孟爱红;王治中;宋健;潘宁
【摘 要】Taking the piston pump and high speed on-off valve, the crucial parts of automotive electronic stability program (ESP). Their mathematical models were established. Besides, the co-simulation model of ESP hydraulic control unit (HCU) was built up by AMESim and Matlab, which was also verified by test. The simulation model described the motion intrinsic characteristic of the piston pump and high speed on-off valve. Consequently, the effect of those components' parameters on the adjustment of braking pressure during active boosting was analyzed. The result can provide references for the design and development of ESP, especially for improving the efficiency of the pump and the linear control performance of the high speed on-off valve.%以汽车电子稳定性程序(ESP)液压控制单元的回油泵、高速开关阀等关键部件为研究对象,推导其数学模型,利用AMESim、Matlab软件建立ESP液压系统回油泵、高速开关阀运动的联合仿真模型,通过仿真得出这些液压元件参数对主动增压下制动轮缸压力调节的影响,为提高回油泵效率、实现高速开关阀的线性控制功能提供参考依据.
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2013(044)002
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】电子稳定性程序;高速开关阀;液压;建模;仿真
【作 者】孟爱红;王治中;宋健;潘宁
汽车esp【作者单位】清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】U27
引言
汽车电子稳定性程序(Electronic stability program，ESP)是一种高智能化的主动安全系统，包含了防抱死制动系统(ABS)、驱动力控制系统(TCS)及横摆力矩控制系统(AYC)，在制动、驱动和转向情况下对汽车安全稳定行驶提供有力的支持。ESP系统由电子控制单元(ECU)、液压控制单元(HCU)和传感器组成。ESP性能、控制效果与液控单元的性能密切相关。当HCU对于指令的执行不彻底或其节奏跟不上时，将导致ECU指令执行后，ESP得不到预期控制的效果，从而影响整套ESP系统的性能。
对于ESP系统中的HCU，国外学者进行了大量的研究［1～5］。近年来，国内关于ESP液压控制单元的研究有了快速发展［6!9］，但国内有关汽车ESP液控单元的文献中，对HCU的建模大多止于标准件层面，只能对软件提供的可变参量进行分析，因此很难深入分析液压元件具体结构及参数对ESP性能的影响。虽然国外的ESP技术和产品已成熟完善，但发表的HCU研究文献多是基于硬件在环等实验得出的结论，并未有从其液压元件内部结构入手进行深入分析的具体研究和方法可供参考。
鉴于此，本文根据HCU中回油泵、高速开关阀的结构原理，推导这些关键部件的数学模型，并应用AMESim、Matlab软件建立系统联合仿真模型，通过仿真深入分析元件参数对制动轮缸压力调节的影响，为ESP的设计开发提供参考依据。
1 ESP液压控制单元工作原理
ESP液压控制单元HCU原理如图1所示，由回油泵、电磁阀、蓄能器和直流电动机组成，设置在制动主缸与车轮制动轮缸之间，根据ECU的控制指令，自动调节制动轮缸压力［7］。
图1 ESP液压控制单元原理图Fig．1 Layout of hydraulic control unit of ESP1．制动主缸 2．电动机 3．限压阀 4．阻尼器 5．回油泵 6．吸入阀 7．蓄能器 8．增压阀 9．减压阀 10．制动轮缸
ESP系统分ABS、TCS和AYC 3种工作模式。在AYC工作模式下轮缸增压被称为主动增压过程，此时制动踏板未动作，限压阀从常通状态转变为限压状态，吸入阀打开，制动液通过吸入阀、回油泵、阻尼器、增压阀进入轮缸，推动轮缸中的活塞，压紧摩擦片进行制动。本文主要研究回油泵、限压阀对这种模式下轮缸增压过程的影响。
2 ESP液压控制单元的数学模型
2.1 回油泵数学模型
在液压控制单元中回油泵采用单柱塞泵，由带偏心轮的电动机驱动，在吸、压油阀芯之间形成一个密闭的柱塞腔，如图2所示。当柱塞向上运动时，柱塞腔的油由于受到压缩，压力升高，顶开压油阀的球形阀芯，完成压油过程;当柱塞向下运动时，柱塞腔压力降低，吸油阀的挡板阀芯被顶开，完成吸油过程。
图2 回油泵结构原理图Fig．2 Configuration of piston pump1．压油阀弹簧 2．压油阀芯 3．吸油阀弹簧 4．吸油阀芯 5．柱塞 6．电动机偏心轮 7．密封圈 8．泵体
泵的流量为
式中 Az——柱塞工作面积
vz——柱塞垂直运动速度
柱塞在轴线方向上的位移
式中 e——电动机偏心轮偏心量
θ——偏心轮转动角度
由式(1)、(2)可得
式中 n——电动机转速
图3 限压阀结构原理图Fig．3 Configuration of chane-over valve1．动铁 2．阀座 3．回位弹簧 4．节流器 5．底封盖 6．垫圈 7．唇型密封圈 8．推杆 9．隔磁管 10．封盖
2.2 高速开关阀数学模型
ESP液压控制单元中的增压阀、减压阀、吸入阀和限压阀均为高速开关阀，可见高速开关阀是HCU的关键部件。高速开关阀是电、磁、机、液的强耦合系统，以阀口常开的限压阀为例(图3)，阀芯运动受到电磁力、液动力和弹簧力等制约。其运动学方程为
式中 mf——阀芯运动件质量
xf——阀芯运动件位移
FX——电磁力 Fp——液动力
Fs——弹簧力
FB——粘性阻尼力
液体流经阀芯时产生的液动力对阀芯运动的稳定性具有重要影响。分析稳态液动力时选取介于阀腔入口及节流口的一段流体空间为控制体(图4)，对控制体积中的液体应用动量定理，可得阀芯(下端面)所受稳态轴向液动力为
式中 v 0、vj——阀腔入口处、节流处流速
p0、pj、p2——阀腔入口处、节流处、出口处压力
A1、Aj——阀腔喉管处、节流处过流面积
α——阀座半锥角
图4 限压阀芯控制体选取示意图Fig．4 Sketch of control volume of change-over valve
根据阀口流量公式
式中 cd——阀的流量系数
根据伯努利方程推导出节流处压力
考虑到在阀芯上端面作用有背压p3，当阀芯处于稳定状态时，背压p3即阀出口压力p2，所以稳态液动力
式中 A2——阀座锥角大端面积
将式(6)～(9)代入式(5)，可得式中 Ad12——阀座导角在水平方向的投影面积
由式(10)可知Fst是关于阀芯过流面积的二阶方程，阀的结构参数中阀座锥角及入口孔径对该两项有较大的影响权重，除此以外，阀两端压差对液动力影响较大。
3 ESP液压控制单元的仿真模型
在建立ESP液控单元仿真模型时，对回油泵和高速开关阀的仿真模块进行了细化。首先利用AMESim软件液压元件设计库(HCD)的功能构建了回油泵的仿真子模型，如图5所示。电动机带动凸轮转动使柱塞腔的体积发生变化，柱塞腔的油压也相应改变使得进油阀芯及压油阀芯交替开合，从而交替完成吸油和压油工作。该子模型体现了单柱塞泵流量及压力的
波动性，另外模型增加泄漏模块，可以模拟主要由内泄漏引起的容积损失。因此，该子模型更接近泵的工作实际。
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