一、概述

汽車制動系統(tǒng)及底盤其他操縱機構是決定車輛安全性的最重要子系統(tǒng)，而對制動系統(tǒng)和其他底盤操縱結構的設計需要考慮在車輛實際的工作條件下系統(tǒng)的動態(tài)響應，尤其對制動系統(tǒng)設計和參數(shù)匹配是與車輛的本身動力學響應密切相關的。由于車輛行駛工況的多樣性以及整車動力學響應的復雜性，需要在設計階段借助仿真工具來對整車的性能進行模擬，輔助制動系統(tǒng)及其他底盤操縱機構的開發(fā)和設計。

圖1 整車系統(tǒng)

如圖1所示，制動系統(tǒng)對車輛形式性能的分析評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系統(tǒng)開發(fā)的同時能夠為整車系統(tǒng)開發(fā)和集成提供完整的解決方案。

西門子Simcenter Amesim(圖2)是當前CAE領域應用最為廣泛的一維多領域仿真平臺，它基于動態(tài)建模方法建立物理元件的數(shù)學模型，提供面向眾多學科領域的專業(yè)應用庫，包括控制、液壓、氣動、熱、多相流、空調(diào)與冷卻系統(tǒng)、電子電力、電磁、機械與動力傳動、車輛動力學、內(nèi)燃機，等等。這些專業(yè)庫和庫元件都經(jīng)過了大量工程檢驗。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Simcenter Amesim在車輛制動系統(tǒng)開發(fā)上的應用進行闡述。

圖2 Simcenter Amesim多領域機電系統(tǒng)綜合建模與仿真平臺

二、多級復雜度模型在制動系統(tǒng)開發(fā)中的應用

2.1 前期設計階段

在前期設計階段可以在Simcenter Amesim中開發(fā)功能模型或者使用企業(yè)模型庫中的標準元件，快速進行方案評估和零部件的初步選型匹配（如圖3、4、5）。

圖3 前期不同制動管路方案評估模型

圖4 前期不同制動管路方案評估模型

圖5 輪邊制動壓力

2.2 詳細設計階段

傳統(tǒng)車輛的制動系統(tǒng)主要由踏板-助力器-主缸-制動管路-輪邊卡鉗等部件組成。隨著車輛技術的革新和進步，ABS/ESP等電子輔助系統(tǒng)也已經(jīng)應用到車輛制動系統(tǒng)中。特別隨著新能源車輛市場的發(fā)展，車輛制動系統(tǒng)架構產(chǎn)生了新的變革，不同制動系統(tǒng)對車輛制動性能的影響及優(yōu)化，都對制動系統(tǒng)的設計開發(fā)提出了新的任務要求。

在詳細設計階段，可以在Simcenter Amesim中開發(fā)詳細零部件級模型，從底層支持制動系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。

制動主缸詳細模型開發(fā)：

如圖6所示，在Simcenter Amesim中根據(jù)主缸的幾何設計參數(shù)，進行詳細模型的開發(fā)?？稍u估回位彈簧及閥口設計參數(shù)等對主缸的空行程、壓力動態(tài)建立過程等進行詳細分析。并可進一步分析主缸的血液量對輪邊制動壓力建立過程的影響。

圖6 制動主缸詳細模型開發(fā)

助力器詳細模型開發(fā)：

圖7 真空助力器

傳統(tǒng)燃油車的制動系統(tǒng)會借助真空助力器實現(xiàn)踏板力輸入的輔助功能。Simcenter Amesim詳細真空助力器的開發(fā)（如圖7），可以幫助開發(fā)人員分析該部件對制動壓力建立的動態(tài)影響；并同時通過參數(shù)敏感性分析，詳細理解助力器各設計部件對其輸出外特性的影響（始動力、助力比、最大助力點等）。

圖8 電動助力器

而隨著新能源車的發(fā)展，電動助力系統(tǒng)（如圖8）也被廣泛應用在車輛制動系統(tǒng)中。Simcenter Amesim的詳細模型開發(fā)可以快速幫助設計開發(fā)人員進行詳細系統(tǒng)的開發(fā)：主力比的匹配、壓力建立動態(tài)特性分析、踏板感分析等。

制動卡鉗詳細模型開發(fā)：

圖9 制動卡鉗

Simcenter Amesim中開發(fā)詳細制動卡鉗模型（圖9），支持對其進行制動壓力動態(tài)建立過程的同時，還可以考慮其變形量進行需液量分析。進一步結合熱模型的開發(fā)，可以對制動盤連續(xù)制動中的熱衰退現(xiàn)象進行分析。

2.3 系統(tǒng)集成及控制開發(fā)

上面內(nèi)容介紹了制動系統(tǒng)核心零部件的詳細模型開發(fā)應用。隨著制動系統(tǒng)的開發(fā)進程，我們需要結合整車模型（圖10）對車輛制動性能進行評估。在條件允許的情況下，我們同時可以集成ABS/ESP等電子控制系統(tǒng)，進一步評估車輛在制動工況中的動態(tài)性能。

圖10 制動系統(tǒng)整車模型

整車制動性能的動態(tài)表現(xiàn)是由制動系統(tǒng)中所有零部件動態(tài)性能耦合作用的最終表現(xiàn)，每一個零部件外特性動態(tài)性能通過數(shù)值手段的準確表達是最終車輛制動性能置信度評估的關鍵?；诖?，設計人員可以快速通過模型完成整車制動性能（圖11）的分析。

圖11 整車制動性能分析

三、制動系統(tǒng)控制開發(fā)

如前文所述，隨著電子控制系統(tǒng)在車輛上的廣泛應用，制動系統(tǒng)中的電子控制輔助系統(tǒng)開發(fā)對最終車輛制動性能的表現(xiàn)至關重要（ABS、ESP等）。而Simcenter Amesim具備成熟的FMI數(shù)據(jù)接口的同時，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)的測試應用（如圖12）。

Simcenter Amesim提供了一系列的模型分析工具，來幫助用戶實現(xiàn)模型的實時化。同時Simcenter Amesim也提供了專業(yè)的模型降階工具（Simcenter ROM Builder），為模型的實時化提供了另一種技術路線。經(jīng)過實時處理的Amesim模型可以被部署到目標實時系統(tǒng)中，實現(xiàn)HIL應用，完成相關控制器的測試驗證。

圖12 制動系統(tǒng)MIL應用

圖13 制動系統(tǒng)HIL應用

四、結論

隨著新能源車市場的發(fā)展，自動駕駛等新型技術的應用，制動系統(tǒng)從零部件、系統(tǒng)架構到控制系統(tǒng)的功能都迎來了新的應用挑戰(zhàn)。

1）制動能量回收功能在能源效率、舒適性、安全性上的平衡。

2）自動駕駛功能中制動系統(tǒng)的動態(tài)響應、穩(wěn)定性上的平衡

3）不同駕駛模式下踏板感的匹配

4）新型制動系統(tǒng)零部件、新型制動系統(tǒng)架構在功能安全、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、時間上的投入是巨大的。很難滿足當前車型技術快速迭代的市場節(jié)奏。西門子Simcenter Amesim為我們制動系統(tǒng)開發(fā)提供了基于模型的解決方案。其多專業(yè)、多層級、多模型算法的特點，可以在產(chǎn)品開發(fā)的各個階段為我們提供全面的數(shù)值計算支撐。

圖14 基于模型的制動系統(tǒng)開發(fā)

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• 作者：景騰躍

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