电机液压联合全液压制动系统设计及性能

摘要

为验证8×8全电驱动越野车电机液压(简称电液)联合全液压制动系统的可靠性, 依据新一代轮式机动平台独立电驱动车辆制动系统性能指标要求，以某型号8×8全电驱动越野车为研究对象，对新一代电液联合全液压制动系统进行了原理方案设计；考虑系统的长管路特性对输出制动性能的影响，搭建了与整车元件、管路布置1∶1的实验平台，分析了不同工况下全液压制动系统的输出特性。结果表明：新一代电液联合全液压制动系统的输出制动力、制动响应时间等满足整车制动力12.0 MPa、响应时间0.2～0.3 s的制动性能指标要求；制动输出压力与制动踏板的位移及变化率呈线性关系；当电控系统发生故障时，依靠全液压制动系统仍然能满足整车的制动需求。

引言

制动系统的响应时间、输出制动力大小、制动效果是否平稳直接影响整车的安全性、可靠性。针对气压制动、气压与液压制动等一些常规制动方式响应慢、损耗大、机构复杂、维护困难等诸多问题，全液压制动系统以其响应迅速、比功率密度高、布局紧凑、可靠性高、易于与电控技术高效结合等优点得到快速发展，受到行走机械行业的普遍认可。然而由于我国新能源车辆起步较晚，整体技术尚不成熟，对全电驱动车辆全液压制动系统的开发与研究相对较少。

为了满足全液压制动系统的输出制动力需求、缩短制动响应时间，保证制动力的合理分配，减小制动系统故障发生率，确保车辆行驶安全，现阶段各领域的学者均对其展开了研究。Mário等运用了物理建模的计算软件和键合图的概念，分析了液压制动系统的典型故障模式；Fan等建立了虚拟样机多体动力学仿真模型，研究了紧急制动、盘式制动等不同制动方式下的制动性能；Mayur等运用了基于模糊理论的故障树分析法，建立了液压制动系统的故障诊断模型；Albatlan研究不同内径的制动管对制动性能的影响；Wang等基于制动力分布曲线，提出了液力减速器与摩擦制动器之间理想的制动力分配策略；Lv等设计了一种基于液压制动器压差限制调制的协同再生制动控制算法，提高了液压制动力的准确分配。

在国内黄世健等建立了卡钳需液量的数学模型，分析了制动软管长度对制动系统需液量的影响；宋慧慧等基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台对全液压制动的双回路制动阀、充液特性进行了研究；余卓平等通过AMESim&Simulink联合仿真与控制方法实现了对液压系统的输出压力、响应时间及系统性能的研究。

随着汽车技术的发展，制动系统在提高汽车的其他性能方面也逐渐发挥作用，其中包括操纵稳定性、经济性和排放性等。随着制动系统被赋予更多的任务，制动系统的设计已不能单纯从制动性角度考虑，新的功能要求汽车制动系统能够提供更多的操纵自由度、获得更精确的制动力、感知更多的外界信息，并且提供与其他系统协同工作的标准接口等，传统制动系统已经无法完全满足这些需求，对制动系统进行质的改变已成为汽车技术发展的必然趋势。因此本文针对某型号8×8全电驱动越野车轮边制动空间有限、所需制动力大等诸多要求，以及通过调整电机电磁制动力矩与液压机械制动力矩大小,实现不同的制动需求、能量回收过程以及制动安全可靠,使得电动汽车在能量的利用上有更高的效率。开发设计了满足轮式独立电驱动机动平台要求的新一代全液压并联制动系统，搭建了与整车制动系统元件、管路布置1∶1的实验平台，验证其电机液压(简称电液)联合制动、全液压制动工况下整车的输出制动力、制动响应时间等制动性能，为今后整车全液压制动系统的设计与开发提供参考。

1 整车制动系统原理

某型号8×8全电驱动越野车制动控制策略如图1所示，行驶状态下，制动控制器接收轮速、车速信息，实时估算车辆行驶路面的附着系数，当制动控制器受到驾驶员制动指令后，根据驾驶员踩踏制动踏板的行程和速率综合判断驾驶员的制动强度，并根据当时的路面情况计算期望的制动减速度。由制动减速度及车辆相关参数计算出所需制动转矩。制动转矩由电机制动转矩和液压制动转矩组成，控制系统会根据当时的车速工况判断电机制动转矩和液压制动转矩之间的比例关系，从而把需要电机提供的转矩通过总线向电机提供请求(根据荷电状态(SOC)值判断，电机在满足能量回收模式条件下进行能量回收工况的制动，该转矩值分配时就满足不超过电机在该转速下能提供的峰值)；把需要液压系统提供的转矩输送给液压系统。液压部分根据闭环控制，控制器随时监测制动减速度是否满足，并根据要求适时调整。

全液压制动原理如图2所示，包括动力源、驻车制动和行车制动。图2中T为油箱口，P为蓄能器压力口，A为继动阀制动压力输出口，B为电液比例阀出口，A1、A2为双回路脚踏阀输出口。设计参数如下：整车满载质量25 t；最高行驶速度120 km/h；整车车桥数量4只；制动器最高操纵制动压力12.0 MPa；要求制动响应时间0.2～0.3 s.

1.1 动力源

动力源部分由液压泵、溢流阀、单向阀、蓄能器、压力继电器等元件组成。其中液压泵由电机驱动，为蓄能器组供油，当蓄能器压力达到设定压力后，压力传感器发出信号控制电机停止工作；当蓄能器组压力低于设定压力时，压力传感器发出信号控制电机重新启动，为蓄能器充油。手动泵的作用是当车辆出现故障需要将车拖走，而蓄能器中没有压力油时，通过手动泵为蓄能器充液，用以解除手制动．蓄能器组的作用是为制动系统短时大量供油，一方面可以减小液压泵的排量，另一方面可以避免驱动电机的频繁启动，同时也保证了当电气系统出现故障时制动系统仍然可以起作用。单向阀组由3个单向阀组成，起到保压防止泄漏的作用。

1.2 驻车制动

驻车制动部分由驻车制动阀、驻车灯、驻车制动缸组成，驻车制动缸的制动型式为弹簧制动，液压释放，当手制动阀处于自由状态时，制动压力输出口与油箱口接通，无压力输出，制动油缸在弹簧作用下处于制动状态，压力继电器触点为常闭状态，此时驻车制动指示灯亮；通过扳动驻车制动阀手柄使蓄能器压力口对制动压力输出口打开，输出制动压力，且输出压力与手柄角度呈线性比例关系。制动阀输出压力使制动油缸活塞回缩，解除驻车制动，压力上升到设定值时，压力继电器动作，控制驻车制动灯熄灭。

1.3 行车制动

行车制动部分由脚制动阀、继动阀、电液比例阀、梭阀、行车制动缸组成，所设计车辆为四轴，每轴的制动阀组都相同，以其中一轴的制动阀组为例；踩下制动踏板后，集成在制动踏板中的传感器输出信号发送至控制器，控制器根据此信号控制电液比例伺服阀，其输出压力到达梭阀的一个油口；脚制动阀输出的压力油作为继动阀的控制压力输入，在控制压力作用下，将继动阀打开，压力油便由蓄能器直接经过继动阀后到达梭阀的另一个油口，梭阀自动选择二者中的高压进入制动缸。此时，为保证制动力大小受电液比例伺服阀控制，在控制算法中应使比例伺服阀的输出大于继动阀的输出压力。当电控系统发生故障时，脚制动阀输出的压力油作为继动阀的控制压力输入，在控制压力作用下，将继动阀打开，压力油便由蓄能器直接经过继动阀，再经过梭阀进入制动缸，实现制动。

2 实验设计及参数设置

为了节约实验空间、降低实验成本、易于多次重复测试并确保测试结果的真实可靠性，还原由于管路的长度、布局等因素对制动性能的影响，同时满足制动压力12.0 MPa，响应时间0.2～0.3 s的要求，采用台架实验的测试方法建立与整车制动系统元件、管路布置1∶1的实验平台进行电液联合制动和全液压制动工况下的实验测试，实验设计如图3所示，实验参数如表1所示。

3 实验结果验证

为了检验某型号8×8越野车全液压制动系统是否满足整车的制动要求，分别测试电液联合制动工况下和全液压制动工况下，整车慢速制动、紧急制动时的制动性能。

3.1 电液联合制动

当电液联合慢速制动时，实验曲线如图4所示，从中可以看出：由于电液比例阀控制器设定的正常工作状态下输出压力为13.0 MPa，在15～28 s与继动阀的输出压力与控制压力为比例关系，而控制压力与制动踏板力为比例关系，因此继动阀的输出压力与制动踏板力亦为比例关系。如图5所示，继动阀输出压力与脚踏阀踏板位移曲线呈线性关系，满足继动阀输出特性。

表1 实验参数

35～48 s两次模拟制动过程中，梭阀稳定出口压力均值为12.9 MPa，最大超调量0.3 MPa；继动阀出口压力均值12.0 MPa，在系统正常运行过程中，电液比例阀输出压力始终大于继动阀出口压力，保证了系统输出制动压力由电控系统控制，同时，足以使得在正常工作状态下每次制动操作时都能够产生足够的制动器所需压力(12.0 MPa)。

当电液联合紧急制动时，实验曲线如图6(a)所示，从中可以看出：梭阀稳定出口压力均值为12.95 MPa，最大超调量0.35 MPa；继动阀出口压力11.5 MPa，最大超调量0.9 MPa. 如图6(b)所示在系统正常运行过程中，电液比例阀输出压力始终大于继动阀出口压力，保证了系统输出制动压力由电控系统控制，同时，足以使得在正常工作状态下每次制动操作时都能够产生足够的制动器操纵压力(12.0 MPa)。

如图7所示，以56～58 s之间的模拟制动过程为例，由梭阀输出压力曲线可以看出制动响应时间为0.2 s，满足制动要求。两种制动形式实验数据对比如表2所示。

图7 电液联合紧急制动响应时间

表2 电液联合制动实验结果对比

3.2 全液压制动

当电控系统发生故障，整车依靠纯液压系统进行慢速制动操作时，实验曲线如图8所示，在28～34 s与35～41 s两次模拟制动过程中梭阀的输出压力12.0 MPa，其趋势始终与继动阀输出压力趋势保持一致，满足当电控系统故障情况下输出压力由继动阀决定的设计要求，同时输出制动力为11.75 MPa. 电控系统故障时脚踏阀踏板位移与继动阀出口压力关系曲线如图9所示，从中可以看出，继动阀输出压力与脚踏阀踏板位移呈线性关系，满足继动阀输出特性。

图8 电控系统故障时慢速制动系统输出特性

图9 电控系统故障时踏板位移与继动阀出口压力关系曲线

当电控系统发生故障，整车依靠纯液压系统进行紧急制动操作时，如图10所示，在39～49 s、50～57 s、58～67 s、69～81 s 4次模拟制动过程中梭阀的输出压力为12.0 MPa，其趋势始终与继动阀输出压力趋势保持一致，满足当电控系统故障情况下输出压力由继动阀决定的设计要求，同时输出制动力为11.75 MPa.

图10 电控系统故障时紧急制动输出特性

如图11所示，以58.4～59.2 s之间的模拟制动过程为例，由梭阀输出压力曲线可以看出其响应时间为0.2 s，满足制动要求。两种工况对比情况如表3所示。

图11 电控系统故障时紧急制动响应时间

表3 电控故障制动实验结果对比

 braking

电控故障时系统的输出制动力是由双回路脚踏阀与继动阀串联决定的，本次实验模拟的后桥输出压力情况，由于制动过程中整车重心前移，前桥所承受的整车质量增大，地面附着力增大，适用较大的输出制动力进行制动；同时，后桥所承受的整车质量减小，地面附着力减小，如果此时后桥制动力与前桥相同，后轮易发生抱死，影响行车安全。因此，在制动过程中，让前桥动压力略大于后桥，即前后桥有0.9 MPa的压差。因此由表3可知继动阀实际的输出制动力为12.65 MPa，满足12 MPa的制动力输出要求。

4 结论

本文介绍了某型号8×8全电驱动越野车新一代电液联合全液压并联制动系统原理，通过建立与整车制动系统元件、管路布置1∶1的实验平台，经过实验的对比分析，充分验证了此套全新制动系统的可靠性，具体结论如下：

1) 在制动过程中，继动阀输出压力与制动踏板的位移呈比例关系，符合继动阀、双回路脚踏阀输出特性。

2) 通过采集分析电液联合制动、纯液压制动工况下系统的实验数据，验证了此套新开发的全液压制动系统满足某型号8×8全电驱动越野车输出制动力12 MPa、响应时间0.2 s的性能指标，为今后整车制动系统的设计与开发提供参考。