中/重型汽車電子駐車系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制研究

王洪亮，董 巍，李 楠，戴曉明

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094;2.中國人民解放軍總裝備部汽車試驗(yàn)場，江蘇南京 210028)

駐車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于車輛停車之后給車輛施加長期制動(dòng)力，防止人員離車之后車輛自動(dòng)移動(dòng)，另外，駐車制動(dòng)系統(tǒng)還具備坡道起步輔助功能及應(yīng)急制動(dòng)功能［1-4］。

駐車制動(dòng)的操作由始至終的貫穿于汽車的駕駛過程，起步之初，駕駛員要釋放駐車制動(dòng)，停車之后，要施加駐車制動(dòng)，在城市路況頻繁啟停的工況下，給駕駛員帶來較為繁瑣的操控，容易導(dǎo)致駕駛疲憊。由于駕駛員的疏忽，離車后忘記施加駐車制動(dòng)或者起步時(shí)忘記釋放駐車制動(dòng)，均會(huì)給車輛造成實(shí)際的損傷、帶來安全隱患，乃至于車毀人亡的安全事故也時(shí)有發(fā)生［5-8］。

在汽車電子技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，駐車制動(dòng)系統(tǒng)的電子化、智能化必然是發(fā)展趨勢(shì)，目前小型乘用車輛的電子駐車制動(dòng)技術(shù)(electronic parking brake system，EPB)［9-10］已經(jīng)有長足的發(fā)展，甚至于有產(chǎn)品推向市場，給駕駛員帶來較大的幫助［11-12］。

中/重型汽車的駐車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與小型乘用車有較大的差異，現(xiàn)有的EPB技術(shù)并不能很好地適用于中/重型汽車［13-14］。本文以中/重型汽車的駐車制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制問題研究為出發(fā)點(diǎn)，分析了中/重型汽車的氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，結(jié)合系統(tǒng)的功能需求，分析了系統(tǒng)的控制參數(shù)需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，并提出了系統(tǒng)的控制策略，最終通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)

對(duì)于中/重型汽車，由于車重較大，對(duì)駐車制動(dòng)力的需求較高，尤其是在不平路面上駐車時(shí)，受路面傾斜角度的影響，需對(duì)汽車施加更大的駐車制動(dòng)力［15］。因此，效仿乘用車完全靠人工拉動(dòng)制動(dòng)拉索來施加駐車制動(dòng)力難以滿足要求，或者為達(dá)到足夠的駐車制動(dòng)力，需要較大制動(dòng)力放大杠桿，帶來中/重型汽車駐車制動(dòng)裝置布置的困難。

為解決以上問題，中/重型汽車的駐車制動(dòng)系統(tǒng)多采用氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心部件是彈簧制動(dòng)缸，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示［16］。

復(fù)合彈簧制動(dòng)缸利用強(qiáng)力彈簧來推動(dòng)制動(dòng)蹄片施加駐車制動(dòng)力，通過系統(tǒng)的初裝，人工賦予彈簧較大的彈性勢(shì)能，使得彈簧可以輸出較大彈性力來推動(dòng)制動(dòng)蹄片。用彈簧施加制動(dòng)力，可以保證長期駐車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸可以輸出長期穩(wěn)定的制動(dòng)力，而不用擔(dān)心由于汽車儲(chǔ)氣罐壓力的下降而喪失駐車制動(dòng)力。

圖1 復(fù)合彈簧制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of composite spring brake cylinder

由于制動(dòng)缸在汽車上的安裝之初就輸出了較大的壓力到制動(dòng)蹄片，因此汽車如若要行駛，則需要一個(gè)較大的推力來壓縮彈簧，釋放其對(duì)制動(dòng)蹄片的制動(dòng)壓緊力，在中/重型汽車上，該推力由汽車上的氣壓能源來實(shí)現(xiàn)，也就是汽車儲(chǔ)氣罐中的高壓氣體，高壓氣體充入到圖1中的A氣室內(nèi)，通過活塞10壓縮儲(chǔ)能彈簧，釋放彈簧施加于制動(dòng)蹄片的推力，解除駐車制動(dòng)。反之，如若汽車要施加駐車制動(dòng)，則將A氣室內(nèi)的高壓氣體釋放，彈簧伸張開，繼續(xù)通過行車制動(dòng)缸推桿7施加壓力于制動(dòng)蹄片，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)。因此，中/重型汽車的駐車制動(dòng)系統(tǒng)采用的是“斷氣剎”結(jié)構(gòu)，簡單來講就是:給彈簧制動(dòng)缸充氣，釋放駐車制動(dòng);給彈簧制動(dòng)缸放氣，施加駐車制動(dòng)。

圖2中所示的是中/重型汽車的制動(dòng)系統(tǒng)的氣路連接示意圖，彈簧制動(dòng)缸6通過氣路與繼動(dòng)閥5相連，繼動(dòng)閥的主氣路通過大直徑的管路與儲(chǔ)氣罐相連接，其控制端通過氣管路與安裝于駕駛室內(nèi)的手控閥4相連接。手控閥由駕駛員控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示［17］。

圖2 中/重型汽車氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure ofmedium and heavy duty vehiclespneumatic parking brake system

圖3 駐車制動(dòng)手控閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of parking brake hand control valve

駐車制動(dòng)手控閥位于位置A時(shí)，從儲(chǔ)氣罐來的高壓氣體通過進(jìn)氣口1連通到出氣口2，然后進(jìn)入到繼動(dòng)閥的控制端腔體內(nèi)，打開繼動(dòng)閥的主氣路，使得儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓氣體通過繼動(dòng)閥進(jìn)入到彈簧制動(dòng)缸內(nèi)，壓縮蓄能彈簧，釋放駐車制動(dòng)。當(dāng)駕駛員操縱手控閥，使其手柄位于位置B時(shí)，繼動(dòng)閥控制端腔體內(nèi)的氣體通過手控閥放出，關(guān)閉繼動(dòng)閥的主氣路，同時(shí)通過繼動(dòng)閥釋放彈簧制動(dòng)缸內(nèi)的高壓氣體，蓄能彈簧復(fù)位，通過制動(dòng)推桿施加給制動(dòng)蹄片駐車制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)汽車的駐車制動(dòng)。

2 電子駐車制動(dòng)控制功能需求分析

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了駐車制動(dòng)的自動(dòng)化控制，取代了傳統(tǒng)“手剎”，因此其要具備完善的“手剎”功能，并且在某些方面要更加人性化、更加方便。電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下基本功能［18-20］:

1)施加駐車制動(dòng);

2)釋放駐車制動(dòng)。

同時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)“手剎”使用過程中容易出現(xiàn)問題的特定工況，實(shí)現(xiàn)特定工況下駐車制動(dòng)的自動(dòng)化功能，例如:

1)汽車起步時(shí)，自動(dòng)釋放駐車制動(dòng);

2)汽車停車時(shí)，自動(dòng)施加駐車制動(dòng);

3)駕駛員遺忘駐車時(shí)，自動(dòng)施加駐車制動(dòng);

4)具備自動(dòng)/手動(dòng)控制模式切換，在復(fù)雜工況下實(shí)現(xiàn)駕駛員的干預(yù)控制。

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化功能要具有但不限于以上4種功能，方能達(dá)到好的使用效果。

3 電子駐車制動(dòng)控制參數(shù)

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要對(duì)汽車的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，然后基于信號(hào)變化進(jìn)行邏輯分析，判斷駕駛員對(duì)駐車制動(dòng)狀態(tài)的需求，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)上文所述的電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的4種自動(dòng)化控制功能，系統(tǒng)需要采集的整車狀態(tài)信息包括以下幾種。

1)點(diǎn)火鑰匙

信號(hào)來源于汽車點(diǎn)火鑰匙開關(guān)，主要用于表征車電系統(tǒng)的電源是否接通、駕駛員是否意欲啟動(dòng)車輛，其狀態(tài)信息及含義如表1所示。

表1 點(diǎn)火鑰匙開關(guān)信息Tab.1 Information of ignition key switch

2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

信號(hào)來源于發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理系統(tǒng)，主要用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)——著車或熄火，見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息Tab.2 Information of engine speed

3)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

信號(hào)來源于發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理系統(tǒng)，主要指發(fā)動(dòng)機(jī)輸出給傳動(dòng)系統(tǒng)的用于驅(qū)動(dòng)汽車前行的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，見表3。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩信息Tab.3 Information of engine output drive torque

4)離合器工作狀態(tài)

信號(hào)來源于離合器傳感器，主要表征離合器的當(dāng)前工作狀態(tài)——分離或結(jié)合，見表4。

表4 離合器工作狀態(tài)信息Tab.4 Information of clutch working state

5)行車制動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)

信號(hào)來源于行車制動(dòng)系統(tǒng)氣壓開關(guān)，主要表征行車制動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)——制動(dòng)或無制動(dòng)，見表5。

表5 制動(dòng)工作狀態(tài)信息Tab.5 Information of braking operation state

6)駐車制動(dòng)工作狀態(tài)

信號(hào)來源于駐車制動(dòng)系統(tǒng)氣壓開關(guān)，主要表征駐車制動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài):駐車制動(dòng)或釋放，見表6。

表6 駐車制動(dòng)工作狀態(tài)信息Tab.6 Information of parking brake working condition

7)檔位

對(duì)于手動(dòng)檔變速器，其檔位信號(hào)通過倒檔和空檔兩個(gè)檔位開關(guān)信息進(jìn)行判斷，如表7所示。

表7 手動(dòng)檔變速器檔位信息Tab.7 Information ofmanual transmission gear

8)路面傾斜角度

通過傾角傳感器測(cè)量汽車車身的傾斜角度。由于路面傾斜角度難以實(shí)時(shí)測(cè)量，可將車身的傾角信息進(jìn)行處理之后作為路面傾斜角度用于系統(tǒng)控制。

9)其他信息

為提高系統(tǒng)控制的安全性，或增加系統(tǒng)的附加功能，還可以對(duì)車身的若干信息進(jìn)行采集，例如:車門是否關(guān)閉、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋是否關(guān)閉、后備艙蓋是否關(guān)閉、安全帶是否連接等。

4 電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)由1個(gè)電磁閥取代傳統(tǒng)的手控閥，同時(shí)加裝相應(yīng)的氣壓傳感器，對(duì)駐車制動(dòng)氣室內(nèi)的氣壓進(jìn)行檢測(cè)，另加裝相應(yīng)的信號(hào)顯示裝置和電控按鈕。EPB電控單元通過CAN網(wǎng)絡(luò)與汽車其他電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享，例如:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門信號(hào)等相關(guān)信息，同時(shí)電控單元也可以自行采集和檢測(cè)相關(guān)的汽車信息，例如:變速器檔位、換檔手柄、制動(dòng)信號(hào)等，對(duì)汽車的行駛狀況進(jìn)行判斷，進(jìn)而形成控制邏輯，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)駐車制動(dòng)的控制。

圖4 氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of pneumatic electronic parking brake system

4.2 控制電磁閥

駐車制動(dòng)系統(tǒng)長期工作在2種狀態(tài):駐車制動(dòng)或駐車釋放，因此氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的控制電磁閥應(yīng)該具備2種工作狀態(tài):第1種狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng);第2種狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)駐車釋放。同時(shí)，車輛處于駐車制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車電系統(tǒng)斷電，在該狀態(tài)下電磁閥需要依然能夠?qū)崿F(xiàn)車輛保持在駐車制動(dòng)狀態(tài);在車輛處于駐車制動(dòng)釋放狀態(tài)時(shí)，電磁閥在斷電工況下也需能夠保持駐車制動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)。

為此，選擇了二位三通式雙線圈電磁閥作為氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的控制電磁閥，如圖5所示。該電磁閥兩端的電磁線圈用于控制電磁閥的2種工作狀態(tài)，當(dāng)線圈1上電后，A端與B端導(dǎo)通，P端處于截止?fàn)顟B(tài)，線圈1斷電后，電磁閥保持當(dāng)前狀態(tài)不變，直至線圈2上電;當(dāng)線圈2上電后，A端與P端導(dǎo)通，B端截止，線圈2斷電后，電磁閥保持當(dāng)前狀態(tài)不變，直至線圈1上電。將A，B，P端口分別連通到繼動(dòng)閥、汽車儲(chǔ)氣罐和大氣。通過該閥就可以實(shí)現(xiàn)氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)的控制，并且駐車制動(dòng)的釋放和施加僅需要線圈1、線圈2的短期上電，無需長期給電磁閥提供電能。

圖5 電磁閥原理圖Fig.5 Principle diagram of the solenoid valve

5 控制策略設(shè)計(jì)

以實(shí)現(xiàn)中/重型汽車駐車制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制、降低駕駛員的操縱復(fù)雜度和難度為目的，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能，如圖6所示。

根據(jù)駕駛員的駕駛需求和意愿，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)切換功能、自動(dòng)駐車制動(dòng)功能、自動(dòng)駐車解除功能、防遺忘功能、坡道起步輔助功能等，可以滿足汽車的實(shí)際使用需求。

以汽車的自動(dòng)駐車制動(dòng)功能和自動(dòng)駐車釋放功能為例，來說明系統(tǒng)的控制策略邏輯。

圖6 系統(tǒng)控制功能示意圖Fig.6 Structure diagram of system controlling functions

1)自動(dòng)駐車制動(dòng)控制策略

自動(dòng)駐車制動(dòng)功能是指當(dāng)駕駛員將汽車停穩(wěn)之后，系統(tǒng)判斷駕駛員需要將汽車停駐在原地，則對(duì)車輪施加駐車制動(dòng)。該功能基于車速信號(hào)、檔位信號(hào)和路面傾斜角度等信息進(jìn)行相關(guān)判斷，當(dāng)前車況符合控制條件，則驅(qū)動(dòng)駐車制動(dòng)電磁閥，施加駐車制動(dòng)。其控制軟件流程圖如圖7所示。

2)自動(dòng)釋放駐車控制策略

自動(dòng)釋放駐車功能是指當(dāng)駕駛員意欲將汽車駛離時(shí)，由系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、檔位、路面傾斜角度等信息進(jìn)行判斷，符合控制條件，則驅(qū)動(dòng)電磁閥，釋放駐車制動(dòng)，其控制軟件流程圖如圖8所示。

圖7 自動(dòng)駐車制動(dòng)控制流程圖Fig.7 Flow chart of automatic parking brake control

圖8 自動(dòng)釋放駐車控制流程圖Fig.8 Flow chart of automatic release parking control

6 試驗(yàn)

選擇了某中型客車作為試驗(yàn)車，在試驗(yàn)車上加裝了氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)，安裝了電控單元、駐車制動(dòng)電磁閥、駐車制動(dòng)按鈕等裝置，并且對(duì)原車的氣管路和電纜做了相應(yīng)的改裝，試驗(yàn)車及其電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)如圖9所示。

在試驗(yàn)車上針對(duì)系統(tǒng)的諸項(xiàng)功能進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，得到相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的自動(dòng)駐車和自動(dòng)釋放試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10 a)、圖10 b)所示。

圖9 試驗(yàn)車及其電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)Fig.9 Testing vehicle and its electronic parking brake system

圖10 a)為自動(dòng)駐車制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖所示，車輛停車之后，駕駛員踩下離合器踏板于33.70 s將檔位摘至空檔，并于33.75 s將離合器踏板抬起，系統(tǒng)開啟駐車制動(dòng)電磁閥，對(duì)駐車制動(dòng)氣缸進(jìn)行放氣操作，于33.88 s氣管路中的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)變，駐車制動(dòng)完畢，電磁閥斷電，車輛進(jìn)入駐車制動(dòng)狀態(tài)。圖10 b)所示為自動(dòng)釋放駐車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測(cè)到在29.4 s駕駛員踩下離合器，并于29.5 s掛上前進(jìn)檔，當(dāng)前進(jìn)路面為平直路面時(shí)(路面傾斜角度接近0°)，因此啟動(dòng)釋放功能，系統(tǒng)開啟駐車釋放電磁閥，對(duì)駐車制動(dòng)氣缸進(jìn)行充氣操作，于30.24 s氣管路中的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)變，駐車制動(dòng)解除完畢，電磁閥斷電，完成駐車制動(dòng)釋放。

圖10 實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.10 Testing data of real vehicle

7 結(jié)語

在中/重型汽車的氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功用分析基礎(chǔ)之上，提出了氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的功能需求，提取了系統(tǒng)的控制參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于2位3通雙線圈電磁閥的氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的總體方案，提出了系統(tǒng)的控制策略，編寫了控制軟件，試制了樣機(jī)并安裝于試驗(yàn)車上，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，證明氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和功能規(guī)劃是切實(shí)可行的。

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