越野車ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

宋 杰，寇西征，鄭賢文，林光成，葉建偉

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

汽車電子穩(wěn)定性程序 （Electronic Stability Pro gram，ESP）是改善汽車行駛性能的一種控制系統(tǒng)。因?yàn)镋SP能較大提升車輛的主動(dòng)安全水平，其在乘用車上的裝備量近些年急劇增加，而越野車由于自身結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與乘用車差別較大，其底盤高、質(zhì)心位置高且偏向車身中部的特點(diǎn)使得其行駛穩(wěn)定性不易控制。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)乘用車ESP進(jìn)行了廣泛的研究，而對(duì)越野車ESP的研究較少，隨著越野車市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)越野車的操縱穩(wěn)定性和安全性的要求越來(lái)越高，因此越野車ESP有廣闊的發(fā)展空間［1］。

ESP主要由液壓系統(tǒng)、傳感器和ECU組成，其工作性能和控制品質(zhì)不僅與傳感器和ECU的控制邏輯有關(guān)，而且還與其液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性緊密相連。ESP液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個(gè)在短時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高速響應(yīng)系統(tǒng)，為保證ESP的工作可靠性和控制精度，而進(jìn)行其液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究是十分必要的［2］。

1 ESP液壓系統(tǒng)模型的建立

1.1 ESP液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

某典型ESP液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示［3］，主要包含：制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸、液壓調(diào)節(jié)器。ESP含有3種制動(dòng)狀態(tài)：被動(dòng)制動(dòng)、半主動(dòng)制動(dòng)、全主動(dòng)制動(dòng)。其中全主動(dòng)制動(dòng)狀態(tài)是在車輛處于不穩(wěn)定狀況，駕駛員未踩下制動(dòng)踏板，ESP檢測(cè)到此時(shí)車輛所處的狀態(tài)，將轉(zhuǎn)換閥（USV）關(guān)閉，高壓開關(guān)閥（HSV）打開，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回液柱塞泵（PE）轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓介質(zhì)從制動(dòng)主缸（和低壓蓄能器AC）經(jīng)高壓開關(guān)閥（HSV）進(jìn)入回液柱塞泵（PE），壓力升高后經(jīng)高壓阻尼器和進(jìn)液閥（EV）進(jìn)入制動(dòng)輪缸，產(chǎn)生足夠的制動(dòng)壓力。高壓阻尼器可減弱油壓脈動(dòng)。當(dāng)車輛恢復(fù)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)后，排液閥（AV）打開，過(guò)高壓力的液壓介質(zhì)經(jīng)排液閥（AV）流入低壓蓄能器（AC），此時(shí)低壓蓄能器的液壓介質(zhì)成為ESP下一次增壓的油源。在新的增壓過(guò)程中，液壓介質(zhì)在回液柱塞泵（PE）的驅(qū)動(dòng)下，從低壓蓄能器（AC）出發(fā)通過(guò)高壓阻尼器，進(jìn)液閥（EV）再次進(jìn)入制動(dòng)輪缸。如此的增減壓循環(huán)直至系統(tǒng)退出ESP模式。

1.2 ESP液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，建立ESP液壓系統(tǒng)主要模塊的數(shù)學(xué)模型，為ESP動(dòng)態(tài)特性分析提供理論支撐［4］。

1.2.1 油泵模型

油泵模型是預(yù)壓?jiǎn)卧蓄A(yù)壓泵和回液柱塞泵模型，輸出量為流量，輸入量為壓力。定義預(yù)壓泵和回液柱塞泵的排量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將液壓介質(zhì)和機(jī)械損失等對(duì)系統(tǒng)的影響忽略，得出其數(shù)學(xué)模型為：

式中：q為油泵輸出流量，L/min；V為油泵排量，cc/r；n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；E為制動(dòng)液體積模量，bar；Pin為油泵入口端壓力，bar；Pout為油泵出口端壓力，bar；a為油泵壓力因子。

油泵排量V為0.1 cc/r，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n為3 000 r/min，壓力因子a為0～1某一數(shù)值，制動(dòng)液體積模量E為17 000 bar。

1.2.2 蓄能器模型

ESP中彈簧活塞式蓄能器包括低壓蓄能器和高壓阻尼器兩種。輸出量為壓力，輸入量為液壓介質(zhì)的流量，忽略活塞重力，需要定義的參量為彈簧剛度、活塞行程和直徑，得出數(shù)學(xué)模型為：

式中：P為蓄能器端口壓力，Pa；qout為蓄能器端口流量，L/min；Ap為活塞直徑，m2；K 為彈簧剛度，N/mm；Vol為蓄能器中液壓介質(zhì)體積，m3。

不同蓄能器的模型可通過(guò)調(diào)整彈簧剛度和活塞直徑獲取。

1.2.3 節(jié)流器模型

節(jié)流器模型的輸出量為流量，輸入量為液壓介質(zhì)的壓力。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：Q為液壓介質(zhì)流量，m3/s；Cqmax為最大流量系數(shù)；ρ為液壓介質(zhì)密度，kg/m3；Δp為節(jié)流器模型兩端壓力差，Pa；A 為節(jié)流孔截面積，m2；λc為液壓介質(zhì)流動(dòng)雷諾數(shù)；χ為節(jié)流孔濕周長(zhǎng)度；η為液壓介質(zhì)動(dòng)力粘度，mm2/s。

節(jié)流器模型中雷諾數(shù)λc取100，最大流量系數(shù)Cqmax取0.7，動(dòng)力粘度η取42.5mm2/s，液壓介質(zhì)密度ρ取850 kg/m3。節(jié)流器流量特性可通過(guò)改變節(jié)流器的孔徑獲取。

1.2.4 液壓控制閥模型

由于ESP中各液壓控制閥的作用不同，所以它們的特征尺寸亦有差別。高壓開關(guān)閥（HSV）的閥座孔徑較大為2.5 mm，而進(jìn)液閥（EV）和排液閥（AV）的閥座孔徑約為0.5 mm，液壓控制閥的流量特性可按式（3）計(jì)算。

液壓控制閥的關(guān)閉和開啟均存在一定的延遲，對(duì)閥芯的速度和位移引入二階延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算：

式中：ω為固有頻率；ζ為阻尼比。

1.3 ESP液壓系統(tǒng)模型的建立

AMESim是世界著名的工程系統(tǒng)高級(jí)建模、仿真和動(dòng)力學(xué)分析軟件，用戶可在其提供的友好環(huán)境下仿真分析系統(tǒng)或元件的動(dòng)態(tài)特性或穩(wěn)定性。利用AMESim軟件建立ESP液壓系統(tǒng)模型如圖2所示。

2 ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析

利用AMESim軟件模擬ESP液壓系統(tǒng)在全主動(dòng)制動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)增壓、保壓、減壓的工作過(guò)程。參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP系統(tǒng)參數(shù)，仿真運(yùn)行結(jié)果如圖 3～圖 5 所示，曲線 1（實(shí)線）代表進(jìn)液閥（EV），曲線2（點(diǎn)劃線）代表排液閥（AV）。圖6和圖7曲線1（實(shí)線）代表左后輪鼓式制動(dòng)器，曲線2（點(diǎn)劃線）代表右前輪盤式制動(dòng)器。

從仿真結(jié)果可以看出，在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，增壓閥、減壓閥可實(shí)現(xiàn)周期性的開啟和關(guān)閉，輪缸制動(dòng)壓力和流量也呈現(xiàn)周期性變化，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)車輪的增壓-保壓-減壓-保壓的循環(huán)工作。

進(jìn)液閥和排液閥并不隨著控制信號(hào)的通斷立即開啟、關(guān)閉，而是存在明顯的遲滯特性，這與實(shí)際電磁閥的工作過(guò)程吻合。

3 ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響因素分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)特性相關(guān)理論，擬定ESP液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，包含兩個(gè)方面：①ESP液壓系統(tǒng)的流量脈動(dòng)、壓力的瞬間峰值和壓力的波動(dòng)，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②制動(dòng)輪缸壓力響應(yīng)速度。

在溝道邊坡，農(nóng)田中的污染物質(zhì)在透過(guò)透水型護(hù)砌材料進(jìn)入溝道過(guò)程中，護(hù)砌材料會(huì)對(duì)氮磷等污染物質(zhì)發(fā)生物理吸附、生物降解以及溝道植被的吸收而使污染物濃度降低。

本文從液壓介質(zhì)、預(yù)壓?jiǎn)卧?、回液柱塞泵排量、進(jìn)液閥、排液閥、低壓彈簧蓄能器和制動(dòng)輪缸等因素來(lái)分析ESP液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

3.1 液壓介質(zhì)對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

液壓介質(zhì)（即制動(dòng)液）是ESP液壓系統(tǒng)中傳遞壓力的工作介質(zhì)。參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP參數(shù)，得到左后輪制動(dòng)輪缸的壓力和流量響應(yīng)曲線如圖8和圖9所示，曲線1（實(shí)線）代表液壓介質(zhì)動(dòng)力黏度為1 500 cP，曲線2（點(diǎn)劃線）代表液壓介質(zhì)動(dòng)力黏度為42.5 cP，曲線3（虛線）代表液壓介質(zhì)動(dòng)力黏度為1.50 cP。

動(dòng)力黏度為1 500 cP時(shí)，由于此時(shí)液壓介質(zhì)的黏度太大，液壓介質(zhì)在ESP液壓系統(tǒng)管路中所受到的阻力較大，致使制動(dòng)車輪輪缸壓力和流量較低；動(dòng)力黏度為1.5 cP時(shí)，液壓介質(zhì)的黏度過(guò)小將導(dǎo)致液壓介質(zhì)的泄露量增加，影響汽車ESP的控制精度。

3.2 預(yù)壓?jiǎn)卧A(yù)壓力對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

預(yù)壓泵使ESP在全主動(dòng)制動(dòng)狀態(tài)克服低溫下液壓介質(zhì)粘度高的影響很快建立系統(tǒng)壓力。預(yù)壓泵和壓力傳感器配合對(duì)制動(dòng)主缸進(jìn)行預(yù)壓，動(dòng)態(tài)的保證制動(dòng)主缸穩(wěn)定在一定的壓力。

參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP系統(tǒng)參數(shù)，得到左后輪制動(dòng)輪缸的壓力和流量響應(yīng)曲線如圖10和圖11所示，曲線1（實(shí)線）代表預(yù)壓?jiǎn)卧A(yù)壓力為0 bar，曲線2（點(diǎn)劃線）代表預(yù)壓?jiǎn)卧A(yù)壓力為25 bar，曲線3（虛線）代表預(yù)壓?jiǎn)卧A(yù)壓力為50 bar。

由圖10和圖11可以看出，當(dāng)ESP液壓系統(tǒng)制動(dòng)主缸沒有預(yù)壓時(shí)，制動(dòng)輪缸壓力和流量響應(yīng)緩慢；給制動(dòng)主缸一定的預(yù)壓力，制動(dòng)輪缸的壓力和流量迅速增加。

3.3 回液柱塞泵排量對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

ESP液壓系統(tǒng)要求的壓力較高，故回油泵采用能夠產(chǎn)生高壓的柱塞泵。參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP參數(shù)，得到左后輪制動(dòng)輪缸的壓力和流量響應(yīng)曲線如圖12和圖13所示，曲線1（實(shí)線）代表回液柱塞泵流量為0.05 cc/r，曲線2（點(diǎn)劃線）代表回液柱塞泵流量為0.1cc/r，曲線3（虛線）代表回液柱塞泵流量為 0.15 cc/r。

3.4 進(jìn)液閥、排液閥截流面積對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

ESP液壓系統(tǒng)的進(jìn)液閥（EV）和排液閥（AV）是典型的二位二通電磁換向閥。利用AMESim軟件模擬汽車ESP液壓系統(tǒng)工作過(guò)程，得到左后輪制動(dòng)輪缸的壓力和流量響應(yīng)曲線和低壓蓄能器活塞位移曲線如圖14和圖15所示，曲線1（實(shí)線）代表進(jìn)液閥（EV）閥口截流面積 0.4 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積 0.5 mm2；曲線 2（點(diǎn)劃線）代表進(jìn)液閥（EV）閥口截流面積 0.5 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積0.6 mm2；曲線 3（虛線）代表進(jìn)液閥（EV）閥口截流面積 0.6 mm2，排液閥（AV）閥口截流面積 0.7 mm2。

由圖14和圖15可以看出，隨著進(jìn)液閥和排液閥截流面積的增大，制動(dòng)輪缸的壓力和流量都在增大，但是增大的不是特別明顯，這就說(shuō)明進(jìn)液閥和排液閥的截流面積對(duì)汽車ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響較小。

3.5 低壓蓄能器對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

ESP液壓系統(tǒng)中的低壓蓄能器為彈簧活塞式，它的主要作用是儲(chǔ)存制動(dòng)輪缸減壓階段經(jīng)排液閥（AV）排出的高壓液壓介質(zhì)，并作為液壓系統(tǒng)下次增壓循環(huán)回液柱塞泵的油源。低壓蓄能器的特征參數(shù)為活塞行程與活塞直徑。

利用AMESim軟件模擬ESP液壓系統(tǒng)工作過(guò)程，參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP參數(shù)，得到左后輪制動(dòng)輪缸的壓力和流量響應(yīng)曲線如圖16所示，曲線1（實(shí)線）代表低壓蓄能器活塞直徑15 mm，活塞行程10 mm；曲線2（點(diǎn)劃線）代表低壓蓄能器活塞直徑20 mm，活塞行程10 mm；曲線3（虛線）代表低壓蓄能器活塞直徑25 mm，活塞行程10 mm。

由圖16可以看出，制動(dòng)輪缸在減壓過(guò)程結(jié)束后的壓力隨著低壓蓄能器活塞直徑的增大而降低，但因?yàn)榛匾褐玫霓D(zhuǎn)速與排量不變，這勢(shì)必造成下一增壓循環(huán)制動(dòng)輪缸壓力的不足。

3.6 制動(dòng)輪缸對(duì)ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

本文車輪制動(dòng)器前輪采用盤式制動(dòng)器，制動(dòng)輪缸直徑50 mm，后輪采用鼓式制動(dòng)器，制動(dòng)輪缸直徑32 mm。利用AMESim軟件模擬汽車ESP增壓、保壓、減壓的工作過(guò)程。參考相關(guān)資料，設(shè)置ESP液壓系統(tǒng)參數(shù)，仿真運(yùn)行結(jié)果如圖17和圖18所示，圖中曲線1（實(shí)線）代表左后輪鼓式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸，曲線2（點(diǎn)劃線）代表右前輪盤式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸。

由圖17和圖18可以看出，后輪鼓式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸的壓力響應(yīng)速度大于前輪盤式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸的壓力響應(yīng)速度；而后輪鼓式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸的流量小于前輪盤式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸的流量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了液壓介質(zhì)、預(yù)壓?jiǎn)卧⒒匾褐?、進(jìn)液閥、排液閥、低壓彈簧蓄能器和制動(dòng)輪缸6個(gè)因素對(duì)汽車ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

在進(jìn)行建模仿真過(guò)程中將一些液壓器件的泄露和液壓管道的阻力等忽略；預(yù)壓?jiǎn)卧：鸵簤赫{(diào)節(jié)器中各控制閥的控制信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)化；文中所得結(jié)論有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］王國(guó)業(yè)，付燕榮，曾蔚瑛.越野車ESP控制原理仿真研究［C］.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)越野車技術(shù)分會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：310-315.

［2］魏春源，等譯.汽車安全性與舒適性系統(tǒng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［3］顧柏良，等譯.BOSCH汽車工程手冊(cè)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［4］祁雪樂(lè)，宋健，王會(huì)義，等.基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統(tǒng)建模與分析［J］.機(jī)床與液壓，2005，8：115-118.