基于ESP液壓控制系統(tǒng)的仿真模型研究分析

1. 引言

ESP（Electronic Stability Program）是在汽車制動防抱死系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了主動橫擺控制系統(tǒng)構(gòu)成的，對保證汽車行駛過程中的穩(wěn)定性與安全性具有重要的意義。ESP的液壓控制系統(tǒng)由多個液壓元件組成，在電子控制單元的驅(qū)動下協(xié)同工作，根據(jù)汽車的不同行駛工況對不同的車輪施加相應(yīng)的液壓制動力。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的車輛所配置的ESP還來源于進口，其國產(chǎn)化試制工作正在展開，為縮短液壓控制系統(tǒng)的研發(fā)周期，避免過多的試制品試驗，需要建立完整的系統(tǒng)模型，為設(shè)計人員提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

2. 模型組成與工作原理

ESP液壓控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，在液壓控制單元4中共有十二個電磁閥來接收電子控制單元的控制信號。在ESP工作過程中，汽車根據(jù)各傳感器（輪速傳感器、壓力傳感器、橫擺角速度傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器和測向加速度傳感器）所采集到的信號分析整車的運動狀態(tài)，并通過內(nèi)部算法對相應(yīng)車輪進行控制。

整個液壓控制系統(tǒng)的工作原理概述如下：在系統(tǒng)進入ESP工作模式后，限壓閥8立刻從常通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄迚籂顟B(tài)，吸入閥7打開，制動液在預(yù)壓泵3的作用下通過吸入閥7、回油泵10進入阻尼器9，在此減弱了油壓脈動后通過增壓閥13進入輪缸15，推動輪缸15中的活塞，壓緊摩擦片進行制動；當制動達到一定強度時，增壓閥13和吸入閥7關(guān)閉，減壓閥14打開，輪缸15中的高壓制動液通過減壓閥14進入蓄能器12，此時的蓄能器12成為了下一次增壓的油源；在新的增壓過程中，制動液在回油泵10的作用下，從蓄能器12出發(fā)通過阻尼器9，增壓閥13再次進入輪缸。如此的增減壓循環(huán)直至系統(tǒng)退出ESP模式。

出于汽車安全性的需要，ESP液壓控制系統(tǒng)為一個高速響應(yīng)系統(tǒng)，各電磁閥的動態(tài)響應(yīng)均在3ms以內(nèi)完成，所以了解系統(tǒng)的動態(tài)特性尤為重要。AMESim是法國IMAGINE SA公司所開發(fā)的軟件平臺，包含了很多適合于仿真動態(tài)特性的液壓模塊，而且在AMESim/Demo中提供了典型的輪缸模型，其它液壓單元均由單一模塊即可實現(xiàn)其功能。搭建模型時需按照如下?

步驟進行：

①將各對應(yīng)模塊按照原理圖連接好；

②每個模塊可以有多種類型，有的較為理想化，有的則考慮很多影響因素，按需要選擇合適的模型；

③定義全局性液壓參數(shù)，如制動液的體積模量、密度、動力黏度和工作溫度等；

④定義各個液壓元件的關(guān)鍵尺寸與內(nèi)部參數(shù)；

⑤運算模型并進行結(jié)果分析。

步驟④與⑤循環(huán)進行，直至得到滿意的仿真結(jié)果，此時的各液壓元件的尺寸與參數(shù)便可作為設(shè)計和匹配液壓控制系統(tǒng)的參考。

3. 主要模塊數(shù)學(xué)模型的建立

1）節(jié)流器模型

節(jié)流器模型是ESP液壓控制系統(tǒng)中很常用的模型，在增壓閥13、減壓閥14和阻尼器9中都會用到。此模型的輸入量為制動液壓力，輸出為流量。其數(shù)學(xué)模型為：

此模型中考慮了流量系數(shù)的非恒定性，當△P較小時，流量Q基本與△P成正比，隨著△P的增大，流量系數(shù)很快接近于Cqmax，流量Q與成正比。由于在ESP液壓控制單元中所用到的節(jié)流器均為薄壁圓孔（孔徑約為0.6mm），所以臨界雷諾數(shù)λc較低，約為100；制動液的平均密度ρ約為850kg/m3，平均動力黏度η約為42.5mm2/s，Cqmax取0.7。這樣，改變節(jié)流器的孔徑即可得到不同的流量特性。

2）電磁閥模型

ESP液壓控制系統(tǒng)中的各種電磁閥的作用不同，特征尺寸也不盡相同。吸入閥7為保證制動液迅速進入ESP工作循環(huán)，有較大的閥座孔徑（約為2.5mm）；而增壓閥13和減壓閥14的閥座孔徑較?。s為0.7mm），與節(jié)流器一起起到雙重節(jié)流的作用，以便提高制動壓力的控制精度。流量特性依然按照（1）式進行計算。

對于閥芯的位移和速度等運動參量，采用二階延遲環(huán)節(jié)進行計算。

3）蓄能器模型

ESP液壓控制系統(tǒng)中的蓄能器為彈簧活塞式，輸入為制動液流量，輸出為壓力，需定義參量為活塞直徑與行程，彈簧剛度等。由于活塞為輕質(zhì)材料制成，忽略其重力。數(shù)學(xué)模型為：

對于一般制動液，其體積模量 約為17000bar，通過調(diào)整蓄能器的活塞直徑和彈簧剛度即可得到不同特性的蓄能器模型。

4）油泵模型

油泵模型主要用于預(yù)壓泵3和回油泵10，輸入量為制動液壓力，輸出為流量。定義油泵電機轉(zhuǎn)速和油泵排量，忽略機械損失與制動液泄露。數(shù)學(xué)模型為：

ESP液壓控制系統(tǒng)中的油泵均為柱塞泵，排量Vb約為0.1ml/r，油泵電機轉(zhuǎn)速Sm約為3000r/min，油泵壓力因子a用來計算油泵平均壓力，為0至1之間某一數(shù)值。?

4. 計算結(jié)果分析

調(diào)整ESP液壓控制模型中各模塊的特征參數(shù)，可得到不同的制動壓力響應(yīng)曲線，從而了解各參數(shù)對于液壓系統(tǒng)的影響。例如，修改三組增壓閥和減壓閥節(jié)流孔徑，進行循環(huán)增減壓計算，所得結(jié)果如圖2所示，可以得到不同孔徑對于壓力變化速率及蓄能器活塞位移的影響，設(shè)計者根據(jù)控制需要選擇合適的節(jié)流孔徑。而且，還需要合理設(shè)計蓄能器容量，避免其被制動液充滿影響減壓。

將回油泵排量提高50%，得到的結(jié)果如圖3所示。設(shè)計者根據(jù)整車對制動速率及強度的要求選擇合適的回油泵排量。

將ESP液壓控制系統(tǒng)模型與15自由度整車模型及ESP控制器模型相連接，進行聯(lián)合仿真。圖4為汽車向左急轉(zhuǎn)彎時，左后輪的制動壓力響應(yīng)曲線。由計算結(jié)果可以看出，由于孔徑為0.4mm時增壓速率較緩和，達到相同的控制效果會少用一個工作循環(huán)。通過聯(lián)合仿真，可以對ESP液壓控制系統(tǒng)的各個參數(shù)進行優(yōu)化，最終選取出適合目標車型的整套參數(shù)值。

5. 結(jié)論

本文通過對ESP液壓控制系統(tǒng)的研究，基于AMESim軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型，并建立了系統(tǒng)中主要模塊的數(shù)學(xué)模型，為模型分析提供了理論依據(jù)。通過計算結(jié)果分析，設(shè)計者可以明確各種液壓參量對于制動壓力動態(tài)響應(yīng)的影響，方便合理的設(shè)計系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)。

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