鼓式制動器、摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2020年8月9日訊 不同的汽車，由于整車參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置、路面附著系數(shù)等不一樣，都要進(jìn)行電子駐車系統(tǒng)(EPB)標(biāo)定，由于車型的增多，開發(fā)周期短，為了減小汽車開發(fā)周期，通過對車輛不同工況受力分析，控制電流大小來滿足不同工況所需要的夾緊力，實現(xiàn)車輛減速或駐車制動。
引言
近年來，在機(jī)動車制動系統(tǒng)領(lǐng)域中，電子駐車制動系統(tǒng)(EPB，Electrical Park Brake)由于其在市場應(yīng)用中的便捷性與舒適性，越來越多的取代了傳統(tǒng)的機(jī)械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)。傳統(tǒng)的機(jī)械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)結(jié)構(gòu)通過手剎機(jī)構(gòu)驅(qū)動拉索帶動駐車機(jī)構(gòu)，將駐車手剎力轉(zhuǎn)換為制動器壓緊到制動盤上的夾緊力。電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)采用了導(dǎo)線進(jìn)行信號傳遞，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電信號指令來實現(xiàn)自動夾緊和釋放功能。一些較為新型的電子駐車系統(tǒng)還能夠通過傳感器等自動感知和測算當(dāng)前需要施加，并通過電控部件、電機(jī)等增加或減少制動力，從而極大地提高了駕駛員操縱車輛的舒適性。圖1所示為電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)圖。其包括電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和駐車制動器組成。當(dāng)駕駛員按動電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)按鈕時，電子駐車制動系統(tǒng)控制模塊接到來自按鈕的信號，控制模塊會向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)施加電流讓其轉(zhuǎn)動。電動機(jī)釋放的轉(zhuǎn)矩通過減速增扭機(jī)構(gòu)將電機(jī)的速度減少、扭矩增大，然后通過輸出軸螺紋副或滾珠絲杠副將電動制動單元輸出的扭矩轉(zhuǎn)化為直線推力，從而推動制動活塞運動將推力轉(zhuǎn)化為制動塊壓緊至制動盤上的壓力，進(jìn)而完成實現(xiàn)車輛減少或駐車制動。Fig.1 Principle diagram of EPB本文基于電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)研究汽車實現(xiàn)不同坡度駐車制動所需要電流大小。通過對車輛駐車制動力、MGU和EPB制動器結(jié)構(gòu)及原理分析計算需要電子駐車制動系統(tǒng)提供多大的電流。
1 整車參數(shù)
Table 1 Target vehicle parameters
2 極限駐車能力計算
車輛靜止在坡道上，根據(jù)車輛的參數(shù)和駐車制動器的參數(shù)，以及路面和輪胎的摩擦系數(shù)，對其進(jìn)行極限駐車能力計算。圖2中：FZ1前輪的正壓力；FZ2為后輪的正壓力；FU2為后輪地面制動力；θ為車輛所處位置的坡度角；hg為重心高度；G為車輛的重力；L為軸距；φ為地面附著系數(shù)；a為重心距前軸的距離。汽車在坡道上駐車情況如圖2所示。對前輪與地面接觸點取力矩，Fig.2 Force Analysis of Vehicle Standing Slope得：
由(2)、(3)上式可得汽車在上坡路上停駐時的坡度傾角θd為：因此，空載、滿載時汽車可能停駐的極限上、下坡傾角見表2。
Table 2 Maximum parking ramp of uphill and downhill of vehicles when GCW or GVW
3 活塞夾緊力計算
保證EPB駐車力不得低于常態(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需要保證的駐車力；應(yīng)用時需要保證常態(tài)目標(biāo)力≥車輛滿載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需要保證的駐車力；應(yīng)用時需要保證常態(tài)目標(biāo)力≥車輛滿載20%駐坡所需活塞夾緊力×a(一般a取1.1)。因此，空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要的夾緊力見表3。Table 3 Clamping force at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位：N對車輛駐坡力評估一般要求，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 卡鉗輸入扭矩計算
目前市場EPB制動鉗主要采用兩種傳動方式，一種是螺紋傳動，另一種是滾珠絲桿轉(zhuǎn)動；這兩種均屬于螺旋轉(zhuǎn)動，由螺桿與螺母組成，是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運動和動力的。它主要是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力。螺紋傳動的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；易自鎖；螺紋有側(cè)向間隙，反向時有空行程，定位精度和軸向剛度較差；摩擦阻力大，傳動效率低；磨損快；滾珠絲桿傳動的特點是：摩擦阻力小，傳動效率高；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造工藝要求高，成本較高；運動平穩(wěn)，啟動時無振動；壽命長；不自鎖，要求自鎖時需附加自鎖裝置。考慮到成本和自鎖，除了大陸采用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)外，其他制動器廠均采用螺紋傳動結(jié)構(gòu)。Table 4 Thread parameters of threaded transmissionFig.3 Force analysis diagram of thread令f′=f/cos β稱當(dāng)量摩擦系數(shù)。與當(dāng)量摩擦系數(shù)對應(yīng)的摩擦角稱為當(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制動鉗輸入力矩T為：因此，空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入力矩見表5。表5 空載、滿載時在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)輸出扭矩計算
目前市場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)，一級傳動有采用同步帶輪傳動結(jié)構(gòu)和齒輪傳動結(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)是一級采用同步帶傳動機(jī)構(gòu)，二、三級采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，總減速比是125∶1，經(jīng)過試驗驗證，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動效率為77.8%。因此，空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要電機(jī)輸出力矩見表7。表7 空載、滿載時在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，但價格低廉；無刷直流電機(jī)用電子元器件取代了碳刷，使得電機(jī)運行噪聲小，壽命長，但增加了位置傳感器，成本增加；永磁同步電機(jī)與直流無刷電機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩脈動小，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，選擇價格較低的直流有刷電機(jī)作為動力電機(jī)。目前市場上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)對夾緊時間、釋放時間、以及夾緊力的等要求，電機(jī)必須滿足如下要求，見表8。Table 8 Selection requirements for motor現(xiàn)選擇一款滿足要求的電機(jī)，型號為：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)載時的電壓，在軸枝上測得的速度；空載載電流(I0)—指在電機(jī)無任何負(fù)載的情況下測得的電流量；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(Ts)—指因加載引致電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時測得的轉(zhuǎn)矩；堵轉(zhuǎn)電流(Is)—指在電機(jī)因過載而停止旋轉(zhuǎn)時測得的電流量。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制動鉗溫度相關(guān)功能試驗
參照EPB溫度相關(guān)功能試驗方法，EPB卡鉗達(dá)到11.91 kN目標(biāo)夾緊力，進(jìn)行夾緊釋放動作，首先在常溫下動作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，然后進(jìn)行動作，實時采集電流和夾緊力；記錄目標(biāo)夾緊力下的電流，測試數(shù)據(jù)見表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，其他溫度理論和實際檢測數(shù)據(jù)是吻合的。(2) 對集成式EPB傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器、電機(jī)特性進(jìn)行計算，為車輛駐坡與電流關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。(3) 在EPB標(biāo)定時，可以根據(jù)理論計算的最大電流設(shè)定截止電流。
作者：閔慶付1 阮文龍2
1.上海匯眾汽車制造有限公司
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