CN112644497B - 一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置，针对汽车制动颤振产生的诸如异响、方向盘抖动等问题，通过传感器监测制动过程中出现的颤振根据主副控制单元联合决策动作使制动压力处于最佳值，从而抑制制动颤振，实现了在不对现有制动装置进行更改的情况下，提升制动颤振抑制的响应速度及抑制效果的功能。本发明响应速度快，有效抑制了混沌的产生，有很好的颤振抑制效果。本发明可预装可改装，可选择性高，结构简单、成本低廉。本发明可用于各种制动装置，同时可扩展至所有利用干摩擦制动的机械产品，适用范围广泛。

Description

一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置

技术领域

本发明属于车辆制动技术领域，具体涉及一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置。

背景技术

随着我国综合国力的不断增强，经济模式需要转型，需要从粗放式生产转向精细化生产，也就是说我们对产品质量的要求越来越高。在机械行业，于汽车而言，制动振动越小，驾乘人员所体验到的舒适性越高，而制动颤振是汽车行业一直悬而未决的问题。目前车辆搭载的制动装置几乎都是利用干摩擦制动，而干摩擦具有明显的非线性特性，这就会导致在一些工况下制动会有制动颤振产生。制动颤振不仅会降低制动装置的使用寿命，还大大降低了制动的稳定性，对经济和安全方面均造成严重影响，同时制动颤振呈现出的混沌态也是很难被控制的。

在传统的抑制技术中，主要是通过提升材料性能或车辆结构来实现抑制制动颤振的，主要包括：改变摩擦材料的摩擦特性；改变制动器或悬架系统的振动特性；改变前后悬架的K&C特性。该现有技术的缺点是如果改变摩擦材料的摩擦特性，则会大幅改变车辆的制动性能：如果改变制动器或悬架系统的振动特性，则会影响到制动系统其他振动噪声性能：如果改变了前后悬架的K&C特性，则会影响到车辆的操稳性。

另有一种四轮轮边驱动电动汽车制动抖动减振控制系统及方法，其步骤为：1)制动压力传感器和踏板位移传感器分别获取各个车轮的制动压力信息和制动踏板的位移信息，并发送至信号处理单元；2)信号处理单元处理车轮的制动压力信息和制动踏板的位移信息，计算出减振控制参数，并发送至减振控制单元；3)减振控制单元根据减振控制参数向电机驱动单元输出转矩控制信号；4)电机驱动单元根据转矩控制信号驱动轮边电机输出转矩，该转矩与制动器的制动力矩一起作用于车轮，减少制动抖动；所述的减振控制参数为制动力矩波动值。其中，利用前一次制动踏板的位移信息和车轮的制动压力信息，或者前几次的制动踏板的位移信息和车轮的制动压力信息的平均值可求得任意制动踏板位移下的期望制动压力；当新制动过程发生时，利用当前制动踏板的位移信息，求得当前期望制动压力，对比当前实际制动压力再结合制动器上的轮缸活塞面积、制动块作用半径、制动块和制动盘之间的摩擦系数，即可得到四个车轮制动力矩波动。虽然该现有技术公开了利用前一次制动踏板的位移信息和车轮的制动压力信息，或者前几次的制动踏板的位移信息和车轮的制动压力信息的平均值可求得任意制动踏板位移下的期望制动压力，但是，现有技术二中制动踏板位移不能准确表征制动压力的变化，因此，对颤振状态进行消除效果不佳。

另有一种风电场风力发电机组运行异常监测与性能评估系统，通过进行盘块摩擦副摩擦系数测量的台架试验，获取动静摩擦系数与制动压力之间的变化关系，即动静摩擦系数都随制动压力增大而减小，而它们的差值随制动压力增大而增大。步骤三，根据步骤二中的结果进行有限元仿真工况的设置，将颤振发生时的制动压力作为有限元仿真的载荷输入，并根据动静摩擦系数与制动压力的变化关系进行有限元仿真的摩擦系数设置。虽然该现有技术公开了摩擦系数与制动压力相关，但是该现有技术中利用建立有限元模型，根据输入的制动压力输出对应的摩擦力系数的方案计算量较大，且计算效果不能预期。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置，在不对现有制动装置进行更改的情况下，提升制动颤振抑制的响应速度及抑制效果。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，包括以下步骤：

S1：加速度传感器获取制动装置的加速度信号，并将信号发送至控制单元，并由控制单元计算制动装置的振动状态；若制动装置的加速度信号不稳定或者产生不规则波动时，判定制动装置为振动状态；

S2：在当前时刻前设置多个采样点，分别计算每个采样点的摩擦系数，根据各采样点的摩擦力系数确定摩擦力变化函数；

S3：当振动状态为混沌时，根据摩擦力变化函数预测制动力变化值，根据制动力变化值调整制动油液状态，改变制动力响应速率，返回步骤S1。

按上述方案，所述的步骤S2中，计算每个采样点的摩擦系数的具体步骤为：在一个采样点中，加速度传感器获取车辆当前加速度，控制单元获取车辆的驱动力，压力传感器获取制动装置的制动压力，并传至控制单元，由控制单元计算出当前采样点的摩擦系数；摩擦系数与驱动力、车辆加速度、车辆质量、制动压力相关：

摩擦系数＝(驱动力-车辆加速度*车辆质量)/制动压力。

按上述方案，所述的步骤S2中，确定摩擦力函数的具体步骤为：

S21：设μ_k表示动摩擦系数；μ_s表示静摩擦系数；α表示指数衰减因数，取值在0到10之间；σ表示光滑系数，用于控制相对速度在零附近时曲线的锐度；以stribeck摩擦模型作为参考，通过试验方法获取动静摩擦系数，光滑系数和指数衰减因数：

μ(ω)＝[μ_k+(μ_s-μ_k)e^-α|ω|]tanh(σω)；

S22：调整指数衰减因数和光滑系数，不断逼近采样得到的摩擦系数，直至满足精度要求；

S23：确定指数衰减因数和光滑系数。

进一步的，所述的步骤S3中，预测制动力变化值的具体步骤为：

S31：采用最大李雅普诺夫指数判断振动状态，当最大李雅普诺指数大于0时，判断系统产生混沌；

S32：根据摩擦力变化函数预测制动力变化值，设F₀为当前时刻的制动压力，a为压力增长系数，b为偏移系数，ω为当前时刻车辆的速度，则目标制动压力F为：

S33：根据当前制动压力获取制动力变化值。

进一步的，所述的步骤S32中，压力增长系数a与压力F同数量级，a与F的比值在0到1之间，b的数值通过标定获得；或者取a＝F₀×α/10。

按上述方案，所述的步骤S2中，确定摩擦力函数的具体步骤为：对采样点获得的数据采用最小二乘法进行曲线拟合，获得摩擦力的变化函数u＝f(t)。

进一步的，所述的步骤S3中，预测制动力变化值的具体步骤为：根据该摩擦力变化函数预测制动力变化值，设F₀为当前制动力，df(t)为摩擦力函数斜率，Δt为时间差，则目标制动压力F为：

按上述方案，所述的步骤S3中，根据制动力变化值调整制动油液状态的具体步骤为：原始状态下电磁阀置于中间，支路处于断路状态，双向油泵关闭；当计算所需制动力小于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀右移使得左侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从主油路流回油箱，当压力传感器判断压力符合要求时电磁阀左移，油路中断；当计算所需制动力大于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀左移使得右侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从油箱流向主油路，当压力传感器判断压力符合要求时电磁阀右移，油路中断，油泵关闭。

一种基于运行工况的制动颤振抑制装置，包括设置在车轮上的制动装置、加速度传感器、压力传感器、力矩传感器、液压油管、双向油泵、液压阀，油箱，主控制单元，副控制单元；液压阀的一端与主控制单元所在的主油路连接且在压力传感器之前，液压阀的另一端连接双向油泵，液压阀与双向油泵串联后与主控制单元所在的油路并联；双向油泵的另一端连接油箱；加速度传感器位于制动装置的边缘；压力传感器位于液压油管末端接近制动装置的位置，用于准确获得作用到制动装置的液压力；压力传感器和加速度传感器将获得的数据转换成电信号传递给副控制单元；副控制单元用于通过计算加速度的最大李雅普诺夫指数判定制动装置的振动状态，同时获取摩擦力变化的情况；当发生颤振时，副控制单元结合摩擦力和制动力将需要变化的信号传递给主控制单元；主控制单元用于控制液压阀和双向油泵动作。

进一步的，对于鼓式制动，制动装置包括制动蹄片、摩擦片、制动鼓和促动装置；对于盘式制动，制动装置包括制动钳、制动盘、制动主缸、摩擦片。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法和装置，针对汽车制动颤振产生的诸如异响、方向盘抖动等问题，通过传感器监测制动过程中出现的颤振根据主副控制单元联合决策动作使制动压力处于最佳值，从而抑制制动颤振，实现了在不对现有制动装置进行更改的情况下，提升制动颤振抑制的响应速度及抑制效果的功能。

2.本发明响应速度快，有效抑制了混沌的产生，有很好的颤振抑制效果。

3.本发明可预装可改装，可选择性高，结构简单、成本低廉。

4.本发明可用于各种制动装置，同时可扩展至所有利用干摩擦制动的机械产品，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明实施例的功能框图。

图2是本发明实施例的流程图。

图3是不同参数下的摩擦系数与速度关系图。

图4是本发明实施例的盘式制动动力学模型图。

图5是未使用本发明的制动分岔图。

图6是未使用本发明的制动分岔图对应的最大李雅普诺夫指数图。

图7是使用本发明的制动分岔图。

图8是使用本发明的制动分岔图对应的最大李雅普诺夫指数图。

图中：1.制动钳；2.制动盘；3.制动主缸；4.摩擦片；5.加速度传感器；6.压力传感器；7.力矩传感器；8.液压油管；9.双向油泵；10.液压阀；11.油箱；12.主控制单元；13.副控制单元；14.信号线路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

车辆的制动系统包括车轮，制动装置，加速度传感器、压力传感器、液压油管、双向油泵、液压阀，主控制单元和副控制单元等。对于不同的制动方式，制动装置具体包含不同：鼓式制动主要包含制动蹄片、摩擦片、制动鼓和促动装置；盘式制动主要包含制动钳、制动盘、制动背板和摩擦片。当通过传感器监测到制动过程中出现颤振时，双向油泵工作，根据主副控制单元联合决策动作，使得制动压力处于最佳值，抑制制动颤振。

参见图1，一种基于运行工况的由干摩擦引起的制动颤振抑制装置主要包括制动钳1、制动盘2、制动主缸3和摩擦片4，加速度传感器5、压力传感器6、力矩传感器7、液压油管8、双向油泵9、液压阀10，油箱11，主控制单元12，副控制单元13，信号线路14。液压阀10与双向油泵9串联，又与主控制单元油路并联，液压阀10一端与主控制单元12所在的主油路连接且在压力传感器之前，另一端连接双向油泵9，双向油泵9另一端与油箱11相连接。压力传感器6位于液压油管末尾，即接近制动主缸的位置，能够忽略液压油在管路中传递带来的压力损失，更真实的获得作用到制动装置的液压力，加速度传感器5位于制动盘的边缘，两者将获得的数据转换成电信号传递给副控制单元13。副控制单元13通过计算加速度的最大李雅普诺夫指数判定振动状态同时获取摩擦力变化的情况，当发生颤振时，结合摩擦力和制动力，将需要变化的信号传递给主控制单元12。主控制单元12控制液压阀10和双向油泵9动作。如此循环往复，抑制颤振。

参见图2，本发明的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，包括以下步骤：

1)加速度传感器获取制动盘的加速度信号，并将信号发送至控制单元，并由控制单元计算制动盘的振动状态。其中，若制动盘的加速度信号不稳定或者产生不规则波动时，判定制动盘为震动状态。具体的判断方法为现有技术。

2)在当前时刻前设置多个采样点，分别计算每个采样点的摩擦系数，根据各采样点的摩擦力系数确定摩擦力变化函数；

其中，摩擦力函数的确定：

第一种方法:

a.以stribeck摩擦模型作为参考，通过试验方法获取动静摩擦系数，光滑系数和指数衰减因数，具体参考公式如下：

μ(ω)＝[μ_k+(μ_s-μ_k)e^-α|ω|]tanh(σω)

式中μ_k表示动摩擦系数；μ_s表示静摩擦系数；α表示指数衰减因数，取值在0到10之间；σ表示光滑系数，其值控制相对速度在零附近时曲线的锐度。

b.调整指数衰减因数和光滑系数，不断逼近采样得到的摩擦系数，直至满足精度要求；

c.确定指数衰减因数和光滑系数。

效果图如图3所示。

第二种方法:对采样点获得的数据进行曲线拟合，获得摩擦力的变化函数u＝f(t)，可以采用最小二乘法等方法。

3)当振动状态为混沌时，根据该摩擦力变化函数，预测制动力变化值，根据该制动力变化值调整制动油液状态。其中，油泵工作，液压阀打开，控制制动油液状态，改变制动力响应速率，返回步骤1)。

制动力变化值调整制动油液状态的具体细节如下：

原始状态下电磁阀置于中间，支路处于断路状态，双向油泵关闭；当计算所需制动力小于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀右移使得左侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从主油路流回油箱，当压力符合要求(通过压力传感器进行判断)时电磁阀左移，油路中断；当计算所需制动力大于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀左移使得右侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从油箱流向主油路，当压力符合要求时电磁阀右移，油路中断，油泵关闭。

在步骤2)中，每一采样点的摩擦系数的确定方式：

在一个采样点中，加速度传感器获取车辆当前加速度，控制单元获取车辆的驱动力，压力传感器获取制动盘的制动压力，并传至控制单元，由控制单元计算出当前采样点的摩擦系数；摩擦系数与驱动力、车辆加速度、车辆质量、制动压力相关。

摩擦系数＝(驱动力-车辆加速度*车辆质量)/制动压力

在步骤3)中，采用最大李雅普诺夫指数对振动状态进行判断，当最大李雅普诺指数大于0时，认为系统产生混沌。

补充：李雅普诺夫指数是一种衡量系统是否产生混沌的有效方法，其利用了混沌系统对初始值的敏感性的特点，不断计算初值与其临近值之间的距离差，多次迭代后取平均值，能够很好的衡量状态变量的发散特性。

在步骤3)中，根据该摩擦力变化函数(摩擦力确定的第一种方法)，预测制动力变化值，包括：获取目标制动压力F，

其中，F₀为当前时刻的制动压力，a为压力增长系数，b为偏移系数，ω为当前时刻车辆的速度。

在获取目标制动压力F后，根据当前制动压力获取制动力变化值。

其中，压力增长系数的确定方式：

压力增长系数a是一个与压力F同数量级的数，a与F的比值应该在0到1之间，b可取在为π/6左右，最优的的数值应该通过标定获得，或者通过以下方式计算而得：a＝F₀×α/10。

在步骤3)中，根据该摩擦力变化函数(摩擦力确定的第二种方法)，预测制动力变化值，包括：获取目标制动压力F，

其中F₀为当前制动力，df(t)为摩擦力函数斜率，Δt为时间差。

本发明的工作原理说明如下：

参见图4，将盘式制动装置抽象成三自由度动力学模型，图中制动盘沿着θ方向绕中心点S作旋转运动，其转动惯量为J，等效扭转刚度为k₃，等效扭转阻尼为c₃。制动块通过摩擦力与制动盘耦合，质量为m₁，并能够沿着x方向移动。制动钳体质量为m₂，能够沿着y，方向移动，并通过弹簧k₁，阻尼c₁与制动块耦合，通过弹簧k₂，阻尼c₂与车桥耦合。图中F表示制动压力，F_f表示制动块受到的摩擦力，T表示制动盘受到的阻力矩。

为了能够详细的说明本发明，根据动力学相关知识建立三自由度盘式制动的动力学微分方程：

式中F_f和T是与制动压力F相关的物理量，可用如下公式表示：

式中R表示制动块所在位置到制动盘旋转中心S的等效距离，这里制动块被视为质点；μ表示制动块与制动盘之间的接触干摩擦系数。

实例验算：

某国产验车相关数据如下：

J＝0.15(kg m²),k₁＝2×10⁵(N m/rad),k₂＝1×10⁶(N m/rad),k₃＝5.0×10⁵(Nm/rad),c_i(i＝1,2,3)＝0.01(N m rad/s),m₁＝0.5(kg),m₂＝1.5(kg),R＝0.13(m)。

验证起步制动时的较低制动力，在不使用本发明方法时，取F＝300(N)。根据所编写的公式(1)和(2)写出求解MATLAB程序，然后利用雅可比迭代的方法求解制动分岔图和李亚普诺夫最大指数图。图5为制动分岔图，从图中能够看到在角速度0-1之间时，图形出现分岔并逐渐出现一片模糊，认为走向混沌，为了证明这个结论作出最大李雅普诺夫指数图，参见图6，在与分岔图模糊区域对应处最大李雅普诺夫出现跃升，大于零，证明发生混沌。

使用本发明方法，取制动力F＝F₀×(0.5+tanh(a/F₀×ω+b)，利用上述程序求解制动分岔图和李亚普诺夫最大指数图。图7为使用了本发明方法所产生的分岔图，在整幅图中未出现模糊区域，即没有发生混沌，图8的做大李雅普诺夫指数图也未出现大于零的跃升，证明混沌并未产生。

对比发现在使用了本发明的方法后有效抑制了混沌的产生，从而对外表现为制动颤振没有发生，本发明方法有很好的颤振抑制效果。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：加速度传感器获取制动装置的加速度信号，并将信号发送至控制单元，并由控制单元计算制动装置的振动状态；若制动装置的加速度信号不稳定或者产生不规则波动时，判定制动装置为振动状态；

S2：在当前时刻前设置多个采样点，分别计算每个采样点的摩擦系数，根据各采样点的摩擦力系数确定摩擦力变化函数；

确定摩擦力函数的具体步骤为：

S21：设μ_k表示动摩擦系数；μ_s表示静摩擦系数；α表示指数衰减因数，取值在0到10之间；σ表示光滑系数，用于控制相对速度在零附近时曲线的锐度；以stribeck摩擦模型作为参考，通过试验方法获取动静摩擦系数，光滑系数和指数衰减因数：

μ(ω)＝[μ_k+(μ_s-μ_k)e^-α|ω|]tanh(σω)；

S22：调整指数衰减因数和光滑系数，不断逼近采样得到的摩擦系数，直至满足精度要求；

S23：确定指数衰减因数和光滑系数；

S3：当振动状态为混沌时，根据摩擦力变化函数预测制动力变化值，根据制动力变化值调整制动油液状态，改变制动力响应速率，返回步骤S1；

预测制动力变化值的具体步骤为：

S31：采用最大李雅普诺夫指数判断振动状态，当最大李雅普诺指数大于0时，判断系统产生混沌；

S32：根据摩擦力变化函数预测制动力变化值，设F₀为当前时刻的制动压力，a为压力增长系数，b为偏移系数，ω为当前时刻车辆的速度，压力增长系数a与压力F同数量级，a与F的比值在0到1之间，b的数值通过标定获得；或者取a＝F₀×α/10；则目标制动压力F为：

S33：根据当前制动压力获取制动力变化值。

2.根据权利要求1所述的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，其特征在于：所述的步骤S2中，计算每个采样点的摩擦系数的具体步骤为：在一个采样点中，加速度传感器获取车辆当前加速度，控制单元获取车辆的驱动力，压力传感器获取制动装置的制动压力，并传至控制单元，由控制单元计算出当前采样点的摩擦系数；摩擦系数与驱动力、车辆加速度、车辆质量、制动压力相关：

摩擦系数＝(驱动力-车辆加速度*车辆质量)/制动压力。

3.根据权利要求1所述的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，其特征在于：所述的步骤S2中，确定摩擦力函数的具体步骤为：对采样点获得的数据采用最小二乘法进行曲线拟合，获得摩擦力的变化函数u＝f(t)。

4.根据权利要求3所述的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，其特征在于：所述的步骤S3中，预测制动力变化值的具体步骤为：根据该摩擦力变化函数预测制动力变化值，设F₀为当前制动力，df(t)为摩擦力函数斜率，Δt为时间差，则目标制动压力F为：

5.根据权利要求1所述的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法，其特征在于：所述的步骤S3中，根据制动力变化值调整制动油液状态的具体步骤为：

原始状态下电磁阀置于中间，支路处于断路状态，双向油泵关闭；

当计算所需制动力小于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀右移使得左侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从主油路流回油箱，当压力传感器判断压力符合要求时电磁阀左移，油路中断；

当计算所需制动力大于当前制动系统所提供的制动力时，电磁阀左移使得右侧阀门打开，支路油管变为通路状态，同时双向油泵打开，油液能且只能从油箱流向主油路，当压力传感器判断压力符合要求时电磁阀右移，油路中断，油泵关闭。

6.用于权利要求1至5中任意一项所述的一种基于运行工况的制动颤振抑制方法的装置，其特征在于：包括设置在车轮上的制动装置、加速度传感器、压力传感器、力矩传感器、液压油管、双向油泵、液压阀，油箱，主控制单元，副控制单元；

液压阀的一端与主控制单元所在的主油路连接且在压力传感器之前，液压阀的另一端连接双向油泵，液压阀与双向油泵串联后与主控制单元所在的油路并联；双向油泵的另一端连接油箱；

加速度传感器位于制动装置的边缘；压力传感器位于液压油管末端接近制动装置的位置，用于准确获得作用到制动装置的液压力；压力传感器和加速度传感器将获得的数据转换成电信号传递给副控制单元；

副控制单元用于通过计算加速度的最大李雅普诺夫指数判定制动装置的振动状态，同时获取摩擦力变化的情况；当发生颤振时，副控制单元结合摩擦力和制动力将需要变化的信号传递给主控制单元；

主控制单元用于控制液压阀和双向油泵动作。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

对于鼓式制动，制动装置包括制动蹄片、摩擦片、制动鼓和促动装置；

对于盘式制动，制动装置包括制动钳、制动盘、制动主缸、摩擦片。

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