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原文传递汽车永磁与摩擦集成制动装置设计理论和系统协调控制

论文题名：	汽车永磁与摩擦集成制动装置设计理论和系统协调控制
关键词：	汽车永磁制动装置;汽车摩擦制动装置;优化设计;系统协调控制
摘要：	车辆在长时间持续制动、高强度制动或频繁制动时，摩擦制动盘或制动鼓的温度会大幅度升高，使得摩擦副的摩擦因数下降、磨损程度加重，出现制动效能部分甚至全部损失的危险热衰退现象。永磁缓速器是车辆辅助制动装置中的一种，可以有效分流摩擦制动器的负荷，提高摩擦制动器的使用寿命和车辆制动安全性能，且具有非接触、体积小、质量轻、磁体温升低及节能环保等优点。因此，对永磁与摩擦集成制动装置开展结构创新和设计理论研究显得尤为重要。　　永磁与摩擦集成制动装置集成了永磁制动功能和摩擦制动功能，在制动过程中期望能够充分发挥两者的各自优点。然而，永磁制动组件和摩擦制动组件的结构原理、工作特性等存在着很大的差异，因此有必要对永磁制动组件和摩擦制动组件进行动态协调控制。同时，制动意图解析是永磁与摩擦集成制动技术的关键问题之一。正确及时地解析驾驶员的制动意图和制动强度，可以优化制动力分配策略，缩短制动器作用时间，充分发挥永磁制动的优点，提高车辆制动感觉一致性及综合制动性能。基于上述背景，本文围绕汽车永磁与摩擦集成制动装置设计理论和系统协调控制，开展了以下几个方面的研究工作：　　（1）提出了一种新型永磁与摩擦集成制动装置设计方案。基于乘用车型创新地提出了一种车辆轮边式永磁与摩擦集成制动装置结构设计方案，阐述了永磁与摩擦集成制动装置的结构组成及工作原理；根据所选车型数据对永磁与摩擦集成制动装置制动转矩、结构参数等进行了设计计算；构建了永磁制动组件的优化设计模型，基于粒子群优化算法对永磁制动组件进行了结构参数寻优；通过永磁制动组件闭合磁路分析和三维磁场有限元分析，计算得到永磁制动组件在最大制动转矩状态和非制动状态下的漏磁系数，进而确定了集成制动装置样机的设计参数。　　（2）探索了永磁与摩擦集成制动装置多场耦合数值模拟方法。详细分析了永磁与摩擦集成制动装置多物理场耦合机理；针对电-磁-热多物理场耦合问题，建立了集成制动装置多场耦合数学模型、电磁场数学模型及温度场数学模型；采用间接耦合分析法和直接耦合分析法对永磁制动组件进行了多场耦合数值模拟，并与试验结果进行了对比分析；基于直接耦合分析法，以中等强度制动、恒速下坡制动两种工况为例，对集成制动装置的温度变化情况进行了数值模拟分析，得到了永磁制动组件能够有效提高摩擦制动组件的抗热衰退性能。　　（3）探索了一种基于支持向量机的制动意图解析方法。基于VBOXⅢ整车性能测试系统搭建了制动意图解析整车试验平台，测试获取了一定数量的制动试验样本数据；基于支持向量机基础理论，构建了以制动踏板位移、制动踏板力及制动减速度为特征参数的制动意图解析SVM模型，选取RBF核函数为SVM核函数，基于k折交叉验证法和网格搜索法对惩罚因子C与核函数参数σ进行了寻优；基于整车实际试验数据，选取平缓制动、常规制动及紧急制动三种典型制动工况，对所构建的SVM模型进行了离线测试，验证了SVM模型的准确性和有效性。　　（4）构建了永磁与摩擦集成制动装置整车联合仿真模型。从动态协同工作过程、制动模式切换过程的角度，分析了永磁与摩擦集成制动系统协同机理；基于CarSim和Simulink构建了集成制动系统整车联合仿真模型；建立了永磁制动组件的数学模型，设计了基于正向查表、反向查表及步进电机闭环控制的永磁制动转矩控制策略，仿真验证了所提出的模型和控制策略的有效性；构建了EHB系统的数学模型，针对制动执行纯滞后问题提出了基于Smith预估补偿控制算法的轮缸压力双闭环控制策略，仿真验证了所提出的模型及控制策略的有效性。　　（5）提出了一种永磁与摩擦集成制动装置动态协调控制策略。采用抗饱和PID闭环控制解决制动强度反向偏差响应迟滞问题；定义了集成制动系统三种典型制动力分配曲线，在考虑ECE法规约束的基础上制定了车辆前、后轴集成制动装置制动力分配策略和永磁制动、摩擦制动制动力分配策略；针对制动模式切换平顺性问题，设计了一种协同U型过渡协调控制和动态补偿协调控制的联合协调控制策略；采用了永磁制动占比系数与制动冲击度两个定量评价指标，对所提出的制动力分配策略和动态协调控制策略进行了仿真验证与分析。　　（6）开展了永磁与摩擦集成制动装置的相关试验研究。搭建了永磁与摩擦集成制动系统制动特性试验平台和协调控制试验平台；开展了永磁与摩擦集成制动装置制动特性试验研究和协调控制试验研究，验证了所提出的永磁与摩擦集成制动装置动态协调控制策略的实际有效性。
作者：	王奎洋
专业：	车辆工程
导师：	何仁
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021