缓速器和排气制动联合作用恒速仿真模型研究

张小明，李睿

（西安法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

缓速器和排气制动联合作用恒速仿真模型研究

张小明，李睿

（西安法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

通过液力缓速器和排气制动外特性曲线，借助simulink建立包括环境因素在内的缓速器和排气制动联合制动的恒速仿真模型，通过PID算法对恒速模型进行控制，仿真实验表明该恒速仿真模型可以有效的保证车辆恒速下坡功能并适应更为复杂的工况。

缓速器；排气制动；PID；恒速

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-42-03

前言

重型车辆在复杂的工况下，比如：长下坡制动，平路频繁制动等，行车主制动较一般工况制动强度大幅增加，如：制动器的加快磨损，制动衬片加速衰退等，达到某种严重程度，可导致主制动的失灵，造成交通事故。液力缓速器可实现恒速下坡功能，能有效减少主制动的压力。较其他辅助制动（发动机制动，电涡流缓速器），具有制动力矩大，制动平稳，噪声小、寿命长，体积小等优点。

国外对于电控液力缓速器的研发和应用已经取得了长足的发展[1]，比如：德国CF,德国福伊特，瑞典斯堪尼亚，美国通用汽车公司的Allison系列液力缓速器等，国外液力缓速器虽技术成熟，但是成本较高，因此国内主机厂商未能进行大规模的匹配，国内液力缓速器的发展以法士特为先驱，近几年来技术不断的成熟并将液力缓速器推向了市场，得到了用户的认可，并且成本远低于国外厂商的液力缓速器。

缓速器作为车辆辅助制动机构，安装在机械变速箱后端，依照控制系统对其控制，本设计根据整车参数：轮胎半径，后桥等和车速获得传动轴转速，以缓速器的外特性曲线为依据，根据标定气压和传动轴转速获得缓速器输出扭矩，以传动轴转速和变速箱参数：档位，传动比等获得发动机转速，依照排气制动外特性曲线获得排气制动功率，在考虑到空气阻力，道路阻力的情况下，缓速器和排气制动联合制动扭矩来实现车辆的恒速下坡功能，以PID算法做为缓速器恒速下坡过程中的控制算法。换言之，本文旨在通过缓速器外特性曲线和排气制动外特性曲线建立缓速器和排气制动联合制动的恒速仿真模型来适应长距离下坡和更大坡度的复杂工况。

1、缓速器和排气制动联合恒速仿真模型

车辆在下坡过程中，缓速器和排气制动联合作用时，车辆运动学方程为：

对于公式（1）建立仿真模型如图（1）所示。

1.1 缓速器模型

缓速器模块[2]如图2所示，传动轴转速可以依据轮胎半径、后桥速比和车速计算而来，在图3 制动扭矩转换子模块中，传动轴转速为实时计算值，恒速控制逻辑模块可以实时得出恒速控制气压，以法士特FHB320B缓速器为依据获得其外特性曲线：气压-传动轴转速-制动扭矩，通过缓速器的外特性曲线可以准确的获得缓速器的制动扭矩。

为了模拟缓速器充油时间的延迟，在图3 制动扭矩转换子模块中加入了模拟缓速器实际充油过程的惯性环节，即：惯性环节模块。

1.2 排气制动模型

排气制动模型如图4所示，在图5的排气制动子模块中，以潍柴WP12发动机，375马力，法士特9JSD200T机械变速箱，法士特FHB320B并联液力缓速器为整车配置，通过建立发动机转速和排气制动功率二维表，以公式T=P ×9550/N计算出排气制动扭矩，其中：T为扭矩（N· M），P为功率（kW），N为发动机转速（rpm）。

当发动机转速低于800rpm时，排气制动输出扭矩将为0，故在模型中加入if-else结构作为判断。

1.3 风阻模型

在实际行车过程中，风阻与空气阻力系数（AirResis Coff）、迎风面积（FacingWindArea）和车速（VehicleSpeed）有关，依据公式：F=S ×C ×V2/21.15来确定，S为迎风面积A（m2），C为空气阻力系数，V为车速（km/h）。如图6所示：

1.4 道路阻力模型

在下坡时，道路阻力[3]体现为重力沿斜坡方向的分力和滚动摩擦力，在平直道路上只体现为滚动摩擦力，在模型中以坡度（Grade）来表征坡度的大小。道路阻力最终的表现形式为公式（2），仿真模型如图（7）。

其中：m为车重（Mass），单位:kg；g为重力加速度；µ为滚动摩擦系数；i为百分坡度（Grade）。

1.5 PID模块

对恒速的控制本设计中采用PID算法，模型中PID模块的输入为实时车速（Vehiclespeed）与目标车速（Drivespeed）的差值，如图11所示，输出为气压值。PID包括三个参数：比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td，参数的调节对PID控制算法非常重要，当参数调节合适时，可以使车速保持的相对平稳减少震荡。通过对现有匹配缓速器实车数据的分析和不断的实验调整，最终确定的PID参数为Kp：5、Ti：2、Td：1，在此参数下，车速可以保持相对的平稳。

2、仿真结果及分析

设定恒速目标车速为50km/h,车重为49t，坡度为5%，后桥4.11，轮胎半径0.5m，空气阻力系数0.65，迎风面积8m2，摩擦阻力系数0.015，变速箱档位为7档，仿真结果如图（9）所示，可以看出此恒速控制模型可以很好的保持恒速功能。

在调节坡度变化的情况下保持整车其它参数不变的情况下，分别对缓速器单独作用和缓速器与排气制动联合作用进行仿真实验，当缓速器单独作用时，可以达到的最大坡度为6.7%，当缓速器和排气制动联合作用时，通过仿真实验得出可以达到的最大坡度为8.2%，仿真实验可以得出:当缓速器和排气制动联合作用时，可以在更大的坡度下实现恒速，即可以在更为复杂的工况下实现车辆的恒速下坡。

在实际工况中，对于同一辆车，坡度永远无法保证恒定值，为了更好的符合实际，将坡度模拟为正弦信号，即坡度在5%-7%之间连续变化时的仿真实验结果如图（10）所示。从图（10）可以看出，恒速功能依然可以良好保持。

3、结论

本文在缓速器的基础上，加入了包括环境因素在内的排气制动作用，建立了缓速器和排气制动联合作用使得车辆保持恒速下坡功能的仿真模型，仿真实验结果表明，此仿真模型可以保持车辆的恒速下坡功能，当缓速器单独作用时，可以达到的最大坡度为6.7%，当缓速器和排气制动联合作用时，可以达到的最大坡度为8.2%，即：缓速器联合排气制动作用后，可以适应更为复杂的工况。

[1] 吴超，徐鸣，李慧渊，郭刘洋. 车辆液力缓速器的特点分析及发展趋势[J].车辆与动力技术，2011,1(5):51-55.

[2] 陆中华，程秀生.液力缓速器恒速控制策略的仿真研究[J]. 设计·计算·研究，2009,11(3):1-3.

[3] 余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2007:7-15.

The Constant Speed Simulation Model Research of Combining action Retarder and Exhaust Brake

Zhang Xiaoming, Li Rui
( XI'an FaShiTe Automotive Transmission Engineering Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

Through the hydraulic retarder and exhaust brake curve, with the help of simulink to establishthe constant speed simulation modelresearchof cmbining action retarder and exhaust brakeincluding environmental factors, through the PID algorithm to control the constant speed model,simulation results show that the constant speed simulation model can effectively ensure the constant speed of vehicle downhill function and adapt to more complex condition.

hydraulic retarder; exhaust brake; PID; constant speed

U467.3

A

1671-7988(2015)06-42-03

张小明，就职于西安法士特汽车传动工程研究院。