基于动态轴荷的电控制动系统制动力分配控制算法＊

宗长富 李伟 郑宏宇

（吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室）

基于动态轴荷的电控制动系统制动力分配控制算法＊

宗长富 李伟 郑宏宇

（吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室）

针对半挂汽车列车制动时轴荷转移大、制动距离受载荷影响大的问题，提出了非紧急制动工况基于动态轴荷的制动力分配算法。根据轴荷变化动态调整制动力分配，使各轴利用附着系数与车辆制动强度一致，同时根据车辆实际制动强度与理想制动强度差值调整制动力，使车辆在相同制动过程中制动距离不受载荷影响。对比通过软件进行常规制动与采用该算法的电控系统车辆在不同载荷下的制动仿真结果表明，该算法可动态分配制动力并进行减速度控制。

1 前言

半挂汽车列车具有装载量大和运输成本低等优点，在公路运输中占有重要地位。常规气压制动系统管路较长，制动响应时间长。而电控制动系统（Electronic Brake System，EBS）能实现制动过程的电子控制，进而大幅缩短制动响应时间和制动距离，提高制动效能，并可集成ABS、ESP等功能[1～3]。国外对于EBS的研究始于20世纪末，现已形成成熟产品并在欧美商用车市场上快速推广，而国内还处于研究阶段[4～7]。

半挂汽车列车制动时，牵引车与半挂车均在驾驶员控制下产生制动力。理想的制动力分配是各轴利用附着系数等于制动强度[8～10]，从而充分利用路面附着条件，增大制动强度，并提高制动稳定性。文献[6]提出的EBS制动力分配算法仅适用于两轴车辆；文献[7]和文献[8]提出基于滑移率的制动力分配算法，两种算法在制动强度较低时不发挥作用，且均未实现理想的制动力分配。

车辆制动减速度受车辆载荷、摩擦片状态和路面条件等多种因素影响。减速度控制即在路面条件及制动系统性能允许条件下，使相同的制动踏板行程产生相同的制动减速度，从而避免载荷变化、热衰退等因素对制动效能的影响，提高制动安全性和舒适性。

本文针对半挂汽车列车提出非紧急制动工况下基于动态轴荷的制动力分配算法，根据轴荷变化动态调整制动力分配，使各轴利用附着系数与车辆制动强度一致，并通过Trucksim与Matlab/Simulink软件进行列车在不同载荷下直线制动联合仿真。

2 控制算法开发

半挂汽车列车制动时载荷动态转移较大。常规制动系统按固定比例分配各轴制动力，制动效能较低，且易因车轮抱死而出现折叠、甩尾等危险工况。研究表明[9～10]，车辆制动时理想的制动力分配是使各轴利用附着系数均等于制动强度，从而充分利用路面附着条件，增大制动强度，并提高制动稳定性。利用附着系数φi计算公式如下：

式中，φi为第i轴利用附着系数；Fxi为汽车第i轴地面制动力；FZi为地面对第i轴的法向反力[10]。

由公式（1）可知，要实现理想制动力分配，应根据轴荷变化动态调整各轴制动力。因此，所提基于动态轴荷的制动力分配算法如下：

a.车辆总制动力计算模块。根据制动踏板开度计算理想制动强度Z，则理想总制动力Fx为

式中，m为车辆总质量；a为车辆减速度。

b.制动力分配模块。第j车轮理想的地面制动力为Fxbj=Fx×FZbj/FZ=Z×FZbj，其中FZ为车辆总重，FZbj为第j车轮垂直载荷。地面制动力矩与制动器制动力矩T平衡，即T=Fxbj×r=Z×FZbj×r，其中r为车轮半径。根据制动器制动力矩与制动气室压力关系表，由制动力矩查取与理想制动强度Z相应的理想气室压力P0。

该算法可根据动态轴荷调整制动力矩，实现理想的制动力分配，即φ1=φ2=φ3=Z。且由公式（3）可知，当用该算法分配制动力时，车辆减速度由踏板开度确定，与载荷状况无关。

式中，m1、m2分别为牵引车、半挂车的质量。

减速度控制不仅要克服载荷影响，还要避免制动器磨损、热衰退等因素对制动效能的影响。因此提出采用门限值控制的减速度控制算法，根据车辆理想制动强度Z与实际制动强度Z′的差值调整制动力。

令K=（Z-Z′）/Z。控制逻辑如下：

a.K≥8%时，实际制动强度远小于理想值，输出信号P=1.1P0；

b.3%＜K＜8%时，实际制动强度小于理想值，输出信号P=1.05P0；

c.-3%≤K≤3%时，实际值在理想范围内，P=P0；

d.-8%＜K＜-3%时，实际制动强度大于理想值，输出信号P=0.95P0；

e.K≤-8%时，实际制动强度远大于理想值，输出信号P=0.9P0。

该门限控制算法的门限值可应用于多种载荷条件。

通过以上算法实现了理想制动力分配，并且在相同制动过程中车辆制动距离相同，不受载荷、热衰退等因素影响。控制算法结构图如图1所示。

3 联合仿真模型

3.1 控制器模型

在Matlab/Simulink环境中建立控制器模型。模型主要由踏板信号计算模块、制动力分配模块和减速度控制模块等组成。输入为车速和车轮载荷信号，输出为牵引车和半挂车制动气室压力信号。

3.2 车辆模型

仿真车辆模型采用Trucksim软件中的半挂汽车列车模型。部分整车参数见表1[8]。

表1 部分整车参数

4 仿真与分析

采用Matlab/Simulink与Trucksim软件联合仿真，为对比按照固定比例分配制动力的常规制动系统与采用以上控制算法的EBS在不同载荷下的控制效果，分别进行常规制动车辆与装备EBS车辆在载荷为空载、5 000 kg和8 000 kg 3种工况的仿真。路面附着系数为0.85，初始车速为70km/h，转向盘转角为0°。

4.1 常规制动系统仿真

常规制动中，各轴制动压力按照固定比例1:1:1分配。车辆第3 s开始匀速增加制动压力，至第8 s增至0.5 MPa后保持恒定，如图2所示。

图3 、图4和图5分别为常规制动时载荷为空载、5 000 kg和8 000 kg 3种工况下半挂汽车列车各轴利用附着系数和第5轮处纵向力和垂向力之比与时间的关系曲线。

由图3～图5可知，相同制动过程中，各轴利用附着系数不一致，且随载荷变化。车辆无法充分利用路面附着条件，既增加了制动距离，又增加了发生制动失稳的可能性。图3和图5中，第5轮处FX5/FZ5与各轴利用附着系数不同，牵引车和半挂车之间的耦合力影响制动舒适性和安全性。图4中的车辆载荷与制动系统实现最优制动力分配的设计载荷接近，各轴利用附着系统及第5轮处耦合力基本一致。

图6为常规制动车辆在3种载荷下实际制动强度曲线。由图6可知，相同制动过程中，车辆制动强度受车辆载荷影响较大，降低了制动安全性和舒适性。

图7为3种载荷下制动距离仿真曲线。可知相同制动过程中，制动距离分别为95.28 m、110.74 m、119.71 m，车辆制动距离受载荷影响进而影响制动安全性。

4.2 EBS仿真

因研究内容为制动力分配，故暂不考虑实际车辆制动踏板开度与制动强度对应关系，仿真中假设制动踏板开度与制动强度关系如图8所示。车辆第3s开始匀速增加制动强度，至第8 s增至0.5 MPa后保持恒定不变。

图9 ～图11分别为空载、载荷为5000kg和8000kg 3种工况下半挂汽车列车各轴利用附着系数、第5轮处纵向力和垂向力之比与时间的关系曲线。

由图9～图11可知，相同制动过程中，各轴利用附着系数与理想制动强度基本一致，车辆可以充分利用路面附着条件缩短制动距离，提高制动安全性。第5轮处FX5/FZ5与制动强度一致，使牵引车和半挂车之间耦合力处于理想水平，提高了制动舒适性和安全性。

图12为3种载荷下理想制动强度与车辆实际制动强度关系曲线。由图12可知，相同制动过程中，理想制动强度与实际制动强度基本一致，即在不同载荷下相同制动踏板行程产生相同的车辆减速度，提高了制动安全性和舒适性。

图13为3种载荷下制动距离仿真曲线，制动距离分别为78.09 m、78.17 m、78.31 m。由图13可知，通过减速度控制，在制动过程相同的情况下，车辆制动距离不受载荷影响，从而提高了制动安全性。

图14～图16分别为3种载荷下制动时各车轮制动压力曲线。

由图14～图16可知，相同制动过程中，各个车轮制动压力随载荷变化而变化，以实现理想的制动力分配。在增压过程中，减速度控制算法对制动压力进行了调整，以实现减速度控制。

仿真结果表明：该算法的门限值可在多种载荷条件下进行理想制动力分配和减速度控制，具有较大的适用范围。

5 结束语

a.基于动态轴荷的制动力分配算法可以根据轴荷变化动态调整制动力分配，使各轴利用附着系数与车辆制动强度一致，实现理想的制动力分配，提高制动效能，保证制动安全性；

b.减速度控制算法根据车辆实际制动强度与理想制动强度的差值调整制动力，使车辆在相同制动过程中制动距离相同，不受载荷影响，从而减少制动时驾驶员的负担，提高了制动安全性和舒适性。

1罗文发.电子控制制动系统EBS在牵引车上的应用.商用汽车，2008，（6）：126～128.

2刘录秀.克诺尔商用车制动系统技术发展（3）.汽车与配件，2006，（30）:34～38.

3Karthikeyan P，Subramanian SC.Development and Modeling ofanElectropneumaticBrakeSystem.IEEEIntelligent Vehicles Symposium，2009:858～863.

4刘自凯，陈慧，袁兼宗，等.商用车电子制动系统的建模与仿真.2008中国汽车工程学会年会论文集.北京：机械工业出版社，2008.

5中重型汽车电子控制制动系统.中国，200620028835.9.吉林大学，2007-08-29.

6刘杰.商用车电子控制制动系统的控制算法研究:[学位论文].长春：吉林大学，2007.

7宗长富，李伟，郑宏宇，等.汽车列车电控制动系统制动力分配的控制算法.汽车工程，2011，33(10):885～889.

8Goodarzi A，Behmadi M，Esmailzadeh E.Optimized Braking Force Distribution During a Braking-in-turn Maneuver for Articulated Vehicle.International Conference on Mechanical and Electrical Technology，2010.

9余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2006.

10Mauri Haataja，Tatu Leinonen.On the Distribution of Braking Forces in Road Braking.SAE 2000-01-3413，2000.修改稿收到日期为2013年3月6日。

（责任编辑晨曦）

A Control Algorithm of Braking Force Distribution for EBS Based on Dynamic Axle Load

Zong Changfu，Li Wei，Zheng Hongyu
（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University）

To solve the problem of high axle load transfer and excessive effect of axle load on braking distance，a control algorithm for braking force distribution based on dynamic axle loads is proposed under non-emergency braking conditions，in which the distribution of braking force depends on dynamic changes of the axle loads，so that the adhesion utilization of each axle equals the braking strength of vehicle，meanwhile，the braking force will be regulated according to the difference between the vehicle's actual braking strength and the ideal braking strength to make the braking distance independent from the load conditions.Simulations of braking with software are performed in which vehicle models with traditional brake system and EBS is used.The results show that the braking forces can be distributed according to the dynamic axle loads and the deceleration control is achieved.

EBS,Braking force distribution,Dynamic axle loads,Control algorithm

电控制动系统制动力分配动态轴荷控制算法

U463.5

：A

：1000-3703(2014)01-0020-04

国家自然科学基金项目（51075176）和中国博士后基金项目（2012T50291，20110490158）资助。