MGU卡鉗不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力與電流大小研究

摘 要：因?qū)ζ?chē)定義，各車(chē)型存在整車(chē)載荷參數(shù)帶寬、質(zhì)心高度、路面附著系數(shù)、輪胎滾動(dòng)半徑、靜負(fù)荷半徑等因素影響導(dǎo)致存在部分差異，因而對(duì)涉及電子駐車(chē)系統(tǒng)（EPB）反復(fù)標(biāo)定，文章通過(guò)對(duì)MGU結(jié)構(gòu)行選型匹配，從縮短汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期，平臺(tái)性利用最大化，MGU卡鉗結(jié)構(gòu)通用化，確認(rèn)不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力與電流大小關(guān)系，有利加速EPB的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提升平臺(tái)通用性。

關(guān)鍵詞：卡鉗 電機(jī) 試驗(yàn)

1 緒論

1.1 目的

文章對(duì)電動(dòng)乘用車(chē)型的MGU分析，通過(guò)對(duì)車(chē)輛“駐車(chē)夾緊力”“MGU”“卡鉗”制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，計(jì)算需要電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)提供的電流大小，以及電機(jī)電壓-電流-扭矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系，從而確定不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力與電流大小關(guān)系。

1.2 簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)蓬勒發(fā)展，帶動(dòng)了零部件產(chǎn)業(yè)的興起，其中電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)（EPB）系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)核心部件之一。電子駐車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EPB）是將行車(chē)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)制動(dòng)和停車(chē)后的駐車(chē)制動(dòng)結(jié)合在一起，并且由電子控制方式實(shí)現(xiàn)駐車(chē)制動(dòng)的技術(shù)。它將傳統(tǒng)汽車(chē)駐車(chē)手柄演變成為一個(gè)懷擋按鈕或者集成在車(chē)機(jī)系統(tǒng)里，集成控制模塊和執(zhí)行電機(jī)，操作相較傳統(tǒng)駐車(chē)手柄方便省力，可以顯著提升車(chē)輛的駕駛體驗(yàn)和滿意度。隨著EPB技術(shù)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基本的駐車(chē)制動(dòng)功能，還可以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)駐車(chē)釋放”和“動(dòng)態(tài)駐”車(chē)，“熄火自動(dòng)駐車(chē)”等輔助功能，具有很強(qiáng)的的功能拓展性和可塑性。

圖１所示為EBP工作示意圖。具體操作流程為：當(dāng)駕駛員按動(dòng)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)EPB按鈕時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制模塊接到來(lái)自按鈕的信號(hào)，控制模塊會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)施加電流讓其轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)釋放的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)將電機(jī)的速度減少、扭矩增大，然后通過(guò)輸出軸螺紋副將電動(dòng)制動(dòng)單元輸出的扭矩轉(zhuǎn)化為直線活塞推力，從而推動(dòng)制動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)將推力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)塊貼緊至制動(dòng)盤(pán)上的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減速或者駐車(chē)制動(dòng)目的。

2 研究分析過(guò)程

2.1 MGU卡鉗結(jié)構(gòu)

MGU卡鉗結(jié)構(gòu)由三大部分組成，“傳統(tǒng)卡鉗結(jié)構(gòu)”“MGU”“傳動(dòng)結(jié)構(gòu)”，文章分析主要從MGU、傳動(dòng)部分；通過(guò)車(chē)輛駐車(chē)所需要的活塞夾緊力做為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇、MGU執(zhí)行結(jié)構(gòu)的選擇，推導(dǎo)出匹配的電機(jī)型號(hào)，從而分析出在不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力與電流大小關(guān)系，有利于指導(dǎo)EPB標(biāo)定，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，更好的集成化平臺(tái)化。

2.2 車(chē)型整車(chē)參數(shù)

基于EPB的系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)及輔助功能，可以將EPB系統(tǒng)所需的整車(chē)輸入?yún)?shù)總結(jié)如表1所示。

2.3 整車(chē)極限駐車(chē)能力計(jì)算

車(chē)輛靜止在坡道上，根據(jù)車(chē)輛的參數(shù)和駐車(chē)制動(dòng)器的參數(shù)，以及路面和輪胎的摩擦系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行極限駐車(chē)能力計(jì)算。（如圖3所示）

設(shè)汽車(chē)駐車(chē)在坡道上處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)，地面給與車(chē)輪的制動(dòng)力為：可以根據(jù)地面附著情況、整車(chē)參數(shù)和坡度，計(jì)算出汽車(chē)在角度為α的上坡和下坡駐車(chē)時(shí)所需要的制動(dòng)力分別為：

式中：、—上坡駐坡極限角度、下坡駐坡極限角度。

根據(jù)（2-1）、（2-2）式，可得汽車(chē)在上、下坡駐車(chē)時(shí)的坡度傾角分別為

2.4 活塞夾緊力計(jì)算

據(jù)汽車(chē)停駐在（20%、30%）的坡度上計(jì)算

2.5 MGU執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩計(jì)算

（1）根據(jù)車(chē)輛停放坡度，靜摩擦系數(shù)0.28～0.3根據(jù)活塞夾緊力計(jì)算公式“3-2”（？），得出活塞夾緊力F活塞α2*1.1=F。

（2）EPB制動(dòng)鉗主要傳動(dòng)方式選擇，示意圖如圖4所示。

螺紋傳動(dòng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；易自鎖；螺紋有側(cè)向間隙，反向時(shí)有空行程，定位精度和軸向剛度較差；摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低；磨損快，但相對(duì)“滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)”，有較高的成本優(yōu)勢(shì)，目前在項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，問(wèn)題故障率也逐步降低。

（3）文章主要采用螺紋傳動(dòng)。

根據(jù)活塞夾緊力F以及相關(guān)分析計(jì)算過(guò)程得出，MGU執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩T和活塞夾緊力F的關(guān)系式。

式中：為推力軸承摩擦系數(shù)

為推力軸承滾針中經(jīng)（mm）

為活塞夾緊力

2.6 電機(jī)扭矩計(jì)算

EPB執(zhí)行機(jī)構(gòu)：MGU執(zhí)行器是EPB卡鉗總成的關(guān)鍵組成部分之一。它主要由電機(jī)，行星齒輪組成。（圖5）當(dāng)車(chē)輛有制動(dòng)請(qǐng)求時(shí)，電子控制器向執(zhí)行器發(fā)出指令，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得卡鉗夾緊。當(dāng)解除制動(dòng)時(shí)，電子控制器向執(zhí)行器總成發(fā)送相反指令，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，將蝸輪蝸桿向外推動(dòng)。

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)，確定傳動(dòng)比從而確定電機(jī)扭矩：

式中：

為電機(jī)扭矩（m*Nm）

為MGU執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩

為傳動(dòng)比

為傳動(dòng)效率

2.7 電機(jī)選型

直流電機(jī)的選型，通常是按照負(fù)載性質(zhì)、啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、工作環(huán)境等要求，來(lái)選擇電機(jī)的類(lèi)型及安裝方式的，主要需要確定如下幾種參數(shù)指標(biāo)。

（1）功率是按負(fù)載轉(zhuǎn)矩；（2）結(jié)構(gòu)型式選擇是按使用場(chǎng)所的工作環(huán)境；（3）額定轉(zhuǎn)速選擇是按目標(biāo)產(chǎn)品的速度、轉(zhuǎn)速、電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程性能要求、機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度；（4）所選電機(jī)還必須符合節(jié)能要求。

2.7.1 各型電機(jī)的優(yōu)劣

采用的電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)；直流有刷電機(jī)有機(jī)械換向器，壽命有限，體積質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速較低，但價(jià)格低廉；無(wú)刷直流電機(jī)用電子元器件取代了碳刷，使得電機(jī)運(yùn)行噪聲小，壽命長(zhǎng)，但增加了位置傳感器，成本增加；永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，調(diào)速范圍高，電機(jī)結(jié)構(gòu)也更加緊湊，但控制更加復(fù)雜；根據(jù)電機(jī)選型和各種電機(jī)優(yōu)劣結(jié)合行業(yè)一般性規(guī)則，其選擇較低的直流有刷電機(jī)作，為首選項(xiàng)。

2.7.2 電機(jī)確定

根據(jù)“T電機(jī)參數(shù)”“各型電機(jī)的優(yōu)劣”“電機(jī)選型”，選擇合適的電機(jī)選型，其參數(shù)填入下表7。

根據(jù)以上參數(shù)確認(rèn)一款滿足要求的電機(jī)型號(hào)“X”，從而確定電機(jī)特性參數(shù)；見(jiàn)表8。

涉及電機(jī)部分相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下。

無(wú)負(fù)荷轉(zhuǎn)速：

堵轉(zhuǎn)電流：

堵轉(zhuǎn)扭矩：

負(fù)荷電流：

式中：

為電壓

為電機(jī)空載轉(zhuǎn)速

為環(huán)境溫度

為堵轉(zhuǎn)電流（額定）

為堵轉(zhuǎn)扭矩（額定）

通過(guò)以上理論分析，以某車(chē)型整車(chē)確認(rèn)的“MGU卡鉗傳動(dòng)部件參數(shù)”“執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)”在最小靜摩擦系統(tǒng)0.28時(shí)，滿載駐坡30%時(shí)推其駐坡夾緊力按“附2”查證夾緊力19254.4N進(jìn)行舉證分析，對(duì)MGU電機(jī)，其使用工作電壓9V～16V工作溫度：－40℃～90℃各溫度條件下所需電流大小和滿載駐坡30%時(shí)通過(guò)夾緊力19254.4N，按附4表，查證其電機(jī)扭矩185 m Nm。代入相應(yīng)公式計(jì)算，得出不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力和負(fù)荷電流。

2.8 MGU卡鉗臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

2.8.1 試驗(yàn)設(shè)備：EPB綜合試驗(yàn)臺(tái)（如圖6所示）

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）設(shè)備：一體式綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

（2）試驗(yàn)裝置：如下圖7。

裝有壓力傳感器的模擬制動(dòng)盤(pán)

連接EPB控制器系統(tǒng)

實(shí)車(chē)安裝角度

試驗(yàn)的方法。

1）將EPB卡鉗總成的摩擦片更換為金屬材質(zhì)摩擦片，按實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)固定到支撐板上，制動(dòng)盤(pán)可用模擬制動(dòng)盤(pán)，再將EPB通過(guò)線束插接器，與EPB控制系統(tǒng)連接起來(lái)。

按以下條件進(jìn)行試驗(yàn)。

2）電源電壓：見(jiàn)下表10所示。

3）試驗(yàn)環(huán)境溫度，見(jiàn)下表11所示。

4）電流：無(wú)限制。

5）點(diǎn)擊一體式綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)始按鈕，在不同溫度/電壓下的測(cè)試5次駐車(chē)/釋放循環(huán)動(dòng)作，記錄不同的試驗(yàn)條件下的夾緊力、執(zhí)行時(shí)間、釋放時(shí)間。（備注：每個(gè)溫度點(diǎn)保持1h后選行測(cè)試）。

2.8.2 試驗(yàn)結(jié)論

MGU電機(jī)在30%坡道上駐坡不同溫度、電壓下所需電流臺(tái)架測(cè)試結(jié)論（和理論數(shù)據(jù)類(lèi)同）。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)MGU傳動(dòng)卡鉗、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、MGU執(zhí)行機(jī)構(gòu)性性能進(jìn)行選型分析匹配計(jì)算，為通過(guò)理論匹配確定MGU卡鉗在不同溫度條件下駐車(chē)夾緊力與對(duì)應(yīng)電流大小關(guān)系建立了基定基礎(chǔ)。

（2）通過(guò)極限駐坡角度，通過(guò)理論計(jì)算匹配，確定MGU卡鉗執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的最大執(zhí)行電流。

（3）通過(guò)理論匹配利加速EPB標(biāo)定的開(kāi)發(fā)，提升平臺(tái)通用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法：GB126761999[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，1999.

[2]王宵峰.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]劉維信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6]黃國(guó)治，傅豐禮.中小旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[7]方泳龍.汽車(chē)制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[8]黃鍵，李薇，辜振宇.駐車(chē)制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2004，27：94-97.

[9]饒振綱.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[10]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)第七版[M].北京：高等教育出版社，2003.

[11]羅名佑.行星齒輪結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，1983.

[12]王文斌.減速器和變速器第3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[13]郁明山.現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[14]庫(kù)德里亞夫采夫，基爾佳舍夫.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：治金工業(yè)出版社，1986.