Adams制動仿真助力美馳汽車公司縮短30%制動距離

Cruise

2023年8月8日 16:33

項目背景

監管機構正在不斷要求汽車制造商提高性能標準，其中一個典型的例子就是聯邦機動車輛安全標準105和121，兩個標準對制動系統的要求愈發的嚴格，要求重型卡車和掛車在常規制動以及緊急制動條件下都應具有很好的安全制動性能。這些法規中的典型要求是減小緊急條件下的制動距離。實現這樣的目標可以通過設計更大、更重、更昂貴的制動系統來達到目的。但美馳的首席工程師Ragnar Ledesma并沒有采用這種方法，而是通過更改ABS的控制算法來實現所有中重型卡車的制動目標。

ABS系統是基于mu-slip曲線(摩擦系數與輪胎縱向滑移曲線)來設計的，而mu-slip曲線定義了輪胎縱向滑移與制動力矩的關系。mu-slip曲線上，滑移率為10%到15%的區間，一般為最大制動扭矩位置。制動過程中，不斷的增加制動的壓力，某一刻輪胎的滑移率超過這個最佳的點，從而使制動扭矩減小。ABS系統的目的是防止制動壓力大幅度增加，超過最大制動力矩發生的點。除了控制制動力矩，ABS系統還能使輪胎繼續滾動，這有助于司機保持轉向能力。

通過比較每一個車輪與整車的速度，ABS系統可以預估輪胎縱向滑移。輪胎的速度用傳感器很容易測量，車輛的速度不能直接測量，所以需要通過一套算法來估算整車的速度。該算法的輸入主要包括每個車輪的輪速、轉向車輪轉角、橫擺角以及汽車是否在剎車還是加速模式。當前ABS系統的狀態是由離散的控制系統來定義的，對應的離散狀態分別為增壓，減壓和保壓三種。這限制了達到最大化制動扭矩的能力，整車在整個制動過程中，均會使輪胎滑移率保持在最優滑移率位置上下波動。

項目挑戰

Ragnar Ledesma考慮使用更復雜的滑移模式控制方法-變結構控制。通過這種控制來持續的控制施加到每個車輪的制動壓力，從而在整個制動過程中，維持車輪的滑移率最大化接近目標值。他研究出了一套分散管理的控制策略，即各個車輪相互獨立的控制，整車與車輪子系統之間，在控制部分沒有耦合關系。這樣，每個系統（即輪胎）僅有一個基于輪胎滑移率計算出的控制輸入變量（制動力矩）。

計算等效控制力矩需要估計制動力的大小，而獲取制動力的方法是使用自適應非線性觀測器來實現的。這是建立一組微分方程來模擬一個特定的過程，通過給定系統的輸入和輸出的時間歷程，得到系統狀態變量的估算值。為了評估和驗證這種方法的有效性，Ledesma面臨的挑戰是在制動過程中準確的模擬控制系統和整車。

解決方案

Ledesma最終決定使用Adams軟件的原因，主要是美馳的動力學仿真（包括操穩性能、平順性能、動態載荷等）均采用廣泛應用、求解精度高的Adams多體動力學軟件。

Adams Controls模塊能夠將卡車動力學模型與ABS控制系統模型進行融合。美馳沒有應用永久的Adams Controls的license,而是使用了基于點數的license系統-MSC One。MSC One可以讓美馳靈活的去使用Adams的各個模塊，甚至MSC的相關產品，這樣在不單獨采購相關模塊時就可以使用MSC的所有相關產品。它支持使用頻率不是很高但很關鍵的模塊，例如Adams Controls模塊用于控制系統的驗證，雖然應用頻率相對較低，但卻是十分關鍵的功能。相比傳統的維護單個license的方法，Meritor則是通過點數池MSC One來實現訪問控制模塊，該替代方案更加經濟有效。

圖1：應用Adams評估ABS的性能

為了評估新的控制概念，Ledesma模擬了一輛總重量為76,500 lbf的滿載牽引半掛車,仿真的工況是在60mph的速度下進行緊急停車。在模擬中直接測量了每個輪端的車輪角速度和主軸前后加速度。對主軸加速度信號進行數值積分，求出主軸前后速度。仿真假設制動系統可以提供所需的制動力矩。

所需制動扭矩的峰值為:在55mph時，前橋扭矩是12,000 Nm；平衡驅動橋的扭矩是20,000 Nm，拖車平衡橋的扭矩是14,600 Nm。目前，盤式和鼓式制動器可以滿足這些扭矩要求。

結果與收益

仿真顯示了提議的控制系統，在不到4s的時間內就可以使整車停止，制動距離為54米。通過一套更好的控制規則，在不進行制動硬件變化的情況下就完成了制動性能的提升。相比于傳統ABS控制系統的波動減速度，新控制規則帶來的是幾乎恒定的減速度。仿真結果也說明了，新的控制規則下，在整個制動過程中，車輪的角速度和輪胎滑移率一直維持在最優值狀態，所以新的ABS控制系統能夠將制動力維持在最大制動力狀態。