轮胎动态摩擦特性对汽车ABS控制系统的影响

张向文
桂林电子科技大学

王飞跃
中国科学院复杂系统与智能科学重点实验室

【摘要】 基于轮胎的魔术公式模型，研究了轮胎在路面的最佳滑移率和最大摩擦系数随汽车速度的动态变化过程。利用李亚普诺夫稳定性理论，设计了汽车ABS控制系统滑模控制器，基于轮胎的Burckhardt模型，分别在考虑轮胎动态摩擦特性和不考虑轮胎动态摩擦特性时，对汽车ABS控制系统进行了仿真和比较研究。研究结果表明，轮胎动态摩擦特性对汽车ABS的最佳滑移率和轮胎摩擦系数具有一定影响，但是对汽车ABS的制动性能影响很小，因此进行汽车ABS控制系统设计时，可以不考虑轮胎动态摩擦特性的影响。

主题词：轮胎模型 动态摩擦特性 ABS 滑模控制器

1 前言

轮胎摩擦模型可以分为稳态模型和动态模型两种，稳态模型不考虑速度变化的影响，动态模型可以反映速度变化引起的轮胎摩擦状态动态变化。目前进行的汽车ABS研究中，一般基于轮胎稳态摩擦模型进行分析，基于轮胎动态摩擦模型的分析较少，文献［2］利用LuGre动态轮胎模型进行了路面状况估计的研究，但对汽车速度变化引起的轮胎动态摩擦特性没有深入研究，另外，轮胎动态摩擦特性对汽车ABS控制系统的影响还没有相关研究。

基于以上分析，本文利用轮胎动态摩擦模型，研究汽车速度变化对轮胎摩擦特性的影响，分析速度变化情况下的最佳滑移率和摩擦系数变化；在分析基础上，分别利用轮胎动态摩擦模型估计的最佳滑移率和摩擦系数与轮胎稳态摩擦模型估计的最佳滑移率和摩擦系数，设计汽车ABS控制系统并进行仿真，研究轮胎动态摩擦特性对汽车ABS控制系统性能的影响。由于魔术公式模型是目前精度较高的一种轮胎模型，在轮胎摩擦性能分析和研究中应用非常广泛，因此，本文在进行轮胎摩擦特性分析时采用魔术公式模型。

2 魔术公式模型

魔术公式模型参数具有明确的物理意义，可以用于轮胎摩擦特性的仿真和分析。本文为简化分析，

由图13可以看出，考虑轮胎动态摩擦特性时，制动时间为2.431s，制动距离为24.5329m；不考虑轮胎动态摩擦特性时，制动时间为2.434s，制动距离为24.5606m。由此可以看出，虽然考虑轮胎动态摩擦特性时的制动性能比不考虑轮胎动态摩擦特性时的制动性能好一点，但差别非常小，因此，在进行汽车ABS控制系统设计时，可以不用考虑轮胎动态摩擦特性的影响。

5 结束语

轮胎的最大纵向摩擦系数随汽车运动速度和轮胎在路面的滑移情况发生动态变化，随着车速的增加，轮胎最大纵向摩擦系数逐渐下降，最佳滑移率也逐渐下降。

通过对汽车ABS控制系统仿真表明，轮胎的动态摩擦特性对汽车ABS的制动性能影响很小，因此，在进行汽车ABS控制系统设计时，可以不用考虑轮胎动态摩擦特性的影响，采用轮胎稳态摩擦模型进行最佳滑移率的求解和轮胎摩擦状态的估计，简化控制系统的设计过程。

本文基于Burckhardt模型进行轮胎纵向摩擦系数的估计和最佳滑移率的求解，在进行汽车ABS控制系统仿真时，仅对单轮汽车模型进行了仿真分析，为了更好的验证本文结论，还需要利用汽车的单轨模型和四轮模型进行研究，并进行试验验证。