制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史與趨勢

1、現(xiàn)代汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史與趨勢從汽車誕生時(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

2、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)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。Duese nberg Eight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

3、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)岀指 令。1936年，博世公司申請(qǐng)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，克萊斯勒車釆用了四輪電子控制的ABS裝置。這 些早期

4、的ABS 裝置性能有限，可靠性不夠理想，且成本高。1979年，默本茨推岀了一種性能可靠、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% 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

5、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

6、是基于車輪力口、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)

7、，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。現(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

8、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

9、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/ASF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

10、是它不能解決制動(dòng)系統(tǒng)中的所有缺陷。因此ABS/ASF功能，同時(shí)可進(jìn)行制動(dòng)強(qiáng)度 的控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/ASF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.

11、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，女口：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；

12、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/ASF并 不能解決汽車制動(dòng)中的所有問題。因此由ABS/ASF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-

13、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。四線控制動(dòng)(BBW)BBW是未來制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(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，

14、縮短制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。全電制動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要包含以下部分：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) o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)

15、電制動(dòng)系統(tǒng)提供能源。與其他系統(tǒng)共用。可以是 各種電源，也包括再生能源。從結(jié)構(gòu)上可以看出這種線控制動(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

16、不 少問題需要解決：首先是驅(qū)動(dòng)能源問題。釆用線控制動(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lkW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/Co系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，立即發(fā)出信

17、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

18、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。