現(xiàn)代汽車制動(dòng)器的形式及發(fā)展方向

【專家解說】：從汽車誕生時(shí)起，車輛制動(dòng)系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關(guān)重要的角色。近年來，隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和汽車行駛速度的提高，這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯。眾多的汽車工程師在改進(jìn)汽車制動(dòng)性能的研究中傾注了大量的心血。目前關(guān)于汽車制動(dòng)的研究主要集中在制動(dòng)控制方面，包括制動(dòng)控制的理論和方法，以及采用新的技術(shù)。 一.制動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史 最原始的制動(dòng)控制只是駕駛員操縱一組簡單的機(jī)械裝置向制動(dòng)器施加作用力，這時(shí)的車輛的質(zhì)量比較小，速度比較低，機(jī)械制動(dòng)雖已滿足車輛制動(dòng)的需要，但隨著汽車自質(zhì)量的增加，助力裝置對(duì)機(jī)械制動(dòng)器來說已顯得十分必要。這時(shí)，開始出現(xiàn)真空助力裝置。1932年生產(chǎn)的質(zhì)量為2860kg的凱迪拉克V16車四輪采用直徑419.1mm的鼓式制動(dòng)器，并有制動(dòng)踏板控制的真空助力裝置。林肯公司也于1932年推出V12轎車，該車采用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動(dòng)器。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展，車輛制動(dòng)有了新的突破，液壓制動(dòng)是繼機(jī)械制動(dòng)后的又一重大革新。DuesenbergEight車率先使用了轎車液壓制動(dòng)器?？巳R斯勒的四輪液壓制動(dòng)器于1924年問世。通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。到20世紀(jì)50年代，液壓助力制動(dòng)器才成為現(xiàn)實(shí)。 20世紀(jì)80年代后期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，世界汽車技術(shù)領(lǐng)域最顯著的成就就是防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的實(shí)用和推廣。ABS集微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、液壓控制技術(shù)為一體，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車的主動(dòng)安全性和操縱性。防抱裝置一般包括三部分:傳感器、控制器(電子計(jì)算機(jī))與壓力調(diào)節(jié)器。傳感器接受運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如車輪角速度、角加速度、車速等傳送給控制裝置，控制裝置進(jìn)行計(jì)算并與規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比較后，給壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出指令。 1936年，博世公司申請一項(xiàng)電液控制的ABS裝置專利促進(jìn)了防抱制動(dòng)系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用。1969年的福特使用了真空助力的ABS制動(dòng)器;1971年，克萊斯勒車采用了四輪電子控制的ABS裝置。這些早期的ABS裝置性能有限，可靠性不夠理想，且成本高。 1979年，默本茨推出了一種性能可靠、帶有獨(dú)立液壓助力器的全數(shù)字電子系統(tǒng)控制的ABS制動(dòng)裝置。1985年美國開發(fā)出帶有數(shù)字顯示微處理器、復(fù)合主缸、液壓制動(dòng)助力器、電磁閥及執(zhí)行器“一體化”的ABS防抱裝置。隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，以及電子信息處理技術(shù)的高速發(fā)展，ABS以成為性能可靠、成本日趨下降的具有廣泛應(yīng)用前景的成熟產(chǎn)品。1992年ABS的世界年產(chǎn)量已超過1000萬輛份，世界汽車ABS的裝用率已超過20%。一些國家和地區(qū)(如歐洲、日本、美國等)已制定法規(guī)，使ABS成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 二.制動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 當(dāng)考慮基本的制動(dòng)功能量，液壓操縱仍然是最可靠、最經(jīng)濟(jì)的方法。即使增加了防抱制動(dòng)(ABS)功能后，傳統(tǒng)的“油液制動(dòng)系統(tǒng)”仍然占有優(yōu)勢地位。但是就復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性而言，增加的牽引力控制、車輛穩(wěn)定性控制和一些正在考慮用于“智能汽車”的新技術(shù)使基本的制動(dòng)器顯得微不足道。 傳統(tǒng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)只做一樣事情，即均勻分配油液壓力。當(dāng)制動(dòng)踏板踏下時(shí)，主缸就將等量的油液送到通往每個(gè)制動(dòng)器的管路，并通過一個(gè)比例閥使前后平衡。而ABS或其他一種制動(dòng)干預(yù)系統(tǒng)則按照每個(gè)制動(dòng)器的需要時(shí)對(duì)油液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。 目前，車輛防抱制動(dòng)控制系統(tǒng)(ABS)已發(fā)展成為成熟的產(chǎn)品，并在各種車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，但是這些產(chǎn)品基本都是基于車輪加、減速門限及參考滑移率方法設(shè)計(jì)的。方法雖然簡單實(shí)用，但是其調(diào)試比較困難，不同的車輛需要不同的匹配技術(shù)，在許多不同的道路上加以驗(yàn)證;從理論上來說，整個(gè)控制過程車輪滑移率不是保持在最佳滑移率上，并未達(dá)到最佳的制動(dòng)效果。 另外，由于編制邏輯門限ABS有許多局限性，所以近年來在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展了車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)(VDC)。結(jié)合動(dòng)力學(xué)控制的最佳ABS是以滑移率為控制目標(biāo)的ABS，它是以連續(xù)量控制形式，使制動(dòng)過程中保持最佳的、穩(wěn)定的滑移率，理論上是一種理想的ABS控制系統(tǒng)。 滑移率控制的難點(diǎn)在于確定各種路況下的最佳滑移率，另一個(gè)難點(diǎn)是車輛速度的測量問題，它應(yīng)是低成本可靠的技術(shù)，并最終能發(fā)展成為使用的產(chǎn)品。對(duì)以滑移率為目標(biāo)的ABS而言，控制精度并不是十分突出的問題，并且達(dá)到高精度的控制也比較困難;因?yàn)槁访婕败囕v運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化很大，多種干擾影響較大，所以重要的問題在于控制的穩(wěn)定性，即系統(tǒng)魯棒性，應(yīng)保持在各種條件下不失控。防抱系統(tǒng)要求高可靠性，否則會(huì)導(dǎo)致人身傷亡及車輛損壞。 因此，發(fā)展魯棒性的ABS控制系統(tǒng)成為關(guān)鍵?，F(xiàn)在，多種魯棒控制系統(tǒng)應(yīng)用到ABS的控制邏輯中來。除傳統(tǒng)的邏輯門限方法是以比較為目的外，增益調(diào)度PID控制、變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制是常用的魯棒控制系統(tǒng)，是目前所采用的以滑移率為目標(biāo)的連續(xù)控制系統(tǒng)。模糊控制法是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制，與系統(tǒng)的模型無關(guān)，具有很好的魯棒性和控制規(guī)則的靈活性，但調(diào)整控制參數(shù)比較困難，無理論而言，基本上是靠試湊的方法。然而對(duì)大多數(shù)基于目標(biāo)值的控制而言，控制規(guī)律有一定的規(guī)律。 另外，也有采用其它的控制方法，如基于狀態(tài)空門及線性反饋理論的方法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。各種控制方法并不是單獨(dú)應(yīng)用在汽車上，通常是幾種控制方法組合起來實(shí)施。如可以將模糊控制和PID結(jié)合起來，兼顧模糊控制的魯棒性和PID控制的高精度，能達(dá)到很好的控制效果。 車輪的驅(qū)動(dòng)打滑與制動(dòng)抱死是很類似的問題。在汽車起動(dòng)或加速時(shí)，因驅(qū)動(dòng)力過大而使驅(qū)動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)、超過摩擦極限而引起打滑。此時(shí)，車輪同樣不具有足夠的側(cè)向力來保持車輛的穩(wěn)定，車輪切向力也減少，影響加速性能。由此看出，防止車輪打滑與抱死都是要控制汽車的滑移率，所以在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展了驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)(ASR)。 ASR是ABS的邏輯和功能擴(kuò)展。ABS在增加了ASR功能后，主要的變化是在電子控制單元中增加了驅(qū)動(dòng)防滑邏輯系統(tǒng)，來監(jiān)測驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。ASR大多借用ABS的硬件，兩者共存一體，發(fā)展成為ABS/ASR系統(tǒng)。 目前，ABS/ASR已在歐洲新載貨車中普遍使用，并且歐共體法規(guī)EEC/71/320已強(qiáng)制性規(guī)定在總質(zhì)量大于3.5t的某些載貨車上使用，重型車是首先裝用的。然而ABS/ASR只是解決了緊急制動(dòng)時(shí)附著系數(shù)的利用，并可獲得較短的制動(dòng)距離及制動(dòng)方向穩(wěn)定性，但是它不能解決制動(dòng)系統(tǒng)中的所有缺陷。因此ABS/ASR功能，同時(shí)可進(jìn)行制動(dòng)強(qiáng)度的控制。 ABS只有在極端情況下(車輪完全抱死)才會(huì)控制制動(dòng)，在部分制動(dòng)時(shí)，電子制動(dòng)使可控制單個(gè)制動(dòng)缸壓力，因此反應(yīng)時(shí)間縮短，確保在任一瞬間得到正確的制動(dòng)壓力。近幾年電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展為EBS的發(fā)展帶來了機(jī)遇。德國自20世紀(jì)80年代以來率先發(fā)展了ABS/ASR系統(tǒng)并投入市場，在EBS的研究與發(fā)展過程中走到了世界的前列。 德國博世公司在1993年與斯堪尼公司聯(lián)合首次在Scania牽引車及掛車上裝用了EBS。然而EBS是全新的系統(tǒng)，它有很大的潛力，必將給現(xiàn)在及將來的制動(dòng)系統(tǒng)帶來革命性的變革。 三.制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展 今天，ABS/ASR已經(jīng)成為歐美和日本等發(fā)達(dá)國家汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要是控制技術(shù)的發(fā)展。一方面是擴(kuò)大控制范圍、增加控制功能;另一方面是采用優(yōu)化控制理論，實(shí)施伺服控制和高精度控制。 在第一方面，ABS功能的擴(kuò)充除ASR外，同時(shí)把懸架和轉(zhuǎn)向控制擴(kuò)展進(jìn)來，使ABS不僅僅是防抱死系統(tǒng)，而成為更綜合的車輛控制系統(tǒng)。制動(dòng)器開發(fā)廠商還提出了未來將ABS/TCS和VDC與智能化運(yùn)輸系統(tǒng)一體化運(yùn)用的構(gòu)想。隨著電子控制傳動(dòng)、懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展，將產(chǎn)生電子控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生一些新的功能，如:采用電子控制的離合器可大大提高汽車靜止啟動(dòng)的效率;在制動(dòng)過程中，通過輸入一個(gè)驅(qū)動(dòng)命令給電子懸架系統(tǒng)，能防止車輛的俯仰。 在第二個(gè)方面，一些智能控制技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是現(xiàn)在比較新的控制技術(shù)，已經(jīng)有人將其應(yīng)用在汽車的制動(dòng)控制系統(tǒng)中。ABS/ASR并不能解決汽車制動(dòng)中的所有問題。因此由ABS/ASR進(jìn)一步發(fā)展演變成電子控制制動(dòng)系統(tǒng)(EBS)，這將是控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要的方向。但是EBS要想在實(shí)際中應(yīng)用開來，并不是一個(gè)簡單的問題。除技術(shù)外，系統(tǒng)的成本和相關(guān)的法規(guī)是其投入應(yīng)用的關(guān)鍵。 經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的形式已經(jīng)基本固定下來。隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。如凱西-海斯(K-H)公司在一輛實(shí)驗(yàn)車上安裝了一種電-液(EH)制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)徹底改變了制動(dòng)器的操作機(jī)理。通過采用4個(gè)比例閥和電力電子控制裝置，K-H公司的EBM就能考慮到基本制動(dòng)、ABS、牽引力控制、巡航控制制動(dòng)干預(yù)等情況，而不需另外增加任何一種附加裝置。EBM系統(tǒng)潛在的優(yōu)點(diǎn)是比標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)器能更加有效地分配基本制動(dòng)力，從而使制動(dòng)距離縮短5%。一種完全無油液、完全的電路制動(dòng)BBW(Brake-By-Wire)的開發(fā)使傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)裝置成為歷史。 四.全電路制動(dòng)(BBW) BBW是未來制動(dòng)控制系統(tǒng)的L發(fā)展方向。全電制動(dòng)不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)槠鋫鬟f的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。全電制動(dòng)的結(jié)構(gòu)主要包含以下部分: a)電制動(dòng)器。其結(jié)構(gòu)和液壓制動(dòng)器基本類似，有盤式和鼓式兩種，作動(dòng)器是電動(dòng)機(jī); b)電制動(dòng)控制單元(ECU)。接收制動(dòng)踏板發(fā)出的信號(hào)，控制制動(dòng)器制動(dòng);接收駐車制動(dòng)信號(hào)，控制駐車制動(dòng);接收車輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)防抱死和驅(qū)動(dòng)防滑。由于各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)變速系統(tǒng)，無級(jí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，懸架系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)與制動(dòng)控制系統(tǒng)高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統(tǒng)的控制; c)輪速傳感器。準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地獲得車輪的速度; d)線束。給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號(hào); e)電源。為整個(gè)電制動(dòng)系統(tǒng)提供能源。與其他系統(tǒng)共用?？梢允歉鞣N電源，也包括再生能源。 從結(jié)構(gòu)上可以看出這種全電路制動(dòng)系統(tǒng)具有其他傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn): a)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)油箱、制動(dòng)主缸、助力裝置。液壓閥、復(fù)雜的管路系統(tǒng)等部件，使整車質(zhì)量降低; b)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，提高制動(dòng)性能; c)無制動(dòng)液，維護(hù)簡單; d)系統(tǒng)總成制造、裝配、測試簡單快捷，制動(dòng)分總成為模塊化結(jié)構(gòu); e)采用電線連接，系統(tǒng)耐久性能良好; f)易于改進(jìn)，稍加改進(jìn)就可以增加各種電控制功能。 全電制動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)全新的系統(tǒng)，給制動(dòng)控制系統(tǒng)帶來了巨大的變革，為將來的車輛智能控制提供條件。但是，要想全面推廣，還有不少問題需要解決: 首先是驅(qū)動(dòng)能源問題。采用全電路制動(dòng)控制系統(tǒng)，需要較多的能源，一個(gè)盤式制動(dòng)器大約需要1kW的驅(qū)動(dòng)能量。目前車輛12V電力系統(tǒng)提供不了這么大的能量，因此，將來車輛動(dòng)力系統(tǒng)采用高壓電，加大能源供應(yīng)，可以滿足制動(dòng)能量要求，同時(shí)需要解決高電壓帶來的安全問題。 其次是控制系統(tǒng)失效處理。全電制動(dòng)控制系統(tǒng)面臨的一個(gè)難題是制動(dòng)失效的處理。因?yàn)椴淮嬖讵?dú)立的主動(dòng)備用制動(dòng)系統(tǒng)，因此需要一個(gè)備用系統(tǒng)保證制動(dòng)安全，不論是ECU元件失效，傳感器失效還是制動(dòng)器本身、線束失效，都能保證制動(dòng)的基本性能。實(shí)現(xiàn)全電制動(dòng)控制的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)失效時(shí)的信息交流協(xié)議，如TTP/C。 系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，立即發(fā)出信息，確保信息傳遞符合法規(guī)最適合的方法是多重通道分時(shí)區(qū)(TDMA)，它可以保證不出現(xiàn)不可預(yù)測的信息滯后。TTP/C協(xié)議是根據(jù)TDMA制定的。第三是抗干擾處理。車輛在運(yùn)行過程中會(huì)有各種干擾信號(hào)，如何消除這些干擾信號(hào)造成的影響，目前存在多種抗干擾控制系統(tǒng)，基本上分為兩種:即對(duì)稱式和非對(duì)稱式抗干擾控制系統(tǒng)。 對(duì)稱式抗干擾控制系統(tǒng)是用兩個(gè)相同的CPU和同樣的計(jì)算程序處理制動(dòng)信號(hào)。非對(duì)稱式抗干擾控制系統(tǒng)是用兩個(gè)不同的CPU和不一樣的計(jì)算程序處理制動(dòng)信號(hào)。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。另外，電制動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件和硬件如何實(shí)現(xiàn)模塊化，以適應(yīng)不同種類的車型需要;如何實(shí)現(xiàn)底盤的模塊化，是一個(gè)重要的難題。只有將制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架、導(dǎo)航等系統(tǒng)綜合考慮進(jìn)來，從算法上模塊化，建立數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，才能以最低的成本獲得最好的控制系統(tǒng)。 電制動(dòng)控制系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)系統(tǒng)。這種混合制動(dòng)系統(tǒng)是全電制動(dòng)系統(tǒng)的過渡方案。由于兩套制動(dòng)系統(tǒng)共存，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，上述的各種問題會(huì)逐步得到解決，全電制動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)真正代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以液壓為主的制動(dòng)控制系統(tǒng)。圖3是這種全電制動(dòng)控制系統(tǒng)的配置方案。 五.結(jié)論 綜上所述，現(xiàn)代汽車制動(dòng)控制技術(shù)正朝著電子制動(dòng)控制方向發(fā)展。全電制動(dòng)控制因其巨大的優(yōu)越性，將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，隨著其他汽車電子技術(shù)特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本及尺寸不斷下降。 汽車電子制動(dòng)控制系統(tǒng)將與其他汽車電子系統(tǒng)如汽車電子懸架系統(tǒng)、汽車主動(dòng)式方向擺動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)、電子導(dǎo)航系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)，未來的汽車中就不存在孤立的制動(dòng)控制系統(tǒng)，各種控制單元集中在一個(gè)ECU中，并將逐漸代替常規(guī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛控制的智能化。 但是，汽車制動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展受整個(gè)汽車工業(yè)發(fā)展的制約。有一個(gè)巨大的汽車現(xiàn)有及潛在的市場的吸引，各種先進(jìn)的電子技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)以及各種智能技術(shù)才不斷應(yīng)用到汽車制動(dòng)控制系統(tǒng)中來。同時(shí)需要各種國際及國內(nèi)的相關(guān)法規(guī)的健全，這樣裝備新的制動(dòng)技術(shù)的汽車就會(huì)真正應(yīng)用到汽車的批量生產(chǎn)中。