EBS掛車閥靜特性建模仿真及試驗研究

袁素娟　王學影　袁月峰　郭斌

摘要：EBS掛車閥是汽車電控制動系統的關鍵性控制件之一，其氣壓調節特性直接影響制動系統工作的穩定性。針對該閥的內部結構及工作原理，建立EBS掛車閥數學模型并基于Simulink仿真軟件，實現EBS掛車閥電流遲滯特性、靜態特性仿真;為驗證仿真結果的準確性和可用性，設計一套以LabVfEW軟件開發的EBS掛車閥檢測系統，在試驗臺上進行掛車閥特性試驗。結果表明：實際測得該閥遲滯電流為0.26 A，輸出氣壓與控制電流、氣壓基本呈線性相關，仿真與測試結果基本保持一致，仿真模型準確可用。

關鍵詞：EBS掛車閥;靜態特性;Simulink仿真;檢測系統

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0150-07

0 引言

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

國內對于EBS制動系統各零部件的研究甚少，其中吉林大學韓正鐵等人研究了EBS系統中比例繼動閥的靜特性、動特性，并進行了性能測試實驗，提出了一種閥遲滯補償控制方法[2]。國外對EBS制動系統中各零部件生產制造，檢測技術都已趨于成熟[3-5]，其中國外WABCO、KNORR等汽車零部件代表公司，已經有了自己的汽車各零部件生產性能指標。而國內對于EBS掛車閥的性能研究，檢測系統技術還處于空白。

因此，本文通過剖析EBS掛車閥的結構特點，建立閥體運動的數學模型，并通過Matlab/Simulink軟件對EBS掛車閥在電控下的遲滯特性，氣控下的靜態特性進行仿真建模。通過搭建EBS掛車閥性能檢測系統，進行仿真與實驗結果的對比，驗證仿真模型的準確性。

1 EBS掛車閥結構與靜態特性分析

本文選取國外WABCO的EBS掛車閥為實驗樣本，該閥設有氣壓輸入P11口、電控P6口、腳剎氣控P42口、手剎氣控P43口、輸出P22口，結構如圖1所示。

EBS掛車閥正常行車時，P11口和P43口始終保持有額定氣壓流通。行車制動時，由電磁鐵接收來自中央處理器電信號，比例電磁鐵產生電磁力，作用于比例閥，使氣體從A腔室進入到B腔室，氣壓到達B腔室后，推動繼動閥活塞運動，使繼動閥閥座向下移動，A腔室氣體進入到C腔室中，實現制動;若在電控失效情況下，閥接收來自P42口氣壓信號，氣體充滿E腔室，作用于繼動閥，實現制動。駐車制動時，P43口接收信號，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，氣體從A腔室進入到C腔室，實施制動。

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程中會產生不同的壓力值。其中將增減壓過程中，同一輸出氣壓值對應的兩個控制電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.繼動閥;7.繼動閥活塞;S.彈簧;9.繼動閥閥座;10.彈簧;11.滑閥。

圖1 EBS掛車閥結構圖流的最大絕對差值稱為遲滯電流。靜態特性指閥輸出口氣壓隨控制氣壓緩慢變化的曲線關系[6-7]。

2 EBS掛車閥的數學建模與仿真

2.1 EBS掛車閥數學模型

在建立EBS掛車閥數學模型過程中，以圖1所示為閥初始狀態，主要考慮閥體內每部分運動微分方程和氣室內壓力變化方程[3，8-9]。EBS掛車閥運動方程主要分為比例電磁閥運動、繼動閥運動、滑閥運動3個組成部分，其特性方程如下所示：

1）比例電磁閥運動微分方程：

電磁力方程：

式中：F_I——電磁鐵吸引力，N;

B——氣隙磁通量，Wb;

I——控制電流，A;

μ⁰——導磁率，取μ⁰=0.4π×10^-6H/m;

S——電磁鐵的橫截面積，m²;

N——線圈圈數，匝;

δ——氣隙，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系。

比例電磁閥在運動狀態下，主要受重力、電磁力、腔室氣體壓力及彈簧阻力影響。根據牛頓第二定律，得比例電磁閥運動微分方程為

式中：P₁——B腔室控制氣壓，Pa;

A₁——氣體作用于球閥的有效面積，m²;

m₁——電磁鐵與球閥質量，kg;

m₂——滑閥質量，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;

C₂——彈簧5阻尼系數;

x₁——彈簧3預緊力，mm;

x₂——-彈簧5預緊力，mm;

x^*——球閥與比例閥之間的間隙，m：

x_max——比例閥可移動的最大距離，m。

繼動閥及滑閥運動過程中，主要受重力、控制氣體壓力、腔室氣體壓力及彈簧阻力影響，根據牛頓第二定律，可得微分方程如下：

2）繼動閥運動微分方程：

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閥的有效面積，mm²;

m₃——繼動閥活塞質量，kg;

m₄——閥座質量，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;

C₂——彈簧10阻尼系數;

y₁——彈簧8預緊力，mm;

y₂——彈簧10預緊力，mm;

y^*——繼動閥芯與閥座之間間隙，m;

y_max——繼動閥可移動的最大距離，m;

f——摩擦力，N。

3）滑閥運動微分方程：

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——滑閥質量，kg;

z_max——滑閥可移動的最大距離，m。

4）氣室的壓力變化方程：

式中：k——絕對系數，取1.4;

s₁——氣體流通面積，m²;

R⁰——氣體常數，取287.1J/（kg·K）;

T₁——氣體的絕對溫度，取313K;

V——氣室體積，m³;

P₁——氣室前壓力，Pa;

P₂——氣室后壓力，Pa。

2.2 仿真模型

在Simulink環境下，通過對每個狀態方程建立仿真模塊，創建子系統，根據狀態方程中間的傳遞關系將各子系統連接起來，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程。仿真中給定控制電流信號從0線性增加至1.4A再緩慢降至0，總模型仿真如圖2所示。閥電控制動狀態下，主要由比例電磁鐵閥運動產生的位移x、繼動閥運動產生的位移y對B腔室氣體變化的影響、繼動閥閥芯運動位移Y對C腔室氣體變化的影響，具體內部變化關系仿真模型如圖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口氣壓增加的過程。在仿真模型中，控制氣壓信號從0線性增壓至800kPa。閥42口氣控制動狀態下，主要由繼動閥運動產生的位移y對C腔室氣體變化的影響，其仿真模型簡單，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，在行車過程中，43口始終保持額定工作氣壓為800kPa。駐車制動狀態下，43口由額定工作氣壓值緩慢降至。。所以在43口靜態特性仿真中，包含控制氣壓減小和增大的過程。在仿真模型中，控制氣壓信號先從800kPa線性減小至0再緩慢增壓至800kPa。駐車制動狀態下，主要由滑閥運動產生的位移z對C腔室氣體變化的影響。

在EBS掛車閥仿真過程中，EBS掛車閥的基本尺寸、質量以及腔室體積大部分參數通過測試獲得，而庫倫摩擦力等高度不確定性參數通過查閱資料與估計確定。

3 EBS掛車閥實驗驗證

為驗證EBS掛車閥靜態仿真模型的可靠性，設計EBS掛車閥檢測實驗臺，試驗臺主要包括計算機軟件控制模塊，管路硬件模塊和數據采集模塊3大模塊[13-15]，實物圖如圖5所示。

3.1 管路設計

管路設計根據EBS掛車閥實際工況，采用儲氣罐，電氣比例閥以及氣控閥等零件設計管路原理圖，如圖6所示。其中，管路設計有一條電控口，3條進氣口管路，一條出氣管路。管路前端采用40L不銹鋼儲氣罐，滿足各支路氣壓需求，保證管路氣壓穩定性;每條進氣管路設計有可控氣壓為0.005～0.9MPa的SMC電氣比例閥，使各管路氣壓可連續控制。EBS掛車閥各閥口前設計有1L負載，提高進氣口氣壓穩定性，數據讀取準確性。在閥口處安裝有精度為±3%FS，范圍為0～1.6MPa的HUBA傳感器，實時測量閥口氣壓變化。閥輸出口設有1L負載，模擬制動工況，還原制動實際性。

3.2 測試軟件設計

該系統以研華工控機與可編程電流源作為控制核心，采用研華PCI-1711高精度數據采集卡，通過PCLD-8710數據采集卡[16]連接電磁閥驅動板，控制各管路電磁閥開斷。靜態特性測試中，設置數據采集頻率為1kHz，設計以LabVIEW軟件開發的控制程序，圖7為軟件設計模塊組成圖。

4 仿真及試驗結果對比

4.1 遲滯特性分析

在電控遲滯特性測試過程中，閥P11口和P43口持續供給氣壓為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滯特性測試結果與仿真結果基本一致。實際測試中，電流在00.51A存在死區，穩壓電流值為1.30A，遲滯電流為0.26A。仿真結果中，電流在0～0.48A為死區，穩壓電流值為1.20A，遲滯電流為0.22A。因此該閥在電控狀態下，靜態特性表現為閥口輸出氣壓隨控制電流基本成線性增加;閥口死區范圍為0～0.51A;當I=0.30A時，閥達到額定工作氣壓，閥存在的遲滯電流為0.26A。

4.2 氣控靜態特性分析

在42口靜態特性測試過程中，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口靜態特性主要包含行車過程中，控制氣壓不斷增加和駐車制動過程中，控制氣壓不斷減小的過程。在實際測試過程中，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為氣控狀態下輸入一輸出氣壓仿真與實驗對比圖。可以看出，氣控靜特性仿真結果與實際測試結果基本一致。隨著42口氣壓的增大，輸出氣壓呈線性增加。42口實際測試中，氣壓在0～56.24kPa之間閥存在死區，穩壓為845.66kPa，輸入-輸出壓力曲線線性度為1.01。仿真結果中，氣壓在0～44.12kPa存在死區，穩壓為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口實際測試中，氣壓在038.37kPa存在死區，氣壓在503.30kPa下實施制動，曲線線性度為-1.35。仿真結果中，氣壓在028.28kPa存在死區，氣壓在495.03kPa下實施制動，曲線線性度為-1.49。因此該閥在氣控狀態下，靜態特性表現為輸出口氣壓隨著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42口控制氣壓為56.24kPa時，閥口打開;氣壓為845.66kPa，閥達到額定工作狀態，完成手剎制動;當43口控制氣壓為38.37kPa時，閥口打開;停車制動時，當氣壓為503.30kPa時，開始實施駐車制動，直至控制口氣壓為0，完成駐車制動。

由圖8、9中可以看出輸出氣壓與控制信號幾乎呈線性相關。閥存在較為明顯的死區，這是由于閥存在一定的機械滯后，且在閥工作初期閥靜摩擦力大于滑動摩擦力。由圖9中43口實測曲線可以看出，43口未工作狀態下，輸出氣壓最大為700kPa，這是由閥結構內部參數所定，受滑閥與繼動閥的間隙影響。仿真與實際曲線對比可知：1）實際測試的死區范圍小于仿真結果。當輸出口氣壓到達額定氣壓時，圖8中對應的實測控制電流、圖9中對應的實測42口控制氣壓均小于仿真結果，這是由于閥在實際工作狀態下，閥芯存在O型密封圈、閥芯與閥體之間運動產生的實際摩擦力大于理論摩擦。2）當控制電流增大后，曲線線性度有減小的趨勢;當控制氣壓增大后，曲線線性度同樣也有減小的趨勢。這是在實際過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，導致輸出口氣壓上升速率降低，達到穩壓狀態時的控制電流、氣壓增大。

5 結束語

本文對電子制動系統中新型的EBS掛車閥進行研究，建立閥的運動數學模型，采用Matlab/Simulink仿真該閥電流、氣壓控制狀態下靜態調節特性，并對EBS掛車閥搭建以LabVIEW軟件開發的測試臺架，對該閥靜態調壓特性進行測試和仿真驗證。得到如下結論：

1）該閥新增了比例電磁鐵，采用電流控制技術，結構創新、工作可靠，壓力可線性、穩定性調節。

2）電控汽控狀態下，該閥均有良好的線性調節性，穩定性強，但閥口均存在一定死區范圍。

3）特性測試結果與仿真結果相一致，測試結果準確，可靠。

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