汽車電控液壓制動系統(tǒng)的分析

宋森

摘要：面臨日益復(fù)雜的交通安全環(huán)境，短距離停車、保持行駛的穩(wěn)定性顯得尤為重要。為了進一步了解汽車在行駛過程中的制動安全性能和響應(yīng)速度，本文對制動力更加精準的線性制動系統(tǒng)——電控液壓制動系統(tǒng)進行了研究。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、組成部分的功能、工作模式等方面入手，對其優(yōu)勢和設(shè)計要求進行了深入的探究，并以主要零部件的液壓特性為參考，構(gòu)建了系統(tǒng)的動力學(xué)模型，對整個制動系統(tǒng)的性能進行分析研究。

Abstract： Facing the increasingly complex traffic safety environment，it is particularly important to stop for short-distances and maintain driving stability.In order to further understand the braking safety performance and response speed of the vehicle during driving，this paper studies the electronically controlled hydraulic braking system， which is a more accurate linear braking system with more accurate braking force. Starting from the structural principles of the system，the functions of the components， the working mode， etc.，this paper makes an in-depth exploration on its advantages and design requirements，Taking the hydraulic characteristics of the main components as a reference，a dynamic model of the system is constructed，and the performance of the entire braking system is analyzed and studied.

關(guān)鍵詞：電控液壓制動;系統(tǒng)性能;主動安全性

Key words： electronically controlled hydraulic brake;system performance;active security

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0057-03

0? 引言

作為衡量汽車在行駛過程中一項最重要的指標，汽車制動性的好壞直接關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全。以往設(shè)計制動系統(tǒng)時，應(yīng)用的是雙液壓回路法。近年來，電控功能有所增加，目前應(yīng)用最為廣泛的如：ABS（汽車制動防抱死系統(tǒng)）、ARS（汽車驅(qū)動防滑系統(tǒng)）和ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等。伴隨著交通環(huán)境的愈發(fā)復(fù)雜和人們安全意識的提升，進一步改善制動性能，得到更快的響應(yīng)速度，人們將目光瞄準向更加精準的電控液壓制動系統(tǒng)。電控液壓制動（Electro hydraulic brake），簡稱EHB，屬于線控制動，控制力上也有所提升，對每個車輪都有獨立控制力，從思維理念上也突破了傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的束縛，在設(shè)計時取消了真空助力器，取消了制動踏板和車輪制動器的機械連接或液壓管的連接，結(jié)構(gòu)得到了有效的精簡，直接將駕駛者的制動信息通過傳感器傳遞到電控單元，然后驅(qū)使相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生制動力，且易于實現(xiàn)對制動能量的回收，因此擁有較好的應(yīng)用前景。

1? 控液壓制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電控液壓制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電控液壓制動系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，如圖1所示，分別為踏板感覺模擬器（Pedal feel emulator簡稱PFE），液壓控制單元（Hydraulic control unit，簡稱HCU）和電控單元（Electro control unit，簡稱ECU）。其中制動意圖及輸入功能由PFE完成，數(shù)據(jù)處理及發(fā)出執(zhí)行指令主要由ECU完成。

踏板感覺模擬器的構(gòu)造如圖2所示。踏板感覺模擬器能夠精準地捕捉到駕駛?cè)藛T的制動意圖，并為駕駛?cè)藛T提供與傳統(tǒng)制動類似的踏板反饋力和行程感受。其中踏板是駕駛員實施制動意圖的物理單元;制動主缸形成制動液回路;踏板行程傳感器用來收集駕駛?cè)藛T的制動意圖等等。

液壓控制單元的構(gòu)造如圖3所示。液壓控制單元主要負責(zé)的是信號的收集與傳送，對系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，以及保持與其他電控單元的數(shù)據(jù)通信，分析計算，實現(xiàn)對汽車的主動控制。其中電動機和液壓泵確保高壓蓄能器能建立起制動壓力，有足夠的制動力;高壓蓄能器提供制動壓力源;單向閥起到保護電機的作用，保證制動液只能單向流動，不會反方向流向電機。安全泄壓閥的作用是調(diào)節(jié)高壓蓄能器內(nèi)的壓力，保護系統(tǒng)的壓力在安全的范圍;BV（平衡閥）設(shè)置在同軸左右車輪之間，用來保證制動時車輛直線行駛的穩(wěn)定性。

1.2 電控液壓制動系統(tǒng)的工作原理

電控液壓制動系統(tǒng)工作原理如圖4所示。當電控液壓制動系統(tǒng)正常工作時，切換閥處于關(guān)閉狀態(tài)。增壓時，打開進油閥，制動液流入制動輪缸后，再關(guān)閉出油閥。減壓時，打開出油閥，制動液流入回油杯，再關(guān)閉進油閥。保壓時，進油閥和出油閥都不會開啟，若想對輪缸壓力進行獨立的把控，需要關(guān)閉平衡閥，開啟或關(guān)閉相對應(yīng)的進、出油閥即可。需要注意的是，各閥門在開啟或關(guān)閉時，蓄能器的壓力值必須處于安全范圍。當電控液壓制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)內(nèi)的電磁閥均恢復(fù)初始狀態(tài)，駕駛?cè)藛T可利用制動踏板，完成液壓油由制動主缸流入輪缸的工作，借助傳統(tǒng)液壓制動方式進行應(yīng)急制動，提升行車安全性[1]。

2? 電控液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)勢和設(shè)計的要求

2.1 電控液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)相比較，電控液壓制動系統(tǒng)不管是從結(jié)構(gòu)上，還是性能上都有了很大的改進。一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上取消了真空助力器，不僅安裝所需空間更小，而且不受發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷、真空度的影響;二是系統(tǒng)不僅提升了響應(yīng)速度，而且在短距離制動停車、保持行駛的穩(wěn)定性方面也有了很大的改善，在四輪制動力的分配上有很大的自由度;三是系統(tǒng)針對傳統(tǒng)系統(tǒng)由于制動摩擦片磨損導(dǎo)致制動力不足的情況，部件的機械特性變化可由控制算法進行補償，改變制動力以保證良好的制動效果;四是系統(tǒng)操作起來較為舒適，如：統(tǒng)計駕駛?cè)藛T的操作習(xí)慣，僅通過更改控制算法和踏板感覺模擬器就可以給駕駛?cè)藛T不同的踏板感覺。對駕駛?cè)藛T友好;五是系統(tǒng)有更高的安全性，當系統(tǒng)失效時，制動主缸內(nèi)的制動液還能由駕駛?cè)藛T踩下制動踏板推動，然后經(jīng)管道和切換閥進入到制動輪缸。六是系統(tǒng)較容易實現(xiàn)制動能量的回收，可以降低能耗[2]。

2.2 電控液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計要求

根據(jù)電控液壓制動系統(tǒng)的原理，在設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮以下的要求：

①可靠性。能夠在短距離進行制動停車是系統(tǒng)最本質(zhì)的要求，當制動命令由駕駛?cè)藛T發(fā)出，制動踏板的傳感器及時采集信號并傳遞給ECU，ECU判斷制動有效的同時計算出制動所需壓力，控制制動液進入制動輪缸產(chǎn)生相應(yīng)的制動力。

②穩(wěn)定性。車輛在行駛時產(chǎn)生制動，除了需對各車輪進行獨立控制的工況外，大多數(shù)的情況下都應(yīng)保持同軸兩側(cè)的車輪的平衡，保證車輛制動時直線行駛的穩(wěn)定性[3]。

③實用性。應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，避免對整車的通過性以及成本、維修等方面產(chǎn)生較大的影響。同時，要考慮到與傳統(tǒng)ABS等系統(tǒng)的兼容性。

④精確性。確保良好的制動效果，可以從硬件方面出發(fā)，選用精度較高的閥來控制制動液的流量，選用計算能力高和處理速度快的電子控制單元等等，達到精準、快速的控制。

3? 構(gòu)建主要液壓元件的動力學(xué)模型

電控液壓制動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有非線性的特點，因為在制動過程中，主要表現(xiàn)為制動液壓力和流量發(fā)生變化，為了更加準確的掌握其動態(tài)性能，以主要零部件液壓特性為入手點，建立系統(tǒng)增壓、減壓時應(yīng)用到的動力學(xué)微分方程。

從系統(tǒng)的工作原理可知，在系統(tǒng)增壓時，液壓油會從高壓蓄能器途徑油管、油閥，最終流動到制動輪缸，減壓時的流動路徑則正好相反。將油管壓力損失這一影響因素排除，對液壓油流經(jīng)的部件的液壓特性進行建模[4]。

①蓄能器：系統(tǒng)使用的蓄能器一般是氣囊式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。蓄能器主要是由兩部分構(gòu)成——上部的氣腔和下部的液腔，氣腔充入的都是惰性氣體，常見的如氮氣，很難進行化學(xué)反應(yīng)，保證了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。

工作原理：當系統(tǒng)接收到制動命令的時候，電動泵將制動液輸入到蓄能器的液腔中，會對氣腔的體積產(chǎn)生壓縮;當制動命令取消時，制動液流出蓄能器的液腔，氣腔的壓迫力也隨之減少直至消失，體積也會相應(yīng)的增大。因此，我們可以看出，蓄能器的工作過程主要涉及到體積的變化。[5]

式（1）中：Q為蓄能器的實際流量，V為蓄能器氣體的體積。

系統(tǒng)處于增壓狀態(tài)時，液壓油數(shù)量會有所減少，蓄能器氣室體積變大，壓力值隨之減少，可以將此種情況當做氣體絕對熱膨脹過程。由氣體定律可知：

式（2）中，Pg代表蓄能器氣室的壓力，Vg代表氣室體積，r代表等熵指數(shù)，P0代表進油閥關(guān)閉時，蓄能器氣室內(nèi)部的壓力值，V0代表進油閥關(guān)閉時，蓄能器的氣室體積。

將蓄能器內(nèi)的彈簧力忽略不計，假設(shè)Pg和蓄能器液壓壓力相同，Vg=V0+液壓油減少體積，因此可以用以下公式來表達蓄能器壓力和液壓油平均流速的關(guān)系：

公式（3）中，PA代表蓄能器壓力，q代表液壓油平均流速。

②在電控液壓制動系統(tǒng)中所使用的進/出油閥由PWM（Pulse width modulation脈寬調(diào)制）信號控制。以開關(guān)閥的節(jié)流特性為參考依據(jù)，計算液壓油從高壓端向低壓端流動時應(yīng)具備的流量特性，并滿足以下方程：

其中，Q代表節(jié)流孔中液壓油的實際流量，C代表節(jié)流孔的流量系數(shù)，A代表節(jié)流孔的流通截面積，？駐p代表節(jié)流孔兩端的液壓差值，？漬代表節(jié)流孔節(jié)流指數(shù)。

③制動缸輪：將油管、輪缸缸體在車輛運行過程中產(chǎn)生的彈性變形忽略不計，用以下方程式來表達輪缸壓力及液壓油流量變化時的連續(xù)性。

其中，K代表液壓油體積模量，V代表油管體積總和，PW代表制動輪缸壓力。

電控液壓制動系統(tǒng)在制動時可以分為增壓、保壓以及減壓三個階段，如圖6所示，我們可以從制動液的流動來判斷制動的情況。當系統(tǒng)處于增壓階段時，制動液會從高壓蓄能器的液腔流出，氣腔體積也隨之增大，制動液然后通過制動管路進入制動輪缸，為制動輪缸提供相應(yīng)的制動壓力，流入的制動液越多，增加的制動壓力也越多;當系統(tǒng)處于保壓階段時，由于閥關(guān)閉，制動液無法流動，液腔和氣腔的體積保持不變，輪缸壓力也就不會發(fā)生變化;當系統(tǒng)處于減壓階段時，制動液會從制動輪缸流出，重新流入到蓄能器的液腔，氣腔的體積隨之減少，輪缸的制動壓力減小，流出的制動液越多，減少的制動壓力也越多。

由式（3）、（4）、（5）可知，系統(tǒng)在增壓時，其動力學(xué)微分方程為：（6）

假設(shè)，油杯內(nèi)的恒壓源與大氣相通，由公式（4）、（5）可知，系統(tǒng)在減壓時，其動力學(xué)微分方程為[6][7]：

4? 結(jié)束語

在提升汽車制動過程安全性方面，電控液壓制動系統(tǒng)是目前最有前景的研究方向，優(yōu)化了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善了控制性能，制動反應(yīng)更快，與此同時，與液壓控制相關(guān)技術(shù)的研究也是日趨成熟。本文對電控液壓制動系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)進行了詳細的介紹，并對其主要液壓組件進行了分析，使得我們對整個制動系統(tǒng)性能有了更深的了解。當然，其在運用過程中也存在著各種各樣的問題，后面也需要我們圍繞此展開更深入的研究。

參考文獻：

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