集成式电子液压制动系统液压力变结构控制( 二 ) _摩擦

1 方案设计
本文中所采用的I-EHB系统的方案简图如图1所示。

文章插图
图1 I-EHB系统方案简图
该系统主要包括制动踏板、踏板位移传感器、踏板模拟器、电机、减速传动机构、制动主缸和液压力传感器等。解耦腔起系统解耦的作用,即实现正常制动时制动踏板与制动主缸不固连。
正常工作时,驾驶员踩下制动踏板,踏板感觉模拟器模拟踏板感觉,同时解耦腔内预留的空行程使得制动踏板不再直接与制动主缸相连。同时电控单元(unit,ECU)根据踏板位移信号和制动能量回收系统中的再生制动力信号计算液压制动力和I-EHB系统电机转矩作为指令发给电机。电机通过减速机构推动主缸建立压力,制动液流向各轮缸而产生制动力。
2 系统简化与分析
2.1 系统模型简化
由于系统各部分的数学模型过于复杂,不利于对系统的有效控制。为满足对该系统的控制要求,本文中先对系统模型进行简化。由于制动管路对系统压力的影响非常小,可以忽略制动管路模型。
将系统物理模型进行简化,如图2所示。机械部分表示滚珠丝杠副减速机构,液压部分表示制动主缸和制动轮缸。电机输出转矩作用于机械部分,机械部分主缸推杆输出力作用于液压部分。简化的系统数学模型为

文章插图

文章插图
图2 系统数学模型简化示意图
式中:m为机械部分的等效质量;c为机械部分的等效阻尼; k为机械部分的等效刚度;x,
和
分别为液压部分制动腔活塞的轴向位移、轴向速度和轴向加速度;Tm为电机输出转矩;i为机械部分的传动比;r为机械部分等效半径;p为液压部分的液压力;A为液压部分活塞的等效面积;f(p,x,
)表示机械部分和液压部分的摩擦力总和,是该系统非线性因素的来源。
一维可压缩流体的数学模型为

文章插图
制动腔连续流量方程为

文章插图
式中:V为制动腔内液体体积;Ke为体积弹性模量;p·为制动腔内液体的压力变化率;ΔQ为液体体积流量的变化量;Q为液体体积流量;γ为制动腔的泄漏系数。
联立式(1)～式(3)得到简化后的数学模型为

文章插图
2.2 系统非线性特性分析
由式(4)可知,摩擦力对系统的影响很大。为找出适合该系统的控制方法,首先基于摩擦模型对系统非线性特性进行分析[9] 。
I-EHB系统的减速机构采用滚珠丝杠副。它的一个较大的弱点是存在摩擦,这也正是I-EHB液压力控制的难点所在。摩擦力大小取决于多方面的因素,包括接触面的形状、接触物体的材料特性、接触物体之间相对滑动速度和接触物体之间的润滑状态等。将物体接触面之间看成是“突点”,物体之间的接触力与物体之间的滑动速度的函数即是摩擦力的模型,按照物体之间接触速度的不同和润滑状态的不同将摩擦力分成4个阶段,不同阶段摩擦力具有不同特性,结合图3和式(5)说明不同阶段摩擦力的变化。
(1)接触面弹性变形阶段:物体相对滑动之前,受到摩擦力的约束处于相互接触的状态,物体相对滑动的位移是一个微位移的状态,摩擦力是微位移的线性函数,静摩擦力在接触断开之后达到一个峰值,这个值就是最大静摩擦力。
(2)边界润滑阶段:当外力达到一定阶段,原来相互接触的物体被分离,两个物体之间发生相对滑动,这个时候速度还是很低的,相互接触的“突点”不断地断开和重新形成,此时的摩擦力大小与物体之间的接触状态有关。