（机械电子工程专业论文）客车气压制动系统欠压补偿控制技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 客车气压制动系统是客车行驶安全性的关键部件，系统因气体的微泄漏( 如 接头不紧密或管路微孔) 将导致气压不足，出现系统欠压现象，这将严重影响客 车行驶过程的制动稳定性，并使客车存在安全隐患。论文针对因微泄漏造成的欠 压状态，系统深入地研究客车气压制动系统的欠压补偿制动控制问题，以实现提 高客车在欠压状态下行驶安全性能的目的。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 针对客车气压制动系统的结构特点和故障特征，提出客车气压制动系 统欠压制动的概念，采用理论计算与试验相结合的方法，定量分析客车气压制动 系统欠压制动所带来的客车行驶安全问题。 ( 2 ) 在对客车气压制动系统制动管路及主要部件进行分析的基础上，建立 因泄漏造成的欠压状态下客车气压制动系统制动压力特性模型，研究客车气压制 动系统的泄漏对制动压力特性的影响，重点分析对最终稳定的制动压力及延迟特 性的影响。 ( 3 ) 基于对欠压状态下客车气压制动系统的制动特性与稳定性控制问题的 分析，建立客车气压制动系统欠压制动控制的7 自由度动力学模型，并对所建模 型进行验证，利用所建模型对欠压状态下客车气压制动系统的制动特性进行仿真 分析。 ( 4 ) 基于客车气压制动系统欠压制动控制的车辆动力学模型，利用差动制 动与滑模控制的方法，提出客车气压制动系统欠压补偿控制的控制策略，设计客 车气压制动系统欠压补偿控制器，实现欠压状态下的客车气压制动系统制动控 制。 ( 5 ) 利用c a n 总线控制技术，设计客车气压制动系统欠压补偿控制网络， 搭建客车气压制动系统欠压补偿控制网络的试验平台，并对其进行网络性能测 试。 论文以某客车为对象，采用m a t l a b s i m u l i n k 对客车气压制动系统欠压补 偿控制的控制效果进行仿真分析；结果显示，本文所研究的客车气压制动系统欠 压补偿控制方法对处于欠压状态下的客车气压制动系统制动稳定性控制具有较 好的控制效果。 关键词：客车，气压制动系统，欠压制动，欠压补偿控制，控制网络 武堡理三大学博士学位论文 - - r _ 二= 二_ 二二一 a b s t r a c t a i rb r a k es y s t e mo ft h eb u s i so n eo fi t sc r i t i c a lc o m p o n e n t sa b o u td r i v i n 2 s a f e t y ，u n d e r p r e s s u r es t a t ed u et om i c r o - l e a k a g es u c ha st h el o o s e j o i n t so rm i c r o p o r e o f p i p e l i n e w i l l s e r i o u s l y a f f e c tt h eb r a k i n g s t a b i l i t yo ft h eb u sd r i v i n gp r o c e s s ， a n ds e c u r i t yr i s k se x i s t s t h e s i s f o c u s e so nu n d e r p r e s s u r e s t a t ec a u s e db y t h em i c r o l e a k a g e ，a i rb r a k es y s t e mo fb u sa n di t sb r a k ec o n t r o lp r o b l e ma r es t u d i e d d e e p l y ，t oi m p r o v et h eb u ss a f e t yp e r f o r m a n c ei nu n d e r p r e s s u r es t a t e t h em a i n r e s e a r c hw o r ka r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) a i m e da tt h ef a i l u r ef e a t u r e sa n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb u sa i r b r a k es y s t e m ，t h ec o n c e p to fu n d e r p r e s s u r eb r a k eo fb u sa i rb r a k es y s t e mi s p u t f o r w a r d ，u s i n gt h em e t h o do ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s t h e b u sd r i v i n gs a f e t yi s s u e sb r o u g h tb yb u sa i rb r a k es y s t e mi nu n d e r p r e s s u r es l a t e i s a n a l y z e d ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fb r a k ep i p e l i n ea n dm a i nc o m p o n e n t so fb u sa i r b r a k e s y s t e m ，b r a k ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cm o d e lo fb u sa i rb r a k e s y s t e mi n u n d e r p r e s s u r es l a t ed u et ol e a k a g ei s b u i l t , i m p a c to fl e a k a g et ob r a k ep r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c so fb u sa i rb r a k es y s t e mi s s t u d i e d ，f o c u s i n go nt h ea n a l y s i so ff i n a l s t a b l eb r a k ep r e s s u r ea n dd e l a yc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yc o n t r o lf o r b u sa l rb r a k e s y s t e mi nu n d e r p r e s s u r es l a t e ，t h e7 - d o fd y n a m i cm o d e lo f u n d e r p r e s s u r eb r a k ec o n t r o lf o rb u sa i rb r a k es y s t e mi sb u i l ta n dv a l i d a t e d s i m u l a t i o n a n da n a l y s i sa r ec a r r y i e do u tf o rb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb u sa i rb r a k es y s t e m i nt h e u n d e r p r e s s u r es l a t eu s i n gt h em o d e l ( 4 ) 4b a s e do nt h eu n d e r p r e s s u r eb r a k ec o n t r o lm o d e lo fb u sa i rb r a k es y s t e m u s i n gd i f f e r e n t i a lb r a k ea n d s l i d i n gm o d ec o n t r o lm e t h o d ，t h eu n d e r p r e s s u r e c o m p e n s a t i o nc o n t r o l s t r a t e g y o fb u sa i rb r a k e s y s t e m i s p u tf o r w a r d ，t h e u n d e r p r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e ro fb u sa i rb r a k es y s t e mi sd e s i g n e dt oa c h i e v e t h eb r a k ec o n t r o li nt h et m d e r p r e s s u r es l a t e ( 5 ) u s i n gt h ec a nb u sc o n t r o lt e c h n o l o g y ，u n d e r p r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l n e t w o r ko fb u sa i rb r a k es y s t e mi s d e s i g n e da n di t st e s tb e n c hi sb u i l t ，a n dn e m o r k p e r f o r m a n c et e s ti sc a r r i e do u t n 武汉理工人学博十学位论文 t a r g e t i n gat y p eo fb u s ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt os i m u l a t ea n da n a l y z et h e e f f e c to ft m d e r p r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o lo fb u sa i rb r a k es y s t e m ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eu n d e r p r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o lm e t h o di nt h i ss t u d yi se f f e c t i v e f o rb r a k i n gs t a b i l i t yc o n t r o lo fb u sa i rb r a k es y s t e mi nu n d e r p r e s s u r es t a t e k e y w o r d ：b u s ，a i rb r a k e s y s t e m ，u n d e r p r e s s u r eb r a k e ，u n d e r p r e s s u r e c o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，c o n t r o ln e t w o r k 1 1 1 武汉理工大学博士学位论文 论文中主要符号说明 符号含义单位 c i 、c pc i e a k 控制阀、气室入口、泄漏处的声速流导 m 3 ( s p a ) 6 i 、b 2 、b l e a k 控制阀、气室入口、泄漏处的临界压力比 q i 、q 2 q e 碱 控制阀、气室入口、泄漏处的质量流量 k g 占 昂墨瓦 控制阀、气室入口、气室内的温度k 瓦 标况下大气温度k p rp 2 、p c 控制阀、气室入口、气室内的压力 p q 圪、k 制动管路与制动气室的容积 朋3 y 气体等熵指数，对空气7 = 1 4 r气体常数，对空气r = 2 8 7 n m ( k g k ) c 其他流速 ，拧s p o 标况下空气密度 k g m 3 p m r 制动气室的目标制动压力 p n 如他 纵向横向速度 ，竹s 口 客车横摆角 r a d 矽 客车横摆角速度 r a d s f o f y 汽车的纵向力横向力 n f x v f 铲v f ：t 第i 个轮胎的纵向力横向力垂向力 n 6前轮转向角r a d 乙， 各车轮所受的制动力矩 n 。m 必横摆力矩 n m 够 各车轮轮速 r a d s v i 武汉理工大学博士学位论文 g重力加速度k g 耐s 2 仅轮胎的侧偏角r a d a轮胎的滑移率 r各车轮的有效半径m 三轴距m 丁轮距 m r 前后车轴到重心的距离 m 谚 各轮胎的行驶角 r a d k b制动器的制动效能因数 n m k p a p c l 各制动气室的制动压力 p d 坍整车质量 培 e 如 期望横摆角速度 r a d s m y 期望横摆力矩 n m 8 垴s 期望质心侧偏角 r a d 质心侧偏角 r a d c o c c 时 轮胎前轮后轮侧偏刚度 n r a d j t各个车轮的转动惯量 堍m 2 摩擦系数 i z 客车绕z 轴的转动惯量 k g m 2 v n 武汉理- 丁大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和研究对象 1 1 1 论文的研究背景 汽车制动稳定性是汽车工程研究领域的一个重要部分，其研究是针对汽车 在各种复杂的行驶工况下，对汽车的行驶姿态和轨迹进行控制，从而保证汽车 的安全。由于气压制动系统存在泄漏而引起制动压力不足的情况下对客车进行 制动，是制动稳定性控制的一种特殊工况。 在汽车交通事故中，除去人的因素，很大比例是由于汽车制动性能不佳引 起的。据美国联邦公路运输安全管理局与美国高速公路安全管理局2 0 0 7 年的统 计，除去违章驾驶等人为的因素之外，约有2 9 的公路安全事故是由于车辆的 制动失效或制动不良所引起的1 2 - 3 1 。在国内，根据2 0 0 3 年中华人民共和国道路交 通事故统计年报f 4 j ，由于车辆本身故障引起的事故中，因制动失效与或制动不良 所引起的占总数的6 6 ，占总死亡人数的7 4 。 汽车制动系统对道路交通安全影响重大，一直以来，国内外的各汽车制造 企业以及研究部门，针对汽车制动系统进行的研究和改良从未间断过。从上世 纪7 0 年代将a b s 系统应用在汽车上开始，到a s r ( 驱动防滑系统) 、t c s ( 牵 引力控制系统) 等各种控制系统相继产生并应用到汽车制动系统中，以及如今 的e s p e s c 等主动安全控制系统的诞生和应用，都是针对提高汽车制动性能以 及行驶过程中的制动稳定性而出现的。 引起汽车制动系统故障的因素很多，仅仅从制动系统的控制方法去提高制 动系统性能及车辆的操纵稳定性，会遭遇瓶颈与限制。因此，针对制动系统故 障的根源，分析其原因，在此基础上开发相应的制动控制系统，是有效提高制 动性能及制动稳定性的途径之一。 气压制动系统存在泄漏而引起制动压力不足是汽车制动不良的主要原因之 一。汽车制动系统制动压力的不足，会导致制动距离增大、制动时间延长、跑 偏、甩尾现象以及转弯时的主动安全控制效果不理想等情况，极易造成交通安 全事故的发生。针对由于泄漏造成制动压力不足的车辆故障，在其泄漏量不大 的情况下，可以通过有效的压力补偿控制方法，对制动压力调节阀进行压力输 武汉理工大学博士学位论文 出控制，来补偿( 或部分补偿) 制动压力的输出，从而在一定程度上避免事故 的发生。 1 1 2 论文的研究对象 客车作为公共交通的主要工具，行驶安全问题是其突出的首要问题，其制 动系统大都采用气压制动系统。客车气压制动系统的故障原因主要包括：空压 机工作故障、制动气室膜片突然爆破、由于制动部件或管路及其接头处存在泄 漏而造成制动压力不足、制动踏板行程过大、制动间隙调整不当以及制动控制 系统故障等；其中，空压机故障、制动气室膜片的突然爆破等较严重的故障不 会经常发生，而且在平时对车辆的维护检查中容易被发现：制动踏板行程过大、 制动间隙调整不当等引起的故障，相对而言针对其进行的研究较多，而且在平 时车辆维护过程中会经常对其作机械结构调整【5 d 2 1 。对于制动系统的微泄漏引起 制动压力不足的故障原因，经常被忽视，且不易被察觉。 本文约定，客车气压制动系统因存在微泄漏而使得制动压力下降，但是制 动压力下降的程度未能使得出现低压报警的状态，称为欠压状态，在欠压状态 下进行制动则称为欠压制动。 客车气压制动系统处于欠压状态与正常状态下分别进行制动时，其表现的 形态势必有所区别，同样地，对欠压状态下的客车气压制动系统制动控制问题， 也将与正常状态下的制动控制问题有所不同。如前一节所述，由于泄漏造成制 动压力不足的情况，在其泄漏量不大的情况下，可以通过有效的压力补偿控制 方法，对制动压力调节阀进行压力输出控制，来补偿( 或部分补偿) 制动压力 的输出。 基于以上分析，本文针对欠压状态下客车气压制动系统的制动控制问题进 行研究，研究内容主要包括欠压状态对客车气压制动系统制动特性的影响、欠 压状态下客车气压制动系统制动控制的动力学模型、欠压状态下客车气压制动 系统的制动控制方法及其控制网络。以上研究内容的国内外研究现状，主要涉 及气压制动系统、制动管路与关键部件、制动稳定性控制以及车载控制网络技 术几个方面。 1 2 论文主要研究内容的国内外研究现状 本文主要以欠压状态下的客车气压制动系统为对象，从客车行驶安全角度 2 武汉理工大学博士学位论文 出发，针对客车气压制动系统的制动控制问题进行研究，因此，与本文相关的 国内外研究工作主要涉及气压制动系统、制动系统管路与关键部件、制动稳定 性控制、车载控制网络等几个方面。 1 2 1 气压制动系统的国内外研究现状 汽车传统的制动系统结构型式主要有机械式、气压式、液压式、气液混合 式，目前的客车、卡车等重型车辆上，一般均采用气压制动系统【1 4 16 1 。针对客 车、卡车等重型车辆的气压制动系统，国内外有许多机构和学者对其进行了研 究。如r i c h a r dwr a d l i n s k i l l 7 q s 对载重车制动性能进行了研究；谢伟东掣1 9 】根据 制动性能评价指标，采用统计学的方法对制动系统的制动性能进行了研究；李 传斌等【2 0 2 1 】基于模糊综合评判对汽车制动性能的评价进行了研究，吴晓东等【2 2 之3 】 对制动系统的制动性能的检测技术进行了研究，赖峰【2 3 】以轻型货车为研究对象， 通过理论分析和试验对气压制动系统在轻型货车的应用进行了研究，提出了两 种轻型载货车采用气压动力制动系统的匹配方法，探讨了影响轻型载货车气压 制动稳定性的因素，提出了合理的改进措施，解决了型载货车气压制动稳定性 问题。孙益引2 4 】详细分析了汽车的制动性能及影响制动性能稳定性的因素，对 轴间制动力分配问题进行了探讨：s j s h a t t e r 等【2 7 - 2 8 】对商用车制动系统进行了试 验研究，提出了基于试验的商用车制动性能监测方法，s s u b r a m a n i a n 等 2 9 - 3 0 】对 装有鼓式制动器的商用车气压管路的泄漏问题进行了初步研究和讨论，建立了 泄漏检测系统及其模型。 总的来说，对于气压制动系统的研究主要包括：围绕制动系统结构改进展 开研究、围绕制动参数优化展开讨论，通过大量试验对汽车制动过程的运行响 应展开分析，对制动性能评价指标展开研究，如制动效能、制动效能热恒定性 以及制动时汽车的方向稳定性等方面的研究，等。 1 2 2 制动系统管路与关键部件的国内外研究现状 1 制动管路 制动管路是客车气压制动系统制动力传递的通道，制动管路内的气体流动 特性直接影响汽车的制动特性。y u l i a 纠3 2 1 将一段管路等价为具有某一有效截面 积的小孔，给出了适用于定常流状态的近似流量表示中的声速流导和临界压力 比的估算方法；m o h a m m a d 等【3 3 j 研究了针对天然气输送管道的非等温传递模型 武汉理t 大学博士学位论文 和仿真：谢安恒等【3 4 l 以某高压气体灭火系统为例，开展了高压气体系统管道流 动状态的研究，分析减压孔板的流场情况和管道的气流压力损失，建立减压孔 板及管道的高压气体流动的数学模型，并提出一种高压气体系统管道压力的数 值求解算法；李志辉等【3 5 舶l 从求解b o l t z m a n n 模型方程的气体运动论数值计算方 法特点出发，针对一维非定常激波管内流动问题，设计了几种求解离散速度分 布函数不同精度的差分显式与隐式气体运动论数值格式：杨慧钢1 4 0 1 对商用车整 车制动系统的管路进行了分析，对不同材料的制动管路进行了试验，在试验的 基础上分析了制动管路对整车制动系统的影响因素，通过对整车试验结果的分 析研究，找出了因制动管路的原因对整车制动的影响；并采取措施解决了整车 制动的某些问题；介绍了一种评价制动系性能的新方法，并用该方法分析了制 动压力的变化对a b s 工作效果的影响以及制动管路口径的变化对压力传递特性 的影响：马少民等【4 1 】分析了客车气压制动系统制动管路结冰的原理和防范措施； 王仁亮等【4 2 】对大客车制动管路的布置做了较简单的分析和制动系统元件的匹配 选型；邓红星掣4 3 - 4 6 1 对汽车制动管路的压力波动效应进行了建模和仿真。 总的来说，直接针对汽车制动系统制动管路的研究多集中在对液压制动系 统的研究上，对于气压相关的管路流体特性研究主要是针对天然气管道进行的， 而直接针对气压制动系统中的制动管路研究，则主要集中在对制动管路的材料 以及回路布置方面。 2 关键部件 客车气压制动系统中的关键部件包括制动器、制动气室以及各种阀类部件， 对各关键部件的研究，对提高客车气压制动系统的性能有着不可忽视的作用。 因此，国内外学者针对客车气压制动系统中的制动气室、控制阀以及制动器等 各关键部件展开了细致深入的研究工作。 针对制动气室的研究，主要集中在制动气室的结构设计、工作过程建模、 气室压力动态响应问题等方面。马恩【4 7 】对一种双膜片弹簧制动气室的结构进行 了有限元分析，对制动气室的设计提供了参考与依据；从制动气室的结构分析 出发，对制动气室内部的有效承压面积进行了探讨；叶挺【4 8 j 针对汽车弹簧制动 气室的漏气问题进行了探析，指出9 0 以上的制动气室失效原因是泄漏造成的： 刘江峰等【4 9 j 针对制动气室的泄漏问题，设计了一种用于检测气室是否泄漏的试 验台；毛春静等1 5 3 1 针对制动气室工作过程中的充气与排气过程进行了建模与 仿真，对气室压力的动态响应特性进行了分析。 4 武汉理：r 大学博士学位论文 制动系统中的阀类部件主要有制动阀、继动阀与控制阀等几种，阀类部件 的功能是对气压制动回路的通断进行切换、回路内气体流量大小的调节等，因 此针对阀类部件的研究，主要集中在其工作时的动态响应特性或时延问题的研 究以及阀体流量特性的测量、仿真与分析方面。问司等【5 4 巧5 】对调压阀的流量特 性分析与测量进行了研究；武文佳等【5 6 5 9 】对继动阀的设计、应用以及常见故障 的分析与排除进行了探讨；梁梅生等脚卅】对制动阀的静态特性进行了分析和研 究；陈勇等f 6 5 射】对制动阀的动态特性进行了试验和仿真研究。 针对制动器的研究，主要集中在制动器结构的设计与优化、制动器制动力 矩、制动器热机耦合问题的研究、制动时摩擦与振动问题的研究、制动器制动 性能的研究等几个方面。如d u a nz h e n g y o n g 等1 6 8 j 针对气压鼓式制动器制动发热 后的冷却问题进行分析和建模，并对其结构进行了优化设计；张京明等1 6 9 j 基于 鼓式制动器促动变形特性的试验，对制动器、调整臂与摩擦片等进行了匹配设 计；李福庆等【7 0 】通过对盘式制动器的结构建模和性能分析，研究了制动器的结 构设计问题：s u nl i 等【7 卜7 4 1 对盘式制动器与鼓式制动器的制动摩擦、振动以及制 动时产生的尖叫噪音问题进行了分析和研究：张立军等【7 5 。7 9 l 对制动器制动时加 速度、摩擦特性与磨损之间的关系及影响进行了分析和探讨；刘筠等1 8 0 罐3 】对制 动器在各种行驶工况下的制动动态特性进行了试验、仿真与分析。 总的来说，国内外针对气压制动系统中各关键部件进行了很多的研究工作， 相比之下，国外的研究机构和学者对液压制动的研究相对较多，而针对气压制 动系统的研究而言，国内对其进行研究的机构和学者相对较多。 1 2 3 制动稳定性控制的国内外研究现状 一般地，汽车制动系统的制动稳定性控制是指通过对车辆各车轮制动力矩 的控制，来实现对车辆行驶姿态与行驶轨迹的控制。针对直行状态下的制动控 制，或者说针对车辆的纵向运动状态的控制，目前主要是针对a b s 控制系统进 行研究的；而针对转弯状态下的制动控制，或者说针对车辆的横向运动状态的 控制，目前国内外众多研究学者提出了许多的控制策略和控制方法，经过总结 和分析，各种控制策略或控制方法的基础大都是差动制动。差动制动是目前在 车辆主动安全技术领域应用最广泛也是最为成功的控制方法之一，其控制是通 过给车辆各个车轮施加不同的制动压力来产生一个与不期望的横向运动相反的 横摆力矩，从而纠正或部分纠正不期望的运动趋势。 武汉理工大学博士学位论文 国内外针对制动稳定性控制的研究，主要集中在车辆动力学建模与控制算 法的开发两个方面。 在车辆动力学建模方面，目前存在多种动力学模型，主要有整车模型、1 2 车辆模型、1 4 车辆模型、2 自由度模型及各类复杂的多自由度模型。1 9 3 0 年 b e c k e r 等人开始研究轮胎特性开始，车辆稳定性研究开始发展起来，上世纪6 0 至8 0 年代，随着计算机技术的兴起与发展，国内外研究学者建立了许多复杂的 车辆模型，如d j s e g a l 建立的1 5 自由度模型、美国密西根大学建立的1 7 自由 度模型等【8 7 8 9 1 。近年来，随着多体系统动力学的诞生与发展以及a d a m s 等多 体动力学仿真软件的出现，国内外许多汽车厂家及科研院所借用多体动力学软 件对车辆动力学进行建模来研究车辆的各种复杂特性，然而多体模型包含部件 较多，有些参数难以测量，求解时运行速度较。l 曼t g o l 。作为车辆动力学模型的组 成部分，目前的轮胎模型应用最为广泛且被多数人认同的仍然是魔术公式模型 及在其基础上加以变化的轮胎模型1 9 1 】。 在制动稳定性控制的控制方法方面，目前全球主要有德国博世、德国大陆、 美国德尔福、美国天合、日本电装、日本爱信精工等六大汽车零部件厂商生产 稳定性控制系统。但是国内外针对稳定性控制问题的研究，特别是针对控制算 法的研究者却非常多。b o s c h 公司的v a nz a n t e n 等在1 9 9 5 年详细描述了e s p 的软硬 件结构，特别是控制策略和算法，为大家研究差动制动及制动稳定性控制技术 提供了范本。对横摆角速度及横向加速度来作为控制参数，以横摆力矩作为制 动力输出的目标，是目前对制动稳定性控制方法的主流。吴晓东等【9 2 】分析了差 动制动的力学特性，并通过a d a m s c a r 建立整车仿真模型，对不同制动初速度 下的直线制动及转弯制动进行了仿真，分析了差动制动对制动稳定性的影响。 金智林等【9 3 l 提出了基于模糊差动制动控制的防侧翻控制策略。研究中考虑轮胎 非线性因素的影响，建立了自由度非线性汽车侧翻模型，并通过横向载荷转移 率负反馈设计了参数自整定的模糊控制器，以驱动电控机械制动系统产生抗横 摆力矩防止汽车侧翻。d aw e i p i 等l 刚7 j 提出了几种基于差动制动的控制策略用以 提高汽车行驶稳定性。 总的来说，国内外针对制动控制问题的研究主要集中在建模与控制算法开发 两个方面，对于各种不同的车辆动力学模型，其核心是基本一致的，不同之处 在于针对各自的控制对象和控制方法，对某一部分的建模考虑得更完善；而目 前针对制动系统进行的各种不同的控制算法中，差动制动是最为有效和成熟的 实现手段。 6 武汉理工大学博士学位论文 1 2 4 车载控制网络技术的国内外研究现状 车载控制网络是实现汽车内部信息交互的渠道，其可靠性和稳定性是实现汽 车内部各e c u 之间有效连接的关键因素。目前，在车载控制网络技术方面，国 内外研究比较深入，并以总线型网络通信协议最为普遍。自上世纪8 0 年代，德 国b o s c h 公司提h j c a n 总线( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 用于解决汽车内部越来越多 的线束问题以来，各种车内总线型网络协议就接连出现，除了b o s c h 公司后来推 出的c a n2 0 a 和c a n2 0 b 协议以外，主流的集成控制网络通信协议就有s a e j 1 9 3 9 、l i n 、m o s t 等，以及可用于未来线控技术( x b y w i r e ) 的f l e x r a y 、t t c a n 和t t p c 纠略1 1o 】。b o s c h 公司于1 9 9 1 年设计了c a n 总线协议的2 o 版本，它也是目 前汽车集成控制网络最流行的通用标准，而且众多国际组织基于该协议，制定 了包括s a ej 1 9 3 9 、c a n o p e n 、c a l 等在内的多达4 0 余种协议。m i c h i e lv a i l 等卜1 1 2 1 分析了c a n 的数据链路层，研究了其故障限制机制。另外，国内外众多研究学 者对各种网络通信协议进行了应用研究，如文献1 1 1 3 1 分析t b y t e f l i g h t 和f l e x r a y 的主要性能和时间触发框架；文献【1 1 4 】提出了采用媒体利用状态跟踪( m u s t ， m e d i u mu t i l i z a t i o ns t a t et r a c k i n g ) 方法对c a n 协议进行修改和应用研究。文献 1 1 1 5 - 1 1 7 】介绍了线控技术在汽车电子中的应用，详细说明了f l e x r a y 通信协议。文 献【1 1 8 - 1 1 9 】介绍了s a ej 1 9 3 9 在重型卡车纵向控制中的应用；浙江大学的孟晓楠和 过锡隽等利用s a ej 1 9 3 9 开发出s m a r tj 1 9 3 9 控制系统，实现了对载重车的网络化 实时控制和故障诊断功能，武汉理工大学的李刚炎教授等利用c a n 和s a ej 1 9 3 9 对车载网络进行了多年的研究，所开发的客车车载网络相关的部分产品已投入 使用1 5 一。 总的来说，国内外针对车载控制网络的研究主要集中在各种网络通信协议 的制定及应用两个方面。对于车内网络协议，特别是c a n 、l i n 、s a ej 1 9 3 9 等 协议，国内起步也比较早，对其应用较为广泛，但由于国内对发动机和底盘控 制技术的相对薄弱，目前的车内网络协议主要集中在车身控制网络上面，对于 实时性和可靠性有较高要求的发动机、底盘控制网络涉及较少。 1 3 论文的研究目的和意义 气压制动系统制动压力不足是汽车制动不良的主要原因之一，欠压制动会 导致制动距离增大、制动时间延长、跑偏、甩尾现象以及转弯时的主动安全控 7 武汉理工人学博士学位论文 制效果不理想等情况，极易造成交通安全事故的发生。根据客车气压制动系统 及其控制技术的研究现状和工程应用需求，对欠压状态下客车气压制动系统的 制动控制问题进行研究，具有重大意义和实施的紧迫性。 基于以上目的，本文针对因泄漏造成的欠压状态下客车气压制动系统的制 动控制问题进行研究，分析欠压状态对客车气压制动系统制动特性的影响，建 立欠压状态下客车气压制动系统制动控制的动力学模型，采用客车气压制动系 统欠压补偿控制方法对因泄漏造成欠压状态的客车进行控制，以实现提高客车 在欠压状态下行驶安全性能的目的。 本文研究的客车气压制动系统欠压补偿控制技术是客车主动安全技术的重 要组成部分，其研究具有以下意义： ( 1 ) 提出客车气压制动系统欠压制动问题及其欠压补偿控制方法； ( 2 ) 提高客车在欠压状态下行驶的安全性能； ( 3 ) 可以为客车处于其他故障下时的安全控制技术提供参考； ( 4 ) 可提升传统稳定性控制产品的功能和性能。 1 4 论文的课题支撑 本文工作得到以下项目支撑： ( 1 )国际合作项目：“汽车气压制动系统性能研究及其对气动元件要求分 析”； ( 2 ) 武汉市科技攻关项目：“基于c a n 的汽车电子信息集成控制系统开 啦9 9 及； ( 3 )中央高校基本科研业务费专项资金资助武汉理工大学自主创新研究 基金项目项目：“气动人工肌肉静动态特性建模与研究 。 1 5 论文的主要研究内容 本文针对欠压状态下客车气压制动系统的制动控制问题进行研究，研究主 要从欠压状态对客车气压制动系统制动特性的影响、欠压状态下客车气压制动 系统制动控制的动力学模型、欠压状态下客车气压制动系统的制动控制方法及 其控制网络等几个方面进行。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对客车气压制动系统组成与结构、制动过程、制动特性等的分析， 8 武汉理工大学博士学位论文 提出客车气压制动系统欠压制动的概念，针对客车气压制动系统的欠压状态， 通过试验和理论计算的方式论述客车气压制动系统欠压制动所带来的客车行驶 安全问题。 ( 2 ) 通过对气压制动系统制动过程的分析，建立正常状态下与欠压状态下 的客车气压制动系统制动压力特性模型；重点研究欠压状态下的制动压力特性， 通过试验方法研究泄漏对制动系统压力特性的影响因素和影响程度；采用 m a t l a b 语言对所建模型进行仿真，并将试验数据与仿真结果进行对比和分析。 ( 3 ) 针对欠压状态下客车气压制动系统的制动控制问题，考虑气压制动系 统欠压状态，建立客车气压制动系统气压补偿控制的7 自由度动力学模型；选 取目标车型，以t r u c k s i m 中的动力学模型为参考，在直行制动、j - t u r n 和f i s h h o o k 三种工况下对所建模型的正确性与适用性进行验证：针对客车直行制动过程中 的制动距离、车辆速度，对欠压状态下的气压制动系统的制动特性进行仿真分 析。 ( 4 ) 针对欠压状态下客车气压制动系统的制动稳定性控制问题，基于左右 轮胎的差动制动，通过期望横摆力矩对客车横向稳定性进行控制，在对期望横 摆力矩的控制中，提出欠压状态下对制动压力进行补偿的控制策略，构建其数 学模型，设计客车气压制动系统欠压补偿控制器，并针对j - t u r n 与f i s h h o o k 两 种行驶工况进行仿真分析。 ( 5 ) 针对客车气压制动系统欠压补偿控制，基于s a ej 1 9 3 9 协议，采用c a n 总线技术，搭建客车气压制动系统欠压补偿控制网络；并对所搭建的网络进行 性能试验测试。 9 武汉理工大学博士学位论文 第2 章客车气压制动系统及其制动特性与欠压制动 本章通过对客车气压制动系统组成与结构、制动过程以及制动特性的分析， 阐述客车气压制动系统故障所产生的危害，提出客车气压制动系统欠压制动的 概念，通过理论计算和试验的方式论述客车气压制动系统欠压制动所带来的客 车行驶安全问题，表征本文的研究对象。 2 1 客车气压制动系统的组成与结构 制动系统一般由行车制动系统、紧急制动系统、驻车制动系统和辅助制动 系统四大部分组成。实际上，并不是所有的车辆都具备以上四个部分，如是否 需要安装辅助制动系统，则要视车辆类型及其使用特点而定【2 1 。行车制动系统是 客车上的主要制动系统，本文中所提的制动系统专指行车制动系统，不包含驻 车制动系统与辅助制动系统。 1 空压机 2 空气干燥器 3 、4 _ 储气罐5 - 单向阀 6 - 手制动阀7 继动阀8 制动踏板9 制动力分配阀 1 0 - - 控制阀1 1 制动气室1 2 盘式制动器 图2 1 客车气压制动系统总体结构示意图 制动系统是决定车辆行驶稳定性及安全性能最为关键的部分。按制动介质 的不同，可分为液压制动系统、气压制动系统和气顶液制动系统三种：其中， 气压制动系统主要应用在客车、卡车等大型车辆上，本文的研究对象为气压制 1 0 武汉理工人学博十学位论文 动系统，其总体结构如图2 1 所示。 根据汽车气压制动系统回路布置的不同，对于一般的双轴四车轮车辆，可 分为单回路制动系统与双回路制动系统。为提高汽车制动系统的工作可靠性， 我国通过相关法规强制规定客车、卡车需布置双回路制动系统，以确保制动系 统的可靠性，即汽车气压制动系统由两条相对独立的回路构成，若其中一条回 路发生故障，另一条回路仍能起到部分制动效果，防止汽车完全丧失制动能力【9 j 。 目前，双回路制动系统管路布置形式有5 种，如图2 2 所示，而其中最为常见为 i i 式与x 式，即平行布置与交叉布置形式。对于卡车、客车等后重商用汽车一 般采用i i 式布置型式。 a ) i i 式b ) x 式c ) h l 式d ) l l 式e ) h h 式 图2 2 客车气压制动回路布置形式 随着汽车技术的发展，人们对汽车的行驶稳定性与可靠性的要求不断提高， 各种针对制动功能的控制系统被不断开发出来，如a b s 、e s p 等控制系统。制 动控制系统根据其控制通道的数目分为单通道式、双通道式、三通道式与四通 道式几种；单通道式是对前后轮按低选原则，通过一个共同的制动压力调节阀 进行相同制动压力控制：双通道式通过两个制动压力调节阀，将前轮与后轮分 开进行控制；三通道式则在双通道式的基础上增加一个制动压力调节阀，对左 右前轮进行独立控制；四通道式则通过四个独立的制动压力控制阀，对车辆四 个车轮进行独立控制。根据本文的研究对象与研究目标以及差动制动的控制方 式，本文采用四车轮独立控制的形式。 客车气压制动系统主要由空气压缩机、储气罐、制动阀( 踏板) 、控制阀、 制动气室和制动器等部分通过管路和管接头连接而成。针对四车轮独立控制的 客车气压制动系统，将其i 4 回路( 即一个车轮的制动回路) 的结构进行描述， 如图2 3 所示；其中，空气压缩机与储气罐的作用是产生和储存制动系统的工作 武汉理工人学博士学位论文 介质，即空气；制动阀( 踏板) 的作用是切断和开启制动回路；控制阀的作用 是对制动回路中气体流量和压力进行控制；制动气室与制动器是制动系统的执 行部件，作用是对车辆轮胎输出制动力矩；制动管路是制动系统中不可缺少的 部分，作用是制动能量的传递【1 1 。 图2 3 客车气压制动系统1 4 回路简化结构示意图 2 2 客车气压制动系统制动过程分析 从驾驶员发现潜在的危险状况到汽车停止，客车气压制动系统的制动过程 大体上可分为四个阶段，根据客车的行驶减速度与时间的关系表述的制动过程 如图2 _ 4 所示。 第一阶段是驾驶员的反应延迟阶段，该阶段是驾驶员的主观因素造成的， 与客车气压制动系统的优劣无关；第二阶段是制动系统本身的反应延时阶段， 即压缩气体通过制动管路及控制阀等元器件向制动气室进行充气使得制动器 推杆向前推进至刹车片即将接触车轮轮毂的阶段，这一阶段中，客车车轮并未 受到制动力的作用，客车行驶速度没有发生变化，制动系统的反应延时特性决 定于制动系统的供气压力、制动回路的压力传递特性、制动器结构和制动问隙 等众多因素；第三阶段是制动气室压力不断增大使得制动力矩和制动减速度不 断增大，直至车轮抱死，该阶段的制动时间同样取决于供气压力、制动回路的 1 2 武汉理工火学博士学位论文 压力传递特性等因素：第四阶段是通过客车的制动控制系统根据控制规则对制 动力进行控制而使得车轮边滚边滑，直至客车停止，该阶段的制动时间主要取 决于地面附着力大小、制动控制系统的控制策略及算法等因素。 ji t l ：驾驶员反应延时 t 2 ：制动系动作但未起作用 t 3 ：带u 动压力增加 昌 t 4 ：控制系统工作( 保持附着力最大) 蜊 制 蹙 一 蒋 甜 时间( s ) _-7一 一一一 t 1t 2 t 3 t 4 图2 - 4 客车气压制动系统制动过程简图 通过以上对整个制动过程的分析可以看出，影响制动效果的因素包括驾驶 员的反应延迟、客车制动时的路面状况、制动系统结构、制动系统供气压力及 制动过程中的气体压力传递特性以及客车制动控制系统的优劣等。其中，驾驶 员的反应延迟属于主观因素，路面状况属于不可改变的因素，制动系统的结构 属于结构设计与优化的问题，本文不对其加以研究：制动过程中制动压力特性， 特别是因回路中存在泄漏而造成欠压状态下的制动压力特性，以及针对该情况 的制动控制问题是本文的研究对象。 2 3 客车气压制动系统的制动特性 客车气压制动系统的制动特性是指客车在行驶过程中进行制动时，在制动 力、制动时间、制动距离以及控制客车运动状态等方面的性能。根据 g b 7 2 5 8 2 0 0 4 的描述，其评价指标主要有三项：制动效能( 即制动力、制动距 离和制动减速度三个相互关联的参数) 、制动效能的恒定性( 即抗热衰退性能 武汉理工人学博士学位论文 和抗水衰退性能) 以及制动时汽车的方向稳定性( 即制动时汽车不发生跑偏、 侧滑以及失去转向能力的性能) 1 9 l 。 2 3 1 制动效能 客车的制动效能是指客车在路面上以一定初速度和规定的踏板力开始制 动，在最短的时间内停车的一种能力，它是制动性能最基本的评价指标，一般 用制动距离、制动力、制动减速度等表示f 9 】。其中，制动力反映的是各个车轮 受到制动时的状况，而制动距离与制动减速度所反映的是制动时整车的运动状 态。 制动力可以根据制动器的性能参数、车轮的转动惯量与旋转半径等参数通 过计算得到；制动距离可以根据整车质量、各车轮制动力、路面摩擦系数以及 客车制动时的行驶速度等参数通过计算得到，当然，其结果是在不考虑