鼓式制動(dòng)器、摩托車(chē)剎車(chē)圈、輪轂剎車(chē)圈專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫九環(huán)2020年8月9日訊 不同的汽車(chē)，由于整車(chē)參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置、路面附著系數(shù)等不一樣，都要進(jìn)行電子駐車(chē)系統(tǒng)(EPB)標(biāo)定，由于車(chē)型的增多，開(kāi)發(fā)周期短，為了減小汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)對(duì)車(chē)輛不同工況受力分析，控制電流大小來(lái)滿足不同工況所需要的夾緊力，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減速或駐車(chē)制動(dòng)。
引言
近年來(lái)，在機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中，電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(EPB，Electrical Park Brake)由于其在市場(chǎng)應(yīng)用中的便捷性與舒適性，越來(lái)越多的取代了傳統(tǒng)的機(jī)械集成式駐車(chē)制動(dòng)器(IPB)與盤(pán)中鼓式制動(dòng)器(DIH)。傳統(tǒng)的機(jī)械集成式駐車(chē)制動(dòng)器(IPB)與盤(pán)中鼓式制動(dòng)器(DIH)結(jié)構(gòu)通過(guò)手剎機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)拉索帶動(dòng)駐車(chē)機(jī)構(gòu)，將駐車(chē)手剎力轉(zhuǎn)換為制動(dòng)器壓緊到制動(dòng)盤(pán)上的夾緊力。電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)采用了導(dǎo)線進(jìn)行信號(hào)傳遞，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電信號(hào)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊和釋放功能。一些較為新型的電子駐車(chē)系統(tǒng)還能夠通過(guò)傳感器等自動(dòng)感知和測(cè)算當(dāng)前需要施加，并通過(guò)電控部件、電機(jī)等增加或減少制動(dòng)力，從而極大地提高了駕駛員操縱車(chē)輛的舒適性。圖1所示為電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)圖。其包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和駐車(chē)制動(dòng)器組成。當(dāng)駕駛員按動(dòng)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)按鈕時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制模塊接到來(lái)自按鈕的信號(hào)，控制模塊會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)施加電流讓其轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)釋放的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)將電機(jī)的速度減少、扭矩增大，然后通過(guò)輸出軸螺紋副或滾珠絲杠副將電動(dòng)制動(dòng)單元輸出的扭矩轉(zhuǎn)化為直線推力，從而推動(dòng)制動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)將推力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)塊壓緊至制動(dòng)盤(pán)上的壓力，進(jìn)而完成實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減少或駐車(chē)制動(dòng)。Fig.1 Principle diagram of EPB本文基于電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(EPB)研究汽車(chē)實(shí)現(xiàn)不同坡度駐車(chē)制動(dòng)所需要電流大小。通過(guò)對(duì)車(chē)輛駐車(chē)制動(dòng)力、MGU和EPB制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及原理分析計(jì)算需要電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)提供多大的電流。
1 整車(chē)參數(shù)
表1 目標(biāo)車(chē)型的整車(chē)參數(shù)Table 1 Target vehicle parameters
2 極限駐車(chē)能力計(jì)算
車(chē)輛靜止在坡道上，根據(jù)車(chē)輛的參數(shù)和駐車(chē)制動(dòng)器的參數(shù)，以及路面和輪胎的摩擦系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行極限駐車(chē)能力計(jì)算。圖2中：FZ1前輪的正壓力；FZ2為后輪的正壓力；FU2為后輪地面制動(dòng)力；θ為車(chē)輛所處位置的坡度角；hg為重心高度；G為車(chē)輛的重力；L為軸距；φ為地面附著系數(shù)；a為重心距前軸的距離。汽車(chē)在坡道上駐車(chē)情況如圖2所示。對(duì)前輪與地面接觸點(diǎn)取力矩，Fig.2 Force Analysis of Vehicle Standing Slope得：
又因?yàn)槠?chē)后軸車(chē)輪附著力Fr與制動(dòng)力相等由(2)、(3)上式可得汽車(chē)在上坡路上停駐時(shí)的坡度傾角θd為：因此，空載、滿載時(shí)汽車(chē)可能停駐的極限上、下坡傾角見(jiàn)表2。表2 空載、滿載時(shí)車(chē)輛上、下坡極限駐坡傾角
Table 2 Maximum parking ramp of uphill and downhill of vehicles when GCW or GVW
3 活塞夾緊力計(jì)算
根據(jù)汽車(chē)停駐在20%的坡度上計(jì)算:保證EPB駐車(chē)力不得低于常態(tài)目標(biāo)力和極限目標(biāo)力。常態(tài)目標(biāo)力：12～16 V的工作電壓，-20 ℃～40 ℃的工作溫度的條件下，EPB需要保證的駐車(chē)力；應(yīng)用時(shí)需要保證常態(tài)目標(biāo)力≥車(chē)輛滿載30%駐坡所需活塞夾緊力×a(一般a取1.1)。極限目標(biāo)力：9～16 V的工作電壓，-20 ℃～70 ℃的工作溫度的條件下，EPB需要保證的駐車(chē)力；應(yīng)用時(shí)需要保證常態(tài)目標(biāo)力≥車(chē)輛滿載20%駐坡所需活塞夾緊力×a(一般a取1.1)。因此，空載、滿載時(shí)汽車(chē)在20%和30%駐坡所需要的夾緊力見(jiàn)表3。表3 空載、滿載時(shí)在20%和30%駐坡夾緊力Table 3 Clamping force at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位：N對(duì)車(chē)輛駐坡力評(píng)估一般要求，20%駐坡，最小摩擦系數(shù)0.25，根據(jù)上表活塞夾緊力≥11.91 kN；30%駐坡，名義摩擦系數(shù)0.36，根據(jù)上表活塞夾緊力≥12.1 kN。
4 卡鉗輸入扭矩計(jì)算
目前市場(chǎng)EPB制動(dòng)鉗主要采用兩種傳動(dòng)方式，一種是螺紋傳動(dòng)，另一種是滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)；這兩種均屬于螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，由螺桿與螺母組成，是通過(guò)螺桿和螺母的旋合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。它主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力。螺紋傳動(dòng)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；易自鎖；螺紋有側(cè)向間隙，反向時(shí)有空行程，定位精度和軸向剛度較差；摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低；磨損快；滾珠絲桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是：摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造工藝要求高，成本較高；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)振動(dòng)；壽命長(zhǎng)；不自鎖，要求自鎖時(shí)需附加自鎖裝置。考慮到成本和自鎖，除了大陸采用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)外，其他制動(dòng)器廠均采用螺紋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。本文主要對(duì)螺桿傳動(dòng)研究，螺紋參數(shù)如下：Table 4 Thread parameters of threaded transmissionFig.3 Force analysis diagram of thread令f′=f/cos β稱(chēng)當(dāng)量摩擦系數(shù)。與當(dāng)量摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的摩擦角稱(chēng)為當(dāng)量摩擦角，用ρv表示。d0——推力軸承滾針中經(jīng) [mm](滾針的中心位置，取22.6 mm)μ——為推力軸承摩擦系數(shù)(帶保持架滾針軸承：0.0020～0.0030，取0.0025)由(8)、(9)上式可得EPB制動(dòng)鉗輸入力矩T為：因此，空載、滿載時(shí)汽車(chē)在20%和30%駐坡所需要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入力矩見(jiàn)表5。表5 空載、滿載時(shí)在20%和30%駐坡卡鉗輸入力矩Table 5 Caliper input torque at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位：Nm
5 電機(jī)輸出扭矩計(jì)算
目前市場(chǎng)EPB執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要采用兩種減速機(jī)構(gòu)，一種是行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，另一種是渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)；考慮到成本和自鎖，除了大陸采用渦輪蝸桿減速結(jié)構(gòu)外，其他制動(dòng)器廠均采用行星齒輪減速結(jié)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，一級(jí)傳動(dòng)有采用同步帶輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)一旦結(jié)構(gòu)確定，其減速比就確定了。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表6。表6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)Table 6 Actuator parameters該執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一級(jí)采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，二、三級(jí)采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，總減速比是125∶1，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率為77.8%。因此，空載、滿載時(shí)汽車(chē)在20%和30%駐坡所需要電機(jī)輸出力矩見(jiàn)表7。表7 空載、滿載時(shí)在20%和30%駐坡電機(jī)輸出力矩Table 7 Output torque of motor at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位：mNm通常采用的電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)。直流有刷電機(jī)有機(jī)械換向器，壽命有限，體積質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速較低，但價(jià)格低廉；無(wú)刷直流電機(jī)用電子元器件取代了碳刷，使得電機(jī)運(yùn)行噪聲小，壽命長(zhǎng)，但增加了位置傳感器，成本增加；永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，調(diào)速范圍高，電機(jī)結(jié)構(gòu)也更加緊湊，但控制更加復(fù)雜。綜合比較，選擇價(jià)格較低的直流有刷電機(jī)作為動(dòng)力電機(jī)。目前市場(chǎng)上EPB所使用的主流產(chǎn)品為德昌、馬步奇、捷和電機(jī)。根據(jù)EPB系統(tǒng)對(duì)夾緊時(shí)間、釋放時(shí)間、以及夾緊力的等要求，電機(jī)必須滿足如下要求，見(jiàn)表8。Table 8 Selection requirements for motor現(xiàn)選擇一款滿足要求的電機(jī)，型號(hào)為：RS-555VX-5524，電機(jī)在額定電壓為12.0 V，室溫( 25 ℃)情況下，其參數(shù)見(jiàn)表9。Table 9 Motor characteristic parameters空載轉(zhuǎn)速(N0)—指電機(jī)不受任何機(jī)械阻力或負(fù)載時(shí)的電壓，在軸枝上測(cè)得的速度；空載載電流(I0)—指在電機(jī)無(wú)任何負(fù)載的情況下測(cè)得的電流量；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(Ts)—指因加載引致電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩；堵轉(zhuǎn)電流(Is)—指在電機(jī)因過(guò)載而停止旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的電流量。該電機(jī)允許工作溫度范圍在-40 ℃～85 ℃，在不同提交條件下的電機(jī)的性能計(jì)算：根據(jù)摩擦材料最小摩擦系數(shù)μmin0.25，駐坡坡度為20%的所需要的夾緊力進(jìn)行舉例計(jì)算，在使用電壓：9.0 V～16.0 V；溫度：-40 ℃～+85 ℃條件所需要的電流大?。辉?0%坡道上扭力為124.24 mNm下的電流見(jiàn)表10。表10 在20%坡道上駐坡不同溫度、電壓下所需電流Table 10 Required currents at different temperatures and voltages on the 20% ramp 單位：A
6 EPB制動(dòng)鉗溫度相關(guān)功能試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)在EPB綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。參照EPB溫度相關(guān)功能試驗(yàn)方法，EPB卡鉗達(dá)到11.91 kN目標(biāo)夾緊力，進(jìn)行夾緊釋放動(dòng)作，首先在常溫下動(dòng)作500次循環(huán)；將EPB卡鉗放到溫度箱，達(dá)到各溫度后，保溫2小時(shí)，然后進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)時(shí)采集電流和夾緊力；記錄目標(biāo)夾緊力下的電流，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。FIG.4 EPB comprehensive performance tableTable 11 Required currents at different temperatures and voltages 單位：A
7 結(jié)論
(1) 由于電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)在低溫下空轉(zhuǎn)電流增大導(dǎo)致電流偏大外，其他溫度理論和實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)是吻合的。(2) 對(duì)集成式EPB傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器、電機(jī)特性進(jìn)行計(jì)算，為車(chē)輛駐坡與電流關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。(3) 在EPB標(biāo)定時(shí)，可以根據(jù)理論計(jì)算的最大電流設(shè)定截止電流。
作者：閔慶付1 阮文龍2
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