一、概述

汽车制动系统及底盘其他操纵机构是决定车辆安全性的最重要子系统，而对制动系统和其他底盘操纵结构的设计需要考虑在车辆实际的工作条件下系统的动态响应，尤其对制动系统设计和参数匹配是与车辆的本身动力学响应密切相关的。由于车辆行驶工况的多样性以及整车动力学响应的复杂性，需要在设计阶段借助仿真工具来对整车的性能进行模拟，辅助制动系统及其他底盘操纵机构的开发和设计。

图1 整车系统

如图1所示，制动系统对车辆形式性能的分析评估涉及整车多种子系统的耦合和集成。这就要求我们的软件工具能够在支撑车辆制动系统开发的同时能够为整车系统开发和集成提供完整的解决方案。

西门子Simcenter Amesim(图2)是当前CAE领域应用最为广泛的一维多领域仿真平台，它基于动态建模方法建立物理元件的数学模型，提供面向众多学科领域的专业应用库，包括控制、液压、气动、热、多相流、空调与冷却系统、电子电力、电磁、机械与动力传动、车辆动力学、内燃机，等等。这些专业库和库元件都经过了大量工程检验。能够全面的支撑整车车辆模型的开发需求和多属性分析。本文主要针对Simcenter Amesim在车辆制动系统开发上的应用进行阐述。

图2 Simcenter Amesim多领域机电系统综合建模与仿真平台

二、多级复杂度模型在制动系统开发中的应用

2.1 前期设计阶段

在前期设计阶段可以在Simcenter Amesim中开发功能模型或者使用企业模型库中的标准元件，快速进行方案评估和零部件的初步选型匹配（如图3、4、5）。

图3 前期不同制动管路方案评估模型

图4 前期不同制动管路方案评估模型

图5 轮边制动压力

2.2 详细设计阶段

传统车辆的制动系统主要由踏板-助力器-主缸-制动管路-轮边卡钳等部件组成。随着车辆技术的革新和进步，ABS/ESP等电子辅助系统也已经应用到车辆制动系统中。特别随着新能源车辆市场的发展，车辆制动系统架构产生了新的变革，不同制动系统对车辆制动性能的影响及优化，都对制动系统的设计开发提出了新的任务要求。

在详细设计阶段，可以在Simcenter Amesim中开发详细零部件级模型，从底层支持制动系统的开发和优化。

制动主缸详细模型开发：

如图6所示，在Simcenter Amesim中根据主缸的几何设计参数，进行详细模型的开发。可评估回位弹簧及阀口设计参数等对主缸的空行程、压力动态建立过程等进行详细分析。并可进一步分析主缸的血液量对轮边制动压力建立过程的影响。

图6 制动主缸详细模型开发

助力器详细模型开发：

图7 真空助力器

传统燃油车的制动系统会借助真空助力器实现踏板力输入的辅助功能。Simcenter Amesim详细真空助力器的开发（如图7），可以帮助开发人员分析该部件对制动压力建立的动态影响；并同时通过参数敏感性分析，详细理解助力器各设计部件对其输出外特性的影响（始动力、助力比、最大助力点等）。

图8 电动助力器

而随着新能源车的发展，电动助力系统（如图8）也被广泛应用在车辆制动系统中。Simcenter Amesim的详细模型开发可以快速帮助设计开发人员进行详细系统的开发：主力比的匹配、压力建立动态特性分析、踏板感分析等。

制动卡钳详细模型开发：

图9 制动卡钳

Simcenter Amesim中开发详细制动卡钳模型（图9），支持对其进行制动压力动态建立过程的同时，还可以考虑其变形量进行需液量分析。进一步结合热模型的开发，可以对制动盘连续制动中的热衰退现象进行分析。

2.3 系统集成及控制开发

上面内容介绍了制动系统核心零部件的详细模型开发应用。随着制动系统的开发进程，我们需要结合整车模型（图10）对车辆制动性能进行评估。在条件允许的情况下，我们同时可以集成ABS/ESP等电子控制系统，进一步评估车辆在制动工况中的动态性能。

图10 制动系统整车模型

整车制动性能的动态表现是由制动系统中所有零部件动态性能耦合作用的最终表现，每一个零部件外特性动态性能通过数值手段的准确表达是最终车辆制动性能置信度评估的关键。基于此，设计人员可以快速通过模型完成整车制动性能（图11）的分析。

图11 整车制动性能分析

三、制动系统控制开发

如前文所述，随着电子控制系统在车辆上的广泛应用，制动系统中的电子控制辅助系统开发对最终车辆制动性能的表现至关重要（ABS、ESP等）。而Simcenter Amesim具备成熟的FMI数据接口的同时，与Simulink也有稳定的数据接口，可以全面支持用户模型在环、软件在环的测试应用（如图12）。

Simcenter Amesim提供了一系列的模型分析工具，来帮助用户实现模型的实时化。同时Simcenter Amesim也提供了专业的模型降阶工具（Simcenter ROM Builder），为模型的实时化提供了另一种技术路线。经过实时处理的Amesim模型可以被部署到目标实时系统中，实现HIL应用，完成相关控制器的测试验证。

图12 制动系统MIL应用

图13 制动系统HIL应用

四、结论

随着新能源车市场的发展，自动驾驶等新型技术的应用，制动系统从零部件、系统架构到控制系统的功能都迎来了新的应用挑战。

1）制动能量回收功能在能源效率、舒适性、安全性上的平衡。

2）自动驾驶功能中制动系统的动态响应、稳定性上的平衡

3）不同驾驶模式下踏板感的匹配

4）新型制动系统零部件、新型制动系统架构在功能安全、性能、成本等方面的多属性平衡…

解决以上问题，传统的手段从人力、物力、时间上的投入是巨大的。很难满足当前车型技术快速迭代的市场节奏。西门子Simcenter Amesim为我们制动系统开发提供了基于模型的解决方案。其多专业、多层级、多模型算法的特点，可以在产品开发的各个阶段为我们提供全面的数值计算支撑。

图14 基于模型的制动系统开发

欢迎联系咨询：

• 作者：景腾跃

• Email：tengyue.jing@siemens.com