適應(yīng)4編組的商用巴士制動系統(tǒng)研究

陳智 毛金虎 艾正武 姜俊超

摘要：介紹了4編組商用巴士制動系統(tǒng)的特點，詳細描述了4編組商用巴士制動系統(tǒng)的組成、控制原理、故障導(dǎo)向，并針對制動系統(tǒng)給出了詳細的控制方法以及地面調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論。

關(guān)鍵詞：4編組商用巴士;制動系統(tǒng);控制原理;故障導(dǎo)向

0? ? 引言

4編組商用巴士作為一種介于軌道交通和常規(guī)公交之間的新型運營系統(tǒng)，利用現(xiàn)代公交技術(shù)配合智能軌道交通的運營管理，使傳統(tǒng)的公交系統(tǒng)基本達到軌道交通的服務(wù)水平，其投資及運營成本較軌道交通低，接近常規(guī)公交。

現(xiàn)在一般的商用巴士一般在2節(jié)車廂以內(nèi)，長度不超過18 m;而4編組商用巴士采用雙司機室，由4節(jié)車廂組成，長38 m，目前市場上還沒有成熟的4編組商用巴士制動系統(tǒng)。為保證整車制動的安全性和舒適性，讓制動響應(yīng)時間和制動同步性等參數(shù)達到《機動車運行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）標準要求，必須進行適應(yīng)4編組的商用巴士制動系統(tǒng)研究。

1? ? 制動系統(tǒng)的組成

如圖1所示，4編組商用巴士制動系統(tǒng)主要由電空回路和純氣控回路組成。兩端司機室位置下方各設(shè)置一個制動總閥，制動總閥輸出兩路電制動指令和壓縮空氣制動指令（其中電制動指令作為主控，壓縮空氣制動指令作為備用控制），來實現(xiàn)行車制動控制。

1.1? ? 電空回路

電空回路主要由2件制動總閥、2件制動ECU、整車CAN網(wǎng)、制動CAN網(wǎng)、6個橋控模塊等組成。

1.1.1? ? 制動總閥

制動總閥根據(jù)行程輸出兩路PWM信號和兩路壓縮空氣。兩路PWM信號互為冗余，并同時輸出給所在車端的ECU;壓縮空氣輸出給繼動閥進行加速，保證壓力同步傳遞給6個車橋的橋控模塊。制動總閥符合《機動車運行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）的要求。

1.1.2? ? 制動ECU

制動ECU根據(jù)制動總閥輸出的PWM信號和載荷信號計算各車橋所需制動氣壓，并將指令通過制動CAN網(wǎng)傳輸給橋控模塊，進行整車的制動、緩解控制。同時，ECU接收機動車兩端的鑰匙開關(guān)、整車電制力和零速等信號作為控制輸入信號。

1.1.3? ? 整車CAN網(wǎng)

整車CAN網(wǎng)貫穿整車，采用通信率為250 kbit/s的CAN網(wǎng)絡(luò)，連接整車牽引、轉(zhuǎn)向等各系統(tǒng)關(guān)鍵單元，兩端的制動ECU掛在車輛總線上。

1.1.4? ? 制動CAN網(wǎng)

整列車有兩個獨立的制動CAN網(wǎng)，Mc1車和Tp1車內(nèi)的制動ECU、橋控模塊、ABS ECU組成一個制動CAN網(wǎng);Mc2車和Tp2車內(nèi)的制動ECU、橋控模塊、ABS ECU組成另一個制動CAN網(wǎng)。

單獨設(shè)置制動CAN網(wǎng)，這點與普通商用車不同。因為4編組商用巴士的車輛特征，牽引、轉(zhuǎn)向等各功能設(shè)備和車身長度導(dǎo)致整車CAN總線長度已接近60 m，而商用車的CAN網(wǎng)絡(luò)一般建議長度為不超過50 m。制動系統(tǒng)作為保證安全的關(guān)鍵設(shè)備，單獨設(shè)置兩個制動內(nèi)部CAN網(wǎng)縮短了內(nèi)部通信電纜的長度，能更好地保證制動內(nèi)部各部件通信質(zhì)量。

1.1.5? ? 橋控模塊

橋控模塊集成了電控EP控制組件（包括B2、B3高頻電磁閥和B4壓力傳感器）、B1電磁閥和B5繼動閥，橋控模塊根據(jù)制動ECU發(fā)出的指令控制B1電磁閥選擇電空回路或純空氣通路（圖2）。正常制動工況，ECU控制橋控模塊導(dǎo)通電控EP控制通路，進行制動和緩解;純空氣通路此時處于熱備狀態(tài);B5繼動閥對電控EP控制通路或純空氣通路的壓力進行加速后輸出給ABS壓力調(diào)節(jié)器。

1.1.6? ? ABS ECU、ABS壓力調(diào)節(jié)器

在單通道模塊與制動器之間設(shè)置ABS防滑閥，由EBCU通過ABS防滑閥來控制最終輸出給制動器的壓力。ABS防滑功能滿足《機動車和掛車防抱制動性能和試驗方法》（GB/T 13594—2003）的要求。

1.2? ? 純氣控回路

純空氣模塊主要由2件制動總閥、4件繼動閥、6件雙向閥、6件橋控模塊等組成，其中制動總閥和橋控模塊是電空回路和純氣控回路共用。

1.2.1? ? 繼動閥

繼動閥對制動總閥的壓縮空氣輸出進行加速，減少車身長度對壓縮空氣傳輸時間的影響，保證各車橋制動壓力同時施加。

踩下制動總閥時，制動總閥的輸出氣壓作為繼動閥的控制壓力輸入，在控制壓力作用下，將進氣閥推開，于是儲氣筒內(nèi)的壓縮空氣直接通過繼動閥進氣口向雙向閥進行充風(fēng)，加速了純空氣通路的充氣過程。

1.2.2? ? 雙向閥

車輛兩端制動總閥的空氣壓力經(jīng)雙向閥比較后，取大輸出給橋控模塊的制動總閥氣控信號口。當橋控模塊選擇純空氣通路時，橋控模塊內(nèi)的繼動閥對制動總閥氣控信號口進行加速輸出給各車橋的制動氣室。

2? ? 控制原理

2.1? ? 電空控制原理

整車發(fā)送占用端鑰匙開關(guān)信號至制動ECU，制動系統(tǒng)激活并向占用端制動總閥供電。制動總閥將踏板的角度轉(zhuǎn)換為PWM信號輸出至占用端制動ECU，并通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)將制動指令傳輸給非占用端制動ECU。

制動ECU收到指令后，根據(jù)減速度、載荷和電制力計算各車橋所需制動氣壓后，通過各自所在制動CAN網(wǎng)將制動壓力需求信號傳輸給橋控模塊。以一根橋的制動控制原理簡圖為例（圖3），橋控模塊收到制動ECU的指令后，控制B2、B3高頻電磁閥和B4壓力傳感器精確控制壓力;控制壓力通過B5繼動閥加速后，對B15制動氣室進行充排氣。同時，橋控模塊每個橋輸出的壓力信號反饋給制動ECU，由制動ECU監(jiān)控各車橋控模塊的制動狀態(tài)。

制動ECU通過同樣的方式控制所有橋控模塊的動作，保證各車橋制動的同步性和一致性。同時制動ECU能獨立控制各車橋的制動壓力施加，可以根據(jù)車輛性能特性調(diào)整各車橋制動壓力，更好地控制車輛制動的平穩(wěn)性和舒適性。

2.2? ? 純空氣控制原理

當電空制動故障，制動系統(tǒng)切換到純空氣控制模式。制動總閥根據(jù)踏板的角度輸出兩路獨立的氣壓，互相作為冗余備份。以圖3一根橋的制動控制原理簡圖為例：

制動總閥第一路壓縮空氣指令輸出給B8繼動閥控制口，B8繼動閥將氣壓指令進行加速后輸出給B9繼動閥，B9繼動閥對氣壓指令進行加速后輸出給B11雙向閥。

制動總閥第二路壓縮空氣指令輸出給B10繼動閥控制口，B10繼動閥對氣壓指令進行加速后輸出給B11雙向閥。

B9和B10繼動閥的輸出氣壓經(jīng)B11雙向閥比較后取大輸出給各車橋的橋控模塊，橋控模塊切斷電空EP控制通路，導(dǎo)通純空氣制動通路，純空氣制動指令經(jīng)B5繼動閥加速后輸出給B15制動氣室。

制動總閥通過同樣的方式控制所有車橋的純空氣制動，保證在純空氣控制通路下各車橋制動的同步性。同時純空氣控制通路的雙冗余模式提高了整套系統(tǒng)的安全系數(shù)，提高了系統(tǒng)的可用性。

2.3? ? ABS控制原理

在車輛制動時，ABS ECU實時監(jiān)測每個車輪的速度信號。當檢測到車輪抱死時，ABS ECU發(fā)送信號給制動ECU，制動ECU切斷所有橋控模塊的電源，打開純空氣控制通路，B15制動氣室的壓力完全由ABS壓力調(diào)節(jié)器控制，使車輪不被抱死，處于滑移率20%左右的邊滾邊滑狀態(tài)，以保證車輪與地面的附著力在最大值，減少制動距離。

3? ? 故障導(dǎo)向

正常制動或緩解時，制動總閥將踏板的電信號輸出至制動ECU。當制動ECU檢測到某個橋控模塊故障時，制動ECU切斷故障的橋控模塊電源，橋控模塊B1電磁閥失電后切斷故障橋的電空EP控制通路，導(dǎo)通故障橋的純空氣制動通路進行制動和緩解;并將故障信號反饋給VCU顯示在人機界面上，提示司機車輛制動部分故障，需采取相應(yīng)措施。

當VCU檢測到制動ECU故障時，VCU切斷制動系統(tǒng)電源，制動系統(tǒng)自動切換到純空氣制動模式，所有橋控模塊B1電磁閥失電后切斷電空EP控制通路，導(dǎo)通純空氣制動通路。

制動ECU和整車VCU的雙重生命信號監(jiān)測，從整車CAN網(wǎng)和制動CAN網(wǎng)兩個通道進行整車制動的安全保障，讓制動系統(tǒng)更可靠、更可控。

4? ? 驗證

GB 7258—2017標準要求制動響應(yīng)時間（即急踩制動時，從腳接觸制動踏板時起至機動車制動力達到最大制動力75%的時間）≤0.8 s;整車最不利制動軸制動動作滯后于最有利制動軸的制動同步動作時間≤0.2 s;制動緩解時間（從松開制動踏板到制動消除所需要的時間）≤1.2 s。

為全面地進行此套制動系統(tǒng)的試驗，我們模擬整車管路布局，搭建1：1制動系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗臺進行制動性能測試。該試驗臺的時間采集精度為10 ms，壓力采集精度為±0.2%，測試數(shù)據(jù)如圖4所示。根據(jù)圖4實測制動曲線可得，最不利軸（實測為1橋）制動響應(yīng)時間為0.646 s;制動和緩解時，同步時間最大為0.117 s;制動緩解時間為1.161 s。

測試結(jié)果表明，適應(yīng)4編組的商用巴士制動系統(tǒng)的主要性能能夠滿足車輛的設(shè)計要求及GB 7258—2017標準要求。

5? ? 結(jié)語

4編組商用巴士制動系統(tǒng)的設(shè)計，在功能上既能夠滿足緊急情況下的行車制動響應(yīng)時間要求，確保行車制動安全;也能夠滿足非緊急制動情況下各車橋制動壓力的獨立精確控制，兼顧了駕駛員和乘客的制動舒適性;同時通過制動系統(tǒng)的故障安全導(dǎo)向，設(shè)置了電空制動回路和純空氣制動回路的自動切換，保證了整車的可用性。

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[3] 機動車運行安全技術(shù)條件：GB 7258—2017[S].

收稿日期：2020-01-07

作者簡介：陳智（1988—），男，湖南衡陽人，工程師，從事機車和城軌車輛制動系統(tǒng)的研發(fā)工作。