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汽車液壓制動系統(tǒng)的發(fā)展
張海燕
（河北科技師范學(xué)院 機(jī)械電子系 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化）
摘要:闡述了汽車制動控制統(tǒng)統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,著重分析了人力液壓制動系統(tǒng)的工作原理,討論了ABS防抱死系統(tǒng)的魯棒性和BBW系統(tǒng)的基本原理,介紹了液壓制動系統(tǒng)中液壓油的使用要求。
關(guān)鍵詞:制動系統(tǒng);制動缸;制動控制
從汽車自問世以來,制動系統(tǒng)在車輛行車和駐車的安全方面扮演著至關(guān)重要的角色.近年來,隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和汽車行駛速度的提高,這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯.眾多的汽車工程師在改進(jìn)汽車制動性能的研究中傾注了大量的心血.目前關(guān)于汽車制動的研究主要集中在制動控制方面[1],包括制動控制的理論和方法,以及新技術(shù)推廣應(yīng)用.。
1．制動系統(tǒng)的歷史
對汽車的制動作用.由于那時的車輛的重量比較小,速度比較低,機(jī)械制動也能滿足車輛制動的需要,但隨著汽車自身重量的增加,助力裝置對機(jī)械制動器來說已顯得十分必要.于是開始出現(xiàn)了真空助力裝置.1932年生產(chǎn)的質(zhì)量為2860kg的凱迪拉克轎車四輪采用直徑419.1mm的鼓式制動器,并有制動踏板控制的真空助力裝置.林肯公司也在同年推出同種類型的轎車,該車采用了通過四根軟索控制真空助力器的鼓式制動器[2].
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展,尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展,車輛制動有了新的突破,液壓制動是繼機(jī)械制動后的又一重大突破.DuesenbergEight車率先使用了轎車液壓制動器.克萊斯勒的四輪液壓制動器于1924年問世.通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動技術(shù).到20世紀(jì)50年代,液壓助力制動器開始在制動系統(tǒng)中應(yīng)用[3].
20世紀(jì)30年代后期,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,世界汽車技術(shù)領(lǐng)域最顯著的成就是ABS防抱死制動系統(tǒng)(antilockbrakingsystem)[1]的使用和推廣.ABS集微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、液壓控制技術(shù)為一體,是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品.它的使用大大提高了汽車的主動安全性和操縱性.防抱死控制裝置一般包括三部分:傳感器、控制器(ABSECU)與壓力調(diào)節(jié)器.傳感器接受運動參數(shù),如車輪角速度、角加速度、車速等傳送給控制裝置,控制裝置進(jìn)行計算并與規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比較后,給壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出指令.
1936年,博世公司申請一項電液控制的ABS裝置專利,促進(jìn)了防抱死制動系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用.1969年福特使用了真空助力的ABS制動器;1971年,克萊斯勒車采用了四輪電子控制的ABS裝置.這些早期的ABS裝置性能有限,可靠性不夠理想,且成本高.
1979年,默·本茨推出了一種性能可靠、帶有獨立液壓助力器的全數(shù)字電子系統(tǒng)控制的ABS制動裝置.1985年美國開發(fā)出帶有數(shù)字顯示微處理器、復(fù)合主缸、液壓制動助力器、電磁閥及執(zhí)行器“一體化”的ABS防抱死裝置.隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的出現(xiàn),以及電子信息處理技術(shù)的高速發(fā)展,ABS已成為性能可靠、成本日趨下降的具有廣泛應(yīng)用前景的成熟產(chǎn)品.一些國家和地區(qū)(如歐洲、日本、美國等)已制定法規(guī),使ABS成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備[4].
2.制動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)的主要特點是能均勻分配油液壓力.當(dāng)制動踏板踏下時,制動主缸就將等量的油液送到每個制動器的制動輪缸中,并通過一個比例閥使前后平衡.而ABS或其他制動干預(yù)系統(tǒng)則根據(jù)每個制動器的需要對油液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié).目前ABS系統(tǒng)已發(fā)展成為成熟的產(chǎn)品,并在各種車輛上得到了廣泛的應(yīng)用,但是這些產(chǎn)品基本都是基于車輪加、減速門限及參考滑移率方法設(shè)計的.方法雖然簡單實用,但是其調(diào)試比較困難,不同的車輛需要不同的匹配技術(shù),在許多不同的道路上加以驗證.
制動控制系統(tǒng)的重要問題在于控制的穩(wěn)定性,即系統(tǒng)魯棒性(robustness),應(yīng)保證在各種條件下制動系統(tǒng)的控制作用不失效.防抱死系統(tǒng)要求高可靠性,否則會導(dǎo)致人身傷亡及車輛損壞.因此,發(fā)展魯棒性的ABS控制系統(tǒng)成為關(guān)鍵所在.現(xiàn)在,多種魯棒控制系統(tǒng)都應(yīng)用到ABS的控制邏輯中來[4].除了傳統(tǒng)的邏輯門限方法外,增益調(diào)度PID控制、變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制是常用的魯棒控制系統(tǒng),是目前所采用的以滑移率為目標(biāo)的連續(xù)控制系統(tǒng).模糊控制法是基于經(jīng)驗規(guī)則的控制,與系統(tǒng)的模型無關(guān),具有很好的魯棒性和控制規(guī)則的靈活性,但調(diào)整控制參數(shù)比較困難,尚無理論計算公式,基本上是靠試湊的方法.然而對大多數(shù)基于目標(biāo)值的控制而言,控制規(guī)律有一定的規(guī)律.
車輪的驅(qū)動打滑與制動抱死是很類似的問題.在汽車起動或加速時,因驅(qū)動力過大而使驅(qū)動輪高速旋轉(zhuǎn)、超過摩擦極限而引起打滑.此時,車輪同樣不具有足夠的側(cè)向力來保持車輛的穩(wěn)定,車輪切向力也減少,影響加速性能.由此看出,防止車輪打滑與抱死都是要控制汽車的滑移率,所以在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展了驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)[6].ASR是ABS的邏輯和功能擴(kuò)展.ABS在增加了ASR功能后,主要的變化是在電子控制單元中增加了驅(qū)動防滑邏輯系統(tǒng),來監(jiān)測驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速.ASR大多借用ABS的硬件,兩者共存一體,發(fā)展成為ABS/ASR系統(tǒng).
今天,ABS/ASR已經(jīng)成為歐美和日本等發(fā)達(dá)國家汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,并且已在歐洲新載貨車中普遍使用,歐共體法規(guī)EEC/71/320已強(qiáng)制性規(guī)定在總質(zhì)量大于3.5t的某些載貨車上使用,重型車輛首先裝用的.隨著技術(shù)的成熟和發(fā)展,現(xiàn)在的高級轎車也開始采用ABS/ASR系統(tǒng).然而ABS/ASR只是解決了緊急制動時附著系數(shù)的利用,可獲得較短的制動距離及制動方向穩(wěn)定性,但是不能解決制動系統(tǒng)中的所有缺陷.
3.制動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
經(jīng)過一百多年的發(fā)展,汽車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本固定下來.隨著電子技術(shù),特別是大規(guī)模、大規(guī)模集成電路的發(fā)展,汽車制動系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化.凱西-海斯(K-H)公司在一輛實驗車上安裝了一種電-液(EH)制動系統(tǒng),該系統(tǒng)徹底改變了制動系統(tǒng)的工作原理.通過采用4個比例閥和電力電子控制裝置,該系統(tǒng)能處理基本制動、ABS、牽引力控制、巡航控制制動干預(yù)等情況,而不需增加任何一種附加裝置.該系統(tǒng)潛在的優(yōu)點是比標(biāo)準(zhǔn)制動器能更加有效地分配基本制動力,從而使制動距離縮短5%.一種完全無油液、完全通過電路控制的BBW(Brake-By-Wire)[7]系統(tǒng)的開發(fā)將使傳統(tǒng)的液壓制動控制系統(tǒng)成為歷史.
BBW系統(tǒng)是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向.全電制動系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng),因為其傳遞的是電流,而不是液壓油或壓縮空氣,可以省去許多管路和傳感器,縮短制動反應(yīng)時間.
4.汽車制動液的使用
制動液是液壓制動系統(tǒng)的重要組成部分,它的質(zhì)量好壞對制動系統(tǒng)的工作可靠性有很大的影響.因此制動液應(yīng)具有高溫下不易液化、低溫下流動性良好、吸水性差而溶水性良好、能潤滑液壓系統(tǒng)的運動件而不會使其腐蝕,不會使橡膠件發(fā)生膨脹、變硬和損壞等特點.
在選用制動液時應(yīng)根據(jù)制動系統(tǒng)是否安裝ABS裝置來選擇.因為沒有安裝ABS的車輛在緊急制動時往往會使車輪抱死,安裝ABS后,可使汽車在緊急制動時車輪不會被抱死而防止出現(xiàn)側(cè)滑,因此ABS裝置工作時,制動系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦熱比未裝ABS裝置的車高,制動液的惡化變質(zhì)也會相對早地出現(xiàn),適合于ABS的只能是高沸點的制動液,如果使用低沸點的制動液,會因容易產(chǎn)生氣阻而使汽車處于非常危險的狀態(tài).
如果在制動液變質(zhì)的情況下繼續(xù)使用,將會使制動主缸、制動輪缸、油壓控制器等產(chǎn)生損傷、吸濕率增加,使制動力下降[8].因此,要對裝有ABS裝置車輛的制動液進(jìn)行從嚴(yán)選用,嚴(yán)格遵守汽車制造廠商推薦的更換周期.另外還要根據(jù)使用條件,在必要時提前進(jìn)行更換.
6.結(jié)束語
介紹汽車制動控制系統(tǒng)的進(jìn)展歷史,詳細(xì)闡述制動控制系統(tǒng)由簡單的機(jī)械制動裝置發(fā)展到ABS防抱死制動控制系統(tǒng),可以嘗試模糊控制方法以改進(jìn)汽車控制系統(tǒng)的性能.現(xiàn)代汽車制動控制技術(shù)正朝著電子制動控制方向發(fā)展.全電制動控制因其巨大的優(yōu)越性,將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng).同時,隨著其他汽車電子技術(shù)特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,電子元件的成本及尺寸不斷下降.另外汽車電子制動控制系統(tǒng)將與其他汽車電子系統(tǒng)融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng),未來的汽車中就不存在孤立的制動控制系統(tǒng),各種控制單元集中在一個ECU中,并將逐漸代替常規(guī)的控制系統(tǒng),實現(xiàn)車輛控制的智能化.
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[10] 陳家瑞等 汽車構(gòu)造 [M] -北京：人民交通出版社20
Automobile hydraulic brake system development
Zhang Haiyan
(Dept.of Machinery and Electron,Hebei Normal University of Science & Technology)
Abstract: Elaborated the automobile brake control entirely history, the present situation and the trend of development, have emphatically analyzed the manpower hydraulic brake system principle of work, discussed ABS to guard against holds the dead system robustness and the BBW system basic principle, introduced in the hydraulic brake system the hydraulic fluid operation requirements.
Key words: Braking system; Applies the brake the cylinder;
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