一、概述

汽車制動(dòng)系統(tǒng)及底盤其他操縱機(jī)構(gòu)是決定車輛安全性的最重要子系統(tǒng)，而對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)和其他底盤操縱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮在車輛實(shí)際的工作條件下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，尤其對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配是與車輛的本身動(dòng)力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)的。由于車輛行駛工況的多樣性以及整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性，需要在設(shè)計(jì)階段借助仿真工具來對(duì)整車的性能進(jìn)行模擬，輔助制動(dòng)系統(tǒng)及其他底盤操縱機(jī)構(gòu)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

圖1 整車系統(tǒng)

如圖1所示，制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛形式性能的分析評(píng)估涉及整車多種子系統(tǒng)的耦合和集成。這就要求我們的軟件工具能夠在支撐車輛制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)的同時(shí)能夠?yàn)檎囅到y(tǒng)開發(fā)和集成提供完整的解決方案。

西門子Simcenter Amesim(圖2)是當(dāng)前CAE領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一維多領(lǐng)域仿真平臺(tái)，它基于動(dòng)態(tài)建模方法建立物理元件的數(shù)學(xué)模型，提供面向眾多學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用庫，包括控制、液壓、氣動(dòng)、熱、多相流、空調(diào)與冷卻系統(tǒng)、電子電力、電磁、機(jī)械與動(dòng)力傳動(dòng)、車輛動(dòng)力學(xué)、內(nèi)燃機(jī)，等等。這些專業(yè)庫和庫元件都經(jīng)過了大量工程檢驗(yàn)。能夠全面的支撐整車車輛模型的開發(fā)需求和多屬性分析。本文主要針對(duì)Simcenter Amesim在車輛制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)上的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

圖2 Simcenter Amesim多領(lǐng)域機(jī)電系統(tǒng)綜合建模與仿真平臺(tái)

二、多級(jí)復(fù)雜度模型在制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 前期設(shè)計(jì)階段

在前期設(shè)計(jì)階段可以在Simcenter Amesim中開發(fā)功能模型或者使用企業(yè)模型庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件，快速進(jìn)行方案評(píng)估和零部件的初步選型匹配（如圖3、4、5）。

圖3 前期不同制動(dòng)管路方案評(píng)估模型

圖4 前期不同制動(dòng)管路方案評(píng)估模型

圖5 輪邊制動(dòng)壓力

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

傳統(tǒng)車輛的制動(dòng)系統(tǒng)主要由踏板-助力器-主缸-制動(dòng)管路-輪邊卡鉗等部件組成。隨著車輛技術(shù)的革新和進(jìn)步，ABS/ESP等電子輔助系統(tǒng)也已經(jīng)應(yīng)用到車輛制動(dòng)系統(tǒng)中。特別隨著新能源車輛市場(chǎng)的發(fā)展，車輛制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)生了新的變革，不同制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛制動(dòng)性能的影響及優(yōu)化，都對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了新的任務(wù)要求。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，可以在Simcenter Amesim中開發(fā)詳細(xì)零部件級(jí)模型，從底層支持制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。

制動(dòng)主缸詳細(xì)模型開發(fā)：

如圖6所示，在Simcenter Amesim中根據(jù)主缸的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行詳細(xì)模型的開發(fā)?？稍u(píng)估回位彈簧及閥口設(shè)計(jì)參數(shù)等對(duì)主缸的空行程、壓力動(dòng)態(tài)建立過程等進(jìn)行詳細(xì)分析。并可進(jìn)一步分析主缸的血液量對(duì)輪邊制動(dòng)壓力建立過程的影響。

圖6 制動(dòng)主缸詳細(xì)模型開發(fā)

助力器詳細(xì)模型開發(fā)：

圖7 真空助力器

傳統(tǒng)燃油車的制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)借助真空助力器實(shí)現(xiàn)踏板力輸入的輔助功能。Simcenter Amesim詳細(xì)真空助力器的開發(fā)（如圖7），可以幫助開發(fā)人員分析該部件對(duì)制動(dòng)壓力建立的動(dòng)態(tài)影響；并同時(shí)通過參數(shù)敏感性分析，詳細(xì)理解助力器各設(shè)計(jì)部件對(duì)其輸出外特性的影響（始動(dòng)力、助力比、最大助力點(diǎn)等）。

圖8 電動(dòng)助力器

而隨著新能源車的發(fā)展，電動(dòng)助力系統(tǒng)（如圖8）也被廣泛應(yīng)用在車輛制動(dòng)系統(tǒng)中。Simcenter Amesim的詳細(xì)模型開發(fā)可以快速幫助設(shè)計(jì)開發(fā)人員進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的開發(fā)：主力比的匹配、壓力建立動(dòng)態(tài)特性分析、踏板感分析等。

制動(dòng)卡鉗詳細(xì)模型開發(fā)：

圖9 制動(dòng)卡鉗

Simcenter Amesim中開發(fā)詳細(xì)制動(dòng)卡鉗模型（圖9），支持對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)壓力動(dòng)態(tài)建立過程的同時(shí)，還可以考慮其變形量進(jìn)行需液量分析。進(jìn)一步結(jié)合熱模型的開發(fā)，可以對(duì)制動(dòng)盤連續(xù)制動(dòng)中的熱衰退現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.3 系統(tǒng)集成及控制開發(fā)

上面內(nèi)容介紹了制動(dòng)系統(tǒng)核心零部件的詳細(xì)模型開發(fā)應(yīng)用。隨著制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程，我們需要結(jié)合整車模型（圖10）對(duì)車輛制動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估。在條件允許的情況下，我們同時(shí)可以集成ABS/ESP等電子控制系統(tǒng)，進(jìn)一步評(píng)估車輛在制動(dòng)工況中的動(dòng)態(tài)性能。

圖10 制動(dòng)系統(tǒng)整車模型

整車制動(dòng)性能的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)是由制動(dòng)系統(tǒng)中所有零部件動(dòng)態(tài)性能耦合作用的最終表現(xiàn)，每一個(gè)零部件外特性動(dòng)態(tài)性能通過數(shù)值手段的準(zhǔn)確表達(dá)是最終車輛制動(dòng)性能置信度評(píng)估的關(guān)鍵?；诖?，設(shè)計(jì)人員可以快速通過模型完成整車制動(dòng)性能（圖11）的分析。

圖11 整車制動(dòng)性能分析

三、制動(dòng)系統(tǒng)控制開發(fā)

如前文所述，隨著電子控制系統(tǒng)在車輛上的廣泛應(yīng)用，制動(dòng)系統(tǒng)中的電子控制輔助系統(tǒng)開發(fā)對(duì)最終車輛制動(dòng)性能的表現(xiàn)至關(guān)重要（ABS、ESP等）。而Simcenter Amesim具備成熟的FMI數(shù)據(jù)接口的同時(shí)，與Simulink也有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接口，可以全面支持用戶模型在環(huán)、軟件在環(huán)的測(cè)試應(yīng)用（如圖12）。

Simcenter Amesim提供了一系列的模型分析工具，來幫助用戶實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)化。同時(shí)Simcenter Amesim也提供了專業(yè)的模型降階工具（Simcenter ROM Builder），為模型的實(shí)時(shí)化提供了另一種技術(shù)路線。經(jīng)過實(shí)時(shí)處理的Amesim模型可以被部署到目標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)HIL應(yīng)用，完成相關(guān)控制器的測(cè)試驗(yàn)證。

圖12 制動(dòng)系統(tǒng)MIL應(yīng)用

圖13 制動(dòng)系統(tǒng)HIL應(yīng)用

四、結(jié)論

隨著新能源車市場(chǎng)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛等新型技術(shù)的應(yīng)用，制動(dòng)系統(tǒng)從零部件、系統(tǒng)架構(gòu)到控制系統(tǒng)的功能都迎來了新的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

1）制動(dòng)能量回收功能在能源效率、舒適性、安全性上的平衡。

2）自動(dòng)駕駛功能中制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性上的平衡

3）不同駕駛模式下踏板感的匹配

4）新型制動(dòng)系統(tǒng)零部件、新型制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)在功能安全、性能、成本等方面的多屬性平衡…

解決以上問題，傳統(tǒng)的手段從人力、物力、時(shí)間上的投入是巨大的。很難滿足當(dāng)前車型技術(shù)快速迭代的市場(chǎng)節(jié)奏。西門子Simcenter Amesim為我們制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)提供了基于模型的解決方案。其多專業(yè)、多層級(jí)、多模型算法的特點(diǎn)，可以在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段為我們提供全面的數(shù)值計(jì)算支撐。

圖14 基于模型的制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)

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• 作者：景騰躍

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