基于WBooster制動系統的試驗研究

馬果，劉一平，吳世林，孫智威

（1.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

（2.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）

（3.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前，線控制動技術主要有電子機械制動系統和電子液壓制動系統兩種[13]。電子機械制動系統因受限于成本和技術可靠性，較難實現量產規模化使用。電子液壓制動系統由于其結構簡單、可靠、成本較低，受到諸多公司、科研院所的關注。根據動力源的不同，電子液壓制動系統可分為泵式和電機式兩種[14]。泵式電子液壓制動系統其是通過控制高壓蓄能器、電磁閥和泵產生相應的液壓力[15]。電機式電子液壓制動系統工作時，控制電機直接驅動運動機構推動主缸建壓[16]。與泵式電子液壓制動系統相比，由于沒有高壓蓄能器、電磁控制閥等，具有避免泄漏的優勢，其安全性和可靠性更好。同時，由于電機式電子液壓制動系統電機與傳動機構的剛性聯接且可控，其建壓速度及精度也優于泵式電子液壓制動系統。因此，國外零部件巨頭針對電機式電液制動系統都推出了相應的成熟產品，如博士iBooster[17]、大陸MK C1[18]，其中博士的電液制動系統壟斷了90%的市場份額。

由于電機式電子液壓制動系統，作為一種高度緊湊的機電液復合產品，其受明顯的非線性和不確定性因素影響[19]，如摩擦、建模誤差、參數擾動等，給液壓力的精準控制帶來困難。因此電子液壓制動系統要實現快速、精準、穩定的建壓能力與安全可靠的運行性能，對相應的軟硬件技術提出了較高門檻。為打破壟斷，國內眾多零部件廠商和高校科研機構對電機式電液制動系統開展了研究。如同濟大學的余卓平[20]團隊設計了一種以蝸輪蝸桿為傳動機構的電液制動系統，并針對系統開發了具有魯棒性的滑模變結構液壓力控制算法，結果表明能夠有效的實現精準的液壓力控制。吉林大學[21]開發了一種機電一體的新型電液制動系統，針對硬件提出了基本助力輔助控制模塊、速度補償模塊、慣性補償模塊、摩擦補償模塊相結合的壓力控制算法，臺架試驗表明在控制算法的作用下系統可實現精準的液壓力控制。國內的零部件廠商，如蕪湖伯特利、拿森、格陸博等也都分別推出了WCBS、NBooster、GIBS產品。為實現關鍵零部件的自主可控及拓展現有產品線，我司也布局研發了具有自主知識產權的電液制動系統產品WBooster。該產品結構緊湊、壓力控制精準、壓力響應速度快，且容易通過模塊集成技術與其他功能產品融合。為驗證WBooster搭載在實車上的制動性能，以自主研發的電子液壓制動系統WBooster為研究對象，通過搭建基于WBooster制動系統的實車試驗平臺測試其靜態和行車情況下的工作性能。

1 試驗方案設計

試驗是檢驗產品設計可行性及功能有效性的最直接方法，在保證試驗安全的前提下，應盡可能對所測試的產品的功能特性展開較詳細的試驗[22，23]，試驗平臺由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統是通過改裝原有的純電動汽車底盤進行搭建的，拆除試驗樣車上原有的基于電子真泵助力的制動系統，將WBooster系統安裝到保留原有制動管路的試驗車上。通過加裝踏板力傳感器、踏板位移傳感器、制動主缸液壓力傳感器和車速傳感器來測量試驗過程中產生的對應物理量。軟件系統是采用基于快速原型開發工具鏈進行WBooster系統控制程序的編譯、刷寫，并進行試驗過程中的測試標定與數據采集。所制定的試驗方案如圖1所示，并且試驗平臺在進行實車道路行車制動試驗時還必須滿足以下試驗條件[24，25]：

圖1 試驗方案

（1）試驗在高附著（附著系數為0.8）路面進行，且道路應該平坦干燥。

（2）試驗環境應該符合試驗需求，即在行車過程中駕駛員視野范圍的能見度高要使駕駛員能夠清晰的掌握試驗環境周圍情況，并且天氣環境應該晴朗無風。

（3）試驗前要對實驗車輛狀況進行全面檢查，確認是否具備試驗條件。

經過改裝后的試驗車如圖2所示，依據試驗方案所開展的道路行車制動試驗如情況圖3所示。

圖2 試驗車改裝

圖3 行車制動

2 試驗測試

2.1 靜態測試

實車靜態測試類似于臺架測試，但區別與臺架測試的地方在于在實車應用環境中對WBooster制動系統的壓力響應情況進行試驗研究，從而了解系統增壓、保壓、卸壓情況是否適合道路行車試驗，從而保障道路行車試驗的安全。同時，通過測試制動力、制動踏板位移與制動液壓力的關系，研究制動踏板感覺的變化情況。

社團文化是高職院校校園文化的重要組成部分，積極的社團文化有利于更好的為學校學風建設創造良好的環境。如以專業為主題的社團，使學生在專業方面的學習不在局限于課堂，而是通過活動的形式來展現，特別是一些動手要求高的技能型專業，形式多樣的教學方式能提高學生學習的熱情，從而使學生掀起學習熱潮，引領積極良好的學習環境。這些社團都有獨特的社團目標，各個目標穿插在平時社團生活中，指引著每個成員完成相應任務，達到既定目標，這樣的過程在潛移默化中影響著他們的價值觀與人生觀。

階躍變化的液壓力對于制動系統來說是一種比較嚴苛的工況，對于系統壓力跟隨性能要求較高，在變階躍工況下的wBooster系統對目標液壓力的跟隨情況如圖4所示。

圖4 變階躍壓力跟隨

如圖4所示，變階躍壓力跟隨能夠準確的跟隨目標液壓力的變化趨勢。在建壓過程中，低壓力時的超調較為明顯，隨著壓力的增加超調量逐漸減小。在卸壓行程中，隨著壓力的逐漸減小，壓力的回沖量逐漸加大。在逐漸增壓過程中的響應情況見表1。

表1 變階躍增壓過程中壓力變化情況

在幅值為6 MPa周期為3 s梯形壓力變化工況以及幅值為6 MPa周期為2 s的弦波工況下，其壓力跟隨的情況如圖5所示。

圖5 幅值6MPa周期為3s梯形工況壓力跟隨

從圖5、圖6可以看出WBooster系統對不空工況的適應能力比較強，在不同工況下都能夠準確的跟隨目標液壓力的變化趨勢。從圖6可看出，初始建壓時刻系統的壓力響應有一定的響應延遲，在建壓行程結束后實際也壓力并不會直接跟隨目標液壓力而歸零，出現這種現象的原因是制動系統的液壓遲滯現象引起的。梯形工況和弦波工況的壓力跟隨誤差均方根值見表2。

圖6 幅值6MPa周期為2s弦波工況壓力跟隨

表2 不同工況壓力誤差均方根值

在WBooster系統所產生液壓力的方式是根據駕駛員的制動意圖進行建壓，駕駛員踩制動踏板時產生制動踏板位移，根據制動踏板位移信息判斷駕駛員所需目標液壓力大小，系統在控制指令下產生相應大小的液壓力。經過測試，WBooster能夠準確的識別出駕駛員的制動意圖，并能夠快速的跟隨制動意圖下的目標制動液壓力的變化趨勢。根據駕駛員制動意圖的壓力跟隨如圖7所示。

圖7 駕駛員制動意圖液壓力跟隨

WBooster制動系統在結構形式上采用全解耦式，即在助力電機正常提供制動助力時制動踏板推桿上的力不會作用與制動主缸推桿，也不會與傳動機構上的力耦合。因此，在車輛制動時駕駛員踩制動踏板時的腳感完全由制動踏板模擬器提供。制動時的踏板感覺可以通過兩種途徑進行調整，其一是通過改變電機助力的空行程進而再改變控制層的查表規則來實現踏板感覺調整，另一途徑是通過改變踏板模擬器彈性元件的剛度及阻尼實現。通過調整電機助力空行程的方式改變踏板腳感見表3。

表3 制動踏板感覺調整情況

通過表3可以看出，調整電機助力的空行程可以改變踏板力與主缸液壓力之間的對應關系進而改變制動踏板感覺，并不能改變踏板模擬器彈性元件的剛度及阻尼特性，因此無法改變踏板力與踏板位移的關系。所以，對踏板感覺的調整還是應該從根本上改變踏板模擬器彈性元件的剛度與阻尼。

2.2 道路行車制動測試

道路行車制動測試是對WBooster制動系統應用在實車后的性能所做的動態測試。作為電子液壓助力制動系統，WBooster系統同樣具備助力制動和人力備份制動兩種基本功能，同時也可以與感知功能集成具備主動制動功能。再試驗過程中，主動制動模式是以直接給WBooster系統下達制動液壓力命令實現的。

助力制動是指根據駕駛員踩制動踏板時所產生的制動意圖確定駕駛員制動意圖對應目標液壓力，然后助力電機在控制系統控制下提供制動主缸產生目標液壓力所需轉矩，在這個過程中主缸產生液壓力的動力源只有助力電機。助力制動模式下制動初速度為30 km/h的車輛制動情況如圖8所示。

圖8 助力制動模式

人力制動是指在WBooster系統因為故障而助力電機無法提供制動動力源時由駕駛員直接通過踩制動踏板提供制動時所需的制動力。因此，這種模式也稱為備份制動模式，屬于WBooster的冗余安全功能。這種模式下的制動動力源只有駕駛員通過制動踏板推桿作用在主缸推桿上制動踏板力。人力制動模式下車初速度為20 km/h的輛制動情況如圖9所示。

圖9 人力制動模式

本研究指的主動制動是指駕駛員沒有在制動踏板上施加任何制動力wBooster系統根據試驗人員直接下達液壓力指令進行建立主缸液壓力的制動過程。初速度為28 km/h，制動液壓力為3 MPa時的制動情況如圖10所示，初速度為33 km/h，制動液壓力為5 MPa時的制動情況如圖11所示。

圖10 初速度28km/h-液壓力3MPa

圖11 初速度33km/h-液壓力5MPa

不同模式下行車制動的具體情況不同，在對應模式下行車制動的制動距離以及車速從初始速度降為0時的制動時間見表4。

表4 不同模式下行車制動測試結果

3 結語

通過改裝現有某款純電動車底盤，搭建了WBooster制動系統的實車試驗平臺，并進行了靜態下不同工況液壓力跟隨研究和制動踏板感覺研究，同時進行了不同制動模式下的道路行車制動試驗測試，結果發現：

（1）WBooster制動系統能夠準確跟隨目標液壓力的變化，對液壓力變化的響應速度較快，且在液壓力跟隨過程中的誤差均方根值較小。

（2）通過調整電機助力的空行程，可以改變制動踏板力與主缸液壓力之間的對應關系從而改變制動踏板感覺，但是這種調整并不能改變踏板力與踏板位移的關系，因此通過調整電機助力空行程來改變制動踏感覺的作用是有限的。

（3）在行車制動過程中，WBooster制動系統能夠為車輛提供滿足制動要求的液壓力。在初速度為30Km/h的制動測試中，制動距離遠小于國家標準規定的制動距離。通過本文主動制動模式的測試表明，WBooster制動系統可以實現建立在感知模塊基礎上的主動制動功能。