商用汽车制动过程中, 由于驾驶员操纵不当以及传统制动系统自身性能缺陷导致的制动安全性问题对道路交通安全有重要影响^{[1, 2]}。这是因为商用车多采用气压制动系统, 由于制动传输介质为气体且管路传输较长, 使得气压建立缓慢而导致制动滞后, 从而增加了整车制动距离。此外, 由于商用车的整车载荷变化大、制动过程中载荷转移明显且质心位置较高, 这都给驾驶员造成了极大的驾驶负担, 一定程度上也降低了制动过程中的舒适性和安全性。

制动防抱死系统(Anti-lock braking system, ABS)在紧急制动和低附着路面制动工况下, 对提高制动安全性有明显的效果, 但是对常规制动效果有限。针对气压制动系统迟滞问题, 许多学者进行了相关研究, 但是由于传统制动系统结构的局限性, 很难完全解决制动迟滞问题^{[3, 4]}。随着线控技术的不断发展, 电控制动系统(Electronically controlled braking system, EBS)采用电信号实现任意分配各个车轴的制动力, 对提高商用车的制动性能有重要意义。由于EBS系统对商用车安全性能的提高, 已经被欧盟列入法规作为客车标配系统, 被公认是商用车电控制动系统的发展趋势^{[5, 6]}。经过多年的发展, 国外WABCO和KNORR公司已经实现了EBS系统产品化, 市场份额也在不断增加。此外, 由于EBS系统的先进性, 许多学者也对其制动力控制策略进行了研究。文献[7]采用计算机仿真对EBS系统的气压部件进行了建模和仿真, 结果验证了模型的有效性。文献[8]重点研究了EBS系统控制器中的CAN总线通信技术, 并进行了实车测试。文献[9]提出了一种基于驾驶员制动意图辨识的EBS系统制动力分配算法, 通过协调控制各个车轮的滑移率保证制动过程中的附着系数利用率。仿真结果表明, 上述控制策略提高了整车的制动舒适性。

针对EBS系统可以任意分配商用车各个车轴制动力的特点, 本文以某客车为研究对象, 重点研究非紧急制动工况下(即ABS系统不起作用)的EBS系统制动力分配控制策略, 提出一种分层制动控制策略, 兼顾制动安全性和舒适性。最后, 通过搭建的客车EBS系统硬件在环试验台, 对所提出的控制策略有效性进行验证。

EBS系统制动力分配控制策略采用分层控制方法, 共分为两层。其中, 上层主要采用整车减速度控制策略。

通过对传统气压制动系统分析可知, 当整车行驶速度和踏板行程输入不变而载荷变化时, 会导致车辆制动距离也发生变化, 这很容易导致驾驶员由于忽略载荷的影响对制动距离产生误判而发生事故。本文利用EBS系统可以任意分配车轴制动力的特点, 设计驾驶员的踏板行程与整车制动减速度呈固定的比例关系, 即在同样车速和不同载荷的制动工况下, 驾驶员输入相同的制动踏板行程, 保证整车制动减速度和制动距离相等。由于制动过程不受载荷变化影响, 可以减少车辆载荷变化对驾驶员制动操作的影响, 从而提高制动安全性和舒适性。

考虑到驾驶员对传统制动系统中踏板行程和制动压力关系的适应性, 遵循三方面原则设计制动踏板行程和整车制动减速度的关系曲线, 具体如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 踏板行程和制动减速度关系曲线Fig.1 Relationship of pedal and deceleration curve

设计原则如下:

(1)为了保证驾驶员开始进行制动时, 制动系统响应不能过于灵敏, 在制动初始阶段设计一定区间的制动踏板行程死区, 即0~3.5%, 在该区间内不会产生制动力。

(2)根据制动系统相关法规规定, 当制动踏板行程大于75%时, 制动系统需提供最大的制动压力, 因此当制动踏板行程大于75%时, 认为驾驶员期望整车获得最大的整车减速度, 直至ABS系统起作用为止。

(3)当制动踏板行程在3.5%~75%时, 将制动踏板行程和制动减速度关系设计为近似线性, 使驾驶员可以尽快地适应整车制动性能。

由图1可知, 通过踏板位移传感器采集到踏板行程可以得到驾驶员期望的整车理想制动减速度。整车实际制动减速度可以由EBS系统中的减速度传感器测量。同时, 在EBS系统中的每个制动管路标配有制动压力传感器, 因此整车制动力也可以直接获取。本文通过测量制动力和车身减速度信息实现对整车载荷的计算, 从而为下层轴间制动力分配控制方法奠定基础。具体的车辆载荷为:

式中: 为整车制动力; 分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的制动器气室压力; 分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的制动器气室压力与制动力的相关系数(通过实车标定得到); 为地面制动力; 为整车质量。

整车实际质量为7700 kg, 车辆以60 km/h进行直线制动, 载荷计算结果如图2所示。由于客车的整车载荷变化主要受乘客上、下车影响, 因此车辆在实际行驶过程中质量不会发生变化, 时变性不强。这里将整车载荷计算周期设置为100 ms, 可以满足实际应用要求。

图2

Fig.2

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	图2 载荷曲线Fig.2 Load curve

从图2分析可知, 制动初始阶段由于制动压力建立期间轮速波动较大, 导致整车质量的计算结果也波动较大。制动结束阶段由于车速较低, 车速和制动减速度的计算结果误差较大, 也会导致整车质量计算结果存在较大误差, 因此载荷计算结果只能采用中间相对平稳的数值并进行滤波和均值处理。整车载荷计算结果最终为7329 kg, 与真实值相差4.8%, 可以满足实际应用要求。

由第1部分内容分析可知, 通过上层的减速度控制策略可以得到理想整车制动减速度和制动力。下层控制策略主要通过对前、后轴间制动力进行分配, 从而达到上层制动减速度需求的制动力。目前, 一般的轴间制动力分配控制策略是采用后轮跟随前轮滑移率的方法。本文结合上层的减速度控制策略, 采用前、后轴目标制动减速度均与整车制动减速度相等的制动力分配控制策略, 从而使制动过程中载荷转移更加平滑, 保证制动舒适性和安全性。各轴制动力分配原则具体如下:

式中: 为整车目标制动减速度; 为前轴地面制动力; 为后轴地面制动力; 为前轴动态载荷; 为后轴动态载荷。

根据整车目标制动减速度和制动踏板行程的关系可以求得某一踏板行程开度的目标制动减速度, 根据前面计算得到的车辆载荷, 可以得到总的地面制动力。结合式(4), 各个车轴的地面制动力和分配制动力可进一步表示为:

式中: 为前轴制动力; 为后轴制动力。

(1)基于EBS系统提出了一种分层制动控制策略, 上层减速度制动控制策略保证整车制动减速度与制动踏板行程呈固定的比例关系, 不受整车载荷变化的影响; 下层基于理想制动减速度的轴间制动力分配控制策略实现上层对整车制动力的要求, 并通过控制前轴比例继动阀和后轴桥控阀, 实现对轴间制动力的分配, 保证制动过程中载荷转移相对平稳。

(2)通过搭建客车EBS系统硬件在环试验台进行了控制策略试验验证。试验结果表明, 提出的控制策略可以保证制动过程中的驾驶舒适性和安全性要求, 达到了控制策略设计要求。