裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動(dòng)性能試驗(yàn)與分析

苑　林，郭瑞玲，沈美岑Yuan Lin，Guo Ruiling，Shen Meicen（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津　300300）

裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動(dòng)性能試驗(yàn)與分析

苑林，郭瑞玲，沈美岑
Yuan Lin，Guo Ruiling，Shen Meicen
（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

裝備機(jī)械式電子制動(dòng)系統(tǒng)（EMB，Electronic Mechanical Brake System）的掛車的制動(dòng)性能特性與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)性能有很大區(qū)別，EMB系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短，制動(dòng)效能高的特點(diǎn)，結(jié)合EMB制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能，搭建制動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)裝備EMB系統(tǒng)的單軸和雙軸掛車進(jìn)行試驗(yàn)，從制動(dòng)效能與制動(dòng)協(xié)調(diào)性2個(gè)方面對(duì)裝備EMB系統(tǒng)的掛車整車制動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)減速度、制動(dòng)力和制動(dòng)距離的變化情況；并依據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比EMB系統(tǒng)與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)，驗(yàn)證EMB系統(tǒng)特性。

EMB系統(tǒng)；掛車制動(dòng)；對(duì)比分析

0　引　言

汽車行業(yè)飛速發(fā)展，人們對(duì)車輛制動(dòng)性能的需求不斷提升，制動(dòng)系統(tǒng)的性能也隨之不斷提高，出現(xiàn)了很多新形式的制動(dòng)系統(tǒng)[1-2]。大量的電子控制部件被引入到傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，很大程度上優(yōu)化了制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提升了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。近年來(lái)，電子制動(dòng)系統(tǒng)正逐漸成為新型制動(dòng)系統(tǒng)研究的主要方向。

電子制動(dòng)系統(tǒng)主要分為液壓式電子制動(dòng)系統(tǒng)（Electronic Hydraulic Brake System，EHB）和機(jī)械式電子制動(dòng)系統(tǒng)（Electronic Mechanical Brake System，EMB）[3]。其中EHB是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將控制機(jī)構(gòu)改為電子控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍為液壓管路控制，因此EHB可以看做傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)到電子制動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡；而EMB則是將制動(dòng)系統(tǒng)全部電子化，采用線控技術(shù)將電子控制機(jī)構(gòu)與機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接相連，具有傳遞信號(hào)迅速，反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)EMB電子制動(dòng)系統(tǒng)的研究由來(lái)已久，EMB最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其研究成果正逐漸向汽車領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。國(guó)外對(duì)EMB應(yīng)用于汽車的研究起步較早，包括 Continental Teves，Siemens，Bosch，Haldex，Allied Signal，Delphi，Varity Lucas以及Hayes[4]等很多零部件廠商都對(duì)EMB系統(tǒng)進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，衍生出很多成型的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)與整車實(shí)車試驗(yàn)，積累了大量的專利和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也驗(yàn)證了EMB作為汽車制動(dòng)系統(tǒng)的可行性與安全性。EMB成為制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)已逐漸得到業(yè)界的肯定。

國(guó)內(nèi)對(duì)電子制動(dòng)系統(tǒng)的研究起步相對(duì)較晚，僅有東風(fēng)汽車、清華大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究工作[5]。目前對(duì)EMB有很多基礎(chǔ)理論研究，且研究的焦點(diǎn)都集中在對(duì)EMB制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方面，對(duì)于EMB系統(tǒng)應(yīng)用于整車的制動(dòng)性能及試驗(yàn)方法的研究還處于起步階段，尤其是對(duì)裝備EMB的實(shí)車制動(dòng)性能的研究基本處于空白。文中對(duì)某型裝備EMB系統(tǒng)的掛車進(jìn)行制動(dòng)理論分析與制動(dòng)性能研究。

1　EMB系統(tǒng)的特性

與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)相比，EMB系統(tǒng)有顯著的優(yōu)勢(shì)，其采用線控技術(shù)，電子控制機(jī)構(gòu)與機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接相連，能夠大大縮短信號(hào)傳遞的時(shí)間，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電力取代，增大制動(dòng)時(shí)的有效制動(dòng)力，因此在縮短響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)也進(jìn)一步提升了制動(dòng)性能。如圖1所示，以一輛40t的載貨車為例，裝有盤式制動(dòng)器和EBS，在速度為90km/h時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，其制動(dòng)距離比采用ABS的鼓式制動(dòng)器（制動(dòng)壓力800kPa）制動(dòng)系統(tǒng)縮短了45%左右，而裝備EMB系統(tǒng)的車輛能夠進(jìn)一步縮短14%的制動(dòng)距離[6]。

EMB系統(tǒng)主要分為制動(dòng)模塊、制動(dòng)控制器和電子踏板模塊3個(gè)部分。EMB系統(tǒng)每一個(gè)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有自己的制動(dòng)力控制單元，而制動(dòng)力控制單元所需的控制信號(hào)由中心控制模塊來(lái)提供，控制單元也通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得反饋回來(lái)的信號(hào)[7]。中心控制模塊通過(guò)電子踏板模塊傳感器、踏板力傳感器和踏板力模擬機(jī)構(gòu)等不同的傳感器獲取自己所需的變量參數(shù)，以此來(lái)識(shí)別駕駛員的意圖，經(jīng)過(guò)處理后將控制信號(hào)發(fā)送給每一個(gè)車輪的制動(dòng)模塊電機(jī)，控制電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角產(chǎn)生所需的制動(dòng)力以達(dá)到制動(dòng)效果[8]，如圖2所示。

2　裝備EMB系統(tǒng)的掛車的制動(dòng)試驗(yàn)

EMB系統(tǒng)的性能與常規(guī)形式的制動(dòng)系統(tǒng)有很大的不同，尤其是作為掛車制動(dòng)系統(tǒng)，不但要保證掛車的制動(dòng)效能，還要保證掛車列車的制動(dòng)協(xié)調(diào)性。由于裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動(dòng)力分配比較復(fù)雜，牽引車和掛車之間的相互作用對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性也有比較大的影響。一方面掛車制動(dòng)系統(tǒng)需要為掛車提供足夠的制動(dòng)力以保證掛車有效的制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度；另一方面，還需要將掛車的制動(dòng)力與牽引車制動(dòng)力比值控制在一定范圍內(nèi)保證掛車列車協(xié)調(diào)性。若掛車的制動(dòng)力過(guò)小，同時(shí)牽引車前輪制動(dòng)力大于后輪制動(dòng)力時(shí)，可能出現(xiàn)跑偏；若牽引車前輪制動(dòng)力小于后輪制動(dòng)力時(shí)，可能出現(xiàn)折疊現(xiàn)象；若掛車的制動(dòng)力過(guò)大，掛車可能會(huì)產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象，降低制動(dòng)安全性。因此對(duì)于掛車列車來(lái)說(shuō)，牽引車與掛車的制動(dòng)力分配應(yīng)該處于合理范圍之內(nèi)，以保證掛車列車的制動(dòng)效能和制動(dòng)協(xié)調(diào)性。

2.1裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動(dòng)試驗(yàn)方法

掛車列車制動(dòng)試驗(yàn)在車輛空、滿載2種狀態(tài)下，設(shè)計(jì)附著系數(shù)k大于0.8的高附著路面上進(jìn)行，對(duì)其制動(dòng)效能和制動(dòng)協(xié)調(diào)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其試驗(yàn)過(guò)程如下[9]。

（1）對(duì)于制動(dòng)效能，車輛以60km/h的速度緊急制動(dòng)（掛車滿載和空載2種情況），通過(guò)車輛的速度變化曲線來(lái)計(jì)算掛車列車的充分發(fā)出的平均減速度（Mean Fully Developed Deceleration，MFDD）；

（2）對(duì)于制動(dòng)協(xié)調(diào)性，試驗(yàn)方法為車輛以60km/h的速度緊急制動(dòng)（掛車滿載和空載2種情況），測(cè)量掛車的最大輪緣制動(dòng)力TR與列車的MFDD值dm，檢驗(yàn)掛車制動(dòng)強(qiáng)度與牽引車/掛車列車平均最大減速度是否保持一致。

2.2EMB系統(tǒng)制動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)搭建

為了評(píng)價(jià)EMB系統(tǒng)的制動(dòng)效能和制動(dòng)協(xié)調(diào)性，需要對(duì)試驗(yàn)車輛的車速、減速度、制動(dòng)距離、制動(dòng)踏板力和制動(dòng)力等物理量進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)上述的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)并搭建如圖3所示的EMB系統(tǒng)制動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由可擴(kuò)展多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車速傳感器、減速度傳感器、制動(dòng)力傳感器和踏板力傳感器等組成。

針對(duì)“現(xiàn)在很多國(guó)際展都在萎縮，但是中國(guó)的大展卻越辦越好”的問(wèn)題，陸長(zhǎng)安副理事長(zhǎng)認(rèn)為，一方面是中國(guó)印刷市場(chǎng)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的態(tài)勢(shì)所致，另一方面說(shuō)明協(xié)會(huì)舉辦的國(guó)際大展已經(jīng)具備品牌效應(yīng)。辦展的專業(yè)化、國(guó)際化水平不斷提升，也是展會(huì)市場(chǎng)強(qiáng)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)、優(yōu)勝劣汰的結(jié)果。中國(guó)印刷及設(shè)備器材工業(yè)協(xié)會(huì)的展會(huì)，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，為我國(guó)印刷及印刷制造業(yè)搭建了一個(gè)國(guó)際技術(shù)交流、投資洽談的平臺(tái)，為我國(guó)成為印刷大國(guó)，并逐漸走向印刷強(qiáng)國(guó)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

（1）可擴(kuò)展多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)采集車速、減速度、制動(dòng)距離、制動(dòng)踏板力和制動(dòng)力等數(shù)據(jù)[10]。其采樣頻率最高為50Hz，由各類傳感器測(cè)得的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入采集系統(tǒng)，由專門編制的程序采集并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（2）GPS車速傳感器。主要由單片機(jī)和GPS接收模塊組成，使用外置天線通過(guò)GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，單片機(jī)提取速度信號(hào)后，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)車速?gòu)臄?shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)使用的YT-1100型GPS車速傳感器精度為0.1km/h，外置天線通過(guò)磁力吸附的方式安裝在車外表面[11]。

（3）減速度傳感器。主要由陀螺儀和微處理器組成，陀螺儀通過(guò)固聯(lián)在車輛上來(lái)獲得絕對(duì)加速度，然后通過(guò)2次反向積分獲得車輛的制動(dòng)減速度[5]。固聯(lián)陀螺儀時(shí)要安裝在車內(nèi)牢固可靠的位置，并保證陀螺儀在x、y、z方向調(diào)平，避免安裝誤差。

（4）制動(dòng)力傳感器。主要由測(cè)試輪輞、滑環(huán)和輪輞適配器組成，傳感器安裝在輪輞適配器上，如圖4所示，通過(guò)滑環(huán)安裝在測(cè)試輪輞上，可測(cè)試車輪3個(gè)方向受到的力和力矩。測(cè)試采用6個(gè)獨(dú)立的電橋測(cè)量，各通道相互獨(dú)立，不受溫度變化和電磁干擾，可測(cè)范圍最大力：Fx，F(xiàn)z為53.4kN；Fy為26.7kN；最大扭矩：Mx，My，Mz為8.1kN·m[12]。

（5）踏板力傳感器。踏板力傳感器利用綁帶將壓電式測(cè)力傳感器固定在制動(dòng)踏板上，其測(cè)量范圍0～1000N，測(cè)量精度0.1%FS。

3　制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程分析

試驗(yàn)道路為平直路，路面清潔、干燥、平坦且用混凝土鋪裝；試驗(yàn)路長(zhǎng)度滿足測(cè)量需要，道路縱向坡度小于0.1%；試驗(yàn)溫度：20℃；風(fēng)速包括陣風(fēng)不大于5m/s；被測(cè)車輛技術(shù)狀況應(yīng)符合該車型的技術(shù)條件，應(yīng)使用汽車生產(chǎn)廠家規(guī)定的輪胎，并充壓至測(cè)試質(zhì)量下的輪胎氣壓[13]。

3.1試驗(yàn)車輛信息

表1　試驗(yàn)樣車信息

對(duì)單軸試驗(yàn)車（01#）與雙軸試驗(yàn)車（02#）分別進(jìn)行初速度60km/h的制動(dòng)效能試驗(yàn)和制動(dòng)協(xié)調(diào)性試驗(yàn)，采集包括制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度、踏板力和輪緣制動(dòng)力在內(nèi)的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合EMB掛車制動(dòng)的性能特性，分析試驗(yàn)結(jié)果，如圖5和圖6所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

滿載狀態(tài)下2試驗(yàn)車的MFDD分別為6.39m/s2和6.98m/s2，均達(dá)到5m/s2以上；同樣滿載時(shí)01#車的制動(dòng)距離為44.3m，大于02#車的制動(dòng)距離40.2m，2車的制動(dòng)效能相當(dāng)，雙軸掛車略高于單軸掛車，見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)結(jié)果匯總

從圖7中的制動(dòng)力變化曲線可以看出，從制動(dòng)踏板作用于制動(dòng)器開(kāi)始，制動(dòng)力隨著踏板力增大而增大，均在0.05s內(nèi)達(dá)到最大值，小于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。制動(dòng)力經(jīng)過(guò)1～2個(gè)工作周期達(dá)到穩(wěn)定峰值，之后曲線形狀呈近似直線的形狀，但存在一定的波動(dòng)，這是由于駕駛員踩踏板時(shí)的細(xì)微抖動(dòng)造成的[14-15]。

如圖8所示，通過(guò)確定TR/PR與掛車列車dm的關(guān)系，判定列車的制動(dòng)協(xié)調(diào)性，將所有軸的平均制動(dòng)力相加求和得到TR，與PR相除后聯(lián)立牽引車的平均減速度dm組成數(shù)據(jù)點(diǎn)，判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖8中的位置。01#、02#樣車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均在標(biāo)準(zhǔn)劃定的合理范圍內(nèi)[7]。TR/PR與dm的關(guān)系曲線是由大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)分析得出的，本質(zhì)上是要求牽引車與掛車在制動(dòng)過(guò)程中發(fā)出相同或者大小相近的減速度，最理想的狀態(tài)是二者的減速度完全一致；但是由于車輛狀態(tài)及路面等因素的影響，在實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程中，幾乎很難達(dá)到牽引車與掛車減速度完全一致，一定范圍內(nèi)的減速度差并不會(huì)引起明顯的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象；因此只要確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖8中處于合理位置即可保證掛車列車的制動(dòng)協(xié)調(diào)性[8-9]。

4　EMB掛車與常規(guī)掛車制動(dòng)效能對(duì)比分析

EMB制動(dòng)系統(tǒng)的作用原理是通過(guò)將駕駛員的剎車動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并直接用該信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)鉗作用從而產(chǎn)生制動(dòng)效果[16-17]。傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動(dòng)系統(tǒng)則是通過(guò)制動(dòng)液或壓縮空氣進(jìn)行能量傳導(dǎo)最終帶動(dòng)制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比二者的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，EMB制動(dòng)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到0.05s，而常規(guī)車輛的取值范圍一般在0.4～0.8s之間[18]；從制動(dòng)效能來(lái)看，EMB掛車也達(dá)到了與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)車輛相同的數(shù)值級(jí)別，可以通過(guò)對(duì)比常規(guī)車輛與EMB車輛的制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度等指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2011-2014年，通過(guò)在此試驗(yàn)路面近20臺(tái)掛車制動(dòng)試驗(yàn)，收集了大量掛車制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。通過(guò)將常規(guī)車輛的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，用最小二乘法將數(shù)據(jù)擬合，從圖9中可以看到，裝備EMB系統(tǒng)的01#和02#試驗(yàn)樣車的試驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)掛車的試驗(yàn)結(jié)果處于同一數(shù)值分布區(qū)間，但裝備EMB系統(tǒng)掛車制動(dòng)性能數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于常規(guī)車輛制動(dòng)性能數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合曲線上方，且與相同質(zhì)量級(jí)別的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)掛車相比，其系統(tǒng)制動(dòng)效能明顯高于常規(guī)車輛，13輛10t以下的車輛中僅有2輛MFDD值達(dá)到6.5m/s2左右，而01#和02#樣車MFDD值均達(dá)到6.2m/s2以上。

表3　常規(guī)掛車制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　結(jié)　論

EMB制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于掛車具有較高的可靠性，其響應(yīng)時(shí)間短，提高制動(dòng)性能的同時(shí)，可以優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著制動(dòng)系統(tǒng)理論及結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，能夠進(jìn)行試驗(yàn)的裝備 EMB系統(tǒng)的試驗(yàn)車輛樣本數(shù)量將不斷增加，今后的工作重點(diǎn)將集中在不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)更新完善上，得出更為準(zhǔn)確合理的試驗(yàn)方法和限值要求，進(jìn)行深層的研究。

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U467.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.04.007

1002-4581（2016）04-0027-06

2016-03-28