基于XBW技術(shù)的汽車無油化制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳華偉　王傳禮　張新

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)笨重、耗能大等缺點(diǎn)，通過XBW（線控）技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。采用理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)測試等方法，設(shè)計(jì)了無油化、全電控的制動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括踏板模擬器、控制模塊和凸塊制動(dòng)器三部分。踏板模擬器采用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，采集駕駛員作用在踏板上的指令，經(jīng)控制模塊分析處理后，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)凸塊制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試，表明系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期制動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)輕量化、模塊化和節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：線控；制動(dòng)系統(tǒng)；無油化；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：U463.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2016）02-0062-06

Abstract：In view of the shortcomings of the traditional hydraulic braking system， such as great bulk and large energy consumption， it was improved by the XBW （X-by-wire） technology. By using the method of theoretical analysis， modeling and simulation and experimental testing， By using the method of theoretical analysis， modeling and simulation， and experimental testing， the non-oil， fully electronically controlled braking system was designed. The system consists of three parts： the pedal simulator， the control module and the bump brake. The pedal simulator with connecting rod drive mechanism converts rotational motion into linear motion. The drivers instructions on the pedal are collected， analyzed and processed by controlling module， and used to control stepper motor by motor driver to realize braking by driving bump brake. Test by experiments showed that the system operates stably， which performed expected braking commands， and its lightweight， modularization， energy-saving and emission reduction is realized.

Key words：X-by wire； braking system； non oil； energy saving and emission reduction

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車的保有量與日俱增，隨之帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能減排研究顯得越來越迫切。制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車重要的組成部分，對(duì)其采用線控化改進(jìn)，通過輕量化實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是未來汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[1]。

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)多使用液壓油進(jìn)行傳動(dòng)，中間管路較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在汽車安全性要求越來越高的背景下，已不能滿足制動(dòng)實(shí)時(shí)性的要求[2]，故需要對(duì)其進(jìn)行線控化改進(jìn)，以求實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。系統(tǒng)采用線束代替制動(dòng)管路傳遞制動(dòng)信號(hào)和能量，經(jīng)控制模塊對(duì)采集的制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而控制各個(gè)車輪的制動(dòng)，使車輛減速。系統(tǒng)簡化了原有結(jié)構(gòu)，提高了響應(yīng)時(shí)間、靈敏度和駕駛安全性；極大的減輕了汽車整備質(zhì)量，節(jié)省了燃油等能源消耗；省去了傳統(tǒng)制動(dòng)管路和制動(dòng)油液，節(jié)省了材料損耗，對(duì)汽車節(jié)能減排技術(shù)具有重大的實(shí)用意義。

XBW技術(shù)（即線控技術(shù)）在航空和軍事上已得到成功運(yùn)用，在歐美等發(fā)達(dá)國家已開始將其應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，如奔馳CLK2004、奔馳 SL500以及邁巴赫62等車型，但仍采用電液復(fù)合方式，全線控化技術(shù)多處于概念車階段[3]。我國近些年在該領(lǐng)域已取得了重大研究進(jìn)展，以吉林大學(xué)、湖南大學(xué)為代表的科研團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有較大的發(fā)展前景[4-5]。

1總體方案設(shè)計(jì)

本作品與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)比如圖1所示，圖中1b，以電線6和電子制動(dòng)器4來代替圖中1a的機(jī)械和液壓系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)汽車制動(dòng)模擬器2，將來自駕駛員的制動(dòng)命令轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)，和輪速1等信號(hào)一起輸入到控制計(jì)算機(jī)3，由此產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電子制動(dòng)器4進(jìn)行制動(dòng)。系統(tǒng)通過蓄電池電源5供電。線控制動(dòng)系統(tǒng)分為操作機(jī)構(gòu)、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大模塊，其技術(shù)路線如圖2所示。

由圖2可知，硬件部分主要是通過機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和傳感器對(duì)制動(dòng)指令進(jìn)行采集，控制單元采集踏板信號(hào)，以及輪速等信號(hào)并進(jìn)行分析處理，能夠做到對(duì)踏板位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，將制動(dòng)力最優(yōu)分配，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，并且控制各信號(hào)燈輸出相應(yīng)的信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)和制動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)接收控制單元輸出的控制命令，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算

1）某轎車主要技術(shù)參數(shù)。滿載質(zhì)量：1 540 kg，空載質(zhì)量：1 120 kg；質(zhì)心位置：a=1.3 m b=1.356 m；質(zhì)心高度：h=0.9 m；軸距：L=2.656 m；輪距：B=1.42 m；輪胎型號(hào)：195/60 R14 85H。

2）力學(xué)模型分析。在制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓接觸過程中，摩擦襯片受力的分布和變形規(guī)律的計(jì)算是關(guān)鍵問題，而摩擦襯片的徑向變形對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)效能影響最大（見圖3）。

3操作機(jī)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算

1）傳感器部分設(shè)計(jì)。對(duì)比分析霍爾式、電容式和電阻式傳感器，霍爾式傳感器具有成本低和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于其磁鐵數(shù)目有限且只能測出踏板在特定范圍內(nèi)的位置信息，故不能輸出位移的連續(xù)曲線。電容式傳感器的線性精度高，但受制于裝空間和受力情況，且不能滿足使用壽命的要求。綜上，本作品采用可變電阻式傳感器。

2）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)比分析連桿式和凸輪式兩類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖6。兩類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均能在踏板位置信號(hào)采集環(huán)節(jié)起到很好的瞬態(tài)特性，連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，且在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中誤差較小，不易磨損，可以達(dá)到較長的使用壽命，而凸輪機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中易磨損，且受使用環(huán)境的影響較大，因此本作品采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)踏板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)。

3）踏板模擬器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的踏板模擬器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，踏板模擬器操作機(jī)構(gòu)三維模型如圖8所示。采用上述曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)踏板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)，轉(zhuǎn)換成變電阻式傳感器中滑動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)，從而改變阻值，輸出相應(yīng)的電壓值。對(duì)踏板模擬器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到傳感器輸出電壓與踏板轉(zhuǎn)角的關(guān)系可近似表示為

4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)，分為系統(tǒng)硬件和軟件兩部分，硬件電路原理圖采用PROTEL開發(fā)，軟件部分采用KEIL編寫。

5調(diào)試實(shí)驗(yàn)

搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，如圖9所示。以5°為單位改變踏板模擬器的角度，觀察凸塊制動(dòng)器對(duì)蹄片的橫向觸動(dòng)量，如表1和圖10所示。在這里所指的踏板模擬器角度值是模擬器與其初始位置間的夾角，凸塊制動(dòng)器對(duì)蹄片的橫向觸動(dòng)量是指在過凸塊軸心的水平方向上蹄片因凸塊的運(yùn)動(dòng)而改變的距離，該距離決定蹄片和其外圍制動(dòng)鼓間的作用程度。

由圖11可知，當(dāng)踏板模擬器角度在5°～10°變化時(shí)，蹄片橫向觸動(dòng)量曲線由A點(diǎn)到a點(diǎn)斜率較大，改變了較大，說明空行程在其中起到了作用；當(dāng)踏板模擬器角度在10°時(shí)，蹄片橫向觸動(dòng)量達(dá)到0.5mm，基本消除了制動(dòng)蹄片和制動(dòng)鼓間隙；當(dāng)踏板模擬器角度在10°～25°變化時(shí)，蹄片橫向觸動(dòng)量曲線由a點(diǎn)到B點(diǎn)斜率相對(duì)較小，制動(dòng)蹄片和制動(dòng)鼓間作用力逐漸增加；當(dāng)踏板模擬器角度在25°～45°變化時(shí)，蹄片橫向觸動(dòng)量曲線較為平緩，完全制動(dòng)摩擦。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，說明制動(dòng)器可以可靠工作。

6結(jié)論

本文采用線控技術(shù)設(shè)計(jì)了無油化化的全電控制動(dòng)系統(tǒng)，模塊化和線控化的結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和響應(yīng)時(shí)間；無油化和輕量化的實(shí)現(xiàn)達(dá)到了汽車節(jié)能減排的目標(biāo)。在汽車環(huán)保法規(guī)的壓力和驅(qū)動(dòng)下，該系統(tǒng)的研究具有重要的意義，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也是難以估量的。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：10-100.

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華吳曉紅）