（车辆工程专业论文）汽车线控制动之硬件系统研究.pdf

摘要 发展中的汽车线控制动系统主要有两种类型，即电子液压式线控制动系统 ( e h b ) 和电子机械式线控制动系统( e m b ) 。电子液压式线控制动系统e h b 是电子系统和液压系统相结合的产物，电子系统提供柔性控制，液压系统提供制 动促动力，是从传统制动系统到电子制动系统的过渡，电子元件发生故障，液压 系统仍能继续完成整个制动过程；电子机械式线控制动系统( e m b ) 以电能作 为汽车制动的能量来源，电机直接驱动制动摩擦块，系统中取消了液压管路及制动 踏板与车轮制动器间的机械联系，若要保证制动安全，电子机械式线控制动系统 e m b 必须要有强大的容错控制功能。 汽车线控制动系统的突出特点是：能够分别为各个车轮提供最佳的制动力； 制动器起作用的时间短。反应灵敏，制动距离短，制动性能优良稳定；可方便地 实现制动防抱( a s s ) 及驱动防滑( a s r ) 等功能。由于线控制动系统具有前述诸多 优点，因此，线控制动系统被国际汽车界公认为是未来汽车制动系统的发展方向。 本文的研究重点是汽车线控制动之硬件系统，其主要内容包括以下几个部 分： i 、线控制动系统( 电子液压式线控制动系统和电子机械式线控制动系统) 的组成与结构原理； 2 、汽车线控制动系统的结构设计、系统优化与集成； 3 、深入研究汽车线控制动系统的抗干扰技术，设计一套能确保系统通信安 全的控制系统； 4 、研究一种能保证能量供给安全的能量供给系统，并对如何实现线控制动 硬件系统的高安全性、高可靠性进行深入研究； 5 、以传统气压制动系统原理为基础，对线控制动系统的制动随动作用进行 认真研究。 关键词；线控制动、电控制动器、电子液压制动、电子机械制动 a b s t r a c t t h e r ea r et w ot y p e so fb b ws y s t e m s t h e s ea r ee l e c t r i c a lh y d r a u l i cb r a k e ( e h b ) ，a n de l e c t r i c a lm e c h a n i c a lb r a k e ( e m b ) a ne h bs y s t e mc o n t a i n sah y d r a u l i c b a c k - u pf o rt h eb r a k es y s t e m ，a n di nt h ec a s eo fa l le l e c t r i c a lf a i l u r e ，t h i sh y d r a u l i c s y s t e mt a k e so v e ra n da l l o w st h eu s e rt oh a v es o m el i m i t e dc o n t r o lo ft h eb r a k i n g s y s t e m e m bh a sn oh y d r a u l i cb a c k u ps y s t e m ，a n di sr e a l i s e dt o t a l l yb ye l e c t r i ca n d e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n t s a se m bh a sn oh y d r a u l i cb a c k u pc o m p o n e n m ， s a f e t ya n df a u l tt o l e r a n c ej so fl h eu t m o s ti m p o r t a n c ei na l le m bs y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h eb r a k eb y w i r es y s t e m ，e h bi st h ef i r s ts t e p ，a n de m bi st h e t e n d e n c yo fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t w i t hb b wt h ev e h i c l ec a l la d a p tt os i t u a t i o n sa n dd e t e r m i n et h eo p t i m u mf o r c e t oa p p l yt oe a c hd i f f e r e n tw h e e l ，r e g a r d l e s so fu s e ri n p u t ，t or e d u c et h er i s ko fi n j u r y i nd a n g e r o u ss i t u a t i o n s b b wh a sa b sa n dt r a c t i o nc o n t r o lf u l l yi n t e g r a t e di n t oi t , a n dp e r f o r m st h e s ef u n c t i o n sm o r ee f f i c i e n t l ya n de f f e c t i v e l y b yf u l l yi n t e g r a t i n g b b ww i t hs t e e ra n dt h r o t t l eb y w i r e ，i ti sp o s s i b l et op r o d u c es a f e r , m o r ee f f i c i e n t a u t o m o b i l e s w h i c hc 柚f i n dt h eo p t i m u mw a yt or e a c tt oas i t u a t i o ni ft h eu s e ri s p u t t i n gt h e m s e l v e sa tr i s k i ti sa l s op o s s i b l et h a t ，i nt h en e a rf u t u r e ，af u l l yi n t e g r a t e d b y w i r ea u t o m o b i l ec a l lo b e ys p e e ds i g n s ，a n de v e n t u a l l yd r i v ei t s e l l t h i sp a p e re m p h a s i z e dd i s c u s s i n gt h eh a r d w a r eo ft h eb b w t h ef o l l o w i n g s e v e r a lp a r t sa r et h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r ： 1 、i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h et h e o r yk n o w l e d g eo ft h eb r a k eb y - w i r e s y s t e m ，c a r r i e so nt h ed e s i g nt ot h ee h bs y s t e ma n dt h ee m bs y s t e mo v e r a l l s t r u c t u r e ； 2 、t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es y s t e mh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea n t i j a m m i n g t e c h n o l o g y , d e s i g n e da s e tt ob ea b l et og u a r a n t e et h eo v e r a l ls y s t e mc o m m u n i c a t i o n s s e c u r i t yt h ec o n t r o ls y s t e m ； 3 、d e s i g n e do n ek i n dt ob ea b l et og u a r a n t e et h ep o w e rs u p p l ys e c u r i t yt h ep o w e r s u p p l ys y s t e m ； 4 、h a sw i t he m p h a s i ss t u d i e dt h er e d u n d a n tr e l i a b l eb r a k ei m p l e m e n t i n ga g e n c y c a r r i e so nt h es y s t e mt ot h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e db r a k es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l et h e i n t r o d u c t i o n 5 、t a k et h et r a d i t i o n a lb a r o m e t r i cp r e s s u r eb r a k i n gs y s t e mp r i n c i p l ea st h e f o u n d a t i o n ，t h er e s e a r c hr e a l i z a t i o nb b wm o v e st h es y s t e mt oa p p l yt h eb r a k et h e f u n c t i o n k e y w o r d s ：b b w ：e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e db r a k e ，e h b ，e m b 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 现代科技在汽车中的应用及高等级公路的大规模建设，使得汽车行驶车速越 来越高，汽车的行驶安全就显得更加重要。优良的制动性能是汽车安全行驶的重 要保证，可见，深入开展高性能汽车制动系统的研究具有及其重要的意义。 1 1 本论文研究的意义和主要内容 1 1 1 研究线控制动系统的背景及意义 电子化、智能化，网络化是现代汽车发展的重要标志。目前，世界汽车电子 产业正处于汽车技术大革命和汽车产业大调整的关键发展时期。随着科学技术的 发展，人们对汽车的动力性、经济性、安全性、操纵性以及舒适性提出了更高的 要求，汽车中的机械系统正在逐渐向机械一电子系统转换。各种新的电子装置已 经广泛应用在汽车中，汽车电子化程度越来越高。在国外，特别是一些欧美发达 国家，电子设备已经占据整车价格的3 0 左右，在高级轿车上的比例更高；在 国内，中高级轿车电子装置的配置已经接近或达到了国外汽车工业发达国家的水 平。据权威人士预计，不久的将来，汽车电子技术在汽车制造成本中所占的比例 将超过6 0 。 从汽车诞生之日起，制动系统在汽车安全方面就扮演着至关重要的角色。近 年来，随着汽车技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明 显。 汽车制动系统的种类很多，形式多样。传统制动系统的结构型式主要有机械 式、气压式、液压式、气一液混合式。它们的工作原理基本相同，都是利用制动 装置作用时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速， 或直至停车的目的。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生 了很大的改变，出现了很多新的结构型式。新型动力系统的出现也要求制动系统 结构型式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真 空源。 汽车制动系统的发展和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关，制 动系统是汽车的重要组成部分之一，是汽车安全行驶的重要保证，它直接关系着 人们的生命财产安全。因此，汽车制动系统要不断更新换代来完善结构、提高性 能，进而满足人们对汽车产品同益增长的要求。传统制动系统的制动管路长，阀 种类多，结构复杂，尤其对于轴距较长或带有挂车的车辆，制动传输路线长，常 产生反应慢等制动滞后现象，安全性降低，且制动系统的成本较高。 武汉理工大学硕士学位论文 线控技术( x - - b y - - w i r e ) 的设计概念源于航空航天领域。x b y - w i r e 代表了 一系列的车辆综合控制技术，例如s t e e r i n g - b y - w i r e 线控转向技术，用以取代传 统的机械和液压转向系统；b r a k e b y w i r e 电控机械制动技术，用以取代传统的液 压和气压制动系统；t h r o a t b y w i r e 线控油门技术，用以取代传统的油门控制系 统；c l u t c h b y w i r e 线控离合器技术，是先进的控制离合器的新技术；s h i f t b y - w i r e 线控变速技术，采用线控技术控制变速箱的工作。由于采用了新的x - b y - w i r e 技 术，使得汽车更加的轻便、便宜、安全，且使用更加经济。基于x b y w i r e 技术 研发的这些系统可以应用到各种车型上，原车的结构物需做大的修改和调整。在 可以预见的将来，通过x b y - w i r e 技术整合的汽车底盘综合控制系统将极大地提 高车辆的安全性、操纵稳定性和燃油经济性，是将来重点发展的汽车新技术。 汽车线控制动系统是一种新型的机电一体化系统，解决了传统汽车制动系统 存在的制动管路长、阀类元件多、反应慢、安全性差等问题，与传统制动系统相 比具有很多优点：它用电子元件取代部分机械元件，并通过电线来替代部分或全 部制动管路，缩短了制动响应时间，提高了制动性能；省掉了很多制动系统的阀 类元件，节省了空间，质量轻；安装测试更简单快捷( 模块结构) ；制动踏板特性 一致。线控制动系统采用全新的电子制动器对汽车实旋制动、集中控制的电子控 制单元( e c o ) 进行系统的整体控制，每个制动器都有各自的控制单元。若在线控 制动系统中设计相应的控制程序，亦可实现制动防抱( a b s ) 及驱动防滑( a s r ) 等 功能。 i i 2 研究的主要目标和内容 根据制动供能装置的不同，汽车线控制动系统可分为两种，即电液式线控制 动系统( e h b ) 和电子机械式线控制动系统( e m b ) 。本文的重点是研究设计一个满 足行车安全的线控制动硬件系统，其具体的研究目标是： ( 1 ) 建立一套能确保整个系统通信安全的控制系统； ( 2 ) 设计一种能保证能量供给安全的能量供给系统； ( 3 ) 研究高可靠性的制动执行机构，保证制动安全。 欲达到上述研究目标，本文将对如下内容进行深入研究： ( 1 ) 从线控制动系统的整体结构入手，对系统进行优化与集成研究； ( 2 ) 对如何实现线控制动硬件系统的高安全性、高可靠性进行深入研究； ( 3 ) 以传统气压制动系统原理为基础，研究实现线控制动系统的制动随动作 用； ( 4 ) 高制动效能、高可靠性电子机械式制动器的结构原理研究。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 汽车制动系统的结构和功能简介 汽车制动系统的功能是使行驶中的汽车减速直至停车；使下坡行驶的汽车的 速度保持稳定以及使已经停驶的汽车保持不动。 制动系统主要由如下4 个部分组成，即： ( 1 ) 供能装置：包括供给、调节制动所需能量的各个部件以及产生制动能 量的部分： ( 2 ) 控制装置：包括产生制动动作和控制制动效果的部件； ( 3 ) 传动装置：包括把制动能量传递到制动器的各个部件i ( 4 ) 制动器：产生阻碍车辆运动或者运动趋势的部件。 此外，现代的制动系统还包括制动力调节装置和报警装置，压力保护装置等 辅助装置。 汽车制动系统的类型与特点 ( 1 ) 行车制动系：使行驶中的车辆减速或停驶的零部件总称。行车制动必 须能控制车辆的行驶，且使车辆安全、迅速、有效的停住；行车制动必须是可控 制的；必须保证驾驶员在其座位上双手无需离开转向盘就能实现制动。 ( 2 ) 驻车制动系：使停驶的车辆保持其不动的零部件总称。驻车制动必须 能通过纯机械装置把工作部件锁住。 ( 3 ) 应急制动系：即在行车制动系失效的情况下，仍能使行驶中的车辆减 速或停车的零部件总称。 ( 4 ) 辅助制动系：能使行驶中的车辆( 特别是下长坡时) 持续地减低或稳 定车辆速度。 ( 5 ) 自动制动系：当挂车与牵引车连接的制动管路渗漏或断裂时，能使挂 车自动制动。 1 3 汽车制动系统的发展现状和趋势 随着人们对汽车制动性能要求的提高，防抱死制动系统、驱动防滑控制系 统、电子稳定性控制程序、主动避撞技术等已逐渐融人到制动系统当中，为此， 需在制动系统上添加很多附加装置来实现这些功能，如此使汽车制动系的结构趋 于复杂。这样不仅增加了液压回路泄漏的可能，而且也使汽车制动系统的装配、 维修变得困难。为使汽车制动系统的结构更加简洁，功能更加全面、可靠，其解 决方法只能是利用现代电子技术去改造传统的汽车制动系统。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 制动系统的发展 ( 1 ) 供能装置的发展 制动供能装置的结构与制动所用的能源有关。汽车制动系统根据所用能源的 不同将其分为人力制动、伺服制动、动力制动及混合制动( 上述任两者的结合) 。 人力制动是汽车诞生初期所采用的一种制动系统，它有机械式和液压式两种 不同的制动形式。机械式制动主要用于驻车制动系统中，驻车制动系统中要求用 机械锁止方法保证汽车在原地停止不动，在任何情况下不至于滑动。液压式制动 是通过制动踏板推动制动主缸，进而使制动器进入工作状态 伺服制动兼用人力和发动机的动力作为制动能源，正常情况下制动能量由动 力伺服系统供给，动力伺服系统失效时可由人力供给制动能量，这时伺服制动就 变为人力制动。伺服制动可用气压能、真空能( 负气压能) 以及液压能作为伺服能 量。 动力制动系统的制动能源是发动机所驱动的油泵或者气泵，人力仅用于制动 的控制。动力制动根据制动能源形式的不同分为气压制动、气顶液制动、液压制 动等三种。其中气压制动是发展最早的一种动力制动系统。它用空气压缩机提供 气压；气顶液制动是用气压推动液压动作，产生制动作用；液压制动在轻型以下 的汽车上得到了广泛应用，其技术已经非常成熟。目前正在发展汽车制动系统是 电液复合式制动系统和电子机械式制动系统，其特点是利用电能作为制动能源， 人力仅用于制动的控制操纵。 ( 2 ) 控制装置的发展 制动控制装置的发展与汽车制动系统的结构直接相关，在早期的人力制动系 统中，几乎是无控制可言，汽车制动器的制动作用直接靠人力的推动。对于伺服 制动系统，制动器的控制通过一个简单的机械装置来完成，即驾驶员作用在制动 踏板上的力经过真空助力器放大后，由制动主缸将其转换为液压力，然后通过液 压管路将液压力传递到每个制动轮缸，开始制动。对于动力制动系统，制动控制 由驾驶员通过制动踏板操纵制动控制阀来完成。随着清洁能源汽车和电动汽车的 发展，以及电子技术在汽车上的广泛应用，制动系统的控制装置已呈现出电子化 的趋势。正在发展中的电制动系统完全改变了传统制动系统的控制与管理模式， 由于它采用了电力制动、电子控制，所以制动系统的动作更加准确、制动性能更 加优良。 ( 3 ) 传动装置的发展 人力制动时代采用机械传动装置，气( 液) 压制动是利用气( 液) 压力和连接管 路把制动力传递到制动器。电子制动则是利用制动电机产生制动力直接作用到制 动器，它的控制指令来自控制单元但c o ) ，用信号线传递制动信息。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 制动器的发展 制动器是制动的主要组成部分，目前几乎所有的汽车均采用摩擦式制动器。 摩擦式制动器按照摩擦副中旋转元件的不同，分为鼓式和盘式制动器，如图1 - 1 和图1 2 所示。 ，图1 - 1 鼓式制动器图1 - 2 盘式电制动器 鼓式制动器又有领从蹄式、双领蹄式、双向双领蹄式、双从蹄式、单向自增 力式、双向自增力式等多种不同的结构型式。盘式制动器有固定钳式和浮动钳式 两种，其中浮动钳式又分为滑动钳式和摆动钳盘式。滑动钳式是目前使用广泛的 一种盘式制动器。由于盘式制动器的热稳定性( 或称抗衰减性能) 和涉水恢复性 优于鼓式制动器，因此不仅在轿车上得到了广泛应用，而且已呈现出全面取代鼓 式制动器的趋势。盘式制动器的缺点是制动效能相对较低，兼做驻车制动时需要 较为复杂的驱动机构。电动汽车和混合动力汽车上常装有具有再生制动攻能的电 机，在回收制动能量时起制动作用。正在发展中的用于线控制动系统的电制动器 也有盘式和鼓式两种不同的结构，由于鼓式电制动器的制动稳定性远不如盘式制 动器，因此在未来的汽车上将会以盘式电制动器为主。 1 3 2 线控制动系统的发展现状 线控技术应用于航空工业中已有多年，在汽车工业领域中应用的时间却很 短，但近几年有了很大的发展，特别是美国和德国，它们已经成功地把线控制动 技术融入到汽车的设计制造中。 目前，世界各大汽车整车及零配件厂商正在致力于该技术的进一步完善工 作，使其尽快实现批量生产，并投放市场。2 0 0 2 年初，在底特律举行的北美国 际车展上，美国通用汽车公司推出了一款名叫a u t o n o m y ( 自主魔力) 的双座概 念跑车，是世界上同时采用燃料电池技术和线控技术的第一辆汽车，驾驶员无需 通过油门踏板和制动踏板进行驾驶操作，仅通过一个被称为“x d r i v e ”的引导操 作系统就可以完成一系列复杂的驾驶过程，该车采用的是电子机械式线控制动系 5 武汉理工大学硕士学位论文 统，预计在2 0 1 0 年前后上市。“自主魔力”面世8 个月后，在2 0 0 2 年9 月的法国 巴黎车展上，美国通用汽车公司推出了可供试驾的线控技术燃料电池汽车 “h y w i r e ”，其原型是a u t o n o m y 。瑞典s k f 和意大利著名汽车设计公司b c n o n e 联合开发的n o v a n t a 概念车，也选用了线控制动系统中的e m b 形式。目前，从 发表的专利来看，b o s c h 、s i e m e n s 和c o n t i n e n t a lt c v e s 三家公司已经在e m b 方 面取得了部分研究成果。 此外，德尔福公司还提出了混合线控制动系统( h y b r i db r a k e b y - w i r e ) ，即 混合电制动系统，是用后轮电动制动钳来代替传统后轮液压制动钳，兼有驻车制 动功能。传统的液压制动钳，真空助力器仍应用于前轮制动。这种混合型制动系 统使车载的制动防抱死系统( a b s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 、车辆稳定控制系 统能更好发挥作用。 奔驰公司新推出的s l s 0 0 ，是世界上第一辆采用线控制动技术的量产车， s l 5 0 0 的线控制动技术是采用由博世公司提供的电子液压式制动系统e h b ，博 世将其称之为电子感应控制制动系统( s e n s o t r o n i cb r a k ec o t r 0 1 ) ，简称s b c 。该系 统最早由博世公司提出，是世界上第一套完全线控的制动系统，最新的m a y b a c h 6 2 也装备了s b c 系统。图1 3 是奔驰轿车上采用的s b c 系统，它由传感器、 e c u ( 电控单元) 与执行器( 液压控制单元) 等组成。 1 、s b c 控制单元2 、保险装置3 、执行单元4 、速度传感器 5 、液压管路6 、封装e s p 控制单元的盒子7 、偏航角度传感器 图1 3 电子感应控制制动系统s b c 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 制动系统的理论分析 1 4 1 制动系统的设计要求 制动系统的结构和性能直接关系着车辆和人员的安全，是汽车重要的安全件， 受到普遍重视。在国家强制性标准g b l 2 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试 验方法以及g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全条件中，对制动系统的结构和性 能都作出了严格的规定。具体设计要求如下： ( 1 ) 具有良好的冷态制动效能，能产生足够的制动力，使汽车的行车制动、驻 车制动以及应急制动符合国家强制性标准的要求。 ( 2 ) 具有良好的制动效能恒定性，由于摩擦热的影响或摩擦表面浸水使制动 效能降低的程度应尽可能的小并能够恢复。 ( 3 ) 具有良好的制动方向稳定性，应使制动力在车轴之间良好分配，并在同一 车轴的左、右车轮之间对称分配。 ( 4 ) 控制轻便，控制装置的位置应便于操作，控制力和行程应适当。 ( 5 ) 工作可靠，行车制动系传能装置必须至少采用双回路，反映时间应短；动力 制动系必须具有至少两个储能装置。 ( 6 ) 制动衬片( 块) 磨损小，制动间隙的检查、调整和制动衬片( 块) 的更换应方 便。 ( 7 ) 各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。 1 4 2 制动性能的评价指标 汽车的制动性主要由制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定 性三方面来评价。 ( 1 ) 制动效能：即制动距离与制动减速度，是指在良好路面上，汽车以一 定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度，是制动性能最基本的评价 指标。制动距离与汽车的行驶安全有直接的关系，它指的是汽车空档时以一定初 速，从驾驶员踩着制动踏板开始到汽车停止为止所驶过的距离。制动距离与制动 踏板力以及路面附着条件有关。制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器 制动力( 车轮滚动时) 及附着力( 车轮抱死拖滑时) 有关。汽车动力性不同，对 制动效能的要求也就不同：一般轿车、轻型货车的行驶速度高，所以要求其制动 效能高；而重型货车行驶速度相对较低，其制动效能的要求相对稍低。 ( 2 ) 制动效能的恒定性：制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器 吸收转化为热能，汽车在繁重的工作条件下制动( 例如下长坡长时间、连续制动) 7 武汉理工大学硕士学位论文 或高速制动时。制动器温度常在3 0 0 0 c 以上，有时甚至达到6 0 0 - 7 0 0 。c ，制动器 温度上升后，摩擦力矩会显著下降，这种现象就称为制动器的热衰退。所以制动 器温度升高后，能否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的一 个重要问题。汽车在高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗 热衰退性能。制动器抗热衰退性能一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度 来衡量。根据国际标准草案i s o d i s 6 5 9 7 ，要求以一定车速连续制动1 5 次，每 次的制动强度为3 m s 2 ，最后的制动效能应不低于规定的冷试验制动效能 ( 5 8 3 m s 2 ) 的6 0 ( 在制动踏板力相同的条件下) 。制动器抗热衰退性能与制 动器材料和制动器的结构型式有关。 汽车在涉水行驶后，制动器还存在水衰退的问题。当汽车涉水时，水进入制 动器，短时间内制动效能的降低称为水衰退。汽车应该在短时间内迅速恢复原有 的制动效能。 ( 3 ) 制动时汽车的方向稳定性：f l l j $ i j 动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去 转向能力的性能。制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向 能力而使汽车失去控制离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方车辆行驶轨道、 下沟、滑下山坡的危险情况。一般把汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯 道行驶的能力称为制动时汽车的方向稳定性。在试验时常规定一定宽度的试验通 道( 如1 5 倍车宽或3 7 m ) ，制动时方向稳定性合格的车辆在试验过程中不允许 产生不可控制的效应使它离开这条通道。 制动时汽车自动向左或向右偏驶称为“制动跑偏”。造成汽车制动时跑偏的原 因有两个：一是汽车左、右车轮，特别是前轴左、右车轮( 转向轮) 制动器动力 不相等；二是制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调( 互相干 涉) 。其中第一个原因是制造、调整误差造成的，汽车究竟向左还是向右跑偏， 要根据具体的情况而定；第二个原因是设计造成的，制动时汽车总是向左( 或向 右) 跑偏。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车线控制动系统的基本原理 2 1 线控制动系统概述 2 1 1 线控制动系统简介 汽车线控制动系统，简称b b w ( b r a k e b y w i r e ) ，b r a k e b y - w i r e 是x - b y w i r e 中的一种，指一系列智能制动控制系统的集成，它提供诸如a b s 、车辆稳定性 控制、助力制动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载有线网络把各 个系统有机的结合成一个完整的功能体系。它不同于传统的汽车制动系统，其特 点是：以电子元件代替部分机械元件，机械连接少，制动踏板和制动器之间动力 传递分离，取而代之的是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号，并在电子 控制系统中设计编写相应程序，通过对电控元件的操控实现制动力的分配及大小 调节，可方便地实现a b s 及a s r 等功能。原有的制动踏板采用一个模拟发生器 替代，用以接受驾驶员的制动意图，产生、传递制动信号给控制和执行机构，并 根据一定的算法模拟反馈给驾驶员，其工作原理如图2 - 1 所示。 琏它惦蟹l - _ 。 髂蟹 麓功 姓群 执 f e c 帆橱 能潞 匠甄习 静辨 图2 1b b w 系统工作原理图 b b w 将是继a b s 之后汽车制动系统的又一次重大变革，对汽车技术的进一 步发展具有及其重大的意义。从常规制动系统的供能装置、控制装置、传动装置、 制动器4 个组成部分的发展历程来看，都已经不同程度地实现了电子化。人作为 整个控制系统的控制源，输出控制信号、启动制动系统、发出制动意图；制动能 源来源于蓄电池或其它供能装置；线控制动系统采用全新的电子制动器和集中控 制的电子控制单元f e c u l 进行系统的整体控制，每个制动器都有各自的控制单 元。目前，根据供能装置的不同，线控制动系统分为两种类型，一种是电液制动 系统e h b ( e l e c t r o - - - - h y d r a u l i cb r a k e ) ，另一种是电子机械制动系统 e m b ( e l e c t r o - - m e c h a n i c a lb r a k e ) 。电液制动系统是将电子系统与液压系统相结合 的制动系统。e h b 由电子系统提供柔性控制，液压系统提供制动动力，是从传 统制动系统到电子制动系统的过渡：而电子机械制动系统( e m b ) 则以电能作 9 武汉理工大学硕士学位论文 为制动能量来源，由电机驱动制动钳块，整个系统内没有液压管路，因此也就没有 制动液体。传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电能所取代。就目 前b b w 的发展状况而言，e h b 是实现汽车线控制动的第一步，e m b 则是未来 线控制动系统的主要发展方向。 2 1 2 线控制动系统的关键技术 ( 1 ) 传感器技术 现代汽车技术发展的特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。汽车电子 控制系统的控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈精度。传感器技术的发展直 接关系着整个汽车电子控制系统的性能。汽车线控制动系统b b w 中涉及到的传 感器有：车轮速度传感器、踏板行程传感器、踏板力传感器等。 ( 2 ) 总线技术 国际上众多知名汽车公司早在2 0 世纪8 0 年代就积极致力于汽车总线技术的 研究与开发。随着汽车总线技术的发展，将会有多种不同的总线技术用于汽车中， 尤其是具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议，如：，r r p 、b y t e f l i g h t 和 f l e x r a y 。1 - r p ( 时间触发协议) 是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协 议，能够支持多种容错策略，具有节点的恢复和再整合功f l , ；b m w 公司的b y t e f l i g h t 可用于汽车线控系统的网络通信，其特点是既能满足某些高优先级消息的时间触 发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发和需要中断处理的要 求：而其他汽车制造商目前计划采用f l e x r a y , 这是一种特别适合下一代汽车应用 的网络通信系统，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的 高速率通信要求。目前f l e x r a y 标准的物理层标准已经由p h i l i p s 公司开发完成， 通讯协议正在研发中。该标准的出台不仅提高了信息传输的一致性、可靠性，而 且还简化了信息开发和使用过程，并降低了成本从现在的发展来看，由于f l e x r a y 是基于时间和事件的触发协议，要优于r r p 。基于总线技术的线控制动系统将传 统的机械系统变成通过高速容错通信总线相连的电气系统，实现系统的自动化! 智 能化! 网络化与信息化。 ( 3 ) 容错控制技术 考虑到汽车安全性和可靠性的要求，线控制动系统必须要采用容错控制技 术。容错控制技术方法包括硬件冗余方法和解析冗余方法两种：( 1 ) 硬件沉余方 法是通过对系统重要部件及易发生故障部件进行备份，以提高系统的容错性能。 冗余是容错控制的基础，一旦某个部件出现问题，则可以利用冗余关系，用其它 部件代替故障部件，以消除故障；( 2 ) 解析冗余方法主要是通过设计控制器的软 件来提高整个系统的冗余度，进而改善整个系统的容错性能。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 动力电源 要保证整个系统的稳定工作，动力电源的性能至关重要。随着电子元件及其 高功耗零部件的不断增加，使得汽车的电负荷成倍增加，若继续维持1 2 v 供电系 统，就必须通过提高电流来获得更多的功率，但是过高的电流将给整个系统带来不 安全隐患，汽车电路上的热能消耗大大增加，所以汽车供电系统必须提高电压以满 足现代汽车电气系统负荷日益增长的需要。于是，4 2 v 供电系统应运而生。4 2 v 电源的采用也为发展b b w 系统创造了条件，即：电动机的质量可减轻2 0 ；线 束直径可减小2 3 ，如此降低了设计与使用成本，方便安装；提高了电子元件的集成 度等。这些优点必将大大推动b b w 系统的发展。 2 2 汽车e h b 系统 电子液压制动系统( e l e c t r o - - - - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ) ，简称e h b ，是在传统 的液压制动器基础上发展而来的。大部分汽车都在使用液压制动系统，这些系统 通常需要一个真空助力器，而在有些情况下还必须使用真空泵，这些部件占据了 大量的汽车空间，并且在制动踏板与执行机构之间以传统的机械方式连接。制动 时驾驶员踩下制动踏板，推动与制动调压器及制动主缸相连的活塞连杆。制动主 缸将根据踏板力的大小，在制动路线上形成相应的压力，在机械和液力相互作用 下，通过轮边制动缸推动制动钳压向制动盘。与传统的汽车制动系统有所不同， e h b 以电子元件替代了部分机械元件，是一个先进的机电一体化系统。e h b 用 一个综合制动模块取代传统制动器中的压力调节器和a b s 模块，这个综合的制 动模块由电机、泵、蓄电池等部件组成，它可以产生并储存制动压力，可以对4 个车轮的制动力矩进行单独调节。同时，在e h b 的电子控制系统中设计相应程 序，通过操纵电控元件来控制制动力的大小及各轴制动力的分配，可以完全达到 a b s 及a s r 等功能。就目前b b w 的发展状况而言，e h b 是实现汽车线控制动 的第一步，e m b 则是未来制动控制系统的主要发展方向。 e h b 制动控制系统的诞生，在结构上取消了真空助力器和真空泵，电子元 件替代传统制动系统中大量使用的机械元件，调压器也不再需要，取而代之的是 用传感器来测量制动主缸内的压力以及制动踏板运动的速度，并将这些数据用电 信号的形式传送到e h b 的处理器中。为了让驾驶员能够有相似的制动感觉，工 程师们开发了一个特别的仿真器，将它连接到前后制动主缸上，用弹簧力和液压 力来推动制动踏板。也就是说：在制动过程中，执行元件是完全和系统的其余部 分断开的，它只负责记录发出的制动命令。只有出现严重错误时，e h b 才会自 动使用前后制动主缸，并在制动踏板和前轮制动器之间迅速建立液力连接，以保 证车辆安全减速。 武汉理工大学硕士学位论文 e h b 系统制动液是由电子控制的电机提供的，能更快的响应制动。由于模 块化程度的提高，在车辆设计过程中又提高了设计的灵活性、减少了制动系统的 零部件数量、节省了车内制动系统的布置空问。可见相比传统的液压制动器， e h b 有了很大的改善。但是e h b 还是有其局限性，那就是整个系统仍然需要 液压部件。e h b 的出现主要是为以后研究和生产e m b 打下基础、并积累大量 的生产经验。早在1 9 9 3 年f o r d 公司就有一款电动汽车采用了e h b ，后来 通用公司在其一款轿车上也采用了e h b 制动系统。可见国外的大汽车公司早就 开始了对b r a k e b y w i r e 制动系统的研究。 2 2 1 汽车e h b 系统的主要组成结构 e h b 是将电子系统与液压系统相结合的制动系统，主要由电子踏板、电子 控制单元( e c u ) 、液压执行元件( 阀类元件) 等组成。电子踏板主要由制动踏 板和踏板行程模拟器( 角度位置传感器) 组成。 e h b 系统的主要组成部分简要介绍如下： ( 1 ) 踏板行程模拟器：识别驾驶员的制动意图，用于检测踏板转角并将转角 信号转换为电信号传输给e h b 的电控单元，也就是向e c u 传递信息，踏板转角 和力可按比例进行调控，实现e h b 系统的制动随动作用。 ( 2 ) 制动控制单元( e c t 0 ：接受各种电信号，识别车轮运动状态，进而控制各 车轮的制动力大小。 ( 3 ) 轮速、压力传感器：能够准确、及时、可靠地获得车轮的速度及制动油 压大小。 ( 4 ) 电机：为系统快速、连续地提供高压制动液。 ( 5 ) 电源：为整个制动系统正常运转提供稳定、可靠的能源。 2 2 2e h b 的工作原理 e h b 采用电子踏板取代传统制动系统中的制动踏板，用来反映驾驶员的制 动意图，产生制动信号并将其传递给电控单元，电控单元向执行元件发出制动指 令的同时还将制动强度大小的信息反馈给驾驶员，保证驾驶员有足够的踏板感。 在制动过程中，车轮制动力由e c u 和执行器控制，踏板转角传感器不断的将踏 板转角信号转换为电信号，并将其输入到电控单元。e c u 将控制信号及电流分 别输入到阀驱动器和电液制动阀，阀驱动器根据两个输入信号中的较大值产生控 制电流并输入到电液制动阀。电液制动阀根据输入电流调整输出到制动器的压力 大小。在制动过程中，e c u 还可以根据轮速传感器等其它各种信号进行分析计 算，实现a b s 、a s r 等功能。为了达到系统的安全性，系统中设计有后备冗余 液压系统，以保证控制系统在失灵时仍有制动能力，确保安全。 武汉理工大学硕士学位论文 汽车e h b 系统是利用电信号，将驾驶员的制动命令传递到一个微处理器中， 由它同步处理其他各路传感器信号，并根据特定行驶状态计算每一个车轮的最佳 制动力，其工作原理如图2 - 2 所示。首先，由踏板行程模拟器中集成的行程传感 图2 2 e h b 结构示意图 器及压力传感器感应驾驶者施加在踏板上的行程速度及力的大小，以识别驾驶者 的制动意图；然后，e h b 电控单元( e c u ) 根据系统电气线路传输来的相关信 号计算出各车轮所需的制动力；接着，液压执行单元根据e h be c u 输出的控制 指令通过高压蓄能器分别向各车轮精确施加所需的制动力，使得车辆更快速、更 稳定地制动或减速。所以，e h b 制动是由感应、计算、电控执行制动过程构成 的线控制动系统。e h b 系统的制动力不是由液压或气压装置控制，而是由电子 控制的电机来实现。电子控制器发出控制信号，控制制动驱动器电机，电机带动 液压泵向蓄能器泵入高压油，实现制动所需的制动力。在该系统中，每个车轮可 以得到独立的控制，这样保证了汽车制动过程中的稳定性。 2 2 3 汽车e h b 系统与传统制动系统的比较 e h b 与传统制动系统的不同点： ( 1 ) 液压产生：在传统的制动系统中，驾驶员通过对制动主缸的作用，在制 动主缸与轮缸间建立制动压力；而电液制动系统则是通过液力蓄能器提供制动压 力，所储压力由电动液压泵产生。 ( 2 ) 液压分配：传统的制动系统只是均匀的分配制动所需的液体压力，当踩 下制动踏板时，制动主缸就将等量的制动液送往各制动器的制动管路，并通过比 例阀来分配前后制动器中的液体压力；而e h b 则根据传感器所采集到的各种信 息，通过e c u 计算出各制动器所需的最佳制动力，并将其分别施加于各制动轮 上，制动效果良好。 ( 3 ) 动力传递：电液制动系统的制动踏板和车轮制动器之间没有机械连接， 制动过程时，制动力由e h b 电子控制单元提供柔性控制，替代了传统的纯机械 传递方式。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 元件连接：e h b 用电线取代部分制动管路，缩短了制动管路的长度， 并可省去一些制动管路中的阀类元件，节省空间。 e h b 相对于传统制动系统的优点： ( 1 ) e h b 可以提供平稳的停车功能，使停车过程变得平顺柔和，大大提高 了车辆制动舒适性。 ( 2 ) 整个制动系统结构简单紧凑，省去了传统制动系统中的部分管路及液压 阀等部件，且不需要真空助力装置，使整车质量减小，腾出汽车前部的大量空间， 因此，提高了汽车碰撞安全性，同时还使发动机性能得到改善，提高了汽车燃油 经济性。 ( 3 ) 取消了部分液压部件而采用模块结构，汽车装配变得更加灵活，维护更 加方便，。 ( 4 ) 传统汽车制动系统制动管路长，阀类元件多，制动系统反应慢，安全性 较差；而电液制动系统采用踏板模拟器，不仅踏板特性得以改善，而且有效地缩 短了制动响应时间，提高了制动灵敏度和制动安全性。 ( 5 ) e h b 不仅能缩短制动距离，而且能保持车辆良好的行驶方向稳定性： 还能弱化由制动器摩擦片磨损等原因造成的制动效果下降，提高了制动效能。 ( 6 ) e h