越野车ESP液压系统动态特性研究

宋 杰，寇西征，郑贤文，林光成，叶建伟

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

汽车电子稳定性程序 （Electronic Stability Pro gram，ESP）是改善汽车行驶性能的一种控制系统。因为ESP能较大提升车辆的主动安全水平，其在乘用车上的装备量近些年急剧增加，而越野车由于自身结构和技术参数与乘用车差别较大，其底盘高、质心位置高且偏向车身中部的特点使得其行驶稳定性不易控制。目前，国内外学者对乘用车ESP进行了广泛的研究，而对越野车ESP的研究较少，随着越野车市场的迅猛发展，人们对越野车的操纵稳定性和安全性的要求越来越高，因此越野车ESP有广阔的发展空间［1］。

ESP主要由液压系统、传感器和ECU组成，其工作性能和控制品质不仅与传感器和ECU的控制逻辑有关，而且还与其液压系统的动态特性紧密相连。ESP液压系统作为执行机构，是一个在短时间内完成动态响应的高速响应系统，为保证ESP的工作可靠性和控制精度，而进行其液压系统动态特性的研究是十分必要的［2］。

1 ESP液压系统模型的建立

1.1 ESP液压系统结构及工作原理

某典型ESP液压系统结构如图 1所示［3］，主要包含：制动主缸、制动轮缸、液压调节器。ESP含有3种制动状态：被动制动、半主动制动、全主动制动。其中全主动制动状态是在车辆处于不稳定状况，驾驶员未踩下制动踏板，ESP检测到此时车辆所处的状态，将转换阀（USV）关闭，高压开关阀（HSV）打开，电动机驱动回液柱塞泵（PE）转动，液压介质从制动主缸（和低压蓄能器AC）经高压开关阀（HSV）进入回液柱塞泵（PE），压力升高后经高压阻尼器和进液阀（EV）进入制动轮缸，产生足够的制动压力。高压阻尼器可减弱油压脉动。当车辆恢复到稳定行驶状态后，排液阀（AV）打开，过高压力的液压介质经排液阀（AV）流入低压蓄能器（AC），此时低压蓄能器的液压介质成为ESP下一次增压的油源。在新的增压过程中，液压介质在回液柱塞泵（PE）的驱动下，从低压蓄能器（AC）出发通过高压阻尼器，进液阀（EV）再次进入制动轮缸。如此的增减压循环直至系统退出ESP模式。

1.2 ESP液压系统数学模型的建立

根据流体力学相关理论，建立ESP液压系统主要模块的数学模型，为ESP动态特性分析提供理论支撑［4］。

1.2.1 油泵模型

油泵模型是预压单元中预压泵和回液柱塞泵模型，输出量为流量，输入量为压力。定义预压泵和回液柱塞泵的排量和驱动电机的转速，并将液压介质和机械损失等对系统的影响忽略，得出其数学模型为：

式中：q为油泵输出流量，L/min；V为油泵排量，cc/r；n为驱动电机转速，r/min；E为制动液体积模量，bar；Pin为油泵入口端压力，bar；Pout为油泵出口端压力，bar；a为油泵压力因子。

油泵排量V为0.1 cc/r，驱动电机转速n为3 000 r/min，压力因子a为0～1某一数值，制动液体积模量E为17 000 bar。

1.2.2 蓄能器模型

ESP中弹簧活塞式蓄能器包括低压蓄能器和高压阻尼器两种。输出量为压力，输入量为液压介质的流量，忽略活塞重力，需要定义的参量为弹簧刚度、活塞行程和直径，得出数学模型为：

式中：P为蓄能器端口压力，Pa；qout为蓄能器端口流量，L/min；Ap为活塞直径，m2；K 为弹簧刚度，N/mm；Vol为蓄能器中液压介质体积，m3。

不同蓄能器的模型可通过调整弹簧刚度和活塞直径获取。

1.2.3 节流器模型

节流器模型的输出量为流量，输入量为液压介质的压力。其数学模型为：

式中：Q为液压介质流量，m3/s；Cqmax为最大流量系数；ρ为液压介质密度，kg/m3；Δp为节流器模型两端压力差，Pa；A 为节流孔截面积，m2；λc为液压介质流动雷诺数；χ为节流孔湿周长度；η为液压介质动力粘度，mm2/s。

节流器模型中雷诺数λc取100，最大流量系数Cqmax取0.7，动力粘度η取42.5mm2/s，液压介质密度ρ取850 kg/m3。节流器流量特性可通过改变节流器的孔径获取。

1.2.4 液压控制阀模型

由于ESP中各液压控制阀的作用不同，所以它们的特征尺寸亦有差别。高压开关阀（HSV）的阀座孔径较大为2.5 mm，而进液阀（EV）和排液阀（AV）的阀座孔径约为0.5 mm，液压控制阀的流量特性可按式（3）计算。

液压控制阀的关闭和开启均存在一定的延迟，对阀芯的速度和位移引入二阶延迟环节进行计算：

式中：ω为固有频率；ζ为阻尼比。

1.3 ESP液压系统模型的建立

AMESim是世界著名的工程系统高级建模、仿真和动力学分析软件，用户可在其提供的友好环境下仿真分析系统或元件的动态特性或稳定性。利用AMESim软件建立ESP液压系统模型如图2所示。

2 ESP液压系统动态特性仿真分析

利用AMESim软件模拟ESP液压系统在全主动制动状态下系统增压、保压、减压的工作过程。参考相关资料，设置ESP系统参数，仿真运行结果如图 3～图 5 所示，曲线 1（实线）代表进液阀（EV），曲线2（点划线）代表排液阀（AV）。图6和图7曲线1（实线）代表左后轮鼓式制动器，曲线2（点划线）代表右前轮盘式制动器。

从仿真结果可以看出，在控制信号驱动下，增压阀、减压阀可实现周期性的开启和关闭，轮缸制动压力和流量也呈现周期性变化，以实现制动车轮的增压-保压-减压-保压的循环工作。

进液阀和排液阀并不随着控制信号的通断立即开启、关闭，而是存在明显的迟滞特性，这与实际电磁阀的工作过程吻合。

3 ESP液压系统动态特性影响因素分析

根据动态特性相关理论，拟定ESP液压系统的动态特性指标，包含两个方面：①ESP液压系统的流量脉动、压力的瞬间峰值和压力的波动，即系统的稳定性；②制动轮缸压力响应速度。

在沟道边坡，农田中的污染物质在透过透水型护砌材料进入沟道过程中，护砌材料会对氮磷等污染物质发生物理吸附、生物降解以及沟道植被的吸收而使污染物浓度降低。

本文从液压介质、预压单元、回液柱塞泵排量、进液阀、排液阀、低压弹簧蓄能器和制动轮缸等因素来分析ESP液压系统的动态特性。

3.1 液压介质对ESP液压系统动态特性的影响

液压介质（即制动液）是ESP液压系统中传递压力的工作介质。参考相关资料，设置ESP参数，得到左后轮制动轮缸的压力和流量响应曲线如图8和图9所示，曲线1（实线）代表液压介质动力黏度为1 500 cP，曲线2（点划线）代表液压介质动力黏度为42.5 cP，曲线3（虚线）代表液压介质动力黏度为1.50 cP。

动力黏度为1 500 cP时，由于此时液压介质的黏度太大，液压介质在ESP液压系统管路中所受到的阻力较大，致使制动车轮轮缸压力和流量较低；动力黏度为1.5 cP时，液压介质的黏度过小将导致液压介质的泄露量增加，影响汽车ESP的控制精度。

3.2 预压单元预压力对ESP液压系统动态特性的影响

预压泵使ESP在全主动制动状态克服低温下液压介质粘度高的影响很快建立系统压力。预压泵和压力传感器配合对制动主缸进行预压，动态的保证制动主缸稳定在一定的压力。

参考相关资料，设置ESP系统参数，得到左后轮制动轮缸的压力和流量响应曲线如图10和图11所示，曲线1（实线）代表预压单元预压力为0 bar，曲线2（点划线）代表预压单元预压力为25 bar，曲线3（虚线）代表预压单元预压力为50 bar。

由图10和图11可以看出，当ESP液压系统制动主缸没有预压时，制动轮缸压力和流量响应缓慢；给制动主缸一定的预压力，制动轮缸的压力和流量迅速增加。

3.3 回液柱塞泵排量对ESP液压系统动态特性的影响

ESP液压系统要求的压力较高，故回油泵采用能够产生高压的柱塞泵。参考相关资料，设置ESP参数，得到左后轮制动轮缸的压力和流量响应曲线如图12和图13所示，曲线1（实线）代表回液柱塞泵流量为0.05 cc/r，曲线2（点划线）代表回液柱塞泵流量为0.1cc/r，曲线3（虚线）代表回液柱塞泵流量为 0.15 cc/r。

3.4 进液阀、排液阀截流面积对ESP液压系统动态特性的影响

ESP液压系统的进液阀（EV）和排液阀（AV）是典型的二位二通电磁换向阀。利用AMESim软件模拟汽车ESP液压系统工作过程，得到左后轮制动轮缸的压力和流量响应曲线和低压蓄能器活塞位移曲线如图14和图15所示，曲线1（实线）代表进液阀（EV）阀口截流面积 0.4 mm2，排液阀（AV）阀口截流面积 0.5 mm2；曲线 2（点划线）代表进液阀（EV）阀口截流面积 0.5 mm2，排液阀（AV）阀口截流面积0.6 mm2；曲线 3（虚线）代表进液阀（EV）阀口截流面积 0.6 mm2，排液阀（AV）阀口截流面积 0.7 mm2。

由图14和图15可以看出，随着进液阀和排液阀截流面积的增大，制动轮缸的压力和流量都在增大，但是增大的不是特别明显，这就说明进液阀和排液阀的截流面积对汽车ESP液压系统动态特性的影响较小。

3.5 低压蓄能器对ESP液压系统动态特性的影响

ESP液压系统中的低压蓄能器为弹簧活塞式，它的主要作用是储存制动轮缸减压阶段经排液阀（AV）排出的高压液压介质，并作为液压系统下次增压循环回液柱塞泵的油源。低压蓄能器的特征参数为活塞行程与活塞直径。

利用AMESim软件模拟ESP液压系统工作过程，参考相关资料，设置ESP参数，得到左后轮制动轮缸的压力和流量响应曲线如图16所示，曲线1（实线）代表低压蓄能器活塞直径15 mm，活塞行程10 mm；曲线2（点划线）代表低压蓄能器活塞直径20 mm，活塞行程10 mm；曲线3（虚线）代表低压蓄能器活塞直径25 mm，活塞行程10 mm。

由图16可以看出，制动轮缸在减压过程结束后的压力随着低压蓄能器活塞直径的增大而降低，但因为回液柱塞泵的转速与排量不变，这势必造成下一增压循环制动轮缸压力的不足。

3.6 制动轮缸对ESP液压系统动态特性的影响

本文车轮制动器前轮采用盘式制动器，制动轮缸直径50 mm，后轮采用鼓式制动器，制动轮缸直径32 mm。利用AMESim软件模拟汽车ESP增压、保压、减压的工作过程。参考相关资料，设置ESP液压系统参数，仿真运行结果如图17和图18所示，图中曲线1（实线）代表左后轮鼓式制动器制动轮缸，曲线2（点划线）代表右前轮盘式制动器制动轮缸。

由图17和图18可以看出，后轮鼓式制动器制动轮缸的压力响应速度大于前轮盘式制动器制动轮缸的压力响应速度；而后轮鼓式制动器制动轮缸的流量小于前轮盘式制动器制动轮缸的流量。

4 结束语

本文主要分析了液压介质、预压单元、回液柱塞泵、进液阀、排液阀、低压弹簧蓄能器和制动轮缸6个因素对汽车ESP液压系统动态特性的影响。

在进行建模仿真过程中将一些液压器件的泄露和液压管道的阻力等忽略；预压单元建模和液压调节器中各控制阀的控制信号进行简化；文中所得结论有待试验进一步验证。

［1］王国业，付燕荣，曾蔚瑛.越野车ESP控制原理仿真研究［C］.中国汽车工程学会越野车技术分会2008年学术年会论文集，2008：310-315.

［2］魏春源，等译.汽车安全性与舒适性系统［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［3］顾柏良，等译.BOSCH汽车工程手册［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［4］祁雪乐，宋健，王会义，等.基于AMESim的汽车ESP液压控制系统建模与分析［J］.机床与液压，2005，8：115-118.