基于AMESim的半挂汽车列车再生制动研究∗

姚念猛，路玉峰，朱 腾，高欢欢

(齐鲁工业大学机械与汽车工程学院，济南 250000)

基于AMESim的半挂汽车列车再生制动研究∗

姚念猛，路玉峰，朱 腾，高欢欢

(齐鲁工业大学机械与汽车工程学院，济南 250000)

为研究半挂汽车列车的再生制动方法，分析了制动过程中的载荷转移和牵引座纵向力，运用AMESim软件搭建了半挂汽车列车再生制动仿真模型。在理想制动力分配的基础上，制订了适合半挂汽车列车的再生制动控制策略，在不同工况下对半挂汽车列车再生制动进行仿真。结果表明，再生制动能量回收率可达27.7%，实际制动力分配曲线与理想制动力分配曲线吻合，说明所建立的模型能准确模拟半挂汽车列车的再生制动过程，本研究为重型车研发与优化提供了参考。

半挂汽车列车；再生制动；控制策略；AMESim仿真

前言

半挂汽车列车由于货运效率高，运输成本低，已经成为我国运输业的主要运载工具。据统计，2012年全国货物周转量的80.46%由汽车列车完成[1]。因此，国家对半挂汽车列车的动力性和经济性要求越来越高。

半挂汽车列车的再生制动系统对动力性、燃油经济性和制动稳定性有较大影响。再生制动过程中，半挂汽车列车容易发生侧滑、折叠和甩尾等不稳定制动状态[2]，因此必须对机械摩擦制动力与再生制动力的分配进行控制。

目前，对于双轴车辆的制动力匹配问题已经有成熟的研究。文献[3]中提出了基于理想制动力分配曲线的CVT混合动力汽车再生制动控制策略。文献[4]中提出了定压源飞轮液压再生制动系统。文献[5]中对液压混合动力公交车进行研究，提出了基于动态规划算法的再生制动控制策略。

与双轴车辆不同，半挂汽车列车包括牵引车和挂车两个运动单元，在制动过程中，不仅有载荷转移的影响，还有牵引座纵向力的影响，制动力分配关系更为复杂。本文中对此加以研究，在AMESim中建立了半挂汽车列车再生制动仿真模型，对其进行多种制动工况的分析研究。

1 半挂汽车列车结构与数学模型

1.1 半挂汽车列车再生制动结构

半挂汽车列车再生制动结构如图1所示。

图1 半挂汽车列车再生制动结构图

半挂汽车列车再生制动系统由传动装置、液压泵、溢流阀、蓄能器和油箱组成。再生制动过程为：开始制动时，控制器接收制动踏板信号和蓄能器压力信号，分配三轴的制动器制动力和再生制动力，控制离合器1分离，离合器2接合，通过传动装置，挂车车轮驱动液压泵旋转，液压泵产生的转矩反作用于挂车车轮，使其转速降低，同时，液压泵将低压油转变为高压油，储存在蓄能器中。

1.2 车轴动载荷力学模型

本文中对半挂汽车列车作以下假设：忽略侧倾、俯仰和侧向载荷转移的影响，只考虑纵向载荷转移。不考虑牵引车与挂车之间的冲击作用。制动过程中的整车受力图如图2所示。车辆减速度的变化会引起载荷转移，这是动态制动过程中的一个重要问题，制动系统应保证各车轴的制动力与该轴承受的动态负荷成比例。

因此，依据理想制动力分配原则，假设制动时，三轴同时抱死并沿直线拖滑，分别以牵引车前轴、牵引车后轴和牵引座为力矩中心，列出力矩平衡方程，整理得到半挂汽车列车的三轴动载荷力学模型[6]：

图2 制动时半挂汽车列车受力图

式中：m1为牵引车质量，kg；m2为挂车质量，kg；L1为牵引车轴距，mm；L2为牵引座至挂车后承载中心水平距离，mm；a为牵引车前轴与其质心水平距离，mm；b为牵引车后轴与其质心水平距离，mm；c为牵引座至挂车质心水平距离，mm；d为挂车后承载中心至挂车质心水平距离，mm；e为牵引座至牵引车后轴水平距离，mm；h1为牵引车质心高度，mm；h2为牵引座至地面高度，mm；h3为挂车质心高度，mm；g为重力加速度，取9.8m/s2；φ为附着系数；Fz1，Fz2，Fz3分别为地面对第1，2，3轴的法向反力，N；F1，F2，F3分别为第1，2，3轴的地面制动力，N；A，B分别为牵引车前轴与后轴、牵引车前轴与挂车车轴的理想制动器制动力分配比；β1，β2，β3分别为第1，2，3轴的理想制动力分配系数。

1.3 牵引座力学模型

半挂汽车列车以变化不大的减速度行驶时，牵引车与挂车之间的作用力可以简化成水平作用力和垂直作用力。以牵引车为分离体，牵引座的力学模型[7]为

式中：p为牵引座水平作用力，N；q为牵引座垂直作用力，N；Fq为牵引车驱动力，N；Ff为牵引车滚动阻力，N；Fi为牵引车坡道阻力，N；j为加速度，m/s2。

1.4 车轮纵向力模型

采用动态法计算车轮纵向滑移率，建立车轮纵向力的双曲正切力学模型：

式中：k为纵向滑移率，%；r为车轮滚动半径，mm；v为车速，m/s；ω为车轮角速度，rad/s；s为车轮纵向松弛长度，m；Fp为车轮纵向力，N；Fmax为车轮最大纵向力，N；σφ为车轮摩擦因数的调节因子；σBCD为车轮滑移刚度的调节因子；dsx为车轮纵向滑动阈值，%。

本文中不考虑σφ和σBCD对纵向力的影响，即σφ和σBCD均设为1，则式(12)简化为

2 能量回收分析

液压蓄能方式具有功率密度大、工作性能稳定和成本低等优点[8]。本文中选用皮囊式液压蓄能器，为分析简便，假设蓄能过程中无能量损耗，蓄能器的工作视为绝热状态，不考虑液压油的压缩性。

根据波尔气体定律[9]，有

式中：n为气体多变指数，等温过程为1，绝热过程为1.4[10]；T为常数；pi为蓄能器任意时刻气体压力，Pa；p0为蓄能器充气压力，Pa；p1为蓄能器最低工作压力，Pa；p2为蓄能器最高工作压力，Pa；Vi为蓄能器任意时刻气体体积，m3；V0为蓄能器初始气体体积，m3；V1为蓄能器最低工作压力下的气体体积，m3；V2为蓄能器最高工作压力下的气体体积，m3。

由式(14)可得

由热力学第一定律[11]可知，蓄能器存储的能量为

联立式(15)～式(17)可得

式(18)表示，在气体体积V0、充气压力p0和最高工作压力p2的状态下，蓄能器所能存储的能量。

同理可得，在气体体积为V0、充气压力为p0和最低工作压力为p1的状态下，蓄能器所具有的能量为

由式(18)和式(19)可得车辆制动过程中任意时刻的能量回收率：

式中：v0为车辆的制动初速度，m/s。

由式(20)可知，能量回收率的主要影响因素为蓄能器的容积、初始充气压力和最低工作压力。

3 再生制动控制策略

半挂汽车列车再生制动系统的制动力包括液压马达再生制动力和车轮制动器制动力。根据不同的制动工况，合理分配再生制动力和制动器制动力是再生制动控制策略的重点。

本文中在理想制动力分配的基础上，分析牵引座纵向力和整车需求制动力，确定挂车车轴再生制动力的上限，让再生制动力尽可能处于最大回收状态，减少机械摩擦制动力与牵引座纵向力，控制策略如下。

(1)轻度制动工况(制动强度z≤0.2)

优先使用液压马达制动，再生制动力等于需求制动力与最大再生制动力中的较小值。三轴制动器制动力补偿需求制动力与再生制动力的差值。

(2)中度制动工况(制动强度0.2＜z≤0.7)

按照三轴理想制动力分配曲线分配制动力，再生制动力等于挂车车轴需求制动力与最大再生制动力中的较小值。

(3)重度制动工况(制动强度z＞0.7)

按照三轴理想制动力分配曲线分配制动力，牵引座纵向力的方向与减速度的方向相反时，再生制动力等于牵引座纵向力与最大再生制动力中的较小值；牵引座纵向力的方向与减速度的方向相同时，不进行再生制动。

(4)再生制动过程中，当蓄能器的压力达到最大时，断开再生制动线路，再生制动力消失，牵引座纵向力会发生较大波动。此时，增加挂车车轴机械摩擦制动力，补偿消失的再生制动力。

4 半挂汽车列车的仿真模型

半挂汽车列车的车身参数如表1所示，制动能量回收系统的主要参数如表2所示。

表1 半挂汽车列车的主要参数

表2 能量回收系统参数

运用AMESim软件，搭建仿真模型[12]，如图3所示。该仿真模型由驱动与制动控制模型、车身模型、动载荷计算模型、制动力分配系数计算模型、制动力分配与再生制动控制模型、车轮与车轮纵向力模型和再生制动系统组成。

5 仿真分析

本文中设计了半挂汽车列车的轻度制动、中度制动和重度制动的仿真工况，验证半挂汽车列车模型的正确性。同时，对设计的再生制动控制策略(C1)和普通机械摩擦制动控制策略(C2)进行仿真分析。仿真工况的时间-速度曲线如图4所示。

图4 仿真工况的时间-速度曲线

通过模型仿真，对制动过程中的制动力分配系数、车速、牵引座纵向力和回收的能量进行分析，结果如图5～图10所示。

由图5～图7可见，3种制动工况下，再生制动控制策略的制动力分配系数曲线都与理想制动力分配系数曲线贴近，验证了再生制动控制策略符合制动性能要求。

由图8可见，与普通机械摩擦制动控制策略相比，采用再生制动控制策略时，3种制动工况的牵引座纵向力分别减少了41%，34%和27%，提高了纵向制动稳定性。

图5 轻度工况制动力分配系数

图6 中度工况制动力分配系数

图7 重度工况制动力分配系数

图9 仿真车速曲线

图10 回收能量曲线

(3)由图9可见，3种制动工况下，与普通机械摩擦制动控制策略相比，采用再生制动控制策略时，制动时间分别减少了25%，16%和15%，提高了整车制动性能。

(4)由图10可见，再生制动控制策略下，3种制动工况所回收的能量分别为55 893，464 674和670 427J，对应的再生制动能量回收率分别为27.7%，14.5%和9.2%。

6 结论

通过搭建的半挂汽车列车再生制动模型，分别对基于理想制动力分配的再生制动控制策略和普通机械摩擦制动控制策略进行仿真。结果表明，实际制动力分配系数曲线与理想制动力分配系数曲线贴近，满足半挂汽车列车的纵向制动稳定性和安全性要求。制动能量回收率最高可达到27.7%，验证了半挂汽车列车再生制动模型的正确性。

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A Study on Regenerative Braking of Tractor-semitrailer Combination Based on AMESim

Yao Nianmeng，Lu Yufeng，Zhu Teng＆Gao Huanhuan
School ofMechanical＆Automotive Engineering，Qilu University of Technology，Jinan 250000

For studying the regenerative brakingmethod of tractor-semitrailer combination，the load transfer between vehicle axles and the longitudinal force on fifth wheel are analyzed，and a simulationmodel for the regenerative braking of tractor-semitrailer combination is constructed using software AMESim.On the basis of ideal braking force distribution，the regenerative braking control strategy for tractor-semitrailer combination is formulated and a simulation on the regenerative braking process of tractor-semitrailer combination under different operating conditions is carried out.The results indicate that the energy recovery rate with regenerative braking can reach 27.7%and the actual braking force distribution curve is very close to that of ideal one，meaning that themodel built can accurately simulate the regenerative braking process of tractor-semitrailer combination.The study provides references for the research，development and optimization of heavy-duty vehicles.

tractor-sem itrailer combination；regenerative braking；control strategy；AMESim simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.007

∗山东省科技发展计划项目(2015GGX105005)资助。

原稿收到日期为2016年7月18日，修改稿收到日期为2016年10月24日。

路玉峰，副教授，E-mail：luyf78＠126.com。