汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)跟隨特性的實(shí)驗(yàn)研究 ----汽車 EHB 系統(tǒng)的工作原理及總體方案的設(shè)計(jì)

　　第2章汽車EHB系統(tǒng)的工作原理及總體方案的設(shè)計(jì)

　　2.1引言

　　EHB系統(tǒng)是一種先進(jìn)的線控制動(dòng)系統(tǒng)，具有防止ABS工作時(shí)制動(dòng)踏板“抖動(dòng)”、制動(dòng)響應(yīng)快、制動(dòng)壓力上升梯度大、可集成ABS、TCS、ESP功能等優(yōu)點(diǎn)，適用于混合動(dòng)力汽車及電動(dòng)汽車。為了給后續(xù)實(shí)際搭建實(shí)驗(yàn)臺做好準(zhǔn)備，本章對EHB系統(tǒng)的工作原理和總體方案進(jìn)行研究，主要包括EHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電子控制單元的組成結(jié)構(gòu)和方案設(shè)計(jì)，并對各個(gè)元件的具體安裝位置進(jìn)行布置。

　　2.2 EHB系統(tǒng)方案

　　2.2.1試驗(yàn)臺預(yù)期試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

　　基于EHB試驗(yàn)臺試驗(yàn)，更好的實(shí)現(xiàn)如下傳統(tǒng)制動(dòng)功能;

　　(1)ABS(制動(dòng)防抱死系統(tǒng))功能;

　　(2)EBD(電子制動(dòng)力分配)功能;

　　(3)ESP(電子穩(wěn)定性控制)功能;

　　(4)TCS(牽引力控制系統(tǒng))功能;

　　(5)主動(dòng)防側(cè)翻功能。

　　基于此試驗(yàn)平臺，可以進(jìn)一步研究相應(yīng)的控制策略及狀態(tài)估計(jì)算法(如車速及路面估計(jì))。在條件許可情況下，還可以加入踏板力模擬及應(yīng)急制動(dòng)模塊，進(jìn)而研究踏板力反饋、EHB容錯(cuò)控制等。

　　2.2.2試驗(yàn)臺試驗(yàn)工況

　　(1)行車制動(dòng)(輕微制動(dòng)工況)

　　行車過程中，駕駛員采取輕微制動(dòng)使得車速有所緩慢下降，在此工況下可以檢驗(yàn)制動(dòng)壓力的穩(wěn)定性及實(shí)際輪缸制動(dòng)壓力對其理想值的跟隨效果。

　　(2)緊急制動(dòng)

　　a均一附著路面

　　低附著路面(附著系數(shù)0.1～0.3之間)以v=40k m /h車速直行，高附著路面(附著系數(shù)在0.7~0.9之間)以vmax=0.8v≤120km /h車速直行，車速穩(wěn)定后，急促全力制動(dòng)。

　　b對開路面

　　車輛的縱向中心平面通過對開路面交界線，在v=50km/h的初速度下急促全力制動(dòng)。制動(dòng)時(shí)可利用轉(zhuǎn)向來修正行駛方向，汽車的任何部分不應(yīng)越過交界線。

　　c對接路面

　　在高附著系數(shù)(附著系數(shù)在0.7~0.9之間)路面上，急促全力制動(dòng)。保證車輛以速度v=40km /h和速度vmax=0.8v≤120km /h從高附著系數(shù)路面駛?cè)氲透街禂?shù)路面。在低附著系數(shù)(附著系數(shù)0.1～0.3之間)路面上，急促全力制動(dòng)。保證車輛以v=40km /h從低附著系數(shù)路面駛?cè)敫吒街禂?shù)路面。

　　2.2.3 EHB系統(tǒng)總體方案

　　EHB系統(tǒng)以電子元件加以替代原始制動(dòng)系統(tǒng)中的部分機(jī)械元件，制動(dòng)系統(tǒng)中原有的液壓系統(tǒng)不作大的改變。這樣可以由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，電子系統(tǒng)提供柔性控制，是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，有很大的發(fā)展?jié)摿?。EHB系統(tǒng)的總體方案如圖2.3所示

　　EHB系統(tǒng)的主要包括兩個(gè)部分：液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括：高壓蓄能器，液壓泵，制動(dòng)液儲油杯，進(jìn)、出液電磁閥等，電子控制單元主要包括：傳感器信號輸入單元，主控單元，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)單元，及一系列傳感器：包括檔位傳感器，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，橫擺角速度傳感器，制動(dòng)踏板行程傳感器，油門踏板行程傳感器，離合器行程傳感器，輪速傳感器和壓力傳感器，縱向及側(cè)向加速度傳感器等。

　　在制動(dòng)踏板生產(chǎn)位移的過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的踏板行程傳感器、各制動(dòng)器壓力傳感器等反饋信號輸入到電子控制單元進(jìn)行分析和判斷，對進(jìn)出液電磁閥分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要增壓時(shí)，進(jìn)液閥打開出液閥關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)需要保壓時(shí)進(jìn)出液閥均關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)需要減壓時(shí)，進(jìn)液閥關(guān)閉出液閥打開。通過輸入PWM控制信號給高速開關(guān)閥從而控制各車輪上的制動(dòng)壓力。通過CAN總線技術(shù)ECU還可以接收來自于ABS，ASR，ESP的汽車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理，將控制信號發(fā)送到相應(yīng)的控制單元，對汽車進(jìn)行優(yōu)化控制。

　　2.3 EHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　2.3.1 EHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

　　EHB系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2.4所示，包括液壓控制單元、制動(dòng)踏板單元和制動(dòng)器。液壓控制單元：主要包括電機(jī)、液壓泵、蓄能器、單向閥、溢流閥及四套結(jié)構(gòu)相同的增壓電磁閥、減壓電磁閥分別控制各自的制動(dòng)器;蓄能器一端連同溢流閥的輸入端與四路二位二通的常閉增壓電磁閥輸入端相連。電動(dòng)液壓泵輸入端和溢流閥的輸出端匯成一路與儲油杯的出油口相連。在蓄能器與電機(jī)之間裝有防止制動(dòng)液回流單向閥。四路二位二通的常閉增壓電磁閥的輸出端連同四路二位二通的常閉減壓電磁閥的輸入端匯成一路分別與制動(dòng)器相連接，每個(gè)制動(dòng)器與各自的增壓電磁閥、減壓電磁閥回路之間都裝有壓力傳感器。四個(gè)減壓電磁閥的輸出端匯成一路連接到儲油杯的回油端。前輪兩個(gè)制動(dòng)器和后輪兩個(gè)制動(dòng)器之間分別裝有一個(gè)平衡控制閥。制動(dòng)主缸上的一個(gè)出油孔與前輪制動(dòng)器的應(yīng)急制動(dòng)管路及連接有踏板行程模擬器的液壓管路相連，制動(dòng)主缸上的另一個(gè)出油孔與后輪制動(dòng)器的應(yīng)急制動(dòng)管路相連。模擬器控制管路裝有監(jiān)測主缸壓力變化的壓力傳感器。電機(jī)泵與高壓蓄能器共同組成EHB系統(tǒng)的壓力源。電動(dòng)液壓泵為蓄能器提供高壓制動(dòng)液，持續(xù)為其蓄能，蓄能器為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供所需的制動(dòng)壓力，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多次連續(xù)制動(dòng)。

　　制動(dòng)踏板單元：包括制動(dòng)踏板、主缸、踏板行程模擬器、轉(zhuǎn)角傳感器，電磁閥和儲油杯;儲油杯與制動(dòng)主缸的兩個(gè)進(jìn)油孔相連，安裝有踏板行程傳感器的制動(dòng)踏板直接與制動(dòng)主缸的推桿相連。

　　2.3.2 EHB系統(tǒng)的工作原理

　　EHB系統(tǒng)的工作過程主要是對壓力供給單元的控制和高速開關(guān)閥的控制，首先是對壓力供給單元的控制：壓力供給單元包括電動(dòng)液壓泵和高壓蓄能器，制動(dòng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，電動(dòng)液壓泵開始為高壓蓄能器提供高壓制動(dòng)液，監(jiān)測高壓蓄能器的壓力的壓力傳感器實(shí)時(shí)將測到的信號反饋給電子控制單元，當(dāng)測得的值高于系統(tǒng)所標(biāo)定的閥值時(shí)，高壓蓄能器出液端連接的溢流閥打開，直至等于系統(tǒng)閥值溢流閥關(guān)閉。從而高速開關(guān)閥的一端得到的是持續(xù)且基本穩(wěn)定的高壓制動(dòng)液。然后對高速開關(guān)閥進(jìn)行控制：高速開關(guān)閥是通過PWM方式，通過調(diào)制控制信號的占空比，使閥口開度改變，控制輸出流量。

　　駕駛員踩下制動(dòng)踏板，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將踏板行程傳感器、及力傳感器的信息匯同車輛的行駛狀態(tài)(方向盤轉(zhuǎn)角、輪速、車速、橫擺角速度等)信息采集到ECU(電子控制單元)中進(jìn)行綜合分析和判斷，當(dāng)?shù)弥到y(tǒng)需要增壓時(shí)，電子控制單元輸出PWM控制信號，對電磁閥進(jìn)行控制，使進(jìn)液閥輸入流量增大，出液閥輸出流量減小，直到達(dá)到所需制動(dòng)壓力。當(dāng)?shù)弥到y(tǒng)需要保壓控制時(shí)，電子控制單元通過對電磁閥進(jìn)行控制，使增壓電磁閥和減壓電磁閥輸出的流量保持不變。當(dāng)?shù)弥到y(tǒng)需要減壓時(shí)，電子控制單元對使進(jìn)液閥輸入流量減小，出液閥輸出流量增大最終減小到所需的制動(dòng)壓力，當(dāng)某幾個(gè)高速開關(guān)閥控制回路失效時(shí)，電子控制單元將切換成應(yīng)急控制模式，制動(dòng)踏板力的液壓管路與應(yīng)急制動(dòng)管路連通，踏板力直接通過液壓管理加載在制動(dòng)器上。

　　EHB系統(tǒng)取消了真空助力器及一些機(jī)械裝置，并用電子器件代替。作為系統(tǒng)動(dòng)力源的高壓蓄能器可以持續(xù)穩(wěn)定輸出16Mpa的制動(dòng)壓力，可使系統(tǒng)對駕駛者的制動(dòng)命令快速響應(yīng)。另外，在EHB系統(tǒng)中，設(shè)置有制動(dòng)備用系統(tǒng)，保留了車輪制動(dòng)器和制動(dòng)主缸，主制動(dòng)系統(tǒng)與輔助制動(dòng)系統(tǒng)互不干涉，當(dāng)EHB系統(tǒng)失效時(shí)，備用系統(tǒng)開始作用，駕駛者的踏板力會(huì)按照傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)方式經(jīng)制動(dòng)主缸傳遞到前輪制動(dòng)器上，大大提高了行駛安全性。

　　2.4 EHB系統(tǒng)控制器(ECU)方案

　　根據(jù)EHB線控制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理，EHB控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，主要由3部分功能組件組成：

　　(a)輸入通道：輸入通道包括踏板行程傳感器、輪速傳感器、壓力傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度傳感器、側(cè)向加速度傳感器及其信號處理模塊等，通過xPC系統(tǒng)將傳感器信號采集到電控單元ECU，ECU經(jīng)分析判斷輸出控制信號。

　　(b)輸出通道：輸出通道部分包括踏板模擬器上的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，制動(dòng)鉗液壓通路上的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，故障容錯(cuò)通路上的電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊以及液壓泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。

　　(c)電子控制器單元(ECU)。ECU是EHB控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是完成對外來傳感器信號的采集、處理，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析，識別駕駛員制動(dòng)意圖，計(jì)算出車輪的參考速度、參考滑移率和車輪的加減速度，并通過相應(yīng)的控制算法得出結(jié)論，做出正確的判斷，最后發(fā)出控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)EHB系統(tǒng)的制動(dòng)功能。

　　(d)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：接收ECU發(fā)過來的控制信號，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。這里包括各個(gè)通路上的電磁閥和液壓泵電機(jī)，以滿足不同工況制動(dòng)的要求。

　　2.5 EHB試驗(yàn)臺架布置方案

　　為了更清晰明了的掌握EHB實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和布置，本文利用Solidworks軟件所繪制的示意圖，總體布局如圖所示。EHB系統(tǒng)有電子控制單元、工控機(jī)、計(jì)算機(jī)、油箱、電機(jī)泵、單向閥、高壓蓄能器、前后輪制動(dòng)輪缸、電子制動(dòng)踏板、HCU閥體、制動(dòng)器、壓力表壓力傳感器及管路等組成。

　　本文選用工業(yè)鋁型材作為EHB系統(tǒng)的支撐框架，鋁型材拆裝容易，便于EHB系統(tǒng)組件的安裝布置，試驗(yàn)臺具體布置如圖2.6、2.7所示：兩個(gè)盤式制動(dòng)器置于前端，兩個(gè)鼓式制動(dòng)器置于后端，電動(dòng)液壓泵的一端與單向閥相連，另一端與油箱的出液端相連，單向閥位于蓄能器與液壓泵之間，蓄能器另一端與四個(gè)制動(dòng)器的增壓管路相連，一個(gè)二位二通的常閉增壓電磁閥安裝在增壓管路上，輪缸壓力傳感器集成在HCU上，二位二通的常閉減壓電磁閥位于EHB系統(tǒng)的減壓管路上，四路減壓管路匯成一路后與儲油杯相連。