CN113011016A - 一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，包括下列步骤：1)根据车辆纵向动力学获取液压力估算公式；2)通过实车测试获取车辆的行驶阻力；3)通过实车测试获取制动器摩擦因数受制动初始温度、制动压力和车速的影响规律；4)按照一般驾驶习惯，设定一次制动过程中的车速变化区间，根据不同车速区间划分不同的摩擦因数，进而建立摩擦因数修正模型；5)根据步骤2)获取的行驶阻力和步骤4)获取的摩擦因数修正模型，通过步骤1)的液压力估算公式，计算主缸液压力。与现有技术相比，本发明具有估算准确率高等优点。

Description

一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法
技术领域
本发明涉及汽车线控制动技术领域，尤其是涉及一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法。
背景技术
随着汽车电动化和智能化的不断发展，线控制动系统(brake by wire，BBW)应运而生，其不但可以实现高性能的主动制动，对于电动汽车还可以通过与驱动电机协调控制将制动能量回收最大化，是未来汽车制动系统的发展趋势。作为线控制动的一个分支，电子液压制动系统(Electro-Hydraulic-Brake System，EHB)保留了制动主缸及管路等部件，与传统乘用车有较好的兼容性，且易于实现失效备份，是现阶段制动系统的理想形式。其中，集成式电子液压制动系统(Integrated-Electro-Hydraulic-Brake System，IEHB)利用“电机+减速机构”作为动力源，消除了“高压蓄能器+控制阀”的泄露风险并将系统进一步集成，已经成为目前乘用车线控制动系统的主流方案。
IEHB精确、快速、稳定的液压力控制离不开主缸液压力传感器的信号反馈，但主缸液压力传感器的存在也增加了产品成本及传感器失效的风险。作为汽车的关键安全部件之一，一旦传感器失效将严重影响IEHB的功能安全性。部分产品利用两个主缸液压力传感器进行互检的方法解决了传感器失效检测及备份的问题，但进一步增加了系统成本。为实现在尽量不增加成本的情况下提高线控制动系统的传感器失效安全性，保证产品市场竞争力，主缸液压力估算算法尤为重要。
IEHB的主缸液压力估计是一个极具前瞻性和挑战性的课题。现有文献对主缸液压力估计的研究尚处于起步阶段，估计方法主要基于主缸活塞位移(或齿条位移、电机转角等)与主缸液压力的关系。但位移压力特性存在滞环并且受齿条速度、温度等多种因素的影响，因此这种方法虽然简单但鲁棒性不强，压力估计需要另外的估计算法加以支撑，以增强鲁棒性。另有文献提出了利用车辆信息进行液压力估计的方法，该方法将液压力估算公式中的制动器摩擦因数作为常数看待，但制动器摩擦因数受车速、制动器温度等影响较大，导致液压力估算失准。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，该方法包括如下步骤：
S1：根据车辆纵向动力学获取液压力估算公式；
S2：通过实车测试获取车辆的行驶阻力；
S3：通过实车测试获取制动器摩擦因数受制动初始温度、制动压力和车速的影响规律；
S4：按照一般驾驶习惯，设定一次制动过程中的车速变化区间，根据不同车速区间划分不同的摩擦因数，进而建立摩擦因数修正模型；；
S5：根据S2获取的行驶阻力和S4获取的摩擦因数修正模型，通过S1的液压力估算公式，计算主缸液压力。
S4的具体内容如下：
根据不同车速区间的摩擦因数实车试验结果选取临界车速，当车辆的车速在临界车速以上时，设定固定摩擦因数，当车辆的车速在临界车速以下时，设定随车速减小而增大的动态摩擦因数。
所述摩擦因数修正模型的表达式为：
Figure BDA0002962260640000021
式中：ux为车辆车速，u0为临界车速，K1为车速为零时的摩擦因数，K0为临界车速以上的固定摩擦因数。其中临界车速u0、车速为零时的摩擦因数K1和临界车速以上的固定摩擦因数K0根据实车测试数据确定。
相较于现有技术，本发明考虑了摩擦因数受车速、压力、温度等影响而产生的变动，构建了摩擦因数的修正模型，优于传统的基于固定摩擦因数的液压力估计方法，液压力估计的误差均方根由1.8248bar减小到0.9182bar，大大提高了估算准确率。
附图说明
图1为本发明实施例中基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法的原理流程图；
图2为本发明实施例中行驶阻力测试结果；
图3为本发明实施例中前、后盘初温分别为28℃、22℃时的制动试验结果；
图4(a)～图4(e)为本发明实施例中初始车速及制动压力大体相同、但初始制动盘温度不同的制动试验结果，具体地，图4(a)～图4(e)中，前、后制动盘初温分别为50℃、31℃；100℃、70℃；130℃、90℃；200℃、150℃；300℃、240℃；
图5为本发明实施例中初始制动车速为60km/h，制动压力分别为10bar、30bar和50bar的制动试验结果；
图6为本发明实施例中制动压力为15bar，初始车速分别为20km/h、40km/h、60km/h和80km/h时的制动试验结果；
图7为本发明实施例中制动力摩擦因数修正模型；
图8(a)～图8(d)为本发明实施例中主缸液压力估计实车试验结果，包括本发明与传统方法的对比，具体地，图8(a)为10bar以内的液压力估计效果，图8(b)为10bar左右的液压力估计效果，图8(c)为15bar左右的液压力估计效果，图8(d)为20bar左右的液压力估计效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，该方法包括如下步骤内容：
步骤一、根据车辆纵向动力学推导液压力估算公式。制动时，汽车行驶方程式为
δmax＝Fbrake+Frolling+Fwind+Fslope (1)
式中，δ为量换算系数，由于电动汽车不存在惯量较大飞轮，近似取δ＝1。m为整车质量，单位为Kg，假设其可由质量估计算法精确获取。ax为车辆纵向加速度，单位为m/s2，减速为正。Fbrake为制动力，单位为N；Frolling为滚动阻力，单位为N；Fwind为空气阻力，单位为N；Fslope＝mgsinα为坡度阻力，单位为N。α为坡的角度，上坡为正。g为重力加速度。
对于每个车轮，其制动力矩为：
Tbrake_i＝kip (2)
式中，i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；ki为液压力-制动力矩换算系数，单位为Nm/bar，其与制动器摩擦因数成正比，为简化问题，本发明使用ki表征制动器摩擦因数；p为制动液压力，单位为bar。
每个车轮的制动力为：
Figure BDA0002962260640000041
其中，ri为车轮滚动半径。假设各车轮半径相同，即r1＝r2＝r3＝r4＝r，则将式(3)代入式(1)可得：
Figure BDA0002962260640000042
根据惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)工作原理可知：
aIMU＝-ax+gsinα (5)
其中，aIMU为IMU输出，单位为m/s2。将式(5)代入式(4)可得：
Figure BDA0002962260640000043
步骤二、通过实车测试获取行驶阻力。
由式(6)知，液压力精确估计需要精确获取行驶阻力(Frolling+Fwind)及
Figure BDA0002962260640000044
滑行时，汽车行驶方程式为：
max＝Frolling+Fwind+Fslope (7)
通过式(7)可得到行驶阻力为：
Frolling+Fwind＝-maIMU (8)
根据式(8)，利用滑行试验测的行驶阻力如图2所示，其解析式如式(9)和式(10)，式中，A、B、C分别为系数。
Figure BDA0002962260640000051
Figure BDA0002962260640000052
式中，ux为纵向车速，单位为km/h。
步骤三、通过实车测试获取制动器摩擦因数受制动初始温度、制动压力和车速的影响规律，并提出摩擦因数修正模型。
首先研究了初始温度对摩擦因数的影响，定义摩擦因数
Figure BDA0002962260640000053
通过不同制动盘初始温度的实车制动试验，利用式(11)获取K受温度的影响规律。
Figure BDA0002962260640000054
如图3所示，在未施加液压力时车辆处于滑行状态，此时K基本为零；当制动结束、车速减为零后快速下降并收敛于负值，证明了式(6)、式(11)的正确性及行驶阻力辨识的准确性。施加制动压力后K快速上升并收敛，说明从液压力输入到IMU输出有一个小的延迟(50～100ms)。在以一定压力制动时，K随时间越来越大，这是因为制动时摩擦副温度升高(但未达到临界温度)，摩擦因数变大，导致K变大。另外制动过程中车速降低，也导致K增大，即“Stribeck”效应。
通过反复加速、制动，令制动盘温度上升，再次进行试验。结果如图4(a)～图4(e)所示。可见，制动盘初始温度在130℃以内时，温度对摩擦因数进程的影响不大，从制动开始到制动结束基本都是从55Nm/bar上升到70Nm/bar；但200℃以上时影响较大。
文献指出，一般行驶工况下，制动盘温度的热平衡维持在100℃左右。本实施例进一步测试了正常驾驶10km左右的一段普通城市公路结束后的制动盘温度，如表1所示。其中，1号驾驶员的驾驶风格偏向“舒适稳健”，2号驾驶员的驾驶风格偏向“刚劲生猛”。
表1正常驾驶制动盘热平衡温度统计表
Figure BDA0002962260640000055
Figure BDA0002962260640000061
受试验条件限制，本实施例只测试了环境温度为10℃时的情况。从测试结果看出，每次行程结束后的制动盘温度与不同驾驶员的驾驶风格及路况等有关，但大体都在130℃以内。
由此可得出结论：正常驾驶工况下可忽略初始温度变化对摩擦因数进程的影响。
下面研究制动压力及车速对摩擦因数的影响：
为研究制动压力和车速对摩擦因数进程的影响，本实施例设计制动初始车速为20km/h、40km/h、60km/h、80km/h，制动结束车速为零，制动液压力(通过IEHB线控功能实现)为5bar、10bar、15bar、20bar、30bar、40bar、50bar、60bar、70bar的试验方案。由表1统计的制动盘温度数据得到，正常驾驶情况下制动盘初温平均在90℃左右，因此试验中每次制动时令制动盘初始温度为90℃。
以初始制动车速60km/h为例，研究不同制动压力对摩擦因数的影响，如图5所示。可见，制动压力对摩擦因数几乎不产生影响。
一般驾驶情况下，制动压力在30bar以内，因此以15bar为例研究车速对摩擦因数的影响，如图6所示。
摩擦因数随车速增大存在负斜率效应，具体地，初始车速为20km/h时，全部是负斜率；初始车速为40km/h、60km/h和80km/h时的负斜率拐点分别为30km/h、45km/h和60km/h左右(现象一)。不同初始车速的摩擦因数并不重合，初始车速越大，制动结束时的摩擦因数越大(现象二)。
以上两现象的解释为：制动过程中摩擦副温度是会升高的(尤其是初始制动车速较大时)，这使得摩擦因数增大。注意，前述文本的结论“正常驾驶工况下初始温度对摩擦因数的影响可以忽略”是指“在相同的初始车速下”。而初始车速不同时，由于制动升温不同，即使初温相同，摩擦因数的变化进程也会不同。
需要说明的是，正常驾驶中很少出现从80km/h一次性地减速到零的情况。假设更一般的情况是在一次制动过程中从“80km/h减速到60km/h”、从“60km/h减速到40km/h”、从“40km/h减速到20km/h”和从“20km/h减速到0”。根据以上几个车速区间的摩擦因数的走势，定义摩擦因数修正模型为分段一次函数，当车速低于某一临界车速时，摩擦因数随着车速减小而增大；当车速在临界车速以上时，摩擦因数固定不变，如式(12)所示。
Figure BDA0002962260640000071
其中，ux为车辆车速，u0为临界车速，K1为车速为零时的摩擦因数，K0为临界车速以上的摩擦因数。以上三个参数u0、K1、K0可根据图7的测试数据进行初步标定，并可在液压力估计的实车试验中进行更精确的标定(由于前面在划分车速区间时，有一定的主观性。另外，将摩擦因数修正模型定义为分段的一次函数存在对试验结果的近似处理。基于以上原因，可对摩擦模型中的三个参数进行更精确的标定，即，在实车试验中，让估计的液压力与实际液压力的误差最小为原则，调试以上三个参数)。本实施例的标定结果为：
Figure BDA0002962260640000072
步骤四、根据实测的行驶阻力和摩擦因数修正模型，利用公式(6)，以正常驾驶情况下的实车试验进行压力估算算法验证。为凸显本发明所提方法的优越性，与固定摩擦因数K＝55进行对比，试验结果如图8(a)～图8(d)所示。可见，本发明所提出的液压力估计算法由于摩擦因数的修正作用，在车速较低时具有更高的估计精度，均方根误差为0.9182bar；而基于固定摩擦因数的主缸液压力估计方法均方根误差为1.8248bar。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据车辆纵向动力学获取液压力估算公式；
2)通过实车测试获取车辆的行驶阻力；
3)通过实车测试获取制动器摩擦因数受制动初始温度、制动压力和车速的影响规律；
4)按照一般驾驶习惯，设定一次制动过程中的车速变化区间，根据不同车速区间划分不同的摩擦因数，进而建立摩擦因数修正模型；
5)根据步骤2)获取的行驶阻力和步骤4)获取的摩擦因数修正模型，通过步骤1)的液压力估算公式，计算主缸液压力。
2.根据权利要求1所述的基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，其特征在于，步骤4)的具体内容为：
根据不同车速区间的摩擦因数实车试验结果选取临界车速，当车辆的车速在临界车速以上时，设定固定摩擦因数，当车辆的车速在临界车速以下时，设定随车速减小而增大的动态摩擦因数，进而建立摩擦因数修正模型。
3.根据权利要求2所述的基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，其特征在于，所述摩擦因数修正模型的表达式为：
Figure FDA0002962260630000011
式中：ux为车辆车速，u0为临界车速，K1为车速为零时的摩擦因数，K0为临界车速以上的固定摩擦因数。
4.根据权利要求3所述的基于制动器摩擦因数修正的主缸液压力估计方法，其特征在于，临界车速u0、车速为零时的摩擦因数K1和临界车速以上的固定摩擦因数K0根据实车测试数据确定。
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