汽車電子液壓制動系統(tǒng)跟隨特性的實驗研究 ----汽車EHB系統(tǒng)的硬件設(shè)計(一)

　　第3章汽車EHB系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　3.1引言

　　EHB系統(tǒng)試驗臺架主要由EHB液壓執(zhí)行機構(gòu)和EHB電子控制系統(tǒng)兩部分組成。兩個系統(tǒng)彼此緊密相連，共同作用。EHB電子控制單元通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將(輪速，橫擺角速度，側(cè)向加速度，壓力，方向盤轉(zhuǎn)角等)車輛狀態(tài)信號采集到主控芯片，主控芯片通過分析和處理輸出控制信號，經(jīng)過功率放大，控制信號驅(qū)動EHB系統(tǒng)的液壓控制機構(gòu)(高速開關(guān)閥和電機泵)，從而達到對整個液壓系統(tǒng)進行控制的目的。由于時間原因和現(xiàn)有條件限制，本文主要完成執(zhí)行機構(gòu)主要元器件的設(shè)計和選取，并且對電子控制單元的主控芯片及外圍電路進行了初步的設(shè)計。下面就對這兩個系統(tǒng)具體元件的設(shè)計和選擇詳細論述。

　　3.2 EHB執(zhí)行機構(gòu)元件設(shè)計和選擇

　　EHB執(zhí)行機構(gòu)主包括：液壓供給單元，液壓控制單元和制動踏板單元和輔助單元構(gòu)成。制動踏板單元通過采集電子踏板和踏板行程傳感器的信號，獲知駕駛員制動意圖。液壓供給單元主要作用是通過對電機泵的控制，將高壓油液輸入給蓄能器，蓄能器為整個執(zhí)行機構(gòu)提供能源。液壓控制單元控制主要元件是高速開關(guān)閥，通過電控單元通過輸出可調(diào)制的PWM信號，實現(xiàn)對輸出流量的精確控制。輔助單元包括制動管路，儲油杯，傳感器等。

　　在執(zhí)行機構(gòu)元件選取過程中，流量和壓力是兩個主要的參數(shù)。根據(jù)這兩個參數(shù)分析計算出所要求的元件尺寸大小和具體型號。而系統(tǒng)的工作壓力和流量分別取決于液壓執(zhí)行元件尺寸大小和液壓執(zhí)行元件所需流量。

　　在確定系統(tǒng)工作壓力的時候，不僅要盡量滿足系統(tǒng)負載的要求，而且應(yīng)考慮所選執(zhí)行元件的裝配空間，性能要求及元件成本等條件的限制。液壓系統(tǒng)功率一定，若工作壓力低一些，雖然增加了液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了工作噪聲，但同時元件的重量、尺寸就相應(yīng)增大;若工作壓力過高，雖然會加強液壓元件結(jié)構(gòu)緊湊性，輕巧性，但對液壓執(zhí)行機構(gòu)的制造精度和密封性能等要求就要有所提高。當(dāng)執(zhí)行元件高速運動時，易產(chǎn)生振動和噪聲。同時會對系統(tǒng)元件的使用壽命產(chǎn)生一定影響。加工起來困難，提高了設(shè)備制造成本。

　　在EHB設(shè)計過程中，液壓供給單元是整個液壓系統(tǒng)的功能裝置。他決定了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度和制動輪缸能達到的最高壓力。根據(jù)對執(zhí)行機構(gòu)的分析和研究，在制動器上建立液壓(或制動力矩)的速度要達到15MPa/s左右。即蓄能器，電機泵，高速開關(guān)閥及制動器的大小所決定建立液壓的速率。其車輛模型參數(shù)見表3.1

　　3.2.1液壓供給單元

　　液力供給單元主要包括高壓蓄能器，電機，液壓泵等。蓄能器作為壓力源，為整個制動執(zhí)行單元提供制動所需的壓力，由于高壓制動液從蓄能器流出，流經(jīng)閥類元件，到達制動輪缸過程中會有管路的沿程損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部損失，因此蓄能器應(yīng)該能提供足夠高的壓力，以滿足快速連續(xù)有效的制動要求。蓄能器的壓力由壓力傳感器將信號傳遞給電子控制單元ECU來進行監(jiān)測，通過實時開啟電機泵，來補充高壓蓄能器在制動過程中所消耗的制動液，使其壓力維持在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)蓄能器中的制動液壓力低于電子控制單元標(biāo)定的蓄能器的最低壓力時，電動液壓泵開始啟動工作，直到蓄能器中的制動液壓力達到電子控制單元標(biāo)定的蓄能器的最高壓力，制動液壓力高于蓄能器許用壓力時，溢流閥打開，直到蓄能器中的制動液壓力低于安全壓力，在高壓蓄能器輸入端與電動液壓泵輸出端之間相連的單向閥對蓄能器中的高壓制動液起截止回流作用。下面對液壓供給單元元件的具體計算和選用進行介紹。

　　1蓄能器的結(jié)構(gòu)形式

　　在壓力建立回路中，通常高壓蓄能器的功能是存儲能量、吸收液壓沖擊、回收能量和消除脈動，對延長系統(tǒng)工作壽命、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善其動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)、保證系統(tǒng)正常運行、降低噪聲等起著重要的作用。蓄能器在工作過程中如同一個彈性元件，首先將液體的液壓能轉(zhuǎn)化為勢能貯存起來，然后當(dāng)系統(tǒng)需要時再由勢能轉(zhuǎn)化為液壓能。蓄能器根據(jù)儲能方式的不同，分為重力式、彈簧式和氣體式;而氣體式蓄能器又分為非隔離式蓄能器和隔離式蓄能器。在隔離式蓄能器中包括一個外殼，殼體內(nèi)用一個固體或柔性的分隔元件分成兩個腔室，一個裝有液體的腔室，另一個裝有氣體的腔室。當(dāng)外部系統(tǒng)壓力超過蓄能器內(nèi)部壓力時，油液通過壓縮分隔元件另一側(cè)的氣體，將油液壓力能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能;當(dāng)外部系統(tǒng)壓力低于蓄能器內(nèi)部壓力時，蓄能器中的高壓氣體膨脹，通過分隔元件作用于油液向外部系統(tǒng)釋放能量。由于氣體和液體分離不易混合，從而有效地利用了氣體壓縮時產(chǎn)生的內(nèi)能，因此隔離式蓄能器的應(yīng)用范圍很廣。隔離式蓄能器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可以分成活塞式蓄能器和皮囊式蓄能器。

　　a活塞式蓄能器

　　活塞式蓄能器中的油液和氣體由浮動的自由活塞隔開，其具體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示?；钊喜繛閴嚎s空氣，由閥將氣體充入，高壓油液經(jīng)油孔流向液壓系統(tǒng)，活塞隨下部壓力油的儲存和釋放來回滑動。這種蓄能器結(jié)構(gòu)簡單、壽命長，但因活塞有一定的慣性和O形密封圈存在較大的摩擦力，所以反應(yīng)不夠靈敏，充氣壓力有限，密封困難，而且氣體和液體有相混的可能性。

　　b皮囊式蓄能器

　　皮囊式蓄能器由皮囊、殼體、充氣閥、菌形閥、油口組成，氣體和油液用皮囊隔開，當(dāng)系統(tǒng)壓力突然下降或充氣時菌形閥自動關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，皮囊用耐油的特殊橡膠制成，固定在殼體的上部，多采用氮氣作為氣體介質(zhì)，氮氣從氣門充入，殼體下端的提升閥由彈簧加菌形閥構(gòu)成，壓力油由此流入，并能在油液全部排出時，防止皮囊膨脹擠出油口。這種結(jié)構(gòu)使氣、液密封可靠、不易漏氣，并且因皮囊慣性小，反應(yīng)靈敏、克服了活塞式蓄能器響應(yīng)慢的弱點，充氣方便，容易安裝維護。因此，它的使用和研究是目前最多的。

　　c薄膜式蓄能器

　　薄膜式蓄能器是將兩個半球形殼體扣在一起，半球與半球之間用一張橡膠薄膜隔開，利用薄膜的彈性來儲存、釋放壓力能，薄膜式蓄能器重量最輕，易于吸收脈動反應(yīng)靈敏，由于橡膠薄膜面積較小，氣體膨脹受到限制，輸出量小。主要用于體積和流量較小的情況，如用作減震器，緩沖器等。

　　d重力式蓄能器;

　　重力式蓄能器如圖3.3所示，重力式蓄能器利用提拉加載在活塞上的質(zhì)量，將液體的液壓能轉(zhuǎn)化為重物的重力勢能來儲存能量。其結(jié)構(gòu)簡單、壓力穩(wěn)定，主要用于冶金等大型液壓系統(tǒng)的恒壓供油，其缺點是反應(yīng)慢，結(jié)構(gòu)龐大，安裝局限性大，只能垂直安裝、不易密封，現(xiàn)在已很少使用。

　　e彈簧式蓄能器

　　彈簧式蓄能器如圖3.4所示，利用彈簧的壓縮和伸長來儲存、釋放壓力能，它的結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但由于彈簧伸縮量有限容量小，可用于小容量、低壓系統(tǒng)起緩沖作用，不適用于高壓或高頻的工作場合。

　　在EHB系統(tǒng)中蓄能器的功能主要是作為壓力源。由電動泵作用，將油液的液壓能轉(zhuǎn)化為蓄能器內(nèi)部氣體的內(nèi)能，某些液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是間歇動作，其總的工作時間很短，該系統(tǒng)裝設(shè)蓄能器后，在非工作期間，泵向蓄能器充油，在工作期間，泵與蓄能器一起向執(zhí)行元件供油，這樣就可以采用一個較小的泵及動力機來完成工作，減小了動力機的功率。在蓄能器參數(shù)選取時主要是根據(jù)系統(tǒng)的總壓力和輪缸的總體積來選蓄能器。我們選用氣囊式蓄能器，蓄能器的容積是由其工作中要求輸出的油液體積，充氣壓力、系統(tǒng)最低工作壓力和最高工作壓力決定的，下面我們進行蓄能器參數(shù)的計算：