王玉桃 ，葛浩

1.徐州徐工汽車制造有限公司技術中心，江蘇徐州 221004；2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州 221004

0 引言

汽車的制動性能是汽車安全行駛的重要保障，改善汽車制動性能，始終是汽車設計制造部門的重要任務。目前，主機廠制動系統(tǒng)設計時一般通過簡單的理論計算選擇制動系統(tǒng)特性參數(shù)，制動系統(tǒng)設計好后直接采用試驗驗證。純理論計算假設因素太多，比較理想化，且直接通過試驗驗證成本高，不易隨便開展。AMESim可以詳細建立各閥、管路等的結構模型，更接近實際模型，設計師在制動系統(tǒng)設計初期，可以邊設計邊仿真分析所設計的制動系統(tǒng)性能，并與多目標優(yōu)化軟件聯(lián)合優(yōu)化匹配參數(shù)，為設計師提供參考與便利。

1 商用車制動系統(tǒng)仿真模型的搭建

某商用車制動系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由串聯(lián)雙腔制動閥、繼動閥、ABS電磁閥、單膜片式制動氣室和彈簧膜片式制動氣室等組成[1]。

圖1 某商用車制動系統(tǒng)結構

1.1 串聯(lián)雙腔制動閥仿真模型

串聯(lián)雙腔制動閥結構原理如圖2所示，主要由上、下兩腔組成，分別與前、后制動管路相連，兩腔相互獨立，一腔損壞時另一腔可正常工作。

圖2 串聯(lián)雙腔制動閥結構原理

制動時，頂桿座1在制動踏板的作用下推動上腔活塞3，克服復位彈簧使上腔排氣口4關閉，上腔進氣口16打開，壓縮空氣由進氣口進入腔體17，并經(jīng)上腔進氣口16由上腔出氣口15輸出到后軸制動管路。隨著踏板開度增大，頂桿繼續(xù)推動閥桿5下移，并作用于下腔活塞8上，同時上腔的壓縮空氣通過流通孔14也作用于下腔活塞8上，關閉下腔排氣口13，并打開下腔進氣口11，由下腔供氣口10的壓縮空氣經(jīng)下腔出氣口12輸送到前軸制動管路。因上、下腔的開啟由頂桿位移控制，故任何一腔出現(xiàn)故障，都不會影響另一腔正常工作[2]。

根據(jù)串聯(lián)雙腔制動閥的實際物理結構以及工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖3所示。輸入閥特性參數(shù)，設置頂桿位移信號，頂桿位移在0.5 s內從0增加到15 mm，保持2 s后，又在0.5 s內降為0。氣源氣壓設置為1.2 MPa，對串聯(lián)雙腔制動閥進行仿真分析。仿真結果如圖4和圖5所示。

圖3 串聯(lián)雙腔制動閥仿真模型

圖4 制動閥響應曲線

圖5 制動閥輸出氣壓隨頂桿位移變化曲線

由圖4和圖5可知，在升壓過程中，后軸管路先開始增壓，上下腔之間存在2 mm間隙，克服間隙后，前軸管路開始增壓。前后管路升壓所用時間約為0.25 s。釋放制動時，前后軸管路氣壓迅速降為0，制動閥充放氣迅速，符合其工作特性，仿真模型準確。

1.2 繼動閥仿真模型

商用車因軸距大，導致制動閥與氣室之間的距離較長，為縮短空壓機中氣體輸送到制動氣室的距離，提高響應速度，在制動閥后串聯(lián)繼動閥，制動閥輸出的壓縮空氣只用來控制繼動閥的開啟，制動氣室的壓縮空氣直接由儲氣筒經(jīng)繼動閥提供，以實現(xiàn)快速充放。

繼動閥結構原理如圖6所示。繼動閥總共有4個接口，1為進氣口，與儲氣筒相連；2為出氣口，與前、后橋制動管路相連；3為排氣口，與大氣相通；4為控制口，與制動閥相連，用于控制繼動閥的開關。制動時，制動閥輸出壓縮空氣進入控制口，克服復位彈簧后使活塞向下移動，關閉排氣口并打開進氣口，使壓縮空氣由出氣口輸出[3]。

圖6 繼動閥結構原理

根據(jù)繼動閥實際物理結構和工作原理搭建AMESim仿真模型，如圖7所示。輸入繼動閥結構參數(shù)并進行仿真分析[4]。

繼動閥控制氣壓與輸出氣壓的關系曲線如圖8所示。由圖可知，輸出端氣壓先要克服閥門開啟壓力，隨著控制氣壓增大克服開啟壓力后，輸出端氣壓隨控制端氣壓的增大基本呈線性增大。繼動閥響應曲線如圖9所示。由圖可知，在控制氣壓作用下，輸出端氣壓快速上升達到穩(wěn)定值，達到穩(wěn)定壓力75%所用時間為0.25 s，響應迅速，符合繼動閥工作原理。

圖7 繼動閥仿真模型

圖8 繼動閥控制氣壓與輸出氣壓的關系曲線

圖9 繼動閥響應曲線

1.3 ABS電磁閥仿真模型

ABS電磁閥是防抱死控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，串聯(lián)在制動管路中，按ABS控制系統(tǒng)的命令控制制動氣室的增壓、減壓、保壓以調節(jié)制動力，防止制動過程中車輪發(fā)生抱死，并將制動滑移率控制在最佳值附近，充分利用路面附著系數(shù)，提高制動性能[5]。

ABS電磁閥結構原理如圖10所示。車輛制動增壓時，進排氣電磁閥都不通電，壓縮空氣進入腔體15，克服彈簧壓力，從而打開進氣閥口3，使出氣口4輸出氣壓。保壓時，進氣電磁閥通電，使壓縮空氣進入進氣閥先導氣室1，關閉進氣閥，同時排氣電磁閥依舊斷電，使得排氣閥口6依舊關閉，ABS電磁閥處于保壓狀態(tài)。減壓時，進排氣電磁閥都通電，進氣先導氣室里的氣壓關閉進氣口，同時排氣先導氣室里的氣壓打開排氣口，使氣體從排氣口9排出[6]。

圖10 ABS電磁閥結構原理

根據(jù)ABS電磁閥物理結構和工作原理搭建AMESim模型，如圖11所示，輸入ABS電磁閥結構和特性參數(shù)進行仿真。

圖11 ABS電磁閥仿真模型

輸出氣壓與進、排氣電磁閥關系曲線如圖12所示。根據(jù)ABS電磁閥工作原理，在0～0.4 s內進、排氣電磁閥都不通電，即仿真增壓工況，由仿真結果可見，此時間段內出氣口壓力增大并保持在穩(wěn)定值。在0.4～0.6 s內進氣電磁閥通電，電流輸入為40 mA，排氣電磁閥不通電，即仿真保壓工況，由仿真結果可見，該階段內出氣口壓力保持不變，處于保壓狀態(tài)。在0.6～1 s進、排氣電磁閥都通電，且給予40 mA的電流值，由仿真結果可見，此時間段內出氣口壓力迅速降為0，ABS電磁閥進行減壓。整個增壓、保壓、減壓過程與ABS電磁閥工作特性相同。

圖12 輸出氣壓與進、排氣電磁閥關系曲線

1.4 前后橋制動氣室仿真模型

制動氣室與制動器相連，由制動閥操控而來的壓縮空氣進入制動氣室，推動推桿，推桿使制動蹄壓緊在制動鼓上，實現(xiàn)車輛的制動。

前橋使用單膜片式制動氣室，氣體推動膜片克服復位彈簧，使得推桿伸出，如圖13所示。

圖13 單膜片制動氣室

后橋采用彈簧膜片式制動氣室，該制動氣室存在兩個氣腔，膜腔用于行車制動，彈簧腔用于緊急制動和駐車制動，且兩腔相互獨立，如圖14所示。常規(guī)制動時，制動管路中的壓縮空氣由進氣口2進入膜腔1，由膜片推動托盤，克服膜腔的復位彈簧，使推桿伸出。駐車制動或緊急制動時，通過手制動閥的操作，彈簧腔8的壓縮空氣由排氣口7排出，在復位彈簧作用下，推出推桿，作用于制動器，對車輪施加制動力[7]。

圖14 彈簧膜片式制動氣室

根據(jù)工作原理及結構特征，建立AMESim模型如圖15和圖16所示。

圖15 單膜片式制動氣室仿真模型

圖16 彈簧膜片制動氣室仿真模型

1.5 制動系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1的制動系統(tǒng)布置方式及車型制動管路特征，將各閥用管路連接起來形成整個制動系統(tǒng)仿真模型，如圖17所示。仿真時間設置為4 s，步長為0.01 s，對制動系統(tǒng)進行仿真分析。

圖17 制動系統(tǒng)仿真模型

制動系統(tǒng)響應時間變化曲線如圖18所示。由圖可以看到，隨著頂桿位移的增大，先克服開啟壓力后，前橋制動氣室氣壓在0.46 s達到穩(wěn)定氣壓的75%，后橋制動氣室氣壓在0.5 s內達到穩(wěn)定氣壓的75%，前后橋響應時間均小于0.6 s。相較于制動閥，整個制動系統(tǒng)因管路、閥等因素影響，響應時間增大，且由于后軸管路較長，導致前軸響應略快于后軸。

圖18 制動系統(tǒng)響應時間變化曲線

2 制動系統(tǒng)的優(yōu)化

基于AMESim聯(lián)合多目標優(yōu)化軟件，對制動系統(tǒng)的管路特性參數(shù)進行優(yōu)化，可提高制動響應時間，基于建立的AMESim制動系統(tǒng)模型，在AMESim軟件菜單的接口里選擇管路特性參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，即設計變量，以制動氣室氣壓作為輸出參數(shù)，優(yōu)化目標為使制動氣室氣壓達到最大穩(wěn)定氣壓75%的響應時間最短，制動系統(tǒng)優(yōu)化約束條件見表1。將接口設置好后選擇導出格式為多目標優(yōu)化文件，建立模型調用文件，設置為.bat格式。

表1 制動系統(tǒng)優(yōu)化約束條件

在多目標優(yōu)化軟件中調用AMESIim模塊，設置設計變量及設計目標，并根據(jù)管路特性參數(shù)的上下限值設置約束條件，采用全局探索優(yōu)化與數(shù)值優(yōu)化自由組合的Pointer-2算法進行優(yōu)化，結果見表2。由優(yōu)化結果可以看出，前橋優(yōu)化前的響應時間為0.46 s，優(yōu)化后的響應時間為0.41 s；后橋優(yōu)化前的響應時間為0.50 s，優(yōu)化后的響應時間為0.43 s。前后橋響應時間明顯縮短。

表2 響應時間優(yōu)化結果 單位:s

3 整車制動性能仿真分析

前文講述了制動系統(tǒng)各閥的AMESim仿真模型搭建以及整個制動系統(tǒng)仿真計算，而制動性能的好壞需要與整車結合起來進行評價，在整車模型的基礎上分析制動響應時間、減速度以評價制動性能的高低。

基于AMESim搭建8×4整車模型，根據(jù)整車的結構特點搭建仿真模型，如圖19所示。為了便于參數(shù)的修改，設置全局參數(shù)進行整車建模，路面附著系數(shù)選擇0.8，初始制動時的車速為60 km/h，進行整車制動性能仿真計算。

制動性能仿真結果如圖20所示，車輛從60 km/h減速至停車，最大減速度為5.19 m/s2(去除個別因路面不平而引起的尖點)，制動距離為34.5 m。因選取車輛開始制動時的前軸所在位置為位移原點，而此處讀取的是質心處位移數(shù)據(jù)，故位移前面一段為負值。

圖20 制動性能仿真結果

4 結論

(1)AMESim可搭建詳細的仿真模型，仿真精度高。本文通過研究商用車制動系統(tǒng)各閥結構特點搭建了各閥仿真模型，又根據(jù)實車管路布置方案和管路特性參數(shù)連接各閥形成整個制動系統(tǒng)仿真模型，通過計算分析，仿真結果與實際規(guī)律相符，說明可通過該模型計算分析制動系統(tǒng)的響應特性。

(2)基于建立的AMESim制動系統(tǒng)模型，聯(lián)合多目標優(yōu)化軟件，對制動系統(tǒng)結構特性參數(shù)匹配優(yōu)化，使制動系統(tǒng)響應時間明顯縮短。此外，根據(jù)整車結構特征建立道路、輪胎、懸架等模塊，搭建整車制動系統(tǒng)仿真模型，用于分析計算整車制動距離、減速度等制動性能。