汽車氣壓制動系統(tǒng)物理模型的研究

汽車氣壓制動系統(tǒng)物理模型的研究

車輛鎖閉系統(tǒng)是車輛安全的重要組成部分之一，是確保車輛安全駕駛的重要系統(tǒng)。由于汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展,汽車行駛速度不斷提高,以及隨著汽車保有量的大幅增長,交通安全問題日益突出。這些都對汽車的制動性能提出了更高的要求。氣動制動是最常見的動力制動系統(tǒng)之一,多用于中重型汽車。伴隨著節(jié)能和環(huán)保意識的逐漸增強,氣動制動方式的應(yīng)用越來越廣泛。而同樣由于汽車技術(shù)的發(fā)展而使得各類卡車、客車等車輛向大型化發(fā)展,其質(zhì)量及載貨量都有不同程度的增加。所以,對車輛氣壓制動系統(tǒng)的研究也變得越來越重要。長期以來,人們對汽車的制動系統(tǒng)進行不斷的研究和實踐,從理論上對汽車制動過程有了一定的了解,對汽車制動性能方面的研究尤為深入。但是,由于汽車實際制動過程的復(fù)雜性及其影響因素的多樣性,使得根據(jù)汽車的制動過程所進行的理論分析不是很全面。作者通過對汽車氣壓制動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的分析,針對氣壓制動系統(tǒng)中對汽車制動過程起關(guān)鍵作用的部件分別進行數(shù)學、物理建模,以期達到對整個制動過程中氣壓制動系統(tǒng)本身進行研究的目的。1汽車制動系統(tǒng)的階段特性汽車制動系統(tǒng)的制動過程,除去駕駛員的反應(yīng)滯后等與制動系統(tǒng)本身無關(guān)的過程,從駕駛員踩上踏板到汽車停止,大體上可分為3個階段。第一階段是制動系統(tǒng)的反應(yīng)滯后,這一階段制動器沒有真正起作用,汽車仍按原來的速度行駛。制動系統(tǒng)的滯后時間決定于制動系統(tǒng)中各部件的結(jié)構(gòu)型式、制動間隙調(diào)整以及氣壓管路的布置等因素。第二階段是從制動器開始起作用到車輪抱死拖滑。這一階段制動力通過ABS等部件的控制而使得制動力總體上不斷增大,車輪邊滾邊滑直至抱死。制動時間主要取決于ABS、盤式制動器及制動管路的氣體壓力等因素,以及地面附著力大小等與汽車制動系統(tǒng)本身無關(guān)的因素。第三階段是從附著力達到最大后直至汽車停止。這一階段制動系統(tǒng)中管路壓力、制動力以及制動閥等部件的工作狀態(tài)基本不變,制動時間及制動距離主要由地面附著系數(shù)確定。制動的這3個階段,從動力學的觀點來看,第一階段屬于穩(wěn)態(tài)過程,此時車速等各個運動參數(shù)均不變,對各類計算及分析都較簡單。第三階段雖然處于動態(tài),但比較穩(wěn)定,制動減速度基本保持不變或變化不大,制動系統(tǒng)內(nèi)部各制動部件的工作狀態(tài)及管路內(nèi)氣體狀態(tài)也沒有變化。第二階段是第一階段向第三階段的過渡過程,這個階段無論從整車運動的動力學角度還是制動系統(tǒng)內(nèi)部的工作過程來看,都相對第一與第三階段復(fù)雜得多,各類影響因素也較多。實際上汽車的各制動性能和制動穩(wěn)定性等都主要取決于這個階段。這個階段也是研究的重點。2u3000推動制動盤根據(jù)汽車氣壓制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作特點,建立其簡化示意圖模型,如圖1所示。駕駛員踩下制動踏板,氣罐中的壓縮氣體通過制動管路及ABS閥對氣壓盤式制動器的制動氣室進行充氣,氣體壓力推動活塞,通過盤式制動器中的增力機構(gòu)推動與活塞同一側(cè)的摩擦片壓向制動盤,同時,通過活塞的反向力將另一側(cè)的摩擦片拉向制動盤,實現(xiàn)制動。對整個制動過程進行建模,其思路如下:首先,壓縮氣體通過ABS閥對制動氣室充氣,這一過程可以用氣體狀態(tài)方程和氣體連續(xù)性方程來描述,通過氣體流量方程求出制動氣室的氣體質(zhì)量,再利用氣壓狀態(tài)方程解出相應(yīng)的壓力,這是制動氣室壓力的增加過程,放氣過程也是如此。再根據(jù)氣室壓力,對氣壓盤式制動器工作過程建立相應(yīng)的物理方程來求解,由此可得出制動時的制動力矩。2.1abs閥出口質(zhì)量流量模型ABS是車輛主動制動系統(tǒng)的控制元件,目前車輛上使用的ABS,主要采用門限控制規(guī)則,及ECU根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)速和減速度大小對ABS進行控制,從而實現(xiàn)對制動過程的控制。壓縮氣體通過氣壓ABS閥對制動氣室充氣,其過程如圖2所示,可以將其看做氣壓開口裝置。另外,一般氣動系統(tǒng)中氣體密度隨壓力變化非常大,為避免換算,建模過程中都采用質(zhì)量流量。充放氣過程由于時間短、速度快,可以將整個過程看成絕熱過程。根據(jù)開口裝置的結(jié)構(gòu)得出ABS閥出口的質(zhì)量流量方程:qm={p1Ac√2kk-11RΤ1[(pcp1)2k-(pcp1)k+1k]pcp1≥0.528(2k+1)k+12(k+2)√kRp1√Τ1Acpcp1≤0.528[BFQ](1)qm=?????????p1Ac2kk?11RT1[(pcp1)2k?(pcp1)k+1k]??????????????????????√pcp1≥0.528(2k+1)k+12(k+2)kR??√p1T1√Acpcp1≤0.528[BFQ](1)式中:qm為質(zhì)量流量;Ac為氣室入口有效截面積;k為絕熱系數(shù),對于空氣,k=1.4;R為氣體常數(shù),對于空氣,R=287N·m/(kg·k);T1為氣室的絕對溫度;p1為氣源壓力。這里,瞬態(tài)質(zhì)量流量有兩個表達方式,充氣初始階段壓差較大,氣體流速以超音速或音速流動,采用第一個表達式;當流動壓差較小時,氣體以亞音速流動,則采用第二個表達式。2.2模型1:生物氣動力系統(tǒng)py氣壓盤式制動器的制動氣室有膜片式、活塞式以及混合式幾種。從力學的角度看,均可簡化為一個簡單的氣動活塞缸體,如圖3所示。制動氣室中的氣體,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,可由氣體質(zhì)量得出其壓力:pc=ρRΤ1=mVcRΤ1[BFQ](2)pc=ρRT1=mVcRT1[BFQ](2)式(2)兩邊分別對時間t積分,得dpc/dt=qmVcRΤ1[BFQ](3)dpc/dt=qmVcRT1[BFQ](3)另外,對模型中的活塞建立牛頓運動方程:dx/dt=v(4(a))dv/dt=1/m[(pc-pa)Sc-K1x-F′](4(b))式中:m為氣室推桿的質(zhì)量;Sc為氣室內(nèi)截面積。壓縮空氣經(jīng)ABS閥進入制動氣室的質(zhì)量流量和制動氣室壓力的變化值等幾個物理量,都是對時間的微分值,直接反應(yīng)了ABS的工作狀態(tài)。所以,無論ABS閥的工作狀態(tài)如何,該模型都是適用的。至此,可以根據(jù)氣壓制動系統(tǒng)的制動壓力及各部件的參數(shù),得到氣室中推桿的推力,下面即可根據(jù)該推力建立盤式制動器制動力矩的模型。2.3時滯系統(tǒng)的計算氣壓盤式制動器制動時,壓縮空氣從進氣口進入制動氣室,經(jīng)過制動氣室作用推動推桿,壓力臂在推桿的作用下移動,此后通過一系列傳動機構(gòu)使摩擦片壓緊制動盤而實現(xiàn)制動。根據(jù)前面所建立的制動氣室的模型及推桿的運動方程,分析盤式制動器制動力矩。在此制動過程中,假設(shè)摩擦片與制動盤接觸良好,且接觸面壓力分布均勻,由此可以計算出盤式制動器的等效制動半徑和制動力矩。如圖4所示,在制動摩擦片上取任一單元面積RdRdθ,該單元上的摩擦力距為μfR2dRdθ,其中f為摩擦片與制動盤之間單位面積上的壓力,μ為兩者之間的摩擦因數(shù)。則作用于單側(cè)制動盤上的制動力矩為Μ2=∫2π0∫R2R1μfR2dRdθ=2π3μf(R32-R31)[BFQ](5)M2=∫2π0∫R2R1μfR2dRdθ=2π3μf(R32?R31)[BFQ](5)設(shè)作用于單側(cè)制動盤上的正壓力為F0,則單側(cè)的摩擦力為μF0=∫2π02π0∫R2R1μfRdRdθ=πμf(R2222-R2121)(6)由此可得盤式制動器的有效制動半徑為Rb=Μ2μF0=23R32-R31R22-R21[BFQ](7)對于盤式制動器制動力矩,根據(jù)前面圖5所示制動器的結(jié)構(gòu),其計算公式如下:M=2FiμηRb(8)式中:F為氣室推力;i為制動力臂增力比;μ為制動器摩擦片與制動盤之間的摩擦因數(shù);η為制動器機械傳遞效率;Rb為制動器的等效制動半徑。2.4制動過程動力學建模通過前面的建模分析,已經(jīng)得到了汽車氣壓制動系統(tǒng)制動過程各關(guān)鍵部件的數(shù)學、物理模型。至此,可以對以上所得的各模型進行綜合,從而得到一個制動過程整體的物理模型。首先,由式(4(a))與(4(b))可以得出F′的表達式,如下:F′=(pc-pa)Sc-Κ1x-md2xdt2[BFQ](9)另外,根據(jù)式(2)與(3)得pc=∫t0qmdtVcRΤ1[BFQ](10)將式(10)代入式(9),可得F′的表達式,另外,F′與氣室推力F為一對作用力與反作用力,即F=F′。所以,得出F的計算式如下:F=(∫t0qmdtVcRΤ1-pa)Sc-Κ1x-md2xdt2[BFQ](11)最后,由式(11)與式(8)綜合,可以得出制動系統(tǒng)制動力矩的最終計算公式,如下:Μ=43R32-R31R22-R21iμη[[JX-*3/5](∫t0qmdtVcRΤ1-pa)[JX*3/5]Sc-Κ1x-md2xdt2][BFQ](12)式中,瞬態(tài)質(zhì)量流量qm的計算參照式(1),分為兩種情況。充氣初始階段壓差較大,氣體流速以超音速或音速流動,采用第一個表達式;當流動壓差較小時,氣體以亞音速流動,則采用第二個表達式。另外,根據(jù)對制動過程的分析可知,當氣室中的壓力達到最高,即氣源壓力p1時,制動器制動力矩達到最大。此時,M的表達式為:Μmax