能量回收，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵的排量來(lái)調(diào)整液壓再生制動(dòng)力矩，使液壓再生制動(dòng)具備防抱死功能。

3）根據(jù)路面識(shí)別結(jié)果調(diào)整控制器的目標(biāo)滑移率，確保車輛在不同路面制動(dòng)時(shí)，完全采用液壓再生制動(dòng)能夠最大限度利用路面附著條件。

[1]王猛,孫澤昌,卓桂榮,等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(2):85-88.

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Study on hydraulic regenerative anti-lock braking system based on road identification

ZHANG Xiao-long, SUN Ren-yun, LI Feng, GE Heng-yong

為了使液壓再生制動(dòng)單獨(dú)工作時(shí)具備防抱死功能，通過(guò)變量液壓泵進(jìn)行制動(dòng)能量回收，在制動(dòng)時(shí)以各路面峰值附著系數(shù)的波動(dòng)區(qū)間為識(shí)別區(qū)間進(jìn)行路面識(shí)別，以識(shí)別路面的最佳滑移率為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整液壓泵的排量來(lái)調(diào)節(jié)再生制動(dòng)力矩。通過(guò)Amesim和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地完成路面識(shí)別，液壓再生制動(dòng)具備防抱死功能，最后通過(guò)道路實(shí)驗(yàn)對(duì)路面識(shí)別方法作了進(jìn)一步驗(yàn)證。

路面識(shí)別；聯(lián)合仿真；液壓再生；防抱死

張曉龍（1988 -），男，陜西蒲城人，碩士，主要從事汽車電控技術(shù)研究。

U463

A

1009-0134(2015)07(下)-0090-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).28

2015-03-05

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目（2012JY0049）；西華大學(xué)人才培養(yǎng)與引進(jìn)基金項(xiàng)目（R0920301）