Электрогидравлическая тормозная система для легкового автомобиля

Актуальность.

На дорогах России в 2005 г. произошло более 223 тысяч дорожно-транспортных происшествий, в результате которых погибло около 34 000 человек и пострадало около 275 000 человек. Материальный ущерб, нанесенный такими авариями, составляет 2% российского ВВП, а это сотни миллиардов рубI лей, которых лишается российская экономика. В 2006 году постановлением Правительства Российской Федерации утверждена долгосрочная' целевая программа «Повышение безопасности дорожного движения в 2006;2012 годах». В качестве одной из целей программы является повышение уровня безопасности транспортных средств.

По данным исследования, проведенного Европейским союзом, наиболее эффективными для значительного повышения уровня безопасности дорожного движения были признаны активные системы безопасности автомобилей. Постоянно растущее число этих систем позволит к 2010 году вполовину сократить количество людей, погибших в автокатастрофах на дорогах Европы. Это стало приоритетной целью европейской Комиссии по вопросам дорожной политики. I

В настоящее время действуют 114 правил ЕЭК ООН по комплексной безопасности и экологии автотранспорта. Они содержат требования ко многим системам автомобилей, в том числе к тормозной системе, шинам, ремням безопасности, подголовникам, зеркалам, светотехнике. Создание эффективных тормозных систем, управляемых электроникой, позволяет значительно повысить безопасность движения. По экспертным оценкам обязательность установки антиблокировочных тормозных систем и подушек безопасности на автотранспортные средства обеспечивает снижение тяжести последствий и экономического ущерба от ДТП на 20 процентов. Среди современных тормозных систем специалисты особо выделяют электронную систему стабилизации ESP. Она распознает характерные для заноса автомобиля движения, и в случае необходимости, уменьшает мощность двигателя, а также притормаживает отдельные колеса, стабилизируя, таким образом, движение автомобиля. Эта функция крайне важна, поскольку, согласно исследованию центрального объединения немецких страховых компаний (GDV), именно заносы автомобиля становятся причиной 25% всех дорожно-транспортных происшествий, в результате которых пострадали люди и 60% аварий имели смертельный исход. Многие исследования также подтвердили эффективность ESPI Так, например, компания Toyota, проанализировала около одного миллиона дорожно-транспортных происшествий с человеческими жертвами и пришла к выводу, что серийная установка ESP вполовину уменьшит число серьезных аварий" [120].

Анализ мирового опыта в использовании электронных тормозных систем показал, что создание тормозной системы, позволяющей обеспечить минимальный тормозной путь, управляемость при экстренном торможении на любых типах покрытий, является актуальным. Преимуществом таких систем является более высокая скорость срабатывания и обеспечение управляемости автомобиля в экстренных ситуациях на любых типах покрытия. Bf настоящее время имеются два направления развития. тормозных систем, управляемых электроникой: электромеханические и электрогидравлические. Основным недостатком электромеханических систем является отсутствие системы резервирования на случай отказа электроники или повреждения источника питания. Повышение надёжности этой системы достигается применением дублирующих элементов, что не лучшим образом сказывается на массогабаритных показателях и стоимости. Напротив, в электрогидравлической системе, в случае отказа электроники, восстанавливается прямая гидравлическая связь между педалью тормоза и тормозными механизмами, что позволяет сохранить работоспособность тормозной системы. Поэтому в настоящее время электрогидравлические системы являются наиболее предпочтительными.

Таким образом, сказанное позволяет утверждать, что исследование и разработка электрогидравлической тормозной системы для легкового автомобиля, управляемой электроникой, и обеспечивающей улучшенные характеристики эффективности, безопасности и комфортности процесса торможения — актуально и необходимо.

Цель работы.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности, безопасности и комфортности работы электрогидравлической тормозной, системы легкового автомобиля путём совершенствования её структуры, элементной базы, электрической схемы и алгоритма управления.

Для достижения заданной цели решены следующие задачи.

1. Выполнен анализ технических характеристик и обоснование требований, предъявляемых к узлам и элементам электрогидравлической тормозной системы.

2. Проведено исследование внешних и внутренних взаимосвязей в электрогидравлической тормозной системе.

3. Разработана структурная схема электрогидравлической тормозной системы с улучшенными технико-эксплуатационными показателями:

4. Создана и исследована компьютерная модель электрогидравлической тормозной системы.

5. Разработан алгоритм управления электрогидравлической тормозной системой.

6. Разработан алгоритм поиска неисправностей и переключения режимов работы в случае отказа одного или нескольких компонентов системы.

7. Разработан алгоритм адаптивного управления электрогидравлической тормозной системой с минимальным временем срабатывания.

8. Разработана принципиальная электрическая схема электрогидравлической тормозной системы.

9. Проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности используемой математической модели и справедливости аналитических результатов.

10.Разработаны рекомендации к практическому созданию электрогидравлической тормозной системы и дальнейшему использованию результатов диссертации.

Методика проведения исследования. I

Методика проведения исследования зависимостей и выявления, внешних и внутренних взаимосвязей в электрогидравлической тормозной системе, базировалась на использовании методов теории построения мехатронных систем, теории автоматического управления, теории имитационного моделирования, теории электропривода, теории гидропривода, а также методов расчёта и исследования электрических и электронных аппаратов с микропроцессорным управлением, силовых и полупроводниковых преобразователей. Исследованиемоделирование и решение теоретических задач, а также анализ результатов проведённого натурного эксперимента потребовало применение ЭВМ, как для прямых расчётов1 и моделированиятак и для обработки статистической информации. В* частности, значительная часть расчётов, в том числе и имитационное моделирование с целью исследования динамических характеристик узлов электрогидравлической тормозной системы, проводилась в программе MATLAB 6.0. Анализ распределения электромагнитной индукции в магнитном контуре электромагнитного привода клапана производился с помощью метода конечных элементов в программном пакете ANSYS-Emag. Также для прямых расчётов и обработки статистической информации, полученной при выполнении экспериментальных исследований, использовалась программа Microsoft Excel 2002, а для моделирования отдельных элементов системы использовался язык программирования Visual Basic for Application (VBA), входящих в состав программного пакета Microsoft Office ХР.

Научная новизна.

1. Разработана компьютерная модель электрогидравлической' тормозной, системы с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками.

2. Установлены определяющие внешние и внутренние взаимосвязи в электрогидравлической тормозной системе.

3. Разработан адаптивный алгоритм регулирования давления в «тормозном механизме, позволяющий, компенсировать зону нечувствительности характеристики электромагнитного клапана.

4. Разработаны алгоритмы г управления и, поиска неисправностей электрогидравлической тормозной системы.

5. Разработан алгоритм динамической коррекции угла опережения коммутации бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) привода исI точника гидравлической энергии.

6. Разработана принципиальная электрическая, схема электрогидравлической тормозной системы.

7. Даны рекомендации по практическому использованию1 результатов диссертации.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется путём сопоставления результатов' математического моделирования с данными, полученными при проведении натурного эксперимента, а также расчётными и экспериментальными даннымидругих исследователей1. Адекватность разработанной модели подтверждается отдельными’фрагментами расчётов, уже апробированных в практике машиностроения. В частности, электромагнитного привода клапана [31, 47, 71, 82, 85, 87, 88, 90], привода колёсного тормозного механизма [31, 32, 34], электропривода источника гидравлической энергии [46- 70, 80, 81], информационно-управляющей среды [46, 52, 70, 78, 81, 86, 89]. Хорошее совпадение данных компьютерного моделирования работы исследуемой электрогидравлической тормозной системы с данными экспериментов свидетельствует о достоверности и обоснованности полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносится следующее.

1. Компьютерная модель электрогидравлической тормозной системы, с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

2. Установленные взаимосвязи между формой якоря электромагнитного клапана с пропорциональным приводом и качеством регулирования давления в тормозном механизме.

3. Результаты компьютерного моделирования процесса управления электромагнитным клапаном с пропорциональным приводом.

4. Алгоритм адаптивного регулирования давления в тормозном механизме, обеспечивающий максимальную скорость срабатывания.

5. Результаты имитационного моделирования работы электрогидравлической тормозной системы.

6. Алгоритм поиска неисправностей и переключения режимов работы системы в случае отказа одного или нескольких компонентов.

7. Принципиальная электрическая схема электрогидравлической тормозной системы.

Реализация результатов работы.

Разработанные принципы построения и анализа электрогидравлической тормозной системы, а также установленные в работе взаимосвязи с системами активной безопасности и> комфорта, приняты-для использования в разработках перспективных тормозных систем Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП «НИИАЭ») и Государственным научным центром Российской Федерации Федеральным государственным унитарным предприятием ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на пяти международных и российских научно-технических конференциях, в их числе: Международная конференция «THE 5™ INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTROMECHANICS, ELECTROTECHNOLOGY AND' ELEC-TROMATERIAL SCIENCE (ICEEE-2003)» в 2003 г., Всероссийская научно-техническая конференции «Современные тенденции развития автомобилегртТ строения в России» в 2003 г., Международная конференция-«THE 6 INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTRICAL SYSTEMS (UEES,'04)» в 2004 г., Международная конференция «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития (АЭП-2004)» В 2004 г., а также II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» в 2007 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, среди которых 5 статей, 10 тезисов и докладов в трудах научных конференций, в том числе и международных.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 192 страницах, включающих 64 рисунка и 4 таблицы, списка литературы из 121 наименования, а также приложения на 2 страницах, включающего справки об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем. 1. Выполнен анализ тенденций развития современных автомобильных тормозных систем и выявлены перспективы дальнейшего развития их конструкции и взаимодействии с другими системами безопасности и обеспечения комфорта, который показал, что перспективной является тормозная система, управляемая электроникой, обеспечивающая улучшенные технико-эксплуатационные показатели. При этом было установлено, что перспективная тормозная система — это автоматизированный комплекс, работающий совместно с другими бортовыми устройствами автомобиля, такими как активная подвеска, рулевое управление, системы активной и пассивной безопасности.

— 1982. Разработана схема ЭГТС с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками. В частности, в контуры передних тормозных механизмов добавлены двухпозиционные клапаны нормально закрытого типа для компенсации роста давления, вызванного тепловым расширением рабочей жидкости в замкнутом контуре, например, при длительном торможении.

3. Разработана математическая модель ЭГТС, позволившая на основании имитационного моделирования установить способы уменьшения тормозного пути автомобиля. Одним из способов является уменьшение времени срабатывания органа управления (колёсного тормозного механизма) и времени нарастания замедления. Например, при давлении источника гидравлической энергии РаКк- 15 МПа, время, срабатывания уменьшается на 0.06 с, а время нарастания замедления на 0.4 с (по сравнению с гидравлической системой), за счёт чего тормозной путь при экстренном торможении автомобиля со скорости 60 км/ч уменьшается на 7 м. Также было установлено, что основным элементом системы, прямо влияющим на её динамические свойства, является гидравлический клапан с электромагнитным приводом.

4. Разработанная математическая модель электромагнитного гидравлического клапана позволила установить алгоритм управления, как электромагнитным клапаном, так и всей системойв целом. При этом методы имитационного моделирования обеспечили исследование поведения системы с широким выбором параметров расчёта, в частности: величина давления источника гидравлической энергии, величина напряжения бортовой сети автомобиля, величина проходного сечения электромагнитного клапана. Также исследование различных алгоритмических методов управления электромагнитным клапаном позволило установить, что наиболее эффективным является использование цифровых управляющих устройств, позволяющих улучшить динамические и энергетические характеристики клапана.

5. Компьютерное моделирование показало, что использование электромагнитных приводов клапанов с трёхступенчатой формой якоря позволяет увеличить статическую тяговую силу на 28.9%, увеличить диапазон регулирования тока обмотки на 46.9%, снизить величину тока обмотки при малых перемещениях якоря, по сравнению с электромагнитным приводом клапана с двухступенчатой формой якоря. При этом, повышается плавность регулирования давления, и, как следствие, комфортность работы тормозной системы. Также, линейный характер кривой г = /(?) на всём диапазоне перемещения якоря, позволяет повысить точность регулирования.

6. Компьютерное моделирование позволило установить, что для уменьшения времени срабатывания, необходимо чтобы в неактивном состоянии сила, действующая на якорь клапана, была равна нулю, а запорный элемент клапана находился в контакте с седлом. Таким образом, компенсируется зона нечувствительности характеристики г — /(О) электромагнитного клапана. Для этого необходимо использовать специальный алгоритм регулирования тока обмотки.

7. Разработан адаптивный алгоритм регулирования тока в обмотке электромагнитного клапана, который позволяет удерживать ток около величины тока трогания якоря, корректируя параметры системы управления, в зависимости от изменяющихся параметров внешней среды (перепада давлений, температуры, плотности и т. д.). Согласно данным, полученным в результате компьютерного моделирования, разработанный алгоритм позволяет уменьшить время срабатывания электромагнитного клапана на 4.3 мс по сравнению с обычным управлением, и, тем самым, повысить эффективность тормозной системы.

8. Разработан алгоритм «бездатчикового» управления БДПТ, позволяющий осуществить динамическую коррекцию угла опережения момента коммутации, при изменяющейся нагрузке на валу двигателя привода источника гидравлической энергии. Согласно результатам, полученным при компьютерном моделировании, разработанный алгоритм позволяет увеличить производительность на 11.8%, уменьшить пульсации электромагнитного момента на 21.7%, и уменьшить величину потребляемого тока на 9.3%, по сравнению с БДПТ с датчиками положения ротора.

— 2009. Разработанная математическая модель электрогидравлической тормозной системы позволила составить алгоритм поиска неисправностей и автоматического переключения режимов работы тормозной системы при отказе одного или нескольких компонентов. В частности, микропроцессор системы управления следит за состоянием датчиков и электромагнитных клапанов на основании данных, получаемых от самих датчиков и микроконтроллера, управляющего электромагнитными клапанами, имеющих интеллектуальные средства самодиагностики (первичные признаки). Кроме того, при помощи разработанного алгоритма поиска неисправностей, производится постоянный контроль (несколько раз в секунду) за состоянием электрогидравлической тормозной системы и оценка на соответствие заданному системой управления состоянию (вторичные признаки). На основании полученной информации о неисправностях, производится переключение на тот или иной режим работы системы.

10.Выполненный анализ технических характеристик современных микроконтроллеров позволил установить, что использование модульной конструкции электрогидравлической тормозной системы с передачей данных по мультиплексной шине данных с протоколом БкхЯау, позволяет повысить скорость и качество функционирования, отказоустойчивость и упростить диагностику и обслуживание системы.

11.Проанализированы способы повышения безопасности и комфортности автомобиля с помощью электрогидравлической тормозной системы. Повышение безопасности обусловлено более быстрым срабатыванием тормозов, возможности распознавания предстоящего экстренного торможения, возможности просушивания тормозных механизмов при движении по мокрой дороге, а также использования автоматической системы поддержания безопасной дистанции до впереди идущего автомобиля. Повышение комфортности связано с возможностью реализации на базе электрогидравлической тормозной системы дополнительных функций, таких как трогание в горку без отката назад, более плавная работа системы стабилизации и-отсутствие вибраций на педали. тормоза при работе АБС.

12.Разработана принципиальная электрическая схема электрогидравлической тормозной системы, позволяющая повысить быстродействие иулучшить энергосбережение.

13.Проведённый анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод об адекватности разработанной математической модели, так как статистический анализ сходимости данных, полученных методоммоделирования, и экспериментальным путём, при помощи t-критерия Стьюдента, показал их сходимость с вероятностью 95%.

14.Разработаны рекомендации по практическому созданию электрогидравлической тормозной системы и дальнейшем использовании результатов диссертационного исследования.

Результаты диссертационной, работы можно использовать при последующих разработках как новых тормозных систем для легкового автомобиля, так и при совершенствовании существующих. В частности, известные1 недостатка тормозной системы автомобиля-Lada-Kaiina можно устранить, используя электропривод длял регулирования давления* в тормозных механизмах с целью достижения максимальной эффективности торможения на любых типах покрытийпри любой загрузке. Разработанные в настоящей диссертации принципы управления электрогидравлической тормознойсистемой и, в частности, регулирование давления, могут быть использованы для повышения комфортности, и качества работы антиблокировочных системпротивобуксовочных-систем и. систем перераспределения тормозных усилий, а использование разработанного алгоритма управления электроприводом. гидравлического насоса позволит повысить энергетическую эффективность электрогидравлической. тормозной системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации рассмотрены тормозные системы для легковых автомобилей, управляемые электроникой, среди которых как обычная гидравлическая система, так и системы торможения с электроприводом. В частности, внимание было уделено разработке новых тормозных систем, управляемых электроникой, и обеспечение её комплексной работы с другими узлами автомобиля, таких как активная подвеска, активный круиз-контроль, система слежения за давлением в шинах и системой пассивной безопасности (надувные подушки безопасности, пиротехнические преднатяжители ремней безопасности). При этом было установлено, что улучшение технико-эксплуатационных свойств тормозных систем, и, прежде всего, эффективности и безопасности, может быть обеспечено новой конструкционной схемой с использованием электропривода, а также использование в алгоритме системы управления «интеллектуальных» функций, обеспечивающих повышение безопасности и комфорта пассажиров. I

Цель работы заключалась в повышении эффективности, безопасности и комфортности работы электрогидравлической тормозной системы легкового автомобиля.