適應(yīng)4編組的商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)研究

陳智 毛金虎 艾正武 姜俊超

摘要：介紹了4編組商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，詳細(xì)描述了4編組商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)的組成、控制原理、故障導(dǎo)向，并針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)給出了詳細(xì)的控制方法以及地面調(diào)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論。

關(guān)鍵詞：4編組商用巴士;制動(dòng)系統(tǒng);控制原理;故障導(dǎo)向

0? ? 引言

4編組商用巴士作為一種介于軌道交通和常規(guī)公交之間的新型運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代公交技術(shù)配合智能軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理，使傳統(tǒng)的公交系統(tǒng)基本達(dá)到軌道交通的服務(wù)水平，其投資及運(yùn)營(yíng)成本較軌道交通低，接近常規(guī)公交。

現(xiàn)在一般的商用巴士一般在2節(jié)車(chē)廂以?xún)?nèi)，長(zhǎng)度不超過(guò)18 m;而4編組商用巴士采用雙司機(jī)室，由4節(jié)車(chē)廂組成，長(zhǎng)38 m，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的4編組商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)。為保證整車(chē)制動(dòng)的安全性和舒適性，讓制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)同步性等參數(shù)達(dá)到《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求，必須進(jìn)行適應(yīng)4編組的商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)研究。

1? ? 制動(dòng)系統(tǒng)的組成

如圖1所示，4編組商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)主要由電空回路和純氣控回路組成。兩端司機(jī)室位置下方各設(shè)置一個(gè)制動(dòng)總閥，制動(dòng)總閥輸出兩路電制動(dòng)指令和壓縮空氣制動(dòng)指令（其中電制動(dòng)指令作為主控，壓縮空氣制動(dòng)指令作為備用控制），來(lái)實(shí)現(xiàn)行車(chē)制動(dòng)控制。

1.1? ? 電空回路

電空回路主要由2件制動(dòng)總閥、2件制動(dòng)ECU、整車(chē)CAN網(wǎng)、制動(dòng)CAN網(wǎng)、6個(gè)橋控模塊等組成。

1.1.1? ? 制動(dòng)總閥

制動(dòng)總閥根據(jù)行程輸出兩路PWM信號(hào)和兩路壓縮空氣。兩路PWM信號(hào)互為冗余，并同時(shí)輸出給所在車(chē)端的ECU;壓縮空氣輸出給繼動(dòng)閥進(jìn)行加速，保證壓力同步傳遞給6個(gè)車(chē)橋的橋控模塊。制動(dòng)總閥符合《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）的要求。

1.1.2? ? 制動(dòng)ECU

制動(dòng)ECU根據(jù)制動(dòng)總閥輸出的PWM信號(hào)和載荷信號(hào)計(jì)算各車(chē)橋所需制動(dòng)氣壓，并將指令通過(guò)制動(dòng)CAN網(wǎng)傳輸給橋控模塊，進(jìn)行整車(chē)的制動(dòng)、緩解控制。同時(shí)，ECU接收機(jī)動(dòng)車(chē)兩端的鑰匙開(kāi)關(guān)、整車(chē)電制力和零速等信號(hào)作為控制輸入信號(hào)。

1.1.3? ? 整車(chē)CAN網(wǎng)

整車(chē)CAN網(wǎng)貫穿整車(chē)，采用通信率為250 kbit/s的CAN網(wǎng)絡(luò)，連接整車(chē)牽引、轉(zhuǎn)向等各系統(tǒng)關(guān)鍵單元，兩端的制動(dòng)ECU掛在車(chē)輛總線(xiàn)上。

1.1.4? ? 制動(dòng)CAN網(wǎng)

整列車(chē)有兩個(gè)獨(dú)立的制動(dòng)CAN網(wǎng)，Mc1車(chē)和Tp1車(chē)內(nèi)的制動(dòng)ECU、橋控模塊、ABS ECU組成一個(gè)制動(dòng)CAN網(wǎng);Mc2車(chē)和Tp2車(chē)內(nèi)的制動(dòng)ECU、橋控模塊、ABS ECU組成另一個(gè)制動(dòng)CAN網(wǎng)。

單獨(dú)設(shè)置制動(dòng)CAN網(wǎng)，這點(diǎn)與普通商用車(chē)不同。因?yàn)?編組商用巴士的車(chē)輛特征，牽引、轉(zhuǎn)向等各功能設(shè)備和車(chē)身長(zhǎng)度導(dǎo)致整車(chē)CAN總線(xiàn)長(zhǎng)度已接近60 m，而商用車(chē)的CAN網(wǎng)絡(luò)一般建議長(zhǎng)度為不超過(guò)50 m。制動(dòng)系統(tǒng)作為保證安全的關(guān)鍵設(shè)備，單獨(dú)設(shè)置兩個(gè)制動(dòng)內(nèi)部CAN網(wǎng)縮短了內(nèi)部通信電纜的長(zhǎng)度，能更好地保證制動(dòng)內(nèi)部各部件通信質(zhì)量。

1.1.5? ? 橋控模塊

橋控模塊集成了電控EP控制組件（包括B2、B3高頻電磁閥和B4壓力傳感器）、B1電磁閥和B5繼動(dòng)閥，橋控模塊根據(jù)制動(dòng)ECU發(fā)出的指令控制B1電磁閥選擇電空回路或純空氣通路（圖2）。正常制動(dòng)工況，ECU控制橋控模塊導(dǎo)通電控EP控制通路，進(jìn)行制動(dòng)和緩解;純空氣通路此時(shí)處于熱備狀態(tài);B5繼動(dòng)閥對(duì)電控EP控制通路或純空氣通路的壓力進(jìn)行加速后輸出給ABS壓力調(diào)節(jié)器。

1.1.6? ? ABS ECU、ABS壓力調(diào)節(jié)器

在單通道模塊與制動(dòng)器之間設(shè)置ABS防滑閥，由EBCU通過(guò)ABS防滑閥來(lái)控制最終輸出給制動(dòng)器的壓力。ABS防滑功能滿(mǎn)足《機(jī)動(dòng)車(chē)和掛車(chē)防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法》（GB/T 13594—2003）的要求。

1.2? ? 純氣控回路

純空氣模塊主要由2件制動(dòng)總閥、4件繼動(dòng)閥、6件雙向閥、6件橋控模塊等組成，其中制動(dòng)總閥和橋控模塊是電空回路和純氣控回路共用。

1.2.1? ? 繼動(dòng)閥

繼動(dòng)閥對(duì)制動(dòng)總閥的壓縮空氣輸出進(jìn)行加速，減少車(chē)身長(zhǎng)度對(duì)壓縮空氣傳輸時(shí)間的影響，保證各車(chē)橋制動(dòng)壓力同時(shí)施加。

踩下制動(dòng)總閥時(shí)，制動(dòng)總閥的輸出氣壓作為繼動(dòng)閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下，將進(jìn)氣閥推開(kāi)，于是儲(chǔ)氣筒內(nèi)的壓縮空氣直接通過(guò)繼動(dòng)閥進(jìn)氣口向雙向閥進(jìn)行充風(fēng)，加速了純空氣通路的充氣過(guò)程。

1.2.2? ? 雙向閥

車(chē)輛兩端制動(dòng)總閥的空氣壓力經(jīng)雙向閥比較后，取大輸出給橋控模塊的制動(dòng)總閥氣控信號(hào)口。當(dāng)橋控模塊選擇純空氣通路時(shí)，橋控模塊內(nèi)的繼動(dòng)閥對(duì)制動(dòng)總閥氣控信號(hào)口進(jìn)行加速輸出給各車(chē)橋的制動(dòng)氣室。

2? ? 控制原理

2.1? ? 電空控制原理

整車(chē)發(fā)送占用端鑰匙開(kāi)關(guān)信號(hào)至制動(dòng)ECU，制動(dòng)系統(tǒng)激活并向占用端制動(dòng)總閥供電。制動(dòng)總閥將踏板的角度轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)輸出至占用端制動(dòng)ECU，并通過(guò)整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)將制動(dòng)指令傳輸給非占用端制動(dòng)ECU。

制動(dòng)ECU收到指令后，根據(jù)減速度、載荷和電制力計(jì)算各車(chē)橋所需制動(dòng)氣壓后，通過(guò)各自所在制動(dòng)CAN網(wǎng)將制動(dòng)壓力需求信號(hào)傳輸給橋控模塊。以一根橋的制動(dòng)控制原理簡(jiǎn)圖為例（圖3），橋控模塊收到制動(dòng)ECU的指令后，控制B2、B3高頻電磁閥和B4壓力傳感器精確控制壓力;控制壓力通過(guò)B5繼動(dòng)閥加速后，對(duì)B15制動(dòng)氣室進(jìn)行充排氣。同時(shí)，橋控模塊每個(gè)橋輸出的壓力信號(hào)反饋給制動(dòng)ECU，由制動(dòng)ECU監(jiān)控各車(chē)橋控模塊的制動(dòng)狀態(tài)。

制動(dòng)ECU通過(guò)同樣的方式控制所有橋控模塊的動(dòng)作，保證各車(chē)橋制動(dòng)的同步性和一致性。同時(shí)制動(dòng)ECU能獨(dú)立控制各車(chē)橋的制動(dòng)壓力施加，可以根據(jù)車(chē)輛性能特性調(diào)整各車(chē)橋制動(dòng)壓力，更好地控制車(chē)輛制動(dòng)的平穩(wěn)性和舒適性。

2.2? ? 純空氣控制原理

當(dāng)電空制動(dòng)故障，制動(dòng)系統(tǒng)切換到純空氣控制模式。制動(dòng)總閥根據(jù)踏板的角度輸出兩路獨(dú)立的氣壓，互相作為冗余備份。以圖3一根橋的制動(dòng)控制原理簡(jiǎn)圖為例：

制動(dòng)總閥第一路壓縮空氣指令輸出給B8繼動(dòng)閥控制口，B8繼動(dòng)閥將氣壓指令進(jìn)行加速后輸出給B9繼動(dòng)閥，B9繼動(dòng)閥對(duì)氣壓指令進(jìn)行加速后輸出給B11雙向閥。

制動(dòng)總閥第二路壓縮空氣指令輸出給B10繼動(dòng)閥控制口，B10繼動(dòng)閥對(duì)氣壓指令進(jìn)行加速后輸出給B11雙向閥。

B9和B10繼動(dòng)閥的輸出氣壓經(jīng)B11雙向閥比較后取大輸出給各車(chē)橋的橋控模塊，橋控模塊切斷電空EP控制通路，導(dǎo)通純空氣制動(dòng)通路，純空氣制動(dòng)指令經(jīng)B5繼動(dòng)閥加速后輸出給B15制動(dòng)氣室。

制動(dòng)總閥通過(guò)同樣的方式控制所有車(chē)橋的純空氣制動(dòng)，保證在純空氣控制通路下各車(chē)橋制動(dòng)的同步性。同時(shí)純空氣控制通路的雙冗余模式提高了整套系統(tǒng)的安全系數(shù)，提高了系統(tǒng)的可用性。

2.3? ? ABS控制原理

在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，ABS ECU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)車(chē)輪的速度信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪抱死時(shí)，ABS ECU發(fā)送信號(hào)給制動(dòng)ECU，制動(dòng)ECU切斷所有橋控模塊的電源，打開(kāi)純空氣控制通路，B15制動(dòng)氣室的壓力完全由ABS壓力調(diào)節(jié)器控制，使車(chē)輪不被抱死，處于滑移率20%左右的邊滾邊滑狀態(tài)，以保證車(chē)輪與地面的附著力在最大值，減少制動(dòng)距離。

3? ? 故障導(dǎo)向

正常制動(dòng)或緩解時(shí)，制動(dòng)總閥將踏板的電信號(hào)輸出至制動(dòng)ECU。當(dāng)制動(dòng)ECU檢測(cè)到某個(gè)橋控模塊故障時(shí)，制動(dòng)ECU切斷故障的橋控模塊電源，橋控模塊B1電磁閥失電后切斷故障橋的電空EP控制通路，導(dǎo)通故障橋的純空氣制動(dòng)通路進(jìn)行制動(dòng)和緩解;并將故障信號(hào)反饋給VCU顯示在人機(jī)界面上，提示司機(jī)車(chē)輛制動(dòng)部分故障，需采取相應(yīng)措施。

當(dāng)VCU檢測(cè)到制動(dòng)ECU故障時(shí)，VCU切斷制動(dòng)系統(tǒng)電源，制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)切換到純空氣制動(dòng)模式，所有橋控模塊B1電磁閥失電后切斷電空EP控制通路，導(dǎo)通純空氣制動(dòng)通路。

制動(dòng)ECU和整車(chē)VCU的雙重生命信號(hào)監(jiān)測(cè)，從整車(chē)CAN網(wǎng)和制動(dòng)CAN網(wǎng)兩個(gè)通道進(jìn)行整車(chē)制動(dòng)的安全保障，讓制動(dòng)系統(tǒng)更可靠、更可控。

4? ? 驗(yàn)證

GB 7258—2017標(biāo)準(zhǔn)要求制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間（即急踩制動(dòng)時(shí)，從腳接觸制動(dòng)踏板時(shí)起至機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)力達(dá)到最大制動(dòng)力75%的時(shí)間）≤0.8 s;整車(chē)最不利制動(dòng)軸制動(dòng)動(dòng)作滯后于最有利制動(dòng)軸的制動(dòng)同步動(dòng)作時(shí)間≤0.2 s;制動(dòng)緩解時(shí)間（從松開(kāi)制動(dòng)踏板到制動(dòng)消除所需要的時(shí)間）≤1.2 s。

為全面地進(jìn)行此套制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)，我們模擬整車(chē)管路布局，搭建1：1制動(dòng)系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)性能測(cè)試。該試驗(yàn)臺(tái)的時(shí)間采集精度為10 ms，壓力采集精度為±0.2%，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。根據(jù)圖4實(shí)測(cè)制動(dòng)曲線(xiàn)可得，最不利軸（實(shí)測(cè)為1橋）制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為0.646 s;制動(dòng)和緩解時(shí)，同步時(shí)間最大為0.117 s;制動(dòng)緩解時(shí)間為1.161 s。

測(cè)試結(jié)果表明，適應(yīng)4編組的商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)的主要性能能夠滿(mǎn)足車(chē)輛的設(shè)計(jì)要求及GB 7258—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

4編組商用巴士制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在功能上既能夠滿(mǎn)足緊急情況下的行車(chē)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求，確保行車(chē)制動(dòng)安全;也能夠滿(mǎn)足非緊急制動(dòng)情況下各車(chē)橋制動(dòng)壓力的獨(dú)立精確控制，兼顧了駕駛員和乘客的制動(dòng)舒適性;同時(shí)通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的故障安全導(dǎo)向，設(shè)置了電空制動(dòng)回路和純空氣制動(dòng)回路的自動(dòng)切換，保證了整車(chē)的可用性。

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[3] 機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件：GB 7258—2017[S].

收稿日期：2020-01-07

作者簡(jiǎn)介：陳智（1988—），男，湖南衡陽(yáng)人，工程師，從事機(jī)車(chē)和城軌車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)工作。