汽車整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車設(shè)計(jì)研究淺談

別曉樵

(湖北航特裝備制造股份有限公司,湖北荊門 448000)

0 引言

當(dāng)今機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品中，例如：電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)EPB(Electrical Park Brake)、防抱死剎車系統(tǒng)ABS(Anti-lock Brake System)、電子制動(dòng)分配力系統(tǒng)EBD(Electrical Brake Distribution)等，其中電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)以駐車制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)分類有兩種，一種是整合式制動(dòng)鉗電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)，另一種為拉索式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)。作為電子駐車產(chǎn)品的過渡衍生物，拉索式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)沿用了原拉索傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式制動(dòng)鉗進(jìn)行駐車。整合式制動(dòng)鉗電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)是由電子駐車按鈕、電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)、整合式電子駐車制動(dòng)鉗MOC、CAN總線系統(tǒng)等組成，因?yàn)槠涓咝?、可靠等?yōu)點(diǎn)，作為現(xiàn)電子駐車產(chǎn)品的主流，而被廣泛應(yīng)用[1]。

隨著電子駐車產(chǎn)品技術(shù)的不斷創(chuàng)新，較新型的電子駐車系統(tǒng)通過傳感器等信號(hào)傳遞、分析和測(cè)算，進(jìn)而電控部分及電機(jī)通過控制電流大小，提供給車輛實(shí)時(shí)需要的制動(dòng)力，從而極大地提高了駕駛員操縱車輛的舒適性和安全性。一般而言，EPB電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)和手動(dòng)拉線式駐車制動(dòng)系統(tǒng)都是對(duì)車輛后輪進(jìn)行制動(dòng)。針對(duì)整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車原理簡(jiǎn)介、駐車設(shè)計(jì)、計(jì)算及驗(yàn)證如下。

1 整合式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介(EPB)

汽車制動(dòng)系統(tǒng)包括：行車制動(dòng)系統(tǒng)、駐車制動(dòng)系統(tǒng)、緊急(應(yīng)急)制動(dòng)系統(tǒng)，3個(gè)系統(tǒng)不是相互獨(dú)立，而是相互聯(lián)系，并緊密配合，制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 整合式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及駐車工作過程

2.1 整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)包括：傳統(tǒng)制動(dòng)鉗(鉗體、摩擦塊、安裝支架、活塞等)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(EPB心軸及心軸螺母[2]、平面滾針軸承等)、MGU電機(jī)齒輪機(jī)構(gòu)(同步帶傳動(dòng)、行星齒輪機(jī)構(gòu)、直流電機(jī))，駐車制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 整合式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車工作過程

整合式電子駐車制動(dòng)駐車工作簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 整合式電子駐車制動(dòng)駐車工作簡(jiǎn)圖

3 整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 車輛整車參數(shù)輸入

以航特配套車企中某車型整車參數(shù)為例，詳見表1。

表1 某車型整車參數(shù)

3.2 車輛極限駐坡角度計(jì)算

車輛停駐在相應(yīng)坡道上，根據(jù)車輛的參數(shù)、輪胎與地面的摩擦因數(shù)，計(jì)算其進(jìn)行極限駐坡角度，其受力分析如圖4所示。

圖4 車輛駐坡受力分析

上坡靜止，根據(jù)力矩守恒定律可得：

Fz2L-hgGsinθ=aGcosθ

Fz2=mg(acosθ+hgsinθ)/L

(1)

根據(jù)后輪受力平衡可得：

Fu2=mgsinθ

(2)

Fu2=Fz2·φ

(3)

根據(jù)式(1)—(3)可得汽車在上坡路上停駐時(shí)的坡度傾角θs為

θs=arctan(φa/L-φhg)

同理可得汽車在下坡路上停駐時(shí)的坡度傾角θx為:

θx=arctan(φa/L+φhg)

式中：Fz1為前輪正壓力；Fz2為后輪正壓力；Fu2為后輪地面制動(dòng)力；θ為車輛所停駐的坡度角；hg為車輛重心高度；G為車輛重力；L為車輛前、后軸距；φ為地面附著系數(shù)；a為重心距前軸的距離。

不同地面附著系數(shù)某車型駐坡極限角度見表2。

根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中7.10.3條規(guī)定[3]：在空載狀態(tài)下，駐車制動(dòng)裝置應(yīng)能保證機(jī)動(dòng)車在坡度為20%(11.3°)、輪胎與路面間的附著系數(shù)不小于0.7的坡道上正、反兩個(gè)方向保持不動(dòng)，其時(shí)間不應(yīng)小于2 min。車輛極限駐坡角度的計(jì)算為檢驗(yàn)車輛整車參數(shù)設(shè)計(jì)合理性等。

表2 不同地面附著系數(shù)某車型駐坡極限角度

3.3 活塞夾緊力受力分析及計(jì)算

車輪受力分析如圖5所示。

圖5 車輪受力分析

根據(jù)受力分析及力矩平衡定律可得

Fu2=mgsinθ

Fu2=(4Fμ·r)/rw

Fμ=FN·ξ

式中：Fμ為制動(dòng)片與制動(dòng)盤的摩擦力；FN為制動(dòng)鉗活塞夾緊力；ξ為制動(dòng)片與制動(dòng)盤摩擦因數(shù)；r為制動(dòng)有效半徑；rw為車輪半徑。

整理得：

FN=(mgsinθ·rw)/(4ξ·r)

根據(jù)車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡夾緊力(在1.1倍安全系數(shù)下)見表3。

表3 駐車夾緊力計(jì)算 N·m

由表可知，評(píng)估車輛駐車力一般要求，車輛滿載時(shí)，20%駐坡，最小摩擦因數(shù)0.20(根據(jù)實(shí)際制動(dòng)片臺(tái)架性能評(píng)估)，根據(jù)計(jì)算活塞夾緊力大于等于12.01 kN；30%駐坡，名義摩擦因數(shù)0.38，根據(jù)計(jì)算活塞夾緊力大于等于9.3 kN。

3.4 MGU電機(jī)齒輪機(jī)構(gòu)輸入扭矩計(jì)算

3.4.1 螺紋副傳動(dòng)計(jì)算

螺紋傳動(dòng)參數(shù)見表4，螺紋牙型簡(jiǎn)圖如圖6所示, 螺紋受力分析如圖7所示。

表4 螺紋傳動(dòng)參數(shù)

圖6 螺紋牙型簡(jiǎn)圖

圖7 螺紋受力分析

螺紋輸入力矩計(jì)算：

T1=(d/2)·FN·tan(φ+ρ)

(4)

當(dāng)量摩擦因數(shù)

f′=f/cosβ=0.167 545

當(dāng)量摩擦角

ρ=arctanf′=9.51°

螺紋升角

φ=arctan(S/πd)=arctan(NP/πd)=2.812°

滿足自鎖條件：

φ≤ρ

代入式(4)得：

T1=(0.885×10-3)FN

3.4.2 平面滾針軸承扭矩計(jì)算

T2=(d0/2) ·FN·μ=(0.030 5×10-3)FN

式中：μ為平面滾針軸承摩擦因數(shù)(潤(rùn)滑狀態(tài)下0.002 0～0.003 0，取0.002 5)；d0為平面軸承中徑為24.4 mm 。

3.4.3 MGU電機(jī)齒輪機(jī)構(gòu)輸出力矩

T=T1+T2=(0.915 5×10-3)FN

綜上所述，根據(jù)車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡所需要的MGU電機(jī)齒輪機(jī)構(gòu)輸入力矩見表5。

表5 MGU輸入力矩計(jì)算 N·m

3.5 電機(jī)輸出扭矩計(jì)算

該減速機(jī)構(gòu)是一級(jí)采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 二、三級(jí)采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)(NGW型周轉(zhuǎn)齒輪系)。 減速機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算，見表6。

表6 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)參數(shù)

總傳動(dòng)比(減速比)是125∶1，傳動(dòng)效率按70%(以實(shí)測(cè)為準(zhǔn))。根據(jù)車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡所需要的電機(jī)輸出力矩見表7。

表7 電機(jī)輸出力矩 mN·m

3.6 電機(jī)選型

通常采用的直流電機(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)，對(duì)比結(jié)果見表8。

表8 電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)全面比較而定，選擇直流有刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

一般車載電源為12 V電瓶，根據(jù)EPB系統(tǒng)的工作行程、駐車響應(yīng)時(shí)間小于2 s[4]、夾緊力等要求，電機(jī)必須滿足表9的性能要求。

表9 電機(jī)性能指標(biāo)要求

目前EPB市場(chǎng)上所使用的主流產(chǎn)品品牌有德昌、馬步奇(萬寶至)電機(jī)等。現(xiàn)選擇JS的直流有刷電機(jī)，型號(hào)為：3U-156-2160，電機(jī)在額定電壓為12.0 V， 室溫( 25 ℃)情況下，其功能參數(shù)見表10,其電機(jī)性能參數(shù)曲線如圖8所示。

表10 某電機(jī)功能參數(shù)

圖8 某電機(jī)功能參數(shù)曲線

根據(jù)摩擦塊材料最小摩擦因數(shù)μmin=0.20，對(duì)20%坡度的駐坡所需要的夾緊力進(jìn)行舉例計(jì)算，在工作電壓：9.0～16.0 V；環(huán)境溫度：-40 ～+85 ℃條件下，電機(jī)所需要的工作電流大??；在20%坡道上制動(dòng)鉗電機(jī)的負(fù)載扭矩為125.63 mN·m 。

在不同的允許電壓、不同的允許溫度條件下，電機(jī)的性能計(jì)算[5]如下：

不同電壓、溫度下的空載轉(zhuǎn)速：

Nψ=No×(U′/12) ×[1-0.001 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的堵轉(zhuǎn)電流：

Iψ=Is×(U′/12)/ [1+0.003 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的堵轉(zhuǎn)扭矩：

Tψ=Ts×(U′/12) ×[1-0.001 9×(T′-25)]/[1+

0.003 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的負(fù)載電流：

Iz=(Tz/Tψ) ×(Iψ-Io)+Io

不同電壓、溫度下的負(fù)載扭矩：

Tz=Tψ×(Iz-Io)/(Iψ-Io)

不同電壓、溫度下的負(fù)載轉(zhuǎn)速：

Nz=Nψ×[1-(Iz-Io)/(Iψ-Io)]

因此，在不同電壓、溫度下，滿載時(shí)車輛在20%駐坡所需要的理論負(fù)載電流值見表11。

表11 理論負(fù)載電流計(jì)算

4 整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車工作電流校核

4.1 EPB綜合性能試驗(yàn)臺(tái)校核

根據(jù)EPB高低溫性能試驗(yàn)方法及要求，在EPB綜合性能試驗(yàn)臺(tái)(見附圖)進(jìn)行試驗(yàn)，整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)要求達(dá)到12 kN目標(biāo)駐車力，進(jìn)行夾緊釋放動(dòng)作。不同電壓、溫度下，達(dá)到目標(biāo)駐車力的電機(jī)負(fù)載電流值見表12。

表12 負(fù)載電流實(shí)測(cè)

例如，在溫度為25 ℃、電壓為12 V、達(dá)到目標(biāo)夾緊力12 kN時(shí)，MOC的工作電流11.92 A,工作夾緊力為12.1 kN。另外，在溫度為25 ℃、電壓為12 V、達(dá)到目標(biāo)夾緊力13 kN時(shí)，MOC的工作電流13 A，工作夾緊力為15.1 kN。

4.2 實(shí)車裝車駐車試驗(yàn)校核

車輛在滿載狀態(tài)下，航特電子駐車制動(dòng)鉗可保證機(jī)動(dòng)車在坡度為20%、輪胎與路面間的附著系數(shù)不小于0.7的坡道上正、反兩個(gè)方向保持不動(dòng)，其時(shí)間大于2 min。滿足國(guó)標(biāo)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中7.10.3條規(guī)定，如圖9和圖10所示。

圖9 20%坡度上坡滿載駐坡

圖10 20%坡度下坡滿載駐坡

5 結(jié)束語

根據(jù)上述汽車整合式電子駐車制動(dòng)鉗(MOC)駐車原理的簡(jiǎn)介及駐車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的論述后，得出以下結(jié)論：

(1)在電壓、環(huán)境相同的條件下，可以通過調(diào)整工作電流大小，滿足不同目標(biāo)駐車力要求的車輛的駐車使用；

(2)車輛緊急(應(yīng)急)制動(dòng)可通過車輛ESP及駐車ECU控制工作電流，實(shí)時(shí)控制緊急制動(dòng)力，達(dá)到緊急情況下制動(dòng)減速度，保證人員及車輛安全；

(3)通過以上設(shè)計(jì)及計(jì)算，為車輛駐車與電機(jī)關(guān)系提供理論參考,為電子駐車制動(dòng)鉗駐車設(shè)計(jì)梳理正向設(shè)計(jì)思路；

(4)溫度變化影響電機(jī)阻值，直接影響工作電流，低溫時(shí)空載電流增大，直接影響工作電流偏大，根據(jù)上述理論計(jì)算的最大電流，可參考設(shè)定EPB標(biāo)定相關(guān)狀態(tài)的截止電流。