ESC液压控制单元设计与选型举例

杜满胜

（江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

引言

车身电子稳定控制系统（Electronic stability program，ESC）可以为用户提供主动安全功能[1]，比如动态稳定控制功能（Vehicle dynamic control，VDC），牵引力控制系统（Traction control system，TCS），制动防抱死系统（Anti-lock brake system，ABS），自动紧急制动（Automatic Emergency Brake，AEB）等，还可以提供舒适性功能，比如坡道辅助（Hill hold control，HHC），自动驻车（Automatic Vehicle Hold，AVH），自适应巡航（Adaptive Cruise Control，ACC）等。这些功能的液压执行部分都是依赖ESC模块的液压控制单元（HCU），ESC系统功能的控制效果与HCU能力密切相关，如果系统计算的目标压力跟不上，反而会导致动态控制出现反向的效果，严重会导致车辆甩尾，甚至侧翻。所以，HCU的硬件参数设计校核是非常基础且重要的。

本文将重点介绍影响ESC增压能力的部件有哪些，结合整车、制动系统参数，以及AEB性能的TTL时间要求，这些部件将如何设计。影响回油部件有哪些，部件如何设计。

1 ECS液压控制单元原理

液压控制单元的主要原理图如下图1，主要包括电机、柱塞泵、高压阀、蓄能器、输出阀等组成。一共有三种液压状态：增压、保压、减压[2]。

增压状态如下图2，驱动一个主缸回路的导向阀，高压阀和一个进液阀，泵在运转时液压模块内部产生一个系统压力，在卡钳处实现通过进液阀脉冲循环控制的增压。

减压状态如下图3，驱动一个主缸回路的导向阀，一个出液阀和两个进液阀，泵在运转时将蓄能器充满同时液压模块内部产生一个系统压力，在卡钳处实现通过出液阀循环控制的降压。

图1 ECS液压控制单元原理

图2 增压状态图

图3 减压状态图

保压状态如下图4，驱动进液阀，将压力锁定在卡钳和进液出液阀之间[3]。本文主要研究增加过程的关键零件参数设计：电机、柱塞泵、进/出液阀。以及减压过程的关键零部件设计：蓄能器。

图4 保压状态图

2 柱塞泵和电机设计

2.1 单轮增压能力计算

电机转一圈的流程为Q：

式中：

η——柱塞泵效率，通常取75%；

s——偏心距；

d——柱塞泵直径。

满载状态，单轮（前轮）在高附路面(附着系数1)抱死所需的制动力F1[4]：

式中：

m——满载重量；

μ——路面附着系数；

L2——后轴距离重心距离；

h——满载重心高度；

L——轴距。

满载状态，单轮（前轮）在高附路面(附着系数1)抱死所需的管压P1（盘式制动器）：

式中：

R1——车轮滚动半径；

R2——制动盘有效摩擦半径；

f——摩擦片摩擦系数；

q——轮缸数量；

d1——轮缸缸径。

达到抱死所需液量Q1，Q1可以通过查制动器结合制动软管膨胀系数的PV表格，根据P1得出对应的Q1[5]；单轮增压到抱死所需要的时间t1：

式中：

r——电机转速。

根据经验，t1≤400ms。

电机功率校核，根据电机的特性曲线，比如下图5，在转速r时，电机力F2，电机堵转力F3，则：

式中：r1——电机到柱塞泵传动比；P2取25MPa。

图5 电机的特性曲线

2.2 TTL计算

TTL校核，项目目标的TTL≤T，车辆满载抱死的后轮管压P2（盘式制动器），依据以上P1的公式计算得出P2，根据PV曲线查表，得到后轮抱死所需的液量Q1，理论的TTL=t2，则：

液压控制单元减压-蓄能器校核

满载状态，单轮（前轮）在高附路面抱死所需的制动力F前：

式中：

m——满载重量；

μ——路面附着系数；

L2——后轴距离重心距离；

h——满载重心高度；

L——轴距。

当μ=0.1，定义F前1，当μ=1时，定义F前2；满载状态，单轮（后轮）在高附路面抱死所需的制动力F后：

式中：

m——满载重量；

μ——路面附着系数；

L1——前轴距离重心距离；

h——满载重心高度；

L——轴距。

当μ=0.1，定义F后1，当μ=1时，定义F后2；满载状态，单轮在高附路面抱死所需的管压P（盘式制动器）：

式中：

R1——车轮滚动半径；

R2——制动盘有效摩擦半径；

f——摩擦片摩擦系数；

q——轮缸数量；

d1——轮缸缸径。

当F=F前1，P=P前1；当F=F前2，P=P前2；

当F=F后1，P=P后1；当F=F后2，P=P后2；

根据制动器和软件膨胀量的PV表格，查表，P前1时的需液量Q前1，P前2时的需液量Q前2，P后1时的需液量Q后1，P后2时的需液量Q后2。

从1g抱死的管压减压到0.1g的管压液量差为ΔQ=（Q前2-Q前1）+（Q后2-Q后1）。

ABS系统要求高到低对接的抱死时间小于500ms，按照行业经验设计，必须保证蓄能器容量〉ΔQ。

4 选型举例

根据某车型的整车参数及制动系统参数，校核ESC系统增压能力，TTL（目标值小于800ms），蓄能器能量。

4.1 相关参数

表1 相关参数表

由理论计算得知，该车型的前、后轮在高附路面的抱死压力分别为12.3MPa和8.8MPa。

4.2 蓄能器容量校核

制动器和软管膨胀量的PV表如下：

表2 制动器和软管膨胀量PV表

4.3 TTL计算

4.3.1 建立压力需液量

以0 至0.5MPa 压力作为建立压力消除制动器间隙，需要1.15 ml。

4.3.2 抱死压力液量

以由0.5MPa 到建立12MPa压力液量约5.12ml。

若以从0至12MPa，则需液6.27ml，电机泵流量为9ml/s，则需要696ms。

若系统完成压力填充，当前从5bar抱死压力120bar，需量5.12cc，电机泵流量为9ml/s，需要568ms。满足TTL〈800ms要求。

5 结论

在ESC系统开发前期，针对液压控制单元，必须根据整车及制动系统参数做系统的选型、计算及校核工作，如果在标定开发中发现硬件无法满足需求，会导致整个标定过程重新测试，额外投入大量地试验。所以前期的硬件设计校验是必不可少的一步。