基于ADAMS的汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏治?/h1>

2018-11-28 05:32:20靳華偉陳清華徐少洋

安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)訂閱 2018年5期 收藏

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠減速器

靳華偉,張 新,陳清華,王 賽,徐少洋

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)方式可分為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)(EHB)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)，隨著汽車智能化和車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高，以及節(jié)能減排和電動(dòng)汽車發(fā)展的需要，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)逐漸成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。電子機(jī)械制動(dòng)基于線控技術(shù)，是一種信息交互實(shí)時(shí)控制的新型制動(dòng)方式，旨在提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和兼容性[1]。歐美國家對EMB系統(tǒng)的研究起步較早，在EMB執(zhí)行器結(jié)構(gòu)上，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了以電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪加滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)；Bosch公司設(shè)計(jì)了電磁離合器加二級減速齒輪機(jī)構(gòu)；Continental Teves公司設(shè)計(jì)了內(nèi)置電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器加滾珠絲杠和棘爪鎖機(jī)構(gòu)等。在控制算法上，文獻(xiàn)[3]建立了一套以制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的夾緊力環(huán)作為外環(huán)的串聯(lián)PI閉環(huán)控制系統(tǒng)。國內(nèi)對EMB系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展較快，特別是在EMB系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的控制算法以及半實(shí)物仿真分析方面。文獻(xiàn)[4]通過EMB試驗(yàn)臺完成了制動(dòng)器軟硬件以及控制方法的研究；文獻(xiàn)[5]基于EMB制動(dòng)執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)平臺完成了對EMB系統(tǒng)穩(wěn)定性控制研究；文獻(xiàn)[6]在電動(dòng)汽車EMB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成了對制動(dòng)性能和控制算法的研究；文獻(xiàn)[7]針對電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提出基于路面識別的ABS控制仿真；文獻(xiàn)[8]對EMB 技術(shù)完成了制動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)；沈陽理工大學(xué)對影響電子機(jī)械制動(dòng)器穩(wěn)定性的制動(dòng)鉗和滾珠絲杠剛度進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)等。

綜上所述，國內(nèi)對汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及控制算法和半實(shí)物仿真分析方面，關(guān)于制動(dòng)執(zhí)行器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析尚未見報(bào)道。而剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析對系統(tǒng)理論研究、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能參數(shù)提高和制動(dòng)法規(guī)研究等方面都具有重要的意義?；诖?，本文在“電機(jī)+行星齒輪減速器+螺旋變向”的制動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析。

1 新型制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

新型制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以盤式制動(dòng)器為對象，在駕駛員制動(dòng)意圖的驅(qū)動(dòng)下，由直流力矩電機(jī)大轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)減速增扭裝置，進(jìn)而輸出低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。最終由制動(dòng)摩擦塊實(shí)現(xiàn)完成制動(dòng)，具體原理圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，制動(dòng)執(zhí)行器包括設(shè)置在制動(dòng)盤外側(cè)的內(nèi)制動(dòng)塊以及永磁直流無刷力矩電機(jī)、行星齒輪減速器、滾珠絲杠、絲杠螺母、壓盤。制動(dòng)盤上方設(shè)有鉗體，鉗體包括一對與制動(dòng)盤軸向平行的滑梁，內(nèi)制動(dòng)塊和外制動(dòng)塊分別設(shè)有吊耳，吊耳滑動(dòng)搭接在鉗體的滑梁上。其中，永磁直流無刷力矩電機(jī)由踏板模擬器輸出控制電壓驅(qū)動(dòng)，永磁直流無刷力矩電機(jī)輸出軸與行星齒輪減速器輸入軸連接，行星齒輪減速器輸出軸與滾珠絲杠副連接，其中滾珠絲杠副包括滾珠絲杠、滾珠絲杠副螺母，滾珠絲杠副螺母與壓盤固定連接，壓盤22制動(dòng)時(shí)與內(nèi)制動(dòng)塊接觸制動(dòng)。永磁直流無刷力矩電機(jī)、行星齒輪減速器和滾珠絲杠副由支撐座一和支撐座二支撐，固定在支撐平臺上，整個(gè)支撐平臺固定在固定組件上，固定組件的底部設(shè)有滑塊，試驗(yàn)臺臺架上設(shè)有與滑塊滑動(dòng)配合的滑軌，支撐平臺在試驗(yàn)臺臺架上可沿滑軌水平移動(dòng)，該水平移動(dòng)方向與制動(dòng)盤軸向方向一致。本文選擇行星齒輪減速器和螺旋變向機(jī)構(gòu)進(jìn)行新型制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)流程

2 仿真模型

由于執(zhí)行器最大夾緊力為16kN，選擇5mm的絲杠導(dǎo)程；JPF2005-6的螺母型號；13.69N·m的滾珠絲杠；3.2N·m堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)；太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈齒數(shù)為25、35、95的行星齒輪等部件。在CATIA中建立了仿真模型，如圖4所示。

1.端蓋緊固螺栓；2.端蓋；3.電機(jī)殼體；4.行星齒輪減速機(jī)構(gòu)； 5.電機(jī)定子； 6.滾珠絲杠副； 7.推力軸承；8.滑動(dòng)銷；9.鉗體；10.連接螺栓； 11.電機(jī)轉(zhuǎn)子； 12.制動(dòng)塊；13.支架；14.制動(dòng)盤圖4 EMB系統(tǒng)執(zhí)行器爆炸圖

3 剛?cè)狁詈侠碚摲治?/h2>

將執(zhí)行器部件視為為剛體，假設(shè)存在制動(dòng)塊上任一點(diǎn)P的位移，er和eb分別表示慣性坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系，建立剛?cè)峄旌象w模型，如圖5所示。

圖5 柔性體上點(diǎn)P位移運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

則P點(diǎn)速度和加速度為

(1)

(2)

式中：r0為eb在er中的位置；Sp為P在eb中的位置；Up為P在eb中的形變；A為eb、er間的方向余弦矩陣；φp為模態(tài)矩陣，qf為變形廣義坐標(biāo)。

據(jù)此得其動(dòng)力學(xué)微分方程

(3)

剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的分析需要一些簡單構(gòu)建，式(3)所示的微分方程相關(guān)系數(shù)可為結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供參考，由式可見，本模型仿真分析將集中在柔性體的質(zhì)量、彈簧力剛度系數(shù)、最大阻尼系數(shù)、非線性力冪指數(shù)、阻尼系數(shù)達(dá)到最大時(shí)的穿透距離等參數(shù)上，這些都為ADAMS中的參數(shù)設(shè)置提供參考。同時(shí)式(3)所示的微分方程為典型的二階系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)而后文的剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治鎏峁┮罁?jù)。

4 剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治?/h2>

剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治鲆员?所示的目標(biāo)車型進(jìn)行參數(shù)選擇，在ADAMS中，導(dǎo)入CATIA模型，進(jìn)行中性文件建立、模型處理，如圖6(a)所示。制動(dòng)夾緊力和制動(dòng)距離仿真結(jié)果如圖6(b)所示。

表1 目標(biāo)車型

(a) 剛?cè)狁詈夏Ｐ吞幚?(b)制動(dòng)盤外圈一點(diǎn)軌跡圖6 仿真結(jié)果

由圖6可知，在制動(dòng)力無調(diào)節(jié)開環(huán)控制情況下，在制動(dòng)塊與制動(dòng)盤接觸后迅速產(chǎn)生制動(dòng)夾緊力，并且有一定的超調(diào)量，可在0.03s左右趨于穩(wěn)定。制動(dòng)力在17kN上下產(chǎn)生微小波動(dòng)，左右制動(dòng)塊對制動(dòng)盤夾緊力大小基本相同。仿真結(jié)果與理論計(jì)算制動(dòng)夾緊力值相差不大，滿足EMB制動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)的最大夾緊力需求，且大于傳統(tǒng)液壓盤式制動(dòng)器最大制動(dòng)壓力。通過測量其軌跡線，制動(dòng)盤在制動(dòng)力持續(xù)階段汽車從80km/h至完全停車行駛距離為30.9m，制動(dòng)盤在制動(dòng)間隙消除時(shí)間汽車行駛距離為1.9m，總制動(dòng)距離為32.8m。根據(jù)國標(biāo)ZBT24007-1989要求[9]，汽車在80km/h行駛速度緊急制動(dòng)情況下，制動(dòng)距離不得大于50.7m，故制動(dòng)距離滿足性能要求。

5 實(shí)驗(yàn)研究

完成了制動(dòng)壓力測試實(shí)驗(yàn)和制動(dòng)間隙消除時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)，將滑塊固定在導(dǎo)軌上，執(zhí)行器與試驗(yàn)臺支架無相對滑動(dòng)，采用壓力傳感器直接測量制動(dòng)塊壓力，以及位移傳感器直接測量內(nèi)外制動(dòng)塊間的間隙變化，傳感器如圖7所示。據(jù)此，得到了制動(dòng)夾緊力理論、仿真和實(shí)驗(yàn)對比曲線圖，如圖8所示。

(a) 壓力傳感器 (b) 位移傳感器圖7 傳感器

圖8 制動(dòng)夾緊力比較曲線圖

6 結(jié)論

基于開發(fā)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)、提高制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的目的，在“電機(jī)+行星齒輪減速器+螺旋變向”的制動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，完成了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其性能指標(biāo)。研究對系統(tǒng)理論研究、方案設(shè)計(jì)、性能參數(shù)提高及其制動(dòng)法規(guī)研究等方面具有重要的意義。

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