汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)器的效能分析

摘要：科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)器的發(fā)展有顯著的進(jìn)步，為了提高電子機(jī)械制動(dòng)的效率，加強(qiáng)對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)的分析，將建立電子機(jī)械制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。機(jī)械制動(dòng)優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)，為汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)的研究和應(yīng)用提供了依據(jù)，本文對(duì)其有效性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：汽車(chē);電子機(jī)械制動(dòng)器;效能;仿真系統(tǒng)

0 ?引言

汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，使得對(duì)車(chē)輛制動(dòng)技術(shù)也不斷攀升。車(chē)輛的制動(dòng)是保證車(chē)輛交通安全的一個(gè)重要前提。汽車(chē)的安全性使得消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。精湛的汽車(chē)行業(yè)技術(shù)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能不再止步傳統(tǒng)液壓制動(dòng)器。因此，專業(yè)人員對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)技術(shù)電子機(jī)械制動(dòng)器方面發(fā)展。用這種更高效的電子機(jī)械制動(dòng)器滿足消費(fèi)者對(duì)于行車(chē)安全要求，使汽車(chē)發(fā)展得到更好的進(jìn)步。車(chē)輛制動(dòng)性能一直是汽車(chē)安全性的關(guān)鍵，汽車(chē)制動(dòng)性能的提升一直受到人們的重視。防滑制動(dòng)系統(tǒng)等功能逐漸融入現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)之中，這些系統(tǒng)都與傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)相連，復(fù)雜的且分別無(wú)規(guī)律的管路，不僅增加了液壓回路泄露的可能性同時(shí)也提升了裝配維修的難度。電子機(jī)械制動(dòng)為了適應(yīng)了這一要求，讓車(chē)輛制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展更為迅速。90年代歐美地區(qū)一些大型的汽車(chē)零部件的國(guó)際制造商和汽車(chē)制造商開(kāi)始對(duì)EMB系統(tǒng)進(jìn)行研究，其中博世、西門(mén)子和德國(guó)大陸特維斯進(jìn)行了深入的EMB系統(tǒng)研究，德國(guó)大陸特維斯和德國(guó)達(dá)姆施塔特理工大學(xué)一起合作研討了EMB制動(dòng)模型與控制系統(tǒng)模型，并且在中國(guó)多所高校都對(duì)EMB系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 ?汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)器簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)的EHB中，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)斷開(kāi)制動(dòng)踏板與制動(dòng)器之間的機(jī)械連接，通過(guò)通信線束傳輸制動(dòng)信號(hào)傳輸，因此EMB系統(tǒng)的可靠性變得非常重要，這就要求系統(tǒng)有一個(gè)備用電源（如果主電源故障）和冗余通信連接（三重冗余連接踏板），EMB控制系統(tǒng)采用可靠性更高的總線協(xié)議，控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。

在車(chē)輛駕駛時(shí)，信號(hào)通過(guò)電動(dòng)制動(dòng)踏板中的位移傳感器采集的踏板位移和速度信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?。中央控制?duì)駕駛員的制動(dòng)意圖可以通踏板信息分析，計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)的最佳制動(dòng)力，并向四個(gè)EMB驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，EMB調(diào)節(jié)器接收到制動(dòng)信號(hào)后，控制發(fā)動(dòng)機(jī)，以便根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的指令控制電流和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。同時(shí)，根據(jù)車(chē)輛、道路、制動(dòng)系統(tǒng)等的情況，電子踏板中的模擬器通過(guò)以下方式向駕駛員返回“道路感”，傳感器收集有關(guān)電機(jī)電流、速度和制動(dòng)夾緊力的信息，并反饋到EMB調(diào)節(jié)器使整個(gè)控制過(guò)程由三層閉合電路組成，確保最佳制動(dòng)性能。

2 ?車(chē)輛動(dòng)力分析模型

2.1 對(duì)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行受力的分析

汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)器在工作時(shí)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行受力分析一直是汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中的一個(gè)探討重點(diǎn)。在分析制動(dòng)力時(shí)，假設(shè)在水平道路上行駛時(shí)，忽略了滾動(dòng)阻力、空氣阻力、輪胎變形和懸掛等因素，其后果是不堪設(shè)想的。對(duì)車(chē)輛直接行駛性能的受力分析，包括的主要內(nèi)容有車(chē)輛質(zhì)量、車(chē)輛前后制動(dòng)力、防止車(chē)輛提速的作用，前車(chē)輪距以及后車(chē)輪距等。通過(guò)制動(dòng)力的受力分析，可以很好地分析制動(dòng)效果。

2.2 輪胎受力分析模型

在動(dòng)態(tài)車(chē)輛模型中，對(duì)輪胎受力模型進(jìn)行分析可以有效提高制動(dòng)性能，本文分析了EMB制動(dòng)器中的輪胎的受力模型，在制動(dòng)車(chē)輛時(shí)，輪胎特性對(duì)道路制動(dòng)性能的影響更為重要。輪胎受力模型的確定主要涉及輪胎的半徑、汽車(chē)制動(dòng)的力矩、輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度以及地面附著系數(shù)，用合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析車(chē)輛輪胎的制動(dòng)力。車(chē)型不同輪胎的制動(dòng)力巨也不相同，對(duì)同一輛車(chē)的受力分析的結(jié)果也可能不一樣這需要進(jìn)行多次分析以得到準(zhǔn)確結(jié)果。

2.3 附著系數(shù)

車(chē)輪的制動(dòng)和地面附著系數(shù)在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)也起著很大的作用。當(dāng)車(chē)輛的輪胎處于半旋轉(zhuǎn)或者半滾動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，地面附著系數(shù)是可以達(dá)到最大值，即車(chē)輛的制動(dòng)動(dòng)力的值最大，此時(shí)橫向穩(wěn)定性好。若車(chē)輪被完全鎖定沒(méi)滾動(dòng)，則會(huì)附著在地面上，橫向穩(wěn)定性為零，很容易滑倒和擺動(dòng)尾巴，這很容易造成事故。

車(chē)輛在道路上附著系數(shù)的確定對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的引入有著重要的影響，車(chē)輛輪胎的附著系數(shù)主要受車(chē)速和汽車(chē)制動(dòng)滑移率的影響。這個(gè)數(shù)學(xué)模型可以由最大附著系數(shù)、車(chē)速、車(chē)輪滑移率和形狀系數(shù)確定。此外，針對(duì)不同的車(chē)輪滑移率，對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到不同參數(shù)下的路面附著系數(shù)。

2.4 EMB制動(dòng)系統(tǒng)的模型

20世紀(jì)以來(lái)，隨著汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)電氣化、電子化程度很高，線控制動(dòng)是一種線控系統(tǒng)的應(yīng)用，統(tǒng)一的制動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域可以有效簡(jiǎn)化制動(dòng)硬件的控制元件，提高整車(chē)的性能。制動(dòng)踏板與制動(dòng)控制裝置之間的機(jī)械連接通過(guò)制動(dòng)線斷開(kāi)，制動(dòng)控制指令通過(guò)電信號(hào)傳輸?shù)街苿?dòng)施加線束。目前，汽車(chē)制動(dòng)裝置主要分為兩個(gè)系統(tǒng)：電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（EHB）和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）。

電子液壓制動(dòng)（EHB）是電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）的一種先進(jìn)產(chǎn)品，是在現(xiàn)有傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，對(duì)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)作了微小的改進(jìn)，目前已在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。然而，EHB存在著液壓管路多、布置安裝困難、ABS電控系統(tǒng)復(fù)雜、生產(chǎn)維護(hù)成本高等固有缺陷。液壓制動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)汽車(chē)的發(fā)展。隨著轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電子控制技術(shù)的發(fā)展，EMB將成為汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的主要市場(chǎng)。

在研究汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)性能時(shí)，EMB制動(dòng)模型的確定可以很好地分析汽車(chē)的制動(dòng)性能。EMB制動(dòng)器主要由電源、發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)和滾珠絲桿機(jī)構(gòu)等組。此外，在EMB制動(dòng)的系統(tǒng)模型之中，減速的機(jī)制提供制動(dòng)力矩是由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)增加距離，減速的動(dòng)力力矩對(duì)車(chē)輛的力矩有影響，以便檢測(cè)車(chē)輛的制動(dòng)性能。

2.5 電機(jī)模型

在研究汽車(chē)制動(dòng)性能時(shí)，選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)模型可以使汽車(chē)輸出穩(wěn)定的電功率，在EMB制動(dòng)模型中，通過(guò)確定電樞反饋電動(dòng)勢(shì)、發(fā)動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電樞回路電感的數(shù)學(xué)模型，可以得到模型下的電樞電流。此外，根據(jù)EMB制動(dòng)模型，通過(guò)增加電樞回路電感等因素來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的仿真裝置。

2.6 行星齒輪

行星減速器是EMB制動(dòng)模型中最關(guān)鍵的地方。減速器其最重要目的是降低車(chē)速，增加變速器的感應(yīng)扭矩，以滿足車(chē)輛制動(dòng)狀態(tài)的要求，其中包括減速器的行星減速模型，它包括輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，行星的輸出轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)確定太陽(yáng)輪的輸入轉(zhuǎn)矩和行星齒輪的旋轉(zhuǎn)效率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)獲得。

2.7 滾珠絲桿副的模型

在EMB制動(dòng)模型中，雙滾珠絲杠模型的主要功能是改變運(yùn)動(dòng)方向。在螺桿組中，行星裝置的旋轉(zhuǎn)輸入被轉(zhuǎn)換成螺桿平移，然后傳遞到制動(dòng)塊;在雙螺桿模型中，滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)扭矩是通過(guò)從行星架體的出口扭矩中讀取滾珠螺桿的預(yù)緊扭矩，然后通過(guò)讀取滾珠絲杠副傳遞扭矩的第三個(gè)旋轉(zhuǎn)扭矩。也通過(guò)表達(dá)摩擦、動(dòng)量和其他系統(tǒng)關(guān)系。

2.8 制動(dòng)裝置模型

在EMB剎車(chē)模型中，剎車(chē)裝置的型號(hào)非常重要。剎車(chē)裝置的型號(hào)主要取決于移動(dòng)部件和剎車(chē)盤(pán)之間的摩擦。由于它們的相互作用可以得到一個(gè)適當(dāng)?shù)膭x車(chē)模型。

2.9 汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型

在汽車(chē)制動(dòng)性能研究中，汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的研究是提高汽車(chē)制動(dòng)性能的重要組成部分。在汽車(chē)制動(dòng)分析中，主要根據(jù)牛頓第二定律建立了完整的機(jī)械模型，得到車(chē)輛接地點(diǎn)與平衡方程之間的距離。此外，還應(yīng)研究附著系數(shù)和制動(dòng)過(guò)程的減速度。

3 ?汽車(chē)制動(dòng)性能的仿真

3.1 駐車(chē)制動(dòng)控制算法

系統(tǒng)的停放制動(dòng)控制算法應(yīng)采集發(fā)送停放制動(dòng)的激活信號(hào)、制動(dòng)踏板位移信號(hào)和踏板位移信號(hào)，作為評(píng)價(jià)停放和退出狀態(tài)的基本條件，完成駐車(chē)制動(dòng)，也可根據(jù)手動(dòng)駐車(chē)按鈕對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)、駐車(chē)狀態(tài)和退出做出響應(yīng)，判斷的結(jié)果是完成了實(shí)際的駐車(chē)制動(dòng)控制算法，如手動(dòng)駐車(chē)、自動(dòng)駐車(chē)和輔助控制等。

3.2 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型

在模擬汽車(chē)制動(dòng)性能時(shí)，建立了電子制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，利用Smurf等仿真軟件對(duì)EMB制動(dòng)模型進(jìn)行了仿真，得到了相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，該制動(dòng)模型能獲得有效的數(shù)據(jù)真實(shí)性，說(shuō)明機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型具有較好的制動(dòng)效果。

3.3 模擬仿真的結(jié)果

在汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)中，汽車(chē)制動(dòng)的仿真結(jié)果應(yīng)通過(guò)插入某一車(chē)型的參數(shù)來(lái)獲得。EMB和Hb對(duì)比制動(dòng)性能的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在裝有ENB制動(dòng)裝置的車(chē)輛中，在0.32秒內(nèi)可以意識(shí)到制動(dòng)裝置在車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中的激活。在裝有Hb制動(dòng)裝置的車(chē)輛中，需要0.9秒才能確定。EMB制動(dòng)器的初始制動(dòng)時(shí)間比制動(dòng)時(shí)間HB快，另外，就最大制動(dòng)時(shí)間而言，EMB的制動(dòng)時(shí)間比制動(dòng)時(shí)間HB短，由此可以看出，就汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)響應(yīng)速度而言，EMB制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)速度比HB快。其次，在制動(dòng)距離方面，制動(dòng)器的制動(dòng)距離EMB小于制動(dòng)距離HB，因此，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，制動(dòng)器的制動(dòng)效果EMB優(yōu)于制動(dòng)距離HB，車(chē)輛轉(zhuǎn)向安全性更高。

4 ?結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展過(guò)程中，人消費(fèi)者對(duì)與汽車(chē)駕駛安全性的需求日益提高。制動(dòng)性能不斷提高，在對(duì)汽車(chē)電子制動(dòng)效率的分析中，對(duì)汽車(chē)的制動(dòng)性能進(jìn)行了仿真等，為了實(shí)現(xiàn)電子機(jī)械制動(dòng)與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)的制動(dòng)性能對(duì)比，通過(guò)制動(dòng)性能對(duì)比可知，電子機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離較短，從而在汽車(chē)行駛中獲得更好的制動(dòng)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]何仁，胡青訓(xùn).帶有制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的公共汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（5）：390-392.

[2]熊堅(jiān)，胡永平汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真研究[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，11（1）：33-40.

[3]彭曉燕，陳昌榮，章兢.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的滑模控制研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，37（8）：35-39.

[4]李頂根，張綠原，何保華.基于滑移率的汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的模糊控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（20）：121-126.

[5]彭曉燕.汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)安全控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[6]宋健，王會(huì)義，劉剛連桿式電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）裝置：CN， 1757947A[P]. 2006-04-12.

[7]熊璐，余卓平，張立軍.電制動(dòng)器（EMB）樣機(jī)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2005（8）：15-18.

[8]楊坤.輕型汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)及穩(wěn)定性控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

作者簡(jiǎn)介：趙海新（1985-），男，滿族，河北承德人，承德石油高等?？茖W(xué)校講師，工學(xué)碩士，從事汽車(chē)技術(shù)、汽車(chē)材料和工藝、汽車(chē)故障診斷、新能源汽車(chē)研究。