氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

龔建石，賈天樂，田達(dá)笠，王洪亮，黃 滌

(1.江蘇澳瑞思液壓潤(rùn)滑設(shè)備有限公司，江蘇啟東 226200；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；3中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

龔建石1，賈天樂2，田達(dá)笠3，王洪亮2，黃 滌2

(1.江蘇澳瑞思液壓潤(rùn)滑設(shè)備有限公司，江蘇啟東 226200；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；3中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

為了驗(yàn)證氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)的功能及其控制策略的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計(jì)了氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。介紹了氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)的工作原理，詳述了空氣壓縮存儲(chǔ)模塊、制動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、信號(hào)模擬模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊，確定了試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成，最后對(duì)氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的快速充放氣功能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，與手控閥相比，氣壓式EPB制動(dòng)過(guò)程更靈敏，同時(shí)也說(shuō)明此試驗(yàn)臺(tái)可以滿足氣壓式電子制動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試需求。

車輛工程；電子駐車制動(dòng)；氣壓式；試驗(yàn)臺(tái)；設(shè)計(jì)

汽車駐車制動(dòng)系統(tǒng)的作用是使已停駛的汽車可靠并且無(wú)時(shí)間限制地停駐在一定位置甚至斜坡上，而且具有坡道起步和緊急制動(dòng)等功能[1-5]。為了提高其工作可靠性，傳統(tǒng)的駐車系統(tǒng)采用機(jī)械式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而不是采用液壓式或者氣壓式系統(tǒng)[6-8]。但是，隨著電子控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)(electricalparkingbrake，EPB)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[9-11]。

傳統(tǒng)的機(jī)械式駐車制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)駕駛?cè)藛T操縱駐車手柄，帶動(dòng)制動(dòng)蹄片張開(鼓式制動(dòng)器)或制動(dòng)卡鉗活塞移動(dòng)(盤式制動(dòng)器)完成駐車。而EPB系統(tǒng)則是通過(guò)電機(jī)施加制動(dòng)力，駕駛?cè)藛T只需要操作按鈕，然后由電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的ECU控制部件，來(lái)完成駐車制動(dòng)。相比較機(jī)械式系統(tǒng)而言，氣壓式EPB具備坡道起步、自動(dòng)駐車、緊急制動(dòng)等功能，極大改善了駕駛過(guò)程中的安全性和方便性[12-14]。

在汽車電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)的電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)與電子控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，并對(duì)其性能指標(biāo)和可靠性進(jìn)行初步驗(yàn)證。針對(duì)這種情況，非常有必要開發(fā)相應(yīng)的電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。本文在介紹氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)EPB試驗(yàn)臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，介紹了該試驗(yàn)臺(tái)的快速充放氣實(shí)驗(yàn)，并且進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)是將壓縮空氣作為動(dòng)力源，使車輪產(chǎn)生制動(dòng)，駕駛員只需按不同的制動(dòng)強(qiáng)度要求，控制踏板的行程，釋放出不同數(shù)量的壓縮空氣，便可控制制動(dòng)氣壓的大小以獲得所需要的制動(dòng)力。氣壓制動(dòng)裝置的特點(diǎn)是踏板行程較短，操作比較輕便，制動(dòng)力較大，但消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制動(dòng)時(shí)不如液壓制動(dòng)柔和平穩(wěn)。氣壓制動(dòng)目前主要應(yīng)用于中、重型汽車上[15]。

氣壓式EPB結(jié)構(gòu)較緊湊，駐車制動(dòng)力較大，執(zhí)行部件采用一體化的設(shè)計(jì)思想，控制部件依托于CAN總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)反應(yīng)更為迅速。氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[16-20]。

圖1 氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Pneumatic electronic parking brake system structure

從圖1中可以看出，氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)包含電路(虛線部分)和氣路(實(shí)線部分)兩個(gè)方面。電路主要是與EPB電控單元相連的電子線路，包括EPB控制電磁閥線路、接收氣壓信號(hào)線路和駐車信號(hào)顯示線路。EPB氣路線路主要是壓縮機(jī)壓縮空氣，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣瓶中。當(dāng)氣壓式EPB工作時(shí)，壓縮空氣通過(guò)單向閥及開關(guān)閥，然后通過(guò)繼動(dòng)閥和電路控制的控制閥，最后到達(dá)彈簧制動(dòng)缸，形成制動(dòng)力。

從圖1中可以看出試驗(yàn)臺(tái)需要以下基本功能，才能保證實(shí)現(xiàn)氣壓式電子制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試需求：1)壓縮及存儲(chǔ)空氣；2)氣壓實(shí)時(shí)測(cè)量；3)人機(jī)交互；4)電路實(shí)時(shí)控制檢測(cè)5)數(shù)據(jù)采集；6) 故障診斷。

2 氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)功能的測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的氣壓式電子駐車系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)由圖2所示的模塊組成。

2.1 空氣壓縮存儲(chǔ)模塊

這里使用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，通過(guò)空氣濾清器過(guò)濾其中的水分、油污，儲(chǔ)存在存儲(chǔ)罐中。氣壓式EPB一般用于中、重型汽車，壓縮空氣作為動(dòng)力源。一般根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度的不同選用不同工作壓力、容積流量的空氣壓縮機(jī)。

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)及實(shí)用性等因素，選用功率較小的車用空氣壓縮機(jī),見圖3。在設(shè)計(jì)中選用工作壓力為0.8MPa、容積流量為110L/min的壓縮機(jī)，同時(shí)選用容量為12L的存儲(chǔ)罐。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)組成模塊Fig.2 Test platform modules

圖3 空氣壓縮機(jī)
Fig.3 Air compressor

圖4 彈簧制動(dòng)缸及氣壓傳感器
Fig.4 Spring brake cylinder and air pressure sensor

圖5 人機(jī)交互模塊
Fig.5 Human computer interaction module

2.2 制動(dòng)模塊

氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件是彈簧制動(dòng)缸。制動(dòng)缸在汽車停車時(shí)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(lái)壓縮彈簧，釋放其對(duì)制動(dòng)蹄片的制動(dòng)壓緊力。該推力由汽車上的汽車儲(chǔ)氣罐中的高壓氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)，即給彈簧制動(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)。由于是模擬氣壓式EPB，選用如圖4所示的小號(hào)制動(dòng)缸(直徑為16mm)。

2.3 人機(jī)交互模塊

本文所設(shè)計(jì)的整體式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)交互模塊整合在一個(gè)電子開關(guān)盒中。

如圖5所示，開關(guān)盒的交互元件包括手動(dòng)開關(guān)、AUTOHOLD開關(guān)、電源指示燈、報(bào)警指示燈以及總開關(guān)。定義短扣/短按手動(dòng)開關(guān)動(dòng)作為駐車/解除駐車意愿；短按AUTOHOLD開關(guān)，進(jìn)入AUTOHOLD模式；若駕駛員操作不當(dāng)或系統(tǒng)故障時(shí)，報(bào)警指示燈亮；整體式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，電源指示燈亮；右旋總開關(guān)能夠立即切斷試驗(yàn)臺(tái)電源。

另外，該試驗(yàn)臺(tái)需要提供24V電源，使用穩(wěn)壓電源代替，將電壓調(diào)整至24V。

2.4 信號(hào)模擬模塊

通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門信號(hào)等相關(guān)信息傳遞給電控單元，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，比如變速器檔位、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。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)VB界面的滾動(dòng)條模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖6所示，由于只是大致模擬汽車的狀態(tài)，分析汽車的靜態(tài)情況，故將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及油門信號(hào)設(shè)置成比例變化，即轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及油門信號(hào)同時(shí)成線性變化。然后通過(guò)USB-CAN轉(zhuǎn)換器將這3個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成CAN信號(hào)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)對(duì)電磁閥操作進(jìn)行邏輯控制。

由于氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)具有自動(dòng)駐車功能，需要判斷駕駛員是否確實(shí)想要駐車。當(dāng)駕駛員按下AUTOHOLD鍵后，當(dāng)車速低于5km/h時(shí)，判定為駕駛員想要駐車，而不是誤操作。另外，由于該試驗(yàn)臺(tái)不需要考慮汽車變速器處于哪種檔位，故將汽車檔位設(shè)為3種狀態(tài)：前進(jìn)擋(D擋)、倒擋(R擋)和空擋(N擋)。其中R擋和N擋只能顯示其中一種狀態(tài)，當(dāng)不是R擋和N擋時(shí)，默認(rèn)為D擋。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)需要使用氣壓傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)氣壓的大小判斷制動(dòng)力的大小。也就是將制動(dòng)力的大小反饋給控制單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制。所以將氣壓傳感器安裝在彈簧制動(dòng)缸前端，另一側(cè)通過(guò)電路反饋給電控單元ECU(見圖4)。

試驗(yàn)臺(tái)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)氣壓、轉(zhuǎn)速、油門、轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)，就是通過(guò)將電控單元接收的信號(hào)通過(guò)CAN-USB適配器，將信號(hào)顯示在用VB設(shè)計(jì)的接收界面上，如圖7所示。同時(shí)，在給定的汽車狀態(tài)下，比如汽車質(zhì)量、軸距、傳動(dòng)比等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駐車制動(dòng)氣壓值，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的控制包括駐車開關(guān)狀態(tài)、電磁閥開啟狀態(tài)等也進(jìn)行顯示。

圖6 EPB發(fā)送界面
Fig.6 EPB sending interface

圖7 數(shù)據(jù)采集界面
Fig.7 Data acquisition interface

2.6 故障診斷模塊

隨著汽車電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，診斷功能已經(jīng)成為電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。診斷分為離線診斷和在線診斷兩種方式。由于氣壓式駐車制動(dòng)系統(tǒng)需要具有坡道起步和自動(dòng)駐車等功能，一旦發(fā)生故障可能會(huì)出現(xiàn)“后溜”等極具危險(xiǎn)的事故，故該試驗(yàn)臺(tái)采用在線診斷方式。這樣確保汽車在運(yùn)行過(guò)程中，診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電子控制系統(tǒng)各組成部分的工作情況，如有異常，根據(jù)特定的算法判斷出具體的故障，以代碼的形式顯示并存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的容錯(cuò)處理功能，使汽車能夠接近正常狀態(tài)運(yùn)行而不至于造成更嚴(yán)重的后果。

故障診斷采用CAN總線傳輸方式，同樣顯示在圖7所示的接收界面上，由于有多組CAN數(shù)據(jù)，這時(shí)需要通過(guò)ID的不同進(jìn)行甄別，同時(shí)在接收程序中添加判斷程序，對(duì)不同ID的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別處理。根據(jù)氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，暫確定了20余種較為常見的故障，并定義了相應(yīng)的故障碼，主要有：ECU故障、AUTOHOLD開關(guān)故障、CAN故障、傳感器故障、氣壓信號(hào)故障等。

以CAN故障判斷策略為例，其判斷過(guò)程如下：判斷點(diǎn)火鑰匙是否存在，在此前提下檢測(cè)CAN是否有信號(hào)，若無(wú)CAN信號(hào)則產(chǎn)生故障碼；在CAN有信號(hào)的前提下若檢測(cè)到有信息錯(cuò)誤標(biāo)志，亦產(chǎn)生CAN故障碼。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、檔位、車速等無(wú)信號(hào)或有信號(hào)但無(wú)變化。

2.7 氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)

在對(duì)氣壓式駐車制動(dòng)各模塊設(shè)計(jì)完后，最終定型的試驗(yàn)臺(tái)連接原理圖如圖8所示，定型的試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。

圖8 氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)原理圖
Fig.8 Schematic diagram of the air pressuretype EPB experimental platform

圖9 氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)
Fig.9 Air pressure type EPB experimental platform

3 快速充放氣實(shí)驗(yàn)

在駐車制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電控單元接收到駐車信號(hào)后，開啟放氣閥將制動(dòng)氣室內(nèi)的高壓氣體排出，并通過(guò)氣壓傳感器檢測(cè)制動(dòng)氣室氣壓，駐車后關(guān)閉放氣電磁閥。在此過(guò)程中要求電磁閥能夠及時(shí)響應(yīng)，以免因?yàn)檐囕v駐車不及時(shí)而造成事故。這要求控制管路上的電磁閥能夠有足夠的響應(yīng)速度以及足夠大的內(nèi)徑，從而滿足控制要求。

在駐車系統(tǒng)中，首先使用手動(dòng)閥進(jìn)行控制，隨后在同一系統(tǒng)中使用電磁閥替代手動(dòng)閥進(jìn)行快速充放氣試驗(yàn)，將2次試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)況進(jìn)行比較，見圖10。

由圖10可以看出，在打開控制氣路充氣時(shí)，駐車制動(dòng)缸氣壓上升過(guò)程中，電磁閥控制下的充氣速率較手動(dòng)閥更快，因而可以采用該電磁閥代替手動(dòng)閥，將其應(yīng)用于電子駐車系統(tǒng)可以使駐車系統(tǒng)響應(yīng)更靈敏。

圖10 手控閥與電控閥快速充放氣特性
Fig.10 Rapid air inflation and deflation characteristics of hand control valve and electric control valve

4 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)功能的測(cè)試，設(shè)計(jì)出了一種氣壓式電子駐車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。由電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖確定了試驗(yàn)臺(tái)的各功能模塊及其結(jié)構(gòu)。在搭建出來(lái)的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的充放氣實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是合理的，一定程度上可以代替實(shí)車，用于對(duì)氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的坡道起步、自動(dòng)駐車、故障診斷等功能進(jìn)行模擬測(cè)試。這樣在優(yōu)化和改進(jìn)電子控制系統(tǒng)時(shí)，就不必一直進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，節(jié)約了大量的時(shí)間和精力，極大地改善了試驗(yàn)環(huán)境。但是，本試驗(yàn)臺(tái)采用的車輛信號(hào)是人為的模擬信號(hào)，與實(shí)車相比具有一定的失真，因此，還需要進(jìn)一步完善。

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Design and experiment of pneumatic EPB test platform

GONGJianshi1,JIATianle2,TIANDali3,WANGHongliang2,HUANGDi2

(1.JiangsuHonestHydraulic&LubricateEquipmentCompanyLimited,Qidong,Jiangsu226200,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu, 210094,China;3.ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter,Tianjin300300,China)

Inordertoverifytheaccuracyandreliabilityofthefunctionandcontrolstrategyofthepneumaticelectronicparkingbrake(EPB)system,atestplatformofthepneumaticEPBsystemisdesigned.TheworkingprincipleoftheairpressuretypeEPBtestplatformisintroduced,thecompositionoftheplatformisconfirmed,includingairpressstoragemodule,brakingmodule,man-machineinteractionmodule,signalimitationmodule,datacollectionmodule,andfaultdiagnosismodule,andthefunctionofrapidcharginganddischargingofthepneumaticEPBsystemiscarriedout.Theresultsshowthat,comparedwithmanualcontrolvalve,theairpressureEPBbrakingprocessismoresensitive,andthetestplatformcanmeetthetestrequirementsofthepneumaticelectronicbrakesystem.

vehicleengineering;electricalparkingbrake(EPB);pneumatic;testplatform;design

1008-1542(2017)01-0013-06

10.7535/hbkd.2017yx01003

2016-09-02；

2016-09-27；責(zé)任編輯：馮 民

國(guó)家自然科學(xué)基金(51205209，51205204)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M531360)

龔建石(1966—)，男，江蘇南通人，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造方面的研究。

王洪亮副教授。E-mail:whl@njust.edu.cn

U463.52+

A

龔建石，賈天樂，田達(dá)笠，等.氣壓式EPB試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(1):13-18.GONGJianshi,JIATianle,TIANDali,etal.DesignandexperimentofpneumaticEPBtestplatform[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2017,38(1):13-18.