乘用車電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)駐坡計(jì)算研究

史亨波 隋清海 郝占武 張建斌 閆魯平

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：EPB 分級(jí)夾緊策略 駐坡計(jì)算

1 前言

乘用車駐車制動(dòng)系統(tǒng)主要分為2 大類：傳統(tǒng)機(jī)械駐車和電子駐車。

傳統(tǒng)機(jī)械駐車又包含“手剎”和“腳剎”，是由手臂拉動(dòng)駐車操縱桿或腳踩駐車踏板，再將駐車制動(dòng)力傳遞到制動(dòng)鉗或制動(dòng)鼓上實(shí)現(xiàn)駐車的系統(tǒng)方案。這種駐車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展最早，但是存在一系列問(wèn)題：駐車需要足夠的手拉力和腳踏力，這會(huì)使女性駕駛員因力量不足導(dǎo)致駐車力矩不足而產(chǎn)生溜車，新駕駛員缺乏經(jīng)驗(yàn)忘記駐車操作而產(chǎn)生溜車（特別是手動(dòng)擋車輛），駐車操縱桿及拉索系統(tǒng)占用空間大，力傳遞效率低，不符合汽車電子化趨勢(shì)。傳統(tǒng)機(jī)械駐車已逐漸被市場(chǎng)淘汰，取而代之的是電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)[1]。

電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)（Electrical Park Brake,EPB），是汽車電子化發(fā)展的產(chǎn)物，只需駕駛員手動(dòng)按下按鈕，便可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)駐車和動(dòng)態(tài)應(yīng)急制動(dòng)。

EPB 分為2 類：“拉索式EPB”和“電機(jī)集成式EPB”。拉索式EPB 將駐車操縱桿更換為駐車電機(jī)。駐車時(shí)，由電機(jī)動(dòng)作拉動(dòng)駐車?yán)?，將駐車制動(dòng)力傳遞到制動(dòng)鉗或制動(dòng)鼓上實(shí)現(xiàn)駐車。拉索式EPB 因駐車制動(dòng)力控制精度不足，且無(wú)法配合實(shí)現(xiàn)電控附加功能，在近幾年逐漸被淘汰。電機(jī)集成式EPB將制動(dòng)鉗或制動(dòng)鼓與駐車電機(jī)集成在一起，由液壓方式實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)，由電機(jī)方式實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)，相比之下，電機(jī)集成式EPB 在輕量化、駐車效能及穩(wěn)定性、制動(dòng)電控功能控制（AUTO HOLD、駛離釋放、熄火自動(dòng)夾緊、高溫或溜坡再夾緊等）、用戶體驗(yàn)方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，更加自動(dòng)化、智能化，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)械駐車的一系列問(wèn)題，故其在乘用車型上應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。

按照制動(dòng)器類型，電機(jī)集成式EPB 分為“制動(dòng)鉗式”和“制動(dòng)鼓式”。本文主要研究了制動(dòng)鉗式電機(jī)集成EPB的駐坡計(jì)算方法，業(yè)內(nèi)目前并沒(méi)有形成完整的計(jì)算方法體系，對(duì)駐坡能力評(píng)價(jià)也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，從最大駐坡能力需求入手，結(jié)合模擬用戶使用工況路試溫度水平的研究，分析了不同溫度條件下對(duì)應(yīng)的不同的駐坡要求。針對(duì)EPB 分級(jí)夾緊策略的特點(diǎn)，從正向研究為滿足駐坡要求的各級(jí)所需夾緊力計(jì)算思路，為設(shè)計(jì)合適大小的電機(jī)夾緊力提供參考[3]。

2 駐坡需求分析

2.1 法規(guī)要求

根據(jù)GB 21670中的5.2.3.1要求，乘用車駐車制動(dòng)系應(yīng)能使?jié)M載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止[4]。

法規(guī)項(xiàng)是對(duì)車輛的最基本要求，即無(wú)論在何種工況或何種條件下，滿載狀態(tài)的車輛必須能在20%的上、下坡道上不溜車[5]。

2.2 工程目標(biāo)要求

通常大部分乘用車在滿足法規(guī)的基礎(chǔ)上，會(huì)提出更高的要求。在各項(xiàng)目的工程目標(biāo)中，一般要求駐車制動(dòng)系應(yīng)能使?jié)M載車輛在坡度為30%的上、下坡道上保持靜止，此要求僅需在常用工況或常用條件下滿足即可，極端工況可以不考慮。

2.3 不同溫度水平駐坡要求

2.3.1 綜述

根據(jù)2.1和2.2的研究，乘用車最大駐坡能力應(yīng)該滿足20%還是30%的坡度，與其是否處于極端工況相關(guān)。車輛制動(dòng)時(shí)的極端工況有很多，包括高溫、高壓、低真空度、低附著條件。其中，駐車制動(dòng)性能強(qiáng)相關(guān)的極端條件為高溫，其直接影響到駐車時(shí)摩擦片的摩擦系數(shù)和溫度降低到環(huán)境溫度后的電子駐車夾緊力（以下簡(jiǎn)稱為“夾緊力”）衰退水平。

故駐車制動(dòng)計(jì)算時(shí)，一般考慮以下2種工況：

(1) 制動(dòng)器在高溫狀態(tài)即刻進(jìn)行駐車操作，因?yàn)榇藭r(shí)的摩擦片已衰退，摩擦系數(shù)較低，所以就需要更大的夾緊力來(lái)保證駐車需求；

(2) 制動(dòng)器高溫駐車后冷卻到常溫，由于冷縮作用，最初施加的夾緊力降低，不足以繼續(xù)維持車輛靜止。

2.3.2 不同溫度水平研究

在計(jì)算前，需要明確不同的溫度水平，以及哪個(gè)溫度是駐坡計(jì)算的極端工況。在下文分析時(shí)，假設(shè)環(huán)境溫度為23 ℃。

（1）常溫狀態(tài)

GB 21670 中的5.1.4.1.1 中規(guī)定，乘用車制動(dòng)開(kāi)始前，在摩擦片內(nèi)部或制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓的制動(dòng)摩擦面上測(cè)得的最熱的車軸的行車制動(dòng)器的平均溫度應(yīng)在65～100 ℃之間，故定義摩擦片溫度不大于100 ℃為常溫狀態(tài)[4]。

（2）高溫狀態(tài)

為了研究高溫狀態(tài)的溫度水平，對(duì)某乘用車進(jìn)行了多種道路試驗(yàn)并采集摩擦片溫度參數(shù)，這些試驗(yàn)涉及到的工況包括：城市工況、郊區(qū)工況、山區(qū)工況、制動(dòng)NVH長(zhǎng)里程工況。

城市工況路試曲線見(jiàn)圖1，后摩擦片測(cè)得的最高溫度大約為200 ℃。

圖1 城市工況路試曲線

郊區(qū)工況路試曲線見(jiàn)圖2，后摩擦片測(cè)得的最高溫度大約為160 ℃。

圖2 郊區(qū)工況路試曲線

山區(qū)工況路試曲線見(jiàn)圖3，后摩擦片測(cè)得的最高溫度大約為150 ℃。

圖3 山區(qū)工況路試曲線

制動(dòng)NVH長(zhǎng)里程工況路試曲線見(jiàn)圖4，后摩擦片最高溫度為250 ℃左右。

圖4 制動(dòng)NVH長(zhǎng)里程工況路試曲線

根據(jù)各項(xiàng)路試試驗(yàn)結(jié)果，摩擦片溫度最高的試驗(yàn)為制動(dòng)NVH 長(zhǎng)里程工況，但因其制動(dòng)頻次較高，超過(guò)用戶正常使用水平，故此溫度僅作為參考。剩下的3個(gè)工況均為模擬用戶正常行駛，并沒(méi)有刻意的增加制動(dòng)次數(shù)，故其更接近用戶真實(shí)水平。其中溫度最高的為城市工況，郊區(qū)和山區(qū)工況因制動(dòng)次數(shù)相對(duì)較少，故溫度偏低。

綜上所述，超過(guò)200 ℃定義為高溫狀態(tài)，100～200 ℃定義為中間狀態(tài)。

除此之外，行業(yè)內(nèi)一般要求制動(dòng)NVH 長(zhǎng)里程試驗(yàn)制動(dòng)器最高溫度不能超過(guò)300 ℃，即在300 ℃以內(nèi)需要保證一定的制動(dòng)性能，故定義超過(guò)300 ℃屬于制動(dòng)誤用工況，不考核EPB駐坡性能。

2.3.3 不同溫度水平的駐坡要求

根據(jù)上述研究，不同制動(dòng)器溫度下乘用車的駐坡要求見(jiàn)表1。

表1 乘用車駐坡要求

3 駐坡夾緊力計(jì)算方法

3.1 綜述

根據(jù)2.3 的研究，駐坡計(jì)算時(shí)要分為常溫狀態(tài)及其他狀態(tài)2部分進(jìn)行。

常溫狀態(tài)進(jìn)行駐坡時(shí)，隨著溫度變化，摩擦片摩擦系數(shù)衰退較小，夾緊力變化較小，故常溫狀態(tài)可以直接代入名義摩擦系數(shù)及名義夾緊力進(jìn)行計(jì)算[6]。

其他狀態(tài)包括中間狀態(tài)及高溫狀態(tài)，這2 種狀態(tài)駐坡時(shí)，需要考慮溫度升高導(dǎo)致摩擦片摩擦系數(shù)降低，以及經(jīng)歷升溫及冷卻后，原施加的夾緊力因冷縮作用而變小，故這2種狀態(tài)的夾緊力計(jì)算需要提前確定不同溫度的摩擦系數(shù)和夾緊力衰退比[7]。

名義摩擦系數(shù)、高溫摩擦系數(shù)和夾緊力衰退比一般可以通過(guò)EPB 臺(tái)架試驗(yàn)確定。如果不具備試驗(yàn)條件，可以通過(guò)歷史開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估。

3.2 計(jì)算前準(zhǔn)備

在臺(tái)架上測(cè)得不同條件下制動(dòng)器電機(jī)的夾緊力F和對(duì)應(yīng)的夾緊力矩T，用于計(jì)算相應(yīng)的摩擦片摩擦系數(shù)u和夾緊力衰退比Φ，參考表2。

表2 EPB臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

摩擦系數(shù)u按式(1)進(jìn)行確定。

式中：

u—摩擦系數(shù)；

T—夾緊力矩；

F—夾緊力；

r—后制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑。

夾緊力衰退比Φ按式(2)進(jìn)行確定。

式中：

Φt—經(jīng)歷高溫冷卻后夾緊力衰退比，t為相應(yīng)的溫度；

Finit—高溫狀態(tài)施加的夾緊力；

Ffinal—制動(dòng)器由高溫冷卻到40 ℃時(shí)的剩余夾緊力。

“動(dòng)機(jī)是一切活動(dòng)的原動(dòng)力”，它是推動(dòng)學(xué)生自主管理活動(dòng)的主觀因素，是進(jìn)行自主管理的前提，在一定意義上講，自主管理動(dòng)機(jī)制約著自主管理的方向、態(tài)度，影響著自主管理的方法和成果。自我管理的直接動(dòng)力來(lái)源于小學(xué)生自我服務(wù)，行為自律的需要。真正的自我服務(wù)、自我管理是兒童發(fā)自內(nèi)心的行動(dòng)，具有明確的目的性和計(jì)劃性。因此，引導(dǎo)自我管理首先要強(qiáng)化自我管理的意識(shí)。

3.3 坡度換算

坡度，又稱為坡比，是坡面的垂直高度h和水平方向的距離s的比值，用i表示。坡度值要先換算成角度值，才能用于夾緊力計(jì)算。因坡度是EPB依據(jù)縱向加速度傳感器信號(hào)計(jì)算而得，存在一定誤差，故在計(jì)算時(shí)，一般在目標(biāo)坡度基礎(chǔ)上增加3%的公差。

用于夾緊力計(jì)算的坡角按式(3)進(jìn)行換算。

式中：

A——坡角；

i——坡度。

3.4 夾緊力計(jì)算公式

在計(jì)算夾緊力時(shí)，需要考慮車輛滿載狀態(tài)及一定的安全系數(shù)，一般在滿載重量基礎(chǔ)上增加100 kg用于計(jì)算。

某車輛在坡度i上所需夾緊力F按式(4)進(jìn)行確定[8]。

式中：

u—摩擦系數(shù)；

r—后制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑；

G—車輛滿載質(zhì)量；

g—重力加速度；

i—坡度；

R—車輪滾動(dòng)半徑。

3.5 夾緊力策略

乘用車EPB一般采用分級(jí)夾緊的策略，由于電壓的波動(dòng)及其他因素影響，實(shí)際夾緊力還會(huì)存在一定的公差，故計(jì)算名義夾緊力時(shí)需要考慮此公差。

以某車型為例，其EPB名義夾緊力分為3級(jí)夾緊，公差為±1 500 N，見(jiàn)表3。

表3 某車型夾緊力策略

根據(jù)2.3.3 的研究，不同溫度區(qū)間，EPB 需要滿足的最大坡度要求不同，故在分析F1、F2和F3的過(guò)程中，要分不同的溫度區(qū)間進(jìn)行確定。

(1)F1:不大于300 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)使?jié)M載車輛在8%坡道駐坡；

(2)F2:不大于300 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)使?jié)M載車輛在17%坡道駐坡；

(3)F3:在40 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)使?jié)M載車輛在30%坡道駐坡；在200 ℃～300 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)使?jié)M載車輛在20%坡道駐坡。

在上述策略基礎(chǔ)上，EPB還會(huì)增加機(jī)械再夾緊策略，增加的夾緊力簡(jiǎn)稱為“再夾緊力”。根據(jù)PBC軟件是否有溫度模型，再夾緊操作可以分為溫度觸發(fā)和坡度觸發(fā)2種情況。

VDA 305-100中3.1.1規(guī)定：除非OEM另有規(guī)定，EPB應(yīng)滿足進(jìn)行100 000個(gè)負(fù)載循環(huán)（夾緊和釋放）外加2 500個(gè)再夾緊過(guò)程的要求，所以，建議再夾緊次數(shù)不超過(guò)2 500次[9]。

3.6 針對(duì)無(wú)溫度模型的系統(tǒng)計(jì)算夾緊力

此種系統(tǒng)的PBC 軟件無(wú)法準(zhǔn)確判斷駐車時(shí)刻制動(dòng)器溫度水平，而會(huì)根據(jù)坡度大小判斷是否需要施加再夾緊力。

例如，某車型的機(jī)械再夾緊觸發(fā)條件為坡度達(dá)到17%，再夾緊力為7 000 N，觸發(fā)時(shí)間設(shè)定為EPB 駐車操作后5 min 左右施加，夾緊力策略見(jiàn)表3，則各級(jí)名義夾緊力計(jì)算如下：

(1)F1：考慮到溫度越高，摩擦系數(shù)衰退越大，冷卻到常溫后夾緊力衰退越大，故僅需計(jì)算300 ℃的夾緊力，考慮以下2種情況。

(a)高溫即刻駐車夾緊力F即刻，按(4)式計(jì)算，代入表2中300 ℃的摩擦系數(shù)u300，坡度i=8%；

(b)使高溫冷卻后仍能足夠駐坡的初始夾緊力F冷卻前，按(5)式計(jì)算：

式中：

u—表2中300 ℃冷卻到40 ℃后的摩擦系數(shù)；

F冷卻前—夾緊力；

r—后制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑；

G—車輛滿載質(zhì)量；

g—重力加速度；

i—坡度，此處為8%；

R—車輪滾動(dòng)半徑；

Φ—表2中300 ℃冷卻到40 ℃的夾緊力衰退比。

F即刻和F冷卻前取最大值，再加公差1 500 N，即為推薦的最小F1。

(2)F2：參考F1，坡度大小由8%更改為17%，按照同樣的思路計(jì)算推薦的最小F2。

(3)F3：根據(jù)3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在30%坡度駐車：按(4)式計(jì)算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2 中的u200，i=30%；按(4)式計(jì)算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=30%；

(b)300 ℃在20%坡度駐車：按(4)式計(jì)算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2 中的u300，i=20%；按(4)式計(jì)算300 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F300→40，代入表2中u300→40，i=20%；

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在再夾緊力7 000 N，可以補(bǔ)充高溫冷卻后駐車需求，故F3需滿足：

3.7 針對(duì)有溫度模型的系統(tǒng)計(jì)算夾緊力

此種系統(tǒng)的PBC軟件中有較為準(zhǔn)確的溫度模型，包括升溫模型和散熱模型。

升溫模型的原理是基于駐車時(shí)刻的主缸壓力信號(hào)的大小，計(jì)算當(dāng)前摩擦系數(shù)，進(jìn)而判斷制動(dòng)器正處于的溫度水平。散熱模型的原理是基于模型內(nèi)的散熱系數(shù)，模擬制動(dòng)器在整車靜止?fàn)顟B(tài)的降溫曲線。

當(dāng)制動(dòng)器溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的門限值，PBC軟件觸發(fā)高溫再夾緊功能。高溫再夾緊邏輯一般為監(jiān)測(cè)溫度降低情況，每降低一定數(shù)值，便施加一次再夾緊力，使當(dāng)前總夾緊力達(dá)到駐車時(shí)刻的水平?？梢允┘佣啻?，直到溫度降低到門限值以下后自動(dòng)退出。

例如，某車型的高溫再夾緊觸發(fā)條件為制動(dòng)器溫度達(dá)到200 ℃以上，總共可以施加3次，每降低50 ℃便施加一次，夾緊力策略見(jiàn)表3，則各級(jí)名義夾緊力計(jì)算如下：

(1)F1：根據(jù)3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在8%坡度駐車：按(4)式計(jì)算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2中u200，i=8%；按(4)式計(jì)算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=8%；

(b)300 ℃在8%坡度駐車：按(4)式計(jì)算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2中u300，i=8%。

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在200 ℃以上的高溫再夾緊動(dòng)作，可以補(bǔ)充高溫（如300 ℃）冷卻后駐車需求，故F1僅需滿足：

(2)F2：參考F1，坡度大小由8%更改為17%，按照同樣的思路計(jì)算推薦的最小F2。

(3)F3：根據(jù)3.5的研究，考慮以下2種情況。

(a)200 ℃在30%坡度駐車：按(4)式計(jì)算200 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-200，代入表2 中u200，i=30%；按(4)式計(jì)算200 ℃冷卻到40 ℃后所需夾緊力F200→40，代入表2中u200→40，i=30%；

(b)300 ℃在20%坡度駐車：按(4)式計(jì)算300 ℃即刻駐車所需夾緊力F即刻-300，代入表2中u300，i=20%。

先將F即刻-200和F即刻-300取最大值Fmax，因存在200 ℃以上的高溫再夾緊動(dòng)作，可以補(bǔ)充高溫（如300 ℃）冷卻后駐車需求，故F3僅需滿足：

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了制動(dòng)鉗式電機(jī)集成EPB在不同溫度條件、不同坡度上的所需最小夾緊力計(jì)算思路?；诓糠謪?shù)假設(shè)的前提下，從正向討論如何設(shè)計(jì)EPB的夾緊力策略。實(shí)際應(yīng)用中遇到的情況可能會(huì)比本文設(shè)定的場(chǎng)景復(fù)雜很多，建議把握好設(shè)計(jì)原則。

在計(jì)算夾緊力時(shí)，不僅要考慮不能溜坡，還要保證夾緊力不能設(shè)計(jì)過(guò)大，不然會(huì)引起夾緊或釋放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致EPB 工作噪音水平惡化。此外，過(guò)大的夾緊力還會(huì)引起AUTO HOLD、EPB 駛離釋放時(shí)的平順性變差，造成車輛聳動(dòng)及強(qiáng)烈拖拽感的問(wèn)題[10]。

基于平臺(tái)化和模塊化需求，EPB生產(chǎn)廠的駐車電機(jī)只有一種或多種，夾緊力策略一般是固定的，在這種情況下，可以參考本計(jì)算規(guī)范的思路進(jìn)行逆向校驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的夾緊力策略。