一种用于分散式电液制动系统的新型汽车制动执行器外文翻译资料
2022-11-09 16:08:39
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一种用于分散式电液制动系统的新型汽车制动执行器
马梁旭，于良耀，王志忠，宋健
- 清华大学汽车安全与能源国家重点实验室，北京100084）
摘要：本文介绍了一种新型的汽车制动执行器，一种被称为分散式电液制动系统（DEHB）的线控制动系统，这种系统用来取代传统的汽车制动系统。分散式电液制动系统（DEHB）的执行器由电动机替代传统真空助力器参与制动时的助力，使制动压力被线性控制得很快。因此，分散式电液制动系统（DEHB）具有响应速度快，控制性能好，结构简单的优点。首先，介绍了该系统执行机构和整个DEHB系统的概述。其次，基于一些制动理论来确保该新型执行机构对系统正常工作的可能性。第三，进行适当的动力学模拟，得到一些结果，显示不同参数的关系和制动的影响。最后，确定适当的参数，建立一个试验台，显示分散式电液制动系统（DEHB）在参数优化后可以在100ms内达到l3MPa的最大压力，同时，执行器能够在保持高压后快速降低压力。所有的台架测试结果都能满足车辆的设计要求和实际需求，并且该执行器可以提高未来的车辆制动性能。此执行器由于其线性制动性能，可广泛应用于再生制动系统。
关键词：车辆;线控制动;分散式电液制动系统;制动执行器
中图分类号：U463.5 文档编号：A 文章编号：1005-9113（2014）01-0001-06
1 引言
线控制动（BBW）是一种基于传统制动系统的新型电动制动技术，线控制动（BBW）能够实现准确的制动控制效果，并适应电动汽车，混合动力电动汽车中的再生制动系统的需要等等[1]。线控制动（BBW）技术的研究已经进行了20年[2]。
该技术被无人驾驶汽车的趋势和电动汽车的需要推动。 为了利用汽车在减速期间的再生制动来提高混合动力汽车的燃料经济性，混合动力汽车重要部件的设计标准[3-4]和一些控制策略被广泛研究[5]。 由于线控制动系统放弃了传统的液压制动阀[6]，可以避免非线性制动的影响，获得更平稳，更好的制动效果。分散式电液制动系统只是一种新型的线控制动系统，其线性制动性能可以帮助再生制动系统获得准确的制动转矩。 传统的制动系统不能获得如此精确的制动力，使得电动机不能在最佳状态下工作。由于分散式电液制动系统（DEHB）中的制动力被确定，制动器可以帮助电动机尽可能多地回收能量。
踏板力和踏板速度被踏板传感器转换成电子信号，然后电子控制单元处理可以控制执行器的信号。当前主流的线控制动系统分为两类：电液制动系统（EHB）[7]和电动机械制动系统（EMB）[8]。它们都有精确控制和快速响应的优点。 博世，大陆，天合和其他一些公司已经进行了一些研究，并生产了相同的初步产品[9]，但由于结构复杂，成本高，其产品还存在一些缺陷。
为了改善分散式制动系统的性能，我们提出了分散式电液制动系统（DEHB）。分散式电液制动系统（DEHB）的执行器使用电动机在主缸中直接产生液压压力。与电动机械制动相比，分散式电液制动系统（DEHB）采用液压管路在悬挂上灵活地布置执行器。因此，分散式电液制动系统（DEHB）具有隔绝热量和隔绝振动的优点。此外，与传统的电动液压制动相比，高压蓄能器被取消，并被电动机代替，排除了液体泄漏的风险，提高了系统的安全性能。同时，分散式电液制动系统（DEHB）具有结构简单的特点，减少了结构的要求。根据控制制动流体储存器和制动流体室之间的连接的方式，分散式电液制动系统（DEHB）可以被分成不同类型。车轮侧的分散式电液制动系统（DEHB）可根据电机和螺杆是否同轴而分为两种类型[10-11]。
然而，分散式电液制动系统（DEHB）最重要的部分是确定制动系统的整体性能的执行器。 例如，一些传统的电液制动产品仅仅因为执行器的缺陷而被召回。 因此，在本文中，我们将重点关注系统执行器的创新，其工作原理和一些实验结果也将被讨论。
2结构设计和制动原理
2.1 DEHB及其执行机构的结构
图1是分散式电液制动系统（DEHB）的概图，其由一个电子制动踏板单元，一个电子控制单元，一个直流电动机，一个滚珠丝杠，一个高压主缸，一个制动钳，一个传感器等组成。
图1 DEHB系统概图
图2是执行器主体的横截面，主要由直流电动机，滚珠丝杠，高压主缸，外壳，轴承，油箱和电磁阀组成[12]。 执行器的长度为大约30mm，其直径不大于15mm。 因此，执行器的尺寸满足车辆的要求。
2.2 制动原理
在本部分中，阐述了分散式电液制动系统（DEHB）的基本原理。首先，驾驶员踩下制动踏板，然后踏板传感器根据踏板力和踏板速度判断驾驶员的意图，以产生制动信号。然后，制动信号被传输到ECU，并且ECU将制动信号与传感器信号结合以通过内部控制算法计算期望的制动力。之后，ECU控制直流电动机以输出精确的转矩。固定电动机通过轴联接器与滚珠丝杠连接，因此滚珠丝杠的螺母只有一个自由度。螺母将推动顶杆和活塞的主轴做直线运动。主缸活塞使高压液体通过管道流入轮缸。最后，轮缸和制动钳将工作使车辆制动。相反，如果驾驶员释放制动踏板，则电动机将反向旋转，将主缸活塞拉回并释放压力。
图2 执行器主体横截面
3 模型
3.1 制动理论
本节总结了执行器的理论，为执行器的仿真模拟分析提供了理论依据，并且该模型将用于选择执行器的参数来设计真实测试台架。
- 主缸活塞位移与电动机角位移之间的关系为：
X=theta;l/2pi; (1)
其中x是主缸活塞的位移; theta;是电动机的角位移; l是滚珠丝杠的导程。
- 图3是关于制动轮缸的压力和所需的液体体积的关系的校准数据。
基于日期，我们可以得到轮缸压力和活塞位移的关系：
其中x0是用于消除制动器间隙的活塞的位移; dm是主缸活塞的直径。
3）液体在管道中流动时的压力损失：
其中Delta;pg是压力损失; f是摩擦系数; Lg是管道的长度; Dg是管道的直径; v是液体的流速。
4）负载转矩和主缸压力的关系：
其中Tload是负载转矩; Fa是工作面的压力; l是滚珠丝杠的导程; eta;1是螺杆的效率。
5）根据电机转速和转矩的需求设计永磁直流电机[14]。
图3 压力和体积的关系
逐步逼近用于获得电机最大效率点处的转矩和速度。
其中eta;是电机的最大效率; Teta;是电机最大效率点的转矩; eta;0是所需的最大速度。
恒定电动机的电动势是：
其中U是电源电压。
电机的电枢电阻为：
其中T0是空载转矩。
此外，还有一些计算公式的细节，如流体压力的局部损失，由于体积膨胀引起的管道压力损失等，这些方程都在模型中考虑。
3.2 动态仿真
考虑到不同参数之间可能相互影响，并且执行器的工作过程是动态的，我们不仅在MATLAB / Simulink的平台上建立一个完整的执行器仿真模型来调整关键参数，还提供了一个控制算法的实验平台。 首先根据真实车辆参数确定执行器的设计要求，然后使用理论公式独立建立每个模型，最后通过反馈链路构建执行器的整个仿真模型。
图4是执行器的仿真模型。 左上模块是电源和电机模块，然后电源和电机模块连接到联轴器，滚珠丝杠，主缸，管道，轮缸和制动模块。 所有模块的闭环由压力和扭矩的关系建立。 仿真模拟在一些条件下进行，车辆在高附着系数的道路上制动，并且我们没有考虑机械间隙，因为它不会产生太大的影响。
图4 动态仿真模型
然后基于仿真模型，进行了一些实验来调整结构参数，如电机参数，滚珠丝杠的导程，主缸直径等。 最终系统应满足设计要求：动作时间应小于0.1 s，最大制动压力高于10 MPa，电机功率尽可能降低。
3.3 物理模型
图5是基于上述理论和根据仿真结果的最佳参数来设计的执行器的实验台架。 通过设置实验台，一方面可以用来验证仿真模型的正确性，我们可以逐渐修改模型为控制算法奠定基础;另一方面我们可以知道是否整个系统可以满足制动的要求来进一步验证方案的可行性。
图5 执行器台架
4 结果与讨论
4.1模拟结果
仿真的主要目的是优化结构参数。 采用控制变量法绘制一些重要参数变化对仿真结果影响的曲线。 因此，我们可以获得优化参数的范围，然后降低电机的功率需求。
图6是主缸直径对系统性能的影响。 当主缸的直径太长或太短时，将导致系统性能的降低。 我么选择14mm至22mm之间的直径长度以进行一些测试。 从图6中的左侧子图可以清楚地看出，当直径增加时，电动机功率减小，但是当直径的长度为14mm或16mm时，电动机功率几乎相同。 但是当直径长度为20mm或22mm时，执行器不能实现制动效果，主要是由于扭矩极限。 因此，选择18mm作为主缸的直径最为恰当。
图6 主缸直径的影响
图7是滚珠丝杠导程对系统性能的影响。 4 mm / r，5 mm / r，10 mm / r的滚珠丝杆是常见的几种选择参数，均可以满足设计的要求。不同的导程可能对性能有不同的影响，4 mm / r的滚珠丝杠导程的功率是5 mm / r的滚珠丝杠导程的功率的两倍，但这种不同可以通过调整电机的参数来克服。从图7右边的子图中可以看出，10mm / r的滚珠丝杠导程不能满足要求，4mm / r的滚珠丝杠导程具有更好的制动效果。
图8是电枢电阻对性能的影响。在12V中，我们选择0.14欧姆，0.17欧姆，0.20欧姆，0.23欧姆的电阻。正如我们从图8中的左边子图中看到的，功率随时间的变化趋势几乎相同，但随着电阻的减小，功率将迅速增加。因此，在考虑降低功率要求的前提下，应尽可能增加电阻。根据图8中的右侧子图，可以看出这里的制动性能没有大的差别，但是当电阻为0.2欧姆或0.23欧姆时，系统不能满足制动减速的要求。因此，优选0.17欧姆的电阻。
图8 电枢电阻的影响
4.2 实验结果
图9是试验台的制动结果。 图9中的左侧子图示出了系统参数优化之后。 分散式电液制动系统（DEHB）可在100ms内稳定达到最大压力13MPa。 在保持高压一段时间后，执行器能够快速减小压力。 台式试验的所有效果都能满足设计要求，结果也反映出参数适当。
图9的右侧子图示出了三个实验的实验结果的一致性，并且该系统具有良好的制动性能重复性。 同时，通过比较实验结果和仿真结果，可以发现压力增加和减压时间几乎一致。 图9中的右侧子图显示，仿真的最大压力比实验的稍高，主要是因为一些电阻不能精确测量。 因此，可以确认仿真模型是准确的。
图9 台架实验结果
图10示出了阶跃响应实验。 输入压力在第四秒从0到2.5MPa，如红色虚线所示。 轮缸的压力如蓝色线所示随输入压力快速且稳定的变化。 因此，执行器具有良好的动态响应特性。
5 结论
本文简要总结了一种用于分散式电液制动系统的创新型执行器，无需真空助力器或高压源。 该系统可广泛应用于电动汽车和混合动力电动汽车中的再生制动系统。 执行器使用电机作为制动动力源和独特的加压结构，具有可调节制动特性的优点，结构简单，控制效果好等优点。
基于理论基础，建立了仿真模型，验证了仿真模型的准确性。 控制变量方法用于优化仿真模拟参数。 因此，仿真模型显著减少了设计时间并提高了设计效率。 在优化参数的基础上，构建了一个执行器的测试台。 在研究了台架试验的结果之后，可以确认分散式电液制动系统（DEHB）的执行器可以实现比传统制动系统更好的性能。
参考文献
[1 ] Yukio Ohtani, Toshiyuki Innami. Development of an electrically-driven intelligent brake unit. SAE Technical Paper, United States； SAE International, 2011. doi： 10. 4271/2011-01-0572.
[2] Wrede J, Decker H. Brake by wire for commercial vehicles.Journal of Commercial Vehicles, 1993, 101(2) ： 894not;903.
[3] Sun Hui, Jiang Jihai, Wang Xin. Energy control strategy for parallel hydrostatic trans mission hybrid vehicles. Journal of Harbin Institute of Technology ( New Series ), 2009,16(4)； 475-480.
[4] Liu Tao, Jiang Jihai. Regenerative braking for parallel hydraulic hybrid
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