汽車(chē)電子液壓制動(dòng)系統跟隨特性的實(shí)驗研究 ----意義與名詞解釋

　　1.1.1汽車(chē)線(xiàn)控制動(dòng)技術(shù)的研究背景

　　隨著(zhù)中國汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車(chē)在人們生活中扮演的角色越來(lái)越重要，它已經(jīng)成為人類(lèi)生活中不可缺少的一部分。人們在享受汽車(chē)帶來(lái)舒適，方便的同時(shí)，也開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)行駛的安全性。汽車(chē)安全性能很大程度取決于汽車(chē)制動(dòng)系統，良好的汽車(chē)制動(dòng)系統可以保證車(chē)輛的安全行駛。因此如何設計可靠的制動(dòng)系統，改善汽車(chē)的制動(dòng)性能，始終是汽車(chē)研究機構的重要任務(wù)。

　　環(huán)顧汽車(chē)制動(dòng)系統的發(fā)展歷史，汽車(chē)制動(dòng)系統發(fā)展之初，實(shí)現制動(dòng)的過(guò)程是駕駛員通過(guò)操作一組簡(jiǎn)單的機械系統，將作用力傳遞給制動(dòng)器，但要求車(chē)輛質(zhì)量小，低速行駛的情況。隨著(zhù)汽車(chē)自重的增加，車(chē)速的提高，對于機械制動(dòng)器來(lái)說(shuō)需要一種助力裝置，這時(shí)出現了真空助力裝置。1923年凱迪拉克公司在其生產(chǎn)的V16車(chē)上開(kāi)始大量裝配真空助力器。隨后液壓制動(dòng)技術(shù)的出現，是繼機械制動(dòng)后的一制動(dòng)系統的重大突破。通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。

　　80年代，隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的成熟與發(fā)展，被稱(chēng)為汽車(chē)史上的三大發(fā)明之一防抱制動(dòng)系統ABS(Anti-lock Braking System)開(kāi)始使用和推廣。由于汽車(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì )導致車(chē)輪與路面之間產(chǎn)生滑移，而滑移率會(huì )影響到汽車(chē)制動(dòng)的效果。ABS系統根據輪速傳感器傳送的信號實(shí)時(shí)調節對應車(chē)輪的制動(dòng)力，使制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪滑移率控制在合適的范圍內，提高車(chē)輪側向附著(zhù)力，取得了最佳的制動(dòng)效果。1954年FORD公司開(kāi)始在林肯轎車(chē)裝備ABS，到了80年代ABS走向成熟。20世紀80年代中期，BOSCH公司研發(fā)了驅動(dòng)防滑系統ASR(Anti-Skidding Restraint)，它可以在起步或彎道中速度發(fā)生急劇變化時(shí)，將滑轉率控制在一定的范圍內，改善車(chē)輪與地面的附著(zhù)力，例如，車(chē)輛在冰雪路面或濕滑路面行駛時(shí)，當汽車(chē)加速時(shí)驅動(dòng)輪容易打滑，ASR系統會(huì )自動(dòng)減低發(fā)動(dòng)機馬力并制動(dòng)受影響的車(chē)輪，ASR系統挺高了車(chē)輛的牽引力和行駛穩定性。1985年VOLOVO汽車(chē)公司將這項技術(shù)轉化為產(chǎn)品，并將其安裝在Volvo760 Turbo上。由于車(chē)輪的驅動(dòng)打滑與制動(dòng)抱死講的是同一類(lèi)問(wèn)題，所以在A(yíng)BS的基礎上，增加了驅動(dòng)防滑系統ASR來(lái)檢測采集驅動(dòng)輪的轉速，將兩者集成為一體，發(fā)展成為ABS/ASR系統。1980年12月Bosch公司第一次將ABS/ASR技術(shù)結合應用在Mercedes S級轎車(chē)上。隨著(zhù)智能控制技術(shù)的發(fā)展，國外已經(jīng)由ABS控制系統發(fā)展到TCS(牽引力控制系統)，在此基礎上發(fā)展到VDC(汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制系統)。VDC系統是把汽車(chē)總成的控制系統(制動(dòng)系統、驅動(dòng)系統、懸架系統、轉向系統、發(fā)動(dòng)機等)集成在一起，大大提高了汽車(chē)控制系統的集成度和行駛安全性。九十年代中期出現的ESP(Electronic StabilityProgram)系統，是提高汽車(chē)主動(dòng)安全性的又一重大飛躍。ESP主要是在輪胎與地面處于附著(zhù)極限工況下，對汽車(chē)的行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，如果汽車(chē)行駛軌道和駕駛員所期望的軌道不一致時(shí)，ESP系統會(huì )對制動(dòng)壓力進(jìn)行調節，或者通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機輸出轉矩，實(shí)時(shí)的對車(chē)輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行調節，使汽車(chē)的實(shí)際行駛狀態(tài)更接近駕駛員的駕駛意圖，大大提高了汽車(chē)的行駛穩定性。

　　由于傳統制動(dòng)系統主要由制動(dòng)踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動(dòng)鼓(或制動(dòng)盤(pán))及管路等構成。制動(dòng)系統使用氣體或液體作為力的傳遞介質(zhì)以液壓能的形式施加在各車(chē)輪上，對車(chē)輛進(jìn)行直接制動(dòng)。對于長(cháng)軸距控制車(chē)輛，由于制動(dòng)管路較長(cháng)、響應速度慢、易產(chǎn)生滯后現象、安全性降低，并且踏板感覺(jué)差、裝配維護難度大、成本也較高。

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子科技和汽車(chē)控制技術(shù)的發(fā)展，出現了高效節能的線(xiàn)控技術(shù)，線(xiàn)控技術(shù)(x-by-wire)首先應用于航空航天領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)發(fā)展成熟后將這種控制方式引入到汽車(chē)駕駛上，線(xiàn)控技術(shù)利用將傳感器獲知駕駛員踩制動(dòng)，換擋，打轉向盤(pán)等駕駛意圖，轉化為電信號輸入電子控制單元，電子控制單元再發(fā)送指令給相應的執行機構完成相關(guān)操作。線(xiàn)控技術(shù)中(by-wire)可理解為電控方式，這里的“x”類(lèi)似于方程式中的變量，代表著(zhù)傳統上汽車(chē)中由機械或液壓控制的各個(gè)控制單元，例如線(xiàn)控轉向(steer-by-wire)、線(xiàn)控制動(dòng)(brake -by-wire)系統、線(xiàn)控懸架(suspension-by-wire)系統、線(xiàn)控油門(mén)(throttle-by-wire)系統[9]，結合線(xiàn)控技術(shù)和汽車(chē)制動(dòng)系統而形成的線(xiàn)控制動(dòng)系統，將傳統液壓或氣壓制動(dòng)執行元件改為了電驅動(dòng)元件，提高了可控性和響應速度，同時(shí)易實(shí)現底盤(pán)集成控制。寶馬汽車(chē)公司在2000年巴黎車(chē)展上參展的概念車(chē)BMW Z22應用了steer-by-wire技術(shù)，并將在2005年以后正式付諸批量生產(chǎn)。在歐洲Daimler-Chrysler，Ford和Volvo等汽車(chē)公司聯(lián)合發(fā)起了“Brite-EuRam‘x-by-wire’”計劃，進(jìn)行線(xiàn)控驅動(dòng)系統的實(shí)現以及安全性和可靠性方面的研究。在第屆日內瓦國際汽車(chē)展覽會(huì )上，意大利Bertone汽車(chē)設計及開(kāi)發(fā)公司展示了新型概念車(chē)“FILO”。“FILO”采用了“Drive-By-Wire”系統[11]。隨后國外開(kāi)始將高效、節能、環(huán)保的線(xiàn)控技術(shù)與車(chē)輛制動(dòng)系統相結合，由此線(xiàn)控制動(dòng)系統(brake-by-wire)應運而生，成為各大汽車(chē)研究機構的研究熱點(diǎn)。

　　1.1.2搭建EHB實(shí)驗臺的意義

　　在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的初期，將新產(chǎn)品裝配到量產(chǎn)的實(shí)車(chē)上后進(jìn)行檢測和系統調試，如果實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現缺陷，要重新測試并對其進(jìn)行改進(jìn)，這樣做不但成本較高并且安裝拆卸困難，為此搭建實(shí)驗臺有著(zhù)較大優(yōu)勢。本文中的實(shí)驗臺是一種集合系統性能評價(jià)和開(kāi)發(fā)調試檢測綜合功能于一體的車(chē)輛電子系統開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的重要工具，大大促進(jìn)了車(chē)輛電子系統的研究和開(kāi)發(fā)，并加快了系統控制邏輯和執行機構的設計開(kāi)發(fā)。

　　本課題中要搭建的EHB實(shí)驗臺，目的是要對目標輪缸壓力進(jìn)行跟隨控制，對于不同形式的目標壓力輸入，應用PID控制算法進(jìn)行控制，使實(shí)際輪缸壓力響應快速穩定。如果對輸入目標輪缸壓力跟隨情況良好，就可以更好的實(shí)現下一步各種制動(dòng)功能如ABS(制動(dòng)防抱死系統)功能，EBD(電子制動(dòng)力分配)功能;ESP(電子穩定性控制)功能;TCS(牽引力控制系統)功能等，通過(guò)EHB實(shí)驗平臺的實(shí)驗，可對制動(dòng)系統的各項性能進(jìn)行檢驗，有效地改進(jìn)EHB系統的性能及可靠性，并為實(shí)車(chē)實(shí)驗做好準備，在汽車(chē)制動(dòng)系統開(kāi)發(fā)上有著(zhù)不可替代的作用和意義。

　　1.2 EHB系統簡(jiǎn)介及性能特點(diǎn)

　　1.2.1 EHB系統簡(jiǎn)介

　　EHB(Electronic Hydraulic Brake System)系統是線(xiàn)控制動(dòng)兩類(lèi)系統中的一種。由于傳統制動(dòng)系統主要由制動(dòng)踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動(dòng)鼓(或制動(dòng)盤(pán))及管路等構成。制動(dòng)系統對車(chē)輛進(jìn)行直接制動(dòng)。制動(dòng)管路較長(cháng)、響應速度慢、易產(chǎn)生滯后現象、安全性降低。

　　EHB系統除去了巨大的真空助力器，以及一些液壓管路等傳統制動(dòng)系統的部分機械元件并用一些電子元件替代，該系統用一個(gè)電子式制動(dòng)踏板替代了傳統的液壓制動(dòng)踏板，電子踏板單元識別出駕駛人員踩踏制動(dòng)踏板的制動(dòng)意圖，通過(guò)數據采集系統將傳感器采集的車(chē)輛狀態(tài)信號傳遞給電子控制單元，同時(shí)電子控制單元根據不同的駕駛工況決策出車(chē)輪的最佳制動(dòng)壓力。這一系統縮短了制動(dòng)反應時(shí)間，減小了系統響應時(shí)間，同時(shí)也避免了因液壓機械制動(dòng)系統反作用力引起震動(dòng)而使駕駛員不自覺(jué)地減小制動(dòng)力帶來(lái)的危險[13]。線(xiàn)控制動(dòng)兩種系統中的EMB(Electronic Mechanical Brake System)系統是一種電子機械制動(dòng)系統，它用線(xiàn)控制動(dòng)系統代替了整個(gè)液壓系統，并用踏板力模擬單元替代了傳統液壓制動(dòng)系統中真空助力器和機械式傳力機構。EMB系統根據數采系統采集的車(chē)輛狀態(tài)信號，經(jīng)過(guò)電子控制單元的分析和處理，向車(chē)輪制動(dòng)模塊的電機發(fā)出信號，進(jìn)而產(chǎn)生所需的制動(dòng)力，達到制動(dòng)的目的。但是EMB沒(méi)有備用系統，其可靠性需要得到很好的實(shí)踐驗證，此外執行器的散熱，耐高溫，抗干擾等方面的條件要求嚴格，因此距EMB技術(shù)成熟期還有很長(cháng)的路要走。

　　1.2.2 EHB系統的性能特點(diǎn)

　　(1)傳統的制動(dòng)系統，駕駛員通過(guò)踏板，制動(dòng)主缸，真空助力器等將踏板力傳遞產(chǎn)生制動(dòng)壓力，制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)間較長(cháng)。而對于EHB系統，電機泵和蓄能器充當系統的壓力源，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的調節控制制動(dòng)液進(jìn)入制動(dòng)輪缸，制動(dòng)過(guò)程平順柔和，制動(dòng)壓力上升梯度大。輪缸制動(dòng)壓力通過(guò)輪缸壓力傳感器的實(shí)時(shí)監測，將信號傳遞給電子控制單元，可對輪缸壓力精確調節，此過(guò)程中還可以消除制動(dòng)噪聲，縮短制動(dòng)時(shí)間。

　　(2)傳統的制動(dòng)系統，制動(dòng)主缸通過(guò)活塞運動(dòng)，將等量的制動(dòng)液傳遞給各個(gè)制動(dòng)輪缸，只能在一定程度上實(shí)現前后制動(dòng)力的分配，不能很好地對各個(gè)制動(dòng)輪單獨控制，難以充分利用地面制動(dòng)力，而EHB系統是通過(guò)閉環(huán)反饋的控制方式，對每個(gè)制動(dòng)輪缸的壓力進(jìn)行單獨控制，它將傳感器所采集到的各種信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元通過(guò)分析判斷決策出各制動(dòng)器所需最佳制動(dòng)力，達到良好制動(dòng)效果。

　　(3)傳統的制動(dòng)系統，制動(dòng)踏板與制動(dòng)輪缸之間是通過(guò)一些機械裝置直接相連接的，若長(cháng)時(shí)間制動(dòng)，系統的機械特性會(huì )發(fā)生變化，會(huì )影響制動(dòng)性能。而EHB控制系統，可通過(guò)對電子控制單元加入相應的控制算法對制動(dòng)踏板部件機械特性的變化進(jìn)行補償，彌補傳統機械特性對系統影響的不足，使踏板行程和制動(dòng)壓力等級保持一致。EHB系統通過(guò)傳感器采集的踏板的運動(dòng)速度和踏板的行程，將信號傳遞給ECU，ECU通過(guò)對駕駛員意圖的識別，判斷不同的制動(dòng)行為，計算并提供最佳的壓力變化特性。由于踏板力獨立于制動(dòng)輪缸，制造商可以根據車(chē)型的不同，駕駛者年齡段、性別以及駕駛習慣的不同進(jìn)行統計，通過(guò)調整可靠的控制算法和對踏板模擬器進(jìn)行主動(dòng)控制，給駕駛者提供最合適的踏板感覺(jué)。

　　(4)此外由于EHB系統在結構上取消了傳統制動(dòng)系統中的部分管路系統及液壓閥，真空助力器等元件。使系統更加緊湊，節省了車(chē)內制動(dòng)系統的布置空間;制造、裝配簡(jiǎn)單快捷;由于模塊化程度高，提高了車(chē)輛設計過(guò)程中的靈活性;同時(shí)改善了發(fā)動(dòng)機性能，提高了汽車(chē)燃油經(jīng)濟性。

　　1.3 EHB系統的研究現狀和發(fā)展方向

　　從1993年開(kāi)始到2000年是EHB技術(shù)發(fā)展初期。這個(gè)時(shí)期各大汽車(chē)公司都針對EHB系統進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)，主要裝配在試驗車(chē)型上。1993年FORD公司、通用公司開(kāi)始采用EHB制動(dòng)系統，在此期間最具有代表性的屬Bosch公司推出的“Brake 2000”項目。1999年法蘭克福車(chē)展上，Bosch公司展出了新的EHB系統。由于其結構上嶄新的設計思路，使汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中不僅縮短了制動(dòng)距離而且保證了車(chē)輛穩定性，該系統剛一問(wèn)世便得到了市場(chǎng)的認可，立刻成為各大汽車(chē)研發(fā)部門(mén)爭相學(xué)習的對象。

　　從2000年前后到2007年左右，EHB技術(shù)走向成熟，并過(guò)度到商用階段，許多公司將其進(jìn)行了產(chǎn)品化，Bosch(博世)和Daimler-Chrysler公司在量產(chǎn)奔馳第七代e級轎車(chē)SL500上的裝配;1997年日本的豐田(TOYOTA)公司推出世界上第一款量產(chǎn)化的混合動(dòng)力車(chē)Prius，并發(fā)布混合動(dòng)力系統“THS”。2002年韓國最大的汽車(chē)配件生產(chǎn)企業(yè)Mando公司開(kāi)發(fā)出了新一代HCU，并為各大公司提供此產(chǎn)品。同年在法蘭克福車(chē)展上，美國通用汽車(chē)公司展示了Hy-Drive燃料電池概念車(chē)，該車(chē)應用由瑞典SKF公司開(kāi)發(fā)的X-Drive電子線(xiàn)控操縱系統。還有就是Continental Teves(大陸)公司的MK系列產(chǎn)品。在此階段比較有代表性有以下幾個(gè)公司的技術(shù)

　　Bosch公司在2001年的法蘭克福車(chē)展上，展出了感應制動(dòng)控制系統SBC(Sensotronic Brake Control)。2005年Bosch公司與戴姆勒-克萊斯勒公司共同合作，開(kāi)始批量生產(chǎn)ABS 8.0，TCS 8.0，ESP 8.0第一階段的ESP plus等EHB系統，并裝備在各式中高檔車(chē)型上，使“ESP premium”達到實(shí)用水平。到2009年，Bosch公司已經(jīng)推出了ESP 9.0版本。