厚勢按電液推桿廠家:基于裝配集成式電子液壓制動系統(tǒng)(Integrated-electro-hydraulic brake system,I-EHB)的車輛進行橫擺穩(wěn)定性控制研究。設(shè)計了基于直接橫擺力矩控制(Direct yaw moment control,DYC)的運動跟蹤控制算法, 采用線性二自由度車輛模型得到了參考橫擺角速度值,與實際橫擺角速度值進行比較通過比例積分控制算法計算出附加橫擺力矩。將附加橫擺力矩進行控制分配,通過單輪制動方式分配至作用車輪,再轉(zhuǎn)換得到各個車輪的輪缸目標(biāo)液壓力值。
利用基于輪缸壓力均衡控制方法來跟蹤目標(biāo)輪缸壓力,通過查表確定當(dāng)前壓力差下的目標(biāo)增壓速率,采用公式法在線性范圍內(nèi)近似擬合占空比隨目標(biāo)增壓速率變化關(guān)系,以查表求出的目標(biāo)增壓速率作為輸入來得到控制電磁閥的占空比。搭建了該系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試平臺,在高低附路面上驗證了控制策略的有效性。
本文來自 2017 年 5 月 31 日出版的《機械工程學(xué)報》,作者是同濟大學(xué)汽車學(xué)院的韓偉博士、熊璐教授、李彧、侯一萌和余卓平教授。
0. 前言
新能源汽車尤其是電動汽車的推廣普及,推動了制動系統(tǒng)朝著線控制動方向發(fā)展。在線控制動眾多可行的方案中,在傳統(tǒng)制動系統(tǒng)液壓部分基礎(chǔ)上加以改進,稱為電子液壓制動系統(tǒng)(Eletro-hydraulic brake system,EHB)[1-4]。其中,目前應(yīng)用較多的是泵式電子液壓制動系統(tǒng)(Pump-electro-hydraulic brake system,P-EHB)[1-2],以高壓蓄能器和液壓泵作為主動動力源。電液推桿廠家
作為電子液壓制動系統(tǒng)發(fā)展的最新方向,集成式電子液壓制動系統(tǒng)(Integrated-electro-hydraulic brake system,I-EHB)[3-4]利用電機與機械減速機構(gòu)代替了高壓蓄能器與液壓泵作為主動動力源,從而降低成本并避免了泄漏風(fēng)險。隨著現(xiàn)代汽車正逐步實現(xiàn)去液化和智能化,低成本和高可靠性的 I-EHB 系統(tǒng)更是 EHB 的發(fā)展趨勢和研究熱點。
輪缸液壓力控制是實現(xiàn) I-EHB 功能的關(guān)鍵部分。各研究機構(gòu)在液壓調(diào)節(jié)單元測試和液壓力控制方面進行了大量的研究工作。文獻 [5-6] 采用 PID 控制方法實現(xiàn)輪缸壓力控制。文獻 [7-8] 指出傳統(tǒng) PID 控制方法的魯棒性和適應(yīng)性不高,于是對 PID 控制方法加以改進。文獻 [9] 采用輪詢調(diào)度算法調(diào)節(jié)輪缸液壓力,其控制精度滿足要求。本文提出輪缸壓力均衡控制方法來對輪缸壓力跟蹤控制。
電磁閥是液壓力控制的執(zhí)行機構(gòu)之一,所以對于電磁閥控制的方法研究至關(guān)重要。電液推桿廠家本文中 I-EHB 的電磁閥屬于高速開關(guān)閥,對于高速開關(guān)閥典型的控制是脈寬調(diào)制 PWM 控制配合查表的方法,調(diào)制頻率集中在 10~100 Hz 范圍內(nèi)。調(diào)整 PWM 控制的占空比,控制高速開關(guān)閥開或關(guān)的時間比例,使閥芯的平均開度保持在一個水平,從而控制輪缸壓力。在 10~100 Hz 這一低頻范圍內(nèi)的 PWM 控制,通過高速開關(guān)閥的完全開和關(guān),實現(xiàn)增壓-保壓的不斷循環(huán),從而減慢制動壓力的增長速度,防止車輪迅速抱死 [10]。這樣導(dǎo)致的缺點是:
壓力變化不是線性的,控制需要積累大量試驗數(shù)據(jù)以進行查表;
由于電磁閥是完全開閉,這就導(dǎo)致噪聲和液壓力波動的問題。
針對以上兩個缺點,本文將 PWM 控制區(qū)間設(shè)定在一定線性范圍內(nèi)來對電磁閥進行控制。
通過運用合適的控制策略,可將橫擺穩(wěn)定性控制(Yaw stability control,YSC)策略集成到 I-EHB 系統(tǒng)中,實現(xiàn)多功能整合。電液推桿廠家文獻 [5] 搭建了 EHB 系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試臺架,并進行了 YSC 功能的驗證。文獻 [11] 將基于 EHB 系統(tǒng)實現(xiàn)的 YSC 功能與基于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)實現(xiàn)的 YSC 功能進行對比。結(jié)果表明,基于 EHB 系統(tǒng)的 YSC 功能能夠提供更大的制動力和更好的橫擺角速度跟蹤能力。國內(nèi)外在這方面進行的研究較少,而且多是將成熟的 YSC 控制策略通過 EHB 執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn),并沒有對 EHB 系統(tǒng)的液壓力控制策略與 YSC 策略進行匹配優(yōu)化。
本文基于文獻 [12] 所設(shè)計的 I-EHB 系統(tǒng)進行輪缸液壓力控制和橫擺穩(wěn)定性控制分配策略研究。第 1 節(jié)介紹了 I-EHB 系統(tǒng),并搭建了硬件在環(huán)測試平臺。第 2 節(jié)是上層運動跟蹤控制,采用線性 2 自由度車輛模型得到了參考橫擺角速度值,并基于 PI 控制算法計算出應(yīng)補償?shù)臋M擺力矩。第 3 節(jié)是下層轉(zhuǎn)矩控制分配,通過單輪制動方式將第 2 節(jié)計算出的應(yīng)補償?shù)臋M擺力矩分配至作用車輪,然后轉(zhuǎn)換得到各個車輪的輪缸目標(biāo)液壓力值。第 4 節(jié)是執(zhí)行器層輪缸壓力跟蹤控制,利用基于輪缸壓力均衡控制方法來跟蹤第 3 節(jié)得到的目標(biāo)輪缸壓力,通過查表確定當(dāng)前壓力差下的目標(biāo)增壓速率,采用公式法在線性范圍內(nèi)近似擬合占空比隨目標(biāo)增壓速率變化關(guān)系以得到電磁閥控制的占空比。第 5 節(jié)通過硬件在環(huán)測試平臺驗證了控制策略的有效性。
1. I-EHB電液推桿廠家
圖 1 I-EHB 系統(tǒng)方案簡圖
課題組前期方案 [8] 采用電動機推動制動主缸活塞的方式建立系統(tǒng)液壓力,電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)可以輕松實現(xiàn)系統(tǒng)液壓力的增高和降低,響應(yīng)速度快,控制精確,而且目前該方案已經(jīng)通過田口方法、摩擦顫振補償?shù)确椒朔蔷€性時變因素,對系統(tǒng)的主缸液壓力進行精確控制 [13-14]。因此針對該方案,考慮將傳統(tǒng)的由 12 個電磁閥組成的 YSC 系統(tǒng)替換為由 4 個電磁閥組成的 YSC 系統(tǒng),即每個電磁閥控制一個制動輪缸的液壓力,其方案簡圖如圖 1 所示,I-EHB 系統(tǒng)硬件在環(huán)測試平臺如圖 2 所示。
圖 2 I-EHB 系統(tǒng)硬件在環(huán)測試平臺拓撲圖
I-EHB 共分成 4 大部分:制動踏板單元,液壓驅(qū)動單元,制動執(zhí)行單元,控制系統(tǒng)。其中,電液推桿廠家
制動踏板單元負責(zé)給駕駛員提供制動踏板感覺,包括制動踏板、次級主缸、踏板模擬器、踏板模擬器電磁閥、次級主缸電磁閥;
液壓驅(qū)動單元負責(zé)為系統(tǒng)提供動力源,包括電機、蝸輪蝸桿、齒輪齒條等;
制動執(zhí)行單元與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致,包括主缸、液壓管路、輪缸等。
解耦缸起到系統(tǒng)解耦的作用,即實現(xiàn)正常制動時制動踏板與制動主缸不直接相連。
正常工作時,駕駛員踩下制動踏板,次級主缸的制動液注入到踏板模擬器,產(chǎn)生踏板模擬感覺,同時制動踏板推桿推動解耦缸活塞壓縮解耦缸液壓腔,使其內(nèi)制動液流入儲液罐,如此一來實現(xiàn)制動踏板不再直接與制動主缸相連。同時電子液壓制動系統(tǒng) ECU 根據(jù)踏板位移信號以及再生制動能量回收系統(tǒng)中的驅(qū)動電機制動力矩信號計算本系統(tǒng)電機應(yīng)產(chǎn)生的力矩大小,并經(jīng)過減速機構(gòu)作用在制動主缸上。
2. 運動跟蹤控制電液推桿廠家
本文參考模型選擇經(jīng)典的線性二自由度車輛模型。由線性 2 自由度車輛模型可得理想橫擺角速度,如式 (1) 所示
通過由參考模型輸出的理想橫擺角速度和實際的橫擺角速度進行對比,采用 PI 控制方法得到橫擺轉(zhuǎn)矩需求ΔM電液推桿廠家,如式 (2) 所示
3. 轉(zhuǎn)矩控制分配
由于摩擦圓的原因,在車輛前輪和后輪分別施加相等制動力所產(chǎn)生的繞質(zhì)心的橫擺力矩將有很大的區(qū)別。轉(zhuǎn)向時外前輪因為制動力引起的附加橫擺力矩和因為側(cè)向力降低引起的附加橫擺力矩方向相同,均與轉(zhuǎn)向方向相反。電液推桿廠家因此,外前輪制動可以產(chǎn)生很大的向外偏轉(zhuǎn),當(dāng)車輛出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向時,在外前輪上施加制動力糾正過度轉(zhuǎn)向最為有效。同理,內(nèi)后輪制動可以使車輛產(chǎn)生很大的向內(nèi)偏轉(zhuǎn),當(dāng)車輛出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向時,在內(nèi)后輪上施加制動力糾正不足轉(zhuǎn)向最為有效。
由于所針對的集成式電子液壓制動系統(tǒng)僅依靠電機推動制動主缸作為動力源,通過四個電磁閥實現(xiàn) YSC 的功能。在保證輪缸壓力跟蹤控制的精度的前提下為使輪缸液壓力更容易被控制、使穩(wěn)定性控制方法更易實現(xiàn),本文將附加橫擺力矩同一時刻只分配給最有效車輪來進行橫擺穩(wěn)定性控制。
表 1 轉(zhuǎn)矩控制分配策略
本文通過附加橫擺力矩的正負(這里規(guī)定附加橫擺力矩使車輛有向左轉(zhuǎn)向的趨勢時的方向為正,反之為負)和轉(zhuǎn)向方向來判斷車輛的轉(zhuǎn)向特性和作用對象,如表 1 所示。
4. 輪缸壓力跟蹤控制
傳統(tǒng)系統(tǒng)的 YSC 模塊通過增壓閥、減壓閥、旁通閥、低壓蓄能器、液壓泵等實現(xiàn)對輪缸液壓力的精確控制,而本文所針對的系統(tǒng)僅通過四個電磁閥實現(xiàn)對輪缸液壓力的控制。與傳統(tǒng) YSC 模塊相比,I-EHB 的輪缸液壓力控制起來更為困難。而且 I-EHB 是一個時變非線性系統(tǒng)[15],難以精確建模,并且系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)很難表示出來。本文采用基于輪缸壓力均衡控制法來實現(xiàn)輪缸壓力跟蹤控制(圖 3)。電液推桿廠家
圖 3 輪缸壓力跟蹤控制框圖
4.1 主缸目標(biāo)壓力的選取電液推桿廠家
基于輪缸壓力均衡控制法是借鑒了帶有高、低壓蓄能器的電子液壓制動系統(tǒng)的工作原理。車用高壓蓄能器多為隔膜式蓄能器,制動液被液壓泵經(jīng)油口泵入高壓蓄能器中,隨著制動液的增多氣囊壓縮,氣囊中的氣體因壓縮而壓力升高,制動液的壓力也相應(yīng)增大,當(dāng)某個輪缸需要增壓時,打開對應(yīng)的電磁閥高壓制動液就會流入輪缸當(dāng)中。低壓蓄能器一般為彈簧-活塞式結(jié)構(gòu),用于車輪減壓時暫時儲存從輪缸經(jīng)過減壓閥流出的制動液,作為下一階段增壓的油源,因此它應(yīng)該有足夠的容積來儲存來自輪缸的制動液,否則將會影響 YSC 減壓過程的順利進行,造成輪缸中的制動液不能順利排出,或有一定的殘留壓力 [15]。
圖 4 基于輪缸壓力均衡控制法原理示意圖
由上文 I-EHB 結(jié)構(gòu)可知,主缸與各個輪缸直接相連,并且相比于高壓蓄能器和低壓蓄能器,主缸的容積可以根據(jù)需要,通過對電機的控制,在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)主缸容積,達到與蓄能器一樣的功能。故可仿照高、低壓蓄能器的工作原理設(shè)計基于輪缸壓力均衡控制法,來實現(xiàn)對本文中 I-EHB 輪缸壓力進行控制。在液壓力控制過程中可能會出現(xiàn)這樣一種情況,某個當(dāng)前壓力較大的輪缸接下來需要減壓,另一個當(dāng)前壓力較小的輪缸接下來需要增壓,如圖 4 所示,其中,MC 為主缸目標(biāo)壓力,P1、P2 分別表示輪缸目標(biāo)壓力。此時若將主缸壓力控制在兩者壓力之間,那么相對于壓力較大的輪缸來說主缸可看作低壓蓄能器,而相對于壓力較小的輪缸來說主缸可看作高壓蓄能器。再利用下文所述的增、減壓速率控制的方法,可在主缸壓力不發(fā)生較大波動的條件下實現(xiàn)對不同壓力需求的多個輪缸的控制。電液推桿廠家
圖 5 基于輪缸壓力均衡控制的第一類工作狀態(tài)
基于輪缸壓力均衡控制法運用到 I-EHB 中,工作過程如下:將 4 個輪缸液當(dāng)前時刻實際的液壓力值按從大到小的順序排列,每個輪壓力接下來的變化都有增、減兩種可能,4 個輪缸總共有 16 種可能的工作狀態(tài)。這 16 種工作狀態(tài)由可進一步分為兩類:
第一類工作狀態(tài)如圖 5 所示,可以找到某一個壓力值,讓所有輪缸液壓力向該值趨近,此時就可以控制主缸壓力維持在該值,為了降低控制的難度可令主缸壓力跟蹤某一個輪缸的目標(biāo)壓力;
第二類工作狀態(tài)如圖 6 所示,可以找到某兩個壓力值,讓所有輪缸液壓力向這兩個壓力值趨近,此時就可以控制主缸壓力在這兩個值之間切換,為了降低控制的難度這兩個壓力值可選擇 4 個輪缸中最大與最小的目標(biāo)壓力值。電液推桿廠家
同時配合使用 PWM 控制電磁閥,以限制各個輪缸的增、減壓速率。
4.2 增、減壓速率控制方法設(shè)計電液推桿廠家
為了減少采用查表法帶來的需要進行大量試驗的復(fù)雜性,本文采用公式法在線性范圍內(nèi)近似擬合占空比隨目標(biāo)增壓速率變化的關(guān)系,這也避免了因電磁閥完全開閉造成的噪聲和振動。由前文的內(nèi)容可以知道,通過 PWM 控制的常開電磁閥在一個周期內(nèi)保持關(guān)閉的時間與 PWM 控制周期(T_PWM)、占空比(D_cyc)、電磁閥開啟響應(yīng)時間(t_on)、電磁閥關(guān)閉時間(t_off)有關(guān),一個周期內(nèi)其保持關(guān)閉的時間可表示為式 (3)
則在一個周期內(nèi)保持關(guān)閉的時間為
將式 (3) 代入式 (4) 可得電液推桿廠家
則在足夠短一個控制周期內(nèi),可認為主缸和輪缸液壓力保持恒定,則可認為當(dāng)電磁閥打開時,增壓或減壓速率是恒定的,設(shè)為 v_0 ,電磁閥關(guān)閉時速率為 0。則在一個控制周期內(nèi)的增壓或減壓速率可以認為是 v_0 與 0 的加權(quán)平均,他們的權(quán)重分別為 T_on 和 T_off ,則在任意占空比下的增壓或減壓速率可以表示為式 (6)
將式 (5) 代入式 (6) 可得式 (7)
由式 (7) 可得式 (8)
圖 7~10 為右后輪輪缸在 f_PWM = 200 Hz ,占空比依次為 0%,10%,20%,30% 條件下的增壓過程,通過計算從 1 MPa 增壓到 9 MPa 所用時間可以驗證式 (8) 正確與否。
圖 7 占空比為 0% 的右后輪增壓曲線
圖 8 占空比為 10% 的右后輪增壓曲線
圖 9 占空比為 20% 的右后輪增壓曲線
圖 10 占空比為 30% 的右后輪增壓曲線
增壓耗時的對比結(jié)果如表 2 所示,表中數(shù)據(jù)基本符合式 (8),故在明確知道 v_0 的前提下,通過選擇合適的占空比可以精確控制增、減壓的速率。v_0 在一個足夠短的控制周期內(nèi)可認為恒定,但從更長的時間尺度上來看它是一個隨著增壓或減壓過程中高壓側(cè)與低壓側(cè)壓力差不同而變化的量。v_0 隨液壓力差值 (?p) 變化的關(guān)系可以通過試驗測得,試驗測得的關(guān)系曲線如圖 11 所示。當(dāng)需要實現(xiàn)某增壓速率時,先通過查表確定當(dāng)前壓力差下的 v_0 ,再通過式 (9) 可以計算出所需的占空比值。電液推桿廠家
表 2 1~9 MPa 增壓耗時對比
圖 11 Δp 與 v_0 關(guān)系曲線
5. 試驗研究電液推桿廠家
5.1 電磁閥動態(tài)特性
電磁閥工作時,閥芯在電磁力、液動力、彈簧力、摩擦力和阻尼力共同作用下作往復(fù)運動,其中摩擦力和阻尼力的量級較小,一般可以忽略 [10]。由于閥芯存在一定的質(zhì)量,它在運動過程中不可避免會有慣性,故電磁閥閥芯運動的響應(yīng)與控制信號之間存在一定的延遲時間。電液推桿廠家
表 3 電磁閥響應(yīng)時間
響應(yīng)時間是電磁閥的一個重要參數(shù),對于精確控制液壓力至關(guān)重要。由于閥芯被密封在電磁閥的閥體中,一般難以測得閥芯的位移,故需要通過其他方式來測量電磁閥打開和關(guān)閉的時間。本文參考了文獻 [16] 所介紹的方法來測量電磁閥開、關(guān)響應(yīng)時間,分別在主缸增壓與減壓過程中,給電磁閥關(guān)閉與開啟的控制信號。通過測量電磁閥開啟/關(guān)閉控制信號發(fā)出到輪缸液壓力發(fā)生階躍/與主缸液壓力分離的時間差,可以測得電磁閥的開啟/關(guān)閉響應(yīng)時間。
5.2 橫擺穩(wěn)定性控制
為了驗證上文提出的橫擺穩(wěn)定性控制算法的有效性,基于搭建的硬件在環(huán)測試平臺分別在低附和高附路面上進行蛇行工況試驗。設(shè)置低附路面附著系數(shù) 0.2,車速為 15 m/s;高附路面附著系數(shù) 0.8,車速為 30 m/s。
圖 12 低附路面無控制時響應(yīng)曲線電液推桿廠家
圖 13 低附路面有控制時響應(yīng)曲線
圖 12 和圖 13 分別為低附路面無控制和有控制時的車輛橫擺角速度和車速響應(yīng)曲線。由此可知,低附路面無控制時,橫擺角速度在 12~22 s 出現(xiàn)較大誤差,在 15~20 s 實際值嚴重偏離了目標(biāo)值,且實際值變化幅度較大,甚至實際值的方向與目標(biāo)值的方向相反,會導(dǎo)致車輛失穩(wěn)不可控。而車速變化不均勻,在 12~20 s 有較大突變,極易發(fā)生危險引起駕駛員恐慌。低附路面有控制時,橫擺角速度跟蹤誤差較小,車速變化平緩,相比無控制時大大提高了車輛穩(wěn)定性和安全性。
圖 14 低附路面有控制時左后輪響應(yīng)曲線
圖 15 低附路面有控制時右后輪響應(yīng)曲線
圖 14 和圖 15 為低附路面有控制時左后輪和右后輪的輪缸壓力響應(yīng)和電磁閥動作指令曲線。由圖可見,電磁閥動作指令正確,雖然在目標(biāo)輪缸壓力頻率較大時響應(yīng)存在一定穩(wěn)態(tài)誤差,但響應(yīng)快速,沒有超調(diào)壓力,能夠滿足車輛穩(wěn)定性控制的要求。本文中由于前輪輪缸壓力值在 0.1 MPa 以內(nèi),其響應(yīng)誤差是由于制動盤間隙等引起的,超出了本文對輪缸壓力跟蹤控制要求的精度,故沒有給出前輪輪缸壓力響應(yīng)曲線。
圖 16 高附路面無控制時響應(yīng)曲線電液推桿廠家
圖 17 高附路面有控制時響應(yīng)曲線
圖 16 和圖 17 分別為高附路面無控制和有控制時的車輛橫擺角速度和車速響應(yīng)曲線。由此可知,高附路面無控制時,橫擺角速度的誤差越來越大,會導(dǎo)致車輛失穩(wěn)不可控。而車速在 15~22 s 突然減小,容易發(fā)生危險。有控制時橫擺角速度跟蹤誤差較小,車速變化平緩,相比無控制時提高了車輛穩(wěn)定性和安全性。
圖 18 高附路面有控制時左后輪響應(yīng)曲線
圖 19 高附路面有控制時右后輪響應(yīng)曲線
圖 18、19 為高附路面有控制時左后輪和右后輪的輪缸壓力響應(yīng)和電磁閥動作指令曲線。由圖可知,電磁閥動作指令正確,實際液壓力能夠快速跟隨目標(biāo)液壓力,對于輪缸目標(biāo)壓力的頻率較大處存在一定穩(wěn)態(tài)誤差,但能夠滿足車輛穩(wěn)定性控制的要求。
5.3 輪缸壓力跟蹤控制電液推桿廠家
上文已經(jīng)通過目標(biāo)橫擺角速度的跟蹤情況驗證了該控制方法有利于提高車輛的橫擺穩(wěn)定性,并初步得到了輪缸壓力跟蹤的響應(yīng)曲線。下文對輪缸壓力跟蹤試驗結(jié)果進行定量分析,定義輪缸壓力均方根誤差和延遲時間為量化指標(biāo)。其中,延遲時間為同次試驗所有壓力響應(yīng)的平均值。表 4 為各路面下輪缸壓力的響應(yīng)結(jié)果。由此可知,試驗結(jié)果驗證了控制算法的有效性。電液推桿廠家
表 4 各路面下輪缸壓力響應(yīng)結(jié)果
6. 結(jié)論
針對裝配 I-EHB 的車輛進行橫擺穩(wěn)定性控制研究。設(shè)計了基于 DYC 的運動跟蹤控制算法,通過PI 控制算法計算出附加橫擺力矩,再將其通過單輪制動方式分配至作用車輪,各車輪的需求制動力通過計算轉(zhuǎn)化為實際作用于車輪的液壓制動力,即獲得目標(biāo)輪缸壓力。電液推桿廠家
然后利用基于輪缸壓力均衡控制方法來跟蹤目標(biāo)輪缸壓力。
最后搭建了該系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試平臺,驗證了 I-EHB 的動態(tài)響應(yīng)特性和輪缸壓力跟蹤控制的有效性,在低附和高附路面上該策略均能有效改善車輛穩(wěn)定性,但在低附路面上的控制效果要優(yōu)于在高附路面上的控制效果。
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