集成式電液制動檢測系統(tǒng)研究

陳斌鋒，郭斌,，胡曉峰,，張霖成

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司,浙江杭州 310018)

0 前言

汽車工業(yè)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，從最初的機(jī)械物理系統(tǒng)逐步向信息物理系統(tǒng)邁進(jìn)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，成為汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個(gè)重要方向。駕駛意圖識別和短時(shí)行為預(yù)測作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，對汽車制動系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)機(jī)械直連的液壓制動系統(tǒng)不能滿足汽車自動化的發(fā)展需求，而線控液壓制動系統(tǒng)不僅可以與智能駕駛深度結(jié)合，識別駕駛員操作意圖實(shí)現(xiàn)主動制動技術(shù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動能量的回收，已經(jīng)成為國際研究熱點(diǎn)之一。

國外對于線控液壓制動系統(tǒng)的研究較早，在2001年，BOSCH公司就為奔馳汽車配備了名為電子感應(yīng)制動系統(tǒng)的線控液壓控制系統(tǒng)，目前應(yīng)用于奔馳CLS跑車等。該公司又在2013年推出了電動助力制動系統(tǒng)IBooster，該系統(tǒng)由駕駛員和助力電機(jī)共同推動主缸活塞，由主缸為制動回路提供高壓制動液，并被廣泛應(yīng)用于新能源汽車。2016年德國大陸集團(tuán)推出了集成式電液制動系統(tǒng)MK C1，該產(chǎn)品將制動助力機(jī)構(gòu)與液壓調(diào)節(jié)單元集成到了一起，極大地減少了制動系統(tǒng)的占用體積，同時(shí)減輕了整個(gè)制動系統(tǒng)的質(zhì)量，且具有更快更穩(wěn)定的建壓速度。國內(nèi)關(guān)于電液制動系統(tǒng)的研究也在迅速發(fā)展，余卓平等提出了一種雙動力源液壓失效備份的電液制動系統(tǒng)；王治中提出了一種分布式電液制動系統(tǒng)。電液制動系統(tǒng)正在向以助力電機(jī)為動力源的集成式方向發(fā)展。

現(xiàn)有的集成式電液制動系統(tǒng)檢測裝置測試項(xiàng)目單一，并且檢測方法不規(guī)范，無法滿足性能測試的多樣性與可靠性要求。參考汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研制出一套集成式電液制動檢測裝置，配合基于LabVIEW開發(fā)的通信和測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對I-EHB各種模擬工況的檢測，適用于企業(yè)對集成式電液制動系統(tǒng)的生產(chǎn)檢測全流程及研發(fā)試驗(yàn)，能夠確保結(jié)果的可靠性。

1 集成式電液制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理分析

本文作者選用集成式電液制動系統(tǒng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品作為研究對象，對其性能進(jìn)行檢測。圖1所示為經(jīng)典結(jié)構(gòu)的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 I-EHB經(jīng)典結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外觀

該系統(tǒng)主要由制動主缸、踏板模擬器、無刷電機(jī)、隔離閥等組成。I-EHB共有3種工作狀態(tài)：(1)機(jī)械備份狀態(tài)： I-EHB不上電，相當(dāng)于無助力狀態(tài)，駕駛員腳踩踏板對制動主缸建壓，制動主缸內(nèi)的高壓制動液將直接流入輪缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)制動；(2)駕駛員輸入狀態(tài)：I-EHB正常上電，駕駛員腳踩踏板對制動主缸建壓，高壓制動液流入踏板模擬器內(nèi)，踏板模擬器反饋給駕駛員一定的制動腳感，隔離閥通電處于斷開狀態(tài)，將人力制動回路與電動助力回路隔開實(shí)現(xiàn)完全解耦，ECU根據(jù)踏板行程與制動主缸的壓力及車內(nèi)其他傳感器信息識別駕駛員意圖，自動計(jì)算出目標(biāo)制動力，控制無刷電機(jī)對液壓制動管路建壓，高壓制動液經(jīng)管路流入輪缸實(shí)現(xiàn)制動；(3)外部請求狀態(tài)：I-EHB正常上電，操作者在軟件提前配置好I-EHB內(nèi)部電磁閥與電機(jī)的動作報(bào)文，檢測系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)下發(fā)報(bào)文控制ECU，配合駕駛員動作，可實(shí)現(xiàn)設(shè)定動作下I-EHB的工況檢測。

2 測試方案設(shè)計(jì)

2.1 性能測試方法設(shè)計(jì)

集成式電液制動系統(tǒng)作為汽車制動行業(yè)最新的發(fā)展方向，國內(nèi)暫無對應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)。因此，參考QC/T 311—2008《汽車液壓主缸性能要求及臺架試驗(yàn)方案》與QC/T 307—2016《汽車用真空助力器性能要求及臺架試驗(yàn)方法》及現(xiàn)有臺架技術(shù)，對I-EHB的測試需求進(jìn)行分析，制定I-EHB基礎(chǔ)制動性能測試項(xiàng)。

基礎(chǔ)制動性能測試項(xiàng)主要反映I-EHB在受到正常速度推進(jìn)的踏板推桿的輸入力與推動制動主缸產(chǎn)生的輸出液壓之間的關(guān)系。參考真空助力器工作特性曲線中的特征點(diǎn)，對I-EHB工作狀況進(jìn)行分析，圖2所示為真空助力器輸入輸出特性曲線。

圖2 真空助力器輸入-輸出特性曲線

真空助力器輸入輸出特性曲線主要包括始動力、釋放力、跳躍值、最大助力點(diǎn)、助力比等參數(shù)。始動力為使產(chǎn)品產(chǎn)生輸出力的最小輸入力，一般要求始動力不大于110 N；釋放力為產(chǎn)品壓力卸載過程中，輸出力降為0時(shí)對應(yīng)的輸入力，一般要求釋放力不小于30 N；跳躍值為踏板推桿加載過程中，輸入力不變，輸出力驟增的最大力值；最大助力點(diǎn)為助力部分曲線延長線與失效部分曲線延長線交點(diǎn)；助力比為助力區(qū)間輸出力的增量與輸入力增量的比，助力比的計(jì)算公式為

=(-)-(-)

其中：為最大助力點(diǎn)的30時(shí)的輸入力;為最大助力點(diǎn)的80時(shí)的輸入力;為最大助力點(diǎn)的30%時(shí)的輸出力;為最大助力點(diǎn)的80%時(shí)的輸出力。針對I-EHB的3種工作狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)基礎(chǔ)制動試驗(yàn)：

(1)機(jī)械備份狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)。不給I-EHB供電，僅增大對制動主缸輸入端的力，檢測機(jī)械備份狀況下I-EHB輸出液壓與輸入力的關(guān)系，引入始動力和釋放力作為合格性判斷依據(jù)。

(2)駕駛員輸入狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)。給I-EHB正常供電，并增大對制動主缸輸入端的力，檢測駕駛員輸入狀況下I-EHB輸出液壓與輸入力的關(guān)系，引入始動力、釋放力、最大助力點(diǎn)力和液壓、助力比作為合格性判斷依據(jù)。助力比計(jì)算僅考慮制動主缸部分，輸出力的計(jì)算需要經(jīng)過液壓值轉(zhuǎn)換：

=×

其中：為制動主缸的輸出力;為制動主缸的輸出液壓;為制動主缸的底面積。

(3)外部請求狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)：檢測軟件的通信系統(tǒng)控制動作是否正確以及助力電機(jī)的制動性能。測試時(shí)，給I-EHB正常供電，由軟件配置報(bào)文控制ECU動作，保持制動主缸無輸入狀態(tài)，打開隔離閥將制動主缸與輪缸回路隔離，控制助力電機(jī)直接給制動輪缸建壓。引入制動液壓隨時(shí)間變化的曲線作為判定外部請求控制動作是否成功的依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)上述測試需求分析，集成式電液制動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可細(xì)分為加載機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)、測試管路模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與控制模塊設(shè)計(jì)、CAN通信模塊設(shè)計(jì)、臺架模塊設(shè)計(jì)等。圖3所示為硬件模塊結(jié)構(gòu)。

圖3 硬件模塊結(jié)構(gòu)

2.2.1 加載機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

電缸加載機(jī)構(gòu)主要由伺服電缸、位移傳感器、力傳感器等組成。伺服電缸推動安裝在被測件安裝板上的實(shí)車踏板，模擬剎車制動動作。圖4所示為加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

圖4 加載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2.2 測試管路模塊設(shè)計(jì)

測試管路模塊主要由真空管路、液壓控制管路、氣壓管路組成。設(shè)計(jì)真空管路用于在產(chǎn)品安裝完畢后，將液壓控制管路與產(chǎn)品內(nèi)部抽至真空后注油，保證管路與產(chǎn)品死角無空氣，提升注油效果。設(shè)計(jì)液壓控制管路用于模擬并測量I-EHB各個(gè)工況下對4個(gè)輪缸產(chǎn)生的真實(shí)液壓。設(shè)計(jì)氣壓管路用于在產(chǎn)品測試完畢后直接給產(chǎn)品加壓排油。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)、電磁閥、供電系統(tǒng)、傳感器等組成。數(shù)據(jù)采集卡采用NI高速、高精度多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI-AI通道對加載力信號、加載位移信號、液壓信號、ECU電壓及電流信號進(jìn)行采集；通過AO通道控制電氣比例閥、真空比例閥的輸出；通過DO通道控制測試管路電磁閥；通過DI通道對門限開關(guān)及力傳感器報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行檢測。

2.2.4 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

CAN通信模塊設(shè)計(jì)提供2路CAN信號輸入、輸出通道，用于工控機(jī)與加載電缸和I-EHB內(nèi)部ECU的通信。

2.3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

考慮到檢測系統(tǒng)的軟件模塊需要實(shí)現(xiàn)配合硬件完成對加載機(jī)構(gòu)及電磁閥的控制、控制數(shù)據(jù)采集卡輸入輸出、對輸出結(jié)果進(jìn)行處理的功能，以LabVIEW為開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件模塊可分為測試參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、性能測試模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其中，通信模塊可以實(shí)現(xiàn)對I-EHB內(nèi)部ECU的通信控制。通信模塊提供DBC(Database CAN)文件接口，用于讀取并記錄已經(jīng)定義好的I-EHB內(nèi)部ECU控制電磁閥、電機(jī)信號的幀地址值、長度等信息。完成信號名稱和地址記錄后，通信模塊提供報(bào)文配置界面如圖5所示，能夠完成對I-EHB內(nèi)部電磁閥及電機(jī)所有動作的配置。完成配置后，通信模塊會根據(jù)動作主體名稱完成動作指令與地址值的配對，并按照動作指令對對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，將修改完的信息轉(zhuǎn)化成符合CAN通信CCP協(xié)議的報(bào)文幀格式，下發(fā)給ECU，對ECU對應(yīng)地址值的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)通信控制。

圖5 報(bào)文配置界面

在報(bào)文配置界面中，參數(shù)配置列表用于修改對應(yīng)的參數(shù)值，動作指令列表會將修改完的參數(shù)列表讀取下來，并生成動作指令，方便重復(fù)調(diào)用。在指令集動作邏輯表中生成的是最終下發(fā)的報(bào)文指令，可調(diào)用已生成的動作指令，并將順序和延時(shí)時(shí)間下發(fā)報(bào)文指令，實(shí)現(xiàn)動作控制，也可以生成指令集動作，方便重復(fù)調(diào)用。報(bào)文配置界面結(jié)構(gòu)清晰、控制功能全面且重復(fù)利用性高，能夠滿足性能測試的要求。圖6所示為軟件測試流程圖。

圖6 軟件測試流程

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 測試條件

在測試之前，通過真空注油以及電缸加壓排氣保證產(chǎn)品及管路內(nèi)部無氣體殘留。完成排氣動作后，開始對某汽車公司的I-EHB的3種工作狀態(tài)下的基礎(chǔ)性能進(jìn)行測試，配置如表1所示的參數(shù)。

表1 測試參數(shù)配置

3.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.2.1 機(jī)械備份狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)

機(jī)械備份狀態(tài)模擬當(dāng)ECU工作失效時(shí)，I-EHB內(nèi)部的工作狀況，結(jié)果如圖7和表2所示?？梢缘贸觯簷C(jī)械備份狀態(tài)下要產(chǎn)生10 MPa的輪缸制動壓力約需要3 000 N，非緊急狀況不會出現(xiàn)這種狀態(tài)。始動力、釋放力及測試結(jié)果均符合要求。

圖7 機(jī)械備份狀基礎(chǔ)制動結(jié)果

表2 集成式電液制動系統(tǒng)基礎(chǔ)制動測試結(jié)果

3.2.2 駕駛員輸入狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)

由圖8和表3可以得出:在駕駛員輸入模式下，助力電機(jī)在輸入力為313 N時(shí)便達(dá)到了最大助力液壓5.93 MPa。由于該產(chǎn)品仍處于測試開發(fā)階段，ECU內(nèi)部算法控制助力電機(jī)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，即使駕駛員輸入力繼續(xù)增加，助力電機(jī)也只會保持當(dāng)前位置。結(jié)果表明始動力、釋放力、助力比均滿足測試要求。

圖8 駕駛員輸入狀態(tài)基礎(chǔ)制動結(jié)果

表3 駕駛員輸入狀態(tài)基礎(chǔ)制動測試結(jié)果

3.2.3 外部請求狀態(tài)基礎(chǔ)制動性能試驗(yàn)

由圖5所示的報(bào)文配置的動作序列和圖9可以得出：I-EHB產(chǎn)品按照報(bào)文配置指令，完成電磁閥的初始化動作之后，控制助力電機(jī)在10 s內(nèi)完成13.5 MPa建壓指令，實(shí)際制動液壓14.2 MPa，電機(jī)保持5 s后，在10 s內(nèi)完成泄壓動作。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通信系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在外部請求狀況下，ECU內(nèi)部算法的6 MPa助力電機(jī)保護(hù)作用失效，因此在進(jìn)行外部請求試驗(yàn)時(shí)需要在報(bào)文配置中完成產(chǎn)品保護(hù)設(shè)定工作。

圖9 外部請求狀態(tài)基礎(chǔ)制動測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文作者闡述了以LabVIEW為開發(fā)平臺的集成式電液制動檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，引入伺服電缸模擬駕駛員輸入，搭配通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對I-EHB產(chǎn)品內(nèi)部動作的控制；對I-EHB的3種工作狀態(tài)下的基礎(chǔ)制動性能進(jìn)行試驗(yàn)。測試結(jié)果曲線和特征點(diǎn)均符合企業(yè)測試要求，驗(yàn)證了測試臺架的可靠性、穩(wěn)定性，該檢測臺目前已應(yīng)用于相關(guān)汽車企業(yè)對于I-EHB性能的測試與開發(fā)。