張 堃，黃 茂，劉保國(guó)，虎 忠

(陜西重型汽車(chē)有限公司，西安 710200)

前言

EBS系統(tǒng)是將駕駛員制動(dòng)意圖和制動(dòng)氣壓輸出的控制方式電子化、電控化，具有制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快，制動(dòng)性能安全可靠等特點(diǎn)［1］。本文中針對(duì)某型重型越野汽車(chē)設(shè)計(jì)了EBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并建立了Matlab/Simulink仿真模型。通過(guò)將緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)模型的仿真結(jié)果與常規(guī)ABS試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的EBS制動(dòng)系統(tǒng)的合理性和優(yōu)越性。

1 EBS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 EBS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)重型越野汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用氣壓制動(dòng)方式，本文中在參考國(guó)外商用車(chē)輛成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于電控-氣壓制動(dòng)方式的EBS系統(tǒng)。該系統(tǒng)以某型4×4重型越野汽車(chē)為目標(biāo)車(chē)型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1為所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由電子制動(dòng)踏板、EBS控制器、比例繼動(dòng)閥和備壓電磁閥組成。電子制動(dòng)踏板可將駕駛員產(chǎn)生的制動(dòng)踏板行程轉(zhuǎn)換為兩路PWM信號(hào)輸出，同時(shí)輸出兩路冗余控制氣壓，以確保電控系統(tǒng)失效時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)切換為基本的純氣控模式。EBS控制器根據(jù)電子制動(dòng)踏板信號(hào)、輪速信號(hào)和集成于比例繼動(dòng)閥的制動(dòng)氣壓反饋信號(hào)控制前后橋比例繼動(dòng)閥的制動(dòng)氣壓。后橋比例繼動(dòng)閥與前橋比例繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)相同，其氣壓控制口與備壓電磁閥的輸出口相連。當(dāng)電控系統(tǒng)失效時(shí)，備壓電磁閥自動(dòng)切換冗余控制氣路至后橋比例繼動(dòng)閥，使后橋比例繼動(dòng)閥恢復(fù)為傳統(tǒng)的氣控模式。

表1 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

1.2 EBS控制策略

EBS控制策略為:當(dāng)EBS控制器采集到有效PWM制動(dòng)信號(hào)后，根據(jù)當(dāng)前輪速信號(hào)和制動(dòng)氣壓信號(hào)，按照目標(biāo)車(chē)型理想的制動(dòng)力分配曲線，對(duì)制動(dòng)氣壓進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，從而得到優(yōu)異的前后輪制動(dòng)力分配效果，避免出現(xiàn)車(chē)輛喪失轉(zhuǎn)向控制和側(cè)滑甩尾的危險(xiǎn)［2－3］。當(dāng)EBS系統(tǒng)異常斷電或 EBS控制器檢測(cè)到系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)備壓電磁閥將比例繼動(dòng)閥的工作模式轉(zhuǎn)換至傳統(tǒng)的純氣控模式，以保證基本的氣壓制動(dòng)?？刂圃韴D見(jiàn)圖2。

2 EBS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

以Matlab/Simulink為仿真平臺(tái)，分別建立了目標(biāo)車(chē)型的整車(chē)模型和EBS控制系統(tǒng)模型［4］。

整車(chē)模型中有如下設(shè)定:將簧上與簧下質(zhì)量的和作為整車(chē)質(zhì)量，忽略車(chē)輛側(cè)傾、輪胎滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻的影響，考慮車(chē)輛縱向、側(cè)向和繞慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)方程為

采用基于Magic Formula的 Burckhardt輪胎模型。該模型中地面制動(dòng)力為

式中:λ為滑移率;φ為附著系數(shù);C、D、E均為參考系數(shù)。附著系數(shù)φ與滑移率λ滿足如下關(guān)系:

式中C1、C2、C3為參考系數(shù)，在干瀝青路面條件下分別為 1.280、23.990、0.520。

采用1階滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)描述制動(dòng)器模型壓力建立和釋放的動(dòng)態(tài)過(guò)程。響應(yīng)的時(shí)域方程為

式中:p0為系統(tǒng)初始?jí)毫?pS為系統(tǒng)目標(biāo)氣壓;Tb1為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù);Tb2為系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)。

由制動(dòng)氣室氣壓可求得制動(dòng)凸輪軸上的制動(dòng)力矩為

式中:A為制動(dòng)氣室有效作用面積;L為制動(dòng)臂長(zhǎng);p為制動(dòng)氣室氣壓。

由此可得制動(dòng)器制動(dòng)力矩為

式中:K為制動(dòng)效能因數(shù);R為制動(dòng)鼓半徑;η為制動(dòng)器效率因數(shù);e為制動(dòng)凸輪有效作用半徑。

3 EBS系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

3.1 低附著路面制動(dòng)仿真分析

以目標(biāo)車(chē)型為仿真對(duì)象，在峰值附著系數(shù)為0.2的冰雪路面，初始車(chē)速為30km/h，空擋、滿載和緊急制動(dòng)狀態(tài)下對(duì)本文中設(shè)計(jì)的EBS控制邏輯進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與裝有ABS系統(tǒng)的目標(biāo)車(chē)型在相同條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3表明，在冰雪路面上所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)對(duì)前后輪滑移率差值的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)ABS系統(tǒng)。由圖4可知，ABS系統(tǒng)從制動(dòng)開(kāi)始到車(chē)輛停止，所經(jīng)歷的時(shí)間為5.33s，制動(dòng)距離為23.32m，而所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間僅為4.86s，制動(dòng)距離為20.85m，比常規(guī)制動(dòng)ABS控制的制動(dòng)距離減少2.47m。其主要原因是在冰雪路面上，峰值附著系數(shù)僅為0.2，由滑移率引起的附著系數(shù)變化對(duì)地面附著力的影響不大，此時(shí)影響制動(dòng)效能的主要因素為制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)采用電子制動(dòng)踏板反映駕駛員的制動(dòng)意圖，并通過(guò)控制器輸出控制命令，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間較常規(guī)制動(dòng)更快。

圖5為車(chē)輛在冰雪路面上EBS制動(dòng)力分配比隨制動(dòng)過(guò)程的變化，可見(jiàn)隨著車(chē)輛質(zhì)心的前移，前后橋制動(dòng)力分配比根據(jù)控制策略被實(shí)時(shí)調(diào)整，可有效提高車(chē)輛的制動(dòng)安全性能。

3.2 高附著路面制動(dòng)仿真分析

以目標(biāo)車(chē)型為仿真對(duì)象，在峰值附著系數(shù)為0.85的干瀝青路面，初始車(chē)速為60km/h，空擋、滿載和緊急制動(dòng)狀態(tài)下對(duì)設(shè)計(jì)的EBS控制邏輯進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將仿真結(jié)果與裝有ABS系統(tǒng)的目標(biāo)車(chē)型在相同條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)前后輪滑移率的差值可以有效控制在程序所設(shè)定的門(mén)限值之內(nèi)，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)ABS系統(tǒng)。由圖7可知，常規(guī)ABS系統(tǒng)的制動(dòng)時(shí)間為2.51s，經(jīng)計(jì)算制動(dòng)距離為22.01m。而所設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)的制動(dòng)時(shí)間為2.59s，制動(dòng)距離為22.61m，比ABS系統(tǒng)的制動(dòng)距離長(zhǎng)0.6m。其主要原因是EBS控制算法在制動(dòng)過(guò)程中根據(jù)前后輪滑移率的差值實(shí)時(shí)修改制動(dòng)力分配比，以保證前后輪滑移率的差值在安全范圍之內(nèi)，從而避免甩尾工況，提高汽車(chē)的制動(dòng)安全性能，但由于沒(méi)有充分利用地面提供的附著力，因此犧牲了少量的制動(dòng)效能。車(chē)輛在干瀝青路面上EBS制動(dòng)力分配比隨制動(dòng)過(guò)程的變化曲線如圖8所示。

3.3 制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)目標(biāo)車(chē)型參數(shù)，搭建本文中設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架，并與常規(guī)制動(dòng)ABS系統(tǒng)進(jìn)行了制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如圖9所示。

由圖可見(jiàn)，ABS制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為0.57s，EBS制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為0.38s，較前者減少了0.19s，EBS制動(dòng)系統(tǒng)具有較明顯優(yōu)勢(shì)。其主要原因?yàn)镋BS系統(tǒng)駕駛員的制動(dòng)意圖和控制信號(hào)均以電信號(hào)傳輸，其傳輸速率較傳統(tǒng)氣壓信號(hào)有較大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)在兩種極限工況下均能有效控制目標(biāo)車(chē)輛的滑移率，且制動(dòng)距離滿足GB7258—2012規(guī)定。

(2)設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間短，較常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)提前了0.19s。

(3)設(shè)計(jì)的EBS系統(tǒng)在高附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)可有效控制前后輪的滑移率差值，從而提高了車(chē)輛的制動(dòng)安全性能，但與常規(guī)制動(dòng)ABS系統(tǒng)相比，制動(dòng)距離稍有增大。

(4)在低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，EBS系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)距離的改善效果顯著，提高了車(chē)輛的制動(dòng)性能。

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