趙中華

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046）

1 汽車ABS系統(tǒng)原理與整車模型建立

1.1 ABS系統(tǒng)組成與功能

ABS系統(tǒng)的全稱為車輛制動防抱死系統(tǒng)，是汽車主動安全控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于防范車輛在制動時發(fā)生輪胎抱死問題，避免汽車轉(zhuǎn)向失控、產(chǎn)生后軸側(cè)滑或甩尾等危險工況，保障制動過程中汽車操縱的穩(wěn)定性。通常汽車的ABS系統(tǒng)主要由ECU、輪速傳感器、液壓調(diào)節(jié)器、制動主缸、輪缸、警報燈等部件組成，當(dāng)駕駛員在行車途中遇到前方有障礙物或危險情況時將踩下制動踏板，使制動主缸壓力增大，利用液壓調(diào)節(jié)器將制動液傳送至各輪缸中，由輪速傳感器將采集到的輪速信號上傳至ECU進(jìn)行車輪滑移率計(jì)算，由ECU基于最佳滑移率數(shù)值控制電子閥、調(diào)節(jié)輪缸壓力大小，保障最大限度利用地面附著力、提升車輛制動效能[1]。

1.2 汽車整車模型建立

將汽車整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，將輪胎、減震器等看作柔性體，針對鉸鏈間摩擦、動力裝置振動等忽略不計(jì)，以此將整車結(jié)構(gòu)簡化為前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輪胎等子結(jié)構(gòu)。利用SIMPACK軟件建立整車模型，依據(jù)各關(guān)鍵部位的硬點(diǎn)坐標(biāo)位置參數(shù)建立幾何模型，針對子結(jié)構(gòu)中各運(yùn)動構(gòu)件的約束、力、鉸鏈進(jìn)行定義，結(jié)合拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建整車模型。其一是懸架模型，前、后懸架分別為麥弗遜式獨(dú)立懸架與單縱臂式獨(dú)立懸架；其二是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在此選取齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；其三是制動系統(tǒng)，可利用軟件提供的制動器子結(jié)構(gòu)，輸入為制動力矩；其四是輪胎模型，本文采用Pacejka-similarity輪胎。

2 汽車ABS在對開路面上的彎道制動性能分析

2.1 制動控制策略設(shè)計(jì)

（1）彎道制動受力情況分析。針對汽車在彎道制動時的受力情況進(jìn)行分析，假設(shè)汽車在行駛時左轉(zhuǎn)，將Fx、Fy分別設(shè)為輪胎縱向力與側(cè)向力，F(xiàn)z為輪胎的垂直載荷，μ為地面附著系數(shù)，則在制動過程中輪胎的縱向力與側(cè)向力關(guān)系、地面提供的最大側(cè)向力分別表示為：

通常汽車在對開路面上彎道行駛的過程中，倘若地面無法提供足夠大的側(cè)向力、使離心力大于輪胎側(cè)向附著力，極易使汽車發(fā)生側(cè)滑問題，在此期間受到垂直載荷最大、最小的部位分別為外前側(cè)車輪與內(nèi)后側(cè)車輪；當(dāng)ECU計(jì)算得出汽車臨近最佳滑移率時，受到縱向力與側(cè)向力最大、最小的部位分別為外前側(cè)車輪與內(nèi)前側(cè)車輪。通過觀察制動期間輪胎所受縱向力與側(cè)向力的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑移率保持在峰值滑移率0.15時，受到側(cè)向力最大的部位為車輛左側(cè)車輪，為保障車輛在彎道制動時可有效提升車輪側(cè)向力，需將滑移率區(qū)間適當(dāng)向左移動，借此使縱向力減小、側(cè)向力增大[2]。

（2）控制策略流程設(shè)計(jì)。在車輛駕駛過程中，駕駛員往往會依據(jù)道路前方路況判斷是否需要轉(zhuǎn)向，依據(jù)轉(zhuǎn)角傳感器采集到信號變化值可針對駕駛員的操縱意圖、車輛行駛狀態(tài)做出預(yù)測，用于控制車輛保持最佳滑移率。當(dāng)轉(zhuǎn)角較大、信號變化率較高時，說明駕駛員在緊急狀態(tài)下操縱轉(zhuǎn)向，增大外前側(cè)車輪受力，在此情況下應(yīng)降低外前側(cè)車輪的滑移率，借此提升輪胎側(cè)向附著力、保持車輛的側(cè)向穩(wěn)定性；當(dāng)轉(zhuǎn)角較小、信號變化率較低時，說明車輛處于緩慢轉(zhuǎn)向狀態(tài)，僅需適當(dāng)減小外前側(cè)車輪的滑移率，即可為輪胎提供充足的側(cè)向附著力，確保車輛制動方向的穩(wěn)定性。

在SIMPACK軟件中利用汽車專用鉸鏈針對車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行記錄，以車輛行駛方向、行駛方向左側(cè)分別為正x軸和正y軸，垂直x、y平面向上為正z軸，分別針對其位移、速度、加速度與繞三軸的轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度進(jìn)行記錄，用于獲取到車輛的縱向位移、側(cè)向位移、橫擺角速度、側(cè)傾角、俯仰角等參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)對前方路徑的預(yù)瞄，輸入路徑偏移量，借助傳感器與運(yùn)算驅(qū)動齒條移動完成車輛的轉(zhuǎn)向。通過將預(yù)瞄道路軌跡與車輛實(shí)際行駛軌跡進(jìn)行對比、加權(quán)處理后，即可生成最佳滑移率。

（3）模糊滑?？刂破髟O(shè)計(jì)。設(shè)λl為最佳滑移率，λp、λf分別為轉(zhuǎn)角預(yù)測前饋滑移率和路徑反饋控制滑移率，則汽車外前側(cè)車輪的最佳滑移率為：

通過針對輪胎進(jìn)行受力分析，獲取到滑模控制函數(shù)，以滑移率誤差作為滑模函數(shù)，借此實(shí)現(xiàn)對滑移率的動態(tài)跟蹤，并且利用指數(shù)趨近率減少到達(dá)滑模面的抖動、加快逼近速度，其模糊滑?？刂破髂Ｐ捅硎緸椋?/p>

2.2 仿真分析

（1）仿真參數(shù)設(shè)計(jì)。將整車質(zhì)量取值為1300kg，前后輪距分別為1.36m和1.35m，前軸距、軸距分別為 0.95m、2.33m，橫擺轉(zhuǎn)動慣量為 1591.2kg·m2，車身俯仰轉(zhuǎn)動慣量、側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量分別為1074kg·m2、293kg·m2，前后懸架剛度為 16000N/m、13000N/m，并相繼完成輪胎轉(zhuǎn)動慣量、輪胎自由半徑、垂向剛度、側(cè)偏剛度等指標(biāo)的設(shè)置。以文中建立的整車模型為基準(zhǔn)，分別定義輸入、輸出變量，利用SIMPACK軟件進(jìn)行機(jī)械模型、控制模型的連接，并在SIMPACK中輸出車速、輪胎縱向力、車身加速度、車身側(cè)向位移等數(shù)值，在MATLAB中輸出制動力矩，在汽車左轉(zhuǎn)、彎道半徑為50m、車速為18m/s、左右側(cè)車輪路面附著系數(shù)分別為0.4和0.9的仿真工況下進(jìn)行仿真分析。

利用模糊控制器獲取到汽車外前側(cè)車輪的最佳滑移率，將其他車輪的最佳滑移率取值為0.15，將路徑偏移反饋控制模糊控制器的輸入設(shè)為路徑偏移量的絕對值，經(jīng)由仿真得出路徑偏移量、路徑偏移量變化率分別為e=[0 1.25]、ec=[-10 10]，將動態(tài)滑移率三角函數(shù)作為輸出，則模糊控制器輸出的車輪最佳滑移率取值為[0.05 0.15]。同時，基于二維模糊控制進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)角預(yù)測控制，將輸入設(shè)為前輪轉(zhuǎn)角e1=[0 0.15]、前輪轉(zhuǎn)角變化率e1c=[-0.5 0.25]，將輸出設(shè)為滑移率[0.05 0.15]，生成質(zhì)心側(cè)偏位移、縱向側(cè)偏位移、縱橫位移、制動距離、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、制動力矩、橫擺角速度等仿真結(jié)果[3]。

（2）仿真結(jié)果分析。通過觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的汽車彎道制動控制策略相較于常規(guī)ABS制動時間而言大體相同，依據(jù)MATLAB軟件生成的數(shù)據(jù)點(diǎn)可知，常規(guī)制動時間為3.427s，針對ABS系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)處理后的制動時間轉(zhuǎn)變?yōu)?.387s；常規(guī)控制模式下汽車的最大側(cè)偏位移為-1.053m，經(jīng)由改進(jìn)處理后的汽車最大側(cè)偏位移下降至-0.629，由此說明測汽車在分離路面彎道制動時，其側(cè)向穩(wěn)定性得到顯著提升，幫助車輛逐步回歸到預(yù)瞄路徑上；常規(guī)控制模式下車輛的制動距離為31.561m，經(jīng)由改進(jìn)處理后的車輛制動距離為31.189m，由此說明該策略可有效提升汽車的整體制動效能；通過觀察車輛的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的ABS系統(tǒng)可使前輪轉(zhuǎn)角、駕駛員轉(zhuǎn)矩顯著減小，有助于減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)；通過觀察車輛的制動力矩對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，右前輪的制動力矩為最大值、左后輪的制動力矩為最小值，其荷載值與制動力矩保持一致變化，由此可證明右前側(cè)車輪對于汽車行駛過程中的側(cè)向穩(wěn)定性、制動效能具有最直觀影響；通過觀察其橫擺角速度對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的控制策略利用減小外前側(cè)車輪附著系數(shù)、增大輪胎側(cè)向附著力的方式，可在1.5s范圍內(nèi)使車輛的側(cè)向滑移顯著減小，保障車輛處于正常軌道上行駛，并在1.5s后減小車輛側(cè)向偏移，有效提升汽車彎道制動的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

彎道制動性能是汽車安全 性能的重要構(gòu)成部分，本文基于SIMPACK、MATLAB/SIMULINK軟件分別建立了汽車整車模型與控制系統(tǒng)，在進(jìn)行制動控制策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬在環(huán)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，本文提出的控制方法有助于改善汽車的側(cè)偏位移、橫擺角速度等指標(biāo)，能有效提升車輛制動性能與側(cè)向穩(wěn)定性。