汽车真空辅助制动系统的控制研究

随着汽车技术的发展和完善,汽车制动性能不断地改进与提高.为了减轻汽车行车制动系统的负荷和有效缩短制动距离,目前汽车上安装各种辅助制动系统来改进汽车的制动性能,最为普遍的做法是采用各种缓速器(发动机缓速器、电涡流缓速器、液力缓速器、牵引电动机缓速器、空气动力缓速器等)实现逐渐降低车速从而达到良好制动性能的目的.由制动原理可知,上述系统无法实现汽车在紧急制动工况下迅速降低车速的紧急制动功能.近年来,利用真空能量辅助汽车紧急制动的方法在国内外逐渐兴起,该方法可有效缩短汽车紧急制动距离.Lang[1]提出采用真空制动能量辅助汽车制动,设计了相应的真空能量辅助汽车紧急制动装置.Jeppsson等[2]研究了利用真空制动能量辅助制动对交通事故的影响,数据表明,该方法可有效降低交通事故率与事故损失.刘树伟等[3-4]提出了真空辅助制动系统,实验表明,当车速v0=80 km/h该系统参与辅助制动时,可缩短紧急制动距离4.25 m,对整车的制动性能有很大改进.当然,如实现该辅助制动系统稳定工作,能有效提高制动效能,除了需要改进制动吸盘的结构、摩擦橡胶及密封气囊材料外,还需要对其控制系统关键技术做进一步研究.

1 汽车真空辅助制动系统组成及工作原理

汽车真空辅助制动系统主要由机械执行机构、制动吸盘(简称吸盘)、真空系统、弹射收起系统、控制系统等5部分组成.机械执行机构用来连接汽车底盘和吸盘;吸盘的密封气囊可与地面形成相对密闭空腔,并由摩擦橡胶与地面形成大面积摩擦;真空系统能够使吸盘的密封气囊形成相对真空度,使吸盘与地面产生压力;弹射收起系统可适时弹射机械执行机构和吸盘,并在辅助制动后收回吸盘;控制系统根据制动踏板压力、踏板开度、开度变化率等参数经过辨识判定为紧急制动时,可适时控制弹射收起系统和真空系统,使吸盘弹射下落压紧地面,同时使吸盘密封气囊产生负压,负压使吸盘的摩擦橡胶与地面产生摩擦力,从而实现汽车制动.紧急制动过程中和结束后,发动机进气管路的真空通过单向控制阀对真空储能装置抽真空,以备下一次使用.汽车真空辅助制动系统组成及布置如图1所示.

图1 汽车真空辅助制动系统组成及布置示意图
Fig.1 Vacuum auxiliary braking system componentand layout diagram

2 控制系统功能分析

上述可知,控制系统除了控制弹射收起系统外,应具备的功能主要包括以下两个方面:① 真空辅助制动系统适用于汽车紧急制动工况,非紧急制动工况不参与辅助制动,因此,需具备驾驶员制动意图辨识功能,如辨识结果属于紧急制动工况,则启动系统进行制动;② 确定真空系统精确开启时刻,现代汽车车速较高,空气相对汽车流速快,会影响吸盘与地面接触的时间t1以及真空系统开启真空的时间t2,控制系统需要具备能够根据汽车制动初速度确定时间t1的能力,从而确定开启真空的时间t2.理论上,当t1=t2时,为控制的最佳时刻,辅助制动效能最好.

3 驾驶员制动意图辨识

3.1 制动意图辨识参数选取

由于反映汽车制动状况的参数很多,如制动减速度、制动管路油压、制动踏板位移或开度以及开度变化率、制动踏板压力、制动踏板速率以及变化率等,因此,需进行制动意图辨识参数的选取.国外最早利用制动意图辨识的是博世公司,该公司利用驾驶人踩踏制动踏板的速率设定阈值法,判断驾驶员的制动行为.美国德尔福公司研制的线控制动系统踏板,以踏板力为主要参数判断驾驶员的制动意图[5].同济大学余卓平等[6]对驾驶员制动意图辨识的参数选取做了实车试验,证明制动踏板开度能够单独作为驾驶员制动意图辨识的参数.还有学者提出以踏板开度及其变化率、车速为模糊模型输入参数,建立驾驶员意图辨识模型[7].

结合前期研究,本文以第一时间反映驾驶员制动意图的制动踏板开度、开度变化率和制动踏板力为制动辨识参数,利用模糊模式识别方法,搭建驾驶员制动意图的模型.

3.2 制动意图分析

驾驶员制动意图是驾驶员通过对制动踏板的操作,使车辆减速或者停车的意图,本文综合考虑了驾驶员对制动踏板的操作、车辆行驶状态等因素,将制动意图分为平稳制动、调节制动和紧急制动3类.此3种制动意图具体特征如表1所示.

3.3 各制动意图实验数据采集

根据GB 12676—1999,利用国产某轿车在平直干燥的沥青路面上进行实验,制动初速度为30 km/h.选择40名性别、年龄、驾驶经验不同的驾驶员进行不同制动意图下的实验.实验利用CMT-4F型汽拖综合测试仪、踏板压力传感器、角位移传感器及PC机等设备获得3种制动意图下的制动踏板开度、踏板力及制动减速度等数据,踏板开度变化率利用Matlab编程通过对踏板开度求导而得.表2为测得的各参数不同制动意图下的变化范围.

表1 制动意图特征表
Tab.1 Braking intentions feature table

表2 不同制动意图下辨识参数的数值范围
Tab.2 The range of Identify parameters invarious braking intentions

3.4 驾驶员制动意图模糊模式辨识

本文的模糊模式识别选用梯形及三角形的线性函数为隶属度函数,模糊规则确定时,通过“小、中、大”描述制动意图辨识的各参数状态(英文首字母为{S,M,B}),然后统计分析实验数据中制动踏板开度、开度变化率、踏板力分别属于表3模糊规则库27种情况下汽车制动减速度的模糊子集S,M,B频次,选取频次最大的子集描述制动意图.制动减速度的子集S,M,B分别对应驾驶员制动意图的平稳制动、调节制动、紧急制动等意图.

本文利用Matlab的Fuzzy工具箱,建立了驾驶员制动意图辨识的模糊辨识器模型.仿真时,模糊辨识模型输入参数(制动踏板开度、开度变化率、踏板力)的精确值经隶属函数转化为模糊量,模糊量通过模糊推理规则模块的推理输出量化制动意图.最后,Matlab根据特定的算法将模型的输出解模糊.

表3 制动意图辨识的模糊规则库
Tab.3 Fuzzy rule base of braking intention recognition

3.5 驾驶员制动意图辨识的仿真分析

由于制动意图模糊辨识器的各模糊子集隶属度函数的建立具有一定主观性,因此,需要对其准确性进行检验.本文借助Matlab的Fuzzy工具箱,按驾驶员制动意图辨识模型离线验证框图(见图2)搭建了驾驶员制动意图辨识Simulink仿真模型.

利用上述3种制动意图所采集的实验数据,对驾驶员制动意图辨识模型进行仿真验证.各种制动意图的期望制动意图与辨识模型的辨识结果如图3所示.

图2 制动意图辨识模型离线验证框图
Fig.2 Offline test block diagram of braking intention recognition model

图3 3种制动意图期望结果与辨识结果对比图
Fig.3 Comparison of expected and recognition resultson three braking intentions

由上面的制动意图辨识结果曲线可知,量化的辨识结果可以准确地反映驾驶员的制动意图.因此,该辨识方法满足辅助制动系统控制器对制动意图辨识的准确性要求.

4 真空系统精确开启时刻

吸盘与地面接触时间t1与真空系统开启真空时间t2应相等,因此,如实现真空系统精确开启时刻控制,需要对吸盘下落到地面的时间进行计算分析.

4.1 制动吸盘下落分析的有关参数

采用长城某轿车进行辅助制动系统实验,系统具体参数如表4所示,结构位置如图1所示.

表4 吸盘主要参数表
Tab.4 Main parameters table of the sucking disc

4.2 辅助吸盘下落到地面的时间分析

影响辅助吸盘下落到地面时间的因素较多,但部分因素对其的影响甚微,为了研究方便,做如下假设:

(1) 弹射收起系统中的弹射机构仅起促动吸盘下落作用,因此,忽略其对吸盘下落的影响.

(2) 吸盘距离地面间隙h较小,因此,可忽略吸盘在下落过程中,斜拉臂与其角度的改变以及吸盘底沿(远离斜拉臂端)与地面接触的角度改变对吸盘下落的影响.

(3) 辅助制动系统斜拉臂质量仅为吸盘的5%,忽略斜拉臂质量对吸盘下落的影响.

(4) 忽略吸盘下落时车速的变化.

综上所述,斜拉臂连同吸盘下落运动可简化为吸盘中心点距吸盘远端旋转轴的钟摆运动.由于现代汽车车速较高,汽车底部气流相对于汽车流速较大,使吸盘下落时受到空气升力、阻力及由此产生的力矩的影响.由吸盘下落的过程可知,空气阻力及力矩对吸盘下落到地面的时间影响较小,因此,本文仅讨论空气升力对吸盘下落到地面时间的影响.

吸盘下落为一平板在高速气流中的运动,文献[8]表明,平板在气流中的升力FL为

(1)

式中:ρ为空气密度,通常情况下,即20 ℃时,ρ取1.205 kg/m3;ν为空气流速,m/s;b为平板沿气流方向的长度,m;CL为空气升力系数,空气动力学中平板实验的空气升力系数结果CL=0.9×2πα(t),α(t)为几何迎角,又称攻角,为平板平面与来流的夹角.

通过上述假设与分析,画出吸盘运动及竖直方向受力简图,如图4所示.

由图4可知,吸盘在下落时的加速度a(t)为

(2)

图4 吸盘运动分析简图
Fig.4 Analysis chart of the sucking disc

通过吸盘下落质心位置关系,且由表4(吸盘主要参数表)可知,α(t)角度很小,则

(3)

式中:h(t)为吸盘下落t时刻的高度;α(t)为斜拉臂在吸盘下落t时刻与下落前位置夹角(下落前水平平行于地面).

对式(3)两侧求二阶导,且a(t)=h″(t),因此,将式(3)与式(1)代入式(2)整理得

(4)

由吸盘下落的原理可知

由欧拉公式可求得

(5)

如上所述,吸盘下落到地面的时刻为t1,则

(6)

式(6)代入式(5),可推出吸盘下落到地面的时刻t1与空气流速ν之间的关系式为

(7)

此关系式即为辅助制动系统的真空系统开启时刻控制方程式.将各参数值代入上式,并利用Matlab编程画出ν-t1关系曲线,具体情况参见图5.由图5可看出,吸盘落地时刻随气流速度的增加而增加.

图5 吸盘落地时刻与气流速度关系
Fig.5 Relation program of the suck discfalldown time and airflow rate

4.3 吸盘落地时刻与气流速度关系的理论及实验验证

4.3.1 理论验证

由式(7)的推导可知,如验证ν-t1曲线某特殊点正确,即可表明ν-t1曲线的合理性.

令特殊点为(0,t1),即吸盘在气流速度为0的情况下做钟摆运动,则吸盘的下落到地面的速度ν1可由公式推得吸盘下落初速度ν0=0),再由公式ν1-v0=gt1可由图5可知,ν-t1曲线正确.

4.3.2 实验验证

将制作的真空辅助制动系统安装于前述实验车上并进行实验测定,实验车如图6所示.

图6 真空辅助制动系统实验图
Fig.6 Automolile vacuum auxiliary brakingsystem experiment

实验时,考虑安全等因素,仅对车速v=30 km时的真空系统打开时间进行了验证.实验中,由于真空阀开启后真空管路及吸盘密封气囊容积的影响,使密封气囊产生真空度具有滞后性,经过反复实验,对实验车的辅助制动系统真空开启时刻进行了调整,将真空系统开启时刻控制方程式调整为

(11)

调整前后的制动速度变化曲线如图7所示.由图可知,由于真空开启时刻的提前,汽车辅助制动的效果得到进一步的改善.

图7 真空系统开启时刻调整前后制动速度变化曲线
Fig.7 Braking speeds curve with the vacuum systemaction time’s adjustment

5 结论

制动意图辨识和真空系统开启时刻是真空辅助制动系统有效完成辅助制动功能的关键技术.本文采用模糊模式识别方法,选用制动踏板压力、踏板开度和开度变化率为辨识参数,通过仿真和实验完成了对驾驶员制动意图辨识.结果表明:所建立的模糊辨识模型辨识的准确性能够满足系统控制要求.对于真空系统开启时刻,采用理论推导和实验测试调整的方法,获得了真空开启时刻控制方程式,实现了汽车在不同车速下实施紧急制动时真空系统开启时间控制的调整.