汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)跟隨特性的實(shí)驗(yàn)研究 ----意義與名詞解釋

　　1.1.1汽車線控制動(dòng)技術(shù)的研究背景

　　隨著中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車在人們生活中扮演的角色越來(lái)越重要，它已經(jīng)成為人類生活中不可缺少的一部分。人們?cè)谙硎芷噹?lái)舒適，方便的同時(shí)，也開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注汽車行駛的安全性。汽車安全性能很大程度取決于汽車制動(dòng)系統(tǒng)，良好的汽車制動(dòng)系統(tǒng)可以保證車輛的安全行駛。因此如何設(shè)計(jì)可靠的制動(dòng)系統(tǒng)，改善汽車的制動(dòng)性能，始終是汽車研究機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)。

　　環(huán)顧汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史，汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展之初，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的過(guò)程是駕駛員通過(guò)操作一組簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)，將作用力傳遞給制動(dòng)器，但要求車輛質(zhì)量小，低速行駛的情況。隨著汽車自重的增加，車速的提高，對(duì)于機(jī)械制動(dòng)器來(lái)說(shuō)需要一種助力裝置，這時(shí)出現(xiàn)了真空助力裝置。1923年凱迪拉克公司在其生產(chǎn)的V16車上開(kāi)始大量裝配真空助力器。隨后液壓制動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)，是繼機(jī)械制動(dòng)后的一制動(dòng)系統(tǒng)的重大突破。通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。

　　80年代，隨著汽車電子技術(shù)的成熟與發(fā)展，被稱為汽車史上的三大發(fā)明之一防抱制動(dòng)系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)開(kāi)始使用和推廣。由于汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致車輪與路面之間產(chǎn)生滑移，而滑移率會(huì)影響到汽車制動(dòng)的效果。ABS系統(tǒng)根據(jù)輪速傳感器傳送的信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)車輪的制動(dòng)力，使制動(dòng)過(guò)程中車輪滑移率控制在合適的范圍內(nèi)，提高車輪側(cè)向附著力，取得了最佳的制動(dòng)效果。1954年FORD公司開(kāi)始在林肯轎車裝備ABS，到了80年代ABS走向成熟。20世紀(jì)80年代中期，BOSCH公司研發(fā)了驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)ASR(Anti-Skidding Restraint)，它可以在起步或彎道中速度發(fā)生急劇變化時(shí)，將滑轉(zhuǎn)率控制在一定的范圍內(nèi)，改善車輪與地面的附著力，例如，車輛在冰雪路面或濕滑路面行駛時(shí)，當(dāng)汽車加速時(shí)驅(qū)動(dòng)輪容易打滑，ASR系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減低發(fā)動(dòng)機(jī)馬力并制動(dòng)受影響的車輪，ASR系統(tǒng)挺高了車輛的牽引力和行駛穩(wěn)定性。1985年VOLOVO汽車公司將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并將其安裝在Volvo760 Turbo上。由于車輪的驅(qū)動(dòng)打滑與制動(dòng)抱死講的是同一類問(wèn)題，所以在ABS的基礎(chǔ)上，增加了驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)ASR來(lái)檢測(cè)采集驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，將兩者集成為一體，發(fā)展成為ABS/ASR系統(tǒng)。1980年12月Bosch公司第一次將ABS/ASR技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在Mercedes S級(jí)轎車上。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)由ABS控制系統(tǒng)發(fā)展到TCS(牽引力控制系統(tǒng))，在此基礎(chǔ)上發(fā)展到VDC(汽車動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng))。VDC系統(tǒng)是把汽車總成的控制系統(tǒng)(制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等)集成在一起，大大提高了汽車控制系統(tǒng)的集成度和行駛安全性。九十年代中期出現(xiàn)的ESP(Electronic StabilityProgram)系統(tǒng)，是提高汽車主動(dòng)安全性的又一重大飛躍。ESP主要是在輪胎與地面處于附著極限工況下，對(duì)汽車的行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果汽車行駛軌道和駕駛員所期望的軌道不一致時(shí)，ESP系統(tǒng)會(huì)對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)的對(duì)車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使汽車的實(shí)際行駛狀態(tài)更接近駕駛員的駕駛意圖，大大提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。

　　由于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動(dòng)鼓(或制動(dòng)盤)及管路等構(gòu)成。制動(dòng)系統(tǒng)使用氣體或液體作為力的傳遞介質(zhì)以液壓能的形式施加在各車輪上，對(duì)車輛進(jìn)行直接制動(dòng)。對(duì)于長(zhǎng)軸距控制車輛，由于制動(dòng)管路較長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢、易產(chǎn)生滯后現(xiàn)象、安全性降低，并且踏板感覺(jué)差、裝配維護(hù)難度大、成本也較高。

　　隨著汽車電子科技和汽車控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高效節(jié)能的線控技術(shù)，線控技術(shù)(x-by-wire)首先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)發(fā)展成熟后將這種控制方式引入到汽車駕駛上，線控技術(shù)利用將傳感器獲知駕駛員踩制動(dòng)，換擋，打轉(zhuǎn)向盤等駕駛意圖，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入電子控制單元，電子控制單元再發(fā)送指令給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)操作。線控技術(shù)中(by-wire)可理解為電控方式，這里的“x”類似于方程式中的變量，代表著傳統(tǒng)上汽車中由機(jī)械或液壓控制的各個(gè)控制單元，例如線控轉(zhuǎn)向(steer-by-wire)、線控制動(dòng)(brake -by-wire)系統(tǒng)、線控懸架(suspension-by-wire)系統(tǒng)、線控油門(throttle-by-wire)系統(tǒng)[9]，結(jié)合線控技術(shù)和汽車制動(dòng)系統(tǒng)而形成的線控制動(dòng)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)液壓或氣壓制動(dòng)執(zhí)行元件改為了電驅(qū)動(dòng)元件，提高了可控性和響應(yīng)速度，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)底盤集成控制。寶馬汽車公司在2000年巴黎車展上參展的概念車BMW Z22應(yīng)用了steer-by-wire技術(shù)，并將在2005年以后正式付諸批量生產(chǎn)。在歐洲D(zhuǎn)aimler-Chrysler，F(xiàn)ord和Volvo等汽車公司聯(lián)合發(fā)起了“Brite-EuRam‘x-by-wire’”計(jì)劃，進(jìn)行線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及安全性和可靠性方面的研究。在第屆日內(nèi)瓦國(guó)際汽車展覽會(huì)上，意大利Bertone汽車設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)公司展示了新型概念車“FILO”。“FILO”采用了“Drive-By-Wire”系統(tǒng)[11]。隨后國(guó)外開(kāi)始將高效、節(jié)能、環(huán)保的線控技術(shù)與車輛制動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，由此線控制動(dòng)系統(tǒng)(brake-by-wire)應(yīng)運(yùn)而生，成為各大汽車研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

　　1.1.2搭建EHB實(shí)驗(yàn)臺(tái)的意義

　　在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的初期，將新產(chǎn)品裝配到量產(chǎn)的實(shí)車上后進(jìn)行檢測(cè)和系統(tǒng)調(diào)試，如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷，要重新測(cè)試并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，這樣做不但成本較高并且安裝拆卸困難，為此搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)有著較大優(yōu)勢(shì)。本文中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一種集合系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)調(diào)試檢測(cè)綜合功能于一體的車輛電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的重要工具，大大促進(jìn)了車輛電子系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，并加快了系統(tǒng)控制邏輯和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

　　本課題中要搭建的EHB實(shí)驗(yàn)臺(tái)，目的是要對(duì)目標(biāo)輪缸壓力進(jìn)行跟隨控制，對(duì)于不同形式的目標(biāo)壓力輸入，應(yīng)用PID控制算法進(jìn)行控制，使實(shí)際輪缸壓力響應(yīng)快速穩(wěn)定。如果對(duì)輸入目標(biāo)輪缸壓力跟隨情況良好，就可以更好的實(shí)現(xiàn)下一步各種制動(dòng)功能如ABS(制動(dòng)防抱死系統(tǒng))功能，EBD(電子制動(dòng)力分配)功能;ESP(電子穩(wěn)定性控制)功能;TCS(牽引力控制系統(tǒng))功能等，通過(guò)EHB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，可對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，有效地改進(jìn)EHB系統(tǒng)的性能及可靠性，并為實(shí)車實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備，在汽車制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上有著不可替代的作用和意義。

　　1.2 EHB系統(tǒng)簡(jiǎn)介及性能特點(diǎn)

　　1.2.1 EHB系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　EHB(Electronic Hydraulic Brake System)系統(tǒng)是線控制動(dòng)兩類系統(tǒng)中的一種。由于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動(dòng)鼓(或制動(dòng)盤)及管路等構(gòu)成。制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行直接制動(dòng)。制動(dòng)管路較長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢、易產(chǎn)生滯后現(xiàn)象、安全性降低。

　　EHB系統(tǒng)除去了巨大的真空助力器，以及一些液壓管路等傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的部分機(jī)械元件并用一些電子元件替代，該系統(tǒng)用一個(gè)電子式制動(dòng)踏板替代了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)踏板，電子踏板單元識(shí)別出駕駛?cè)藛T踩踏制動(dòng)踏板的制動(dòng)意圖，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器采集的車輛狀態(tài)信號(hào)傳遞給電子控制單元，同時(shí)電子控制單元根據(jù)不同的駕駛工況決策出車輪的最佳制動(dòng)壓力。這一系統(tǒng)縮短了制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，減小了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也避免了因液壓機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)反作用力引起震動(dòng)而使駕駛員不自覺(jué)地減小制動(dòng)力帶來(lái)的危險(xiǎn)[13]。線控制動(dòng)兩種系統(tǒng)中的EMB(Electronic Mechanical Brake System)系統(tǒng)是一種電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，它用線控制動(dòng)系統(tǒng)代替了整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用踏板力模擬單元替代了傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中真空助力器和機(jī)械式傳力機(jī)構(gòu)。EMB系統(tǒng)根據(jù)數(shù)采系統(tǒng)采集的車輛狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子控制單元的分析和處理，向車輪制動(dòng)模塊的電機(jī)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生所需的制動(dòng)力，達(dá)到制動(dòng)的目的。但是EMB沒(méi)有備用系統(tǒng)，其可靠性需要得到很好的實(shí)踐驗(yàn)證，此外執(zhí)行器的散熱，耐高溫，抗干擾等方面的條件要求嚴(yán)格，因此距EMB技術(shù)成熟期還有很長(zhǎng)的路要走。

　　1.2.2 EHB系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

　　(1)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，駕駛員通過(guò)踏板，制動(dòng)主缸，真空助力器等將踏板力傳遞產(chǎn)生制動(dòng)壓力，制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。而對(duì)于EHB系統(tǒng)，電機(jī)泵和蓄能器充當(dāng)系統(tǒng)的壓力源，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的調(diào)節(jié)控制制動(dòng)液進(jìn)入制動(dòng)輪缸，制動(dòng)過(guò)程平順柔和，制動(dòng)壓力上升梯度大。輪缸制動(dòng)壓力通過(guò)輪缸壓力傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將信號(hào)傳遞給電子控制單元，可對(duì)輪缸壓力精確調(diào)節(jié)，此過(guò)程中還可以消除制動(dòng)噪聲，縮短制動(dòng)時(shí)間。

　　(2)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)主缸通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)，將等量的制動(dòng)液傳遞給各個(gè)制動(dòng)輪缸，只能在一定程度上實(shí)現(xiàn)前后制動(dòng)力的分配，不能很好地對(duì)各個(gè)制動(dòng)輪單獨(dú)控制，難以充分利用地面制動(dòng)力，而EHB系統(tǒng)是通過(guò)閉環(huán)反饋的控制方式，對(duì)每個(gè)制動(dòng)輪缸的壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，它將傳感器所采集到的各種信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元通過(guò)分析判斷決策出各制動(dòng)器所需最佳制動(dòng)力，達(dá)到良好制動(dòng)效果。

　　(3)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)踏板與制動(dòng)輪缸之間是通過(guò)一些機(jī)械裝置直接相連接的，若長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，系統(tǒng)的機(jī)械特性會(huì)發(fā)生變化，會(huì)影響制動(dòng)性能。而EHB控制系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)電子控制單元加入相應(yīng)的控制算法對(duì)制動(dòng)踏板部件機(jī)械特性的變化進(jìn)行補(bǔ)償，彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械特性對(duì)系統(tǒng)影響的不足，使踏板行程和制動(dòng)壓力等級(jí)保持一致。EHB系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集的踏板的運(yùn)動(dòng)速度和踏板的行程，將信號(hào)傳遞給ECU，ECU通過(guò)對(duì)駕駛員意圖的識(shí)別，判斷不同的制動(dòng)行為，計(jì)算并提供最佳的壓力變化特性。由于踏板力獨(dú)立于制動(dòng)輪缸，制造商可以根據(jù)車型的不同，駕駛者年齡段、性別以及駕駛習(xí)慣的不同進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)調(diào)整可靠的控制算法和對(duì)踏板模擬器進(jìn)行主動(dòng)控制，給駕駛者提供最合適的踏板感覺(jué)。

　　(4)此外由于EHB系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上取消了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的部分管路系統(tǒng)及液壓閥，真空助力器等元件。使系統(tǒng)更加緊湊，節(jié)省了車內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)的布置空間;制造、裝配簡(jiǎn)單快捷;由于模塊化程度高，提高了車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中的靈活性;同時(shí)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

　　1.3 EHB系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

　　從1993年開(kāi)始到2000年是EHB技術(shù)發(fā)展初期。這個(gè)時(shí)期各大汽車公司都針對(duì)EHB系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)，主要裝配在試驗(yàn)車型上。1993年FORD公司、通用公司開(kāi)始采用EHB制動(dòng)系統(tǒng)，在此期間最具有代表性的屬Bosch公司推出的“Brake 2000”項(xiàng)目。1999年法蘭克福車展上，Bosch公司展出了新的EHB系統(tǒng)。由于其結(jié)構(gòu)上嶄新的設(shè)計(jì)思路，使汽車制動(dòng)過(guò)程中不僅縮短了制動(dòng)距離而且保證了車輛穩(wěn)定性，該系統(tǒng)剛一問(wèn)世便得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，立刻成為各大汽車研發(fā)部門爭(zhēng)相學(xué)習(xí)的對(duì)象。

　　從2000年前后到2007年左右，EHB技術(shù)走向成熟，并過(guò)度到商用階段，許多公司將其進(jìn)行了產(chǎn)品化，Bosch(博世)和Daimler-Chrysler公司在量產(chǎn)奔馳第七代e級(jí)轎車SL500上的裝配;1997年日本的豐田(TOYOTA)公司推出世界上第一款量產(chǎn)化的混合動(dòng)力車Prius，并發(fā)布混合動(dòng)力系統(tǒng)“THS”。2002年韓國(guó)最大的汽車配件生產(chǎn)企業(yè)Mando公司開(kāi)發(fā)出了新一代HCU，并為各大公司提供此產(chǎn)品。同年在法蘭克福車展上，美國(guó)通用汽車公司展示了Hy-Drive燃料電池概念車，該車應(yīng)用由瑞典SKF公司開(kāi)發(fā)的X-Drive電子線控操縱系統(tǒng)。還有就是Continental Teves(大陸)公司的MK系列產(chǎn)品。在此階段比較有代表性有以下幾個(gè)公司的技術(shù)

　　Bosch公司在2001年的法蘭克福車展上，展出了感應(yīng)制動(dòng)控制系統(tǒng)SBC(Sensotronic Brake Control)。2005年Bosch公司與戴姆勒-克萊斯勒公司共同合作，開(kāi)始批量生產(chǎn)ABS 8.0，TCS 8.0，ESP 8.0第一階段的ESP plus等EHB系統(tǒng)，并裝備在各式中高檔車型上，使“ESP premium”達(dá)到實(shí)用水平。到2009年，Bosch公司已經(jīng)推出了ESP 9.0版本。