水液力緩速器電控系統硬件模塊化研究

陳廣存,羅衛東*,陳孝玉

（貴州大學機械工程學院, 貴陽 520025）

0 引言

在車輛長時間持續制動或者高速制動時，車輛制動器產生大量的熱量會使車輪的制動蹄塊和制動輪轂溫度升高，甚至燒壞，擦系數降低或者制動器失效[1]。因此，保證汽車在持續或高速制動時制動性能良好，汽車除了安裝行車制動器和駐車制動器，還應裝備輔助制動器。水液力緩速器是現代大型貨運汽車的重要輔助緩速設備，水液力緩速器將行車制動器的負荷進行分流，以提高制動系統的可靠性和延長制動系統的使用壽命，這樣可以大幅度的降低車輛使用成本[2]。

車輛類型的多樣性對其提出功能機構的多樣性，車輛的開發生產短周期性對水液力緩速器要求設計生產的短周期；同時水液力緩速器的工作環境惡劣，維修條件有限，給水液力緩速器電控系統的維護與維修帶來不便。本文提出液力緩速器電控系統的模塊化設計，利用模塊化現代設計方法，制定液力緩速器電控系統模塊化基本流程，設計液力緩速器電控系統的各個模塊，提出模塊化方案和模塊接口標準化的初步設計方案。

1 水液力緩速器

1.1 水液力緩速器基本結構

水液力緩速器主要由水緩速器本體、電控系統、操作裝置等構成，水液力緩速器本體由水渦流主機、前后連接法蘭、散熱器總成、揚程泵等組成。如圖所示。

水渦流主機是制動部件與運動部件借助于水渦流的作用而具有制動功能的制動器。水渦流主機通過前法蘭盤與傳動軸相連，減速制動時，速度控制閥將水槽中的工作液泵入水渦流主機，由于水渦流的作用，水渦流主機產生制動力矩，將車輛動能轉化為液體熱能，再通過散熱器把熱能散發出去，從而實現車輛減速制動；解除制動時，關閉速度控制閥停止工作液的泵入，由潛水型揚程泵將水渦流主機中的工作液泵入水槽中，保證緩速器不會在車輛正常行駛中產生阻力，消耗燃料。

1.2 水液力緩速器電控系統組成和功能

水液力緩速器緩速器電控系統的功能是接收汽車行駛中的實時信號，對這些信號分析處理，最終轉換為對液力緩速器工作狀況的全面控制。當液力緩速器工作時，駕駛員操作開關裝置給液力緩速器電控系統發送觸發信號，電控系統通過控制壓力控制閥，根據控制信號的變化，利用脈寬調制控制的比例電磁閥（速度控制閥）將水槽中的水壓入到緩速器工作腔中，水液力緩速器開始緩速制動。

水液力緩速器工作時，其電控系統接收駕駛員通過操縱裝置提供的觸發信號，電控系統分析處理駕駛員的操作意圖，通過控制信號的變化利用速度控制閥給水渦流主機泵入工作液，緩速器開始緩速制動。當需要關閉緩速器時，駕駛員通過操縱裝置給電控系統觸發信號，緩速器的速度控制閥停止工作，水渦流主機中的工作液由潛水型揚程泵泵出到水槽。

2 水液力緩速器電控系統模塊化設計

模塊化即采用模塊劃分設計，然后將模塊部件獨立的生產制造，成為可以單獨運輸的模塊單元，以便后期產品的安裝與維修[7]。水液力緩速器電控系統采用模塊化設計，廠商可以將在設計時同一系統的部件設計在同一區域，或者將不同系統劃分在同一區域，這些系統預裝集成在同一結構框架上最為一個模塊單元，在現場便于拼裝成產品或者替換故障模塊單元。

水液力緩速器的電控系統是核心技術之一，其硬件設計的好壞直接影響到水液力緩速器的工作性能。根據電控系統的功能可以將硬件分為：微控制器系統、電源電路、輸入電路、輸出電路和通信電路。微控制器系統由單片機及周邊電路組成；電源電路的作用是進行 DC/DC 變換，用于將車載電源變為控制系統所需要的電源；輸入電路是系統的數據采集通道；輸出電路是系統決策結果的執行通道，是系統控制效果優劣的關鍵部分。通信電路主要與上位機通信，即單片機與PC機進行串行接口和CAN總線接口進行通信[3]。

2.1 模塊化原則

其電控系統按照功能劃分，主要包括相互作用的幾個子模塊，模塊劃分需要考慮以下點：

（1）通用性：組成電控系統的模塊單元都具有子功能；

（2）單獨制造性：模塊單元可以作為單獨模塊進行加工制造以及改進升級；

（3）便于使用：模塊單元可以裝配成一個整體，又可以單獨流通于市場；

（4）維修和回收：模塊單元可以作為獨立模塊進行維修，其載體材料可以回收；

（5）結構強鏈接：模塊單元之間要有壓力配合鉚接等強聯接關系。

2.2 電控系統硬件模塊化

按照譜系聚類[4]方法完成電控系統功能模塊劃分，即把總功能劃分為獨立的子功能，子功能聚合成功能模塊。為了方便模塊功能劃分，對電控系統子功能進行編號。

功能編號 1 2 3 4 5 6 7 8功能名稱模擬量輸入數字量輸入CAN通信串口通信電磁閥驅動信號燈驅動控制功能電源功能

各個子功能之間的相關性稱之為功能相關度，功能相關度主要影響因素有：功能相關性；裝配相關性 ；空間相關性；信號流相關性；時間相關性。要確定各個相關性的影響系數,就要確定其權重，可采用層次分析法（AHP)[5]中的權重計算方法。根據子功能之間功能相關度，應用譜系聚類的方法進行子功能的聚合,根據2.1劃分功能模塊的原則確定模塊劃分為五個功能模塊：微控制器系統模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、外部通信模塊。

劃分的各個功能模塊的名稱如下表所示。

功能模塊名稱 功能模塊組成微控制器系統模塊 單片機及外圍電路輸入模塊 開關量輸入電路、脈沖信號輸入電路、模擬量輸入電路輸出模塊 電磁閥驅動電路、信號燈驅動電路電源模塊 電源直流穩壓電路外部通信模塊 Can通信模塊、串口通信模塊

3 水液力緩速器電控系統模塊接口標準化分析

3.1 模塊接口主要形式

接口分類表

根據電控系統的特點，其模塊接口[6]可以劃分為：機械接口；數據接口；電源接口。

3.1.1 機械接口

對于水液力緩速器電控系統，機械接口主要是指各個模塊間的鏈接界面。機械接口主要包括模塊之間的固定接口，如對接接口，固定接口等。其主要作用是保證模塊之間的可靠鏈接，保證電控系統工作時模塊能夠承受一定沖量而不產生分離。

3.1.2 數據接口

數據接口是實現數據實時共享的接口。數據接口設計主要考慮數據傳輸速率、通信可靠性等因素。數據接口用來實現模塊之間能夠快速、可靠的實現數據共享。

3.1.3 電源接口

電源接口主要作用是提供電控系統工作所需電源，其主要作用是與車輛自備電源連接，按電控系統的負載要求進行變壓并為各個模塊供電。

3.2 模塊接口設計準則

針對以上接口功能和作用，初步提出模塊接口的設計原則：

（1）接口標準化，主要是機電接口標準化設計；

（2）簡單拔插結構，方便模塊接口的安裝與替換；

（3）接口集成化和一體化：盡可能將各種接口集成到同一個接口內，以減少對模塊更換安裝的動作次數。

（4）防止誤操作：在設計標準接口時，必須設計相應的防插錯措施，防止操作失誤而造成不良后果；

（5）方便操作設計：方便、安全、高效完成安裝或維修更換的操作。

3.3 模塊接口設計

3.3.1 結構設計

根據水液力緩速器電控系統模塊接口整體結構形式，從模塊尺寸的大小、模塊接口的信息（承受的力或力矩大小）、模塊鎖定方式等角度，如箱盒式模塊接口、面板式模塊接口、傳統的插件式設計接口結構等。研制出原型樣機，完成測試工作。

快速鎖定結構：考慮到汽車行駛環境惡劣，模塊鎖定設計可采用螺紋連接件，以快速可靠鎖定為設計目的。螺紋連接件方式設計簡單，可靠性高，通用性好，如圖所示采用螺紋件的機械鎖定。

抗震性設計：在關鍵配合部位，通過形位公差、表面狀態和材料的選擇，控制其間隙，以提高抗震性。

熱插撥設計：避免模塊更換時帶來的供電不穩、信號撥動等干擾。

3.3.2 內部總線設計

根據水液力緩速器電控系統的特點，模塊接口選用CAN總線。CAN 總線具有良好的可靠性、實時性和性能價格比。CAN 總線成為汽車控制系統中理想的控制總線。為了對電控單元進行實時數據采集，同時由于 CAN 總線已經廣泛應用于各種車型，用來實現發動機、變速器、ABS 等 ECU 之間的通信。

3.3.3 數據接口設計

CAN總線，用于模塊之間數據傳輸。

模擬量采集接口，實時采集模擬量，主要包括車輛行駛速度、水箱水溫等模擬量。

數字量采集接口，主要是采集駕駛員對水液力緩速器的操控檔位。

3.3.4 供電設計

電控系統的核心是單片機，其對供電電源的要求比較高，但是汽車環境對電子產品要求苛刻，供電需要將工作在18V至30V左右的電源變壓到12V等二次電源。可采用LM2576S-12模塊作為DC/DC的穩壓電路。

4 結論

本文對水液力緩速器的結構和功能進行了簡介，基于模塊化設計方法對其電控系統進行分析，建立其電控系統的功能結構模塊，為以后其電控系統模塊化提高參考。針對其電控系統提出模塊接口標準化相關原則，給出模塊接口的機電熱初步設計方案。

[1]劉維海.液力緩速器現代設計方法與整車制動性能仿真研究[D].吉林：吉林大學碩士學位論文,2006.

[2]張玉璽.液力緩速器電控系統及控制方法研究[D].吉林大學2008.

[3]畢乾坤.金屬帶式無級變速器電控系統及控制策略研究[D].吉林：吉林大學博士學位論文，2008.

[4]王鵬家,鞏亞東,劉永賢,張朝彪.基于譜系聚類的數控機床模塊劃分系統[J]. 東北大學學報(自然科學版). 2014(05).

[5]郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報. 2008(05).

[6]朱元勛.應用于輪式裝載機模塊化設計的接口技術研究[D].廣西工學院 2012.

[7]張寶輝.模塊化總體設計研究[D].北京:國防科學技術大學,2004.