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

　　第2章汽車EHB系統(tǒng)的工作原理及總體方案的設(shè)計

　　2.1引言

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

　　2.2 EHB系統(tǒng)方案

　　2.2.1試驗臺預(yù)期試驗?zāi)繕?biāo)

　　基于EHB試驗臺試驗，更好的實現(xiàn)如下傳統(tǒng)制動功能;

　　(1)ABS(制動防抱死系統(tǒng))功能;

　　(2)EBD(電子制動力分配)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)主動防側(cè)翻功能。

　　基于此試驗平臺，可以進一步研究相應(yīng)的控制策略及狀態(tài)估計算法(如車速及路面估計)。在條件許可情況下，還可以加入踏板力模擬及應(yīng)急制動模塊，進而研究踏板力反饋、EHB容錯控制等。

　　2.2.2試驗臺試驗工況

　　(1)行車制動(輕微制動工況)

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

　　(2)緊急制動

　　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。

　　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。制動時可利用轉(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。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。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系統(tǒng)中的部分機械元件，制動系統(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)提供動力，電子系統(tǒng)提供柔性控制，是機電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，有很大的發(fā)展?jié)摿ΑHB系統(tǒng)的總體方案如圖2.3所示

　　EHB系統(tǒng)的主要包括兩個部分：液壓執(zhí)行機構(gòu)主要包括：高壓蓄能器，液壓泵，制動液儲油杯，進、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、各制動器壓力傳感器等反饋信號輸入到電子控制單元進行分析和判斷，對進出液電磁閥分別進行調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要增壓時，進液閥打開出液閥關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)需要保壓時進出液閥均關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)需要減壓時，進液閥關(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，對汽車進行優(yōu)化控制。

　　2.3 EHB系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

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

　　EHB系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)如圖2.4所示，包括液壓控制單元、制動踏板單元和制動器。液壓控制單元：主要包括電機、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。在蓄能器與電機之間裝有防止制動液回流單向閥。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器相連接，每個制動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。前輪兩個制動器和后輪兩個制動器之間分別裝有一個平衡控制閥。制動主缸上的一個出油孔與前輪制動器的應(yīng)急制動管路及連接有踏板行程模擬器的液壓管路相連，制動主缸上的另一個出油孔與后輪制動器的應(yīng)急制動管路相連。模擬器控制管路裝有監(jiān)測主缸壓力變化的壓力傳感器。電機泵與高壓蓄能器共同組成EHB系統(tǒng)的壓力源。電動液壓泵為蓄能器提供高壓制動液，持續(xù)為其蓄能，蓄能器為液壓執(zhí)行機構(gòu)提供所需的制動壓力，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多次連續(xù)制動。

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

　　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液壓泵和高壓蓄能器，制動系統(tǒng)開始工作時，電動液壓泵開始為高壓蓄能器提供高壓制動液，監(jiān)測高壓蓄能器的壓力的壓力傳感器實時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，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)定的高壓制動液。然后對高速開關(guān)閥進行控制：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)中進行綜合分析和判斷，當(dāng)?shù)弥到y(tǒng)需要增壓時，電子控制單元輸出PWM控制信號，對電磁閥進行控制，使進液閥輸入流量增大，出液閥輸出流量減小，直到達到所需制動壓力。當(dāng)?shù)弥到y(tǒng)需要保壓控制時，電子控制單元通過對電磁閥進行控制，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，電子控制單元對使進液閥輸入流量減小，出液閥輸出流量增大最終減小到所需的制動壓力，當(dāng)某幾個高速開關(guān)閥控制回路失效時，電子控制單元將切換成應(yīng)急控制模式，制動踏板力的液壓管路與應(yīng)急制動管路連通，踏板力直接通過液壓管理加載在制動器上。

　　EHB系統(tǒng)取消了真空助力器及一些機械裝置，并用電子器件代替。作為系統(tǒng)動力源的高壓蓄能器可以持續(xù)穩(wěn)定輸出16Mpa的制動壓力，可使系統(tǒng)對駕駛者的制動命令快速響應(yīng)。另外，在EHB系統(tǒng)中，設(shè)置有制動備用系統(tǒng)，保留了車輪制動器和制動主缸，主制動系統(tǒng)與輔助制動系統(tǒng)互不干涉，當(dāng)EHB系統(tǒng)失效時，備用系統(tǒng)開始作用，駕駛者的踏板力會按照傳統(tǒng)的液壓制動方式經(jīng)制動主缸傳遞到前輪制動器上，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)動模塊，制動鉗液壓通路上的電磁閥驅(qū)動模塊，故障容錯通路上的電磁閥驅(qū)動模塊以及液壓泵電機驅(qū)動模塊等。

　　(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)進行邏輯分析，識別駕駛員制動意圖，計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)行機構(gòu)，實現(xiàn)EHB系統(tǒng)的制動功能。

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

　　2.5 EHB試驗臺架布置方案

　　為了更清晰明了的掌握EHB實驗臺的設(shè)計和布置，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、計算機、油箱、電機泵、單向閥、高壓蓄能器、前后輪制動輪缸、電子制動踏板、HCU閥體、制動器、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，試驗臺具體布置如圖2.6、2.7所示：兩個盤式制動器置于前端，兩個鼓式制動器置于后端，電動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制動器的增壓管路相連，一個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。