EMB与HB的制动效能对比分析

EMB与HB的制动效能对比分析 2006(4)总200轻型汽车技术技术纵横2l EMB与HB的制动效能对比分析 汪洋翁建生张斌 (南京航空航天大学车辆系) 摘要 本文建立了汽车制动过程的动态分析模型,建立并引入传统的HB液压制动器模 型 和新型的EMB电子机械制动器模型,通过计算机仿真进行制动效能的对比分析. 关键词:EMBHB制动模型计算机仿真 伴随着汽车一百多年的发展历史,车辆制动系 虽然各阶段制动器制动形式 统也历经了数次变迁. (鼓式,盘式)各异,控制形式(机械式,电子式),控 制算法甚至控制原理都各不相同,但是它们都有一 个共同的特点就是以制动液或空气作为动力源来驱 动制动器工作从而产生制动力矩.近l0年来欧美等 西方工业发达国家兴起了对车辆电制动器(Elec— tromechanicalBrake)的研究,简单的来说电子机械 制动器就是把原来由液压或者压缩空气驱动的制动 部分改为由电动机来驱动,借以提高响应速度,增加 制动效能. 电动机响应速度比传统的液压或者空气快很 多,而且相比于传统的制动器来说现出了一定的 线性性质,本文将通过建立整车的制动模型,引入传 统的液压制动器模型和新型的电制动器模型,通过 计算机仿真对比两者的制动效能. - 1整车制动动力学模型 汽车是一个复杂的多自由度非线性系统,一般 对汽车制动性能的研究采用如下两种模型:非线性 模型[11121,斜坡制动模型口1,其他很多模型都是在上述 两种模型的基础上引申和变化过来的,如在非线性 模型的基础上忽略悬架的影响就得到了文献4,5中 的模型. 1.1模型建立条件 由于本文主要是为了验证EMB制动器比传统 的液压制动器具有更佳的制动效能,所以本文的模 型建立在如下几个假设基础之上: ?制动过程中汽车始终保持直线行驶状态; ?制动过程中路面附着状况均匀; ?制动过程中不计风阻和车轮滚动阻力的影响; ?制动过程中不考虑载荷的转移; ?制动过程中不考虑轮胎的变形. 1-2制动过程分析 汽车的制动过程大体可分为四个阶段『6I:第一 阶段是驾驶员见到信号后作出动作反应,这个阶段 主要是因人而异,与采用何种制动器没有联系;第 二阶段是制动器的响应滞后时间,这个阶段时间很 短暂,车速基本不变,只要得到系统的滞后时间就 可以计算出制动距离;第三阶段是持续制动阶段, 汽车从开始制动到车轮被抱死拖滑,这一阶段轮速 不断降低直至抱死,车速也不断降低;第四阶段是 车轮抱死直至停止,这一阶段车轮抱死,路面制动 力基本不变,制动距离主要取决于路面附着系数. 1.3制动模型建立 图1 22技术纵横轻型汽车技术2006(4)总200 本文采用斜坡制动模型f31,如图1所示,整个模 型忽略了悬架的影响,不计空气阻力,并且不考虑制 动过程中载荷的转移. 2整车制动模型 2.1路面附着系数的计算 根据文献6,在制动过程中路面制动力不能超 过附着力,即: F? 式中卜路面制动力 Fz——正压力 (D——路面附着系数 而路面附着系数的大小与车轮滑移率等参数有 关.根据经验和试验数据附着系数有如下函数关系 式: = f(s,v,,m) =+Asin(Barctan(Cs-D(Cs-arctan(Cs)))) 其中: 仃 A:(o.88-0.77V)O.92×0.0005737 B:2.4 C=(4.5+0.05l,)×0.667盯 D=0.98×0.92 由上式可见该模型主要考虑了车轮滑移率,车 速以及整车质量等参数对路面附着系数的影响.另 外,为车轮在纯滚动状态下的滚动摩擦系数,在 干燥柏油路面上取O.13在积水柏油路面上取0.10; 是路面状态影响系数,在干燥柏油路面上取0在 积水柏油路面上取1.通过计算机仿真可以得到路 面附着系数随滑移率变化的曲线,如图2所示. 2.2轮胎模型 在车辆制动过程中,路面制动力主要由轮胎与 地面相互作用产生,因此轮胎模型对整车制动分析 有很大的影 响.由于轮 胎具有很强 的非线性, 一 般轮胎的 模型都很复 杂,鉴于本 文主要是对 比EMB电 Ff 图3 制动器与传统液压制动器的制动效能,因此可以把 轮胎的影响因素忽略,轮胎受力分析建立在不产生 形变的基础之上.其受力如图3所示. 由上图可以建立如下轮胎模型: f'.f—:'{F:(D?Z(1) l=(s,,,m) 式中——轮胎滚动半径 F——路面制动力 . —— 制动器制动力矩 ?——轮胎滚动角速度 —— 轮胎转动惯量 (D——路面附着系数 五——轮胎垂直载荷,i取,,r分别代表前后,轮 2.3整车数学模型 根据图l的1/2整车制动模型可以得到制动过 程中整车的数学模型为: Ml,=M音sin一一(2) 可以把前,后轮的路面制动力表示为: f=z,竹,,l= Llj 式中zr,_前后轮载荷 竹,.——前后轮路面附着系数 根据车辆动平衡有如下方程: r.』z,L=Mgc删'L,+Mgsin,hMl,h(4) 【L=Mgcns.Lr+MgsinOt?h-Ml,h 式中L,,L._一汽车重心至前后轴的距离 h——重心高,L=L+L 将式(3),(4)代人式(2)中,并且不考虑下 坡过程把Ot=0代人式中,得到整车制动过程减速 度的表达式为: 2006(4)总200轻型汽车技术技术纵横23 = (5) 当前,后车轮都抱死后,根据路面附着力的计算 公式有=tp,=tp,代入式(5)中即可得制动过程第 四阶段减速度的表达式为: S==一 2.4制动器模型 (6) 前面建立了路面附着系数,轮胎,整车等的数学 模型,这些因素都对车辆的制动性能有重要影响,但 是对于不同的制动器形式来说这些影响条件都是一 样的.接下来为了能够对比HB和EMB的制动效 能,将分别建立两种制动器的模型. ?HB制动器模型 传统的制动器是把高压制动液注入到制动液 室,产生高压推动活塞运动,活塞前行使制动蹄块摩 擦制动盘从而产生制动.其摩擦制动力矩是制动液 压力的函数,即:=,(P),随着制动液压力的升高制 动力矩将逐渐加大. 压力随时问变化其传递函数为…:= Ls' —U_一,通过计算机仿真得到制动管路压力 0.01s+0.1s+1 的阶跃响应.如图4所示.制动液压力升高后通过活 塞推动制动块作用到制动盘上产生制动力矩.盘式 制动器的传递函数为?:{=百,其中K为 作用在前,后轴上的动载荷. 在实际制动时驾驶员踩下制动踏板,制动液压 力持续升高,对以上模型进行计算机仿真分析,可以 得到实际制动力矩的变化曲线,如图5所示.据此可 以验证并得到文献3中的液压制动器模型: Tls.cs} 图4 I垒l5 =k-t(7) 式中_一制动力矩 k——制动力增大速率 ?EMB制动器模型 EMB电制动器主要是把电动机输出的力矩通 过减速器减速增矩,然后作用到制动块上产生制动 力矩.其制动力矩主要取决于电机的输出力矩. 其中电动机的数学模型是: f. {U=LI+09+RI(8) 【= 本EMB电制动器选用某型号永磁直流电机, 对该模型进行计算机仿真分析,可以得到电机的输 出力矩变化曲线,如图6所示. rtsOc 图6 电机输出力矩通过行星减速器减速增矩,作用 到制动块上,制动块与制动盘摩擦产生制动力矩. 其中EMB电制动器机械部分可以等效为一个二阶 惯性环节:—下,制动蹄块与制动盘之间的摩 ms-十CS十K 擦如前所述,其传递函数为睾=丽K.根据本 30技术纵横轻型汽车技术2006(4)总200 般自然,控制面板顶部也加装了日本先锋专门为 GG50的卫星导航显示屏,配合浅色桶形座椅, 以红色饰条作挑染点缀的门壁板,车厢风格顿时多 了几分飞扬的灵气,飘逸之中不失典雅.不知道法拉 利主席Montezemolo看了这部集功能,设计于一身 的GG50后,是否会懊恼近年设计T作为何没有选 择乔治亚罗的Italdesign来完成呢? 零{专零;;;;;;; (上接第24页) 符合国家制动法规ZBT24007—89规定的初速 80km/h制动距离不大于50.7m.进一步分析可知,由 于EMB电制动器响应快,在制动开始0.258左右车 轮即开始抱死拖滑,达到最大路面制动力,而液压制 动器到I.35s左右才达到抱死状态.可见虽然液压 制动器制动力矩可以达到很大,但是由于响应速度 慢,造成了制动效能远不如EMB电制动器出色.另 外在实际制动情况下,是不允许抱死状态出现的,一 般把滑移率s控制在15%N20%的范围内,从图10 可以看出EMB制动器在0.1s左右就达到了这个范 围,此时制动减速度处于峰值区间,这样更能体现 MB制动器响应速度快的优点. E 4结束语 从上述分析可以看出对比于传统的液压制动 器,EMB电制动器具有响应速度快,制动效能高等 特点,符合国家制动法规的要求.但是也认识到本文 所建的整车制动模型还不够完善,忽略丁很多条件 零;零专乏专; 的影响,如风阻的影响,以后应更加完善整车制动 模型以及制动器本身的动力学模型,以求仿真更加 接近于实际效果. 参考文献 1PDelaigueAEskandarian.Acomprehensive vehiclebrakingmodelforpredictionsofstoppingdis—- tances.JournalofAutomobileEngineering,2004: 14091417. 2田万仓,沙伟平,刘伟.汽车制动过程的.非线 性模型模拟研究冲国公路,1994(2). 3熊坚,胡永平.汽车制动过程的计算机仿真 研究.云南_r--,_lk大学,1995(1). 4张滨刚,姜正根.汽车制动过程的理论分析 与试验.兵工,1998(4). 5左曙光,张琦,吴小青.不平路面上汽车制动 过程建模与仿真分析.航空.1999(2). 6余志生.汽车理论.第三版.北京:机械工业出 版社.2003.