气压式EPB试验台设计与实验

龚建石，贾天乐，田达笠，王洪亮，黄 涤

(1.江苏澳瑞思液压润滑设备有限公司，江苏启东 226200；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；3中国汽车技术研究中心，天津 300300)

气压式EPB试验台设计与实验

龚建石1，贾天乐2，田达笠3，王洪亮2，黄 涤2

(1.江苏澳瑞思液压润滑设备有限公司，江苏启东 226200；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；3中国汽车技术研究中心，天津 300300)

为了验证气压式电子驻车制动系统(EPB)的功能及其控制策略的准确性和可靠性，设计了气压式电子驻车制动系统试验台。介绍了气压式EPB试验台的工作原理，详述了空气压缩存储模块、制动模块、人机交互模块、信号模拟模块、数据采集模块、故障诊断模块，确定了试验台的结构组成，最后对气压式电子驻车制动系统的快速充放气功能进行了测试。结果表明，与手控阀相比，气压式EPB制动过程更灵敏，同时也说明此试验台可以满足气压式电子制动系统的测试需求。

车辆工程；电子驻车制动；气压式；试验台；设计

汽车驻车制动系统的作用是使已停驶的汽车可靠并且无时间限制地停驻在一定位置甚至斜坡上，而且具有坡道起步和紧急制动等功能[1-5]。为了提高其工作可靠性，传统的驻车系统采用机械式驱动结构，而不是采用液压式或者气压式系统[6-8]。但是，随着电子控制技术的蓬勃发展，电子驻车制动系统(electricalparkingbrake，EPB)受到了越来越多的关注[9-11]。

传统的机械式驻车制动系统是通过驾驶人员操纵驻车手柄，带动制动蹄片张开(鼓式制动器)或制动卡钳活塞移动(盘式制动器)完成驻车。而EPB系统则是通过电机施加制动力，驾驶人员只需要操作按钮，然后由电子驻车制动系统的ECU控制部件，来完成驻车制动。相比较机械式系统而言，气压式EPB具备坡道起步、自动驻车、紧急制动等功能，极大改善了驾驶过程中的安全性和方便性[12-14]。

在汽车电子驻车制动系统的开发过程中，需要对设计的电子驻车制动系统样机进行模拟试验，在试验过程中对其结构与电子控制系统进行优化与改进，并对其性能指标和可靠性进行初步验证。针对这种情况，非常有必要开发相应的电子驻车制动系统试验装置。本文在介绍气压式电子驻车制动系统的组成及工作原理的基础上，对EPB试验台的硬件设计进行描述，介绍了该试验台的快速充放气实验，并且进行了验证。

1 气压式电子驻车制动系统简介

气压式电子驻车制动系统是将压缩空气作为动力源，使车轮产生制动，驾驶员只需按不同的制动强度要求，控制踏板的行程，释放出不同数量的压缩空气，便可控制制动气压的大小以获得所需要的制动力。气压制动装置的特点是踏板行程较短，操作比较轻便，制动力较大，但消耗发动机的动力，装置结构较为复杂，制动时不如液压制动柔和平稳。气压制动目前主要应用于中、重型汽车上[15]。

气压式EPB结构较紧凑，驻车制动力较大，执行部件采用一体化的设计思想，控制部件依托于CAN总线网络，系统反应更为迅速。气压式电子驻车制动系统结构示意图如图1所示[16-20]。

图1 气压式电子驻车制动系统结构示意图Fig.1 Pneumatic electronic parking brake system structure

从图1中可以看出，气压式电子驻车制动系统包含电路(虚线部分)和气路(实线部分)两个方面。电路主要是与EPB电控单元相连的电子线路，包括EPB控制电磁阀线路、接收气压信号线路和驻车信号显示线路。EPB气路线路主要是压缩机压缩空气，储存在储气瓶中。当气压式EPB工作时，压缩空气通过单向阀及开关阀，然后通过继动阀和电路控制的控制阀，最后到达弹簧制动缸，形成制动力。

从图1中可以看出试验台需要以下基本功能，才能保证实现气压式电子制动系统的各项测试需求：1)压缩及存储空气；2)气压实时测量；3)人机交互；4)电路实时控制检测5)数据采集；6) 故障诊断。

2 气压式电子驻车制动系统试验台模块设计

为实现对电子驻车制动系统功能的测试，本文所设计的气压式电子驻车系统试验台由图2所示的模块组成。

2.1 空气压缩存储模块

这里使用空气压缩机压缩空气，通过空气滤清器过滤其中的水分、油污，储存在存储罐中。气压式EPB一般用于中、重型汽车，压缩空气作为动力源。一般根据制动强度的不同选用不同工作压力、容积流量的空气压缩机。

在设计试验台时，综合考虑经济及实用性等因素，选用功率较小的车用空气压缩机,见图3。在设计中选用工作压力为0.8MPa、容积流量为110L/min的压缩机，同时选用容量为12L的存储罐。

图2 试验台组成模块Fig.2 Test platform modules

图3 空气压缩机
Fig.3 Air compressor

图4 弹簧制动缸及气压传感器
Fig.4 Spring brake cylinder and air pressure sensor

图5 人机交互模块
Fig.5 Human computer interaction module

2.2 制动模块

气压式驻车制动系统的核心部件是弹簧制动缸。制动缸在汽车停车时就输出了较大的压力到制动蹄片，因此汽车如若要行驶，则需要一个较大的推力来压缩弹簧，释放其对制动蹄片的制动压紧力。该推力由汽车上的汽车储气罐中的高压气体来实现，即给弹簧制动缸充气释放驻车制动，给弹簧制动缸放气施加驻车制动。由于是模拟气压式EPB，选用如图4所示的小号制动缸(直径为16mm)。

2.3 人机交互模块

本文所设计的整体式电子驻车制动系统试验台的人机交互模块整合在一个电子开关盒中。

如图5所示，开关盒的交互元件包括手动开关、AUTOHOLD开关、电源指示灯、报警指示灯以及总开关。定义短扣/短按手动开关动作为驻车/解除驻车意愿；短按AUTOHOLD开关，进入AUTOHOLD模式；若驾驶员操作不当或系统故障时，报警指示灯亮；整体式电子驻车制动系统试验台工作时，电源指示灯亮；右旋总开关能够立即切断试验台电源。

另外，该试验台需要提供24V电源，使用稳压电源代替，将电压调整至24V。

2.4 信号模拟模块

通过CAN网络将发动机转速、转矩、油门信号等相关信息传递给电控单元，同时电控单元也可以自行采集和检测相关的汽车信息，比如变速器档位、换档手柄、制动信号等，对汽车的行驶状况进行判断，进而形成控制逻辑，驱动电磁阀动作，实现对驻车制动的控制。

在设计过程中，通过VB界面的滚动条模拟发动机转速，如图6所示，由于只是大致模拟汽车的状态，分析汽车的静态情况，故将转速、转矩及油门信号设置成比例变化，即转速、转矩及油门信号同时成线性变化。然后通过USB-CAN转换器将这3个模拟信号转化成CAN信号发送给下位机，下位机对电磁阀操作进行逻辑控制。

由于气压式驻车制动系统具有自动驻车功能，需要判断驾驶员是否确实想要驻车。当驾驶员按下AUTOHOLD键后，当车速低于5km/h时，判定为驾驶员想要驻车，而不是误操作。另外，由于该试验台不需要考虑汽车变速器处于哪种档位，故将汽车档位设为3种状态：前进挡(D挡)、倒挡(R挡)和空挡(N挡)。其中R挡和N挡只能显示其中一种状态，当不是R挡和N挡时，默认为D挡。

2.5 数据采集模块

气压式驻车制动系统需要使用气压传感器实时采集数据，通过气压的大小判断制动力的大小。也就是将制动力的大小反馈给控制单元，来实现更准确的控制。所以将气压传感器安装在弹簧制动缸前端，另一侧通过电路反馈给电控单元ECU(见图4)。

试验台需要实时检测气压、转速、油门、转矩等状态，就是通过将电控单元接收的信号通过CAN-USB适配器，将信号显示在用VB设计的接收界面上，如图7所示。同时，在给定的汽车状态下，比如汽车质量、轴距、传动比等，实时监测驻车制动气压值，同时对系统的控制包括驻车开关状态、电磁阀开启状态等也进行显示。

图6 EPB发送界面
Fig.6 EPB sending interface

图7 数据采集界面
Fig.7 Data acquisition interface

2.6 故障诊断模块

随着汽车电子系统越来越复杂，诊断功能已经成为电控系统设计的一个重要组成部分。诊断分为离线诊断和在线诊断两种方式。由于气压式驻车制动系统需要具有坡道起步和自动驻车等功能，一旦发生故障可能会出现“后溜”等极具危险的事故，故该试验台采用在线诊断方式。这样确保汽车在运行过程中，诊断系统实时监测电子控制系统各组成部分的工作情况，如有异常，根据特定的算法判断出具体的故障，以代码的形式显示并存储下来，同时启动相应的容错处理功能，使汽车能够接近正常状态运行而不至于造成更严重的后果。

故障诊断采用CAN总线传输方式，同样显示在图7所示的接收界面上，由于有多组CAN数据，这时需要通过ID的不同进行甄别，同时在接收程序中添加判断程序，对不同ID的数据进行分别处理。根据气压式电子驻车制动系统的基本结构特点，暂确定了20余种较为常见的故障，并定义了相应的故障码，主要有：ECU故障、AUTOHOLD开关故障、CAN故障、传感器故障、气压信号故障等。

以CAN故障判断策略为例，其判断过程如下：判断点火钥匙是否存在，在此前提下检测CAN是否有信号，若无CAN信号则产生故障码；在CAN有信号的前提下若检测到有信息错误标志，亦产生CAN故障码。此时发动机转速、发动机转矩、档位、车速等无信号或有信号但无变化。

2.7 气压式EPB试验台

在对气压式驻车制动各模块设计完后，最终定型的试验台连接原理图如图8所示，定型的试验台如图9所示。

图8 气压式EPB试验台原理图
Fig.8 Schematic diagram of the air pressuretype EPB experimental platform

图9 气压式EPB试验台
Fig.9 Air pressure type EPB experimental platform

3 快速充放气实验

在驻车制动时，当电控单元接收到驻车信号后，开启放气阀将制动气室内的高压气体排出，并通过气压传感器检测制动气室气压，驻车后关闭放气电磁阀。在此过程中要求电磁阀能够及时响应，以免因为车辆驻车不及时而造成事故。这要求控制管路上的电磁阀能够有足够的响应速度以及足够大的内径，从而满足控制要求。

在驻车系统中，首先使用手动阀进行控制，随后在同一系统中使用电磁阀替代手动阀进行快速充放气试验，将2次试验过程中采集的数据况进行比较，见图10。

由图10可以看出，在打开控制气路充气时，驻车制动缸气压上升过程中，电磁阀控制下的充气速率较手动阀更快，因而可以采用该电磁阀代替手动阀，将其应用于电子驻车系统可以使驻车系统响应更灵敏。

图10 手控阀与电控阀快速充放气特性
Fig.10 Rapid air inflation and deflation characteristics of hand control valve and electric control valve

4 结 语

为实现对气压式电子驻车制动系统功能的测试，设计出了一种气压式电子驻车制动试验台。由电子驻车制动系统的原理图确定了试验台的各功能模块及其结构。在搭建出来的试验台上进行了电子驻车制动系统和传统制动系统的充放气实验。测试结果表明，本文所设计的气压式电子驻车制动系统试验台是合理的，一定程度上可以代替实车，用于对气压式电子驻车制动系统的坡道起步、自动驻车、故障诊断等功能进行模拟测试。这样在优化和改进电子控制系统时，就不必一直进行实车试验，节约了大量的时间和精力，极大地改善了试验环境。但是，本试验台采用的车辆信号是人为的模拟信号，与实车相比具有一定的失真，因此，还需要进一步完善。

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Design and experiment of pneumatic EPB test platform

GONGJianshi1,JIATianle2,TIANDali3,WANGHongliang2,HUANGDi2

(1.JiangsuHonestHydraulic&LubricateEquipmentCompanyLimited,Qidong,Jiangsu226200,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu, 210094,China;3.ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter,Tianjin300300,China)

Inordertoverifytheaccuracyandreliabilityofthefunctionandcontrolstrategyofthepneumaticelectronicparkingbrake(EPB)system,atestplatformofthepneumaticEPBsystemisdesigned.TheworkingprincipleoftheairpressuretypeEPBtestplatformisintroduced,thecompositionoftheplatformisconfirmed,includingairpressstoragemodule,brakingmodule,man-machineinteractionmodule,signalimitationmodule,datacollectionmodule,andfaultdiagnosismodule,andthefunctionofrapidcharginganddischargingofthepneumaticEPBsystemiscarriedout.Theresultsshowthat,comparedwithmanualcontrolvalve,theairpressureEPBbrakingprocessismoresensitive,andthetestplatformcanmeetthetestrequirementsofthepneumaticelectronicbrakesystem.

vehicleengineering;electricalparkingbrake(EPB);pneumatic;testplatform;design

1008-1542(2017)01-0013-06

10.7535/hbkd.2017yx01003

2016-09-02；

2016-09-27；责任编辑：冯 民

国家自然科学基金(51205209，51205204)；中国博士后科学基金(2013M531360)

龚建石(1966—)，男，江苏南通人，工程师，主要从事机械设计及制造方面的研究。

王洪亮副教授。E-mail:whl@njust.edu.cn

U463.52+

A

龚建石，贾天乐，田达笠，等.气压式EPB试验台设计与实验[J].河北科技大学学报,2017,38(1):13-18.GONGJianshi,JIATianle,TIANDali,etal.DesignandexperimentofpneumaticEPBtestplatform[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2017,38(1):13-18.