汽車電控液壓制動系統(tǒng)動態(tài)性能分析及試驗研究

陳學(xué)明

摘 要：為改善汽車主動安全性能，簡化制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研制一種電控液壓制動系統(tǒng)，對其動態(tài)性能進(jìn)行理論和試驗研究。

關(guān)鍵詞：汽車；電控液壓制動系統(tǒng)；動態(tài)性能；試驗

引言

制動系統(tǒng)是汽車安全性能的重要保障，傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)采用雙液壓回路設(shè)計保障汽車行駛安全。然而隨著附加電控功能（如防抱死制動系統(tǒng)、車身汽車電控穩(wěn)定系統(tǒng)等）的不斷增加，傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜；且由于制動響應(yīng)速度慢，在緊急工況下難以滿足制動要求。因此，可控性好、響應(yīng)速度快、高效、節(jié)能的線控制動系統(tǒng)成為改善汽車主動安全性能的重要研究方向。

1汽車電控液壓制動系統(tǒng)的組成架構(gòu)

汽車電控液壓制動系統(tǒng)共分成4大部分：制動踏板單元、液壓驅(qū)動單元、制動執(zhí)行單元、控制系統(tǒng)。制動踏板單元包括制動踏板、踏板模擬器等，負(fù)責(zé)為駕駛員提供合適的制動踏板感覺，同時獲取駕駛員意圖。液壓驅(qū)動單元包括“電動機(jī)+減速機(jī)構(gòu)”、“液壓泵+高壓蓄能器”等形式。由于電動汽車制動主缸最高建壓需求往往超過15MPa，因此在采用電動機(jī)作為液壓壓力動力源的汽車電控液壓制動系統(tǒng)中，均需要加裝減速增扭機(jī)構(gòu)，以增大電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，減小電動機(jī)體積，節(jié)約成本。“電動機(jī)+減速機(jī)構(gòu)”負(fù)責(zé)將電動機(jī)的力矩轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的推力從而推動主缸產(chǎn)生相應(yīng)的液壓力；“液壓泵+高壓蓄能器”通過高壓蓄能器的高壓能量來提供主缸液壓力或輪缸制動力以實(shí)現(xiàn)主動調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)通過制動踏板單元獲取制動駕駛意圖從而向整車控制器發(fā)送指令，以控制高壓蓄能器、電磁閥和泵產(chǎn)生相應(yīng)的液壓力；當(dāng)高壓蓄能器內(nèi)壓力不足時，液壓泵將對高壓蓄能器增壓。制動執(zhí)行單元包括主缸，液壓管路，輪缸等。這些機(jī)構(gòu)跟傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)保持一致，將推動主缸的推力轉(zhuǎn)化成制動器的液壓力，最后通過摩擦力作用在制動盤上產(chǎn)生相應(yīng)的制動力矩。

2動力學(xué)模型

電控液壓制動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。為了能有效研究系統(tǒng)的動態(tài)性能，從系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件的液壓特性出發(fā)，分別對增壓、減壓過程建立系統(tǒng)的動力學(xué)微分方程。由電控液壓制動系統(tǒng)工作原理可知，增壓過程液壓油從高壓蓄能器經(jīng)油管及進(jìn)油閥到制動輪缸；減壓過程液壓油從制動輪缸經(jīng)油管及出油閥返回油杯。不考慮油管的壓力損失，對蓄能器、進(jìn)油閥、出油閥、輪缸的液壓特性分別建模。蓄能器：電控液壓制動系統(tǒng)增壓過程中蓄能器內(nèi)液壓油減少，蓄能器內(nèi)氣室體積增大，壓力降低，可認(rèn)為是氣體絕熱膨脹過程。

3試驗建模

3.1EHB系統(tǒng)試驗臺

利用自行研制的電控液壓制動系統(tǒng)試驗臺對系統(tǒng)的增壓、保壓和減壓過程動態(tài)性能進(jìn)行試驗建模。試驗臺中采用汽車電控制動踏板替代踏板感覺模擬器發(fā)出駕駛員制動意圖指令；制動過程液壓控制單元的切換閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)；計算機(jī)與汽車電控控制單元通信獲得試驗數(shù)據(jù)；壓力表便于試者對蓄能器壓力進(jìn)行直觀監(jiān)測。

3.2模型驗證

為了驗證EHB系統(tǒng)參數(shù)辨識結(jié)果的可信度，將上述參數(shù)的辨識結(jié)果代入動力學(xué)微分方程式進(jìn)行理論計算，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比。通過相關(guān)圖可以看出，對應(yīng)前后軸車輪的增壓、保壓和減壓過程電控液壓制動系統(tǒng)各種工作模式時輪缸壓力變化的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合，表明辨識結(jié)果準(zhǔn)確可信。

4 EHB動態(tài)性能試驗分析

4.1EHB的動態(tài)性能影響因素分析

4.1.1蓄能器壓力對系統(tǒng)動態(tài)性能影響

左后輪缸壓力單獨(dú)控制工作模式增壓過程，不同蓄能器壓力時輪缸壓力從0-7.5MPa的響應(yīng)時間及輪缸壓力穩(wěn)態(tài)誤差試驗結(jié)果。可以看出，當(dāng)輪缸壓力工作在蓄能器壓力的75%以內(nèi)（即蓄能器壓力大于10MPa）時，隨著蓄能器壓力增大，輪缸壓力響應(yīng)時間稍變短，輪缸壓力穩(wěn)態(tài)誤差稍減小。因此，可根據(jù)實(shí)際車型所需最大制動強(qiáng)度設(shè)定合適的蓄能器工作壓力。

4.1.2PWM占空比對系統(tǒng)動態(tài)性能影響

進(jìn)/出油電磁閥均以PWM方式控制，因此PWM信號的周期和占空比b是EHB系統(tǒng)動態(tài)性能的主要影響因素。PWM周期選擇與電磁閥特性有關(guān)，PWM周期過小，電磁閥在小占空比范圍來不及響應(yīng)；PWM周期過大，則電磁閥在大占空比范圍輪缸壓力變化大難以控制。左后輪缸壓力單獨(dú)控制工作模式增壓過程，固定PWM周期10ms，不同占空比時輪缸壓力變化率及輪缸壓力穩(wěn)態(tài)誤差的試驗結(jié)果。可以看出，PWM占空比大，輪缸壓力變化率大，穩(wěn)態(tài)誤差也大；占空比小則輪缸壓力變化率小，穩(wěn)態(tài)誤差也小；占空比小于30%時，輪缸壓力變化率為0，電磁閥來不及響應(yīng)。因此，當(dāng)輪缸壓力與設(shè)定壓力相差大時，采用大占空比控制，提高控制靈敏度和系統(tǒng)響應(yīng)時間；輪缸壓力與設(shè)定壓力差小時，采用小占空比控制，提高控制精度。

4.1.3輪缸工作點(diǎn)壓力對系統(tǒng)動態(tài)性能影響

左后輪缸壓力單獨(dú)控制工作模式減壓過程，不同輪缸工作點(diǎn)壓力時輪缸壓力變化率及輪缸壓力從5MPa降到2MPa的變化時間試驗結(jié)果。可以看出，輪缸工作點(diǎn)壓力越大則壓力變化率越大，EHB系統(tǒng)控制越靈敏；不同輪缸工作點(diǎn)壓力時從5MPa降到2MPa的壓力變化時間tP一致，即EHB系統(tǒng)動態(tài)性能穩(wěn)定。

4.1.4液壓管路對系統(tǒng)動態(tài)性能影響

后軸車輪模式工作時左右輪缸壓力差及車身橫擺角速度。變化曲線。實(shí)線為原裝長度油管的試驗結(jié)果，點(diǎn)線為右后輪制動液管路加長lm并彎曲的試驗結(jié)果。可以看出，加長并彎曲管路后左右輪缸壓力差稍微偏大，車身橫擺角速度也稍變大，即管路加長lm前后的汽車制動方向穩(wěn)定性基本一致。

4.2實(shí)車道路試驗

在汽車制動性能測試試驗場的干混泥土路面，以初速度50km/h的初速度進(jìn)行EHB系統(tǒng)的實(shí)車制動試驗。實(shí)線為駕駛員通過踏板模擬器設(shè)定的輪缸壓力變化，點(diǎn)線為左后輪缸壓力變化，點(diǎn)劃線為右后輪缸壓力變化，可以看出左右輪缸壓力能快速精確地跟蹤反映駕駛員制動意圖的設(shè)定壓力，且左右輪缸壓力變化一致；圖10b，10c分別為車身橫擺角速度及速度響應(yīng)曲線，可以看出EHB系統(tǒng)制動過程車身速度v變化平穩(wěn)，汽車行駛方向穩(wěn)定。

結(jié)束語

汽車電控液壓制動系統(tǒng)為整車控制提供了更迅速更精確的執(zhí)行器，但其對液壓力控制的精度和控制算法的魯棒性要求也進(jìn)一步提高。與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相比，EHB系統(tǒng)中主動控制在制動工況中的所占比重越來越高。因此，液壓力控制算法的優(yōu)劣成為EHB系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)精確快速液壓力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，也是能否與整車良好匹配的關(guān)鍵。

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