EBS掛車閥靜特性建模仿真及試驗(yàn)研究

袁素娟　王學(xué)影　袁月峰　郭斌

摘要：EBS掛車閥是汽車電控制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性控制件之一，其氣壓調(diào)節(jié)特性直接影響制動(dòng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。針對(duì)該閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，建立EBS掛車閥數(shù)學(xué)模型并基于Simulink仿真軟件，實(shí)現(xiàn)EBS掛車閥電流遲滯特性、靜態(tài)特性仿真;為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可用性，設(shè)計(jì)一套以LabVfEW軟件開發(fā)的EBS掛車閥檢測(cè)系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行掛車閥特性試驗(yàn)。結(jié)果表明：實(shí)際測(cè)得該閥遲滯電流為0.26 A，輸出氣壓與控制電流、氣壓基本呈線性相關(guān)，仿真與測(cè)試結(jié)果基本保持一致，仿真模型準(zhǔn)確可用。

關(guān)鍵詞：EBS掛車閥;靜態(tài)特性;Simulink仿真;檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0150-07

0 引言

電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（EBS>作為新一代的制動(dòng)系統(tǒng)[1]，主要包括中央處理器ECU、EBS掛車閥、ABS電磁閥、比例繼動(dòng)閥等關(guān)鍵性零部件。EBS掛車閥作為EBS制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一，主要提供掛車制動(dòng)壓力。其電流遲滯特性，氣控靜特性直接影響掛車制動(dòng)性能，從而影響整車制動(dòng)的安全性。

國(guó)內(nèi)對(duì)于EBS制動(dòng)系統(tǒng)各零部件的研究甚少，其中吉林大學(xué)韓正鐵等人研究了EBS系統(tǒng)中比例繼動(dòng)閥的靜特性、動(dòng)特性，并進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提出了一種閥遲滯補(bǔ)償控制方法[2]。國(guó)外對(duì)EBS制動(dòng)系統(tǒng)中各零部件生產(chǎn)制造，檢測(cè)技術(shù)都已趨于成熟[3-5]，其中國(guó)外WABCO、KNORR等汽車零部件代表公司，已經(jīng)有了自己的汽車各零部件生產(chǎn)性能指標(biāo)。而國(guó)內(nèi)對(duì)于EBS掛車閥的性能研究，檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還處于空白。

因此，本文通過(guò)剖析EBS掛車閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立閥體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)Matlab/Simulink軟件對(duì)EBS掛車閥在電控下的遲滯特性，氣控下的靜態(tài)特性進(jìn)行仿真建模。通過(guò)搭建EBS掛車閥性能檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 EBS掛車閥結(jié)構(gòu)與靜態(tài)特性分析

本文選取國(guó)外WABCO的EBS掛車閥為實(shí)驗(yàn)樣本，該閥設(shè)有氣壓輸入P11口、電控P6口、腳剎氣控P42口、手剎氣控P43口、輸出P22口，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

EBS掛車閥正常行車時(shí)，P11口和P43口始終保持有額定氣壓流通。行車制動(dòng)時(shí)，由電磁鐵接收來(lái)自中央處理器電信號(hào)，比例電磁鐵產(chǎn)生電磁力，作用于比例閥，使氣體從A腔室進(jìn)入到B腔室，氣壓到達(dá)B腔室后，推動(dòng)繼動(dòng)閥活塞運(yùn)動(dòng)，使繼動(dòng)閥閥座向下移動(dòng)，A腔室氣體進(jìn)入到C腔室中，實(shí)現(xiàn)制動(dòng);若在電控失效情況下，閥接收來(lái)自P42口氣壓信號(hào)，氣體充滿E腔室，作用于繼動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。駐車制動(dòng)時(shí)，P43口接收信號(hào)，使D腔室氣體逐漸排空，氣壓由額定工作氣壓800kPa逐漸減小至0，滑閥在A腔室氣體作用下向上移動(dòng)，氣體從A腔室進(jìn)入到C腔室，實(shí)施制動(dòng)。

電流遲滯特性指在同一控制電流信下，輸出口在增壓和減壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的壓力值。其中將增減壓過(guò)程中，同一輸出氣壓值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)控制電A.輸入氣室;B.流通氣室;c.排氣氣室;D.P43口輸入氣室;E.P42口輸入氣室;P11.輸入口;P6.電控民P42.氣控口;P43.氣控口;P22.輸出口;1.比例電磁鐵;2.球閥;3.彈簧;4.比例閥;5.彈簧;6.繼動(dòng)閥;7.繼動(dòng)閥活塞;S.彈簧;9.繼動(dòng)閥閥座;10.彈簧;11.滑閥。

圖1 EBS掛車閥結(jié)構(gòu)圖流的最大絕對(duì)差值稱為遲滯電流。靜態(tài)特性指閥輸出口氣壓隨控制氣壓緩慢變化的曲線關(guān)系[6-7]。

2 EBS掛車閥的數(shù)學(xué)建模與仿真

2.1 EBS掛車閥數(shù)學(xué)模型

在建立EBS掛車閥數(shù)學(xué)模型過(guò)程中，以圖1所示為閥初始狀態(tài)，主要考慮閥體內(nèi)每部分運(yùn)動(dòng)微分方程和氣室內(nèi)壓力變化方程[3，8-9]。EBS掛車閥運(yùn)動(dòng)方程主要分為比例電磁閥運(yùn)動(dòng)、繼動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)、滑閥運(yùn)動(dòng)3個(gè)組成部分，其特性方程如下所示：

1）比例電磁閥運(yùn)動(dòng)微分方程：

電磁力方程：

式中：F_I——電磁鐵吸引力，N;

B——?dú)庀洞磐浚琖b;

I——控制電流，A;

μ⁰——導(dǎo)磁率，取μ⁰=0.4π×10^-6H/m;

S——電磁鐵的橫截面積，m²;

N——線圈圈數(shù)，匝;

δ——?dú)庀?，m。

其中B、S、N、δ由電磁鐵本身決定，即電磁力F_I與電流平方成比例關(guān)系。

比例電磁閥在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，主要受重力、電磁力、腔室氣體壓力及彈簧阻力影響。根據(jù)牛頓第二定律，得比例電磁閥運(yùn)動(dòng)微分方程為

式中：P₁——B腔室控制氣壓，Pa;

A₁——?dú)怏w作用于球閥的有效面積，m²;

m₁——電磁鐵與球閥質(zhì)量，kg;

m₂——滑閥質(zhì)量，kg;

K₁——彈簧3的剛力，N/mm;

K₂——彈簧5剛力，N/mm;

C₁——彈簧3阻尼系數(shù);

C₂——彈簧5阻尼系數(shù);

x₁——彈簧3預(yù)緊力，mm;

x₂——-彈簧5預(yù)緊力，mm;

x^*——球閥與比例閥之間的間隙，m：

x_max——比例閥可移動(dòng)的最大距離，m。

繼動(dòng)閥及滑閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要受重力、控制氣體壓力、腔室氣體壓力及彈簧阻力影響，根據(jù)牛頓第二定律，可得微分方程如下：

2）繼動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：P₂——E腔室控制氣壓，Pa;

A₂——E腔室氣體作用于繼動(dòng)閥的有效面積，mm²;

P₃——C腔室輸出氣壓，Pa;

A₃——C腔室氣體作用在繼動(dòng)閥的有效面積，mm²;

m₃——繼動(dòng)閥活塞質(zhì)量，kg;

m₄——閥座質(zhì)量，kg;

K₃——彈簧8剛力，N/mm;

K₄——彈簧10剛力，N/mm;

C₁——彈簧8阻尼系數(shù);

C₂——彈簧10阻尼系數(shù);

y₁——彈簧8預(yù)緊力，mm;

y₂——彈簧10預(yù)緊力，mm;

y^*——繼動(dòng)閥芯與閥座之間間隙，m;

y_max——繼動(dòng)閥可移動(dòng)的最大距離，m;

f——摩擦力，N。

3）滑閥運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：P₄——A腔室控制氣壓，Pa;

A₄——A腔室氣體作用在滑閥的有效面積，mm²;

P⁵——D腔室控制氣壓，Pa;

A₅——D腔室氣體作用在滑閥的有效面積，mm²;

m₅——滑閥質(zhì)量，kg;

z_max——滑閥可移動(dòng)的最大距離，m。

4）氣室的壓力變化方程：

式中：k——絕對(duì)系數(shù)，取1.4;

s₁——?dú)怏w流通面積，m²;

R⁰——?dú)怏w常數(shù)，取287.1J/（kg·K）;

T₁——?dú)怏w的絕對(duì)溫度，取313K;

V——?dú)馐殷w積，m³;

P₁——?dú)馐仪皦毫Γ琍a;

P₂——?dú)馐液髩毫Γ琍a。

2.2 仿真模型

在Simulink環(huán)境下，通過(guò)對(duì)每個(gè)狀態(tài)方程建立仿真模塊，創(chuàng)建子系統(tǒng)，根據(jù)狀態(tài)方程中間的傳遞關(guān)系將各子系統(tǒng)連接起來(lái)，即得仿真模型[10-12]。

2.2.1 遲滯仿真模型

遲滯仿真中，主要包括控制電流增加和減小的過(guò)程。仿真中給定控制電流信號(hào)從0線性增加至1.4A再緩慢降至0，總模型仿真如圖2所示。閥電控制動(dòng)狀態(tài)下，主要由比例電磁鐵閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移x、繼動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移y對(duì)B腔室氣體變化的影響、繼動(dòng)閥閥芯運(yùn)動(dòng)位移Y對(duì)C腔室氣體變化的影響，具體內(nèi)部變化關(guān)系仿真模型如圖3。

2.2.2 42口靜特性模型

42口氣控靜特性仿真中，僅包括42口氣壓增加的過(guò)程。在仿真模型中，控制氣壓信號(hào)從0線性增壓至800kPa。閥42口氣控制動(dòng)狀態(tài)下，主要由繼動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移y對(duì)C腔室氣體變化的影響，其仿真模型簡(jiǎn)單，如圖4所示。

2.2.3 43口靜特性模型

由于43口功能較為特殊，在行車過(guò)程中，43口始終保持額定工作氣壓為800kPa。駐車制動(dòng)狀態(tài)下，43口由額定工作氣壓值緩慢降至。。所以在43口靜態(tài)特性仿真中，包含控制氣壓減小和增大的過(guò)程。在仿真模型中，控制氣壓信號(hào)先從800kPa線性減小至0再緩慢增壓至800kPa。駐車制動(dòng)狀態(tài)下，主要由滑閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移z對(duì)C腔室氣體變化的影響。

在EBS掛車閥仿真過(guò)程中，EBS掛車閥的基本尺寸、質(zhì)量以及腔室體積大部分參數(shù)通過(guò)測(cè)試獲得，而庫(kù)倫摩擦力等高度不確定性參數(shù)通過(guò)查閱資料與估計(jì)確定。

3 EBS掛車閥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證EBS掛車閥靜態(tài)仿真模型的可靠性，設(shè)計(jì)EBS掛車閥檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)主要包括計(jì)算機(jī)軟件控制模塊，管路硬件模塊和數(shù)據(jù)采集模塊3大模塊[13-15]，實(shí)物圖如圖5所示。

3.1 管路設(shè)計(jì)

管路設(shè)計(jì)根據(jù)EBS掛車閥實(shí)際工況，采用儲(chǔ)氣罐，電氣比例閥以及氣控閥等零件設(shè)計(jì)管路原理圖，如圖6所示。其中，管路設(shè)計(jì)有一條電控口，3條進(jìn)氣口管路，一條出氣管路。管路前端采用40L不銹鋼儲(chǔ)氣罐，滿足各支路氣壓需求，保證管路氣壓穩(wěn)定性;每條進(jìn)氣管路設(shè)計(jì)有可控氣壓為0.005～0.9MPa的SMC電氣比例閥，使各管路氣壓可連續(xù)控制。EBS掛車閥各閥口前設(shè)計(jì)有1L負(fù)載，提高進(jìn)氣口氣壓穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確性。在閥口處安裝有精度為±3%FS，范圍為0～1.6MPa的HUBA傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量閥口氣壓變化。閥輸出口設(shè)有1L負(fù)載，模擬制動(dòng)工況，還原制動(dòng)實(shí)際性。

3.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以研華工控機(jī)與可編程電流源作為控制核心，采用研華PCI-1711高精度數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)PCLD-8710數(shù)據(jù)采集卡[16]連接電磁閥驅(qū)動(dòng)板，控制各管路電磁閥開斷。靜態(tài)特性測(cè)試中，設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為1kHz，設(shè)計(jì)以LabVIEW軟件開發(fā)的控制程序，圖7為軟件設(shè)計(jì)模塊組成圖。

4 仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.1 遲滯特性分析

在電控遲滯特性測(cè)試過(guò)程中，閥P11口和P43口持續(xù)供給氣壓為800kPa，控制可編程電流源電流以0.01A幅度從0緩慢加載至額定電流1.4A，再緩慢降為。。獲得電流一輸出氣壓曲線圖，如圖A所示?？梢钥闯觯弘娏鬟t滯特性測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實(shí)際測(cè)試中，電流在00.51A存在死區(qū)，穩(wěn)壓電流值為1.30A，遲滯電流為0.26A。仿真結(jié)果中，電流在0～0.48A為死區(qū)，穩(wěn)壓電流值為1.20A，遲滯電流為0.22A。因此該閥在電控狀態(tài)下，靜態(tài)特性表現(xiàn)為閥口輸出氣壓隨控制電流基本成線性增加;閥口死區(qū)范圍為0～0.51A;當(dāng)I=0.30A時(shí)，閥達(dá)到額定工作氣壓，閥存在的遲滯電流為0.26A。

4.2 氣控靜態(tài)特性分析

在42口靜態(tài)特性測(cè)試過(guò)程中，閥P11口與P43口保持額定氣壓為800kPa，控制P42口氣壓以50kPa/ms的增壓速率從0上升800kPa，獲得42口輸入-輸出氣壓曲線。閥43口靜態(tài)特性主要包含行車過(guò)程中，控制氣壓不斷增加和駐車制動(dòng)過(guò)程中，控制氣壓不斷減小的過(guò)程。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，閥P11口保持額定氣壓為800kPa，控制P43口氣壓以50kPa/ms速率先從0緩慢上升至800kPa再緩慢減小至0。得到43口輸入一輸出氣壓曲線。

圖9為氣控狀態(tài)下輸入一輸出氣壓仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖?？梢钥闯?，氣控靜特性仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致。隨著42口氣壓的增大，輸出氣壓呈線性增加。42口實(shí)際測(cè)試中，氣壓在0～56.24kPa之間閥存在死區(qū)，穩(wěn)壓為845.66kPa，輸入-輸出壓力曲線線性度為1.01。仿真結(jié)果中，氣壓在0～44.12kPa存在死區(qū)，穩(wěn)壓為807.43kPa，曲線線性度為1.04。而43口中，隨著43口氣壓增大，輸出氣壓呈線性減小。43口實(shí)際測(cè)試中，氣壓在038.37kPa存在死區(qū)，氣壓在503.30kPa下實(shí)施制動(dòng)，曲線線性度為-1.35。仿真結(jié)果中，氣壓在028.28kPa存在死區(qū)，氣壓在495.03kPa下實(shí)施制動(dòng)，曲線線性度為-1.49。因此該閥在氣控狀態(tài)下，靜態(tài)特性表現(xiàn)為輸出口氣壓隨著43口控制氣壓基本呈線性減小，而隨42口控制氣壓基本呈線性增加。當(dāng)42口控制氣壓為56.24kPa時(shí)，閥口打開;氣壓為845.66kPa，閥達(dá)到額定工作狀態(tài)，完成手剎制動(dòng);當(dāng)43口控制氣壓為38.37kPa時(shí)，閥口打開;停車制動(dòng)時(shí)，當(dāng)氣壓為503.30kPa時(shí)，開始實(shí)施駐車制動(dòng)，直至控制口氣壓為0，完成駐車制動(dòng)。

由圖8、9中可以看出輸出氣壓與控制信號(hào)幾乎呈線性相關(guān)。閥存在較為明顯的死區(qū)，這是由于閥存在一定的機(jī)械滯后，且在閥工作初期閥靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力。由圖9中43口實(shí)測(cè)曲線可以看出，43口未工作狀態(tài)下，輸出氣壓最大為700kPa，這是由閥結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)所定，受滑閥與繼動(dòng)閥的間隙影響。仿真與實(shí)際曲線對(duì)比可知：1）實(shí)際測(cè)試的死區(qū)范圍小于仿真結(jié)果。當(dāng)輸出口氣壓到達(dá)額定氣壓時(shí)，圖8中對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)控制電流、圖9中對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)42口控制氣壓均小于仿真結(jié)果，這是由于閥在實(shí)際工作狀態(tài)下，閥芯存在O型密封圈、閥芯與閥體之間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)際摩擦力大于理論摩擦。2）當(dāng)控制電流增大后，曲線線性度有減小的趨勢(shì);當(dāng)控制氣壓增大后，曲線線性度同樣也有減小的趨勢(shì)。這是在實(shí)際過(guò)程中氣管管徑大小限制了氣體流速，控制電流、氣壓增大后，管路口供壓速率降壓，導(dǎo)致輸出口氣壓上升速率降低，達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的控制電流、氣壓增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電子制動(dòng)系統(tǒng)中新型的EBS掛車閥進(jìn)行研究，建立閥的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink仿真該閥電流、氣壓控制狀態(tài)下靜態(tài)調(diào)節(jié)特性，并對(duì)EBS掛車閥搭建以LabVIEW軟件開發(fā)的測(cè)試臺(tái)架，對(duì)該閥靜態(tài)調(diào)壓特性進(jìn)行測(cè)試和仿真驗(yàn)證。得到如下結(jié)論：

1）該閥新增了比例電磁鐵，采用電流控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、工作可靠，壓力可線性、穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。

2）電控汽控狀態(tài)下，該閥均有良好的線性調(diào)節(jié)性，穩(wěn)定性強(qiáng)，但閥口均存在一定死區(qū)范圍。

3）特性測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，可靠。

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