Introdução aos sistemas de freio de uma e duas caixas

Introdução aos sistemas de freio de uma e duas caixas

Recentemente, outro incidente de colisão em alta velocidade da Tesla causou polêmica. A travagem dos veículos eléctricos é suficientemente segura? Isso reacendeu a atenção e a discussão do público. Hoje vou explicar o sistema de travagem dos veículos eléctricos sob dois aspectos: a diferença entre os sistemas de travagem dos veículos eléctricos e dos veículos tradicionais e a aplicação técnica dos sistemas de travagem dos veículos eléctricos, de forma a fornecer aos leitores referências técnicas para uma análise racional das questões. relacionado ao sistema de freio.

01 Introdução aos sistemas de travagem de automóveis de passageiros

Quer se trate de um veículo a combustível tradicional ou de um veículo com novas energias, o sistema básico de travagem consiste nos seguintes componentes:

O caminho de transmissão da força de frenagem é composto por três estágios: força mecânica do pedal → pressão do fluido de freio → força mecânica da pinça:

1)A força do pé do motorista é primeiro amplificada pela relação da alavanca do pedal do freio e depois amplificada pela amplificação secundária do booster. Em seguida, é passado para o cilindro mestre a entrada da haste.

2)A haste de entrada do cilindro mestre empurra o pistão para converter a força mecânica em pressão hidráulica do fluido de freio. A pressão hidráulica do fluido de freio é então transmitida à pinça de freio através da tubulação e empurra o pistão da pinça.

3) O pistão da pinça de freio empurra as placas de fricção para conformar o disco giratório do freio para produzir atrito, que atua nas rodas como o torque de frenagem.

Não há diferenças de princípios e aplicações entre veículos elétricos e veículos a combustível quando se trata de pedais de freio e freios. As principais diferenças entre os diferentes tipos de veículos estão concentradas no módulo “booster + cilindro mestre + ESP”. A razão pela qual "booster + cilindro mestre + ESP" são reunidos aqui é porque os níveis de integração desses três módulos são diferentes em diferentes soluções técnicas.

02 A estrutura do sistema de freio do veículo a combustível

A estrutura do sistema de freio de um veículo a combustível tradicional é mostrada na figura abaixo.

"Booster + cilindro mestre" é um conjunto e ESP é um módulo separado. O "booster" aqui é na verdade um amplificador de vácuo. O princípio é que o interior do booster seja dividido em duas cavidades por um diafragma: a cavidade atmosférica e a cavidade de vácuo. Quando não está freando, tanto a câmara grande quanto a câmara de vácuo são conectadas à fonte de vácuo para formar uma pressão negativa de vácuo. Depois que o pedal do freio é acionado, a câmara de vácuo continua a manter o vácuo. A grande câmara atmosférica está conectada ao mundo exterior e começa a aspirar ar. Em seguida, a diferença de pressão entre as duas câmaras atua no diafragma para formar a força assistida por vácuo, que finalmente atua na haste de entrada do cilindro mestre. A quantidade de força assistida por vácuo está em uma proporção fixa com a força de entrada do pedal. A fonte de vácuo vem do motor. Existem duas formas de fornecer vácuo do motor: uma é o vácuo formado durante o processo de admissão de ar do coletor de admissão do motor e a outra é a bomba de vácuo acionada pelo virabrequim do motor. a montagem é mostrada na figura abaixo.

Para o sistema de assistência a vácuo mencionado acima, os modos de falha típicos são os seguintes:

1) Pedal do freio: A fratura do pedal do freio é um modo de falha muito raro e de baixo nível. Os regulamentos também definem esta parte como uma parte que não está sujeita a falhas. A principal falha relacionada ao pedal é a falha do interruptor da luz de freio (BLS). A falha do BLS não tem impacto na frenagem hidráulica básica, mas afetará as funções de frenagem eletrônica, como ABS/TCS/VDC, EMS e julgamentos lógicos relacionados ao interruptor da luz de freio. Claro, a iluminação da luz traseira do freio também será afetada;

2)Booster de vácuo: O resultado mais sério da falha do booster de vácuo é a falta de booster de vácuo, como vazamento do booster, vazamento do tubo de vácuo, etc. Devido à falta de assistência a vácuo, o motorista precisa exercer várias vezes mais força do que o normal para conseguir a desaceleração do veículo em circunstâncias normais.

3)Cilindro mestre: A falha do cilindro mestre concentra-se em duas formas: vazamento e emperramento. O primeiro fará com que a pedalada se torne mais longa e suave, mas o veículo não consegue estabelecer a desaceleração normal; o último fará com que o pedal do freio não seja pressionado diretamente.

4)Módulo ESP: Falhas no interruptor da luz de freio, trem de força, sensor de velocidade da roda, fonte de alimentação, rede CAN e assim por diante, o que afetará as funções relacionadas ao ESP (ABS/TCS/VDC/HHC/AVH/HDC, etc.). devido ao ABS/TCS/ A função VDC só intervirá em condições extremas do veículo, portanto a falha da função ESP não afetará a frenagem básica. Ou seja, a travagem ligeira/moderada numa boa superfície de estrada tem pouco efeito, mas o ABS falha durante travagens bruscas e as rodas têm tendência a bloquear. As condições de estrada mais perigosas neste caso são estradas com gelo, neve ou cascalho com baixo coeficiente de aderência. As rodas dianteiras e traseiras podem escorregar facilmente e perder o controle ao frear ou dirigir.

5)Freios: Existem muitas falhas de freio, especialmente aquelas relacionadas à frenagem NVH, mas as falhas que realmente afetam seriamente a segurança ao dirigir são principalmente o vazamento de fluido de freio nas pinças e a deterioração das pastilhas de fricção. O vazamento de fluido de freio da pinça é semelhante ao vazamento do cilindro mestre mencionado acima. A degradação do desempenho da almofada de fricção é causada principalmente pela degradação térmica. Após a degradação, a eficiência da frenagem diminui e a desaceleração do veículo fica bem abaixo da expectativa do motorista. O motorista sente que o carro não pode ser freado.

6)Outros: falha na tubulação (vazamento), falha no sensor de velocidade da roda, falha no EPB, etc.

03 Estrutura do sistema de frenagem de veículos elétricos

Uma vez que o amplificador de vácuo exige que o motor forneça vácuo, os veículos de novas energias não podem usar este sistema que depende do motor para obter vácuo ao dirigir puramente elétrico.

3.1 Solução de bomba de vácuo eletrônica

A lógica da solução da bomba de vácuo eletrônica é: como não há motor para fornecer uma fonte de vácuo, são fornecidas peças que podem ser evacuadas de forma independente. O princípio é muito simples, ou seja, o motor aciona a lâmina para girar e aspirar. Existem também tipos de êmbolos, mas não são amplamente utilizados. Portanto, a solução de bomba de vácuo eletrônica fornece vácuo diretamente para o motor no nível do hardware. As bombas de vácuo eletrônicas são divididas em bombas independentes (única fonte de vácuo e maiores requisitos de hardware) e bombas auxiliares.

A vantagem óbvia desta solução é que a quantidade de modificação é pequena e é muito adequada para compartilhar os sistemas de frenagem de veículos a combustível e veículos de novas energias na mesma plataforma. As desvantagens desta solução também são óbvias:

1) Problemas de disposição causados ​​por ruído e vibração de bombas de vácuo eletrônicas;

2) O principal mercado de bombas de vácuo eletrônicas é quase monopolizado, os preços são altos e a qualidade dos produtos de outros fabricantes é instável;

3) O ESP convencional tem uma capacidade de construção de baixa pressão activa e não pode fornecer um forte apoio à recuperação de energia e à condução inteligente;

4)A falha ou estratégia irracional da bomba de vácuo eletrônica leva à falha ou redução da assistência de vácuo. No geral, a solução de bomba de vácuo eletrônica é, na verdade, uma solução de baixo custo. A julgar pela tendência do desenvolvimento tecnológico, trata-se de uma solução transitória.

3.2 Solução de reforço eletrônico (duas caixas)

Com a promoção de novos veículos energéticos e o desenvolvimento de tecnologia de condução inteligente, a interação entre o sistema de travagem e o mundo exterior torna-se cada vez mais importante. A gama de cruzeiros dos novos veículos energéticos apresenta requisitos mais elevados para a recuperação de energia. A recuperação de desaceleração na recuperação de energia está relacionada à estabilidade da baixa fixação do veículo. A recuperação da frenagem requer um sistema de frenagem que domine a frenagem hidráulica e a frenagem de recuperação do motor. O desenvolvimento da condução inteligente também impôs requisitos mais elevados para a capacidade de aumento de pressão e resposta do sistema de travagem. Ao mesmo tempo, o design redundante da condução autônoma também exige que o sistema de frenagem tenha uma função de backup. Por isso, a Bosch lançou uma solução de booster eletrônico que não depende de vácuo, que é comumente chamada de booster eletrônico iBooster. A estrutura do booster eletrônico é muito diferente daquela do booster a vácuo, mas em essência ainda é projetada para simular um booster vazio. A diferença de um amplificador de vácuo é que o impulso é fornecido por um motor embutido. A figura a seguir pode ilustrar completamente o método de assistência de energia do booster eletrônico: o motor gira para fazer a engrenagem girar. Após reduzir a velocidade e aumentar o torque, o movimento rotacional é finalmente convertido em movimento linear através da engrenagem helicoidal e, finalmente, junto com a força transmitida pelo pedal, aciona a haste de entrada do cilindro mestre. Aumente a pressão hidráulica. A parte do cilindro mestre é igual ao booster de vácuo tradicional, e a sede da válvula que determina a taxa de boost do booster tem basicamente a mesma estrutura e princípio do booster de vácuo tradicional. Como o booster e o ESP são dois módulos independentes nesta solução, a indústria a chama de solução de duas caixas.

Em relação ao julgamento do iBooster Assist: A ECU armazenará internamente um ou mais conjuntos de curvas de sensibilidade do pedal calibradas durante o processo de desenvolvimento do veículo (como pedalada vs. desaceleração, pedalada vs. assistência à frenagem, etc.). Quando o motorista pressiona o pedal do freio, o sensor de curso interno do iBooster infere a intenção de frenagem do motorista com base no deslocamento do pedal do freio, calcula ainda a quantidade alvo de assistência e, em seguida, considera de forma abrangente a quantidade de recuperação de energia/status de funcionamento do ABS, etc. o impulso final da execução do motor iBooster. Graças à poderosa capacidade de assistência de energia do iBooster, ao método de controle semi-desacoplado controlado eletronicamente e ao backup duplo natural do Two-Box (iBooster e ESP), esta solução de sistema de frenagem tem grandes vantagens na recuperação de energia e na direção inteligente. Esta é também a razão pela qual o iBooster pode ser promovido rapidamente no mercado. Até agora, um grande número de modelos, como todas as séries Tesla, quase todos os novos veículos energéticos da Volkswagen, todas as séries Honda Accord (incluindo veículos a combustível), todos os novos veículos energéticos Geely Lynk & Co, Mercedes-Benz S-Class, Weilai, A Xpeng usou a solução iBooster.

É claro que este tipo de sistema também apresenta algumas deficiências:

1)A sensação do pedal do freio será pior do que a do sistema tradicional de reforço de vácuo. Teoricamente, o princípio de coordenação da relação de boost entre o booster eletrônico e o booster de vácuo tradicional é o mesmo (ambos possuem estruturas de disco de feedback de borracha), mas na verdade o boost do booster eletrônico O tamanho é uma série de processos de cálculo e execução. Durante o processo de execução, a coleta de sinais do sensor, o cálculo do controlador e a execução do motor produzirão certos erros e atrasos. Além disso, a coordenação entre a recuperação de energia e a travagem hidráulica também aumentará ainda mais a dificuldade de controlo, este processo de "simulação" não é tão "suave" como o equilíbrio de forças dinâmico puramente físico nos amplificadores de vácuo tradicionais.

2) Quanto mais complexas forem as coisas, maior será a probabilidade de fracasso. O IBooster está fortemente relacionado ao ESP externo, direção inteligente e sistemas de energia. Falhas de sistema relacionadas e falhas de rede CAN podem afetar a função assistida por energia do iBooster.

3.3 solução de caixa única

uma caixa é definida principalmente para duas caixas. Quando a Bosch desenvolveu a solução two-box do iBooster+ESP, a empresa do continente estava também a desenvolver outra solução mais integrada em resposta às necessidades do OEM: integrar ESP e booster eletrónico, tornando-se num módulo, vulgarmente conhecido como one-box .

O One-box integra assistência à frenagem e funções ESP. O mesmo que o de duas caixas é que a assistência à frenagem é fornecida pelo motor. A principal diferença é que a força transmitida pelas duas caixas à haste de entrada do cilindro mestre é a soma da força de entrada do motorista e da assistência do motor, e a relação proporcional entre os dois é o resultado de um equilíbrio mecânico, enquanto o A força de frenagem fornecida pelo one-box vem toda do motor, sem se sobrepor à força de frenagem fornecida pelo motorista. A força fornecida pelo motorista através do pedal do freio é eventualmente convertida em pressão hidráulica e vazada para o simulador de sensação do pedal integrado no one-box. O simulador de sensação do pedal é na verdade um mecanismo de mola de pistão usado para simular a sensação do pedal do freio e fornecer ao motorista feedback de força e curso.

O processo de assistência one-box pode ser simplesmente descrito como:

1) O deslocamento gerado pelo pedal é obtido pelo sensor e depois enviado para a ECU;

2)A ECU calcula a necessidade de frenagem do motorista e aciona o motor para estabelecer a pressão hidráulica;

3) A pressão hidráulica entra nos cilindros das quatro rodas através da válvula de admissão do ABS e, por fim, gera força de frenagem.

Portanto, em circunstâncias normais, a força no pedal e a força de frenagem fornecidas pela caixa única são dissociadas mecanicamente.

O benefício mais óbvio desta integração é o pequeno número de peças e o baixo peso volumétrico. O design completamente desacoplado permite ajustar teoricamente a relação de desaceleração correspondente a qualquer força ou curso desejado do pedal através de software, ou seja, a sensação do pedal é amplamente determinada pelo software. A desvantagem é que o feedback de força no pedal é isolado do volante e o motorista não consegue sentir o status do volante através do pedal. Por exemplo, quando o ABS está funcionando, o motorista não consegue sentir a vibração do pedal. Referindo-se à experiência do problema de sensação do pedal das duas caixas, a sensação do pedal da caixa única completamente desacoplada é digna de atenção. Além disso, para condução inteligente L3 e superior, o one-box precisa conectar um módulo ESP como backup redundante. É aqui que a caixa única é inútil na direção inteligente avançada. Quanto à falha, após a falha do impulsionador eletrônico, a caixa dupla também pode aumentar ativamente a pressão para frenagem pelo ESP, mas a caixa única não possui um sistema de backup na parte do servofreio (a menos que um ESP de baixo desempenho esteja conectado ).

04 Recursos do sistema One-Box

O sistema de freio hidráulico controlado por fio One-Box integra funções de freio tradicionais, como TCS (sistema de controle de tração), ESC, ABS e EPB. Além disso, software de controle de terceiros pode ser integrado, como monitoramento da pressão dos pneus, EBD (Distribuição Eletrônica da Força de Frenagem), AEB (Sistema Automático de Assistência à Frenagem), AVH (Sistema de Estacionamento Automático) e outras funções para alcançar o desenvolvimento de controle integrado de domínios de chassi controlados por fio. As principais funções são:

1)Controle de freio básico (BBC)

Ele identifica automaticamente a demanda de frenagem do motorista detectando a entrada do sensor de curso do pedal do freio, estabelece a força de frenagem hidráulica correspondente de acordo com o deslocamento do pedal e controla a pressão hidráulica do freio para obter freio por fio.

2) Sistema de Frenagem Antibloqueio (ABS)

Durante o processo de frenagem de emergência, a pressão de frenagem nas quatro rodas é controlada e a pressão hidráulica do cilindro da roda é controlada de acordo com a velocidade da roda para evitar o travamento das rodas, melhorar a força de frenagem e garantir a estabilidade de condução do veículo.

3)Sistema de controle de tração (TCS)

Durante uma condução intensa, como no arranque ou na aceleração, o binário do motor é ajustado para aplicar pressão de travagem às rodas deslizantes para evitar o deslizamento excessivo das rodas motrizes.

4)Controle Eletrônico de Estabilidade (ESC)

Quando o veículo virar, controle a sobreviragem ou subviragem do veículo.

5)Sistema de recuperação de energia de freio (CRBS)

Durante o processo de frenagem, o status da bateria de torque do motor e o status do pedal do freio são detectados em tempo real, e a recuperação coordenada da energia de frenagem é obtida ajustando a pressão de frenagem e o torque de recuperação do motor para melhorar o alcance de cruzeiro do veículo.

6)Suporte à solicitação de frenagem AEB

Recebe comandos do módulo ADAS para implementar funções como Prefill e Warning Brake Deceleration; aumenta rapidamente a pressão para melhorar a travagem de emergência automática AEB e encurtar a distância durante a travagem de emergência AEB. Os 300+ms salvos por meio de resposta rápida podem reduzir significativamente a probabilidade de falso disparo de AEB;

7)Suporte à solicitação de controle vertical ACC

De acordo com os comandos do módulo ACC, controle o trem de força ou sistema de frenagem para obter aceleração e desaceleração;

8)Suporta solicitação de controle vertical APA/RPA

De acordo com os comandos do módulo APA/RPA, o trem de força ou sistema de frenagem é controlado para obter aceleração e desaceleração. Ao responder às instruções de trajetória do veículo, o veículo é controlado com precisão na direção longitudinal de frenagem e direção, e o motorista pode estacionar automaticamente no carro.

9)CST(Comfort-Stop) Estacionamento confortável

10)BSW

Ao detectar as informações do sensor de chuva, uma certa pressão é estabelecida no cilindro da roda e a película de água no disco do freio é limpa para melhorar o desempenho da frenagem em dias de chuva;

11)D-EPB

O EPB de controle duplo resolve o problema de redundância de estacionamento de veículos elétricos;

12) Freio reserva redundante EPB-A

O atuador EPB da roda traseira/roda dianteira atua como um freio de serviço de reserva.

13)Todo-o-terreno e rastejante

Várias superfícies off-road para melhorar a transitabilidade e a segurança

14)HFC

Fornece pressão adicional no cilindro da roda ao motorista quando o motorista pressiona totalmente o pedal do freio e o veículo não atinge a desaceleração máxima.

05 Comparação de uma caixa e duas caixas

Para o sistema de uma ou duas caixas, os fornecedores nacionais chineses, como Wanxiang, Ásia-Pacífico, Bethel, Grubo, Nason e Tongyu, têm produtos correspondentes. Os principais fornecedores estrangeiros de sistemas de uma ou duas caixas incluem Bosch, Continental, ZF Friedrichhshafen, Nissin, Hitachi (incluindo CBI), Mobis, Advics, etc. na escala de produção em massa e na maturidade do produto.