商用車電控氣壓制動壓力變化率的影響因素研究

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

引言

商用車電控氣壓制動系統(tǒng)是由壓縮氣體作為動力介質(zhì)的氣壓制動部分和電子控制部分經(jīng)“機電整合”而成，專用于保障客車和載貨汽車等商用車行駛安全、穩(wěn)定和平順的核心裝置。汽車主動安全和自動駕駛等技術(shù)的發(fā)展和應用，要求氣壓制動系統(tǒng)須在電控的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能制動，通過對車輛行駛狀態(tài)和道路環(huán)境的監(jiān)測，主動導入適應的制動控制技術(shù)，驅(qū)動制動系統(tǒng)使車輛平穩(wěn)減速或自動停車，保證車輛行駛過程的安全性、穩(wěn)定性和平順性。但是，氣壓制動系統(tǒng)工作時，由于供給壓力波動及系統(tǒng)傳輸時延等影響，導致實際制動壓力響應和預期制動壓力響應之間存在壓力偏差或時間偏差，壓力偏差與時間偏差的比值即為制動壓力變化率。通過控制制動壓力變化率可以有效解決目前商用車氣壓制動系統(tǒng)存在的無法自主辨識車輛制動需求、實際制動壓力響應和期望制動壓力響應之間存在壓力偏差和時間偏差，以及無法對車輪制動力實現(xiàn)有效的獨立調(diào)節(jié)等問題。

現(xiàn)階段電控氣壓制動系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在數(shù)學建模、仿真分析和硬件在環(huán)實驗等方面。戶亞威[1]設(shè)計并搭建了電控氣壓制動系統(tǒng)實驗臺，結(jié)合半物理仿真平臺，證明了所設(shè)計的電控氣壓制動系統(tǒng)試驗臺的可行性。制動氣室是商用車氣壓制動系統(tǒng)中的重要執(zhí)行部件，研究不同工況下制動氣室的響應特性是必要的。周佳瑋[2]基于制動氣室的仿真模型，明確了不同氣源壓力下制動氣室的響應特性，為車輛氣壓制動系統(tǒng)的改進提供了理論依據(jù)。目前關(guān)于車輛氣壓制動壓力變化率的研究主要集中在乘用車液壓制動系統(tǒng)領(lǐng)域。齊志權(quán)等[3]基于液壓制動系統(tǒng)仿真模型，定量分析了制動系統(tǒng)階梯減壓控制周期和壓差與輪缸壓力變化率的關(guān)系。郜大偉等[4]基于流體力學理論，推導出了輪缸壓力變化率模型，并開發(fā)了輪缸壓力估計車載實驗臺。LIANG Chu等[5]建立了MATLAB與AMESim聯(lián)合仿真平臺，得到了ABS液壓控制單元組件參數(shù)與制動壓力變化率之間的關(guān)系曲線。

本研究面向商用車電控氣壓制動系統(tǒng)，研究制動壓力變化率的影響因素。建立制動氣室充氣過程的數(shù)學模型，并利用響應面法，得到制動壓力變化率的關(guān)鍵影響因素。基于制動氣室充氣過程的數(shù)學模型，仿真分析制動氣室的供氣壓力、音速流導和初始壓力對制動壓力變化率的影響規(guī)律。通過制動壓力變化率測量回路，實驗驗證改變供氣壓力和音速流導對制動壓力變化率的影響規(guī)律。

1 商用車電控氣壓制動壓力變化率的基本概念

對于傳統(tǒng)車輛而言，可通過駕駛員干預，減小制動系統(tǒng)響應偏差，但對于輔助駕駛或自動駕駛環(huán)境下能夠主動制動的智能制動系統(tǒng)而言，制動系統(tǒng)主動進行制動干預時，任何響應偏差均可能導致制動失效，進而引發(fā)事故。因此，面向未來自動駕駛商用車，氣壓制動系統(tǒng)必須在功能和性能上進行改進與提升，結(jié)構(gòu)上由純氣壓制動向電控氣壓制動轉(zhuǎn)變，以提高系統(tǒng)的響應速度并改善其可控性；性能上則需要滿足制動過程的安全、穩(wěn)定和平順，實現(xiàn)精準控制，從而減小制動過程的壓力偏差和時間偏差，保障在駕駛員干預降低或無駕駛員干預的場景下，車輛仍然能夠安全、平穩(wěn)制動。

1.1 面向智能制動的電控氣壓制動回路

面向智能制動，為解決傳統(tǒng)氣壓制動系統(tǒng)存在的響應時間滯后、壓力波動以及壓力響應精度低等問題，楊凡[6]提出了如圖1所示的電控氣壓制動回路。

圖1 面向智能制動的氣壓制動回路結(jié)構(gòu)圖

圖1所示電控氣壓制動系統(tǒng)是在傳統(tǒng)氣壓制動回路的基礎(chǔ)上加入了自動調(diào)壓閥(所謂自動調(diào)壓閥，是指能通過電信號與氣壓信號相互轉(zhuǎn)換，實時、自動地調(diào)節(jié)各制動氣室的壓力，同時滿足自動制動調(diào)壓需求的自動化調(diào)壓閥)，以實現(xiàn)制動壓力的獨立精確調(diào)節(jié)；用電子制動踏板代替機械式制動踏板，制動踏板通過線束與制動控制器相連；同時增加了電控單元、儲氣罐等。由于采用電信號的控制方式，且自動調(diào)壓閥由儲氣罐直接供氣，當制動信號產(chǎn)生后，可立刻控制自動調(diào)壓閥向制動氣室供氣，縮短了壓力響應時延；同時每個制動氣室前均設(shè)置一個自動調(diào)壓閥，可實現(xiàn)各制動氣室壓力的差異化供給，解決傳統(tǒng)氣壓制動回路中壓力響應時延較長、欠壓導致制動力不足、制動壓力響應不協(xié)調(diào)以及壓力調(diào)節(jié)不精確等問題，更好地滿足智能制動精確調(diào)壓的需求。

1.2 商用車電控氣壓制動壓力變化率的概念

GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》中要求商用車具有行車制動系統(tǒng)和應急制動系統(tǒng)，行車制動系統(tǒng)應能控制車輛行駛，使其安全、迅速、有效停住，且制動作用應是漸進的[7]。為滿足車輛行駛安全性、穩(wěn)定性和平順性的要求，同時保證制動作用是循序漸進的，本研究提出商用車氣壓制動壓力變化率的概念。

氣壓制動系統(tǒng)工作時，由于供給壓力波動及系統(tǒng)傳輸時延等影響，導致實際制動壓力響應和預期制動壓力響應之間存在壓力偏差或時間偏差，這種偏差可分別稱作為制動壓力偏差和制動時間偏差。氣壓制動過程中制動壓力-時間響應關(guān)系如圖2所示。縱軸線上，在預定時刻(?所示)，實際制動壓力或大于(Δp1)、或小于(Δp2)預期制動壓力，該偏差即為制動壓力偏差；而橫軸線上，達到預期制動壓力所需制動時間或提前(Δt1)、或滯后(Δt2)于預期時刻，該偏差即為制動時間偏差。

圖2 制動壓力-時間響應關(guān)系圖

對于自動駕駛車輛，制動壓力偏差或制動時間偏差均可能導致制動失效，所以必須保證制動壓力和制動時間均滿足制動預期，故需同時考慮壓力偏差和時間偏差。本研究采用單位時間制動壓力的變化—制動壓力變化率作為電控氣壓制動系統(tǒng)的評價指標和控制指標：

(1)

式中，p為制動氣室的輸出壓力，MPa。

2 制動氣室充氣過程的數(shù)學模型

制動氣室是氣壓制動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，壓縮氣體經(jīng)過制動氣室，將空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機構(gòu)的機械能，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。制動氣室作為氣壓制動系統(tǒng)的末端執(zhí)行元件，同時也是制動執(zhí)行機構(gòu)的始端元件，其響應特性的好壞直接關(guān)系到商用車電控氣壓制動系統(tǒng)的性能和車輛制動過程的穩(wěn)定性和平順性。在不影響制動氣室壓力特性和運動特性的前提下，本研究對制動回路進行簡化，忽略管路部分的影響，即氣源直接充氣到制動氣室。

1.氣體入口 2.橡膠膜片 3.下蓋 4.上蓋5.活塞盤 6.回位彈簧 7.推桿圖3 膜片制動氣室的三維剖視圖

為研究制動壓力變化率的影響因素，本研究針對制動氣室充氣過程建立數(shù)學模型[8-9]。

2.1 流量方程

根據(jù)ISO 6358，由音速流導C和臨界壓力比b得到充氣過程制動氣室質(zhì)量流量方程為：

式中，ρa—— 大氣密度

p—— 供氣壓力

θa—— 環(huán)境溫度

θ—— 制動氣室內(nèi)溫度

ps—— 制動氣室內(nèi)壓力

2.2 狀態(tài)方程

制動氣室充氣過程中氣體狀態(tài)方程為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，G—— 制動氣室內(nèi)質(zhì)量流量

R —— 氣體常數(shù)

V—— 制動氣室體積

Cv—— 定積比熱

hu—— 制動氣室熱交換系數(shù)

Sh—— 制動氣室換熱面積

A—— 制動氣室的有效截面積

x0—— 活塞盤的初始位移

x—— 活塞盤的位移

D—— 膜片與卡箍接觸的直徑

d—— 膜片與活塞盤的接觸直徑

2.3 運動方程

制動氣室的運動方程為：

(ps-pa)Ap-ma-kx-Fm=0

(8)

(9)

(10)

式中，Ap—— 活塞盤有效承壓面積

m—— 活塞盤及推桿的總質(zhì)量

a—— 推桿的運動加速度

k—— 彈簧彈性系數(shù)

Fm—— 活塞盤的膜片力

F0—— 膜片的初始變形力

s—— 推桿的行程

3 商用車電控氣壓制動壓力變化率的影響因素分析

為實現(xiàn)電控氣壓制動系統(tǒng)精準的制動控制，研究制動壓力變化率的影響因素。以某型氣壓制動氣室為例，設(shè)定氣壓制動壓力變化率計算仿真參數(shù)值如表1所示。

表1 氣壓制動壓力變化率計算仿真參數(shù)

3.1 基于響應面法的制動壓力變化率的關(guān)鍵影響因素分析

響應面法[10-11](Response Surface Methodology，RSM)是一種通過合理的方法設(shè)計試驗方案，并通過試驗或仿真獲得一定的試驗數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關(guān)系，是解決多變量問題的一種有效統(tǒng)計方法。其中，Box-Behnken Design(BBD)是響應面法中常用的試驗設(shè)計方法之一，特點是試驗設(shè)計簡便，試驗次數(shù)少，適用于2～5個因素的優(yōu)化試驗[12]。

本研究針對制動氣室充氣過程建立仿真模型，由仿真結(jié)果可知，供氣壓力、音速流導以及氣室初始壓力對制動壓力變化率的響應特性均有影響，但不同參數(shù)的影響程度無法確定。因此，本研究確定參數(shù)范圍，并采用穩(wěn)態(tài)制動壓力變化率作為目標值，得到參數(shù)范圍設(shè)置表和仿真試驗結(jié)果表，分別如表2和表3所示。

表2 參數(shù)范圍設(shè)置表

表3 仿真試驗結(jié)果表

分析計算表3中的仿真試驗數(shù)據(jù)，得到表4所示的影響因子方差分析表，通過比較F值和P值的大小來分析和判斷不同影響因素對制動壓力變化率的影響程度。當F值越大時，說明該因子的影響程度越大，反之，則越小；當P值越小時，則表示該因子影響程度越大，反之，則越小。試驗設(shè)計過程中，響應因子采用的是穩(wěn)態(tài)制動壓力變化率dp/dt，主要是因為制動壓力變化率的穩(wěn)態(tài)值可以反映各因素對制動壓力變化率的影響程度，而且在制動壓力變化率響應曲線中比較容易觀察。

表4 影響因子方差分析表

由方差分析表4可知，音速流導、供氣壓力和音速流導平方的P值均小于0.0001，P值越小，表明該因素影響越顯著，所以音速流導、供氣壓力和音速流導的平方對制動壓力變化率的影響程度較大，而制動氣室初始壓力對制動壓力變化率的影響不顯著。同時，由表4可知，音速流導、供氣壓力和音速流導平方的F值分別為2479.17、757.99和133.61，則影響因子顯著程度為A>C>B，且音速流導和供氣壓力為關(guān)鍵影響因素。

3.2 制動壓力變化率影響因素的影響規(guī)律分析

制動壓力變化率的影響因素不僅包括結(jié)構(gòu)參數(shù)，也包括工作參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)是指制動氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，一般無法改變；工作參數(shù)是指可以修改并進行適當調(diào)整的參數(shù)。工程實際中，一般通過改變工作參數(shù)使響應結(jié)果達到預期目標。因此，本研究針對制動氣室充氣過程的數(shù)學模型，仿真分析制動氣室的供氣壓力、音速流導和初始壓力對制動壓力變化率的影響規(guī)律。

1) 改變供氣壓力下的制動壓力變化率

設(shè)定音速流導C=2.2 dm3/(s·bar)和氣室初始壓力p0=0.1 MPa不變，改變制動氣室的供氣壓力，得到制動壓力變化率仿真曲線如圖4所示。

圖4 改變供氣壓力的制動壓力變化率仿真曲線

由圖4可知，供氣壓力增加，制動壓力變化率隨之增大，且波動程度增大；隨著供氣壓力增加，制動壓力變化率的響應時間增長，即制動氣室的充氣時間增加。因此供氣壓力不僅影響制動壓力變化率的大小，也影響制動壓力變化率響應時間的長短。

2) 改變音速流導下的制動壓力變化率

設(shè)定制動氣室供氣壓力p=0.5 MPa和初始壓力p0=0.1 MPa不變，改變音速流導，得到制動壓力變化率仿真曲線如圖5所示。

圖5 改變音速流導的制動壓力變化率仿真曲線

由圖5可知，音速流導越大，制動壓力變化率越大，波動程度逐漸減弱；音速流導越大，制動壓力變化率響應時間越短。因此，音速流導改變對制動壓力變化率的大小和響應時間均有影響。

3) 改變初始壓力下的制動壓力變化率

設(shè)定制動氣室供氣壓力p=0.5 MPa和音速流導C=2.2 dm3/(s·bar)不變，改變制動氣室內(nèi)腔的初始壓力，得到制動壓力變化率仿真曲線如圖6所示。

由圖6可知，氣室內(nèi)腔初始壓力對制動壓力變化率的大小基本沒有影響；初始壓力越大，制動壓力變化率的響應時間越短，主要原因是初始壓力增加時，氣室所需要外部提供的壓力變小，則增加到目標壓力的時間變短。因此，初始壓力改變主要影響制動壓力變化率響應時間的長短。

圖6 改變初始壓力的制動壓力變化率仿真曲線

由仿真結(jié)果可知，當供氣壓力和音速流導改變時，對制動壓力變化率響應時間和穩(wěn)態(tài)值均有影響；而當初始壓力改變時，僅對制動壓力變化率的響應時間有影響，而對制動壓力變化率的大小基本沒有影響。由于仿真結(jié)果與響應面法分析結(jié)果中的關(guān)鍵影響參數(shù)基本保持一致，進而證明了響應面分析方法所得結(jié)論的合理性。

4 商用車電控氣壓制動壓力變化率關(guān)鍵影響因素的實驗驗證

為驗證供氣壓力和音速流導對制動壓力變化率的影響規(guī)律，本研究設(shè)計制動壓力變化率測量回路如圖7所示，利用壓力傳感器8測量制動氣室的壓力，利用壓力傳感器9測量儲氣罐的壓力值；將壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)dSPACE傳入計算機中，并通過Control Desk界面進行顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存。

1.氣源 2.氣動三聯(lián)件 3.開關(guān)閥 4.精密調(diào)壓閥 5.儲氣罐6.二位五通電磁閥 7.制動氣室 8、9.壓力傳感器圖7 制動壓力變化率測量回路

在對制動氣室壓力進行數(shù)據(jù)處理時，由于測量方法、人為操作誤差以及噪聲等因素，導致制動壓力變化率的曲線存在較多毛刺，不易觀察其變化規(guī)律，為更好的觀察和分析制動壓力變化率曲線的變化規(guī)律，本研究對該曲線進行濾波處理。

4.1 改變供氣壓力下的制動壓力變化率

設(shè)定音速流導C=2.2 dm3/(s·bar)和其他參數(shù)不變，改變氣動回路的供氣壓力，得到濾波后的制動壓力變化率實驗曲線如圖8所示。

圖8 不同供氣壓力的制動壓力變化率實驗曲線

由圖4和圖8可知，制動壓力變化率的仿真和實驗曲線變化規(guī)律一致。制動氣室充氣初期，制動氣室制動壓力變化率增加且波動程度較大；制動氣室充氣中期，隨著制動氣室活塞桿的伸出，制動壓力變化率繼續(xù)增加至最大值且在穩(wěn)態(tài)值附近波動；制動氣室充氣末期，制動壓力變化率逐漸下降，充氣過程結(jié)束時，制動壓力變化率下降至0。隨著供氣壓力的增加，制動壓力變化率越大，波動程度越明顯；隨著供氣壓力增大，制動氣室制動壓力變化率的響應時間基本保持一致。由實驗曲線可知，供氣壓力對制動壓力變化率的影響較大，而對響應時間的影響較小。由于實驗過程中存在人為操作誤差，導致制動壓力變化率實驗和仿真曲線存在偏差。

4.2 改變音速流導下的制動壓力變化率

設(shè)定制動氣室供氣壓力p=0.5 MPa和其他參數(shù)不變，通過改變氣動回路中的音速流導值，得到濾波后的制動壓力變化率實驗曲線如圖9所示。

圖9 不同音速流導的制動壓力變化率實驗曲線

由圖5和圖9可知，制動氣室充氣初期、制動氣室充氣中期、制動氣室充氣末期至充氣結(jié)束，制動壓力變化率仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的變化規(guī)律基本保持一致。隨著音速流導的增加，制動壓力變化率增大，波動程度愈加顯著；隨著音速流導的增大，制動壓力變化率的響應時間減小，且時間減小的十分明顯。因此改變音速流導不僅影響制動壓力變化率的大小，也影響制動壓力變化率的響應時間。由于測量方法和人為操作誤差等因素，導致實驗曲線與仿真曲線存在偏差。

5 結(jié)論

本研究同時考慮制動壓力偏差與制動時間偏差的制動壓力變化率，并通過仿真分析和實驗，得到制動壓力變化率關(guān)鍵影響因素的影響規(guī)律。本研究的主要結(jié)論如下:

(1) 音速流導和供氣壓力對制動壓力變化率的影響程度較大，而制動氣室初始壓力對制動壓力變化率的影響不顯著；

(2) 隨著供氣壓力的增加，制動壓力變化率越大，波動程度越明顯。隨著音速流導的增加，制動壓力變化率增大，制動壓力變化率的響應時間變小，波動程度愈加顯著，改變音速流導不僅影響制動壓力變化率的大小，也影響制動壓力變化率的響應時間。