基于WBooster制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

馬果，劉一平，吳世林，孫智威

（1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

（2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

（3.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前，線控制動(dòng)技術(shù)主要有電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)兩種[13]。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)因受限于成本和技術(shù)可靠性，較難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)規(guī)模化使用。電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本較低，受到諸多公司、科研院所的關(guān)注。根據(jù)動(dòng)力源的不同，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)可分為泵式和電機(jī)式兩種[14]。泵式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)其是通過控制高壓蓄能器、電磁閥和泵產(chǎn)生相應(yīng)的液壓力[15]。電機(jī)式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，控制電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸建壓[16]。與泵式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，由于沒有高壓蓄能器、電磁控制閥等，具有避免泄漏的優(yōu)勢(shì)，其安全性和可靠性更好。同時(shí)，由于電機(jī)式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性聯(lián)接且可控，其建壓速度及精度也優(yōu)于泵式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)。因此，國(guó)外零部件巨頭針對(duì)電機(jī)式電液制動(dòng)系統(tǒng)都推出了相應(yīng)的成熟產(chǎn)品，如博士iBooster[17]、大陸MK C1[18]，其中博士的電液制動(dòng)系統(tǒng)壟斷了90%的市場(chǎng)份額。

由于電機(jī)式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，作為一種高度緊湊的機(jī)電液復(fù)合產(chǎn)品，其受明顯的非線性和不確定性因素影響[19]，如摩擦、建模誤差、參數(shù)擾動(dòng)等，給液壓力的精準(zhǔn)控制帶來困難。因此電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的建壓能力與安全可靠的運(yùn)行性能，對(duì)相應(yīng)的軟硬件技術(shù)提出了較高門檻。為打破壟斷，國(guó)內(nèi)眾多零部件廠商和高?？蒲袡C(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)式電液制動(dòng)系統(tǒng)開展了研究。如同濟(jì)大學(xué)的余卓平[20]團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種以蝸輪蝸桿為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電液制動(dòng)系統(tǒng)，并針對(duì)系統(tǒng)開發(fā)了具有魯棒性的滑模變結(jié)構(gòu)液壓力控制算法，結(jié)果表明能夠有效的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的液壓力控制。吉林大學(xué)[21]開發(fā)了一種機(jī)電一體的新型電液制動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)硬件提出了基本助力輔助控制模塊、速度補(bǔ)償模塊、慣性補(bǔ)償模塊、摩擦補(bǔ)償模塊相結(jié)合的壓力控制算法，臺(tái)架試驗(yàn)表明在控制算法的作用下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的液壓力控制。國(guó)內(nèi)的零部件廠商，如蕪湖伯特利、拿森、格陸博等也都分別推出了WCBS、NBooster、GIBS產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的自主可控及拓展現(xiàn)有產(chǎn)品線，我司也布局研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電液制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品WBooster。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、壓力控制精準(zhǔn)、壓力響應(yīng)速度快，且容易通過模塊集成技術(shù)與其他功能產(chǎn)品融合。為驗(yàn)證WBooster搭載在實(shí)車上的制動(dòng)性能，以自主研發(fā)的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)WBooster為研究對(duì)象，通過搭建基于WBooster制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試其靜態(tài)和行車情況下的工作性能。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可行性及功能有效性的最直接方法，在保證試驗(yàn)安全的前提下，應(yīng)盡可能對(duì)所測(cè)試的產(chǎn)品的功能特性展開較詳細(xì)的試驗(yàn)[22，23]，試驗(yàn)平臺(tái)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)是通過改裝原有的純電動(dòng)汽車底盤進(jìn)行搭建的，拆除試驗(yàn)樣車上原有的基于電子真泵助力的制動(dòng)系統(tǒng)，將WBooster系統(tǒng)安裝到保留原有制動(dòng)管路的試驗(yàn)車上。通過加裝踏板力傳感器、踏板位移傳感器、制動(dòng)主缸液壓力傳感器和車速傳感器來測(cè)量試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)物理量。軟件系統(tǒng)是采用基于快速原型開發(fā)工具鏈進(jìn)行WBooster系統(tǒng)控制程序的編譯、刷寫，并進(jìn)行試驗(yàn)過程中的測(cè)試標(biāo)定與數(shù)據(jù)采集。所制定的試驗(yàn)方案如圖1所示，并且試驗(yàn)平臺(tái)在進(jìn)行實(shí)車道路行車制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)還必須滿足以下試驗(yàn)條件[24，25]：

圖1 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)在高附著（附著系數(shù)為0.8）路面進(jìn)行，且道路應(yīng)該平坦干燥。

（2）試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)該符合試驗(yàn)需求，即在行車過程中駕駛員視野范圍的能見度高要使駕駛員能夠清晰的掌握試驗(yàn)環(huán)境周圍情況，并且天氣環(huán)境應(yīng)該晴朗無風(fēng)。

（3）試驗(yàn)前要對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛狀況進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)是否具備試驗(yàn)條件。

經(jīng)過改裝后的試驗(yàn)車如圖2所示，依據(jù)試驗(yàn)方案所開展的道路行車制動(dòng)試驗(yàn)如情況圖3所示。

圖2 試驗(yàn)車改裝

圖3 行車制動(dòng)

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 靜態(tài)測(cè)試

實(shí)車靜態(tài)測(cè)試類似于臺(tái)架測(cè)試，但區(qū)別與臺(tái)架測(cè)試的地方在于在實(shí)車應(yīng)用環(huán)境中對(duì)WBooster制動(dòng)系統(tǒng)的壓力響應(yīng)情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而了解系統(tǒng)增壓、保壓、卸壓情況是否適合道路行車試驗(yàn)，從而保障道路行車試驗(yàn)的安全。同時(shí)，通過測(cè)試制動(dòng)力、制動(dòng)踏板位移與制動(dòng)液壓力的關(guān)系，研究制動(dòng)踏板感覺的變化情況。

社團(tuán)文化是高職院校校園文化的重要組成部分，積極的社團(tuán)文化有利于更好的為學(xué)校學(xué)風(fēng)建設(shè)創(chuàng)造良好的環(huán)境。如以專業(yè)為主題的社團(tuán)，使學(xué)生在專業(yè)方面的學(xué)習(xí)不在局限于課堂，而是通過活動(dòng)的形式來展現(xiàn)，特別是一些動(dòng)手要求高的技能型專業(yè)，形式多樣的教學(xué)方式能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，從而使學(xué)生掀起學(xué)習(xí)熱潮，引領(lǐng)積極良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。這些社團(tuán)都有獨(dú)特的社團(tuán)目標(biāo)，各個(gè)目標(biāo)穿插在平時(shí)社團(tuán)生活中，指引著每個(gè)成員完成相應(yīng)任務(wù)，達(dá)到既定目標(biāo)，這樣的過程在潛移默化中影響著他們的價(jià)值觀與人生觀。

階躍變化的液壓力對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來說是一種比較嚴(yán)苛的工況，對(duì)于系統(tǒng)壓力跟隨性能要求較高，在變階躍工況下的wBooster系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)液壓力的跟隨情況如圖4所示。

圖4 變階躍壓力跟隨

如圖4所示，變階躍壓力跟隨能夠準(zhǔn)確的跟隨目標(biāo)液壓力的變化趨勢(shì)。在建壓過程中，低壓力時(shí)的超調(diào)較為明顯，隨著壓力的增加超調(diào)量逐漸減小。在卸壓行程中，隨著壓力的逐漸減小，壓力的回沖量逐漸加大。在逐漸增壓過程中的響應(yīng)情況見表1。

表1 變階躍增壓過程中壓力變化情況

在幅值為6 MPa周期為3 s梯形壓力變化工況以及幅值為6 MPa周期為2 s的弦波工況下，其壓力跟隨的情況如圖5所示。

圖5 幅值6MPa周期為3s梯形工況壓力跟隨

從圖5、圖6可以看出WBooster系統(tǒng)對(duì)不空工況的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，在不同工況下都能夠準(zhǔn)確的跟隨目標(biāo)液壓力的變化趨勢(shì)。從圖6可看出，初始建壓時(shí)刻系統(tǒng)的壓力響應(yīng)有一定的響應(yīng)延遲，在建壓行程結(jié)束后實(shí)際也壓力并不會(huì)直接跟隨目標(biāo)液壓力而歸零，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是制動(dòng)系統(tǒng)的液壓遲滯現(xiàn)象引起的。梯形工況和弦波工況的壓力跟隨誤差均方根值見表2。

圖6 幅值6MPa周期為2s弦波工況壓力跟隨

表2 不同工況壓力誤差均方根值

在WBooster系統(tǒng)所產(chǎn)生液壓力的方式是根據(jù)駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行建壓，駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)踏板位移，根據(jù)制動(dòng)踏板位移信息判斷駕駛員所需目標(biāo)液壓力大小，系統(tǒng)在控制指令下產(chǎn)生相應(yīng)大小的液壓力。經(jīng)過測(cè)試，WBooster能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出駕駛員的制動(dòng)意圖，并能夠快速的跟隨制動(dòng)意圖下的目標(biāo)制動(dòng)液壓力的變化趨勢(shì)。根據(jù)駕駛員制動(dòng)意圖的壓力跟隨如圖7所示。

圖7 駕駛員制動(dòng)意圖液壓力跟隨

WBooster制動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)形式上采用全解耦式，即在助力電機(jī)正常提供制動(dòng)助力時(shí)制動(dòng)踏板推桿上的力不會(huì)作用與制動(dòng)主缸推桿，也不會(huì)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的力耦合。因此，在車輛制動(dòng)時(shí)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)的腳感完全由制動(dòng)踏板模擬器提供。制動(dòng)時(shí)的踏板感覺可以通過兩種途徑進(jìn)行調(diào)整，其一是通過改變電機(jī)助力的空行程進(jìn)而再改變控制層的查表規(guī)則來實(shí)現(xiàn)踏板感覺調(diào)整，另一途徑是通過改變踏板模擬器彈性元件的剛度及阻尼實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整電機(jī)助力空行程的方式改變踏板腳感見表3。

表3 制動(dòng)踏板感覺調(diào)整情況

通過表3可以看出，調(diào)整電機(jī)助力的空行程可以改變踏板力與主缸液壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)而改變制動(dòng)踏板感覺，并不能改變踏板模擬器彈性元件的剛度及阻尼特性，因此無法改變踏板力與踏板位移的關(guān)系。所以，對(duì)踏板感覺的調(diào)整還是應(yīng)該從根本上改變踏板模擬器彈性元件的剛度與阻尼。

2.2 道路行車制動(dòng)測(cè)試

道路行車制動(dòng)測(cè)試是對(duì)WBooster制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)車后的性能所做的動(dòng)態(tài)測(cè)試。作為電子液壓助力制動(dòng)系統(tǒng)，WBooster系統(tǒng)同樣具備助力制動(dòng)和人力備份制動(dòng)兩種基本功能，同時(shí)也可以與感知功能集成具備主動(dòng)制動(dòng)功能。再試驗(yàn)過程中，主動(dòng)制動(dòng)模式是以直接給WBooster系統(tǒng)下達(dá)制動(dòng)液壓力命令實(shí)現(xiàn)的。

助力制動(dòng)是指根據(jù)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)所產(chǎn)生的制動(dòng)意圖確定駕駛員制動(dòng)意圖對(duì)應(yīng)目標(biāo)液壓力，然后助力電機(jī)在控制系統(tǒng)控制下提供制動(dòng)主缸產(chǎn)生目標(biāo)液壓力所需轉(zhuǎn)矩，在這個(gè)過程中主缸產(chǎn)生液壓力的動(dòng)力源只有助力電機(jī)。助力制動(dòng)模式下制動(dòng)初速度為30 km/h的車輛制動(dòng)情況如圖8所示。

圖8 助力制動(dòng)模式

人力制動(dòng)是指在WBooster系統(tǒng)因?yàn)楣收隙﹄姍C(jī)無法提供制動(dòng)動(dòng)力源時(shí)由駕駛員直接通過踩制動(dòng)踏板提供制動(dòng)時(shí)所需的制動(dòng)力。因此，這種模式也稱為備份制動(dòng)模式，屬于WBooster的冗余安全功能。這種模式下的制動(dòng)動(dòng)力源只有駕駛員通過制動(dòng)踏板推桿作用在主缸推桿上制動(dòng)踏板力。人力制動(dòng)模式下車初速度為20 km/h的輛制動(dòng)情況如圖9所示。

圖9 人力制動(dòng)模式

本研究指的主動(dòng)制動(dòng)是指駕駛員沒有在制動(dòng)踏板上施加任何制動(dòng)力wBooster系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)人員直接下達(dá)液壓力指令進(jìn)行建立主缸液壓力的制動(dòng)過程。初速度為28 km/h，制動(dòng)液壓力為3 MPa時(shí)的制動(dòng)情況如圖10所示，初速度為33 km/h，制動(dòng)液壓力為5 MPa時(shí)的制動(dòng)情況如圖11所示。

圖10 初速度28km/h-液壓力3MPa

圖11 初速度33km/h-液壓力5MPa

不同模式下行車制動(dòng)的具體情況不同，在對(duì)應(yīng)模式下行車制動(dòng)的制動(dòng)距離以及車速從初始速度降為0時(shí)的制動(dòng)時(shí)間見表4。

表4 不同模式下行車制動(dòng)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語

通過改裝現(xiàn)有某款純電動(dòng)車底盤，搭建了WBooster制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了靜態(tài)下不同工況液壓力跟隨研究和制動(dòng)踏板感覺研究，同時(shí)進(jìn)行了不同制動(dòng)模式下的道路行車制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）WBooster制動(dòng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟隨目標(biāo)液壓力的變化，對(duì)液壓力變化的響應(yīng)速度較快，且在液壓力跟隨過程中的誤差均方根值較小。

（2）通過調(diào)整電機(jī)助力的空行程，可以改變制動(dòng)踏板力與主缸液壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系從而改變制動(dòng)踏板感覺，但是這種調(diào)整并不能改變踏板力與踏板位移的關(guān)系，因此通過調(diào)整電機(jī)助力空行程來改變制動(dòng)踏感覺的作用是有限的。

（3）在行車制動(dòng)過程中，WBooster制動(dòng)系統(tǒng)能夠?yàn)檐囕v提供滿足制動(dòng)要求的液壓力。在初速度為30Km/h的制動(dòng)測(cè)試中，制動(dòng)距離遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的制動(dòng)距離。通過本文主動(dòng)制動(dòng)模式的測(cè)試表明，WBooster制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)建立在感知模塊基礎(chǔ)上的主動(dòng)制動(dòng)功能。