基于AMESim的汽车ESP液压系统建模

基于AMESim的汽车ESP液压系统建模
作者：李以农谢敏松米林
来源：《计算机辅助工程》2010年第02期
摘要:为研究汽车电子稳定程序(Electronic Stability Program,ESP)的液压系统,以某汽车ESP 液压系统为研究对象,分析ESP液压系统结构和工作原理;基于AMESim建立液压单元模型、带预压单元的主缸模型和轮缸模型;依据流体力学相关理论建立节流器、液压控制阀、蓄能器以及回油泵数学模型. 这些模型可为ESP液压系统动态性能仿真分析和液压单元设计提供参考.
关键词:汽车液压系统建模; 电子稳定程序; AMESim
中图分类号:U463.22; TB115文献标志码:A
收稿日期:2009-[KG*9〗12-[KG*9〗20修回日期:2010-[KG*9〗03-[KG*9〗10
基金项目: 教育部重点实验室开放基金(2009KLMT05);重庆市科技项目
(2008BA6025,2008AC6097)
作者简介: 李以农(1961—),男,河南新野人,教授,博导,博士,研究方向为车辆系统动力学与控制,(E-mail)ynli@
Automobile ESP hydraulic system modeling based on AMESim
LI Yinong1,2, XIE Minsong1, MI Lin2
(1. State Key Lab. of Mechanical Transmission, Chongqing Univ., Chongqing 400044, China; 2. Ministry of Education Key
Lab. of Manufacture & Test Techniques for Automobile Parts, Chongqing Univ. of Tech., Chongqing400050)
Abstract: To study automobile Electronic Stability Program(ESP) hydraulic system, an automobile ESP hydraulic system is taken as an example to analyze the structure and operation principle of ESP hydraulic system; the model of hydraulic unit, the model of master cylinder with
precharge unit and the model of wheel cylinder are established based on AMESim; according to the theories of hydromechanics, the mathematic models of restrictor, hydraulic control valve, accumulator and scavenger pump are established. These models can provide references for the simulation and analysis on the dynamic performance of ESP hydraulic system and the design of hydraulic unit.
Key words: Automobile hydraulic system modeling; electronic stability program; AMESim
0引言
汽车电子稳定程序(Electronic Stability Program,ESP)是目前世界上最尖端的汽车主动安全系统电子设备.除具有制动防抱死系统(Anti-lock Braking System,ABS)和牵引力控制系统(Traction Control System,TCS)的功能外,ESP液压系统更是一种智能的主动安全系统. 在汽车行驶过程中,ESP液压系统始终监测车的运动状态,尤其是与转向相关的运行状态,一旦出现不稳定的预兆便实时予以修正,从而使行车安全性大大提高,驾车人员感觉更灵活、更快捷、更安全. ESP液压系统使汽车在各种恶劣状况下都能非常可靠地按照驾驶人员的意图进行控制,而不会出现摆尾和方向失控等危险状况.
汽车ESP液压系统主要由电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)、传感器和液压系统等3部分组成,其控制品质的好坏和工作性能的可靠性不仅与ECU的控制逻辑、传感器的作用有关,还与液压系统动态特性密切相关. 汽车ESP液压系统由多个液压元件组成,各液压元件在ECU驱动下协同工作,根据汽车的不同行驶工况对车轮施加相应的液压制动力,实行车辆的主动干预. 作为汽车ESP液压系统的执行机构,液压系统是个高速响应系统,各液压控制阀的动态响应均在短时间内完成. 因此,对液压系统进行动态特性研究,了解和掌握其工作过程中的动态工作特性和参数变化,以便进一步对其改进和完善,提高其动态响应特性,提高汽车运动和ECU控制精度以及工作可靠性.
国内对ESP的研究尚处于起步阶段,涉及到ESP液压系统的研究极少. 吉林大学利用硬件在环仿真技术分析液压系统和控制逻辑[1];清华大学、上海交通大学和东南大学等用Simulink建立液压系统简化模型并进行相关研究[2-3]. 作为高速响应的液压系统,其动态特性直接影响ESP 控制精度和工作可靠性,分析其工作过程中动态特性和参数变化的影响是实现执行机构开发的关键,所以非常有必要开展这方面的研究.
1AMESim软件介绍
AMESim是法国IMAGINE SA公司于1995年推出的高级建模、仿真及动力学分析软件,具有图形化开发环境,专用于液压/机械系统的建模、仿真和动态性能分析. 面向工程应用的定位使得AMESim成为汽车、液压机械、航天和航空工业研发部门的理想选择.
多学科领域的交叉、鲁棒性极强的功能求解器、基本元素的理念、图形化的物理建模方式、强大的二次开发能力、4个层次的建模方式、齐全的分析工具、多种仿真运行模式以及开放的结构,使得AMESim在汽车液压系统、操纵系统、燃油系统、润滑系统及车辆热分析等方面都有很好的应用,并在法国雷诺、雪铁龙汽车的设计过程中有过实际应用,是目前国际上流行的汽车设计及仿真方面的理想工具. 特别是AMESim内置有与C(或 Fortran)和其他系统仿真软件的接口. 借助此特性,用户可以在AMESim环境中访问任何C或Fortran程序、控制器设计特征、优化工具及能谱分析等工具. 同时,用户还可以将完全非线性的AMESim子模型输出到多种CAE或其他软件中去.2汽车ESP液压系统结构与工作原理以某汽车ESP液压系统为研究对象,其结构见图1[4],其中FL为左前轮轮缸、FR为右前轮轮缸、RL为左后轮轮缸、RR为右后轮轮缸. 在液压单元4中共有12个电磁阀接收ECU的控制信号. 在工作过程中,ESP根据各传感器(轮速传感器、压力传感器、横摆角速度传感器、转向角传感器和侧向加速度传感器)所采集到的信号分析整车的运动状态,并通过内部算法控制相应车轮.
1—主缸;2—储液箱;3—预压单元;4—液压单元;5和6—液压油路;7—吸入阀;8—集成阀;9—节流器;10—高压阻尼器;11—回油泵;12—增压阀;13—低压蓄能器;14—减压阀.
图 1ESP液压系统结构
ESP液压系统的工作原理如下:在系统进入ESP工作模式后,集成阀8立刻从常通状态转变为限压状态,吸入阀7打开,液压介质在预压单元3的作用下通过吸入阀7和回油泵11进入高压阻尼器10,在减弱油压脉动后通过增压阀12进入轮缸,推动轮缸中的活塞,压紧摩擦片进行制动;当制动达到一定强度时,增压阀12和吸入阀7关闭,减压阀14打开,轮缸中的高压液压介质通过减压阀14进入低压蓄能器13,此时的低压蓄能器13成为下次增压的油源;在新的增压过程中,液压介质在回油泵11的作用下,从低压蓄能器13出发通过高压阻尼器10和增压阀12再次进入轮缸. 如此增减压循环直至系统退出ESP模式.
3基于AMESim的ESP液压系统建模在用数字仿真技术分析液压系统动态特性的过程中,如何建立准确、适用、便于仿真的模型是保证数字仿真周期短、结果准确可信的前提和关键. AMESim凭借其在液压系统建模方面的特点,吸引包括General Motors,HONDA和BOSCH等公司在内的国内外各大汽车整车和零部件厂家的运用.
本文采用AMESim建模.AMESim包含很多适合于仿真动态特性的液压模块,而且在AMESim/Demo中提供典型的轮缸模型,其他液压单元均由单一模块即可实现其功能. AMESim 建模仿真过程的步骤为:(1)依据液压系统工作原理, 从AMESim模型库中选取合适元件并按照原理图连接好;(2)建模完成后,再为每个模块选取数学模型;(3)定义全局性液压参数, 如液压介质
的体积模量、密度、动力黏度和工作温度等;(4)定义各个液压元件的关键尺寸和内部参数;(5)运算并进行结果分析.
3.1液压单元建模
液压单元是ESP液压系统的核心部件,用于接收ECU的指令,通过各液压控制阀的开关动作通断控制回路,进而自动调节各制动轮缸的制动压力. 液压单元主要由液压控制阀、回油泵和蓄能器等组成,通过液压控制阀和回油泵产生的液压力控制制动力. 采用循环调压方式进行ESP液压系统制动压力调节时,通过使制动轮缸中的液压介质泵回制动主缸或蓄能器,实现制动压力减小;通过制动主缸或蓄能器中的液压介质进入制动轮缸,实现制动压力的增大;通过增、减压阀的关闭,截断回路,使得制动轮缸压力保持不变.
集成阀是液压单元中的另一重要元件,是常通阀和限压阀的集成,根据车辆运行状况,ECU发出指令,通过常通和限压状态的选择,实现液压系统常规制动、ABS模式、ASR模式、ESP模式的切换. 在ESP模式下,集成阀切换到限压状态,防止系统的工作压力过载,起限压阀的作用. 回油泵的持续工作,可能使得系统压力超过限定压力而引起系统过载,ECU发出指令,限压状态切换到常通状态,对工作系统进行泄压;当系统压力没有达到限定值时,常通状态切换到限压状态.[5-7]
在ESP液压系统中,液压控制阀中的增、减压阀,吸入阀以及常通阀都是典型的二位二通的电磁阀;回油泵一般为高压柱塞泵;蓄能器为弹簧活塞式. 在AMESim建模过程中,液压单元中这些关键元件在机械(Mechanical)和液压(Hydraulic)应用库中都能找到相应的子模型.
对于ESP液压系统的关键元件,需要在AMESim中定义每个元件的数学模型,同时设定元件参数,然后进行模型的仿真计算. 例如,对于增压阀选定的二位二通电磁阀,有恒温和热液2种数学模型. 同时,需要定义阀芯初始位移和初始速度2个状态变量,以及液压介质类型、电磁阀脉冲触发信号饱和值、阀固有频率、阻尼比、临界流量、压降、等价截流面积和临界流速等参数. AMESim参数化的特征保证模型的可行度.液压单元AMESim模型见图2.
注:1和2接主缸,3接轮缸.
图 2液压单元AMESim模型
3.2带预压单元主缸建模
ESP液压系统主要用来控制车辆的横摆力矩,限制车轮侧偏角在一定范围内,并在紧急情况下主动干预车辆的行驶状态. 在主动干预工况下,车辆无须驾驶员的制动踏板输入. 考虑到低温条件下液压介质黏度很高,对于汽车常用液压介质在低温(-40 ℃)下动力黏度可能达到1.53
kg/m•s.[8] 在没有踏板输入的情况下,液压系统建立压力时间长,极不利于车辆的主动干预, 所以ESP引入预压单元.
预压单元在ESP工作时给进入液压回路的液压介质一定的预压(70~300 MPa),使得低温状态下液压介质高黏度对液压系统压力快速建立的影响大大减小. 预压单元工作原理如下:首先预压泵对制动主缸进行预压,当与制动主缸相连的压力传感器测得压力值大于给定的预压力时,系统给预压泵1个停止工作的信号;当传感器检测到的压力值小于给定的预压力时,预压泵继续对系统增压. 预压控制单元能动态保证制动主缸有一定的预压力.
采用汽车常用的双腔串联式制动主缸,建立其AMESim模型(带预压单元),见图3. 对制动踏板施加制动力,得到主缸的压力响应曲线见图4和5. 主缸压力响应与制动踏板输入的对照验证主缸模型的正确性. 前后主缸直径均为22.2 mm.
1—制动踏板力输入;2—主缸;3—预压单元;4—接液压油路.
图 3主缸模型
图 4制动踏板力输入图 5主缸压力响应曲线3.3轮缸建模
从图6可看出,AMESim里的轮缸模型由3部分组成:图 6轮缸模型弹性元件和阻尼元件,油缸和活塞,以及用1个可以做平动的质量块作为耗能元件. 本文研究的车辆为典型的前盘后鼓式制动器. 通过设置不同的轮缸直径、制动器有效半径、摩擦片摩擦因数以及制动因素来实现前后轮缸的差别. 图7所示为一定压力输入下的左后轮(为鼓式制动器,制动轮缸直径20.64 mm,制动器有效半径130 mm,摩擦片摩擦因数0.43,制动器因数3.19)轮缸压力响应曲线.
图 7轮缸压力响应曲线
液压系统动态特性的研究重点是液压单元,在主缸和轮缸建模过程中,进行必要的简化,忽略影响系统的一些次要因素,如液压介质泄漏和温度可变性等,将系统理想化,从原理和功能上实现模型的搭建. 在液压系统动态特性理论中,也强调抓住影响系统的主要因素,对于系统的一些次要因素进行必要的假设和简化. 建立好的汽车ESP液压系统完整模型见图8.
图 8汽车ESP液压系统完整模型
4主要液压元件数学模型建立
为给ESP液压系统动态性能仿真分析和液压单元设计提供理论依据,根据流体力学相关理论建立描述系统主要液压元件动态性能的数学模型.
4.1节流器模型
节流器模型是ESP液压系统中常用的模型,在增压阀、减压阀和阻尼器中都会用到,起到流量控制的作用. 节流器模型的输入量为液压介质压力,输出量为流量. 数学模型为q=A•Cq max•tanh 2χ2•Δpρv•Re(1)式中:q为液压介质流量,m3/s;A为节流孔截面积,m2;Cq max为最大流量因数;χ为水力直径,m,χ=2A/π;Δp为模型两端压力差,Pa;ρ为液压介质密度,kg/m3;v为液压介质运动黏度,m2/s;Re为临界雷诺数.
此模型考虑流量因数的非恒定性,当Δp较小时,q基本与Δp成正比,随着Δp的增大,流量因数很快接近于Cq max,q与|Δp|成正比. 由于在ESP液压系统中所用到的节流器均为薄壁圆孔(孔径约为0.6 mm),所以临界雷诺数Re较低,约为100;系统液压介质常为车用制动液DOT3,其平均密度ρ约为850 kg/m3,平均运动黏度v约为50 mm2/s,Cq max取0.7[8]. 这样,改变节流器的孔径就可得到不同的流量特性.
4.2液压控制阀模型
ESP液压系统中各种控制阀的作用不同,因而其特征尺寸也不尽相同. 为保证液压介质迅速进入ESP工作循环,吸入阀7的阀座孔径(约为2.5 mm)较大;而增压阀12和减压阀14的阀座孔径(约为0.7 mm)较小,与节流器一起起到双重节流的作用,以便提高制动压力的控制精度. 流量特性依然按照式(1)计算.
液压控制阀在驱动电压作用下,阀完全开启和关闭都存在一定的延迟时间. 对于阀芯的位移和速度,引入2阶延迟环节(公式为kω2ω2+2ζωs+s2,其中ω为固有频率,ζ为阻尼比)进行计算. 在系统模型中,阀芯位移和速度都为状态变量,需设定初始值.
4.3蓄能器模型
ESP液压系统中蓄能器为弹簧活塞式. 高压阻尼器主要用来消除回油泵所引起的冲击和脉动,消除系统噪声;低压蓄能器主要用来储存减压所排出的液压介质,作为下次增压的油源. 蓄能器输入量为液压介质流量,输出量为压力,需定义的参数为活塞直径与行程、弹簧刚度等. 由于活塞用轻质材料制成,忽略其重力. 数学模型为p•=E(p)•qoutVm+A2•E(p)•ρ(p)k•ρ(0)(2)式中:p为蓄能器端口压力,Pa;E为液压介质体积弹性模量,MPa;qout为蓄能器端口流量,m3/s;A为截面
积,m2;k为弹簧刚度,N/mm;Vm为蓄能器中的液压介质体积,m3;ρ为液压介质密度,kg/m3.
对于一般车用液压介质,其体积模量E约为1 700 MPa.[8] 通过调整蓄能器的活塞直径和弹簧刚度即可得到不同特性的蓄能器模型.
4.4油泵模型
油泵模型主要用于预压泵和回油泵,输入量为液压介质压力,输出量为流量. 定义油泵电机转速和油泵排量,忽略机械损失与液压介质泄漏.数学模型为q=V•n•ρ(p)ρ(0)(3)式中:q为油泵输出流量,L/min;V为油泵排量,ml/r;n为转速,r/min;ρ为液压介质密度,kg/m3.
考虑到汽车制动时压力最高可到2 000 MPa, ESP液压系统中的回油泵一般为柱塞泵;前期ESP液压系统预压泵为齿轮泵,在后续产品中也都采用柱塞泵. 柱塞泵排量V约为10×104 L/r,油泵驱动电机转速n约为3 000～4 000 r/min.
5总结
以某ESP液压系统为研究对象,分析ESP液压系统结构和详细的工作原理;基于AMESim 建立汽车ESP液压系统液压单元模型、带预压单元的主缸模型和轮缸模型;并依据流体力学相关理论,建立节流器、液压控制阀、蓄能器以及回油泵数学模型,为ESP液压系统动态性能仿真分析和液压单元设计提供理论参考.参考文献:
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(编辑于杰)。