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基于安全特性電子液壓制動前后軸制動力分配改進(jìn)方法

文檔作者：胡東海何仁文檔來源：江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月20日
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2016年(第38卷)第5期
汽車工程
Automotive Engineering 2016(V01．38)No．5
基于安全特性電子液壓制動前后軸
制動力分配改進(jìn)方法
胡東海，何仁
(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)
木
2016095
[摘要] 為提高電子液壓制動安全性能，本文中對前后軸制動力分配方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先研究ECE R13制
動法規(guī)對汽車前后軸制動力分配的影響，然后對電子液壓制動安全特性進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：電子液壓制動中
電機(jī)泵的作用頻次與制動需液量成正比；輸出相同的制動力矩的情況下，單獨(dú)使用后輪制動器比單獨(dú)使用前輪制動
器需要更少的制動液體積；在低于某一制動強(qiáng)度時，共同使用前后軸制動器時制動需液量大于單獨(dú)使用前軸制動
器；利用單側(cè)車輪的進(jìn)／出液閥控制左右兩側(cè)車輪制動器實施制動，可以降低高速電磁閥的使用頻次。最后基于上
述結(jié)論提出了基于安全特性的電子液壓制動的前后軸制動力分配改進(jìn)方法，并進(jìn)行NYCC循環(huán)工況的仿真。結(jié)果
表明，與理想制動力分配方法相比，采用所提出的改進(jìn)方法，電機(jī)泵和前軸進(jìn)／出液閥的作用頻次約降低50％，而后
軸進(jìn)／出液閥的使用頻次降低90％：
關(guān)鍵詞：電子液壓制動；制動力分配；安全特性；使用頻次
A Modified Method for Braking Force Distribution Between Front and
Rear Axles of Electro—hydraulic Brake Based Oil Safety Features
Hu Donghai&amp;amp;He Ren
School ofAutomobile and traffic Engineering，Jiangsu University,Zhewiang 212013
[Abstract] For improving the safety performance of electro—hydraulic braking(EHB)system，a modified
method for braking force distribution between front and rear axles is proposed in this paper。Firstly the influence of
ECE R1 3 braking regulations on vehicle braking foroe distribution between front and rear axles is studied．Then the
safety features of EHB system are analyzed with some conclusions drawn：The operating frequency of motor pump is
proportional to the total amounts of braking fluid required．Sole use of rear wheel brake requires less volume of braking
fluid than that with front wheel brake used only under same braking torque output．When braking intensity is
lower than certain value．concurrent use of both front and rear axle brakes needs more volume of braking fluid than
that with front axle brake used only．Using inlet and outlet valves of single wheel brake to control both left and right
wheel brakes can reduce the operating frequency of high—speed solenoid valve．Finally based on the above—men—
tioned conclusions，a modified method for braking fotee distribution between front and rear axles of EHB system iS
proposed and a simulation with NYCC cycle is conducted．The results show that compared with ideal braking force
distribution method，when the modified method is used the operating frequencies of the motor pump and inlet and
outlet valves in front axle reduce by 50％，while the operating frequency of the inlet and outlet valves in rear axle
reduces by 90％．
Keywords：EHB：braking force distribution；safety features；operating frequency
木國家自然科學(xué)基金(51275212)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程和江蘇省2014年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目
(KYLX一1025)資助。
原稿收到日期為2015年1月6日，修改稿收到日期為2015年4月7日。
萬方數(shù)據(jù)
汽車工程2016年(第38卷)第5期
日IJ吾
電子液壓制動(electronic hydraulic brake，
EHB)在原理上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液壓制動的缺陷，在功能
上適應(yīng)了汽車制動系統(tǒng)電氣化的發(fā)展趨勢，在技術(shù)
儲備和應(yīng)用成本上具有明顯的優(yōu)勢¨1。Bosch公司
最早于20世紀(jì)90年代在原有的ABS系統(tǒng)基礎(chǔ)上開
發(fā)出一套全新的EHB并裝車實驗，取得了令人滿意
的效果口J。隨后TRw，Delphi和Continental等公司
相繼開發(fā)出各自的EHB產(chǎn)品。截止到目前，國際上
著名的汽車零部件廠商仍在不斷研發(fā)新型的EHB產(chǎn)
品∞J，但EHB的推廣工作仍困難重重，其主要原因
為EHB本身作為一種傳統(tǒng)液壓制動向線控制動過
渡的產(chǎn)品，安全性一直被外界所質(zhì)疑，而且為了保證
高效的安全性所增加的成本也阻礙了EHB的普及。
現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于電子液壓制動的研究主要關(guān)
注兩個方面：一是電子液壓制動自身特性的研究；二
是電子液壓制動在功能上的拓展，包括更有效地實
現(xiàn)ABS／ASR／EBD／ESP等主動制動功能和與電機(jī)再
生制動和電磁制動聯(lián)合制動的規(guī)律研究MJ。文獻(xiàn)
[5]中進(jìn)行EHB硬件在環(huán)仿真，評估EHB動態(tài)特性，
研究得到能夠估計液壓調(diào)節(jié)器各個部件性能的方法；
文獻(xiàn)[6]在AMEsim中分別建立了EHB部件的數(shù)學(xué)
模型，如制動輪缸、電磁閥、直流電機(jī)、液壓泵等，通過
與實驗結(jié)果對比驗證模型的正確性。文獻(xiàn)[7]中提出
了基于EHB的車輪滑移率控制方法用于實現(xiàn)防抱死
制動，并在冰雪和干燥路面上進(jìn)行實車實驗；文獻(xiàn)[8]
中利用EHB實現(xiàn)汽車的穩(wěn)定性控制，提出了基于單
控制變量橫擺角速度的穩(wěn)窟f生控制策略，仿真結(jié)果表
明基于EHB穩(wěn)定性控制算法能有效控制車輛在高速
低附著路面工況下的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]中基于ECE
法規(guī)提出了電液復(fù)合制動系統(tǒng)的再生制動控制策略，
仿真結(jié)果表明該控制策略能在保證汽車制動安全性
的前提下提高汽車的制動能量回收能力；文獻(xiàn)[10]中
研究電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)在汽車穩(wěn)定性控制方
面的應(yīng)用，通過控制電磁制動器制動力矩的大小來
使汽車在制動時不會偏離原路徑行駛。
在電子液壓制動主要部件的質(zhì)量和可靠性確定
的前提下，通過改進(jìn)裝有EHB的汽車的前后軸制動
力分配方法以提高EHB的安全特性是值得深入研
究的新思路。為此，本文中首先研究ECE R13制動
法規(guī)對EHB前后軸制動力分配的影響；隨后分析了
電子液壓制動安全特性，提出了基于安全特性的
EHB前后軸制動力分配改進(jìn)方法。
1 電子液壓制動數(shù)學(xué)建模
Bosch公司的EHB如圖1所示，它包括4個主要
部分：制動操作單元、壓力調(diào)節(jié)單元、電子控制單元和
傳感器單元。制動踏板與車輪制動器之間沒有直接
的能量連接，制動操作單元用于模擬駕駛員的制動感
覺和感知駕駛員的制動意圖，并通過CAN總線將駕
駛員制動意圖傳遞給電子控制單元。電子控制單元
根據(jù)內(nèi)置的控制策略發(fā)出控制指令，控制壓力調(diào)節(jié)單
元實現(xiàn)駕駛員的制動意圖。電子液壓制動與傳統(tǒng)的
液壓制動相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)EHB能夠有效地縮
短制動響應(yīng)時間，在防抱死制動時制動踏板不存在脈
沖回振現(xiàn)象；(2)EHB能夠根據(jù)制動襯片磨損傳感器
的信息自動調(diào)整制動輪缸壓力，以保持良好的制動效
能；(3)EHB能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)4個制動輪缸的壓力，同
時結(jié)合“道路識別系統(tǒng)”和“車輛狀態(tài)識別系統(tǒng)”，對
汽車制動的整個過程進(jìn)行精確控制?J。
胖黔掣摯韉，
叼渺
卜一曲，睦向JJu速度傳感器
；；≯爹&amp;amp;b””蠢善參。j淺≮釅尹
幽1 Bosch公司開發(fā)的EHB
壓力調(diào)節(jié)單元如圖2所示，它包括液壓調(diào)節(jié)器、
盤式制動器、制動管路等。而液壓調(diào)節(jié)器則由高速
電磁閥(進(jìn)液閥和出液閥)、平衡閥、隔離閥、蓄能器
和電機(jī)泵等組成¨2。4I。打開進(jìn)液閥，關(guān)閉出液閥，
制動液從蓄能器通過進(jìn)液閥進(jìn)入制動輪缸實現(xiàn)增
壓。打開出液閥，關(guān)閉進(jìn)液閥，制動液從制動輪缸通
過出液閥返回制動液罐實現(xiàn)減壓。當(dāng)進(jìn)液閥和出液
閥均處于關(guān)閉狀態(tài)時，制動輪缸進(jìn)入保壓狀態(tài)。在
普通制動下，平衡閥保持常開，用于防止因左右側(cè)車
輪制動力不同造成的汽車制動跑偏現(xiàn)象；當(dāng)汽車進(jìn)
行主動制動需要單獨(dú)控制某側(cè)車輪制動力時，關(guān)閉
平衡閥由其對應(yīng)的進(jìn)液閥和出液閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在正
常制動狀態(tài)下隔離閥是關(guān)閉的，用于阻斷制動踏板
單元與摩擦制動器之間的能量連接，實現(xiàn)電子液壓
萬方數(shù)據(jù)
二坐壑蘭生塑塑堅三———』墮塑笙蔓立塞王室全堂王鎏堡型墊煎亙塾型塾壟坌堡墮壟查鎏：!!!：
制動系統(tǒng)功能上的解耦；在電子液壓制動系統(tǒng)失效
的情況下，隔離閥打開，制動主缸的制動液壓進(jìn)入前
軸摩擦制動器，使汽車保留一定的制動能力。
圖2 EHB結(jié)構(gòu)示意圖
2 制動法規(guī)對電子液壓制動前后軸力
分配的影響
在汽車制動過程中，前后軸的利用附著系數(shù)被
定義為
F，hJ
p z 2萬
式中：妒。為第i軸的利用附著系數(shù)；F。k為地面制動
力，N；巴為地面法向反作用力，N。顯然，利用附著
系數(shù)與制動強(qiáng)度越接近，地面的附著條件發(fā)揮的越
充分。制動時雙軸汽車受力如圖3所示。
圖3制動時雙軸汽車受力圖
由圖3可見，汽車前后軸受到的地面法向反作
用力。15。為
式中：2r，l，為汽車質(zhì)心到前后軸中心線的距離，m；。
為汽車制動強(qiáng)度；M為汽車總質(zhì)量，kg；h。為汽車質(zhì)
心高度，m；2為汽車軸距，m。
汽車前后軸地面制動力為
p 2籮．、(3)tF如=Gz(1一口) 、7
式中盧為制動器制動力分配系數(shù)。
根據(jù)式(2)和式(3)可以求得前軸和后軸的利
用附著系數(shù)分別為
r蔗、㈩
k等等
一7
k≤等半
似≤磕半∞’
。驢r>驢，
盧≥≤l一～墜(z+等0．0等7)(／型f-zhs) (6)085zl 、。7
f一+z^
>L廣
代人整車參數(shù)后可以得到前后軸制動力分配系
制動j雖度
圖4滿足ECE法規(guī)的制動力分配
系數(shù)與制動強(qiáng)度關(guān)系曲線
2
F
g
施
撫
+
一
G～，G一，
=
=
■
，●-J，、【 ■
萬方數(shù)據(jù)
·590· 汽車工程2016年(第38卷)第5期
卜地? ㈩k：。魄華
前軸地面制動力／N
圖5汽車?yán)硐胫苿恿Ψ峙淝€
3 EHB安全特性分析
3．1 EI璃的安全特性分析
雖然相對電子機(jī)械制動系統(tǒng)，EHB具有一條備
用制動回路可以在其供能裝置失效的情況下，提供
汽車一定的制動能力。但是EHB作為一種機(jī)電液
一體化系統(tǒng)，其功能的實現(xiàn)依賴于它的主要部件的
性能，包括電子控制單元(電子電路)、壓力調(diào)節(jié)單
元(高速電磁閥、電機(jī)泵)、傳感器(壓力傳感器)等。
這些主要部件有些是高精密元件，有些則對工作環(huán)
境要求苛刻；任何一個部件的損壞，不僅會造成維修
和使用成本的增加，嚴(yán)重的甚至?xí)斐扇藛T財產(chǎn)的
損害‘n181。
根據(jù)美國高速公路安全管理局統(tǒng)計分析，對于
防抱死制動系統(tǒng)而言，平均每輛汽車在1萬次制動
中，高速電磁閥和回油泵僅工作1。4次，但是在防抱
死制動系統(tǒng)設(shè)計之初仍要求高速電磁閥和回油泵具
有很高的疲勞壽命以保證其可靠性。而對于EHB，
高速電磁閥和電機(jī)泵除了需要完成頻繁的普通制動
外，還要保證其在緊急制動工況下，仍能保證高的安
全性能。為了克服存在的潛在風(fēng)險，必須提高電機(jī)
泵和高速電磁閥的疲勞壽命和可靠性，這將大幅度
增加EHB的成本，這也是阻礙EHB廣泛使用的一
個重要原因。
3．2電機(jī)泵的作用頻次
不同于ABS或ESP液壓調(diào)節(jié)單元中的回油泵，
汽車在城市中行駛時制動很頻繁，EHB工作時需要
蓄能器不斷地向車輪制動器提供制動液。當(dāng)蓄能器
的氣體壓力低于規(guī)定的下限值時，電機(jī)泵開始工作
并向蓄能器加壓。因此有必要研究影響電機(jī)泵作用
頻次的因素，因為電機(jī)泵過高的作用頻次會導(dǎo)致其
提前達(dá)到疲勞極限而失效。
根據(jù)上面的分析，首先須要考察在制動時需液
量的計算方法。對于制動輪缸而言，其增壓過程可
以分為兩個階段。第一階段為消除制動襯片與制動
盤之間制動間隙的空行程階段，此時制動輪缸的壓
力平衡方程為
d2X。dX．
pcAc=mc i+日c尋+(暢+墨)Xc(8) tit．, ub
式中：P。為制動輪缸的壓力，Pa；m。為活塞的質(zhì)量，
kg；B。為活塞在輪缸中運(yùn)動的阻尼系數(shù)；K為回位彈
簧的剛度，N／m；墨為制動盤等效的彈簧剛度，N／m。
隨后是制動襯片與制動盤產(chǎn)生變形的穩(wěn)定增壓
階段，此時活塞的運(yùn)動輸出可以忽略，主要考慮輪缸
中制動液的壓縮性和制動器的彈性形變，則制動輪
缸的流量連續(xù)性方程為
。K dp。
Qc 2云‘詈(9)
式中：K為制動輪缸液體體積，m3；＆為制動輪缸的
等效體積彈性模量，Pa。
在制動空行程階段，制動輪缸中壓力變化緩慢，
因此忽略液壓的動態(tài)影響，假設(shè)：
萬方數(shù)據(jù)
2016(V01．38)No．5 胡東海，等：基于安全特性電子液壓制動前后軸制動力分配改進(jìn)方法·591·
等～ ㈣，
百dXc=0
將式(8)兩邊乘以制動輪缸截面積，得到在制
動空行程階段制動輪缸的需液量為
％=。等^2 (11)
-rL．C T n8
同時對式(9)兩邊同時求積分得到在穩(wěn)定增壓
階段制動輪缸的需液量為
vcw=flc,v

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