ESC液壓控制單元設(shè)計(jì)與選型舉例

杜滿勝

（江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

引言

車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic stability program，ESC）可以為用戶提供主動(dòng)安全功能[1]，比如動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制功能（Vehicle dynamic control，VDC），牽引力控制系統(tǒng)（Traction control system，TCS），制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Anti-lock brake system，ABS），自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automatic Emergency Brake，AEB）等，還可以提供舒適性功能，比如坡道輔助（Hill hold control，HHC），自動(dòng)駐車（Automatic Vehicle Hold，AVH），自適應(yīng)巡航（Adaptive Cruise Control，ACC）等。這些功能的液壓執(zhí)行部分都是依賴ESC模塊的液壓控制單元（HCU），ESC系統(tǒng)功能的控制效果與HCU能力密切相關(guān)，如果系統(tǒng)計(jì)算的目標(biāo)壓力跟不上，反而會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)控制出現(xiàn)反向的效果，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致車輛甩尾，甚至側(cè)翻。所以，HCU的硬件參數(shù)設(shè)計(jì)校核是非常基礎(chǔ)且重要的。

本文將重點(diǎn)介紹影響ESC增壓能力的部件有哪些，結(jié)合整車、制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，以及AEB性能的TTL時(shí)間要求，這些部件將如何設(shè)計(jì)。影響回油部件有哪些，部件如何設(shè)計(jì)。

1 ECS液壓控制單元原理

液壓控制單元的主要原理圖如下圖1，主要包括電機(jī)、柱塞泵、高壓閥、蓄能器、輸出閥等組成。一共有三種液壓狀態(tài)：增壓、保壓、減壓[2]。

增壓狀態(tài)如下圖2，驅(qū)動(dòng)一個(gè)主缸回路的導(dǎo)向閥，高壓閥和一個(gè)進(jìn)液閥，泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)液壓模塊內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)壓力，在卡鉗處實(shí)現(xiàn)通過進(jìn)液閥脈沖循環(huán)控制的增壓。

減壓狀態(tài)如下圖3，驅(qū)動(dòng)一個(gè)主缸回路的導(dǎo)向閥，一個(gè)出液閥和兩個(gè)進(jìn)液閥，泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將蓄能器充滿同時(shí)液壓模塊內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)壓力，在卡鉗處實(shí)現(xiàn)通過出液閥循環(huán)控制的降壓。

圖1 ECS液壓控制單元原理

圖2 增壓狀態(tài)圖

圖3 減壓狀態(tài)圖

保壓狀態(tài)如下圖4，驅(qū)動(dòng)進(jìn)液閥，將壓力鎖定在卡鉗和進(jìn)液出液閥之間[3]。本文主要研究增加過程的關(guān)鍵零件參數(shù)設(shè)計(jì)：電機(jī)、柱塞泵、進(jìn)/出液閥。以及減壓過程的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)：蓄能器。

圖4 保壓狀態(tài)圖

2 柱塞泵和電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 單輪增壓能力計(jì)算

電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的流程為Q：

式中：

η——柱塞泵效率，通常取75%；

s——偏心距；

d——柱塞泵直徑。

滿載狀態(tài)，單輪（前輪）在高附路面(附著系數(shù)1)抱死所需的制動(dòng)力F1[4]：

式中：

m——滿載重量；

μ——路面附著系數(shù)；

L2——后軸距離重心距離；

h——滿載重心高度；

L——軸距。

滿載狀態(tài)，單輪（前輪）在高附路面(附著系數(shù)1)抱死所需的管壓P1（盤式制動(dòng)器）：

式中：

R1——車輪滾動(dòng)半徑；

R2——制動(dòng)盤有效摩擦半徑；

f——摩擦片摩擦系數(shù)；

q——輪缸數(shù)量；

d1——輪缸缸徑。

達(dá)到抱死所需液量Q1，Q1可以通過查制動(dòng)器結(jié)合制動(dòng)軟管膨脹系數(shù)的PV表格，根據(jù)P1得出對(duì)應(yīng)的Q1[5]；單輪增壓到抱死所需要的時(shí)間t1：

式中：

r——電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，t1≤400ms。

電機(jī)功率校核，根據(jù)電機(jī)的特性曲線，比如下圖5，在轉(zhuǎn)速r時(shí)，電機(jī)力F2，電機(jī)堵轉(zhuǎn)力F3，則：

式中：r1——電機(jī)到柱塞泵傳動(dòng)比；P2取25MPa。

圖5 電機(jī)的特性曲線

2.2 TTL計(jì)算

TTL校核，項(xiàng)目目標(biāo)的TTL≤T，車輛滿載抱死的后輪管壓P2（盤式制動(dòng)器），依據(jù)以上P1的公式計(jì)算得出P2，根據(jù)PV曲線查表，得到后輪抱死所需的液量Q1，理論的TTL=t2，則：

液壓控制單元減壓-蓄能器校核

滿載狀態(tài)，單輪（前輪）在高附路面抱死所需的制動(dòng)力F前：

式中：

m——滿載重量；

μ——路面附著系數(shù)；

L2——后軸距離重心距離；

h——滿載重心高度；

L——軸距。

當(dāng)μ=0.1，定義F前1，當(dāng)μ=1時(shí)，定義F前2；滿載狀態(tài)，單輪（后輪）在高附路面抱死所需的制動(dòng)力F后：

式中：

m——滿載重量；

μ——路面附著系數(shù)；

L1——前軸距離重心距離；

h——滿載重心高度；

L——軸距。

當(dāng)μ=0.1，定義F后1，當(dāng)μ=1時(shí)，定義F后2；滿載狀態(tài)，單輪在高附路面抱死所需的管壓P（盤式制動(dòng)器）：

式中：

R1——車輪滾動(dòng)半徑；

R2——制動(dòng)盤有效摩擦半徑；

f——摩擦片摩擦系數(shù)；

q——輪缸數(shù)量；

d1——輪缸缸徑。

當(dāng)F=F前1，P=P前1；當(dāng)F=F前2，P=P前2；

當(dāng)F=F后1，P=P后1；當(dāng)F=F后2，P=P后2；

根據(jù)制動(dòng)器和軟件膨脹量的PV表格，查表，P前1時(shí)的需液量Q前1，P前2時(shí)的需液量Q前2，P后1時(shí)的需液量Q后1，P后2時(shí)的需液量Q后2。

從1g抱死的管壓減壓到0.1g的管壓液量差為ΔQ=（Q前2-Q前1）+（Q后2-Q后1）。

ABS系統(tǒng)要求高到低對(duì)接的抱死時(shí)間小于500ms，按照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，必須保證蓄能器容量〉ΔQ。

4 選型舉例

根據(jù)某車型的整車參數(shù)及制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，校核ESC系統(tǒng)增壓能力，TTL（目標(biāo)值小于800ms），蓄能器能量。

4.1 相關(guān)參數(shù)

表1 相關(guān)參數(shù)表

由理論計(jì)算得知，該車型的前、后輪在高附路面的抱死壓力分別為12.3MPa和8.8MPa。

4.2 蓄能器容量校核

制動(dòng)器和軟管膨脹量的PV表如下：

表2 制動(dòng)器和軟管膨脹量PV表

4.3 TTL計(jì)算

4.3.1 建立壓力需液量

以0 至0.5MPa 壓力作為建立壓力消除制動(dòng)器間隙，需要1.15 ml。

4.3.2 抱死壓力液量

以由0.5MPa 到建立12MPa壓力液量約5.12ml。

若以從0至12MPa，則需液6.27ml，電機(jī)泵流量為9ml/s，則需要696ms。

若系統(tǒng)完成壓力填充，當(dāng)前從5bar抱死壓力120bar，需量5.12cc，電機(jī)泵流量為9ml/s，需要568ms。滿足TTL〈800ms要求。

5 結(jié)論

在ESC系統(tǒng)開發(fā)前期，針對(duì)液壓控制單元，必須根據(jù)整車及制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)做系統(tǒng)的選型、計(jì)算及校核工作，如果在標(biāo)定開發(fā)中發(fā)現(xiàn)硬件無法滿足需求，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)標(biāo)定過程重新測試，額外投入大量地試驗(yàn)。所以前期的硬件設(shè)計(jì)校驗(yàn)是必不可少的一步。