王洪亮，董 巍，李 楠，戴曉明

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094;2.中國人民解放軍總裝備部汽車試驗場，江蘇南京 210028)

駐車制動系統(tǒng)是汽車制動系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于車輛停車之后給車輛施加長期制動力，防止人員離車之后車輛自動移動，另外，駐車制動系統(tǒng)還具備坡道起步輔助功能及應急制動功能［1-4］。

駐車制動的操作由始至終的貫穿于汽車的駕駛過程，起步之初，駕駛員要釋放駐車制動，停車之后，要施加駐車制動，在城市路況頻繁啟停的工況下，給駕駛員帶來較為繁瑣的操控，容易導致駕駛疲憊。由于駕駛員的疏忽，離車后忘記施加駐車制動或者起步時忘記釋放駐車制動，均會給車輛造成實際的損傷、帶來安全隱患，乃至于車毀人亡的安全事故也時有發(fā)生［5-8］。

在汽車電子技術快速發(fā)展的當下，駐車制動系統(tǒng)的電子化、智能化必然是發(fā)展趨勢，目前小型乘用車輛的電子駐車制動技術(electronic parking brake system，EPB)［9-10］已經(jīng)有長足的發(fā)展，甚至于有產(chǎn)品推向市場，給駕駛員帶來較大的幫助［11-12］。

中/重型汽車的駐車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與小型乘用車有較大的差異，現(xiàn)有的EPB技術并不能很好地適用于中/重型汽車［13-14］。本文以中/重型汽車的駐車制動系統(tǒng)的自動化控制問題研究為出發(fā)點，分析了中/重型汽車的氣壓式駐車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，提出了氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，結(jié)合系統(tǒng)的功能需求，分析了系統(tǒng)的控制參數(shù)需求，設計了系統(tǒng)的總體方案，并提出了系統(tǒng)的控制策略，最終通過實車試驗進行了驗證。

1 氣壓式駐車制動系統(tǒng)

對于中/重型汽車，由于車重較大，對駐車制動力的需求較高，尤其是在不平路面上駐車時，受路面傾斜角度的影響，需對汽車施加更大的駐車制動力［15］。因此，效仿乘用車完全靠人工拉動制動拉索來施加駐車制動力難以滿足要求，或者為達到足夠的駐車制動力，需要較大制動力放大杠桿，帶來中/重型汽車駐車制動裝置布置的困難。

為解決以上問題，中/重型汽車的駐車制動系統(tǒng)多采用氣壓式駐車制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心部件是彈簧制動缸，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示［16］。

復合彈簧制動缸利用強力彈簧來推動制動蹄片施加駐車制動力，通過系統(tǒng)的初裝，人工賦予彈簧較大的彈性勢能，使得彈簧可以輸出較大彈性力來推動制動蹄片。用彈簧施加制動力，可以保證長期駐車制動時，制動缸可以輸出長期穩(wěn)定的制動力，而不用擔心由于汽車儲氣罐壓力的下降而喪失駐車制動力。

圖1 復合彈簧制動缸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of composite spring brake cylinder

由于制動缸在汽車上的安裝之初就輸出了較大的壓力到制動蹄片，因此汽車如若要行駛，則需要一個較大的推力來壓縮彈簧，釋放其對制動蹄片的制動壓緊力，在中/重型汽車上，該推力由汽車上的氣壓能源來實現(xiàn)，也就是汽車儲氣罐中的高壓氣體，高壓氣體充入到圖1中的A氣室內(nèi)，通過活塞10壓縮儲能彈簧，釋放彈簧施加于制動蹄片的推力，解除駐車制動。反之，如若汽車要施加駐車制動，則將A氣室內(nèi)的高壓氣體釋放，彈簧伸張開，繼續(xù)通過行車制動缸推桿7施加壓力于制動蹄片，實現(xiàn)駐車制動。因此，中/重型汽車的駐車制動系統(tǒng)采用的是“斷氣剎”結(jié)構(gòu)，簡單來講就是:給彈簧制動缸充氣，釋放駐車制動;給彈簧制動缸放氣，施加駐車制動。

圖2中所示的是中/重型汽車的制動系統(tǒng)的氣路連接示意圖，彈簧制動缸6通過氣路與繼動閥5相連，繼動閥的主氣路通過大直徑的管路與儲氣罐相連接，其控制端通過氣管路與安裝于駕駛室內(nèi)的手控閥4相連接。手控閥由駕駛員控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示［17］。

圖2 中/重型汽車氣壓式駐車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure ofmedium and heavy duty vehiclespneumatic parking brake system

圖3 駐車制動手控閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of parking brake hand control valve

駐車制動手控閥位于位置A時，從儲氣罐來的高壓氣體通過進氣口1連通到出氣口2，然后進入到繼動閥的控制端腔體內(nèi)，打開繼動閥的主氣路，使得儲氣罐內(nèi)的高壓氣體通過繼動閥進入到彈簧制動缸內(nèi)，壓縮蓄能彈簧，釋放駐車制動。當駕駛員操縱手控閥，使其手柄位于位置B時，繼動閥控制端腔體內(nèi)的氣體通過手控閥放出，關閉繼動閥的主氣路，同時通過繼動閥釋放彈簧制動缸內(nèi)的高壓氣體，蓄能彈簧復位，通過制動推桿施加給制動蹄片駐車制動力，實現(xiàn)汽車的駐車制動。

2 電子駐車制動控制功能需求分析

電子駐車制動系統(tǒng)實現(xiàn)了駐車制動的自動化控制，取代了傳統(tǒng)“手剎”，因此其要具備完善的“手剎”功能，并且在某些方面要更加人性化、更加方便。電子駐車制動系統(tǒng)應該具備以下基本功能［18-20］:

1)施加駐車制動;

2)釋放駐車制動。

同時根據(jù)傳統(tǒng)“手剎”使用過程中容易出現(xiàn)問題的特定工況，實現(xiàn)特定工況下駐車制動的自動化功能，例如:

1)汽車起步時，自動釋放駐車制動;

2)汽車停車時，自動施加駐車制動;

3)駕駛員遺忘駐車時，自動施加駐車制動;

4)具備自動/手動控制模式切換，在復雜工況下實現(xiàn)駕駛員的干預控制。

電子駐車制動系統(tǒng)的自動化功能要具有但不限于以上4種功能，方能達到好的使用效果。

3 電子駐車制動控制參數(shù)

電子駐車制動系統(tǒng)為實現(xiàn)自動控制，需要對汽車的狀態(tài)信息進行采集，然后基于信號變化進行邏輯分析，判斷駕駛員對駐車制動狀態(tài)的需求，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行動作。為實現(xiàn)上文所述的電子駐車制動系統(tǒng)的4種自動化控制功能，系統(tǒng)需要采集的整車狀態(tài)信息包括以下幾種。

1)點火鑰匙

信號來源于汽車點火鑰匙開關，主要用于表征車電系統(tǒng)的電源是否接通、駕駛員是否意欲啟動車輛，其狀態(tài)信息及含義如表1所示。

表1 點火鑰匙開關信息Tab.1 Information of ignition key switch

2)發(fā)動機轉(zhuǎn)速

信號來源于發(fā)動機電控管理系統(tǒng)，主要用于表征發(fā)動機的當前工作狀態(tài)——著車或熄火，見表2。

表2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息Tab.2 Information of engine speed

3)發(fā)動機輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

信號來源于發(fā)動機電控管理系統(tǒng)，主要指發(fā)動機輸出給傳動系統(tǒng)的用于驅(qū)動汽車前行的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，見表3。

表3 發(fā)動機輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信息Tab.3 Information of engine output drive torque

4)離合器工作狀態(tài)

信號來源于離合器傳感器，主要表征離合器的當前工作狀態(tài)——分離或結(jié)合，見表4。

表4 離合器工作狀態(tài)信息Tab.4 Information of clutch working state

5)行車制動系統(tǒng)工作狀態(tài)

信號來源于行車制動系統(tǒng)氣壓開關，主要表征行車制動系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)——制動或無制動，見表5。

表5 制動工作狀態(tài)信息Tab.5 Information of braking operation state

6)駐車制動工作狀態(tài)

信號來源于駐車制動系統(tǒng)氣壓開關，主要表征駐車制動系統(tǒng)的當前工作狀態(tài):駐車制動或釋放，見表6。

表6 駐車制動工作狀態(tài)信息Tab.6 Information of parking brake working condition

7)檔位

對于手動檔變速器，其檔位信號通過倒檔和空檔兩個檔位開關信息進行判斷，如表7所示。

表7 手動檔變速器檔位信息Tab.7 Information ofmanual transmission gear

8)路面傾斜角度

通過傾角傳感器測量汽車車身的傾斜角度。由于路面傾斜角度難以實時測量，可將車身的傾角信息進行處理之后作為路面傾斜角度用于系統(tǒng)控制。

9)其他信息

為提高系統(tǒng)控制的安全性，或增加系統(tǒng)的附加功能，還可以對車身的若干信息進行采集，例如:車門是否關閉、發(fā)動機艙蓋是否關閉、后備艙蓋是否關閉、安全帶是否連接等。

4 電子駐車制動系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)氣壓式駐車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，設計氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)由1個電磁閥取代傳統(tǒng)的手控閥，同時加裝相應的氣壓傳感器，對駐車制動氣室內(nèi)的氣壓進行檢測，另加裝相應的信號顯示裝置和電控按鈕。EPB電控單元通過CAN網(wǎng)絡與汽車其他電控系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享，例如:發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門信號等相關信息，同時電控單元也可以自行采集和檢測相關的汽車信息，例如:變速器檔位、換檔手柄、制動信號等，對汽車的行駛狀況進行判斷，進而形成控制邏輯，驅(qū)動電磁閥動作，實現(xiàn)對駐車制動的控制。

圖4 氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of pneumatic electronic parking brake system

4.2 控制電磁閥

駐車制動系統(tǒng)長期工作在2種狀態(tài):駐車制動或駐車釋放，因此氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的控制電磁閥應該具備2種工作狀態(tài):第1種狀態(tài)可以實現(xiàn)駐車制動;第2種狀態(tài)可以實現(xiàn)駐車釋放。同時，車輛處于駐車制動狀態(tài)時，車電系統(tǒng)斷電，在該狀態(tài)下電磁閥需要依然能夠?qū)崿F(xiàn)車輛保持在駐車制動狀態(tài);在車輛處于駐車制動釋放狀態(tài)時，電磁閥在斷電工況下也需能夠保持駐車制動系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)。

為此，選擇了二位三通式雙線圈電磁閥作為氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的控制電磁閥，如圖5所示。該電磁閥兩端的電磁線圈用于控制電磁閥的2種工作狀態(tài)，當線圈1上電后，A端與B端導通，P端處于截止狀態(tài)，線圈1斷電后，電磁閥保持當前狀態(tài)不變，直至線圈2上電;當線圈2上電后，A端與P端導通，B端截止，線圈2斷電后，電磁閥保持當前狀態(tài)不變，直至線圈1上電。將A，B，P端口分別連通到繼動閥、汽車儲氣罐和大氣。通過該閥就可以實現(xiàn)氣壓式駐車制動系統(tǒng)的控制，并且駐車制動的釋放和施加僅需要線圈1、線圈2的短期上電，無需長期給電磁閥提供電能。

圖5 電磁閥原理圖Fig.5 Principle diagram of the solenoid valve

5 控制策略設計

以實現(xiàn)中/重型汽車駐車制動系統(tǒng)的自動化控制、降低駕駛員的操縱復雜度和難度為目的，設計了系統(tǒng)的自動控制功能，如圖6所示。

根據(jù)駕駛員的駕駛需求和意愿，系統(tǒng)設計了手動/自動切換功能、自動駐車制動功能、自動駐車解除功能、防遺忘功能、坡道起步輔助功能等，可以滿足汽車的實際使用需求。

以汽車的自動駐車制動功能和自動駐車釋放功能為例，來說明系統(tǒng)的控制策略邏輯。

圖6 系統(tǒng)控制功能示意圖Fig.6 Structure diagram of system controlling functions

1)自動駐車制動控制策略

自動駐車制動功能是指當駕駛員將汽車停穩(wěn)之后，系統(tǒng)判斷駕駛員需要將汽車停駐在原地，則對車輪施加駐車制動。該功能基于車速信號、檔位信號和路面傾斜角度等信息進行相關判斷，當前車況符合控制條件，則驅(qū)動駐車制動電磁閥，施加駐車制動。其控制軟件流程圖如圖7所示。

2)自動釋放駐車控制策略

自動釋放駐車功能是指當駕駛員意欲將汽車駛離時，由系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、檔位、路面傾斜角度等信息進行判斷，符合控制條件，則驅(qū)動電磁閥，釋放駐車制動，其控制軟件流程圖如圖8所示。

圖7 自動駐車制動控制流程圖Fig.7 Flow chart of automatic parking brake control

圖8 自動釋放駐車控制流程圖Fig.8 Flow chart of automatic release parking control

6 試驗

選擇了某中型客車作為試驗車，在試驗車上加裝了氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)，安裝了電控單元、駐車制動電磁閥、駐車制動按鈕等裝置，并且對原車的氣管路和電纜做了相應的改裝，試驗車及其電子駐車制動系統(tǒng)如圖9所示。

在試驗車上針對系統(tǒng)的諸項功能進行了實車試驗驗證，得到相關的試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的自動駐車和自動釋放試驗數(shù)據(jù)如圖10 a)、圖10 b)所示。

圖9 試驗車及其電子駐車制動系統(tǒng)Fig.9 Testing vehicle and its electronic parking brake system

圖10 a)為自動駐車制動試驗數(shù)據(jù)，如圖所示，車輛停車之后，駕駛員踩下離合器踏板于33.70 s將檔位摘至空檔，并于33.75 s將離合器踏板抬起，系統(tǒng)開啟駐車制動電磁閥，對駐車制動氣缸進行放氣操作，于33.88 s氣管路中的氣壓信號轉(zhuǎn)變，駐車制動完畢，電磁閥斷電，車輛進入駐車制動狀態(tài)。圖10 b)所示為自動釋放駐車的試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測到在29.4 s駕駛員踩下離合器，并于29.5 s掛上前進檔，當前進路面為平直路面時(路面傾斜角度接近0°)，因此啟動釋放功能，系統(tǒng)開啟駐車釋放電磁閥，對駐車制動氣缸進行充氣操作，于30.24 s氣管路中的氣壓信號轉(zhuǎn)變，駐車制動解除完畢，電磁閥斷電，完成駐車制動釋放。

圖10 實車試驗數(shù)據(jù)Fig.10 Testing data of real vehicle

7 結(jié)語

在中/重型汽車的氣壓式駐車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功用分析基礎之上，提出了氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的功能需求，提取了系統(tǒng)的控制參數(shù)，設計了基于2位3通雙線圈電磁閥的氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的總體方案，提出了系統(tǒng)的控制策略，編寫了控制軟件，試制了樣機并安裝于試驗車上，進行了實車試驗驗證，證明氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)的設計方案和功能規(guī)劃是切實可行的。

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