苑　林，郭瑞玲，沈美岑Yuan Lin，Guo Ruiling，Shen Meicen（中國汽車技術(shù)研究中心，天津　300300）

裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動性能試驗與分析

苑林，郭瑞玲，沈美岑
Yuan Lin，Guo Ruiling，Shen Meicen
（中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

裝備機械式電子制動系統(tǒng)（EMB，Electronic Mechanical Brake System）的掛車的制動性能特性與常規(guī)制動系統(tǒng)性能有很大區(qū)別，EMB系統(tǒng)具有響應(yīng)時間短，制動效能高的特點，結(jié)合EMB制動系統(tǒng)的制動性能，搭建制動性能測試平臺，對裝備EMB系統(tǒng)的單軸和雙軸掛車進行試驗，從制動效能與制動協(xié)調(diào)性2個方面對裝備EMB系統(tǒng)的掛車整車制動性能進行評價，分析制動過程中的制動減速度、制動力和制動距離的變化情況；并依據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)對比EMB系統(tǒng)與常規(guī)制動系統(tǒng)，驗證EMB系統(tǒng)特性。

EMB系統(tǒng)；掛車制動；對比分析

0　引　言

汽車行業(yè)飛速發(fā)展，人們對車輛制動性能的需求不斷提升，制動系統(tǒng)的性能也隨之不斷提高，出現(xiàn)了很多新形式的制動系統(tǒng)[1-2]。大量的電子控制部件被引入到傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)當中，很大程度上優(yōu)化了制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提升了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的整體性能。近年來，電子制動系統(tǒng)正逐漸成為新型制動系統(tǒng)研究的主要方向。

電子制動系統(tǒng)主要分為液壓式電子制動系統(tǒng)（Electronic Hydraulic Brake System，EHB）和機械式電子制動系統(tǒng)（Electronic Mechanical Brake System，EMB）[3]。其中EHB是在傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行改進，將控制機構(gòu)改為電子控制，執(zhí)行機構(gòu)仍為液壓管路控制，因此EHB可以看做傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)到電子制動系統(tǒng)的過渡；而EMB則是將制動系統(tǒng)全部電子化，采用線控技術(shù)將電子控制機構(gòu)與機械執(zhí)行機構(gòu)直接相連，具有傳遞信號迅速，反應(yīng)靈敏的優(yōu)點。

對EMB電子制動系統(tǒng)的研究由來已久，EMB最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其研究成果正逐漸向汽車領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。國外對EMB應(yīng)用于汽車的研究起步較早，包括 Continental Teves，Siemens，Bosch，Haldex，Allied Signal，Delphi，Varity Lucas以及Hayes[4]等很多零部件廠商都對EMB系統(tǒng)進行了研究開發(fā)，衍生出很多成型的產(chǎn)品。經(jīng)過多年的研發(fā)與整車實車試驗，積累了大量的專利和試驗數(shù)據(jù)，同時也驗證了EMB作為汽車制動系統(tǒng)的可行性與安全性。EMB成為制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢已逐漸得到業(yè)界的肯定。

國內(nèi)對電子制動系統(tǒng)的研究起步相對較晚，僅有東風汽車、清華大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等科研機構(gòu)進行了一些相關(guān)的研究工作[5]。目前對EMB有很多基礎(chǔ)理論研究，且研究的焦點都集中在對EMB制動器結(jié)構(gòu)的分析計算方面，對于EMB系統(tǒng)應(yīng)用于整車的制動性能及試驗方法的研究還處于起步階段，尤其是對裝備EMB的實車制動性能的研究基本處于空白。文中對某型裝備EMB系統(tǒng)的掛車進行制動理論分析與制動性能研究。

1　EMB系統(tǒng)的特性

與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)相比，EMB系統(tǒng)有顯著的優(yōu)勢，其采用線控技術(shù)，電子控制機構(gòu)與機械執(zhí)行機構(gòu)直接相連，能夠大大縮短信號傳遞的時間，由于執(zhí)行機構(gòu)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電力取代，增大制動時的有效制動力，因此在縮短響應(yīng)時間的同時也進一步提升了制動性能。如圖1所示，以一輛40t的載貨車為例，裝有盤式制動器和EBS，在速度為90km/h時開始制動，其制動距離比采用ABS的鼓式制動器（制動壓力800kPa）制動系統(tǒng)縮短了45%左右，而裝備EMB系統(tǒng)的車輛能夠進一步縮短14%的制動距離[6]。

EMB系統(tǒng)主要分為制動模塊、制動控制器和電子踏板模塊3個部分。EMB系統(tǒng)每一個制動執(zhí)行機構(gòu)都有自己的制動力控制單元，而制動力控制單元所需的控制信號由中心控制模塊來提供，控制單元也通過執(zhí)行機構(gòu)獲得反饋回來的信號[7]。中心控制模塊通過電子踏板模塊傳感器、踏板力傳感器和踏板力模擬機構(gòu)等不同的傳感器獲取自己所需的變量參數(shù)，以此來識別駕駛員的意圖，經(jīng)過處理后將控制信號發(fā)送給每一個車輪的制動模塊電機，控制電機電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角產(chǎn)生所需的制動力以達到制動效果[8]，如圖2所示。

2　裝備EMB系統(tǒng)的掛車的制動試驗

EMB系統(tǒng)的性能與常規(guī)形式的制動系統(tǒng)有很大的不同，尤其是作為掛車制動系統(tǒng)，不但要保證掛車的制動效能，還要保證掛車列車的制動協(xié)調(diào)性。由于裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動力分配比較復(fù)雜，牽引車和掛車之間的相互作用對制動穩(wěn)定性也有比較大的影響。一方面掛車制動系統(tǒng)需要為掛車提供足夠的制動力以保證掛車有效的制動距離與制動減速度；另一方面，還需要將掛車的制動力與牽引車制動力比值控制在一定范圍內(nèi)保證掛車列車協(xié)調(diào)性。若掛車的制動力過小，同時牽引車前輪制動力大于后輪制動力時，可能出現(xiàn)跑偏；若牽引車前輪制動力小于后輪制動力時，可能出現(xiàn)折疊現(xiàn)象；若掛車的制動力過大，掛車可能會產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象，降低制動安全性。因此對于掛車列車來說，牽引車與掛車的制動力分配應(yīng)該處于合理范圍之內(nèi)，以保證掛車列車的制動效能和制動協(xié)調(diào)性。

2.1裝備EMB系統(tǒng)的掛車制動試驗方法

掛車列車制動試驗在車輛空、滿載2種狀態(tài)下，設(shè)計附著系數(shù)k大于0.8的高附著路面上進行，對其制動效能和制動協(xié)調(diào)性進行評價，其試驗過程如下[9]。

（1）對于制動效能，車輛以60km/h的速度緊急制動（掛車滿載和空載2種情況），通過車輛的速度變化曲線來計算掛車列車的充分發(fā)出的平均減速度（Mean Fully Developed Deceleration，MFDD）；

（2）對于制動協(xié)調(diào)性，試驗方法為車輛以60km/h的速度緊急制動（掛車滿載和空載2種情況），測量掛車的最大輪緣制動力TR與列車的MFDD值dm，檢驗掛車制動強度與牽引車/掛車列車平均最大減速度是否保持一致。

2.2EMB系統(tǒng)制動性能測試平臺搭建

為了評價EMB系統(tǒng)的制動效能和制動協(xié)調(diào)性，需要對試驗車輛的車速、減速度、制動距離、制動踏板力和制動力等物理量進行測試，根據(jù)上述的參數(shù)要求，設(shè)計并搭建如圖3所示的EMB系統(tǒng)制動性能測試平臺。測試平臺由可擴展多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車速傳感器、減速度傳感器、制動力傳感器和踏板力傳感器等組成。

針對“現(xiàn)在很多國際展都在萎縮，但是中國的大展卻越辦越好”的問題，陸長安副理事長認為，一方面是中國印刷市場強勢發(fā)展的態(tài)勢所致，另一方面說明協(xié)會舉辦的國際大展已經(jīng)具備品牌效應(yīng)。辦展的專業(yè)化、國際化水平不斷提升，也是展會市場強勢競爭、優(yōu)勝劣汰的結(jié)果。中國印刷及設(shè)備器材工業(yè)協(xié)會的展會，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，為我國印刷及印刷制造業(yè)搭建了一個國際技術(shù)交流、投資洽談的平臺，為我國成為印刷大國，并逐漸走向印刷強國做出了應(yīng)有的貢獻。

（1）可擴展多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要負責采集車速、減速度、制動距離、制動踏板力和制動力等數(shù)據(jù)[10]。其采樣頻率最高為50Hz，由各類傳感器測得的信號通過數(shù)據(jù)采集卡進入采集系統(tǒng)，由專門編制的程序采集并進行相應(yīng)的處理。

（2）GPS車速傳感器。主要由單片機和GPS接收模塊組成，使用外置天線通過GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號，單片機提取速度信號后，通過D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)車速從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)變。試驗使用的YT-1100型GPS車速傳感器精度為0.1km/h，外置天線通過磁力吸附的方式安裝在車外表面[11]。

（3）減速度傳感器。主要由陀螺儀和微處理器組成，陀螺儀通過固聯(lián)在車輛上來獲得絕對加速度，然后通過2次反向積分獲得車輛的制動減速度[5]。固聯(lián)陀螺儀時要安裝在車內(nèi)牢固可靠的位置，并保證陀螺儀在x、y、z方向調(diào)平，避免安裝誤差。

（4）制動力傳感器。主要由測試輪輞、滑環(huán)和輪輞適配器組成，傳感器安裝在輪輞適配器上，如圖4所示，通過滑環(huán)安裝在測試輪輞上，可測試車輪3個方向受到的力和力矩。測試采用6個獨立的電橋測量，各通道相互獨立，不受溫度變化和電磁干擾，可測范圍最大力：Fx，F(xiàn)z為53.4kN；Fy為26.7kN；最大扭矩：Mx，My，Mz為8.1kN·m[12]。

（5）踏板力傳感器。踏板力傳感器利用綁帶將壓電式測力傳感器固定在制動踏板上，其測量范圍0～1000N，測量精度0.1%FS。

3　制動試驗過程分析

試驗道路為平直路，路面清潔、干燥、平坦且用混凝土鋪裝；試驗路長度滿足測量需要，道路縱向坡度小于0.1%；試驗溫度：20℃；風速包括陣風不大于5m/s；被測車輛技術(shù)狀況應(yīng)符合該車型的技術(shù)條件，應(yīng)使用汽車生產(chǎn)廠家規(guī)定的輪胎，并充壓至測試質(zhì)量下的輪胎氣壓[13]。

3.1試驗車輛信息

表1　試驗樣車信息

對單軸試驗車（01#）與雙軸試驗車（02#）分別進行初速度60km/h的制動效能試驗和制動協(xié)調(diào)性試驗，采集包括制動初速度、制動距離、制動減速度、踏板力和輪緣制動力在內(nèi)的各項試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合EMB掛車制動的性能特性，分析試驗結(jié)果，如圖5和圖6所示。

3.2試驗結(jié)果分析

滿載狀態(tài)下2試驗車的MFDD分別為6.39m/s2和6.98m/s2，均達到5m/s2以上；同樣滿載時01#車的制動距離為44.3m，大于02#車的制動距離40.2m，2車的制動效能相當，雙軸掛車略高于單軸掛車，見表2。

表2　試驗結(jié)果匯總

從圖7中的制動力變化曲線可以看出，從制動踏板作用于制動器開始，制動力隨著踏板力增大而增大，均在0.05s內(nèi)達到最大值，小于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間。制動力經(jīng)過1～2個工作周期達到穩(wěn)定峰值，之后曲線形狀呈近似直線的形狀，但存在一定的波動，這是由于駕駛員踩踏板時的細微抖動造成的[14-15]。

如圖8所示，通過確定TR/PR與掛車列車dm的關(guān)系，判定列車的制動協(xié)調(diào)性，將所有軸的平均制動力相加求和得到TR，與PR相除后聯(lián)立牽引車的平均減速度dm組成數(shù)據(jù)點，判斷數(shù)據(jù)點在圖8中的位置。01#、02#樣車的試驗數(shù)據(jù)點均在標準劃定的合理范圍內(nèi)[7]。TR/PR與dm的關(guān)系曲線是由大量試驗數(shù)據(jù)通過分析得出的，本質(zhì)上是要求牽引車與掛車在制動過程中發(fā)出相同或者大小相近的減速度，最理想的狀態(tài)是二者的減速度完全一致；但是由于車輛狀態(tài)及路面等因素的影響，在實際的制動過程中，幾乎很難達到牽引車與掛車減速度完全一致，一定范圍內(nèi)的減速度差并不會引起明顯的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象；因此只要確定試驗數(shù)據(jù)點在圖8中處于合理位置即可保證掛車列車的制動協(xié)調(diào)性[8-9]。

4　EMB掛車與常規(guī)掛車制動效能對比分析

EMB制動系統(tǒng)的作用原理是通過將駕駛員的剎車動作轉(zhuǎn)化為電信號，并直接用該信號控制電動機帶動制動鉗作用從而產(chǎn)生制動效果[16-17]。傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動系統(tǒng)則是通過制動液或壓縮空氣進行能量傳導(dǎo)最終帶動制動器實現(xiàn)制動。結(jié)合試驗結(jié)果，對比二者的制動響應(yīng)時間，EMB制動系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，達到0.05s，而常規(guī)車輛的取值范圍一般在0.4～0.8s之間[18]；從制動效能來看，EMB掛車也達到了與常規(guī)制動系統(tǒng)車輛相同的數(shù)值級別，可以通過對比常規(guī)車輛與EMB車輛的制動距離和制動減速度等指標進行詳細的分析。

2011-2014年，通過在此試驗路面近20臺掛車制動試驗，收集了大量掛車制動試驗數(shù)據(jù)，見表3。通過將常規(guī)車輛的試驗結(jié)果進行匯總，用最小二乘法將數(shù)據(jù)擬合，從圖9中可以看到，裝備EMB系統(tǒng)的01#和02#試驗樣車的試驗結(jié)果與常規(guī)掛車的試驗結(jié)果處于同一數(shù)值分布區(qū)間，但裝備EMB系統(tǒng)掛車制動性能數(shù)據(jù)點均位于常規(guī)車輛制動性能數(shù)據(jù)點擬合曲線上方，且與相同質(zhì)量級別的常規(guī)制動系統(tǒng)掛車相比，其系統(tǒng)制動效能明顯高于常規(guī)車輛，13輛10t以下的車輛中僅有2輛MFDD值達到6.5m/s2左右，而01#和02#樣車MFDD值均達到6.2m/s2以上。

表3　常規(guī)掛車制動試驗數(shù)據(jù)

5　結(jié)　論

EMB制動系統(tǒng)應(yīng)用于掛車具有較高的可靠性，其響應(yīng)時間短，提高制動性能的同時，可以優(yōu)化制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著制動系統(tǒng)理論及結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，能夠進行試驗的裝備 EMB系統(tǒng)的試驗車輛樣本數(shù)量將不斷增加，今后的工作重點將集中在不斷進行數(shù)據(jù)更新完善上，得出更為準確合理的試驗方法和限值要求，進行深層的研究。

[1]汪洋，翁建生，張斌.車輛EMB制動系統(tǒng)發(fā)展簡介[J].輕型汽車技術(shù)，2006（3）：27-30.

[2]畢大寧.電動制動器在商用車上的應(yīng)用[C]//西南汽車信息．2013（7）：2-6.

[3]王玉群，林向陽，楊清林.汽車電子機械制動器（EMB）的發(fā)展研究[J].輕型汽車技術(shù)，2009（9）：21-23.

[4]儲陽，應(yīng)之丁，黃方慶.電磁制動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來[J].汽車與配件，2013（16）：56-58.

[5]蔡峰，吳昂鍵，畢大寧，等.電動機械制動(EMB)系統(tǒng)[J].2010（11）：38-40.

[6]張端軍，何仁，顧曉丹．車用電磁制動器制動力的計算與分析[J].汽車工程，2013，35（10）：904-907.

[7]宗長富，李偉，鄭宏宇，等.汽車列車電控制動系統(tǒng)制動力分配的控制算法[J].汽車工程，2011，33（10）：885-889.

[8]蔣大偉．電子駐車制動系統(tǒng)整車應(yīng)用研究[J].汽車工程師，2012（1）：58-62.

[9]余志生.汽車理論[M].第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[10]彭曉燕.汽車線控制動系統(tǒng)安全控制技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[11]謝東明，苑林，郭勇，等.裝備黏性聯(lián)軸器四驅(qū)車輛的ABS試驗方法研究[J].汽車工程，2013，34（3）：227-231.

[12]王勇，張雄，劉翰東.汽車輔助制動系統(tǒng)及試驗方法研究[J].客車技術(shù)與研究，2013（4）：30-33.

[13]左斌.汽車電子機械制動（EMB）控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[14]陳燎，張家龍，周孔亢.單軸掛車電磁制動器制動力的分析研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（11）：112-116.

[15]童成前.基于ECE法規(guī)的多軸汽車制動性能分析方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

[16]黃源.線控制動系統(tǒng)制動力分配策略研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[17]李幼德.輕型電子機械制動汽車防抱死制動系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[18]傅云峰.汽車電子機械制動系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

U467.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.04.007

1002-4581（2016）04-0027-06

2016-03-28