水液力缓速器电控系统硬件模块化研究

陈广存,罗卫东*,陈孝玉

（贵州大学机械工程学院, 贵阳 520025）

0 引言

在车辆长时间持续制动或者高速制动时，车辆制动器产生大量的热量会使车轮的制动蹄块和制动轮毂温度升高，甚至烧坏，擦系数降低或者制动器失效[1]。因此，保证汽车在持续或高速制动时制动性能良好，汽车除了安装行车制动器和驻车制动器，还应装备辅助制动器。水液力缓速器是现代大型货运汽车的重要辅助缓速设备，水液力缓速器将行车制动器的负荷进行分流，以提高制动系统的可靠性和延长制动系统的使用寿命，这样可以大幅度的降低车辆使用成本[2]。

车辆类型的多样性对其提出功能机构的多样性，车辆的开发生产短周期性对水液力缓速器要求设计生产的短周期；同时水液力缓速器的工作环境恶劣，维修条件有限，给水液力缓速器电控系统的维护与维修带来不便。本文提出液力缓速器电控系统的模块化设计，利用模块化现代设计方法，制定液力缓速器电控系统模块化基本流程，设计液力缓速器电控系统的各个模块，提出模块化方案和模块接口标准化的初步设计方案。

1 水液力缓速器

1.1 水液力缓速器基本结构

水液力缓速器主要由水缓速器本体、电控系统、操作装置等构成，水液力缓速器本体由水涡流主机、前后连接法兰、散热器总成、扬程泵等组成。如图所示。

水涡流主机是制动部件与运动部件借助于水涡流的作用而具有制动功能的制动器。水涡流主机通过前法兰盘与传动轴相连，减速制动时，速度控制阀将水槽中的工作液泵入水涡流主机，由于水涡流的作用，水涡流主机产生制动力矩，将车辆动能转化为液体热能，再通过散热器把热能散发出去，从而实现车辆减速制动；解除制动时，关闭速度控制阀停止工作液的泵入，由潜水型扬程泵将水涡流主机中的工作液泵入水槽中，保证缓速器不会在车辆正常行驶中产生阻力，消耗燃料。

1.2 水液力缓速器电控系统组成和功能

水液力缓速器缓速器电控系统的功能是接收汽车行驶中的实时信号，对这些信号分析处理，最终转换为对液力缓速器工作状况的全面控制。当液力缓速器工作时，驾驶员操作开关装置给液力缓速器电控系统发送触发信号，电控系统通过控制压力控制阀，根据控制信号的变化，利用脉宽调制控制的比例电磁阀（速度控制阀）将水槽中的水压入到缓速器工作腔中，水液力缓速器开始缓速制动。

水液力缓速器工作时，其电控系统接收驾驶员通过操纵装置提供的触发信号，电控系统分析处理驾驶员的操作意图，通过控制信号的变化利用速度控制阀给水涡流主机泵入工作液，缓速器开始缓速制动。当需要关闭缓速器时，驾驶员通过操纵装置给电控系统触发信号，缓速器的速度控制阀停止工作，水涡流主机中的工作液由潜水型扬程泵泵出到水槽。

2 水液力缓速器电控系统模块化设计

模块化即采用模块划分设计，然后将模块部件独立的生产制造，成为可以单独运输的模块单元，以便后期产品的安装与维修[7]。水液力缓速器电控系统采用模块化设计，厂商可以将在设计时同一系统的部件设计在同一区域，或者将不同系统划分在同一区域，这些系统预装集成在同一结构框架上最为一个模块单元，在现场便于拼装成产品或者替换故障模块单元。

水液力缓速器的电控系统是核心技术之一，其硬件设计的好坏直接影响到水液力缓速器的工作性能。根据电控系统的功能可以将硬件分为：微控制器系统、电源电路、输入电路、输出电路和通信电路。微控制器系统由单片机及周边电路组成；电源电路的作用是进行 DC/DC 变换，用于将车载电源变为控制系统所需要的电源；输入电路是系统的数据采集通道；输出电路是系统决策结果的执行通道，是系统控制效果优劣的关键部分。通信电路主要与上位机通信，即单片机与PC机进行串行接口和CAN总线接口进行通信[3]。

2.1 模块化原则

其电控系统按照功能划分，主要包括相互作用的几个子模块，模块划分需要考虑以下点：

（1）通用性：组成电控系统的模块单元都具有子功能；

（2）单独制造性：模块单元可以作为单独模块进行加工制造以及改进升级；

（3）便于使用：模块单元可以装配成一个整体，又可以单独流通于市场；

（4）维修和回收：模块单元可以作为独立模块进行维修，其载体材料可以回收；

（5）结构强链接：模块单元之间要有压力配合铆接等强联接关系。

2.2 电控系统硬件模块化

按照谱系聚类[4]方法完成电控系统功能模块划分，即把总功能划分为独立的子功能，子功能聚合成功能模块。为了方便模块功能划分，对电控系统子功能进行编号。

功能编号 1 2 3 4 5 6 7 8功能名称模拟量输入数字量输入CAN通信串口通信电磁阀驱动信号灯驱动控制功能电源功能

各个子功能之间的相关性称之为功能相关度，功能相关度主要影响因素有：功能相关性；装配相关性 ；空间相关性；信号流相关性；时间相关性。要确定各个相关性的影响系数,就要确定其权重，可采用层次分析法（AHP)[5]中的权重计算方法。根据子功能之间功能相关度，应用谱系聚类的方法进行子功能的聚合,根据2.1划分功能模块的原则确定模块划分为五个功能模块：微控制器系统模块、输入模块、输出模块、电源模块、外部通信模块。

划分的各个功能模块的名称如下表所示。

功能模块名称 功能模块组成微控制器系统模块 单片机及外围电路输入模块 开关量输入电路、脉冲信号输入电路、模拟量输入电路输出模块 电磁阀驱动电路、信号灯驱动电路电源模块 电源直流稳压电路外部通信模块 Can通信模块、串口通信模块

3 水液力缓速器电控系统模块接口标准化分析

3.1 模块接口主要形式

接口分类表

根据电控系统的特点，其模块接口[6]可以划分为：机械接口；数据接口；电源接口。

3.1.1 机械接口

对于水液力缓速器电控系统，机械接口主要是指各个模块间的链接界面。机械接口主要包括模块之间的固定接口，如对接接口，固定接口等。其主要作用是保证模块之间的可靠链接，保证电控系统工作时模块能够承受一定冲量而不产生分离。

3.1.2 数据接口

数据接口是实现数据实时共享的接口。数据接口设计主要考虑数据传输速率、通信可靠性等因素。数据接口用来实现模块之间能够快速、可靠的实现数据共享。

3.1.3 电源接口

电源接口主要作用是提供电控系统工作所需电源，其主要作用是与车辆自备电源连接，按电控系统的负载要求进行变压并为各个模块供电。

3.2 模块接口设计准则

针对以上接口功能和作用，初步提出模块接口的设计原则：

（1）接口标准化，主要是机电接口标准化设计；

（2）简单拔插结构，方便模块接口的安装与替换；

（3）接口集成化和一体化：尽可能将各种接口集成到同一个接口内，以减少对模块更换安装的动作次数。

（4）防止误操作：在设计标准接口时，必须设计相应的防插错措施，防止操作失误而造成不良后果；

（5）方便操作设计：方便、安全、高效完成安装或维修更换的操作。

3.3 模块接口设计

3.3.1 结构设计

根据水液力缓速器电控系统模块接口整体结构形式，从模块尺寸的大小、模块接口的信息（承受的力或力矩大小）、模块锁定方式等角度，如箱盒式模块接口、面板式模块接口、传统的插件式设计接口结构等。研制出原型样机，完成测试工作。

快速锁定结构：考虑到汽车行驶环境恶劣，模块锁定设计可采用螺纹连接件，以快速可靠锁定为设计目的。螺纹连接件方式设计简单，可靠性高，通用性好，如图所示采用螺纹件的机械锁定。

抗震性设计：在关键配合部位，通过形位公差、表面状态和材料的选择，控制其间隙，以提高抗震性。

热插拨设计：避免模块更换时带来的供电不稳、信号拨动等干扰。

3.3.2 内部总线设计

根据水液力缓速器电控系统的特点，模块接口选用CAN总线。CAN 总线具有良好的可靠性、实时性和性能价格比。CAN 总线成为汽车控制系统中理想的控制总线。为了对电控单元进行实时数据采集，同时由于 CAN 总线已经广泛应用于各种车型，用来实现发动机、变速器、ABS 等 ECU 之间的通信。

3.3.3 数据接口设计

CAN总线，用于模块之间数据传输。

模拟量采集接口，实时采集模拟量，主要包括车辆行驶速度、水箱水温等模拟量。

数字量采集接口，主要是采集驾驶员对水液力缓速器的操控档位。

3.3.4 供电设计

电控系统的核心是单片机，其对供电电源的要求比较高，但是汽车环境对电子产品要求苛刻，供电需要将工作在18V至30V左右的电源变压到12V等二次电源。可采用LM2576S-12模块作为DC/DC的稳压电路。

4 结论

本文对水液力缓速器的结构和功能进行了简介，基于模块化设计方法对其电控系统进行分析，建立其电控系统的功能结构模块，为以后其电控系统模块化提高参考。针对其电控系统提出模块接口标准化相关原则，给出模块接口的机电热初步设计方案。

[1]刘维海.液力缓速器现代设计方法与整车制动性能仿真研究[D].吉林：吉林大学硕士学位论文,2006.

[2]张玉玺.液力缓速器电控系统及控制方法研究[D].吉林大学2008.

[3]毕乾坤.金属带式无级变速器电控系统及控制策略研究[D].吉林：吉林大学博士学位论文，2008.

[4]王鹏家,巩亚东,刘永贤,张朝彪.基于谱系聚类的数控机床模块划分系统[J]. 东北大学学报(自然科学版). 2014(05).

[5]郭金玉,张忠彬,孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报. 2008(05).

[6]朱元勋.应用于轮式装载机模块化设计的接口技术研究[D].广西工学院 2012.

[7]张宝辉.模块化总体设计研究[D].北京:国防科学技术大学,2004.