面向智能制动的车辆气压制动回路基础件气动特性计算方法研究

摘要

车辆气压制动系统是广泛用于客车、载重车等商用车的基础装置，是保障自动驾驶安全的核心部件；其制动效能大、可靠性高和在动力源瞬时故障下仍能维持制动能力等特点，使其在自动驾驶中具有不可或缺的优势。汽车智能安全和自动驾驶等技术的发展亟需制动系统的智能化，智能制动则亟需构建适于实时精准控制需求的制动系统及其计算模型；但气压制动系统因其气动特性的复杂性导致其计算模型难以满足这些要求。因此，本文面向智能制动，以提高车辆和制动系统控制效率与精度为目的，融合理论解析、仿真分析和试验验证等方法，重点研究气压制动回路基础件气动特性的计算方法，主要研究工作如下： （1）在分析自动驾驶及智能安全技术现状与发展的基础上，基于SAE J3016标准，提出智能制动概念模型及其层次结构；对比分析不同制动方式，确定气压制动系统在商用车智能制动中的不可或缺性；面向智能制动，遵循“故障导向安全”原则，提出一种改进的气压制动回路，并明确气压制动回路基础件气动特性精准的计算模型是实现气压制动系统智能化的基础和前提。 （2）节流孔是气动基础件的基础结构，以此为对象，综合考虑节流孔结构尺寸、壁面摩擦和局部力欠损等要素，建立节流孔音速流导理论解析模型；采用ISO6358上游恒定压力测试方法构建试验系统，得到不同类别节流孔的流量特性数据，基此推导高精度节流孔音速流导计算式，并通过实验和文献对比分析等方法，验证其正确性和适用性。 （3）针对气压制动回路中的管道，考虑传热及壁面摩擦等因素，建立管道压力响应解析方程组；采用三阶精度立方插值拟质点方法（CIP，Cubic interpolated pseudo-particle），提出管道压力响应特性的计算方法；构建管道压力响应测试试验台，验证计算方法的正确性和高精度性；基于DOE和响应曲面法（RSM），得出管道主要结构参数对压力响应的影响规律。 （4）分别建立基于多变过程和考虑传热的气压制动回路气容充/放气压力响应的通用解析模型，并实验验证和对比分析两种模型的正确性与适用性。采用无因次分析方法，提出气压制动回路中气罐和制动气室压力响应的计算方法，分析得到关键结构参数对其的影响规律。 综合运用上述节流孔、管道和气容的研究结果，提出气压制动回路多元件耦合的压力响应特性计算方法，实验验证方法的正确性；同时，验证节流孔、管道和气容等研究结果综合应用的正确性与适用性，并提出综合应用方法。 （5）为实时调节气压制动系统制动能力并提升系统能效，提出在气压制动回路中增用增压阀，设计一种过程可控且能量可回收的新型气动增压阀；引入气动功率（Air Power）概念，建立气动增压阀的流量特性和能效解析模型；采用气动功率测量仪（APM）搭建气动增压阀特性等效测试试验台，验证模型的正确性；分析增压阀结构参数与使用参数对流量及能效特性的影响规律，寻求该新型增压阀适合工程应用的优势使用条件，为其工程应用提供理论基础。 论文的研究工作将较系统地提出气压制动回路基础件气动特性的计算方法，为气压制动回路的精确设计和实时精准控制提供理论基础，为气压制动系统的智能制动和车辆的自动驾驶提供技术支撑；同时，本文研究结果将进一步促进气动技术的发展，推进气压制动系统的技术提升和工程应用。

目录

论文中主要符号说明

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景和研究对象

1.1.1 论文的研究背景

1.1.2 论文的研究对象

1.2 论文主要研究内容的国内外研究现状

1.2.1 自动驾驶汽车与车辆智能安全的研究现状

1.2.2 气动基础元件气动特性的研究现状

1.2.3 气压制动回路压力响应特性的研究现状

1.2.4 目前存在的主要问题

1.3 论文的研究目的和意义

1.4 论文的课题支撑和主要研究内容

1.4.1 论文的课题支撑

1.4.2 论文的主要研究内容

第2章 面向智能制动的车辆气压制动回路及其气动特性

2.1 车辆的自动驾驶、智能安全与智能制动

2.1.1 自动驾驶

2.1.2 智能安全

2.1.3 智能制动

2.2 车辆气压制动回路及其面向智能制动存在的问题分析

2.2.1 传统气压制动回路及工作原理

2.2.2 气压制动回路面向智能制动存在的问题

2.3 面向智能制动的气压制动回路

2.3.1 气压制动在商用车智能制动中的不可替代性

2.3.2 面向智能制动气压制动回路的基本要求

2.3.3 面向智能制动的气压制动回路改进

2.3.4 面向智能制动的气压制动回路基础件气动特性

2.4 本章小结

第3章 气压制动回路基础件中节流孔音速流导的计算方法

3.1 气压制动回路基础件中节流孔的流量特性及计算问题

3.2 气压制动回路基础件中节流孔音速流导的解析模型

3.3 气压制动回路基础件中节流孔的流量特性实验

3.3.1 实验测试样件

3.3.2 实验系统与测试

3.3.3 实验测试结果

3.3.4 实验误差分析

3.4 气压制动回路基础件中节流孔音速流导的计算模型

3.5 气压制动回路基础件中节流孔参数的影响分析

3.5.1 临界压力比的影响

3.5.2 壁面摩擦系数的影响

3.5.3 力欠损系数的影响

3.5.4 直径比的影响

3.5.5 长径比的影响

3.6 气压制动回路基础件中节流孔音速流导计算式对比验证

3.7 本章小结

第4章 气压制动回路管道压力响应特性的计算方法

4.1 气压制动回路管道的压力响应特性计算问题

4.2 气压制动回路管道压力响应特性解析的CIP方法

4.3 气压制动回路管道压力响应的CIP解析

4.3.1 气压制动回路管道压力响应特性的控制方程

4.3.2 气压制动回路管道压力响应特性的控制方程求解

4.3.3 CIP解析中的若干问题

4.4 气压制动回路管道压力响应特性实验与对比分析

4.5 气压制动回路管道结构多参数影响分析

4.5.1 管长的影响

4.5.2 管径的影响

4.5.3 入口音速流导的影响

4.5.4 管道结构多参数综合影响分析

4.6 本章小结

第5章 气压制动回路气容与回路压力响应特性计算方法及验证

5.1 气压制动回路中的气容及其压力响应特性

5.2 气压制动回路气容充/放气压力响应特性解析模型

5.2.1 基于多变过程的气容压力响应特性解析模型

5.2.2 考虑换热的气容压力响应特性解析模型

5.2.3 基于实验的气容压力响应特性解析模型对比分析

5.3 气压制动回路气容之气罐压力响应特性的计算方法

5.3.1 气罐压力响应特性的解析模型

5.3.2 基于无因次分析的气罐压力响应计算方法

5.4 气压制动回路气容之制动气室压力响应特性的计算方法

5.4.1 制动气室压力响应解析模型

5.4.2 基于无因次分析的制动气室压力响应计算模型

5.4.3 制动气室压力响应的影响参数分析

5.5 气压制动回路压力响应特性的计算方法

5.5.1 气压制动回路管道与气容耦合压力响应计算方法

5.5.2 气压制动回路压力响应特性的计算方法

5.6 气压制动回路压力响应计算方法的实验验证

5.7 本章小结

第6章 气压制动回路增压阀及其动态特性的计算与分析

6.1 面向智能制动的气压制动回路增压阀

6.1.1 面向智能制动的气压制动回路增压阀的作用与改进

6.1.2 面向智能制动的增压阀结构与工作原理

6.1.3 面向智能制动的增压阀系统及其工作流程

6.2 气压制动回路增压阀系统的动态特性计算模型

6.2.1 气压制动回路增压阀系统流量特性计算模型

6.2.2 气压制动回路增压阀系统能效计算模型

6.2.3 气压制动回路增压阀系统动态特性的计算方法

6.3 气压制动回路增压阀动态特性计算模型的实验验证

6.4 气压制动回路增压阀动态特性及其影响因素分析

6.4.1 气压制动回路增压阀的基础特性分析

6.4.2 气压制动回路增压阀系统的流量特性分析

6.4.3 气压制动回路增压阀系统的能效特性分析

6.4.4 气压制动回路增压阀和传统增压阀动态特性对比分析

6.4.5 气压制动回路增压阀动态特性影响因素分析

6.5 本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的主要科研项目

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间申请的专利