对汽车ABS在对开路面上的弯道制动性能分析

赵中华

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210046）

1 汽车ABS系统原理与整车模型建立

1.1 ABS系统组成与功能

ABS系统的全称为车辆制动防抱死系统，是汽车主动安全控制系统的重要组成部分，用于防范车辆在制动时发生轮胎抱死问题，避免汽车转向失控、产生后轴侧滑或甩尾等危险工况，保障制动过程中汽车操纵的稳定性。通常汽车的ABS系统主要由ECU、轮速传感器、液压调节器、制动主缸、轮缸、警报灯等部件组成，当驾驶员在行车途中遇到前方有障碍物或危险情况时将踩下制动踏板，使制动主缸压力增大，利用液压调节器将制动液传送至各轮缸中，由轮速传感器将采集到的轮速信号上传至ECU进行车轮滑移率计算，由ECU基于最佳滑移率数值控制电子阀、调节轮缸压力大小，保障最大限度利用地面附着力、提升车辆制动效能[1]。

1.2 汽车整车模型建立

将汽车整车结构进行简化处理，将轮胎、减震器等看作柔性体，针对铰链间摩擦、动力装置振动等忽略不计，以此将整车结构简化为前后悬架、转向系统、制动系统、轮胎等子结构。利用SIMPACK软件建立整车模型，依据各关键部位的硬点坐标位置参数建立几何模型，针对子结构中各运动构件的约束、力、铰链进行定义，结合拓扑关系构建整车模型。其一是悬架模型，前、后悬架分别为麦弗逊式独立悬架与单纵臂式独立悬架；其二是转向系统，在此选取齿轮齿条式转向器；其三是制动系统，可利用软件提供的制动器子结构，输入为制动力矩；其四是轮胎模型，本文采用Pacejka-similarity轮胎。

2 汽车ABS在对开路面上的弯道制动性能分析

2.1 制动控制策略设计

（1）弯道制动受力情况分析。针对汽车在弯道制动时的受力情况进行分析，假设汽车在行驶时左转，将Fx、Fy分别设为轮胎纵向力与侧向力，Fz为轮胎的垂直载荷，μ为地面附着系数，则在制动过程中轮胎的纵向力与侧向力关系、地面提供的最大侧向力分别表示为：

通常汽车在对开路面上弯道行驶的过程中，倘若地面无法提供足够大的侧向力、使离心力大于轮胎侧向附着力，极易使汽车发生侧滑问题，在此期间受到垂直载荷最大、最小的部位分别为外前侧车轮与内后侧车轮；当ECU计算得出汽车临近最佳滑移率时，受到纵向力与侧向力最大、最小的部位分别为外前侧车轮与内前侧车轮。通过观察制动期间轮胎所受纵向力与侧向力的关系可以发现，当滑移率保持在峰值滑移率0.15时，受到侧向力最大的部位为车辆左侧车轮，为保障车辆在弯道制动时可有效提升车轮侧向力，需将滑移率区间适当向左移动，借此使纵向力减小、侧向力增大[2]。

（2）控制策略流程设计。在车辆驾驶过程中，驾驶员往往会依据道路前方路况判断是否需要转向，依据转角传感器采集到信号变化值可针对驾驶员的操纵意图、车辆行驶状态做出预测，用于控制车辆保持最佳滑移率。当转角较大、信号变化率较高时，说明驾驶员在紧急状态下操纵转向，增大外前侧车轮受力，在此情况下应降低外前侧车轮的滑移率，借此提升轮胎侧向附着力、保持车辆的侧向稳定性；当转角较小、信号变化率较低时，说明车辆处于缓慢转向状态，仅需适当减小外前侧车轮的滑移率，即可为轮胎提供充足的侧向附着力，确保车辆制动方向的稳定性。

在SIMPACK软件中利用汽车专用铰链针对车辆的行驶状态进行记录，以车辆行驶方向、行驶方向左侧分别为正x轴和正y轴，垂直x、y平面向上为正z轴，分别针对其位移、速度、加速度与绕三轴的转角、角速度、角加速度进行记录，用于获取到车辆的纵向位移、侧向位移、横摆角速度、侧倾角、俯仰角等参数，并且实现对前方路径的预瞄，输入路径偏移量，借助传感器与运算驱动齿条移动完成车辆的转向。通过将预瞄道路轨迹与车辆实际行驶轨迹进行对比、加权处理后，即可生成最佳滑移率。

（3）模糊滑模控制器设计。设λl为最佳滑移率，λp、λf分别为转角预测前馈滑移率和路径反馈控制滑移率，则汽车外前侧车轮的最佳滑移率为：

通过针对轮胎进行受力分析，获取到滑模控制函数，以滑移率误差作为滑模函数，借此实现对滑移率的动态跟踪，并且利用指数趋近率减少到达滑模面的抖动、加快逼近速度，其模糊滑模控制器模型表示为：

2.2 仿真分析

（1）仿真参数设计。将整车质量取值为1300kg，前后轮距分别为1.36m和1.35m，前轴距、轴距分别为 0.95m、2.33m，横摆转动惯量为 1591.2kg·m2，车身俯仰转动惯量、侧倾转动惯量分别为1074kg·m2、293kg·m2，前后悬架刚度为 16000N/m、13000N/m，并相继完成轮胎转动惯量、轮胎自由半径、垂向刚度、侧偏刚度等指标的设置。以文中建立的整车模型为基准，分别定义输入、输出变量，利用SIMPACK软件进行机械模型、控制模型的连接，并在SIMPACK中输出车速、轮胎纵向力、车身加速度、车身侧向位移等数值，在MATLAB中输出制动力矩，在汽车左转、弯道半径为50m、车速为18m/s、左右侧车轮路面附着系数分别为0.4和0.9的仿真工况下进行仿真分析。

利用模糊控制器获取到汽车外前侧车轮的最佳滑移率，将其他车轮的最佳滑移率取值为0.15，将路径偏移反馈控制模糊控制器的输入设为路径偏移量的绝对值，经由仿真得出路径偏移量、路径偏移量变化率分别为e=[0 1.25]、ec=[-10 10]，将动态滑移率三角函数作为输出，则模糊控制器输出的车轮最佳滑移率取值为[0.05 0.15]。同时，基于二维模糊控制进行汽车转角预测控制，将输入设为前轮转角e1=[0 0.15]、前轮转角变化率e1c=[-0.5 0.25]，将输出设为滑移率[0.05 0.15]，生成质心侧偏位移、纵向侧偏位移、纵横位移、制动距离、转角、转矩、制动力矩、横摆角速度等仿真结果[3]。

（2）仿真结果分析。通过观察仿真结果可以发现，本文设计的汽车弯道制动控制策略相较于常规ABS制动时间而言大体相同，依据MATLAB软件生成的数据点可知，常规制动时间为3.427s，针对ABS系统进行改进处理后的制动时间转变为3.387s；常规控制模式下汽车的最大侧偏位移为-1.053m，经由改进处理后的汽车最大侧偏位移下降至-0.629，由此说明测汽车在分离路面弯道制动时，其侧向稳定性得到显著提升，帮助车辆逐步回归到预瞄路径上；常规控制模式下车辆的制动距离为31.561m，经由改进处理后的车辆制动距离为31.189m，由此说明该策略可有效提升汽车的整体制动效能；通过观察车辆的转角、转矩对比结果可以发现，改进后的ABS系统可使前轮转角、驾驶员转矩显著减小，有助于减轻驾驶员的转向操纵负担；通过观察车辆的制动力矩对比结果可以发现，右前轮的制动力矩为最大值、左后轮的制动力矩为最小值，其荷载值与制动力矩保持一致变化，由此可证明右前侧车轮对于汽车行驶过程中的侧向稳定性、制动效能具有最直观影响；通过观察其横摆角速度对比结果可以发现，改进后的控制策略利用减小外前侧车轮附着系数、增大轮胎侧向附着力的方式，可在1.5s范围内使车辆的侧向滑移显著减小，保障车辆处于正常轨道上行驶，并在1.5s后减小车辆侧向偏移，有效提升汽车弯道制动的稳定性。

3 结 语

弯道制动性能是汽车安全 性能的重要构成部分，本文基于SIMPACK、MATLAB/SIMULINK软件分别建立了汽车整车模型与控制系统，在进行制动控制策略设计的基础上进行虚拟在环试验。研究结果表明，本文提出的控制方法有助于改善汽车的侧偏位移、横摆角速度等指标，能有效提升车辆制动性能与侧向稳定性。