電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)與匹配分析

王海軍，楊帆

（寧波星箭航天機(jī)械有限公司，浙江 寧波 315153）

傳統(tǒng)的液力制動(dòng)器是通過(guò)液力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成制動(dòng)器的功能，而線(xiàn)控傳動(dòng)系統(tǒng)是以機(jī)械信號(hào)為基礎(chǔ)，通過(guò)電氣控制單元對(duì)機(jī)電制動(dòng)器的控制。所以，從本質(zhì)上講，電動(dòng)液壓剎車(chē)系統(tǒng)并非是一種真正的線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于EHB可以完全與剎車(chē)踏板無(wú)關(guān)地進(jìn)行式剎車(chē)，但它的物理電路并未延伸至車(chē)輪制動(dòng)器，因此，電動(dòng)液壓剎車(chē)系統(tǒng)仍然需要制動(dòng)液從儲(chǔ)能器向剎車(chē)輪缸傳輸制動(dòng)力。但就目前來(lái)看，由于原油壓制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)仍能保持，所以在動(dòng)力供給裝置出現(xiàn)故障時(shí)，人工制動(dòng)器作為后備制動(dòng)器。目前，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車(chē)安全與電子領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。Petruccelli等提出了EHB系統(tǒng)的前、后軸制動(dòng)力分配和剎車(chē)踏板感官仿真，并給出了傳感器故障時(shí)的控制和故障的自診斷控制方案，并對(duì)電動(dòng)汽車(chē) ABS/VDC進(jìn)行了改進(jìn)。Reuter等對(duì)常規(guī)制動(dòng)工況下的電動(dòng)液壓制動(dòng)器和常規(guī)液壓制動(dòng)器進(jìn)行了對(duì)比和分析，并對(duì)其在各種液壓設(shè)計(jì)工況下的EHB進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)其在供能設(shè)備故障時(shí)采用后備制動(dòng)器進(jìn)行了制動(dòng)特性的分析。Huh等提出了一種基于故障診斷的電動(dòng)液壓剎車(chē)系統(tǒng)故障診斷模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。Semmler等提出了一種利用EHB技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防抱死制動(dòng)的新方法，并進(jìn)行了在干、雪、濕路面的實(shí)車(chē)測(cè)試。通過(guò)運(yùn)用模糊推理方法，馬濤濤等人對(duì)車(chē)輛的橫擺角速度和質(zhì)量中心的偏轉(zhuǎn)率閾值進(jìn)行了分析，并用 Logistic PI控制法對(duì)EHB的輸出進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，該方法在EHB全工作區(qū)間均能取得較好的控制效果。盡管?chē)?guó)外的一些汽車(chē)已經(jīng)安裝了電動(dòng)液壓剎車(chē)系統(tǒng)，如奔馳SL級(jí)、E級(jí)、豐田普銳斯、雷克薩斯HX400H等，但由于中國(guó)的EHB發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)有完全掌握EHB的設(shè)計(jì)原理，因此，在一定程度上制約了電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工業(yè)化。電子液壓剎車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作非常復(fù)雜，其關(guān)鍵元件的設(shè)計(jì)也受到很多因素的制約。汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)的安全性是首要考慮的問(wèn)題，而EHB作為一種特殊的線(xiàn)性控制系統(tǒng)，其安全性尤為重要。本文以電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，從安全性能出發(fā)，研究了電動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和匹配；該系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)剎車(chē)系統(tǒng)中的一些機(jī)械零件，剎車(chē)踏板與執(zhí)行器之間沒(méi)有機(jī)械連接，廣通用地使用了現(xiàn)代汽車(chē)上的伺服剎車(chē)系統(tǒng)。

1 電液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和特性

由于采用了傳統(tǒng)的液壓機(jī)械制動(dòng)器，采用了液壓機(jī)和電控機(jī)械式制動(dòng)器的過(guò)度形式，因此，在保持了原有的液壓制動(dòng)系基礎(chǔ)上，增加了一組電氣控制單元，使剎車(chē)系統(tǒng)的性能得到了最大程度的提高。這種制動(dòng)系統(tǒng)代替了常規(guī)制動(dòng)器的某些機(jī)械部件，在制動(dòng)器和制動(dòng)器之間不存在機(jī)械連接，廣泛采用了現(xiàn)代轎車(chē)的伺服制動(dòng)器。圖1為常用的系統(tǒng)示意圖。

圖1

剎車(chē)踏板裝置由多個(gè)二向閥門(mén)連接到各個(gè)輪孔，供燃油供給。油罐和輪虹之間有一個(gè)二向閥，在油路中連接著一個(gè)電泵和一個(gè)高壓蓄能器，這兩個(gè)蓄能器通過(guò)電子信號(hào)來(lái)維持油路中的高壓，當(dāng)2個(gè)二通閥打開(kāi)時(shí)，油路上的壓力就會(huì)被維持。安全閥用于限制油路的最大油壓，平衡閥用于平衡左右制動(dòng)器的制動(dòng)力。它有兩種基本能力，一是基本剎車(chē)，二是剎車(chē)控制。基礎(chǔ)剎車(chē)，就是司機(jī)按照自己的意圖，對(duì)油門(mén)施加不同的力道，以確保車(chē)輛在減速的時(shí)候，不會(huì)發(fā)生卡住，這時(shí)，司機(jī)應(yīng)該將自己的意圖完全反映出來(lái)，從而給司機(jī)提供足夠的制動(dòng)力?？刂浦苿?dòng)器是指在緊急情況下，駕駛員在全速制動(dòng)器的作用下，由于需要防止車(chē)輪發(fā)生卡住，因此，系統(tǒng)能夠識(shí)別這個(gè)需求，并利用節(jié)流控制裝置來(lái)防止車(chē)輪發(fā)生卡住，同時(shí)，根據(jù)工作環(huán)境的不同，將車(chē)輛的減速能力發(fā)揮到最大。在這種情況下，一般都會(huì)有后備制動(dòng)器，即使在電子控制裝置出現(xiàn)故障時(shí)，也可以保持最基本的人力和液壓剎車(chē)功能。本文所探討的公司集成式電動(dòng)液壓制動(dòng)器系統(tǒng)的主要元件為剎車(chē)踏板與剎車(chē)主虹的整體操縱機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)，其工作原理如下。

圖2

該系統(tǒng)具有常規(guī)制動(dòng)、備用制動(dòng)和控制制動(dòng)3大功能。傳統(tǒng)制動(dòng)器：當(dāng)司機(jī)按傳統(tǒng)的規(guī)則駕駛時(shí)，電控設(shè)備會(huì)感應(yīng)踏板。制動(dòng)狀況，判斷司機(jī)的制動(dòng)意圖，關(guān)閉與制動(dòng)箱和主虹補(bǔ)液室的補(bǔ)液電磁閥，打開(kāi)平衡電磁閥，啟動(dòng)馬達(dá)活塞，在制動(dòng)箱內(nèi)工作腔與液體補(bǔ)充室之間形成適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)壓力。工作腔內(nèi)的高壓剎車(chē)壓力通過(guò)四個(gè)常開(kāi)型電磁閥連接到每個(gè)自輪紅上，從而在車(chē)輪虹膜中形成剎車(chē)壓力，從而達(dá)到制動(dòng)器的目的。當(dāng)駕駛員松開(kāi)剎車(chē)踏板時(shí)，電子控制器會(huì)收到踏板移動(dòng)的信號(hào)，由此四個(gè)減壓螺線(xiàn)管減壓，制動(dòng)液回到剎車(chē)槽。后備制動(dòng)器：在后備制動(dòng)器狀態(tài)下，電子控制裝置失效。駕駛員在踏板上直接踩下剎車(chē)。在主紅色工作腔上安裝有均衡的常閉式電磁閥，可以有效地阻止液體的流入。工作腔由油管和常開(kāi)式閥門(mén)與制動(dòng)器相連，以達(dá)到剎車(chē)的目的?？刂浦苿?dòng)器：在司機(jī)緊急剎車(chē)時(shí)，由電子控制器根據(jù)剎車(chē)信號(hào)和剎車(chē)信號(hào)，設(shè)定適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力，如果有一個(gè)輪子發(fā)生故障，就打開(kāi)壓力安全閥，降低剎車(chē)壓力。每個(gè)制動(dòng)器構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的閉合環(huán)路。不同的車(chē)輪可以按照不同的道路狀況來(lái)進(jìn)行不同的控制，以保證每個(gè)輪子都能充分利用土壤的黏性。通過(guò)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)與結(jié)構(gòu)在2個(gè)方面存在著巨大的差異。一是機(jī)械構(gòu)造上的差異，它利用彈簧的剛度，為使用者的足部提供反作用力與位移；而是采用了一個(gè)整體式的踏板，連接到了主虹上，通過(guò)主紅色的壓力來(lái)給人一種踩油門(mén)的感覺(jué)。二是油壓設(shè)定，為了保持高的進(jìn)油口壓力，使用油栗機(jī)將油注入到高壓油罐中，故進(jìn)油閥為常閉閥門(mén)；電子液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是剎車(chē)踏板、電子控制、液壓控制、傳感器等。剎車(chē)踏板裝置包含踏板感覺(jué)模擬器、踏板力或踏板沖程傳感器以及剎車(chē)踏板。踏板感受仿真系統(tǒng)能給駕駛者帶來(lái)類(lèi)似傳統(tǒng)剎車(chē)系統(tǒng)的踏板感受。用于監(jiān)控司機(jī)的駕駛意圖。本系統(tǒng)由電機(jī)、高壓儲(chǔ)能器組成，通過(guò)制動(dòng)線(xiàn)和單向控制閥與制動(dòng)線(xiàn)連接，控制制動(dòng)液的流入和流出制動(dòng)輪缸，從而實(shí)現(xiàn)輪缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、反饋控制以及不同階段溫度范圍的修正。它的主要特點(diǎn)是：通過(guò)液壓控制裝置，使各車(chē)輪獨(dú)立地進(jìn)行控制，使車(chē)輛的剎車(chē)性能得到最大限度的發(fā)揮，使車(chē)輛的行駛安全得到保障。增加車(chē)輛剎車(chē)控制精度，檢測(cè)踏板的速度和沖程，對(duì)司機(jī)意圖進(jìn)行分析，判斷不同制動(dòng)性能，并通過(guò)供給高壓油，可以得到最大的壓力梯度，得到最合理的壓力變化。然后，利用輪缸上的壓力傳感器，對(duì)實(shí)際的輪缸壓力進(jìn)行測(cè)量，并與控制器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，不斷地調(diào)整輪缸的壓力，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全的閉環(huán)控制。改善車(chē)輛剎車(chē)舒適度系統(tǒng)，使4個(gè)車(chē)輪的氣壓分布具有較好的自從性，在不同的車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中，剎車(chē)效果明顯。確保各輪子不會(huì)發(fā)生碰撞。由于減少了大型的真空助推器，改善了車(chē)輛的行駛性能，節(jié)省了空間，降低了車(chē)身重量。后備制動(dòng)功能在發(fā)生故障時(shí)，仍保留最基礎(chǔ)的人工液壓制動(dòng)系統(tǒng)，以確保行車(chē)的安全性。兼容性好，易于改裝，由于高電子化和模塊化，可輕易地與汽車(chē)的電子控制設(shè)備相容；由于保留了大多數(shù)的液壓部件，可以很方便地進(jìn)行更多的制動(dòng)；而且無(wú)需真空助推器，因此，在與電動(dòng)車(chē)輛的匹配中具有更大的優(yōu)越性。

2 EHB剎車(chē)系統(tǒng)的研制

如上所述，本文所討論的的EHB類(lèi)型屬于電動(dòng)助力式EHB的范疇，其最核心的部分就是電動(dòng)助力式EHB，所以本文主要針對(duì)EHB的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析，并對(duì)其總體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，從而實(shí)現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其主要元件進(jìn)行了詳細(xì)的選擇。

2.1 EHB制動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)需求

EHB系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式在圖3中顯示，EHB系統(tǒng)包含踏板部件，其包含踏板力傳感器、電動(dòng)助力制動(dòng)器、制動(dòng)力分配裝置、制動(dòng)輪缸、控制器ECU、制動(dòng)液管路、各種采集信號(hào)的傳感器、PC監(jiān)控平臺(tái)等。在制動(dòng)時(shí)，ECU對(duì)踏板力、踏板位移、剎車(chē)管路油壓、車(chē)速等進(jìn)行了相應(yīng)的濾波，然后利用相應(yīng)的算法，對(duì)駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛制動(dòng)的控制。通過(guò)ECU的助力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油門(mén)的輔助，從而提高剎車(chē)的油壓。剎車(chē)系統(tǒng)把剎車(chē)油分布在四個(gè)剎車(chē)分輪氣缸上，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的剎車(chē)。當(dāng)電子控制系統(tǒng)因電源故障、傳感器故障等原因而發(fā)生故障時(shí)，ECU的警報(bào)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)，并啟動(dòng)“緊急模式”。司機(jī)可以利用剎車(chē)踏板進(jìn)行剎車(chē)，并利用故障備用制動(dòng)來(lái)改善汽車(chē)的行車(chē)安全。另外，該系統(tǒng)不需要額外的腳感產(chǎn)生設(shè)備，只需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的算法來(lái)控制馬達(dá)的動(dòng)作，從而達(dá)到平穩(wěn)的腳感，從而提高駕駛的舒適性。綜合以上分析可知，在正常工況下，制動(dòng)器必須與各種不同類(lèi)型的傳感器相配合，才能產(chǎn)生剎車(chē)信號(hào)。通過(guò)ECU對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)化為輔助信號(hào)，并將其反饋給剎車(chē)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。為了實(shí)現(xiàn)故障備用剎車(chē)功能，制動(dòng)器不能自動(dòng)鎖定，這樣即使電子控制裝置出現(xiàn)故障，也可以依靠人工踩下剎車(chē)踏板產(chǎn)生的機(jī)械力來(lái)剎車(chē)。這就要求整體制動(dòng)系統(tǒng)的工作性能。

圖3

2.2 EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求

電動(dòng)助力制動(dòng)器是EHB系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能對(duì)車(chē)輛的剎車(chē)性能有很大的影響，考慮到一般車(chē)輛和新能源汽車(chē)對(duì)剎車(chē)的需要，EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器的動(dòng)力能必須符合下列規(guī)定。

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。因?yàn)橐话愕碾妱?dòng)車(chē)或者傳統(tǒng)轎車(chē)的引擎艙內(nèi)空間都非常狹窄和緊湊，所以，為了保證車(chē)輛的剎車(chē)性能，EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器必須盡可能地滿(mǎn)足體積小、重量輕、便于裝配等特點(diǎn)。

（2）有足夠的剎車(chē)功率。由于目前市面上大多數(shù)新能源車(chē)都需要加裝真空泵，且要有獨(dú)立的儲(chǔ)罐來(lái)貯存真空，因此，在持續(xù)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)效果不佳。所以，EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器必須根據(jù)駕駛員的真實(shí)剎車(chē)意圖，提供足夠的精確的剎車(chē)輔助，從而達(dá)到最佳的剎車(chē)效果和駕駛感受。

（3）使信號(hào)的獲取變得容易。EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器在工作過(guò)程中，將踏板力信號(hào)、剎車(chē)管路油壓信號(hào)、踏板位移信號(hào)等信息整合到ECU中，從而使采集組件的安裝和配置盡可能地降低成本。

（4）具有較高的安全性。車(chē)輛的安全運(yùn)行取決于EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器的可靠性。所以，制動(dòng)器和控制器的相關(guān)部件必須經(jīng)過(guò)特殊的優(yōu)化，才能在惡劣的工作條件下繼續(xù)穩(wěn)定地工作，另外，EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器還必須具有故障備用制動(dòng)的能力。

（5）促進(jìn)其他功能的整合。EHB電動(dòng)助力制動(dòng)器應(yīng)易于集成主動(dòng)制動(dòng)、ABS、EPS、智能駕駛等，系統(tǒng)必須具備很好的兼容性，并預(yù)留1:3接口，以實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的通信。

（6）節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。在環(huán)保產(chǎn)業(yè)和環(huán)保汽車(chē)的大背景下，剎車(chē)系統(tǒng)必須達(dá)到低能耗、低污染的要求，并且在剎車(chē)過(guò)程中使用能量最好。

3 基于硬件故障保護(hù)的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的能量供給裝置主要有氣囊型儲(chǔ)能器和馬達(dá)油泵兩部分。蓄能器和馬達(dá)泵都需要在正常制動(dòng)條件下，在故障狀態(tài)下獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)，以確保硬件的冗余度。在此基礎(chǔ)上，還需要考慮儲(chǔ)能器的有效容積和泵級(jí)流量之間的相互作用。在進(jìn)行電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)車(chē)輛的剎車(chē)特性要求，確定電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的最大工作壓力和最小工作壓力。

3.1 儲(chǔ)液器的充氣壓力測(cè)定

當(dāng)系統(tǒng)的最高和最低工作壓力被決定時(shí)，為保證儲(chǔ)能器的皮囊在最低壓力操作點(diǎn)處仍然沒(méi)有擴(kuò)張至與殼體的壁相接觸，而且在最高壓力操作點(diǎn)皮袋收縮后的容積仍然超過(guò)最初容積的1/4，則蓄能器充氣壓力的取值范圍為0.25p1≤p0≤0.9p2，式中，p0為蓄能器預(yù)充氣壓力，Pa；p1為系統(tǒng)最高工作壓力，Pa；p2為系統(tǒng)最低工作壓力，Pa。

3.2 儲(chǔ)能器的有效容量計(jì)算方法

假定蓄能器排液速度很快，接近于絕熱狀態(tài)，因此，相對(duì)氣體，其壓縮性能可以忽略不計(jì)；而蓄能裝置的有效容積必須符合下列兩項(xiàng)：機(jī)械油泵故障時(shí)，儲(chǔ)能器可進(jìn)行高強(qiáng)度制動(dòng)的次數(shù)應(yīng)該至少4～5次；馬達(dá)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每分鐘4次在12次的速度制動(dòng)后，向制動(dòng)器供給的壓力必須小于最大值。初步測(cè)量了70%的壓強(qiáng)。在實(shí)際的使用中，剎車(chē)是逐次的。逐漸磨損，以保證安全，由于老式剎車(chē)在完全磨損后進(jìn)入行運(yùn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

基于EHB的數(shù)學(xué)模型，提出了以安全性能為基礎(chǔ)的EHB的設(shè)計(jì)和匹配方法；實(shí)驗(yàn)證明了所建數(shù)學(xué)模型的正確性，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)EHB在一般制動(dòng)與硬件故障情況下的制動(dòng)特性進(jìn)行了分析。從安全性角度出發(fā)，在電動(dòng)機(jī)泵故障時(shí)，要確保蓄能器能夠?qū)崿F(xiàn)多次高強(qiáng)度的制動(dòng)；同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)泵的設(shè)計(jì)中，必須考慮到所需的充液時(shí)間和在蓄能器故障時(shí)的制動(dòng)力特性；并探討了系統(tǒng)參數(shù)（最高工作壓力、最低工作壓力）對(duì)EHB制動(dòng)力特性的影響，并提出了最佳方案來(lái)改善EHB動(dòng)力。