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      汽車真空輔助制動系統的控制研究

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-18 09:00:19    瀏覽次數:3    評論:0
      導讀

      隨著汽車技術的發展和完善,汽車制動性能不斷地改進與提高.為了減輕汽車行車制動系統的負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來改進汽車的制動性能,最為普遍的做法是采用各種緩速器(發動機緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器、牽引電動機緩速器、空氣動力緩速器等)實現逐漸降低車速從而達到良好制動性能的目

      隨著汽車技術的發展和完善,汽車制動性能不斷地改進與提高.為了減輕汽車行車制動系統的負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來改進汽車的制動性能,最為普遍的做法是采用各種緩速器(發動機緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器、牽引電動機緩速器、空氣動力緩速器等)實現逐漸降低車速從而達到良好制動性能的目的.由制動原理可知,上述系統無法實現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,設計了相應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,數據表明,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,實驗表明,當車速v0=80 km/h該系統參與輔助制動時,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.當然,如實現該輔助制動系統穩定工作,能有效提高制動效能,除了需要改進制動吸盤的結構、摩擦橡膠及密封氣囊材料外,還需要對其控制系統關鍵技術做進一步研究.

      1 汽車真空輔助制動系統組成及工作原理

      汽車真空輔助制動系統主要由機械執行機構、制動吸盤(簡稱吸盤)、真空系統、彈射收起系統、控制系統等5部分組成.機械執行機構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;真空系統能夠使吸盤的密封氣囊形成相對真空度,使吸盤與地面產生壓力;彈射收起系統可適時彈射機械執行機構和吸盤,并在輔助制動后收回吸盤;控制系統根據制動踏板壓力、踏板開度、開度變化率等參數經過辨識判定為緊急制動時,可適時控制彈射收起系統和真空系統,使吸盤彈射下落壓緊地面,同時使吸盤密封氣囊產生負壓,負壓使吸盤的摩擦橡膠與地面產生摩擦力,從而實現汽車制動.緊急制動過程中和結束后,發動機進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組成及布置如圖1所示.

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

      2 控制系統功能分析

      上述可知,控制系統除了控制彈射收起系統外,應具備的功能主要包括以下兩個方面:① 真空輔助制動系統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,如辨識結果屬于緊急制動工況,則啟動系統進行制動;② 確定真空系統精確開啟時刻,現代汽車車速較高,空氣相對汽車流速快,會影響吸盤與地面接觸的時間t1以及真空系統開啟真空的時間t2,控制系統需要具備能夠根據汽車制動初速度確定時間t1的能力,從而確定開啟真空的時間t2.理論上,當t1=t2時,為控制的最佳時刻,輔助制動效能最好.

      3 駕駛員制動意圖辨識

      3.1 制動意圖辨識參數選取

      由于反映汽車制動狀況的參數很多,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,需進行制動意圖辨識參數的選取.國外最早利用制動意圖辨識的是博世公司,該公司利用駕駛人踩踏制動踏板的速率設定閾值法,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踏板,以踏板力為主要參數判斷駕駛員的制動意圖[5].同濟大學余卓平等[6]對駕駛員制動意圖辨識的參數選取做了實車試驗,證明制動踏板開度能夠單獨作為駕駛員制動意圖辨識的參數.還有學者提出以踏板開度及其變化率、車速為模糊模型輸入參數,建立駕駛員意圖辨識模型[7].

      結合前期研究,本文以第一時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,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、車輛行駛狀態等因素,將制動意圖分為平穩制動、調節制動和緊急制動3類.此3種制動意圖具體特征如表1所示.

      3.3 各制動意圖實驗數據采集

      根據GB 12676—1999,利用國產某轎車在平直干燥的瀝青路面上進行實驗,制動初速度為30 km/h.選擇40名性別、年齡、駕駛經驗不同的駕駛員進行不同制動意圖下的實驗.實驗利用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機等設備獲得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據,踏板開度變化率利用Matlab編程通過對踏板開度求導而得.表2為測得的各參數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的數值范圍
      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為隸屬度函數,模糊規則確定時,通過“小、中、大”描述制動意圖辨識的各參數狀態(英文首字母為{S,M,B}),然后統計分析實驗數據中制動踏板開度、開度變化率、踏板力分別屬于表3模糊規則庫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分別對應駕駛員制動意圖的平穩制動、調節制動、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,模糊辨識模型輸入參數(制動踏板開度、開度變化率、踏板力)的精確值經隸屬函數轉化為模糊量,模糊量通過模糊推理規則模塊的推理輸出量化制動意圖.最后,Matlab根據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的建立具有一定主觀性,因此,需要對其準確性進行檢驗.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驗數據,對駕駛員制動意圖辨識模型進行仿真驗證.各種制動意圖的期望制動意圖與辨識模型的辨識結果如圖3所示.

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

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

      由上面的制動意圖辨識結果曲線可知,量化的辨識結果可以準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控制器對制動意圖辨識的準確性要求.

      4 真空系統精確開啟時刻

      吸盤與地面接觸時間t1與真空系統開啟真空時間t2應相等,因此,如實現真空系統精確開啟時刻控制,需要對吸盤下落到地面的時間進行計算分析.

      4.1 制動吸盤下落分析的有關參數

      采用長城某轎車進行輔助制動系統實驗,系統具體參數如表4所示,結構位置如圖1所示.

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

      4.2 輔助吸盤下落到地面的時間分析

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

      (1) 彈射收起系統中的彈射機構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) 輔助制動系統斜拉臂質量僅為吸盤的5%,忽略斜拉臂質量對吸盤下落的影響.

      (4) 忽略吸盤下落時車速的變化.

      綜上所述,斜拉臂連同吸盤下落運動可簡化為吸盤中心點距吸盤遠端旋轉軸的鐘擺運動.由于現代汽車車速較高,汽車底部氣流相對于汽車流速較大,使吸盤下落時受到空氣升力、阻力及由此產生的力矩的影響.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間的影響.

      吸盤下落為一平板在高速氣流中的運動,文獻[8]表明,平板在氣流中的升力FL

      (1)

      式中:ρ為空氣密度,通常情況下,即20 ℃時,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,空氣動力學中平板實驗的空氣升力系數結果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.

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

      由圖4可知,吸盤在下落時的加速度a(t)為

      (2)

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

      通過吸盤下落質心位置關系,且由表4(吸盤主要參數表)可知,α(t)角度很小,則

      (3)

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

      對式(3)兩側求二階導,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刻為t1,則

      (6)

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

      (7)

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

      圖5 吸盤落地時刻與氣流速度關系
      Fig.5 Relation program of the suck discfalldown time and airflow rate

      4.3 吸盤落地時刻與氣流速度關系的理論及實驗驗證

      4.3.1 理論驗證

      由式(7)的推導可知,如驗證ν-t1曲線某特殊點正確,即可表明ν-t1曲線的合理性.

      令特殊點為(0,t1),即吸盤在氣流速度為0的情況下做鐘擺運動,則吸盤的下落到地面的速度ν1可由公式推得吸盤下落初速度ν0=0),再由公式ν1-v0=gt1由圖5可知,ν-t1曲線正確.

      4.3.2 實驗驗證

      將制作的真空輔助制動系統安裝于前述實驗車上并進行實驗測定,實驗車如圖6所示.

      圖6 真空輔助制動系統實驗圖
      Fig.6 Automolile vacuum auxiliary brakingsystem experiment

      實驗時,考慮安全等因素,僅對車速v=30 km時的真空系統打開時間進行了驗證.實驗中,由于真空閥開啟后真空管路及吸盤密封氣囊容積的影響,使密封氣囊產生真空度具有滯后性,經過反復實驗,對實驗車的輔助制動系統真空開啟時刻進行了調整,將真空系統開啟時刻控制方程式調整為

      (11)

      調整前后的制動速度變化曲線如圖7所示.由圖可知,由于真空開啟時刻的提前,汽車輔助制動的效果得到進一步的改善.

      圖7 真空系統開啟時刻調整前后制動速度變化曲線
      Fig.7 Braking speeds curve with the vacuum systemaction times adjustment

      5 結論

      制動意圖辨識和真空系統開啟時刻是真空輔助制動系統有效完成輔助制動功能的關鍵技術.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,通過仿真和實驗完成了對駕駛員制動意圖辨識.結果表明:所建立的模糊辨識模型辨識的準確性能夠滿足系統控制要求.對于真空系統開啟時刻,采用理論推導和實驗測試調整的方法,獲得了真空開啟時刻控制方程式,實現了汽車在不同車速下實施緊急制動時真空系統開啟時間控制的調整.

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      (文/小編)
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