本文首發(fā)《汽車測試報(bào)告》，由作者授權(quán)本公眾號(hào)發(fā)布。
《汽車測試報(bào)告》期刊投稿請(qǐng)點(diǎn)擊

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國汽車保有量不斷增加，尤其是商用車產(chǎn)銷量快速增長，為商業(yè)運(yùn)輸、工業(yè)建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)商用車制動(dòng)系統(tǒng)存在制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長、制動(dòng)不平穩(wěn)等問題，而新一代EBS制動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電控制動(dòng)，很好地解決汽車駕駛過程中司機(jī)經(jīng)驗(yàn)不足、傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長等問題。該文分析新一代EBS制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)應(yīng)用于EBS系統(tǒng)的單通道橋控模塊進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：EBS；制動(dòng)系統(tǒng)；單通道橋控模塊

作者簡介：
李傳武，瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司工程師，研究方向?yàn)槠囍圃焐a(chǎn)；
曾云檉，瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司工程師，研究方向?yàn)槠囍圃焐a(chǎn)；
楊柳，瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚵悴考O(shè)計(jì)；
王鮮艷，瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囍圃焐a(chǎn)；
史延濤，瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。

1 項(xiàng)目概況

在經(jīng)濟(jì)大發(fā)展背景下，汽車工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，關(guān)系到車輛行駛安全。在相關(guān)交通事故中，由駕駛員駕駛操作問題引發(fā)的交通事故占絕大多數(shù)，由制動(dòng)系統(tǒng)不靈敏、制動(dòng)力分配不均勻等問題引發(fā)的交通事故，也占很大一部分比例。商用車制動(dòng)系統(tǒng)主要分為純機(jī)械閥類制動(dòng)系統(tǒng)、純機(jī)械閥加 ABS 電磁閥類制動(dòng)系統(tǒng)、電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（簡稱 EBS）3 類 [1]。純機(jī)械閥類制動(dòng)系統(tǒng)是較為原始的制動(dòng)系統(tǒng)，商用車在最開始的時(shí)候裝的是這類系統(tǒng)，缺點(diǎn)是制動(dòng)響應(yīng)慢，對(duì)司機(jī)的駕駛技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)要求較高，車輛制動(dòng)效果全憑司機(jī)腳感，輸出的制動(dòng)力大小不穩(wěn)定。純機(jī)械閥加ABS電磁閥類控制系統(tǒng)是在原純機(jī)械閥類制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在車輛前橋及后橋增加ABS電磁閥，形成4S/4M或6S/6M等配置，前橋增加ABS電磁閥能夠使車輪具有防抱死功能。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Antilock Brake System，簡稱ABS），作用是在汽車制動(dòng)時(shí)，根據(jù)傳感器發(fā)出的車輪速度信號(hào)，以最短時(shí)間判定車輪的鎖死狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)氣室的壓力進(jìn)行控制，使車輪不被抱死，處于邊滾邊滑的狀態(tài)，以保證車輪與地面的附著力在最大值。但ABS并不會(huì)增加或者減少車輛的制動(dòng)力，無法實(shí)現(xiàn)整車電子制動(dòng)力的分配。電子控制制動(dòng)系統(tǒng)EBS（Electronically Controlled Brake System）應(yīng)運(yùn)而生，能夠解決上述問題。EBS系統(tǒng)采用電子化方式控制，系統(tǒng)中的閥類高度集成，減少了制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，結(jié)合ABS輪速傳感器、氣壓傳感器、橫擺率傳感器等配置，能夠解決制動(dòng)力分配問題，實(shí)現(xiàn)牽引車與掛車之間的制動(dòng)一致性。同時(shí)，結(jié)合橫擺率傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器及ABS，可以實(shí)現(xiàn)汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC），提升車輛行駛的側(cè)向穩(wěn)定性[2]。而單通道橋控模塊作為該系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一，它的質(zhì)量直接影響到EBS制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。2 項(xiàng)目背景2.1 國外研究現(xiàn)狀國外對(duì)EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)起步較早，大部分主機(jī)廠已裝有最新的EBS電子制動(dòng)控制系統(tǒng)。電子制動(dòng)控制系統(tǒng)主要由中央控制模塊、單通道橋控模塊、雙通道橋控模塊、ABS電磁閥、電控掛車控制閥、制動(dòng)信號(hào)輸出器等零部件組成[3]。當(dāng)駕駛員促動(dòng)制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)信號(hào)輸出器內(nèi)置的位移傳感器記錄駕駛員踩踏板的速度和踏板的行程，并將此信號(hào)傳送中央控制模塊，中央控制模塊根據(jù)輸入信號(hào)判斷駕駛員需求的減速度。另外，中央控制模塊根據(jù)整車重量、相應(yīng)的每根軸的載荷、輸入的制動(dòng)器單位壓力下的制動(dòng)扭矩計(jì)算出此減速度對(duì)應(yīng)的每個(gè)制動(dòng)氣室需要的制動(dòng)壓力。中央控制模塊通過EBS系統(tǒng)內(nèi)部CAN總線發(fā)出相關(guān)指令控制單通道橋控模塊、單通道橋控模塊等，控制各個(gè)車輪制動(dòng)氣室輸出相應(yīng)的制動(dòng)壓力。目前，國外WABCO公司也推出了EBS系列產(chǎn)品，其EBS單通道橋控模塊內(nèi)置進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、備壓電磁閥及壓力傳感器，接收來自中央控制模塊的指令，進(jìn)行制動(dòng)壓力實(shí)時(shí)控制，避免安全事故出現(xiàn)。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前，EBS系統(tǒng)在國內(nèi)汽車中的應(yīng)用有待加強(qiáng)，但很多汽車制造商在新推出來車型上都選配了EBS系統(tǒng)。在客車公交方面，已有選配EBS系統(tǒng)的車輛在銷售，不過年銷售量不大。雖然中國商用車市場廣闊，但中國的汽車產(chǎn)品還未大批量安裝EBS，所以市場前景廣闊。如今，汽車企業(yè)正積極尋找廠家開發(fā)EBS系統(tǒng)，國內(nèi)有幾家大的汽車制造商已經(jīng)開始和國外公司進(jìn)行合作，開展EBS在重型車中的應(yīng)用研究[4]。從歷史角度看，最近幾十年制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了非常大的變化，從20世紀(jì)60年代雙回路氣制動(dòng)系統(tǒng)和20世紀(jì)70年代感載比例閥的引入，到20世紀(jì)80年代ABS的引入，到目前為止，ABS系統(tǒng)已成為歐洲商用車的標(biāo)準(zhǔn)配置。3 EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有制動(dòng)力分配、減速度控制、制動(dòng)輔助控制、制動(dòng)蹄片磨損控制、主掛車一致性控制、坡道起步功能等，EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。這些功能的實(shí)現(xiàn)，離不開中央控制模塊、橋控模塊及相應(yīng)傳感器的協(xié)同配合，下面對(duì)EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)中的部分重要部件加以說明。

圖1 EBS電子控制制動(dòng)系統(tǒng)3.1中央控制模塊中央控制模塊是EBS的核心，相當(dāng)于人體的大腦，屬于級(jí)別較高的部件，具有識(shí)別駕駛員駕駛意圖、制動(dòng)力分配、直接控制EBS系統(tǒng)中的各個(gè)部件及控制牽引車與掛車制動(dòng)的協(xié)調(diào)同步性等功能。3.2 制動(dòng)信號(hào)輸出器制動(dòng)信號(hào)輸出器的特點(diǎn)主要有3點(diǎn)。第一，具有雙管路控制系統(tǒng)，當(dāng)其中一條機(jī)械氣管路失效時(shí)，另一條機(jī)械氣管路依然可以正常使用，確保車輛行駛過程中司機(jī)、乘客及車輛安全。第二，制動(dòng)信號(hào)輸出器具有電子制動(dòng)控制功能，但在密封性上略有不足，不過不會(huì)影響EBS電子制動(dòng)的效果。制動(dòng)信號(hào)輸出器主要是向中央控制模塊提供電信號(hào)，而不是氣信號(hào)[5-6]。第三，當(dāng)電子控制回路失效時(shí)，氣動(dòng)回路自動(dòng)啟動(dòng)，確保行駛中的車輛安全停車。3.3 EBS單通道橋控模塊EBS單通道橋控模塊內(nèi)置了1個(gè)獨(dú)立ECU、1個(gè)進(jìn)氣電磁閥、1個(gè)排氣電磁閥、1個(gè)備壓電磁閥、1個(gè)繼動(dòng)閥及1個(gè)壓力傳感器。其作用一般為控制前橋制動(dòng)氣室的制動(dòng)，通常與ABS電磁閥配合使用。3.4 EBS雙通道橋控模塊EBS雙通橋控模塊內(nèi)置了1個(gè)獨(dú)立ECU、2個(gè)進(jìn)氣電磁閥、2個(gè)排氣電磁閥、2個(gè)備壓電磁閥、2個(gè)繼動(dòng)閥及2個(gè)壓力傳感器。其作用一般為控制后橋制動(dòng)氣室的制動(dòng)，并具有ABS功能。4 EBS單通道橋控模塊關(guān)鍵技術(shù)在EBS電子制動(dòng)系統(tǒng)中，EBS具有常規(guī)制動(dòng)及電控制動(dòng)兩種功能。常規(guī)制動(dòng)一般在電控制動(dòng)失效狀態(tài)下才啟動(dòng)，車輛在正常行駛狀態(tài)下的制動(dòng)為電控制動(dòng)[7]。EBS單通道橋控模塊內(nèi)部設(shè)置了1個(gè)獨(dú)立ECU、1個(gè)進(jìn)氣電磁閥、1個(gè)排氣電磁閥、1個(gè)備壓電磁閥、1個(gè)繼動(dòng)閥及1個(gè)壓力傳感器，如圖2所示。當(dāng)車輛在行駛過程中需要制動(dòng)時(shí)，司機(jī)踩下制動(dòng)信號(hào)輸出器，制動(dòng)信號(hào)輸出器內(nèi)部的位移傳感器發(fā)出位移工作信號(hào)。制動(dòng)信號(hào)輸出器將位移工作信號(hào)傳遞給中央控制模塊，由中央控制模塊根據(jù)制動(dòng)信號(hào)輸出器內(nèi)置傳感器的工作信號(hào)，將行車制動(dòng)所需的壓力傳遞給EBS單通道橋控模塊內(nèi)置ECU。EBS單通道橋控模塊會(huì)接收到來自中央控制模塊的壓力工作信號(hào)，通過內(nèi)置的進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、備壓電磁閥、繼動(dòng)閥及壓力傳感器進(jìn)行壓力的增壓、保壓及減壓工作。EBS單通道橋控模塊將輸出口的工作壓力傳遞給制動(dòng)氣室，產(chǎn)生行車制動(dòng)使車輛停車。

圖2 EBS單通道橋控模塊原理圖EBS單通道橋控模塊中進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥及備壓電磁閥均是結(jié)構(gòu)相同的電磁閥。該類型電磁閥由電磁線圈、動(dòng)鐵芯、靜鐵芯及彈簧等組成。電磁閥的主要性能指標(biāo)包括電磁閥的溫升、電磁閥的響應(yīng)時(shí)間等。EBS單通道橋控模塊是EBS電子制動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心模塊，在車輛行駛過程中，司機(jī)每一次重剎車或點(diǎn)剎車，都將觸動(dòng)EBS單通道橋控模塊工作，內(nèi)部的電磁閥都會(huì)做相應(yīng)的動(dòng)作。電磁閥的每一次吸合，都會(huì)使電磁閥的線圈通電一次，尤其是車輛在長下坡路段，電磁閥通電工作更加頻繁。電磁閥線圈通電會(huì)產(chǎn)生溫升，長時(shí)間溫度過高的線圈將會(huì)使電磁閥性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將線圈燒毀，使EBS電子制動(dòng)控制系統(tǒng)失效。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要對(duì)電磁閥線圈溫升進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見式（1）。

在式（1）中，

是線圈的平均溫升，單位為℃；

是線圈在發(fā)熱情況下的溫度，單位是℃；

是線圈熱態(tài)電阻時(shí)周圍空氣溫度，單位為℃；

是線圈冷態(tài)電阻時(shí)周圍空氣溫度，單位是℃；

是線圈溫度為

時(shí)的電阻值，單位為Ω；

是線圈溫度為

時(shí)的電阻值，單位為Ω；是在0 ℃時(shí)被測線圈導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)。EBS單通道橋控模塊內(nèi)置電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，是EBS電子制動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)。進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥的響應(yīng)時(shí)間快慢，直接關(guān)系到EBS單通道橋控模塊內(nèi)置繼動(dòng)閥壓力建立與釋放的速度。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要對(duì)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算，可以采用AMESim軟件對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行有限元分析，用該軟件搭建EBS單通道橋控模塊局部系統(tǒng)管路圖。由AMESim軟件搭建EBS單通道橋控模塊局部系統(tǒng)管路圖分析出電磁閥建壓時(shí)間，如圖3所示。為了確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)零部件強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。圖4是采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)活塞強(qiáng)度進(jìn)行分析的結(jié)果。

圖3 電磁閥建壓時(shí)間EBS單通道橋控模塊內(nèi)置的壓力傳感器，實(shí)時(shí)將該模塊輸出口的氣壓值傳遞給EBS單通道橋控模塊的內(nèi)置ECU，內(nèi)置ECU根據(jù)內(nèi)置壓力傳感器反饋的氣壓值信號(hào)，對(duì)進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥進(jìn)行通斷電控制，從而準(zhǔn)確控制EBS單通道橋控模塊輸出口壓力，控制制動(dòng)氣室的壓力，達(dá)到穩(wěn)定停車的目的。EBS單通道橋控模塊11口接儲(chǔ)氣筒氣源，4口接制動(dòng)信號(hào)輸出器的輸出口，21口、22口接制動(dòng)氣室。司機(jī)踩下制動(dòng)信號(hào)輸出器，制動(dòng)信號(hào)輸出器輸出口氣壓到達(dá)EBS單通道橋控模塊4口的備壓電磁閥處。當(dāng)制動(dòng)信號(hào)輸出口內(nèi)置位移傳感器工作時(shí)，中央控制模塊將位移傳感器工作信號(hào)通過CAN傳遞給EBS單通道橋控模塊內(nèi)置ECU，內(nèi)置ECU控制備壓電磁閥通電工作，備壓電磁閥由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)。由于電信號(hào)傳遞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于氣壓信號(hào)的傳遞速度，所以備壓電磁閥通電工作時(shí)，制動(dòng)信號(hào)輸出器的輸出口的氣壓還未到達(dá)EBS單通道橋控模塊4口備壓電磁閥附近。備壓電磁閥在EBS電子制動(dòng)系統(tǒng)中是EBS單通道橋控模塊電控制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)相互切換的關(guān)鍵部件。備壓電磁閥通電工作時(shí)，截止來自制動(dòng)信號(hào)輸出器的輸出口的氣壓，使EBS單通道橋控模塊的增壓、保壓及減壓工作，由進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥來完成，以達(dá)到完成電控制動(dòng)的效果。當(dāng)備壓電磁閥不工作時(shí)，備壓電磁閥將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，將來自制動(dòng)信號(hào)輸出器的輸出口的壓力傳遞到EBS單通道橋控模塊4口附近。氣壓通過備壓電磁閥通道到達(dá)繼動(dòng)閥上腔，推動(dòng)活塞下移，使來自整車氣源1口的壓力輸出到2口，輸出口氣壓推動(dòng)制動(dòng)氣室產(chǎn)生行車制動(dòng)，使車輛停止。在EBS電子制動(dòng)系統(tǒng)中，EBS單通道橋控模塊進(jìn)行電控制動(dòng)時(shí)首先要對(duì)備壓電磁閥進(jìn)行通電工作。備壓電磁閥通電截止并阻止來自制動(dòng)信號(hào)輸出器的輸出口的壓力，是EBS單通道橋控模塊正常運(yùn)行的一個(gè)條件，目的是使來自4口的氣壓不能對(duì)繼動(dòng)閥上腔的氣壓進(jìn)行干擾。

圖4 活塞強(qiáng)度有限元分析備壓電磁閥、進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥均為二位二通電磁閥。在實(shí)現(xiàn)電子控制輸出管路增加的過程前，儲(chǔ)氣筒氣源壓力通過11口到達(dá)進(jìn)氣電磁閥處。EBS單通道橋控模塊內(nèi)置ECU控制進(jìn)氣電磁閥通電工作，此時(shí)11口氣壓到達(dá)進(jìn)氣電磁閥與排氣電磁閥之間，并且壓力處于繼動(dòng)閥上腔。由于活塞下行，壓力降低，11口氣壓流至2口最終到達(dá)制動(dòng)氣室，完成電控制動(dòng)。進(jìn)氣電磁閥通電工作是電控增壓的過程，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)進(jìn)氣壓力傳感器斷電，EBS單通道橋控模塊處于保壓狀態(tài)。由于此時(shí)進(jìn)氣電磁閥與排氣電磁閥均為常閉式二位二通電磁閥，常閉式二位二通電磁閥的特點(diǎn)是不通電時(shí)氣路處于截止?fàn)顟B(tài)，通電后氣路是導(dǎo)通的，并且通電后斷電氣壓依舊保持原來狀態(tài)。當(dāng)需要對(duì)輸出口壓力進(jìn)行減壓時(shí)，EBS單通道橋控模塊內(nèi)置ECU控制排氣電磁閥通電，完成減壓操作。EBS單通道橋控模塊在對(duì)輸出管路完成電控增壓、電控保壓及電控減壓的過程中，均是通過對(duì)備壓電磁閥、進(jìn)氣電磁閥及排氣電磁閥的通電、斷電來完成的。在電控制動(dòng)過程中，EBS輸出口的壓力傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出口壓力，并將監(jiān)測到的壓力信息實(shí)時(shí)傳遞到EBS單通道橋控模塊內(nèi)置ECU，由內(nèi)置ECU控制上述三種電磁閥完成相應(yīng)的控制操作，以達(dá)到對(duì)輸出口壓力進(jìn)行準(zhǔn)確控制的效果。5 結(jié)束語EBS單通道橋控模塊以其自身卓越的性能，在ESC、ACC等諸多汽車電控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，為商用車的電子化、智能化發(fā)展作出了一定貢獻(xiàn)，推動(dòng)了汽車行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁全.謝基晨.聶利衛(wèi).Amesim機(jī)電一體化仿真教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021:32.[2]陳艷霞.ANSYS Workbench 2020有限元分析:從入門到精通[M].電子工業(yè)出版社,2020:45.[3]瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司.一種EBS橋控裝置及安裝該裝置的汽車:CN201820347365.5[P]. 2018-11-23.[4]瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司.一種集成式EBS后橋制動(dòng)裝置及安裝該裝置的汽車:CN201820347817.X[P].2019-05-24.[5]瑞立集團(tuán)瑞安汽車零部件有限公司.帶節(jié)流功能的集成式EBS新型掛車閥:CN201810031627.1[P]. 2018-07-06.[6]金寧,周茂軍,康曉敏.CAD/CAM技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社.2010:37.[7]范偉軍,李君,翟儉超,等.EBS橋模塊檢測系統(tǒng)研究[J].中國測試,2020(1):140-146.

END

《汽車測試報(bào)告》征稿

投稿咨詢
投稿電話：021-64203691
投稿郵箱：marketing@auto-testing.net
投稿微信咨詢（備注投稿）：