王 猛,孫澤昌,王士奇,吉東波
(1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程中心,上海 201804;2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 技術(shù)中心,吉林 長(zhǎng)春 130011;3.吉林大學(xué) 東區(qū)學(xué)辦,吉林 長(zhǎng)春 130025)
新能源汽車(chē)的出現(xiàn)推動(dòng)了諸多新技術(shù)的發(fā)展.電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù)是其中的典型代表,它在新能源汽車(chē)發(fā)展之初就受到了各方的重視,其不僅可高效地回收制動(dòng)能量以改善汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性,且能為汽車(chē)提供較傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)更為卓越的制動(dòng)性能.
世界各大知名汽車(chē)廠(chǎng)商都擁有各自的電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù),并在很多已經(jīng)量產(chǎn)的新能源車(chē)型中得到應(yīng)用,包括豐田公司的Electronically Controlled Brake system[1]、大 陸 公 司 的 Regenerative Brake System[2]、博 世 公 司 的 Hydraulic Actuation System[3]、天 合 公 司 的 Slip Control Boost System[4]、 日 產(chǎn) 公 司 的 Electrically Driven Intelligent Brake System[5]、 萬(wàn) 都 公 司 的Electronically Controlled Hydraulic Brake System[6]以及本田公司的 Hydraulic Servo Brake System[7].
為了能擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)以便將來(lái)更好地發(fā)展、應(yīng)用電液復(fù)合制動(dòng)技術(shù),基于對(duì)以上各電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究和理解,本文提出了一種基于一體式制動(dòng)主缸總成的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng).
電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí),需要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),以便實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)越的性能.為了達(dá)到此目的,電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循以下原則[8].
(1)符合駕駛員傳統(tǒng)的駕駛習(xí)慣.駕駛員的駕駛習(xí)慣主要包括兩方面:一是踏板感覺(jué),指制動(dòng)踏板位移與踏板力的關(guān)系;二是制動(dòng)感受,指踏板力與制動(dòng)減速度的關(guān)系.
(2)保證整車(chē)的制動(dòng)效能.改善液壓的響應(yīng)特性和控制精度,縮短制動(dòng)距離,保證制動(dòng)時(shí)行駛方向的穩(wěn)定性.
(3)系統(tǒng)可靠性高且具備故障下的備份制動(dòng)能力.即在電氣系統(tǒng)失效時(shí),如電源脫落,駕駛員仍能通過(guò)踩踏制動(dòng)踏板使汽車(chē)盡快停止.
(4)盡可能多地回收制動(dòng)能量.充分發(fā)揮電機(jī)的再生制動(dòng)能力,可以有效提高整車(chē)的能量利用效率,延長(zhǎng)續(xù)駛里程或改善燃油經(jīng)濟(jì)性,尤其是在制動(dòng)頻繁的城市工況下.
基于以上的設(shè)計(jì)原則,并考慮到成本因素,設(shè)計(jì)了一種新能源汽車(chē)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),如圖1所示.該系統(tǒng)的液壓制動(dòng)部分主要由制動(dòng)踏板及踏板位移傳感器、一體式制動(dòng)主缸總成(integrated master cylinder,IMC)、液壓控制單元(hydraulic control unit,HCU)和制動(dòng)輪缸4個(gè)模塊組成.
圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of hydraulic brake system
液壓控制單元的2個(gè)入口分別與一體式制動(dòng)主缸總成的2個(gè)出口連接,4個(gè)出口分別與4個(gè)輪缸相連,構(gòu)成4條獨(dú)立的支路,每條支路各有一個(gè)常開(kāi)電磁閥7和一個(gè)常閉電磁閥8.2個(gè)支路共用一個(gè)低壓蓄能器9和回流液壓泵12.液壓泵的兩側(cè)各有一個(gè)單向閥10,2個(gè)液壓泵由同一個(gè)直流電機(jī)11驅(qū)動(dòng).
上電后,系統(tǒng)處于制動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài),常開(kāi)電磁閥2和7關(guān)閉,常閉電磁閥8繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài).預(yù)壓泵5從儲(chǔ)液室1中抽取制動(dòng)液至高壓蓄能器3,主缸前后腔維持高壓狀態(tài),為以后的制動(dòng)動(dòng)作提供能量.
當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí),電控單元ECU從踏板位移傳感器14的輸出信號(hào)中解釋出駕駛員的制動(dòng)意圖和制動(dòng)需求,根據(jù)制動(dòng)力分配邏輯計(jì)算出該機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)摩擦制動(dòng)力,并通過(guò)控制常開(kāi)閥和常閉閥達(dá)到控制輪缸壓力的目的.此時(shí),踏板感覺(jué)模擬彈簧組為制動(dòng)踏板提供反向作用力,模擬傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的踏板感覺(jué).由于液壓助力第二腔的壓力足夠高,因此液壓助力第二活塞并不會(huì)發(fā)生移動(dòng).在此狀態(tài)下,制動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生了向左的位移,與儲(chǔ)液室隔離,并向HCU供油.當(dāng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)欲發(fā)生作用時(shí),各輪缸目標(biāo)壓力的指令來(lái)自于再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,即使是駕駛員不踩下制動(dòng)踏板,仍能有效、迅速地對(duì)單個(gè)車(chē)輪施加制動(dòng)力.在壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中,所需穩(wěn)定的高油壓可由電動(dòng)泵、高壓蓄能器和液壓傳感器組成的高壓油路系統(tǒng)保證,持續(xù)為左前輪(FL)、右前輪(FR)、左后輪(RL)、右后輪(RR)的制動(dòng)輪缸壓力調(diào)節(jié)提供高壓制動(dòng)液.高壓蓄能器的存在使得制動(dòng)主缸一直穩(wěn)定在高壓狀態(tài),較傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)減少了高壓建立的過(guò)程,因此制動(dòng)輪缸壓力的響應(yīng)速度大大提升,有利于提高整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能.
若電氣系統(tǒng)失效,常開(kāi)電磁閥2和7開(kāi)啟,高壓蓄能器3與儲(chǔ)液室1相通,壓力為零.制動(dòng)踏板14的推力經(jīng)由踏板杠桿效應(yīng)和液壓助力放大后,通過(guò)踏板感覺(jué)模擬彈簧組推動(dòng)主缸活塞,在制動(dòng)輪缸處形成停車(chē)所需的制動(dòng)壓力.
為了便于安裝,主缸的體積不能過(guò)大,尤其是長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng).更重要的是在電氣系統(tǒng)失效且主缸前腔、后腔至制動(dòng)輪缸的回路失效時(shí),能夠?yàn)轳{駛員提供足夠的行程以在制動(dòng)輪缸處建立壓力.根據(jù)主缸前腔、后腔處于最大行程時(shí)各活塞的位移,同時(shí)考慮活塞的厚度,以保障活塞有足夠的導(dǎo)向能力,基于以上原則可基本確定主缸的長(zhǎng)度.
選取某品牌防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的液壓控制單元,并對(duì)其進(jìn)行拆解,從而獲取開(kāi)關(guān)閥、回流泵電機(jī)、回流泵及低壓蓄能器的關(guān)鍵參數(shù).其他的關(guān)鍵參數(shù)主要集中在高壓源、踏板感覺(jué)模擬彈簧組組件上.
高壓源處需要確定的參數(shù)為電機(jī)功率、液壓泵的排量和高壓蓄能器的容積.由于不同車(chē)型選用的液壓制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)也不同,如制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸,因此,此處僅給出計(jì)算公式.
高壓蓄能器選用標(biāo)準(zhǔn)高壓隔膜式蓄能器,在系統(tǒng)中用作輔助動(dòng)力源,并消除壓力脈動(dòng),其公稱(chēng)容積V0的計(jì)算方法如式(1)所示[9].
式中:Vx為蓄能器的工作容積,此系統(tǒng)中選擇滿(mǎn)足一次緊急制動(dòng)所需的制動(dòng)液容積;p1為最低工作壓力;p0為充氣壓力;n為等溫或絕熱指數(shù);p2為最高工作壓力.
電機(jī)為永磁直流電機(jī),在系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)液壓泵,其功率計(jì)算方法如式(2)、式(3)所示:
式中:Pm為電機(jī)的額定功率;p為目標(biāo)工作壓力;q為目標(biāo)工作流量;ηm為電機(jī)的工作效率;ηh為液壓泵的工作效率;t為補(bǔ)充高壓蓄能器工作容積所需時(shí)間.
液壓泵通過(guò)抽取儲(chǔ)液室的制動(dòng)液在高壓蓄能器內(nèi)建立壓力,其排量D的計(jì)算方法如式(4)所示:
式中:nm為永磁直流電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速.
踏板感覺(jué)模擬彈簧組為駕駛員提供良好的踏板感覺(jué).根據(jù)駕駛員的主觀(guān)感受,選取最優(yōu)的踏板位移與踏板力關(guān)系曲線(xiàn)作為目標(biāo)曲線(xiàn)[10].由于曲線(xiàn)明顯分為2段,且斜率差別較大,因此選用的2個(gè)彈簧剛度差異明顯.
主缸內(nèi)部空間狹小,要求彈簧自由長(zhǎng)度短、線(xiàn)徑小、外徑小.為了便于2個(gè)彈簧的選型和自由組合,選取直列式組合彈簧的形式[11],如圖2所示,圖中F為彈簧推力.在圖2a中,剛度關(guān)系如式(5)所示:
式中:K為組合彈簧組的剛度;k1為小剛度彈簧的剛度;k2為大剛度彈簧的剛度.在圖2b中,組合彈簧的剛度與大剛度彈簧的剛度相等.
在AMESim軟件中建立模型進(jìn)行仿真,可以看出設(shè)計(jì)的踏板感覺(jué)模擬彈簧組能夠?yàn)轳{駛員提供良好的踏板感覺(jué),如圖3所示.
圖2 踏板感覺(jué)模擬彈簧組原理Fig.2 Principle of pedal-simulator spring
圖3 踏板感覺(jué)模擬彈簧組仿真結(jié)果Fig.3 Pedal-simulator spring simulation
較傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng),電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)要協(xié)調(diào)再生制動(dòng)與液壓制動(dòng),在回收制動(dòng)能量的同時(shí)保證或改善整車(chē)的制動(dòng)效能.此系統(tǒng)中采集踏板位移傳感器、高壓源壓力傳感器的信號(hào)遵循系統(tǒng)控制邏輯通過(guò)控制9個(gè)開(kāi)關(guān)電磁閥和2個(gè)直流電機(jī)達(dá)到上述目的.
在常規(guī)制動(dòng)工況下,駕駛員踩下制動(dòng)踏板,達(dá)到目標(biāo)制動(dòng)減速度后保持制動(dòng)踏板位置不變.當(dāng)駕駛員達(dá)到減速或停車(chē)目的后,松開(kāi)制動(dòng)踏板,完成整個(gè)制動(dòng)過(guò)程,如圖4所示.不同制動(dòng)工況間的區(qū)別主要體現(xiàn)在上升階段時(shí)間長(zhǎng)短和保持階段期望制動(dòng)力的大小上.制動(dòng)越緊急,制動(dòng)強(qiáng)度越大,則上升階段時(shí)間越短,保持階段期望制動(dòng)力越大.
圖4 常規(guī)制動(dòng)過(guò)程Fig.4 Regular braking process
在非緊急制動(dòng)工況下,在保證制動(dòng)安全的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能多地利用再生制動(dòng)力,以回收更多的制動(dòng)能量,相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力分配策略如圖5所示.
圖5 非緊急制動(dòng)工況下的制動(dòng)力分配策略Fig.5 Braking force distribution strategy under urgent braking condition
AB段:駕駛員踩下制動(dòng)踏板的速度快、時(shí)間短,期望制動(dòng)力變化梯度大.在該段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)的制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)值,需要識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖.從安全和便于控制的角度出發(fā),此段采用純液壓制動(dòng).前后軸制動(dòng)力的比值為β/(1-β),再生制動(dòng)力為零,其中β為傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配系數(shù).
BC段:駕駛員保持制動(dòng)踏板的位置,以滿(mǎn)足其制動(dòng)需求.此段以一定的幅度逐步減小后軸液壓制動(dòng)力和前軸液壓制動(dòng)力,同時(shí)以較大的幅度增加再生制動(dòng)力,直至等制動(dòng)強(qiáng)度線(xiàn)與ECE法規(guī)線(xiàn)(Economic Commission for Europe)的交點(diǎn)C,從而最大程度地回收制動(dòng)能量.
CD段:駕駛員松開(kāi)制動(dòng)踏板的過(guò)程使得期望制動(dòng)力減小,此時(shí)通過(guò)優(yōu)先減小再生制動(dòng)力為零進(jìn)一步減小前軸液壓制動(dòng)力的方法使前后軸制動(dòng)力分配到達(dá)點(diǎn)D′,此時(shí)前后軸均為液壓制動(dòng)力,比值為β/(1-β),再生制動(dòng)力為零.然后,同步減小液壓制動(dòng)力直至零.
具體的仿真結(jié)果如圖6所示.
由前面的分析可以看出,在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中前后軸的液壓制動(dòng)力隨著再生制動(dòng)力的變化而不斷變化,以保持平穩(wěn)的制動(dòng)減速度.因此需要精確控制制動(dòng)輪缸的壓力以達(dá)到此目的.
圖6 制動(dòng)力分配邏輯Fig.6 Braking force distribution logic
出于控制成本的考慮,系統(tǒng)中僅高壓源處有1個(gè)壓力傳感器,4個(gè)制動(dòng)輪缸處并不配備壓力傳感器.掌握高速開(kāi)關(guān)閥的工作特性和主缸穩(wěn)定的高壓均有利于實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制制動(dòng)輪缸壓力.制動(dòng)輪缸壓力的變化規(guī)律如式(6)所示,從該式可以看出開(kāi)關(guān)閥兩端的壓差和控制信號(hào)的占空比是2個(gè)最重要的影響因素.所建立的增、減壓速率與這二者之間的關(guān)系如圖7所示.用輪缸壓力p(k)和目標(biāo)壓力p(k+1)
作為輸入量,用線(xiàn)性插值的方法查詢(xún)?cè)鰤罕砘驕p壓表得到本次壓力調(diào)節(jié)常開(kāi)閥和常閉閥各自所需控制信號(hào)占空比Dc.
圖7 增、減壓三維圖Fig.7 Three-dimensional data graph for pressure increasing and decreasing process
式中:ΔpI為增壓速率;ΔpD為減壓速率;p(k)為k時(shí)刻制動(dòng)輪缸壓力;T為控制信號(hào)周期;C1為增壓時(shí)的閥口系數(shù);C2為減壓時(shí)的閥口系數(shù);p1為主缸壓力;p2為低壓蓄能器壓力.
但是,制動(dòng)間隙的存在使變化規(guī)律呈現(xiàn)出非線(xiàn)性,非線(xiàn)性區(qū)間內(nèi)的壓力變化隨機(jī)性較大,難以進(jìn)行控制,但從確定點(diǎn)到另一確定點(diǎn)(如壓力從5×105Pa到9×105Pa)的調(diào)節(jié)容易實(shí)現(xiàn).即當(dāng)壓力調(diào)節(jié)進(jìn)入到非線(xiàn)性區(qū)間時(shí),目標(biāo)壓力p(k+1)設(shè)定為固定值,為下一時(shí)刻的控制提供穩(wěn)定的初始?jí)毫ΓQ(chēng)之為階梯法.
因此,當(dāng)增壓時(shí)制動(dòng)間隙未消除或減壓時(shí)制動(dòng)間隙再出現(xiàn)時(shí)采用階梯法;當(dāng)制動(dòng)間隙不存在時(shí),依據(jù)圖7所示的增、減壓數(shù)表插值即可.控制效果如圖8所示,可以看出數(shù)表插值法和階梯法并行的分段壓力估算算法能夠準(zhǔn)確地控制輪缸制動(dòng)壓力.
圖8 制動(dòng)輪缸壓力控制仿真Fig.8 Simulation of brake pressure control
在緊急制動(dòng)工況下,車(chē)輪抱死的可能性大大增加,應(yīng)優(yōu)先保證整車(chē)的制動(dòng)安全.如果車(chē)輪在駕駛員踩下制動(dòng)踏板的過(guò)程中觸發(fā)防抱死控制系統(tǒng),由于此時(shí)僅有液壓制動(dòng)力參與制動(dòng),因此只需要按照傳統(tǒng)邏輯門(mén)限值控制策略即可避免車(chē)輪抱死.
如果在駕駛員保持制動(dòng)踏板的過(guò)程中觸發(fā)防抱死制動(dòng)系統(tǒng),則需要協(xié)調(diào)再生制動(dòng)力與液壓制動(dòng)力之間的關(guān)系.由于再生制動(dòng)的參與會(huì)影響到原有的防抱死控制邏輯,因此為保證系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和安全性,減少對(duì)估計(jì)變量的依賴(lài)性,當(dāng)車(chē)輪觸發(fā)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)時(shí),對(duì)傳統(tǒng)邏輯門(mén)限值控制策略進(jìn)行改進(jìn),以較大的梯度迅速減小再生制動(dòng)力至零.
由于傳統(tǒng)邏輯門(mén)限值控制策略[12-13]在第1次減壓和第2次保壓2個(gè)階段時(shí)間較長(zhǎng),因此可利用這段時(shí)間減小再生制動(dòng)力至零.當(dāng)處于減壓階段時(shí),減小再生制動(dòng)力同時(shí)保持液壓制動(dòng)力不變,保證此階段的效果;當(dāng)處于保壓階段時(shí),在減小再生制動(dòng)力的同時(shí)以相同的幅度增大該車(chē)輪的液壓制動(dòng)力,保證此階段的控制效果;再生制動(dòng)力減為零后,所有的制動(dòng)力矩均為液壓制動(dòng)力,防抱死控制邏輯與傳統(tǒng)的邏輯門(mén)限值控制邏輯相同,如圖9所示.此控制邏輯最大的優(yōu)點(diǎn)在于不改變汽車(chē)原有策略的邏輯門(mén)限值而極大地減少匹配工作量.
圖9 再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略Fig.9 Coordination control strategy between regenerative braking and anti-lock braking
制動(dòng)系統(tǒng)從電液復(fù)合制動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到純液壓的防抱死制動(dòng)狀態(tài)如圖10所示.由于仿真過(guò)程中,再生制動(dòng)力在減壓階段(150ms左右)已經(jīng)減小至零,但仍未滿(mǎn)足控制需求,因此液壓制動(dòng)力將被繼續(xù)減小,與圖9中的情況略有不同,但也恰恰說(shuō)明了有可能遇到了另外一種情況.
圖10 電液復(fù)合制動(dòng)至防抱死制動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程Fig.10 Transient process from electro-hydraulic braking to anti-lock braking
從產(chǎn)業(yè)化的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用車(chē)型廣泛的基于一體式制動(dòng)主缸總成的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng).出于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高性能可靠性和工程性的目的,根據(jù)新能源汽車(chē)對(duì)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求和相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù).同時(shí)開(kāi)發(fā)了制動(dòng)力分配邏輯、制動(dòng)輪缸壓力精確控制方法及再生制動(dòng)與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,支撐系統(tǒng)具備完整的功能.通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.
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