張小明，李睿

（西安法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

緩速器和排氣制動聯(lián)合作用恒速仿真模型研究

張小明，李睿

（西安法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

通過液力緩速器和排氣制動外特性曲線，借助simulink建立包括環(huán)境因素在內(nèi)的緩速器和排氣制動聯(lián)合制動的恒速仿真模型，通過PID算法對恒速模型進行控制，仿真實驗表明該恒速仿真模型可以有效的保證車輛恒速下坡功能并適應(yīng)更為復(fù)雜的工況。

緩速器；排氣制動；PID；恒速

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-42-03

前言

重型車輛在復(fù)雜的工況下，比如：長下坡制動，平路頻繁制動等，行車主制動較一般工況制動強度大幅增加，如：制動器的加快磨損，制動襯片加速衰退等，達到某種嚴重程度，可導(dǎo)致主制動的失靈，造成交通事故。液力緩速器可實現(xiàn)恒速下坡功能，能有效減少主制動的壓力。較其他輔助制動（發(fā)動機制動，電渦流緩速器），具有制動力矩大，制動平穩(wěn)，噪聲小、壽命長，體積小等優(yōu)點。

國外對于電控液力緩速器的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的發(fā)展[1]，比如：德國CF,德國福伊特，瑞典斯堪尼亞，美國通用汽車公司的Allison系列液力緩速器等，國外液力緩速器雖技術(shù)成熟，但是成本較高，因此國內(nèi)主機廠商未能進行大規(guī)模的匹配，國內(nèi)液力緩速器的發(fā)展以法士特為先驅(qū)，近幾年來技術(shù)不斷的成熟并將液力緩速器推向了市場，得到了用戶的認可，并且成本遠低于國外廠商的液力緩速器。

緩速器作為車輛輔助制動機構(gòu)，安裝在機械變速箱后端，依照控制系統(tǒng)對其控制，本設(shè)計根據(jù)整車參數(shù)：輪胎半徑，后橋等和車速獲得傳動軸轉(zhuǎn)速，以緩速器的外特性曲線為依據(jù)，根據(jù)標定氣壓和傳動軸轉(zhuǎn)速獲得緩速器輸出扭矩，以傳動軸轉(zhuǎn)速和變速箱參數(shù)：檔位，傳動比等獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速，依照排氣制動外特性曲線獲得排氣制動功率，在考慮到空氣阻力，道路阻力的情況下，緩速器和排氣制動聯(lián)合制動扭矩來實現(xiàn)車輛的恒速下坡功能，以PID算法做為緩速器恒速下坡過程中的控制算法。換言之，本文旨在通過緩速器外特性曲線和排氣制動外特性曲線建立緩速器和排氣制動聯(lián)合制動的恒速仿真模型來適應(yīng)長距離下坡和更大坡度的復(fù)雜工況。

1、緩速器和排氣制動聯(lián)合恒速仿真模型

車輛在下坡過程中，緩速器和排氣制動聯(lián)合作用時，車輛運動學(xué)方程為：

對于公式（1）建立仿真模型如圖（1）所示。

1.1 緩速器模型

緩速器模塊[2]如圖2所示，傳動軸轉(zhuǎn)速可以依據(jù)輪胎半徑、后橋速比和車速計算而來，在圖3 制動扭矩轉(zhuǎn)換子模塊中，傳動軸轉(zhuǎn)速為實時計算值，恒速控制邏輯模塊可以實時得出恒速控制氣壓，以法士特FHB320B緩速器為依據(jù)獲得其外特性曲線：氣壓-傳動軸轉(zhuǎn)速-制動扭矩，通過緩速器的外特性曲線可以準確的獲得緩速器的制動扭矩。

為了模擬緩速器充油時間的延遲，在圖3 制動扭矩轉(zhuǎn)換子模塊中加入了模擬緩速器實際充油過程的慣性環(huán)節(jié)，即：慣性環(huán)節(jié)模塊。

1.2 排氣制動模型

排氣制動模型如圖4所示，在圖5的排氣制動子模塊中，以濰柴WP12發(fā)動機，375馬力，法士特9JSD200T機械變速箱，法士特FHB320B并聯(lián)液力緩速器為整車配置，通過建立發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣制動功率二維表，以公式T=P ×9550/N計算出排氣制動扭矩，其中：T為扭矩（N· M），P為功率（kW），N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速（rpm）。

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于800rpm時，排氣制動輸出扭矩將為0，故在模型中加入if-else結(jié)構(gòu)作為判斷。

1.3 風(fēng)阻模型

在實際行車過程中，風(fēng)阻與空氣阻力系數(shù)（AirResis Coff）、迎風(fēng)面積（FacingWindArea）和車速（VehicleSpeed）有關(guān)，依據(jù)公式：F=S ×C ×V2/21.15來確定，S為迎風(fēng)面積A（m2），C為空氣阻力系數(shù)，V為車速（km/h）。如圖6所示：

1.4 道路阻力模型

在下坡時，道路阻力[3]體現(xiàn)為重力沿斜坡方向的分力和滾動摩擦力，在平直道路上只體現(xiàn)為滾動摩擦力，在模型中以坡度（Grade）來表征坡度的大小。道路阻力最終的表現(xiàn)形式為公式（2），仿真模型如圖（7）。

其中：m為車重（Mass），單位:kg；g為重力加速度；μ為滾動摩擦系數(shù)；i為百分坡度（Grade）。

1.5 PID模塊

對恒速的控制本設(shè)計中采用PID算法，模型中PID模塊的輸入為實時車速（Vehiclespeed）與目標車速（Drivespeed）的差值，如圖11所示，輸出為氣壓值。PID包括三個參數(shù)：比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)Td，參數(shù)的調(diào)節(jié)對PID控制算法非常重要，當參數(shù)調(diào)節(jié)合適時，可以使車速保持的相對平穩(wěn)減少震蕩。通過對現(xiàn)有匹配緩速器實車數(shù)據(jù)的分析和不斷的實驗調(diào)整，最終確定的PID參數(shù)為Kp：5、Ti：2、Td：1，在此參數(shù)下，車速可以保持相對的平穩(wěn)。

2、仿真結(jié)果及分析

設(shè)定恒速目標車速為50km/h,車重為49t，坡度為5%，后橋4.11，輪胎半徑0.5m，空氣阻力系數(shù)0.65，迎風(fēng)面積8m2，摩擦阻力系數(shù)0.015，變速箱檔位為7檔，仿真結(jié)果如圖（9）所示，可以看出此恒速控制模型可以很好的保持恒速功能。

在調(diào)節(jié)坡度變化的情況下保持整車其它參數(shù)不變的情況下，分別對緩速器單獨作用和緩速器與排氣制動聯(lián)合作用進行仿真實驗，當緩速器單獨作用時，可以達到的最大坡度為6.7%，當緩速器和排氣制動聯(lián)合作用時，通過仿真實驗得出可以達到的最大坡度為8.2%，仿真實驗可以得出:當緩速器和排氣制動聯(lián)合作用時，可以在更大的坡度下實現(xiàn)恒速，即可以在更為復(fù)雜的工況下實現(xiàn)車輛的恒速下坡。

在實際工況中，對于同一輛車，坡度永遠無法保證恒定值，為了更好的符合實際，將坡度模擬為正弦信號，即坡度在5%-7%之間連續(xù)變化時的仿真實驗結(jié)果如圖（10）所示。從圖（10）可以看出，恒速功能依然可以良好保持。

3、結(jié)論

本文在緩速器的基礎(chǔ)上，加入了包括環(huán)境因素在內(nèi)的排氣制動作用，建立了緩速器和排氣制動聯(lián)合作用使得車輛保持恒速下坡功能的仿真模型，仿真實驗結(jié)果表明，此仿真模型可以保持車輛的恒速下坡功能，當緩速器單獨作用時，可以達到的最大坡度為6.7%，當緩速器和排氣制動聯(lián)合作用時，可以達到的最大坡度為8.2%，即：緩速器聯(lián)合排氣制動作用后，可以適應(yīng)更為復(fù)雜的工況。

[1] 吳超，徐鳴，李慧淵，郭劉洋. 車輛液力緩速器的特點分析及發(fā)展趨勢[J].車輛與動力技術(shù)，2011,1(5):51-55.

[2] 陸中華，程秀生.液力緩速器恒速控制策略的仿真研究[J]. 設(shè)計·計算·研究，2009,11(3):1-3.

[3] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007:7-15.

The Constant Speed Simulation Model Research of Combining action Retarder and Exhaust Brake

Zhang Xiaoming, Li Rui
( XI'an FaShiTe Automotive Transmission Engineering Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

Through the hydraulic retarder and exhaust brake curve, with the help of simulink to establishthe constant speed simulation modelresearchof cmbining action retarder and exhaust brakeincluding environmental factors, through the PID algorithm to control the constant speed model,simulation results show that the constant speed simulation model can effectively ensure the constant speed of vehicle downhill function and adapt to more complex condition.

hydraulic retarder; exhaust brake; PID; constant speed

U467.3

A

1671-7988(2015)06-42-03

張小明，就職于西安法士特汽車傳動工程研究院。