汽車真空輔助制動系統(tǒng)的控制研究

劉樹偉,郭立新,郝 亮

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110819; 2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001)

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和完善,汽車制動性能不斷地改進(jìn)與提高.為了減輕汽車行車制動系統(tǒng)的負(fù)荷和有效縮短制動距離,目前汽車上安裝各種輔助制動系統(tǒng)來改進(jìn)汽車的制動性能,最為普遍的做法是采用各種緩速器(發(fā)動機(jī)緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器、牽引電動機(jī)緩速器、空氣動力緩速器等)實(shí)現(xiàn)逐漸降低車速從而達(dá)到良好制動性能的目的.由制動原理可知,上述系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)汽車在緊急制動工況下迅速降低車速的緊急制動功能.近年來,利用真空能量輔助汽車緊急制動的方法在國內(nèi)外逐漸興起,該方法可有效縮短汽車緊急制動距離.Lang[1]提出采用真空制動能量輔助汽車制動,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的真空能量輔助汽車緊急制動裝置.Jeppsson等[2]研究了利用真空制動能量輔助制動對交通事故的影響,數(shù)據(jù)表明,該方法可有效降低交通事故率與事故損失.劉樹偉等[3-4]提出了真空輔助制動系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)車速v0=80 km/h該系統(tǒng)參與輔助制動時(shí),可縮短緊急制動距離4.25 m,對整車的制動性能有很大改進(jìn).當(dāng)然,如實(shí)現(xiàn)該輔助制動系統(tǒng)穩(wěn)定工作,能有效提高制動效能,除了需要改進(jìn)制動吸盤的結(jié)構(gòu)、摩擦橡膠及密封氣囊材料外,還需要對其控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)做進(jìn)一步研究.

1 汽車真空輔助制動系統(tǒng)組成及工作原理

汽車真空輔助制動系統(tǒng)主要由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動吸盤(簡稱吸盤)、真空系統(tǒng)、彈射收起系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等5部分組成.機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來連接汽車底盤和吸盤;吸盤的密封氣囊可與地面形成相對密閉空腔,并由摩擦橡膠與地面形成大面積摩擦;真空系統(tǒng)能夠使吸盤的密封氣囊形成相對真空度,使吸盤與地面產(chǎn)生壓力;彈射收起系統(tǒng)可適時(shí)彈射機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和吸盤,并在輔助制動后收回吸盤;控制系統(tǒng)根據(jù)制動踏板壓力、踏板開度、開度變化率等參數(shù)經(jīng)過辨識判定為緊急制動時(shí),可適時(shí)控制彈射收起系統(tǒng)和真空系統(tǒng),使吸盤彈射下落壓緊地面,同時(shí)使吸盤密封氣囊產(chǎn)生負(fù)壓,負(fù)壓使吸盤的摩擦橡膠與地面產(chǎn)生摩擦力,從而實(shí)現(xiàn)汽車制動.緊急制動過程中和結(jié)束后,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管路的真空通過單向控制閥對真空儲能裝置抽真空,以備下一次使用.汽車真空輔助制動系統(tǒng)組成及布置如圖1所示.

圖1 汽車真空輔助制動系統(tǒng)組成及布置示意圖Fig.1 Vacuum auxiliary braking system componentand layout diagram

2 控制系統(tǒng)功能分析

上述可知,控制系統(tǒng)除了控制彈射收起系統(tǒng)外,應(yīng)具備的功能主要包括以下兩個方面:① 真空輔助制動系統(tǒng)適用于汽車緊急制動工況,非緊急制動工況不參與輔助制動,因此,需具備駕駛員制動意圖辨識功能,如辨識結(jié)果屬于緊急制動工況,則啟動系統(tǒng)進(jìn)行制動;② 確定真空系統(tǒng)精確開啟時(shí)刻,現(xiàn)代汽車車速較高,空氣相對汽車流速快,會影響吸盤與地面接觸的時(shí)間t1以及真空系統(tǒng)開啟真空的時(shí)間t2,控制系統(tǒng)需要具備能夠根據(jù)汽車制動初速度確定時(shí)間t1的能力,從而確定開啟真空的時(shí)間t2.理論上,當(dāng)t1=t2時(shí),為控制的最佳時(shí)刻,輔助制動效能最好.

3 駕駛員制動意圖辨識

3.1 制動意圖辨識參數(shù)選取

由于反映汽車制動狀況的參數(shù)很多,如制動減速度、制動管路油壓、制動踏板位移或開度以及開度變化率、制動踏板壓力、制動踏板速率以及變化率等,因此,需進(jìn)行制動意圖辨識參數(shù)的選取.國外最早利用制動意圖辨識的是博世公司,該公司利用駕駛?cè)瞬忍ぶ苿犹ぐ宓乃俾试O(shè)定閾值法,判斷駕駛員的制動行為.美國德爾福公司研制的線控制動系統(tǒng)踏板,以踏板力為主要參數(shù)判斷駕駛員的制動意圖[5].同濟(jì)大學(xué)余卓平等[6]對駕駛員制動意圖辨識的參數(shù)選取做了實(shí)車試驗(yàn),證明制動踏板開度能夠單獨(dú)作為駕駛員制動意圖辨識的參數(shù).還有學(xué)者提出以踏板開度及其變化率、車速為模糊模型輸入?yún)?shù),建立駕駛員意圖辨識模型[7].

結(jié)合前期研究,本文以第一時(shí)間反映駕駛員制動意圖的制動踏板開度、開度變化率和制動踏板力為制動辨識參數(shù),利用模糊模式識別方法,搭建駕駛員制動意圖的模型.

3.2 制動意圖分析

駕駛員制動意圖是駕駛員通過對制動踏板的操作,使車輛減速或者停車的意圖,本文綜合考慮了駕駛員對制動踏板的操作、車輛行駛狀態(tài)等因素,將制動意圖分為平穩(wěn)制動、調(diào)節(jié)制動和緊急制動3類.此3種制動意圖具體特征如表1所示.

3.3 各制動意圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)GB 12676—1999,利用國產(chǎn)某轎車在平直干燥的瀝青路面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),制動初速度為30 km/h.選擇40名性別、年齡、駕駛經(jīng)驗(yàn)不同的駕駛員進(jìn)行不同制動意圖下的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)利用CMT-4F型汽拖綜合測試儀、踏板壓力傳感器、角位移傳感器及PC機(jī)等設(shè)備獲得3種制動意圖下的制動踏板開度、踏板力及制動減速度等數(shù)據(jù),踏板開度變化率利用Matlab編程通過對踏板開度求導(dǎo)而得.表2為測得的各參數(shù)不同制動意圖下的變化范圍.

表1 制動意圖特征表Tab.1 Braking intentions feature table

表2 不同制動意圖下辨識參數(shù)的數(shù)值范圍Tab.2 The range of Identify parameters invarious braking intentions

3.4 駕駛員制動意圖模糊模式辨識

本文的模糊模式識別選用梯形及三角形的線性函數(shù)為隸屬度函數(shù),模糊規(guī)則確定時(shí),通過“小、中、大”描述制動意圖辨識的各參數(shù)狀態(tài)(英文首字母為{S,M,B}),然后統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中制動踏板開度、開度變化率、踏板力分別屬于表3模糊規(guī)則庫27種情況下汽車制動減速度的模糊子集S,M,B頻次,選取頻次最大的子集描述制動意圖.制動減速度的子集S,M,B分別對應(yīng)駕駛員制動意圖的平穩(wěn)制動、調(diào)節(jié)制動、緊急制動等意圖.

本文利用Matlab的Fuzzy工具箱,建立了駕駛員制動意圖辨識的模糊辨識器模型.仿真時(shí),模糊辨識模型輸入?yún)?shù)(制動踏板開度、開度變化率、踏板力)的精確值經(jīng)隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊量,模糊量通過模糊推理規(guī)則模塊的推理輸出量化制動意圖.最后,Matlab根據(jù)特定的算法將模型的輸出解模糊.

表3 制動意圖辨識的模糊規(guī)則庫Tab.3 Fuzzy rule base of braking intention recognition

3.5 駕駛員制動意圖辨識的仿真分析

由于制動意圖模糊辨識器的各模糊子集隸屬度函數(shù)的建立具有一定主觀性,因此,需要對其準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn).本文借助Matlab的Fuzzy工具箱,按駕駛員制動意圖辨識模型離線驗(yàn)證框圖(見圖2)搭建了駕駛員制動意圖辨識Simulink仿真模型.

利用上述3種制動意圖所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對駕駛員制動意圖辨識模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證.各種制動意圖的期望制動意圖與辨識模型的辨識結(jié)果如圖3所示.

圖2 制動意圖辨識模型離線驗(yàn)證框圖Fig.2 Offline test block diagram of braking intention recognition model

圖3 3種制動意圖期望結(jié)果與辨識結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of expected and recognition resultson three braking intentions

由上面的制動意圖辨識結(jié)果曲線可知,量化的辨識結(jié)果可以準(zhǔn)確地反映駕駛員的制動意圖.因此,該辨識方法滿足輔助制動系統(tǒng)控制器對制動意圖辨識的準(zhǔn)確性要求.

4 真空系統(tǒng)精確開啟時(shí)刻

吸盤與地面接觸時(shí)間t1與真空系統(tǒng)開啟真空時(shí)間t2應(yīng)相等,因此,如實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)精確開啟時(shí)刻控制,需要對吸盤下落到地面的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析.

4.1 制動吸盤下落分析的有關(guān)參數(shù)

采用長城某轎車進(jìn)行輔助制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)具體參數(shù)如表4所示,結(jié)構(gòu)位置如圖1所示.

表4 吸盤主要參數(shù)表Tab.4 Main parameters table of the sucking disc

4.2 輔助吸盤下落到地面的時(shí)間分析

影響輔助吸盤下落到地面時(shí)間的因素較多,但部分因素對其的影響甚微,為了研究方便,做如下假設(shè):

(1) 彈射收起系統(tǒng)中的彈射機(jī)構(gòu)僅起促動吸盤下落作用,因此,忽略其對吸盤下落的影響.

(2) 吸盤距離地面間隙h較小,因此,可忽略吸盤在下落過程中,斜拉臂與其角度的改變以及吸盤底沿(遠(yuǎn)離斜拉臂端)與地面接觸的角度改變對吸盤下落的影響.

(3) 輔助制動系統(tǒng)斜拉臂質(zhì)量僅為吸盤的5%,忽略斜拉臂質(zhì)量對吸盤下落的影響.

(4) 忽略吸盤下落時(shí)車速的變化.

綜上所述,斜拉臂連同吸盤下落運(yùn)動可簡化為吸盤中心點(diǎn)距吸盤遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)軸的鐘擺運(yùn)動.由于現(xiàn)代汽車車速較高,汽車底部氣流相對于汽車流速較大,使吸盤下落時(shí)受到空氣升力、阻力及由此產(chǎn)生的力矩的影響.由吸盤下落的過程可知,空氣阻力及力矩對吸盤下落到地面的時(shí)間影響較小,因此,本文僅討論空氣升力對吸盤下落到地面時(shí)間的影響.

吸盤下落為一平板在高速氣流中的運(yùn)動,文獻(xiàn)[8]表明,平板在氣流中的升力FL為

(1)

式中:ρ為空氣密度,通常情況下,即20 ℃時(shí),ρ取1.205 kg/m3;ν為空氣流速,m/s;b為平板沿氣流方向的長度,m;CL為空氣升力系數(shù),空氣動力學(xué)中平板實(shí)驗(yàn)的空氣升力系數(shù)結(jié)果CL=0.9×2πα(t),α(t)為幾何迎角,又稱攻角,為平板平面與來流的夾角.

通過上述假設(shè)與分析,畫出吸盤運(yùn)動及豎直方向受力簡圖,如圖4所示.

由圖4可知,吸盤在下落時(shí)的加速度a(t)為

(2)

圖4 吸盤運(yùn)動分析簡圖Fig.4 Analysis chart of the sucking disc

通過吸盤下落質(zhì)心位置關(guān)系,且由表4(吸盤主要參數(shù)表)可知,α(t)角度很小,則

(3)

式中:h(t)為吸盤下落t時(shí)刻的高度;α(t)為斜拉臂在吸盤下落t時(shí)刻與下落前位置夾角(下落前水平平行于地面).

對式(3)兩側(cè)求二階導(dǎo),且a(t)=h″(t),因此,將式(3)與式(1)代入式(2)整理得

(4)

由吸盤下落的原理可知

由歐拉公式可求得

(5)

如上所述,吸盤下落到地面的時(shí)刻為t1,則

(6)

式(6)代入式(5),可推出吸盤下落到地面的時(shí)刻t1與空氣流速ν之間的關(guān)系式為

(7)

此關(guān)系式即為輔助制動系統(tǒng)的真空系統(tǒng)開啟時(shí)刻控制方程式.將各參數(shù)值代入上式,并利用Matlab編程畫出ν-t1關(guān)系曲線,具體情況參見圖5.由圖5可看出,吸盤落地時(shí)刻隨氣流速度的增加而增加.

圖5 吸盤落地時(shí)刻與氣流速度關(guān)系Fig.5 Relation program of the suck discfalldown time and airflow rate

4.3 吸盤落地時(shí)刻與氣流速度關(guān)系的理論及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.3.1理論驗(yàn)證

由式(7)的推導(dǎo)可知,如驗(yàn)證ν-t1曲線某特殊點(diǎn)正確,即可表明ν-t1曲線的合理性.

4.3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將制作的真空輔助制動系統(tǒng)安裝于前述實(shí)驗(yàn)車上并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定,實(shí)驗(yàn)車如圖6所示.

圖6 真空輔助制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.6 Automolile vacuum auxiliary brakingsystem experiment

實(shí)驗(yàn)時(shí),考慮安全等因素,僅對車速v=30 km時(shí)的真空系統(tǒng)打開時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)中,由于真空閥開啟后真空管路及吸盤密封氣囊容積的影響,使密封氣囊產(chǎn)生真空度具有滯后性,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)車的輔助制動系統(tǒng)真空開啟時(shí)刻進(jìn)行了調(diào)整,將真空系統(tǒng)開啟時(shí)刻控制方程式調(diào)整為

(11)

調(diào)整前后的制動速度變化曲線如圖7所示.由圖可知,由于真空開啟時(shí)刻的提前,汽車輔助制動的效果得到進(jìn)一步的改善.

圖7 真空系統(tǒng)開啟時(shí)刻調(diào)整前后制動速度變化曲線Fig.7 Braking speeds curve with the vacuum systemaction time’s adjustment

5 結(jié)論

制動意圖辨識和真空系統(tǒng)開啟時(shí)刻是真空輔助制動系統(tǒng)有效完成輔助制動功能的關(guān)鍵技術(shù).本文采用模糊模式識別方法,選用制動踏板壓力、踏板開度和開度變化率為辨識參數(shù),通過仿真和實(shí)驗(yàn)完成了對駕駛員制動意圖辨識.結(jié)果表明:所建立的模糊辨識模型辨識的準(zhǔn)確性能夠滿足系統(tǒng)控制要求.對于真空系統(tǒng)開啟時(shí)刻,采用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測試調(diào)整的方法,獲得了真空開啟時(shí)刻控制方程式,實(shí)現(xiàn)了汽車在不同車速下實(shí)施緊急制動時(shí)真空系統(tǒng)開啟時(shí)間控制的調(diào)整.