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摘 要：为了研究ABS/ESP集成液压控制单元参数对控制效果的影响,利用AMESim软件对液压控制单元进行了建模,分析了液压控制阀（增压阀、减压阀）最大流通面积、回油泵排量、蓄能器活塞直径3个参数对控制效果的影响,并对其进行了初步优化.此方法缩短了液压控制单元的开发时间,为ABS/ESP集成液压控制单元的设计和匹配提供了依据.
关 键 词 ：汽车制动防抱死系统（ABS）；汽车电子稳定程序（ESP）；液压控制单元；AMESim
中图分类号：U461.3文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.006
Modeling and Simulation of Vehicle ABS/ESP Integrated Hydraulic Control Unit Based on AMSim
Liu Fang,Zhang Xin
(School of Automobile and Mechanical Engineering,Changsha University of Science & Technology,
Changsha,Hunan 410076,China)
Abstract：To study the parameters effects of ABS/ESP integrated hydraulic control unit,this paper used software AMESim to establish the model of hydraulic control unit,analyzed and optimized three parameters,namely the maximum circulation area of hydraulic control valves,including both pressure boost valves and pressure reducing valves,oil return pump displacement and piston diameter of the energy storage device. This research shortens the time to develop ABS/ESP integrated hydraulic control unit by providing solutions for its design and matching.
Key words：anti-lock braking system(ABS)；electronic stability program(ESP) ；hydraulic control unit； AMESim
汽车制动防抱死系统(ABS)是在传统的制动系统基础上采用电子控制技术,通过控制车轮制动压力,防止制动时车轮抱死的一种机电一体化系统.在此基础上发展起来的汽车电子稳定程序(ESP)是一种智能主动安全系统,可在驾驶员不干预的情况下自动实现对侧滑的纠正,从而保证行车安全.无论是ABS还是ESP,液压控制单元在实现其功能上都起着十分重要的作用,所以如何改进液压控制单元的结构参数,进而提高其性能,是当今研究的热点问题之一.
目前,国外的ABS技术已发展到一个比较成熟的阶段,ESP的研究也有了比较成熟的产品,而国内学者对ABS/ESP液压调节器也做了比较多的理论研究.参考文献[1]和[2]利用AMESim软件对汽车ABS进行了建模与关键参数分析,并在此基础上建立出联合仿真环境和动态试验台的设计方案.参考文献[3]、[4]、[5]都利用AMESim软件建立了ESP液压调节器的结构模型,研究了ESP 控制模式下部分关键参数对系统性能以及系统响应的影响,并对不同的制动策略进行比较分析.虽然这些研究都分析了液压调节器关键参数的影响,但都仅针对ABS或ESP模式进行仿真,忽略了ABS/ESP集成液压控制单元在工作过程中的协同作用.本文从这个角度出发,利用AMESim软件对其进行了建模,并综合考虑了液压控制单元在ABS和ESP工作过程中的作用,分析了关键参数对控制效果的影响.
1 系统模型的建立
本次研究的液压系统采用AMESim软件进行建模.AMESim软件是法国Imagine公司推出的一种高级建模、仿真及动力学分析软件.本次仿真的重点是液压控制单元,为了减少影响参数,省略了预压单元的建模.这并不影响仿真结果,因为预压单元只决定系统的初始压力.
汽车ABS/ESP集成液压控制单元的建模过程如下：
（1）根据ABS/ESP系统原理图,确定建模过程中系统关键元件,包括回油泵、蓄能器、单向阀、二位二通阀、缓冲腔等.
（2）在Sketch模式下,确定系统关键元件所属元件库并将它们选出.例如,液压油模型、回油泵模型、蓄能器模型、单向阀模型、增压阀模型、减压阀模型、缓冲腔模型等都来自液压库,电机模型来自机械库,控制信号模型来自信号库.ABS/ESP系统中的主缸和轮缸模型利用AMESim本身提供的模型.然后,按照原理图的连接顺序,将所有元件连接起来.以此建立的ABS/ESP集成液压控制单元模型如图1所示.
（3）进入Submodel模式,为每个元件选取合适的子模型.
（4）切换到Parameter模式,为每个元件赋予参数.本文模型的参数采用的是MK20ABS液压调节器的参数.部分参数值见表1.
（5）运行仿真,协调各参数之间的关系,分析仿真结果.
2 仿真结果分析
2.1 模型验证
常规制动模式下,主缸的输入信号如图2所示,运行仿真后得到4个轮缸的压力如图3所示.
如图3所示,1、2两条曲线分别是左后轮和右后轮的轮缸压力,3、4两条曲线分别是左前轮和右前轮的轮缸压力.由于模型采用的是H型管路,所以两条曲线分别重合.以此可知,轮缸压力较真实、迅速地反应主缸的输入,从而验证了所建模型的正确性.
2.2 液压控制阀（增压阀、减压阀）最大流通面 积对系统的影响分析
在ABS模式下,设置增压阀的最大流通面积分别为0.4 ,mm2、0.5 ,mm2、0.6 ,mm2,得到右后轮缸的增压压力曲线如图4所示.由图5可知,随着增压阀的最大流通面积增大,系统响应越快,达到制动压力的时间越短.为了使ABS有更好的增压效果,在后续的仿真中拟采用增压阀的最大流通面积为0.6 ,mm2.
在ABS模式下,设置减压阀的最大流通面积分别为0.4 ,mm2、0.5 ,mm2、0.6 ,mm2,得到右后轮缸的减压压力曲线如图5所示.由图5可知,随着减压阀的最大流通面积增大,系统响应越快,轮缸减压时间越短.但减压阀最大流通面积并不是越大越好,图6是减压阀最大流通面积为2.0 ,mm2时减压阀的流量曲线,当减压阀最大流通面积增大时,液压系统很容易产生脉动.为了避免这种情况发生,减压阀的最大流通面积在后续的仿真过程中采用0.5 ,mm2.
2.3 回油泵排量对系统的影响分析
在ESP模式下设置回油泵排量分别为0.11 ,mm3/r、0.15 ,mm3/r、0.5 ,mm3/r,得到右后轮缸的压力曲线如图7.
在ABS模式下设置回油泵排量分别为0.11 ,mm3/r、0.15 ,mm3/r、0.5 ,mm3/r,得到回油泵的流量曲线如图8所示.
由图7和图8可知,由于回油泵在ESP模式中是增压的油源,所以随着回油泵排量的增大,系统的增压性能越来越好,同时回油泵在ABS模式下工作时会有比较大的流量脉动.综合考虑这两方面因素,在后续的仿真过程中采用回油泵排量为0.15 ,mm3/r.
2.4 蓄能器容积对系统的影响分析
ESP模式下设置蓄能器活塞直径分别为10 ,mm、20 ,mm、24 ,mm、28 ,mm,得到右后轮缸的增压曲线、蓄能器活塞位移和蓄能器压力曲线分别如图9、图10、图11所示.
在ABS模式下设置蓄能器活塞直径分别为10mm、20mm、24mm、28mm,得到右后轮缸的增压曲线如图12所示.
由图12可知,蓄能器活塞直径的变化对ABS模式的增压性能影响不大,在没有预压单元条件下,只影响轮缸的最低压力.但如图9所示的ESP模式下得到的轮缸增压曲线来看,蓄能器的活塞直径越小,轮缸增压性能越好.这是由蓄能器在ESP中作为下一次增压的油源这个特殊作用决定的.为了避免出现图10所示的蓄能器活塞位移过大和图11所示的蓄能器压力过高的情况,在后续的仿真过程中采用蓄能器活塞直径为20 ,mm.
3 结论
本研究在ABS及ESP工作原理的基础上,利用AMESim软件建立了ABS/ESP集成液压控制单元模型,通过在不同制动模式下液压控制阀（增压阀、减压阀）最大流通面积、回油泵排量、蓄能器活塞直径的变化,研究了这3个参数对系统控制效果的影响.并根据仿真结果对ABS/ESP集成液压控制单元的部分参数进行了初步优化,为后续的联合仿真及其控制策略的研究奠定了基础.其它参数的影响及优化,均可以通过这种方法得到.此方法可以缩短液压控制单元的开发时间,为ABS/ESP集成液压控制单元的设计和匹配提供了依据.