基于AMESim的不同工况汽车制动效能的研究与优化

熊自远 李栋文 王磊 刘振华 赵毅

摘  要：汽車制动效能是直接影响汽车驾驶安全性的重要因素之一。基于汽车动力学理论，建立了面向汽车制动效能的制动系统各部件的AMESim仿真模型，并结合实车试验验证了模型的合理性和准确性。基于搭建的模型，分析了高速、中速和低速下不同附着系数路面的十五种不同工况下的汽车制动效能，并提出了制动系统参数优化的方案。研究结果表明，该模型适用于研究与优化不同工况下汽车制动效能，为研究与优化复杂工况下汽车制动效能奠定了理论基础，缩短了汽车制动系统的研发工期，同时该模型为智能汽车ACC自适应巡航和AEB自动紧急制动的研究提供了理论支持。

关键词：汽车工程;不同工况;制动效能;AMESim仿真

中图分类号：U461       文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）03-0021-08

Research and Optimization of Vehicle Braking Efficiency Under Different Working Conditions Based on AMESim

XIONG Zi-yuan， LI Dong-wen， WANG Lei， LIU Zhen-hua， ZHAO Yi

（ Electronic Control Development Department， Dongfeng Commercial Center of DFCV， Wuhan 430056， China）

Abstract： Brake efficiency is one of the most important factors that directly affect driving safety. Based on the theory of vehicle dynamics， the AMESim simulation model of various parts of the braking system for vehicle braking efficiency was established， and evaluated the rationality and accuracy of the model by combining with the real vehicle tests. Based on the established model， the braking efficiency of vehicles under 15 different working conditions with different adhesion coefficients of high speed， medium speed and low speed road surface were analyzed. And the scheme of parameter optimization of braking system was put forward. Research results show that the model is suitable for the study and optimization of brake efficiency under different working conditions. It lay a theoretical foundation for the research and optimize of automobile braking performance under the complex working conditions， shorten the development period of automobile brake system. At the same time， the model provides the theoretical support for the smart car ACC adaptive cruise and AEB automatic emergency braking research.

Key Words：Automobile Engineering; Different Operating Conditions; Braking Efficiency; Amesim Simulation

随着经济增长和科技发展，作为人们出行主要工具之一的汽车，其安全性、舒适性等深层方面越来越受人们重视，而汽车制动性能则是直接影响汽车驾驶安全性的重要因素之一。国内外科研机构对汽车制动性进行了深入研究。研究表明，汽车制动效能是汽车制动性能重要影响因素之一。汽车制动效能是指汽车迅速降低车速直至停车的能力，每增加0.1m的制动距离，交通事故的发生率就会大幅提高[1]。因此，良好的制动效能能降低事故发生概率，从而提高汽车行驶安全性[2]。

制动效能的检测分析主要为实车检测和仿真两方面。实车检测采用的是台架检测法或路试检测[3]，多数以台架检测为主[4-5]。仿真方面，国内王谢等人[6]通过matlab搭建了汽车模型并对汽车制动性能进行分析。郭星东等人[7]使用matlab对使用PID算法的ABS制动系统进行了制动效能的分析。夏长高等人[8]则基于matlab分析了轮胎前滑移率对制动效能的影响。李健等人[9]基于试验与数据拟合分析了轮胎磨损对制动效能的影响。国外Juraj Gerlici等人[10]指出了制动过程中噪声与温度对制动效能的影响，并提出了相应的优化方法。Predrag D. MILENKOVIĆ等人[11]分析了刹车片导热系数对制动效能的影响，并提出了一种散热方法，Sangmyeong Kim等人[12]使用matlab对某种车辆的进行建模分析制动效能，同时进行制动系统的开发。

国内外学者主要是对汽车制动系統本身与汽车制动效能关系进行了大量仿真研究，但人、车和环境三者是共同组成车辆行驶的三大重要因素。复杂路面和复杂工况在真实汽车行驶中也是常见的，同时，随着无人驾驶技术的发展，路面环境的变化对汽车安全具有重要影响。本文基于汽车动力学分析，搭建了汽车制动系统的AMESim模型，对高速、中速和低速下，不同附着系数路面的十五种工况进行了研究，并分析了制动系统参数对制动效能的影响，从而优化了汽车的制动效能。高速工况下的五种路面的制动效能研究，主要基于高速公路下的安全距离。中速工况下五种路面的制动效能研究，主要基于GB7258—2012中路试检测标准。低速工况下五种路面的制动效能研究是基于E-NCAP和C-NCAP下行人工况。

1    动力学建模

汽车制动系统动力学模型由踏板、真空助力器、液压主缸、管路、制动器以及车辆本身共六大部分组成，由于篇幅限制，本文只介绍真空助力器双腔动力学模型、制动轮缸车辆动力学模型和整车动力学模型。

1.1   真空助力器双腔动力学模型

真空助力器真空腔和大气腔双腔动力学模型可等效于双活塞气压缸。其中，前气压缸等效于真空腔，后气压缸等效于大气腔，中间膜片等效于气缸活塞，助力器输入推杆等效于大气腔推杆，助力器输出推杆等效于真空腔推杆，如图1所示：

对双腔进行动力学分析得：

（1）

式中：F0—中间膜片输出力，P1—真空助力器真空腔工作压力（MPa），P2—真空助力器大气腔工作压力（MPa），A1—膜片有效面积（mm2），A2—大气腔推杆柄部面积（mm2），A3—真空腔推杆柄部面积（mm2）。

1.2   制动轮缸动力学模型

制动轮缸是将制动系统中液压能转化成机械能的装置，本文采用浮动钳盘式制动器，如图2所示即为制动轮缸动力学模型图。

在不考虑由于活塞密封导致活塞收缩的回滚效应情况下，对轮缸进行动力学分析：

对制动液进行分析得到液体压缩公式：

式中：C—活塞阻尼系数（N/（mm/s）;ML—制动块质量（kg）;XL—制动块位移（mm）;PL—制动轮缸腔内制动压强（MPa）;AL—制动轮缸活塞截面积（mm2）;KL—制动轮缸活塞橡胶密封圈等效弹簧刚度（N/mm）;FL—制动块与制动盘接触力（N）;E—制动液体积弹性模量（MPa）;Qr—制动轮缸流入流量（mm3/s）;VL—制动轮缸初始容积（mm3）[13-14]。

1.3   整车动力学模型

如图3所示，构建的整车动力学模型受力包括空气阻力Fw、地面制动力Ff1、Ff2、地面法向反力FN1、FN2、滚动阻力f和坡度阻力F0。其中，本文只分析汽车在水平直线路面上制动，故地面坡度为0，即坡度阻力为0。

汽车制动时动力学方程如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

式中：Fa—汽车所受合外力（N）;Ff1、Ff2—汽车前后轮所受制动力（N）;Fw—汽车所受空气阻力（N）;f—汽车所受滚动阻力（N）;φ—路面附着系数;G—汽车重力（N）;L1—汽车轴距（m）;L3、L2—汽车重心与汽车前后轴之间的距离（m）;ε—制动强度;H1—汽车重心高度;CD—空气阻力系数;A—汽车迎风面积（m2）;ρ—空气密度（kg/m3）;Vr—汽车与空气相对速度（m/s）;m—汽车质量（kg）;g—重力加速度（m/s2）;μ—汽车滚动阻力系数;a—汽车加速度（m/s2）。

2    制动模型仿真

2.1   AMESim整车制动仿真模型

基于汽车动力学分析，搭建面向汽车制动效能的制动系统及整车AMESim模型，如图4所示：

采用某品牌SUV进行实车试验，验证模型与仿真结果正确性。车辆参数由于篇幅限制，只列出制动器与整车参数，如表1所示：

2.2   仿真模型试验认证

由试验车与仿真车加速度、速度对比（图5）可知，试验结果只在汽车制动刚开始有明显波动，仿真结果与试验结果具有较好的一致性。波动的主要原因是受车身限制，驾驶员开始制动时，汽车会前后抖动，导致试验车加速度产生轻微波动。试验结果曲线与仿真结果不完全重合，但误差大小是在试验允许的误差范围内。故在试验允许的误差范围内，仿真结果与试验数据一致性较好。证明了仿真模型的合理性和准确性。

3    不同工况的仿真

车辆在行驶时，人、车、环境三个因素会造成驾驶工况的多重性和复杂性。本文研究对象主要是三种车速与五种路面组成的十五种典型工况。三种车速，分别是高速80km/h、中速50km/h和低速20km/h;五种路面，分别是沥青路面：附着系数1.0;湿沥青路面：附着系数0.8;砂石路面：附着系数0.68;湿砂石路面：附着系数0.5和雪地路面：附着系数0.2[15]。汽车制动间隙消除时间取0.4s，汽车制动力上升时间取1s，最大踏板制动力取500N[16]。

3.1   高速下不同路面工况

汽车高速（80km/h）行驶通常是在高速公路或较为宽广的道路上。在该类路面上，驾驶员视线狭窄，无法对周围车辆行驶情况及时准确处理，极易发生事故[17]，故对汽车制动效能要求较高。汽车制动在高速（80km/h）下的五种路面仿真结果如图6所示，图中曲线分别是汽车速度、制动距离和制动加速度。如图可知，在沥青路面、湿沥青路面、砂石路面、湿砂石路面和雪地路面，汽车制动距离分别为46m、50m、53m、60m和120m，汽车制动时间分别为3.5s、3.9s、4.2s、4.9s和10.5s。根据研究，驾驶员平均反应时间为1.5s [18]。因此，汽车，在高速工况下，汽车从驾驶员产生制动意图到最终停止总制动距离分别为79m、83m、86m、93m和153m。其中，沥青路面、湿沥青路面、砂石和湿砂石路面上汽车制动距离小于高速公路一般的安全距离100m，这说明该车在高速工况的一般情况下，能起到较好的制动效果。但在雪地路面，总制动距离达到153m，这说明着该车高速行驶在雪地路面上时，至少需要和前车或其它障碍物保持直线距离在153m以上时，才有可能规避碰撞。

3.2   中速下不同路面工况

汽车中速行驶（50km/h）是大多数城市内汽车行驶速度，也是最为普遍的汽车速度之一，分析此时汽车制动效能可以适用大部分行驶工况。同时，在汽车制动效能的分析中，对于乘用汽车，国家标准初始速度即为50km/h，详细数据见表1[19]。其中充分平均减速度计算公式为[20]：

式中：MFDD：充分发出的平均减速度（m/s2），Vb：0.8V0，试验车速（km/h），Ve：0.1V0，试验车速（km/h），V0：试验车制动初始速度（km/h），Sb：试验车车速从V0到Vb，车辆行驶距离（m），Se：试验车车速从V0到Ve，车辆行驶距离（m）。

汽车制动汽车中速（50km/h）下五种路面仿真结果如图7所示，图中曲线分别是汽车速度、制动距离和制动加速度。由图可知，汽车在沥青、湿沥青、砂石、湿砂石和雪地路面上制动距离分别为21m、22m、24m、27m和50m，计算出充分发出地平均减速度分别为7.7m/s2、7.6m/s2、6.2m/s2、6.0 m/s2和2.1m/s2。数据表明，该试验车中速行驶在沥青、湿沥青、砂石和湿砂石路面上时主动制动，充分发出地平均减速度良好，制动距离短，符合GB7258—2012中路试检测标准。试验车中速行驶在沥青、湿沥青、砂石和湿砂石路面上时可以较快、较好地进行制动，从而规避碰撞。试验车在雪地路面上充分发出地平均减速度小，制动距离大，这会导致该工况下汽车容易发生碰撞。

3.3   低速下不同路面工况

汽车低速行驶（20km/h）主要发生在路面交通拥堵的时候或崎岖山路上，此时车辆之间间距较小或存在多弯多障碍物，因此对车辆制动效能有很大的要求，需要汽车能在较短距离内停下。如图8所示为汽车中速（50km/h）下不同路面的仿真结果，图中曲线分别为汽车速度、制动距离和制动加速度。由图可得，汽车在沥青、湿沥青、砂石、湿砂石和雪地路面上制动距离分别为5.4m、5.6m、5.7m、6.1m和9.6m，制动时间分别为1.4s、1.5s、1.6s、1.7s、和3.0s。由数据可得，汽车低速行驶在五种路面下的制动距离均不超过10m，雪地路面制动距离依旧远远大于其他两种路面下制动距离。这说明驾驶员在雪地行驶需要比平时预留中更多的安全距离以免发生碰撞。将20km/h下的五种工况数据应用在AEB的测试中可以得到：在E-NCAP中AEB Pedestrian工况[21]，汽车制动在沥青、湿沥青、砂石和湿砂石路面上皆可避免碰撞行人;在雪地路面上，CVFA-50下汽车可以规避碰撞，其余工况则需要汽车制动距离离行人水平行驶距离9.6m以上;而在C-NCAP的行人测试时，汽车在此五种路面皆可以很好规避行人碰撞[22]。

3.4   制动系统效能优化与智能驾驶制动应用

由上文仿真数据得，该车沥青、湿沥青、砂石和湿砂石路面上行驶时制动效能较好，雪地行驶时制动效能较差。因此，制动效能优化主要针对雪地路面下的三种不同工况。由仿真数据得，该试验车在雪地路面制动时，制动距离较大主要的原因是雪地路面附着系数较小。针对此缺点，将汽车轮胎改换成为有效半径更小，与路面摩擦系数更大的轮胎，同时，增大制动器钳体变形等效刚度。三次参数优化后，汽车在雪地路面上制动距离分别为高速87m，中速37m和低速7.5m，如图9所示。

优化结果表明，该试验车经过优化后，高速工况下，该试验车总制动距离120m，相对未优化缩短33m;中速工况下，汽车制动距离相对未优化缩短13m，汽车充分发出地平均减速度为3.2m/s;低速工况下，汽车制动距离相对未优化缩短2.1m。由数据得出，通过三次参数优化，该试验车制动效能提升至约原128%，并且中速雪地工况下亦符合GB7258—2012中路试检测标准中制动距離和充分发出地平均减速度要求。

该制动系统仿真数据，同样可适用于智能驾驶中，以优化后的车辆低速雪地为例：车辆在雪地上进行低速行驶，此时，车载路面传感器检测为雪地，车速传感器检测行驶状态为低速，当车载雷达监测到车辆前方7.5m外有障碍物时，若监测到驾驶员没有手动换道或减速意图，车辆会开始进行一定地自动调节（制动以降低速度或变道），并提醒驾驶员。通过这样自动调节，可避免部分因驾驶员疏忽而造成的车祸。

4    结语

本文基于AMESim上搭建的汽车整车模型，分别对高速、中速和低速下五种不同路面的汽车制动效能进行了研究。针对制动效能较差的雪地工况进行调参优化，使制动效能提升为原128%。研究结果表明，该模型可以用来针对性地研究汽车不同工况下制动效能并且进行优化改动，这为研究汽车智能驾驶下能否完成安全制动与汽车在更为复杂工况下的制动效能奠定了研究基础。

同时，本文将实验与仿真相结合，在保证了仿真结果准确性下，降低了研究成本，缩短了研究周期，为分析不同车辆的不同制动工况提供了研究依据。建立的仿真模型还可以用来分析传统制动系统下车辆不同工况下制动踏板感觉。

并且，通过将该模型进行编译，模型可适用于乘用车制动系统HIL台架测试，减少实车测试风险，扩大测试工况范围，缩短测试时间，降低测试成本。

展望：下一步可以模型基础上加入汽车驱动系统与复杂的道路模型，从而对长时间且长距离下复杂路面汽车驾驶过程进行仿真。同时可以将真空助力器换成电子助力器，并加入制动意图分析，从而实现汽车无人驾驶下的制动工况分析。

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