基于ESP液壓控制系統的仿真模型研究分析

1. 引言

ESP（Electronic Stability Program）是在汽車制動防抱死系統和牽引力控制系統的基礎上加入了主動橫擺控制系統構成的，對保證汽車行駛過程中的穩定性與安全性具有重要的意義。ESP的液壓控制系統由多個液壓元件組成，在電子控制單元的驅動下協同工作，根據汽車的不同行駛工況對不同的車輪施加相應的液壓制動力。目前，國內生產的車輛所配置的ESP還來源于進口，其國產化試制工作正在展開，為縮短液壓控制系統的研發周期，避免過多的試制品試驗，需要建立完整的系統模型，為設計人員提供相應的理論依據。

2. 模型組成與工作原理

ESP液壓控制系統的組成如圖1所示，在液壓控制單元4中共有十二個電磁閥來接收電子控制單元的控制信號。在ESP工作過程中，汽車根據各傳感器（輪速傳感器、壓力傳感器、橫擺角速度傳感器、轉向角傳感器和測向加速度傳感器）所采集到的信號分析整車的運動狀態，并通過內部算法對相應車輪進行控制。

整個液壓控制系統的工作原理概述如下：在系統進入ESP工作模式后，限壓閥8立刻從常通狀態轉變為限壓狀態，吸入閥7打開，制動液在預壓泵3的作用下通過吸入閥7、回油泵10進入阻尼器9，在此減弱了油壓脈動后通過增壓閥13進入輪缸15，推動輪缸15中的活塞，壓緊摩擦片進行制動；當制動達到一定強度時，增壓閥13和吸入閥7關閉，減壓閥14打開，輪缸15中的高壓制動液通過減壓閥14進入蓄能器12，此時的蓄能器12成為了下一次增壓的油源；在新的增壓過程中，制動液在回油泵10的作用下，從蓄能器12出發通過阻尼器9，增壓閥13再次進入輪缸。如此的增減壓循環直至系統退出ESP模式。

出于汽車安全性的需要，ESP液壓控制系統為一個高速響應系統，各電磁閥的動態響應均在3ms以內完成，所以了解系統的動態特性尤為重要。AMESim是法國IMAGINE SA公司所開發的軟件平臺，包含了很多適合于仿真動態特性的液壓模塊，而且在AMESim/Demo中提供了典型的輪缸模型，其它液壓單元均由單一模塊即可實現其功能。搭建模型時需按照如下?

步驟進行：

①將各對應模塊按照原理圖連接好；

②每個模塊可以有多種類型，有的較為理想化，有的則考慮很多影響因素，按需要選擇合適的模型；

③定義全局性液壓參數，如制動液的體積模量、密度、動力黏度和工作溫度等；

④定義各個液壓元件的關鍵尺寸與內部參數；

⑤運算模型并進行結果分析。

步驟④與⑤循環進行，直至得到滿意的仿真結果，此時的各液壓元件的尺寸與參數便可作為設計和匹配液壓控制系統的參考。

3. 主要模塊數學模型的建立

1）節流器模型

節流器模型是ESP液壓控制系統中很常用的模型，在增壓閥13、減壓閥14和阻尼器9中都會用到。此模型的輸入量為制動液壓力，輸出為流量。其數學模型為：

此模型中考慮了流量系數的非恒定性，當△P較小時，流量Q基本與△P成正比，隨著△P的增大，流量系數很快接近于Cqmax，流量Q與成正比。由于在ESP液壓控制單元中所用到的節流器均為薄壁圓孔（孔徑約為0.6mm），所以臨界雷諾數λc較低，約為100；制動液的平均密度ρ約為850kg/m3，平均動力黏度η約為42.5mm2/s，Cqmax取0.7。這樣，改變節流器的孔徑即可得到不同的流量特性。

2）電磁閥模型

ESP液壓控制系統中的各種電磁閥的作用不同，特征尺寸也不盡相同。吸入閥7為保證制動液迅速進入ESP工作循環，有較大的閥座孔徑（約為2.5mm）；而增壓閥13和減壓閥14的閥座孔徑較?。s為0.7mm），與節流器一起起到雙重節流的作用，以便提高制動壓力的控制精度。流量特性依然按照（1）式進行計算。

對于閥芯的位移和速度等運動參量，采用二階延遲環節進行計算。

3）蓄能器模型

ESP液壓控制系統中的蓄能器為彈簧活塞式，輸入為制動液流量，輸出為壓力，需定義參量為活塞直徑與行程，彈簧剛度等。由于活塞為輕質材料制成，忽略其重力。數學模型為：

對于一般制動液，其體積模量 約為17000bar，通過調整蓄能器的活塞直徑和彈簧剛度即可得到不同特性的蓄能器模型。

4）油泵模型

油泵模型主要用于預壓泵3和回油泵10，輸入量為制動液壓力，輸出為流量。定義油泵電機轉速和油泵排量，忽略機械損失與制動液泄露。數學模型為：

ESP液壓控制系統中的油泵均為柱塞泵，排量Vb約為0.1ml/r，油泵電機轉速Sm約為3000r/min，油泵壓力因子a用來計算油泵平均壓力，為0至1之間某一數值。?

4. 計算結果分析

調整ESP液壓控制模型中各模塊的特征參數，可得到不同的制動壓力響應曲線，從而了解各參數對于液壓系統的影響。例如，修改三組增壓閥和減壓閥節流孔徑，進行循環增減壓計算，所得結果如圖2所示，可以得到不同孔徑對于壓力變化速率及蓄能器活塞位移的影響，設計者根據控制需要選擇合適的節流孔徑。而且，還需要合理設計蓄能器容量，避免其被制動液充滿影響減壓。

將回油泵排量提高50%，得到的結果如圖3所示。設計者根據整車對制動速率及強度的要求選擇合適的回油泵排量。

將ESP液壓控制系統模型與15自由度整車模型及ESP控制器模型相連接，進行聯合仿真。圖4為汽車向左急轉彎時，左后輪的制動壓力響應曲線。由計算結果可以看出，由于孔徑為0.4mm時增壓速率較緩和，達到相同的控制效果會少用一個工作循環。通過聯合仿真，可以對ESP液壓控制系統的各個參數進行優化，最終選取出適合目標車型的整套參數值。

5. 結論

本文通過對ESP液壓控制系統的研究，基于AMESim軟件建立了系統的仿真模型，并建立了系統中主要模塊的數學模型，為模型分析提供了理論依據。通過計算結果分析，設計者可以明確各種液壓參量對于制動壓力動態響應的影響，方便合理的設計系統中的關鍵參數。

責任編輯：gt