基于Carsim的AMS制动性能分析方法

张东珉，王天培，赵永坡，张 凯

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

基于Carsim的AMS制动性能分析方法

张东珉，王天培，赵永坡，张 凯

Zhang Dongmin，Wang Tianpei，Zhao Yongpo，Zhang Kai

（长城汽车股份有限公司 技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

对欧洲制动AMS试验的仿真实现方法进行了研究。选用特定车型，应用已有的Carsim悬架、轮胎等模型建立整车模型，通过改变制动系统模型进行仿真过程的标定。最后根据欧洲AMS制动试验方法设定了仿真工况，并进行了制动效能和制动热衰退性能的仿真分析。仿真分析结果表明：通过标定Carsim制动系统模型的AMS制动性能仿真结果与试验结果具备较好的一致性。研究表明在车辆设计初期利用Carsim软件可以快速准确地对车辆的制动性能进行仿真，从而对其性能做出预测和评估，并可有效地找到解决方案。

AMS；制动效能；制动热衰退；Carsim

0 引 言

目前车辆的安全性越来越受到公众的关注，而制动系统是汽车行驶安全的重要保障之一，德国汽车类杂志AMS（Auto Motor und Sport）组织的对欧洲市场车辆制动性能测试，其条件严格且测试结果公正、可靠，在欧洲很受公众和消费者认可。开发车辆通过AMS试验，不仅能提升制动性能，而且对提升信誉度，增强消费者购买信心大有益处。由于AMS试验准备工作量多，试验强度大，需要投入大量人力、物力，因此用仿真分析方法提高效率，节约成本是十分重要的。

Carsim是一种基于特性参数建模的汽车动力学仿真软件，建立模型时，不需要定义零部件具体的结构形式，只需要定义体现性能的相关参数或曲线[1]。应用Carsim仿真平台，建立制动系统仿真模型，并针对AMS试验的制动效能和热衰退性能对仿真进行验证。

1 分析原理

车辆制动系统的设计要能够在紧急情况时，在保持行驶稳定性条件下完全制动，并具有尽可能短的制动距离；同时在连续制动的情况下，减少制动效能的衰退程度。欧洲AMS制动性能试验主要包括冷态状态下空载100 km/h制动过程和热态状态下满载连续10次100 km/h的制动过程2部分，分别考察车辆的制动效能和抗衰退性能。

1.1 制动效能

制动系统的能量传递如图1所示，驾驶员通过操作制动踏板产生作用力在真空助力器输入杆上，如式（1）。

其中，Fbo为真空助力器输入力；Fdriver_为驾驶员输入力；ipedal为踏板杠杆比。

真空助力器作为供能装置，对踏板操作力再进行放大，从而作用在主缸上。将真空助力器看成一个整体，通过台架试验获得真空助力器稳态的输入输出特性曲线，通过一阶滞后环节近似地来表达真空助力器的迟滞现象，如式（2）～式（3）。

其中，Fboostout为真空助力器输出力；fboster为真空助力器输入输出函数；Fmc为主缸输入力；Tapp为动态时间常数。主缸输入力通过不同的主缸直径产生不同的压力值，为车轮制动器活塞提供液压，如式（4）。

其中，Pmc为主缸压力输入；MCdiameter为主缸直径。

制动压力作用在制动盘上产生夹紧力，制动盘和摩擦片产生摩擦从而产生制动力矩，如式（5）。

其中，r为制动器轮缸半径；μ为不同温度下摩擦系数；β为前后制动管路压力分配系数；p为制动软管油液压强；R为制动盘有效作用半径。

理想状态下，在不超过路面附着极限情况下，制动力矩的大小直接影响车辆减速度的大小。

1.2 制动热衰退

制动过程中，制动器温度不断升高导致摩擦片表面出现物理和化学反应引起摩擦系数的变化，从而影响制动力矩的大小，导致制动距离加长。对制动系统热传导起决定性作用的是把车辆全部动能转变为热量的制动盘。热能一方面被制动盘存储，另一方面随着温度的升高，通过对临近部件的热传导、表面和通风槽的对流及表面辐射把热量散发出去。制动盘温度通过制动盘能量吸收与散发计算，如式（6）。

其中，Tb为制动盘制动力矩；ωwh1为车轮转速。

制动盘能量输出计算如式（7）。

其中，C为制动盘冷却系数；Mrotor为制动盘质量；Cp为制动盘比热容；Trotor为制动盘温度；Tair为空气环境温度。

根据能量的吸入和散发计算制动器温度变化，如式（8）。

根据式（6）～式（8）得出，由制动盘确定的热容量对制动器的性能有重大影响。大而重的制动盘有很大的热容量，能很好接受制动时由动能转换成的热量，并避免由于系统过热而使制动摩擦片出现衰退效应。影响制动盘热容量的参数包括制动盘质量、材料比热容及冷却系数[2]。

Carsim中制动模型根据上述原理进行构建，利用此模型完全能够在设计初期进行制动模型的搭建和AMS制动系统性能分析。

2 模型建立

2.1 整车模型

Carsim整车模型是基于汽车各子系统特性参数进行搭建的，建立模型时，不需要定义零部件具体的结构形式，而只需要定义体现性能的相关参数或曲线。这样工程师在车辆设计初期不用纠结零部件具体结构形式，直接以性能为导向分析车辆动力学性能，指导底盘性能的开发。

应用已有的Carsim整车模型，包括悬架模型、动力总成模型、轮胎模型及整车参数，如图2。其中悬架模型不只是结构特性参数，还包括K特性和C特性参数，并与实车操稳试验结果进行对比，验证悬架模型的准确性。

动力总成模型主要包括发动机负荷特性曲线及变速器挡位传动比和换挡曲线。AMS热衰退制动试验过程中要求每次制动完成后以最大油门加速到目标车速，车辆动力性、加速性能越好，意味着每次制动间隔越短，对车辆抗热衰退性能要求越高。

2.2 制动模型

Carsim软件提供两种制动系统模型可以选择，一种是基础制动系统模型，如图3所示。模型中只包含了制动器性能参数及制动管路压力分配参数，模型相对简单，不能完整展示制动系统。

另一种是详细制动系统模型，如图4。模型中包含了踏板杠杆比、真空助力器曲线、制动管路压力分配曲线、主缸直径及制动器性能曲线，能够完整描述整个制动系统，同时可以设置制动盘热特性参数，来模拟制动热衰退性能。文中采用此模型进行AMS制动性能仿真分析。

3 模型校对及评价

根据AMS制动效能试验方法设置Carsim仿真条件，将实车试验过程中踏板力作为输入，进行相应的制动仿真过程，通过对比实车试验车辆减速度、车速和温度曲线验证制动系统建模方法的有效性和模型的准确性。

3.1 制动效能仿真

制动减速度与车速随时间变化曲线如图5和图6所示。

依据仿真结果得知，制动减速度为1.05 g左右，制动距离为39.43 m，AMS制动距离评价标准如表1，据此得知该车制动效能较好。

表1 AMS制动距离评价准则

3.2 制动热衰退仿真

制动盘温度与制动距离变化情况如图7和图8所示。

依据仿真结果得知，经过10次制动过程后，前轴温度达到508℃，后轴温度达到328℃，符合700℃以下设计规则，因为当制动摩擦片温度超过700℃时，摩擦系数会出现明显的下降。制动距离衰退比率为3.5%，符合小于10%的设计要求，具体计算如下式所示。

综合制动盘温度变化和制动距离变化情况，验证制动系统抗热衰退性能符合设计要求 。

4 仿真分析

文中通过与实车试验对比验证了此模型的正确性，应用此模型可以进行热衰退性能参数影响分析，指导性能开发。根据分析原理，在制动时出现快速温度升高，其高低一方面取决于车辆能量及其质量，另一方面取决于制动盘的储热能力、质量和通风冷却好坏[3]。文中通过修改制动比热容、质量和冷却系数分析其对制动衰退性能的影响。如图9所示。

从仿真结果可以得出，制动盘质量越大、比热容越大，则温度升高小。在升高后的冷却期，通风制动盘形状所决定的冷却系数越大即通风状况越好，温度下降越快。故若设计初期车辆衰退性能不好，可以通过修改制动盘尺寸、材料或增加通风槽保证车辆最高温度接近临界温度限值，但修改过程中要综合考虑制动系统结构和成本等因素。

5 结 论

针对欧洲AMS制动性能试验进行相应研究，应用Carsim建立了面向AMS制动性能分析的整车动力学模型，通过与实车试验数据对比验证模型精度，提出了一种在设计初期对AMS制动性能分析和预测的方法，为汽车制动性能的设计和改进提供了重要的借鉴和指导作用。

[1]李志奎. 基于Carsim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真分析. [D]：长春：吉林大学，2007.

[2]Mechanical Simulation Corporation: Carsim Reference Manual，Version6.03，July，2005.

[3]（德）B. 布勒伊尔，K.比尔，刘希恭，等译. 制动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

U463.5.07

A

2014-03-12

1002-4581（2014）04-0028-04