Introducción a los sistemas de frenos de una y dos cajas

Introducción a los sistemas de frenos de una y dos cajas

Recientemente, otro incidente de colisión a alta velocidad de Tesla ha causado revuelo. ¿Es suficientemente segura la frenada de los vehículos eléctricos? Ha reavivado la atención y el debate públicos. Hoy explicaré el sistema de frenado de los vehículos eléctricos desde dos aspectos: la diferencia entre los sistemas de frenado de los vehículos eléctricos y los vehículos tradicionales y la aplicación técnica de los sistemas de frenado de los vehículos eléctricos, con el fin de brindar a los lectores una referencia técnica para analizar los problemas de manera racional. relacionados con el sistema de frenos.

01 Introducción a los sistemas de frenado de los turismos.

Ya sea un vehículo de combustible tradicional o un vehículo de nuevas energías, el sistema de frenado básico consta de los siguientes componentes:

La ruta de transmisión de la fuerza de frenado consta de tres etapas: fuerza mecánica del pedal → presión del líquido de frenos → fuerza mecánica de la pinza:

1)La fuerza del pie del conductor se amplifica primero mediante la relación de la palanca del pedal del freno y luego se amplifica mediante la amplificación secundaria del servomotor. Luego se pasa al cilindro maestro por la entrada de la varilla de empuje.

2)La varilla de empuje de entrada del cilindro maestro empuja el pistón para convertir la fuerza mecánica en presión hidráulica del líquido de frenos. Luego, la presión hidráulica del líquido de frenos se transmite a la pinza de freno a través de la tubería y empuja el pistón de la pinza.

3) El pistón de la pinza de freno empuja las placas de fricción para conformar el disco de freno giratorio y producir fricción, que actúa sobre las ruedas como par de frenado.

No existen diferencias en principios y aplicaciones entre vehículos eléctricos y vehículos de combustible en lo que respecta a pedales de freno y frenos. Las principales diferencias entre distintos tipos de vehículos se concentran en el módulo "booster + bomba de freno + ESP". La razón por la que aquí se combinan "refuerzo + cilindro maestro + ESP" es porque los niveles de integración de estos tres módulos son diferentes en diferentes soluciones técnicas.

02 La estructura del sistema de frenado del vehículo de combustible.

La estructura del sistema de frenos de un vehículo de combustible tradicional se muestra en la siguiente figura.

"Booster + cilindro maestro" es un conjunto y ESP es un módulo separado. El "booster" aquí es en realidad un booster de vacío. El principio es que el interior del propulsor está dividido en dos cavidades mediante un diafragma: la cavidad atmosférica y la cavidad de vacío. Cuando no se frena, tanto la cámara grande como la cámara de vacío están conectadas a la fuente de vacío para formar una presión negativa de vacío. Después de pisar el pedal del freno, la cámara de vacío continúa manteniendo el vacío. La gran cámara atmosférica se conecta con el mundo exterior y comienza a aspirar aire. Luego, la diferencia de presión entre las dos cámaras actúa sobre el diafragma para formar la fuerza asistida por vacío, que finalmente actúa sobre la varilla de empuje de entrada del cilindro maestro. La cantidad de fuerza asistida por vacío es proporcional a la fuerza de entrada del pedal. La fuente de vacío proviene del motor. Hay dos formas de proporcionar vacío desde el motor: una es el vacío formado durante el proceso de admisión de aire del colector de admisión del motor y la otra es la bomba de vacío impulsada por el cigüeñal del motor. La estructura específica del cilindro maestro con refuerzo de vacío El montaje se muestra en la siguiente figura.

Para el sistema de asistencia de vacío mencionado anteriormente, los modos de falla típicos son los siguientes:

1) Pedal de freno: La fractura del pedal de freno es un modo de falla muy raro y de bajo nivel. La normativa también define esta pieza como una pieza que no es propensa a fallar. La principal falla relacionada con el pedal es la falla del interruptor de la luz de freno (BLS). La falla del BLS no tiene impacto en el frenado hidráulico básico, pero afectará las funciones de frenado electrónico como ABS/TCS/VDC, EMS y los juicios lógicos relacionados con el interruptor de la luz de freno. Por supuesto, la iluminación de la luz trasera de freno también se verá afectada;

2)Refuerzo de vacío: el resultado más grave de una falla del refuerzo de vacío es que no hay refuerzo de vacío, como fugas en el refuerzo, fugas en el tubo de vacío, etc. La sensación intuitiva del conductor es que los frenos están duros. Debido a la falta de asistencia de vacío, el conductor necesita ejercer varias veces más fuerza de lo habitual para lograr la desaceleración del vehículo en circunstancias normales.

3)Cilindro maestro: La falla del cilindro maestro se concentra en dos formas: fuga y atascado. El primero hará que el pedaleo sea más largo y suave, pero el vehículo no podrá establecer una desaceleración normal; este último provocará directamente que no se pueda pisar el pedal del freno.

4)Módulo ESP: fallas en el interruptor de la luz de freno, tren motriz, sensor de velocidad de la rueda, fuente de alimentación, red CAN, etc., que afectarán las funciones relacionadas con el ESP (ABS/TCS/VDC/HHC/AVH/HDC, etc.). debido al ABS/TCS/La función VDC solo intervendrá en condiciones extremas del vehículo, por lo que la falla de la función ESP no afectará el frenado básico. Es decir, una frenada ligera/moderada sobre una buena superficie de la carretera tiene poco efecto, pero el ABS falla durante una frenada fuerte y las ruedas son propensas a bloquearse. Las condiciones de la carretera más peligrosas en este caso son las carreteras con hielo, nieve o grava con un bajo coeficiente de adherencia. Las ruedas delanteras y traseras pueden patinar fácilmente y perder el control al frenar o conducir.

5)Frenos: Existen multitud de fallos en los frenos, sobre todo los relacionados con la frenada NVH, pero los fallos que realmente afectan gravemente a la seguridad en la conducción son principalmente las fugas de líquido de frenos en las pinzas y el deterioro de las pastillas de fricción. La fuga de líquido de frenos de la pinza es similar a la fuga del cilindro maestro antes mencionada. La degradación del rendimiento de la pastilla de fricción se debe principalmente a la degradación térmica. Después de la degradación, la eficiencia de frenado disminuye y la desaceleración del vehículo es mucho menor que la expectativa del conductor. El conductor siente que el coche no puede frenar.

6)Otros: fallo de tubería (fuga), fallo del sensor de velocidad de la rueda, fallo del EPB, etc.

03 Estructura del sistema de frenado del vehículo eléctrico.

Dado que el refuerzo de vacío requiere que el motor proporcione vacío, los vehículos de nueva energía no pueden utilizar este sistema que depende del motor para obtener vacío cuando se conducen puramente eléctricos.

3.1 Solución de bomba de vacío electrónica

La lógica de la solución de la bomba de vacío electrónica es la siguiente: dado que no hay un motor que proporcione una fuente de vacío, se proporcionan piezas que se pueden evacuar de forma independiente. El principio es muy simple, es decir, el motor hace que la cuchilla gire y aspire. También existen tipos de émbolo, pero no se utilizan mucho. Por lo tanto, la solución de bomba de vacío electrónica proporciona vacío directamente al motor a nivel de hardware. Las bombas de vacío electrónicas se dividen en bombas independientes (única fuente de vacío y mayores requisitos de hardware) y bombas auxiliares.

La ventaja obvia de esta solución es que la cantidad de modificaciones es pequeña y es muy adecuada para compartir los sistemas de frenado de vehículos de combustible y vehículos de nuevas energías en la misma plataforma. Las desventajas de esta solución también son obvias:

1) Problemas de disposición causados ​​por ruido y vibración de bombas de vacío electrónicas;

2) El mercado principal de bombas de vacío electrónicas está casi monopolizado, los precios son altos y la calidad de los productos de otros fabricantes es inestable;

3) El ESP convencional tiene una baja capacidad activa de generación de presión y no puede proporcionar un fuerte apoyo para la recuperación de energía y la conducción inteligente;

4)La falla o la estrategia irrazonable de la bomba de vacío electrónica provoca la falla o la reducción de la asistencia de vacío. En general, la solución de bomba de vacío electrónica es en realidad una solución de bajo costo. A juzgar por la tendencia del desarrollo tecnológico, se trata de una solución transitoria.

3.2 Solución de refuerzo electrónico (dos cajas)

Con la promoción de vehículos de nueva energía y el desarrollo de tecnología de conducción inteligente, la interacción entre el sistema de frenos y el mundo exterior es cada vez más importante. La gama de crucero de los vehículos de nueva energía plantea mayores requisitos de recuperación de energía. La recuperación por inercia en la recuperación de energía está relacionada con la estabilidad del accesorio bajo del vehículo. La recuperación del frenado requiere un sistema de frenado que domine el frenado hidráulico y el frenado de recuperación del motor. El desarrollo de la conducción inteligente también ha planteado mayores requisitos en cuanto a la capacidad de generar presión y la respuesta del sistema de frenos. Al mismo tiempo, el diseño redundante de la conducción autónoma también requiere que el sistema de frenado tenga una función de respaldo. Por ello, Bosch ha lanzado una solución de refuerzo electrónico que no depende del vacío, que comúnmente se denomina refuerzo electrónico iBooster. La estructura del amplificador electrónico es muy diferente de la del amplificador de vacío, pero en esencia todavía está diseñado para simular un amplificador vacío. La diferencia con un amplificador de vacío es que el impulso lo proporciona un motor incorporado. La siguiente figura puede ilustrar completamente el método de asistencia eléctrica del amplificador electrónico: el motor gira para hacer girar el engranaje. Después de reducir la velocidad y aumentar el par, el movimiento de rotación finalmente se convierte en movimiento lineal a través del engranaje helicoidal y, finalmente, junto con la fuerza transmitida desde el pedal, impulsa la varilla de empuje de entrada del cilindro maestro. Generar presión hidráulica. La parte del cilindro maestro es la misma que la del reforzador de vacío tradicional, y el asiento de la válvula que determina la relación de refuerzo del reforzador es básicamente la misma estructura y principio que el reforzador de vacío tradicional. Dado que el amplificador y el ESP son dos módulos independientes en esta solución, la industria la llama solución de dos cajas.

Con respecto al juicio de la asistencia iBooster: La ECU almacenará internamente uno o más conjuntos de curvas de sensación del pedal calibradas durante el proceso de desarrollo del vehículo (como pedaleo versus desaceleración, recorrido del pedal versus asistencia de frenado, etc.). Cuando el conductor presiona el pedal del freno, el sensor de carrera interno del iBooster infiere la intención de frenado del conductor en función del desplazamiento del pedal del freno, calcula además la cantidad de asistencia objetivo y luego considera exhaustivamente la cantidad de recuperación de energía/el estado de funcionamiento del ABS, etc. el máximo impulso de la ejecución del motor iBooster. Gracias a la poderosa capacidad de asistencia eléctrica de iBooster, al método de control semidesacoplado controlado electrónicamente y al respaldo dual natural de Two-Box (iBooster y ESP), esta solución de sistema de frenado tiene grandes ventajas en recuperación de energía y conducción inteligente. Esta es también la razón por la que iBooster puede promocionarse rápidamente en el mercado. Hasta ahora, una gran cantidad de modelos, como todas las series Tesla, casi todos los vehículos de nueva energía Volkswagen, todas las series Honda Accord (incluidos los vehículos de combustible), todos los vehículos de nueva energía Geely Lynk & Co, Mercedes-Benz Clase S, Weilai, Xpeng ha utilizado la solución iBooster.

Por supuesto, este tipo de sistema también tiene ciertas desventajas:

1)La sensación del pedal del freno será peor que la del sistema de refuerzo de vacío tradicional. Teóricamente, el principio de coordinación de la relación de impulso entre el refuerzo electrónico y el refuerzo de vacío tradicional es el mismo (ambos tienen estructuras de disco de retroalimentación de goma), pero de hecho el tamaño del impulso del refuerzo electrónico es una serie de procesos de cálculo y ejecución. Durante el proceso de ejecución, la recopilación de señales del sensor, el cálculo del controlador y la ejecución del motor producirán ciertos errores y retrasos. Además, la coordinación entre la recuperación de energía y el frenado hidráulico aumentará aún más la dificultad de control, este proceso de "simulación" no es tan "suave" como el equilibrio dinámico de fuerzas puramente físico en los propulsores de vacío tradicionales.

2) Cuanto más complejas son las cosas, mayor es la probabilidad de fracaso. IBooster está fuertemente relacionado con el ESP externo, la conducción inteligente y los sistemas de energía. Las fallas del sistema relacionadas y las fallas de la red CAN pueden afectar la función asistida por energía del iBooster.

3.3 solución integral

una caja se define principalmente para dos cajas. Cuando Bosch desarrolló la solución de dos cajas iBooster+ESP, la empresa continental también estaba desarrollando otra solución más integrada en respuesta a las necesidades del OEM: integrar ESP y booster electrónico, convirtiéndose en un módulo, comúnmente conocido como one-box. .

El One-box integra funciones de asistencia de frenada y ESP. Lo mismo que en el de dos cajas es que la asistencia de frenada la proporciona el motor. La principal diferencia es que la fuerza transmitida por las dos cajas a la varilla de empuje de entrada del cilindro maestro es la suma de la fuerza de entrada del conductor y la asistencia del motor, y la relación proporcional entre las dos es el resultado de un equilibrio mecánico, mientras que la La fuerza de frenado proporcionada por el monocasco proviene toda del motor, sin superponerse a la fuerza de frenado proporcionada por el conductor. La fuerza proporcionada por el conductor a través del pedal del freno eventualmente se convierte en presión hidráulica y se filtra al simulador de sensación del pedal incorporado en el one-box. El simulador de sensación del pedal es en realidad un mecanismo de resorte de pistón que se utiliza para simular la sensación del pedal del freno y proporcionar al conductor retroalimentación de fuerza y ​​carrera.

El proceso de asistencia integral se puede describir simplemente como:

1) El desplazamiento generado por el pedal es obtenido por el sensor y luego ingresado a la ECU;

2)La ECU calcula la demanda de frenado del conductor y luego acciona el motor para establecer la presión hidráulica;

3) La presión hidráulica ingresa a los cilindros de las cuatro ruedas a través de la válvula de entrada del ABS y finalmente genera fuerza de frenado.

Por lo tanto, en circunstancias normales, la fuerza del pedal y la fuerza de frenado proporcionada en última instancia por la caja única están desacopladas mecánicamente.

El beneficio más obvio de esta integración es el pequeño número de piezas y el bajo peso volumétrico. El diseño completamente desacoplado hace posible ajustar teóricamente la relación de desaceleración correspondiente a cualquier fuerza o recorrido del pedal deseado a través del software, es decir, la sensación del pedal está determinada en gran medida por el software. La desventaja es que la retroalimentación de fuerza del pedal está aislada del volante y el conductor no puede detectar el estado del volante a través del pedal. Por ejemplo, cuando el ABS está funcionando, el conductor no puede sentirlo mediante la vibración del pedal. Refiriéndose a la experiencia del problema de la sensación del pedal del modelo de dos cajas, la sensación del pedal del modelo de una sola caja completamente desacoplada es digna de atención. Además, para la conducción inteligente L3 y superiores, el one-box necesita conectar un módulo ESP como respaldo redundante. Aquí es donde la caja única resulta inútil en la conducción inteligente avanzada. En cuanto a la falla, después de que falla el refuerzo electrónico, el sistema de dos cajas también puede generar activamente presión para frenar mediante el ESP, pero el sistema de una sola caja no tiene un sistema de respaldo en la parte del servofreno (a menos que se conecte un ESP de bajo rendimiento). ).

04 Características del sistema One-Box

El sistema de frenado hidráulico controlado por cable One-Box integra funciones de frenado tradicionales como TCS (sistema de control de tracción), ESC, ABS y EPB. Además, se puede integrar software de control de terceros, como monitoreo de la presión de los neumáticos, EBD (distribución electrónica de la fuerza de frenado), AEB (sistema automático de asistencia de frenado), AVH (sistema de estacionamiento automático) y otras funciones para lograr el desarrollo del control integrado. de dominios de chasis controlados por cable. Las funciones principales son:

1)Control de freno básico (BBC)

Identifica automáticamente la demanda de frenado del conductor al detectar la entrada del sensor de carrera del pedal del freno, establece la fuerza de frenado hidráulico correspondiente según el desplazamiento del pedal y controla la presión hidráulica del freno para lograr el frenado por cable.

2) Sistema de frenos antibloqueo (ABS)

Durante el proceso de frenado de emergencia, se controla la presión de frenado de las cuatro ruedas y la presión hidráulica del cilindro de la rueda se controla de acuerdo con la velocidad de la rueda para evitar el bloqueo de las ruedas, mejorar la fuerza de frenado y garantizar la estabilidad de conducción del vehículo.

3)Sistema de control de tracción (TCS)

Durante una conducción fuerte, como al arrancar o acelerar, el par del motor se ajusta para aplicar presión de frenado a las ruedas que patinan para evitar un deslizamiento excesivo de las ruedas motrices.

4)Control electrónico de estabilidad (ESC)

Cuando el vehículo gira, controle el sobreviraje o subviraje del vehículo.

5)Sistema de recuperación de energía de frenado (CRBS)

Durante el proceso de frenado, el estado de la batería del par del motor y el estado del pedal de freno se detectan en tiempo real, y se logra una recuperación coordinada de la energía de frenado ajustando la presión de frenado y el par de recuperación del motor para mejorar el rango de crucero del vehículo.

6)Soporta solicitud de frenado AEB

Recibe comandos del módulo ADAS para implementar funciones como precarga y advertencia de desaceleración del freno; aumenta rápidamente la presión para mejorar el frenado automático de emergencia AEB y acortar la distancia durante el frenado de emergencia AEB. Los 300+ms ahorrados mediante una respuesta rápida pueden reducir significativamente la probabilidad de activación falsa de AEB;

7)Admite solicitud de control vertical ACC

Según los comandos del módulo ACC, controle el tren motriz o el sistema de frenado para lograr aceleración y desaceleración;

8)Admite solicitud de control vertical APA/RPA

Según los comandos del módulo APA/RPA, se controla el tren motriz o el sistema de frenado para lograr aceleración y desaceleración. Al responder a las instrucciones de trayectoria del vehículo, el vehículo se controla con precisión en la dirección longitudinal de frenado y conducción, y el conductor puede estacionar automáticamente en el automóvil.

9)CST(Parada Confort) Aparcamiento cómodo

10) BSW

Al detectar la información del sensor de lluvia, se establece una cierta presión en el cilindro de la rueda y se limpia la película de agua en el disco de freno para mejorar el rendimiento de frenado en días de lluvia;

11)D-EPB

El EPB de doble control resuelve el problema de la redundancia de estacionamiento de los vehículos eléctricos;

12) Freno de reserva redundante EPB-A

El actuador EPB de rueda trasera/rueda delantera actúa como freno de servicio de respaldo.

13)Todo terreno y creep

Diversas superficies todoterreno para mejorar la transitabilidad y la seguridad.

14)HFC

Proporciona presión adicional en el cilindro de la rueda al conductor cuando éste presiona completamente el pedal del freno y el vehículo no alcanza la desaceleración máxima.

05 Comparación de una caja y dos cajas

Para el sistema de una o dos cajas, los proveedores nacionales chinos como Wanxiang, Asia Pacífico, Bethel, Grubo, Nason y Tongyu tienen productos correspondientes. Los principales proveedores extranjeros de sistemas de una o dos cajas incluyen Bosch, Continental, ZF Friedrichhshafen, Nissin, Hitachi (incluido CBI), Mobis, Advics, etc. Los conceptos tecnológicos de productos de estos proveedores son similares y las principales diferencias radican en en la escala de producción en masa y la madurez del producto.