電子駐車制動(dòng)（EPB）系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

張 莉，方 沂，徐 征，王旭龍，王志強(qiáng)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

電子駐車制動(dòng)（EPB）系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

張 莉1，方 沂2，徐 征2，王旭龍2，王志強(qiáng)2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

根據(jù)電子駐車制動(dòng)EPB系統(tǒng)與控制理論，設(shè)計(jì)了EPB試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖與平面圖。為了更好地模擬實(shí)車工況，設(shè)計(jì)了一款車身姿態(tài)模擬器，提出以試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)模擬實(shí)車工況和采集制動(dòng)壓力的方法，并給出該平臺(tái)的4種駐車功能及其工作機(jī)制。結(jié)果表明：采用理論計(jì)算與Simulink建模仿真相結(jié)合的方法檢驗(yàn)平臺(tái)的制動(dòng)性能，能夠滿足實(shí)車制動(dòng)性能要求。

電子駐車制動(dòng)（EPB）；試驗(yàn)平臺(tái)；工作機(jī)制

目前在整車上應(yīng)用的電子駐車制動(dòng)（electronic parking brake，EPB）技術(shù)主要有拉線式和卡鉗集成式2種。拉線式屬于較早應(yīng)用在整車上的EPB技術(shù)，卡鉗集成式為應(yīng)用較為廣泛的EPB技術(shù)[1]。本文搭建的試驗(yàn)平臺(tái)以卡鉗集成式EPB為研究主體。EPB硬件方面的研究單位有吉林大學(xué)和南京理工大學(xué)，EPB模型搭建與控制策略方面的研究單位有武漢理工和萬(wàn)向集團(tuán)聯(lián)合體，EPB車載實(shí)驗(yàn)單位有上海大眾等汽車公司[2]。上述研究單位都重點(diǎn)論述電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)的硬件控制策略、控制算法和軟件部分，并在符合實(shí)車功能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的前提下，給出駐車制動(dòng)方面的研究結(jié)果。平臺(tái)試驗(yàn)階段雖然處于EPB研發(fā)和實(shí)車測(cè)試的過(guò)渡階段，但平臺(tái)測(cè)試中的完整性性能分析試驗(yàn)是駐車制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)車測(cè)試中得到論證的前提，其重要性不可忽視。本文對(duì)搭建的臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行論述，重點(diǎn)闡述在試驗(yàn)平臺(tái)上控制系統(tǒng)如何提供符合實(shí)車上各種車身姿態(tài)數(shù)據(jù)以及如何獲取制動(dòng)壓力數(shù)值的方法。給出平臺(tái)功能和工作機(jī)制，并對(duì)平臺(tái)的制動(dòng)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 EPB試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

EPB試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)包括電氣平臺(tái)和后輪實(shí)物仿真平臺(tái)2部分。電子駐車制動(dòng)控制單元EPB是本平臺(tái)的核心，是保證汽車完成基本行駛功能不可或缺的控制單元，需要其他系統(tǒng)如機(jī)械裝置、顯示設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合使用[3]。本試驗(yàn)平臺(tái)以汽車線控技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以電子按鈕為輸入接口，以相關(guān)駐車制動(dòng)硬件設(shè)備為輔助條件，以車身姿態(tài)模擬器為實(shí)車仿真平臺(tái)，以EPB駐車制動(dòng)控制單元為決策核心，驅(qū)動(dòng)駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)施駐車功能。

圖1 EPB試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

EPB試驗(yàn)平臺(tái)的平面實(shí)物圖如圖2所示。其中，變送器配合使用CAN控制的物理IO英特佩斯?的R AD/IO產(chǎn)品，以此獲取壓力傳感器采集的制動(dòng)壓力值。neo VI FireTM轉(zhuǎn)接板與neo VI FireTM都為英特佩斯?公司的產(chǎn)品，兩者對(duì)接使用可把引出的試驗(yàn)平臺(tái)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和測(cè)試。

圖2 EPB試驗(yàn)平臺(tái)平面圖

1.2 車身姿態(tài)模擬器

本試驗(yàn)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)功能，必須具備實(shí)車各種工況下的駐車制動(dòng)能力。模擬車身姿態(tài)的各種工況是本試驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新之處，車身姿態(tài)模擬器實(shí)物圖如圖3所示。定做的車身姿態(tài)模擬器可模擬實(shí)車的各種姿態(tài)，例如:模擬實(shí)車在駐車和行駛過(guò)程中遇到的坡度停車、加速行駛、車身傾斜以及轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的偏航角等工況。其工作原理為:頂板可沿導(dǎo)軌在滑桿1滑動(dòng)，其上2個(gè)螺絲孔用于固定EPB控制單元。同理，滑桿1可沿滑桿2滑動(dòng)，兩滑桿可實(shí)現(xiàn)EPB控制單元的左、右、前、后4個(gè)行進(jìn)方向，用于模擬汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的縱向加速度和橫向加速度。由于中間板與底板中間萬(wàn)向節(jié)的功能，滑桿2可在中間板上做360°旋轉(zhuǎn)，用于模擬汽車行駛過(guò)程中的偏航角。調(diào)節(jié)萬(wàn)向節(jié)下部的螺栓，設(shè)置2個(gè)滑桿參數(shù)可模擬實(shí)車的上坡與下坡工況。

圖3 車身姿態(tài)模擬器

1.3 制動(dòng)壓力測(cè)試

制動(dòng)壓力大小是測(cè)試本試驗(yàn)平臺(tái)駐車的關(guān)鍵條件。因此，采集制動(dòng)壓力數(shù)值是本平臺(tái)的一個(gè)重要工作環(huán)節(jié)。本文采取的方法是通過(guò)壓力傳感器采集制動(dòng)壓力，壓力傳感器工裝圖如圖4所示。按照壓電式壓力傳感器的尺寸，在數(shù)控機(jī)床上對(duì)剎車片加工，最終形成如圖4所示的凹槽。采集制動(dòng)壓力時(shí)，拆卸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將傳感器放入剎車片的凹槽內(nèi)，在卡鉗執(zhí)行夾緊、放松動(dòng)作時(shí)，傳感器就會(huì)采集到剎車片與剎車盤之間產(chǎn)生的壓力信號(hào)。

圖4 壓力傳感器工裝圖

獲取制動(dòng)壓力的工具及信號(hào)傳輸流程如圖5所示。由于壓力傳感器輸出的信號(hào)比較微弱，經(jīng)過(guò)變送器放大后，將壓力傳感器采集的非電量轉(zhuǎn)換為成比例的電信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集RAD IO板卡的模擬輸入端口，再?gòu)钠銫ANH與CANL端口引雙絞線到neo VI FireTM轉(zhuǎn)接板和neo VI Fire的CAN引腳，在上位機(jī)內(nèi)的Vehicle SPY3開(kāi)發(fā)環(huán)境中可得到傳輸壓力數(shù)據(jù)的報(bào)文。動(dòng)作P鍵可看到報(bào)文字節(jié)的變化，選中該變化的字節(jié)，可知該波形圖隨P鍵的動(dòng)作而變化，換算后可知采集制動(dòng)壓力的大小。

圖5 制動(dòng)壓力采集框圖

2 平臺(tái)功能及其實(shí)現(xiàn)機(jī)制

2.1 平臺(tái)功能

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)采用電子制動(dòng)器對(duì)汽車制動(dòng)，控制ECU單元通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)車輛參數(shù)采集后，根據(jù)預(yù)設(shè)的安全控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。其EPB執(zhí)行器由直流電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)以及將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的絲桿螺母副組成，控制單元根據(jù)駐車環(huán)境自動(dòng)給每個(gè)車輪分配最佳制動(dòng)力[4]。當(dāng)需緊急駐車制動(dòng)時(shí)，抬起EPB按鈕，按鈕操作信號(hào)反饋給電控單元，由電控單元控制電機(jī)和行星減速齒輪機(jī)構(gòu)工作，對(duì)左右后制動(dòng)鉗實(shí)施制動(dòng)，按下EPB按鈕，即可解除制動(dòng)。本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能如表1所示。

表1 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能描述表

2.2 實(shí)現(xiàn)機(jī)制

后輪實(shí)物仿真平臺(tái)通過(guò)MD380高性能矢量變頻器編程，控制作為動(dòng)力來(lái)源的變頻三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)軸傳遞給含有主減速器和差速器的后驅(qū)動(dòng)車橋，減速增扭后驅(qū)動(dòng)盤式制動(dòng)器中的剎車盤運(yùn)轉(zhuǎn)。車橋可以模擬車輛在轉(zhuǎn)彎等過(guò)程中車輪受力不均勻的狀況，使測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試環(huán)境更符合車輛的實(shí)際行駛情況。電氣平臺(tái)上以電子按鈕為輸入接口，EPB駐車控制單元內(nèi)置縱向加速度傳感器與陀螺儀，前者可用來(lái)測(cè)算坡度，后者用來(lái)測(cè)算汽車的偏航角。當(dāng)其檢測(cè)到動(dòng)作信號(hào)后，與其他模塊建立通信，同時(shí)給卡鉗內(nèi)部的電機(jī)發(fā)送信號(hào)，使其正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來(lái)推動(dòng)剎車片夾緊或釋放剎車盤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)或釋放功能。

3 工況模擬實(shí)例

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，實(shí)車駐車制動(dòng)性能檢驗(yàn)有坡道檢驗(yàn)和制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢驗(yàn)2種方法[5]。本文設(shè)計(jì)的臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)采用理論計(jì)算與模型仿真相結(jié)合的方法。其中，前者采取比較兩側(cè)車輪總的卡鉗制動(dòng)力與電機(jī)傳送給兩卡盤總的驅(qū)動(dòng)力大小，若前者大于后者，則本平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)駐車，反之，則不能；后者采用Simulink仿真模塊繪制模型論證駐車制動(dòng)性能，仿真波形圖如圖6所示。

兩側(cè)車輪總的最大驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為:

式中:T為電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，T=120 N·m；η為傳輸效率，η=98%；i為后橋齒輪傳動(dòng)比，i=4.2。代入式（1）計(jì)算得:F=3 430 N。制動(dòng)壓力波形圖如圖7所示。

由圖7知，該圖曲線描繪的是常態(tài)、一次夾緊力、二次夾緊力、解除制動(dòng)的過(guò)程，該圖是neo VI Fire設(shè)備讀取中央控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)車載CAN總線對(duì)左右后車輪駐車制動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息采集后[6]，經(jīng)數(shù)字I/O模塊解讀繪制的數(shù)據(jù)圖。則卡鉗的制動(dòng)力為:

圖6 仿真波形

圖7 制動(dòng)壓力波形圖

式中:μ為摩擦額定系數(shù)，參照SAE標(biāo)準(zhǔn)，μ=0.35∶0.45；Fn為經(jīng)電壓信號(hào)與制動(dòng)力信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系換算后的夾緊力的值，F(xiàn)n=1 330 kg=13 034 N。計(jì)算得:

由上可知:制動(dòng)力Fz大于驅(qū)動(dòng)力F，在本試驗(yàn)平臺(tái)上完全可以實(shí)現(xiàn)駐車功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的駐車控制方案達(dá)到了預(yù)期的制動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子靜態(tài)與動(dòng)態(tài)駐車制動(dòng)功能驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置或修改平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)，利用定制的車身姿態(tài)模擬器模擬實(shí)車遇到的各種工況，可觀察參數(shù)變化對(duì)平臺(tái)仿真結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，4種基本駐車制動(dòng)功能在該平臺(tái)上得到了成功驗(yàn)證。

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Design of experimental platform for electronic parking brake

ZHANG Li1，F(xiàn)ANG Yi2，XU Zheng2，WANG Xu-long2，WANG Zhi-qiang2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

According to the electronic parking brake system（EPB）and control theory,the structure and plan of the EPB test platform are designed in this paper.In order to better simulate the real vehicle test conditions,a body attitude simulator is proposed.The method of simulating the real vehicle operating condition and braking pressure based on experimental platform is presented,and the 4 parking functions and working mechanism of the platform are given.The braking performance of the platform is tested by theoretical calculation and Simulink simulation.The test results show that the braking performance of the vehicle is satisfying.

electronic parking brake（EPB）；experimental platform；working mechanism

U463.5

A

2095－0926（2015）02－0031－04

2015-03-04

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目（KYQD14031）.

張 莉（1987—），女，碩士研究生；方 沂（1963—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)控高速加工技術(shù)、機(jī)械CAD/CAM技術(shù)等.