陳廣存,羅衛(wèi)東*,陳孝玉

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 520025）

0 引言

在車輛長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)制動(dòng)或者高速制動(dòng)時(shí)，車輛制動(dòng)器產(chǎn)生大量的熱量會(huì)使車輪的制動(dòng)蹄塊和制動(dòng)輪轂溫度升高，甚至燒壞，擦系數(shù)降低或者制動(dòng)器失效[1]。因此，保證汽車在持續(xù)或高速制動(dòng)時(shí)制動(dòng)性能良好，汽車除了安裝行車制動(dòng)器和駐車制動(dòng)器，還應(yīng)裝備輔助制動(dòng)器。水液力緩速器是現(xiàn)代大型貨運(yùn)汽車的重要輔助緩速設(shè)備，水液力緩速器將行車制動(dòng)器的負(fù)荷進(jìn)行分流，以提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，這樣可以大幅度的降低車輛使用成本[2]。

車輛類型的多樣性對(duì)其提出功能機(jī)構(gòu)的多樣性，車輛的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)短周期性對(duì)水液力緩速器要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)的短周期；同時(shí)水液力緩速器的工作環(huán)境惡劣，維修條件有限，給水液力緩速器電控系統(tǒng)的維護(hù)與維修帶來(lái)不便。本文提出液力緩速器電控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，利用模塊化現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，制定液力緩速器電控系統(tǒng)模塊化基本流程，設(shè)計(jì)液力緩速器電控系統(tǒng)的各個(gè)模塊，提出模塊化方案和模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化的初步設(shè)計(jì)方案。

1 水液力緩速器

1.1 水液力緩速器基本結(jié)構(gòu)

水液力緩速器主要由水緩速器本體、電控系統(tǒng)、操作裝置等構(gòu)成，水液力緩速器本體由水渦流主機(jī)、前后連接法蘭、散熱器總成、揚(yáng)程泵等組成。如圖所示。

水渦流主機(jī)是制動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)部件借助于水渦流的作用而具有制動(dòng)功能的制動(dòng)器。水渦流主機(jī)通過(guò)前法蘭盤與傳動(dòng)軸相連，減速制動(dòng)時(shí)，速度控制閥將水槽中的工作液泵入水渦流主機(jī)，由于水渦流的作用，水渦流主機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體熱能，再通過(guò)散熱器把熱能散發(fā)出去，從而實(shí)現(xiàn)車輛減速制動(dòng)；解除制動(dòng)時(shí)，關(guān)閉速度控制閥停止工作液的泵入，由潛水型揚(yáng)程泵將水渦流主機(jī)中的工作液泵入水槽中，保證緩速器不會(huì)在車輛正常行駛中產(chǎn)生阻力，消耗燃料。

1.2 水液力緩速器電控系統(tǒng)組成和功能

水液力緩速器緩速器電控系統(tǒng)的功能是接收汽車行駛中的實(shí)時(shí)信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)分析處理，最終轉(zhuǎn)換為對(duì)液力緩速器工作狀況的全面控制。當(dāng)液力緩速器工作時(shí)，駕駛員操作開(kāi)關(guān)裝置給液力緩速器電控系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，電控系統(tǒng)通過(guò)控制壓力控制閥，根據(jù)控制信號(hào)的變化，利用脈寬調(diào)制控制的比例電磁閥（速度控制閥）將水槽中的水壓入到緩速器工作腔中，水液力緩速器開(kāi)始緩速制動(dòng)。

水液力緩速器工作時(shí)，其電控系統(tǒng)接收駕駛員通過(guò)操縱裝置提供的觸發(fā)信號(hào)，電控系統(tǒng)分析處理駕駛員的操作意圖，通過(guò)控制信號(hào)的變化利用速度控制閥給水渦流主機(jī)泵入工作液，緩速器開(kāi)始緩速制動(dòng)。當(dāng)需要關(guān)閉緩速器時(shí)，駕駛員通過(guò)操縱裝置給電控系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)，緩速器的速度控制閥停止工作，水渦流主機(jī)中的工作液由潛水型揚(yáng)程泵泵出到水槽。

2 水液力緩速器電控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化即采用模塊劃分設(shè)計(jì)，然后將模塊部件獨(dú)立的生產(chǎn)制造，成為可以單獨(dú)運(yùn)輸?shù)哪K單元，以便后期產(chǎn)品的安裝與維修[7]。水液力緩速器電控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，廠商可以將在設(shè)計(jì)時(shí)同一系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)在同一區(qū)域，或者將不同系統(tǒng)劃分在同一區(qū)域，這些系統(tǒng)預(yù)裝集成在同一結(jié)構(gòu)框架上最為一個(gè)模塊單元，在現(xiàn)場(chǎng)便于拼裝成產(chǎn)品或者替換故障模塊單元。

水液力緩速器的電控系統(tǒng)是核心技術(shù)之一，其硬件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到水液力緩速器的工作性能。根據(jù)電控系統(tǒng)的功能可以將硬件分為：微控制器系統(tǒng)、電源電路、輸入電路、輸出電路和通信電路。微控制器系統(tǒng)由單片機(jī)及周邊電路組成；電源電路的作用是進(jìn)行 DC/DC 變換，用于將車載電源變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)所需要的電源；輸入電路是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道；輸出電路是系統(tǒng)決策結(jié)果的執(zhí)行通道，是系統(tǒng)控制效果優(yōu)劣的關(guān)鍵部分。通信電路主要與上位機(jī)通信，即單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行串行接口和CAN總線接口進(jìn)行通信[3]。

2.1 模塊化原則

其電控系統(tǒng)按照功能劃分，主要包括相互作用的幾個(gè)子模塊，模塊劃分需要考慮以下點(diǎn)：

（1）通用性：組成電控系統(tǒng)的模塊單元都具有子功能；

（2）單獨(dú)制造性：模塊單元可以作為單獨(dú)模塊進(jìn)行加工制造以及改進(jìn)升級(jí)；

（3）便于使用：模塊單元可以裝配成一個(gè)整體，又可以單獨(dú)流通于市場(chǎng)；

（4）維修和回收：模塊單元可以作為獨(dú)立模塊進(jìn)行維修，其載體材料可以回收；

（5）結(jié)構(gòu)強(qiáng)鏈接：模塊單元之間要有壓力配合鉚接等強(qiáng)聯(lián)接關(guān)系。

2.2 電控系統(tǒng)硬件模塊化

按照譜系聚類[4]方法完成電控系統(tǒng)功能模塊劃分，即把總功能劃分為獨(dú)立的子功能，子功能聚合成功能模塊。為了方便模塊功能劃分，對(duì)電控系統(tǒng)子功能進(jìn)行編號(hào)。

功能編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8功能名稱模擬量輸入數(shù)字量輸入CAN通信串口通信電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)控制功能電源功能

各個(gè)子功能之間的相關(guān)性稱之為功能相關(guān)度，功能相關(guān)度主要影響因素有：功能相關(guān)性；裝配相關(guān)性 ；空間相關(guān)性；信號(hào)流相關(guān)性；時(shí)間相關(guān)性。要確定各個(gè)相關(guān)性的影響系數(shù),就要確定其權(quán)重，可采用層次分析法（AHP)[5]中的權(quán)重計(jì)算方法。根據(jù)子功能之間功能相關(guān)度，應(yīng)用譜系聚類的方法進(jìn)行子功能的聚合,根據(jù)2.1劃分功能模塊的原則確定模塊劃分為五個(gè)功能模塊：微控制器系統(tǒng)模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、外部通信模塊。

劃分的各個(gè)功能模塊的名稱如下表所示。

功能模塊名稱 功能模塊組成微控制器系統(tǒng)模塊 單片機(jī)及外圍電路輸入模塊 開(kāi)關(guān)量輸入電路、脈沖信號(hào)輸入電路、模擬量輸入電路輸出模塊 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路電源模塊 電源直流穩(wěn)壓電路外部通信模塊 Can通信模塊、串口通信模塊

3 水液力緩速器電控系統(tǒng)模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化分析

3.1 模塊接口主要形式

接口分類表

根據(jù)電控系統(tǒng)的特點(diǎn)，其模塊接口[6]可以劃分為：機(jī)械接口；數(shù)據(jù)接口；電源接口。

3.1.1 機(jī)械接口

對(duì)于水液力緩速器電控系統(tǒng)，機(jī)械接口主要是指各個(gè)模塊間的鏈接界面。機(jī)械接口主要包括模塊之間的固定接口，如對(duì)接接口，固定接口等。其主要作用是保證模塊之間的可靠鏈接，保證電控系統(tǒng)工作時(shí)模塊能夠承受一定沖量而不產(chǎn)生分離。

3.1.2 數(shù)據(jù)接口

數(shù)據(jù)接口是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的接口。數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)主要考慮數(shù)據(jù)傳輸速率、通信可靠性等因素。數(shù)據(jù)接口用來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間能夠快速、可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.1.3 電源接口

電源接口主要作用是提供電控系統(tǒng)工作所需電源，其主要作用是與車輛自備電源連接，按電控系統(tǒng)的負(fù)載要求進(jìn)行變壓并為各個(gè)模塊供電。

3.2 模塊接口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

針對(duì)以上接口功能和作用，初步提出模塊接口的設(shè)計(jì)原則：

（1）接口標(biāo)準(zhǔn)化，主要是機(jī)電接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；

（2）簡(jiǎn)單拔插結(jié)構(gòu)，方便模塊接口的安裝與替換；

（3）接口集成化和一體化：盡可能將各種接口集成到同一個(gè)接口內(nèi)，以減少對(duì)模塊更換安裝的動(dòng)作次數(shù)。

（4）防止誤操作：在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的防插錯(cuò)措施，防止操作失誤而造成不良后果；

（5）方便操作設(shè)計(jì)：方便、安全、高效完成安裝或維修更換的操作。

3.3 模塊接口設(shè)計(jì)

3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水液力緩速器電控系統(tǒng)模塊接口整體結(jié)構(gòu)形式，從模塊尺寸的大小、模塊接口的信息（承受的力或力矩大?。⒛K鎖定方式等角度，如箱盒式模塊接口、面板式模塊接口、傳統(tǒng)的插件式設(shè)計(jì)接口結(jié)構(gòu)等。研制出原型樣機(jī)，完成測(cè)試工作。

快速鎖定結(jié)構(gòu)：考慮到汽車行駛環(huán)境惡劣，模塊鎖定設(shè)計(jì)可采用螺紋連接件，以快速可靠鎖定為設(shè)計(jì)目的。螺紋連接件方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，通用性好，如圖所示采用螺紋件的機(jī)械鎖定。

抗震性設(shè)計(jì)：在關(guān)鍵配合部位，通過(guò)形位公差、表面狀態(tài)和材料的選擇，控制其間隙，以提高抗震性。

熱插撥設(shè)計(jì)：避免模塊更換時(shí)帶來(lái)的供電不穩(wěn)、信號(hào)撥動(dòng)等干擾。

3.3.2 內(nèi)部總線設(shè)計(jì)

根據(jù)水液力緩速器電控系統(tǒng)的特點(diǎn)，模塊接口選用CAN總線。CAN 總線具有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比。CAN 總線成為汽車控制系統(tǒng)中理想的控制總線。為了對(duì)電控單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)由于 CAN 總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種車型，用來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ABS 等 ECU 之間的通信。

3.3.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

CAN總線，用于模塊之間數(shù)據(jù)傳輸。

模擬量采集接口，實(shí)時(shí)采集模擬量，主要包括車輛行駛速度、水箱水溫等模擬量。

數(shù)字量采集接口，主要是采集駕駛員對(duì)水液力緩速器的操控檔位。

3.3.4 供電設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，其對(duì)供電電源的要求比較高，但是汽車環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品要求苛刻，供電需要將工作在18V至30V左右的電源變壓到12V等二次電源?？刹捎肔M2576S-12模塊作為DC/DC的穩(wěn)壓電路。

4 結(jié)論

本文對(duì)水液力緩速器的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了簡(jiǎn)介，基于模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)其電控系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立其電控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模塊，為以后其電控系統(tǒng)模塊化提高參考。針對(duì)其電控系統(tǒng)提出模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)原則，給出模塊接口的機(jī)電熱初步設(shè)計(jì)方案。

[1]劉維海.液力緩速器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與整車制動(dòng)性能仿真研究[D].吉林：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2]張玉璽.液力緩速器電控系統(tǒng)及控制方法研究[D].吉林大學(xué)2008.

[3]畢乾坤.金屬帶式無(wú)級(jí)變速器電控系統(tǒng)及控制策略研究[D].吉林：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[4]王鵬家,鞏亞?wèn)|,劉永賢,張朝彪.基于譜系聚類的數(shù)控機(jī)床模塊劃分系統(tǒng)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2014(05).

[5]郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào). 2008(05).

[6]朱元?jiǎng)?應(yīng)用于輪式裝載機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的接口技術(shù)研究[D].廣西工學(xué)院 2012.

[7]張寶輝.模塊化總體設(shè)計(jì)研究[D].北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2004.