試分析汽車電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高 瀅

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046）

在科技飛速發(fā)展背景下，汽車結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，制動(dòng)控制作為設(shè)計(jì)工作的重要部分，具有性能良好、操作便利、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，其安全穩(wěn)定性可直接影響汽車設(shè)計(jì)效果。因此，在制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)積極引入先進(jìn)的技術(shù)手段，使該系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到有效的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

汽車執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作較為復(fù)雜，由多個(gè)部分構(gòu)成，主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速裝置、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)換裝置等等。在系統(tǒng)工作中，電機(jī)在減速作用下扭矩增大輸出，借助轉(zhuǎn)換裝置使旋轉(zhuǎn)與直線之間自由轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)模塊、制動(dòng)盤均具有減速功能，整個(gè)系統(tǒng)在制動(dòng)控制器的作用下高效運(yùn)作。該系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件與功能如下：

（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該部件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要內(nèi)容，具有力矩輸出作用，受速度、電機(jī)位置、轉(zhuǎn)矩等因素影響?，F(xiàn)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型以無(wú)刷直流電機(jī)為主，可有效克服傳統(tǒng)電刷與換向器結(jié)構(gòu)，在工作中不易出現(xiàn)火花與磨損，使用壽命較長(zhǎng)，在穩(wěn)定性方面占有較大優(yōu)勢(shì)。

（2）轉(zhuǎn)換裝置。一般情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的轉(zhuǎn)換裝置為滾珠絲杠副，此類構(gòu)件通過(guò)絲杠與螺母旋槽內(nèi)的滾珠進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在閉合回路中可穩(wěn)定運(yùn)行。在制動(dòng)系統(tǒng)中還應(yīng)添加自鎖裝置，但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以滑動(dòng)絲杠進(jìn)行替代。

（3）減速裝置。在汽車行業(yè)中，一般以行星齒輪作為減速元件，在質(zhì)量相同的情況下，體積相對(duì)較小，可為制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行提供強(qiáng)大的減速傳動(dòng)比，使運(yùn)行效率得到顯著提升，且減速過(guò)程十分平穩(wěn)。

（4）制動(dòng)器。該設(shè)備類型多種多樣，如電磁式、摩擦式、液力式等等，其中電磁式的性能相對(duì)較強(qiáng)，動(dòng)作可靠，但造價(jià)較高，多用于重型汽車中；液力式可當(dāng)作緩速器使用，但性能與摩擦式相比較弱，當(dāng)前使用最多的為摩擦式[1]。

2 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 減速器設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)流程為：首先，按照系統(tǒng)傳動(dòng)比對(duì)齒輪齒數(shù)進(jìn)行分配，同時(shí)，確保配齒與安裝條件、鄰接條件相符合，即中心輪與其他嚙合齒輪副之間擁有同等的距離；其次，對(duì)齒輪的主要參數(shù)進(jìn)行確定，包括行星輪數(shù)量、小/大齒輪數(shù)量、齒數(shù)比、小/大齒輪齒形、重合度等等；最后，對(duì)減速器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定，包括螺紋升角、預(yù)緊傳動(dòng)效率、最大驅(qū)動(dòng)力距等等。

2.2 滾珠絲設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，滾珠絲杠所承受的應(yīng)力承載具有制動(dòng)功能，在運(yùn)行過(guò)程中受到振動(dòng)或者撞擊后，需要根據(jù)動(dòng)載荷工況對(duì)額定應(yīng)力水平進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上選擇滾珠絲杠副。在驅(qū)動(dòng)力計(jì)算方面，首先明確滾珠絲杠副的額定動(dòng)荷載水平，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件類型，進(jìn)而得出機(jī)構(gòu)整體參數(shù)，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。值得注意的是，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)將滾珠絲預(yù)緊條件引入其中，對(duì)有無(wú)預(yù)緊兩種形式進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，將結(jié)果對(duì)比后選出最佳設(shè)計(jì)方案。

2.3 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)

在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)屬于十分重要的內(nèi)容，在電機(jī)選擇方面，應(yīng)確保其穩(wěn)定性與實(shí)際需求相符合。同時(shí)，還要具有較大的耦合剛度、輸出扭矩，可在制動(dòng)條件下快速響應(yīng)，為調(diào)速提供更多便利。此外，在制動(dòng)系統(tǒng)中，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輛顛簸振動(dòng)之間存在較大聯(lián)系，應(yīng)確保設(shè)備具有較強(qiáng)的耐磨性、抗干擾性，且維護(hù)應(yīng)便利[2]。

2.4 滑動(dòng)絲杠

在耐磨性設(shè)計(jì)方面，主要參數(shù)為螺母高度、螺桿中徑、工作壓強(qiáng)等等，其中工作壓強(qiáng)的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為軸向載荷；Pp為許用比壓；P為工作壓強(qiáng)；在螺牙強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，主要包括螺桿與螺母兩項(xiàng)內(nèi)容，在螺桿強(qiáng)度方面，主要包括剪切強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度兩項(xiàng)；在螺母強(qiáng)度方面，包括剪切強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

式中，d為螺桿大直徑；d1為螺桿中直徑；d2為螺桿小直徑；P為螺距；n為材料許用切應(yīng)力。

3 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

3.1 性能優(yōu)化

根據(jù)上文公式與研究，開展執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)該機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：以車輛制動(dòng)力分配比為變量，對(duì)約束函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其次，在SQP算法指導(dǎo)下，對(duì)汽車自動(dòng)距離進(jìn)行探究。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)汽車的制動(dòng)分配比為0.598。當(dāng)汽車的初始速度為90km/h時(shí)，制定距離為48.72m，附著系數(shù)為0.798，經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化后，空載與滿載情況下均可滿足系數(shù)要求，也就是前輪與后輪同時(shí)抱死的情況得到有效好轉(zhuǎn)。針對(duì)車輛制動(dòng)側(cè)滑的問(wèn)題，需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行深入優(yōu)化，使側(cè)滑情況得到有效改善，當(dāng)汽車處于滿載情況下，使優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)相符合。當(dāng)汽車處于滿載狀態(tài)時(shí)，在車輛制動(dòng)后，后輪抱死速度與前輪相比較慢，可使車輛在制動(dòng)過(guò)程中更加安全穩(wěn)定。

根據(jù)制動(dòng)力結(jié)果，本文將對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，壓力響應(yīng)速度慢的問(wèn)題被充分體現(xiàn)出來(lái)，且在大多數(shù)車輛中廣泛存在。對(duì)此，本文針對(duì)氣壓制度與響應(yīng)速度進(jìn)行優(yōu)化分析。車輛氣壓制動(dòng)不但包括氣壓管路、繼動(dòng)閥兩項(xiàng)內(nèi)容，還具有制動(dòng)氣室、雙腔制動(dòng)閥等等。其中，繼動(dòng)閥在氣室與制動(dòng)閥之間充當(dāng)橋梁和紐帶的作用，由控制氣口、供氣口等共同組成。對(duì)于雙腔制動(dòng)閥來(lái)說(shuō)，其屬于系統(tǒng)中的重要內(nèi)容，在制動(dòng)過(guò)程中具有剎車、起動(dòng)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的作用。在性能參數(shù)方面，包括活塞回位剛度、彈簧剛度等，通過(guò)氣壓管路的應(yīng)用，可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度得到顯著提升。本文構(gòu)建氣壓制動(dòng)模型，如下：

式中，D為繼動(dòng)閥數(shù)值；LPPf為制動(dòng)閥回味彈簧剛度；P為排氣間隙。

通過(guò)對(duì)車輛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行獲取，將充氣與排氣的延長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在執(zhí)行過(guò)程中，車輛響應(yīng)速度通常在0.7s左右，當(dāng)車輛在高速公路上行駛時(shí)，如若遇到緊急制動(dòng)情況，很容易出現(xiàn)安全事故。通過(guò)對(duì)氣壓制動(dòng)模型進(jìn)行分析，如若車輛充氣時(shí)間延長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)使制動(dòng)閥受到負(fù)面影響。因此，本文中D值取15N/mm，P值取2.0mm，LPPf值取15N/mm。在該模型進(jìn)行優(yōu)化后，制動(dòng)閥彈簧強(qiáng)度與排氣間隙的性能得到極大增強(qiáng)。同時(shí)，車輛的響應(yīng)速度被有效降低，達(dá)到0.4s左右，車輛的制動(dòng)系統(tǒng)得以優(yōu)化，使駕駛?cè)藛T的行車安全得到切實(shí)保障[3]。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

在本文研究中，在序列二次規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上開展仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)可變步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值為0.005，在開展的仿真實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)針對(duì)車輛模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面分析，主要為車速、輪胎輪速、空載等等。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍?，抱死率達(dá)到99.9%，輪胎速度不斷下降，可車輛的前輪與后輪同時(shí)抱死。另外，在其他條件不變的情況下，車輛可在3.0s左右完成減速制動(dòng)，通過(guò)對(duì)貨車制動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為40.37m，貨車的減速增加到-8m/s，結(jié)束后速度為0，這一數(shù)值意味著在仿真實(shí)驗(yàn)中，在二次序列算法基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)制進(jìn)行分析，可使車輛輪胎的抱死情況得到有效改善，使汽車行駛的安全性得到顯著提升，進(jìn)一步說(shuō)明此種優(yōu)化算法的可行性。

通常情況下，通過(guò)駕駛員的動(dòng)作指令能夠?qū)④囕v制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度充分體現(xiàn)出來(lái)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)電機(jī)制動(dòng)與傳動(dòng)效率進(jìn)行分析可知，當(dāng)制動(dòng)力增加時(shí)，通過(guò)提高制動(dòng)力矩便可使電機(jī)工作效率得到顯著提升，一旦制動(dòng)強(qiáng)度 超過(guò)0.7，電機(jī)的再生制動(dòng)力將會(huì)出現(xiàn)明顯改變。一般情況下，車輛制動(dòng)通過(guò)液壓制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)構(gòu)建仿真模型可知各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)電機(jī)制動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算后，將結(jié)果上傳到主電機(jī)系統(tǒng)中，在優(yōu)化配置情況下進(jìn)行最優(yōu)配置。另外，在理想狀態(tài)下，汽車制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度越快，制動(dòng)便越發(fā)穩(wěn)定安全[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在汽車設(shè)計(jì)工作中，制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要包括減速器、滾珠絲、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑動(dòng)絲杠等內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)開展仿真實(shí)驗(yàn)的方式，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，為汽車行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。