電子駐車系統(tǒng)畢業(yè)設計論文

1、合 肥 工 業(yè) 大 學目 錄摘要21 緒論41.1 引言41.2 電子駐車制動系統(tǒng)國內外發(fā)展現狀綜述41.3 研究的意義和主要內容61.3.1 傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)存在的問題61.3.2 研究的意義61.3.3 研究的主要內容72 電子駐車制動系統(tǒng)原理和設計分析82.1傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)的組成與結構82.2 電子駐車制動系統(tǒng)概述92.2.1 電子駐車制動系統(tǒng)的原理102.2.2 電子駐車制動系統(tǒng)的優(yōu)點102.2.3 電子駐車制動系統(tǒng)需要面對的問題122.3 駐車系統(tǒng)的國家標準122.4 本章小結133 機械結構設計與優(yōu)化143.1 汽車電子駐車制動系統(tǒng)典型機械結構143.2 汽車電子駐車制動執(zhí)

2、行機構的總體結構設計183.3 汽車電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構的各部件設計193.3.1 驅動電機的設計193.3.2 減速器設計203.3.3運動轉換裝置設計233.3.4 制動器設計233.4 汽車電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構方案對比243.5 本章小結264 電子駐車制動系統(tǒng)相關參數計算274.1 參數采集模塊設計研究274.1.1 車速計算方法274.1.2 駐車制動盤壓力的計算方法294.2 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構參數確定304.2.1 滑動絲杠的計算與選型304.2.2 電機的計算與選型、傳動比的設計與計算324.2.3 同步帶的計算334.2.4 減速器設計與計算345 電子駐車控制

3、系統(tǒng)設計375.1 常規(guī)駐車制動控制策略375.1.1 實施駐車制動375.1.2 解除駐車制動385.2 擴展功能的控制策略設計396結論41謝 辭42參考文獻43電子駐車系統(tǒng)摘要：本文介紹了電子駐車系統(tǒng)(EPB)的國內外研究現狀及傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)所存在的問題，闡述了電子駐車制動系統(tǒng)的基本原理，機械結構的設計與分析以及制動力、車速、減速機構的傳動比等參數的計算，并在計算的基礎上建立三維模型。研究了EPB的基本功能（實施駐車制動和解除駐車制動）,擴展功能（智能自動駐車、坡道輔助起步、行車間應急制動、強制解除駐車制動、節(jié)能自動關閉及喚醒）的控制策略。最后對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，完成模型的建立。

4、關鍵詞：電子駐車系統(tǒng)，機械結構設計，建模 Abstract：This paper introduced the research actuality of EPB (Electrical Park Brake) and the shortcomings of Mechanical parking brake system .It expounded EPBs basic principle , design and analysis of the machine structure, then, calculated the parameters such as braking force,

5、vehicle speed and reduction ratio .Following this , the 3D model was built . After studying EPBs basic functions(start and remove the parking brake), extended functions (intelligent automatic parking, hill-start assist system, emergency brake, forced parking-brake- removing, automatic control)，optim

6、ized design of the system and completed the model in the end.Keywords: electric parking brake, mechanical design, model construction1 緒論1.1 引言 隨著物質財富的增加,人們對于出行質量要求不斷提高,汽車作為重要的交通工具其要求不再局限于汽車外形,汽車的安全性、舒適性、便捷性已經成為重要的評價標準,特別是對舒適性要求最高。尤其是我國車主,不僅存在著道路交通擁擠,道路條件復雜等駕駛環(huán)境問題,還存在著駕駛員自身狀況和駕駛經驗和技術等方面的問題,因此,車輛行駛的安全

7、性問題對于我國車主而言尤其重要,而汽車制動及其輔助系統(tǒng)作為保障汽車行駛安全的主力配置,不斷對其進行改進顯得尤為必要,而駐車制動系統(tǒng)是車輛制動系統(tǒng)的重要組成部分之一,也在不斷的創(chuàng)新和改進中。汽車駐車制動系統(tǒng)俗稱手剎,其用途為在汽車在路面或坡道上停駐吋,駐車制動系統(tǒng)通過制動器鎖住傳動軸(中央制動器)或者車輪(輪邊制動器),以避免車輛溜滑,此外,當汽車在行駛過程中突遇緊急情況需要迅速制動時,駐車制動系統(tǒng)可以和行車制動系統(tǒng)共同作用,以實現緊急制動。在汽車設計中,為保障制動系統(tǒng)的可靠性,駐車制動系統(tǒng)和行車制動系統(tǒng)為獨立工作的裝置,從而在一套裝置失效時另外一套制動裝置仍然能夠有效起到制動作用。目前,一般車

8、輛上廣泛使用著機械式傳動方式的人力機械式駐車制動系統(tǒng),它通過駕駛員手動操縱制動手柄來實現駐車制動功能。汽車電子駐車制動系統(tǒng)(Electronic Parking Brake system)即EPB已經成功研制并得到了成熟的應用,它采用了電子控制系統(tǒng)的控制后輪上新增的驅動機構來實現駐車制動，因此它也具有更高的安全性、舒適性和良好的操縱性能。1.2 電子駐車制動系統(tǒng)國內外發(fā)展現狀綜述根據北京奧爾威咨詢有限公司最近完成的2009-2010年中國電子駐車制動器(EPB)行業(yè)發(fā)展分析報告中顯示：電子駐車制動產品技術最早出現于1998年，該產品是傳統(tǒng)手剎的替代品：擁有一鍵制動和自動制動的功能并能大大節(jié)省車

9、內空間。EPB分為兩類：鋼索牽引式(Cable Puller Type)和整合卡鉗(Caliper Intergrated Type)，（如圖1-1、1-2）。 圖1-1 鋼索牽引式(Cable Puller Type)圖1-2 整合卡鉗式(Caliper Intergrated Type) 電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)產品由美國TRW公司最先提出概念并成功研發(fā),于2001年最先配備在菲亞特中高級轎車Lancia上,隨后配備到北美和歐洲地區(qū)的許多車型上,截止2009年,天合(TRW) EPB系統(tǒng)的產量已經突破1000萬套,占據全球一半的市場份額。目前,主要參與EPB產品競爭的有:TRW、Cont

10、inental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Dura、Brose、Mando 等。至2008年,歐洲已有300萬輛車配置了電子駐車制動器(EPB),2015年這一數字將增至1100萬。由此可見，國外EPB的研究已經相當成熟，具備了研制產品和制定相關標準的能力。 在我國,電子駐車制動器(EPB)系統(tǒng)起步較晚,從2008年才由天合(TRW)廊坊的工廠幵始小批量生產。目前,我國配置電子駐車制動器(EPB)系統(tǒng)的都是合資的或外資品牌的整車廠商的高端車型:一汽大眾的奧迪、邁騰,上海大眾的途觀,上海通用的別克等。這些車型的EPB均由天合(TRW)、大陸(Continental)等外

11、資EPB供應商供應?？傮w來說，我國的EPB研究還需要進一步提升。1.3 研究的意義和主要內容1.3.1 傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)存在的問題 傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)存在著許多問題，相信有過駕駛經驗的初學者應該深有體會。由于傳統(tǒng)式駐車制動帶來的事故比比皆是。傳統(tǒng)式駐車制動系統(tǒng)的缺點主要體現在:1) 傳統(tǒng)機械式制動系統(tǒng)需要一定的臂力才拉得動，對于一些女性駕駛員來說，顯得尤為困難。尤其是在市區(qū)行車時經常發(fā)生堵車，需要頻繁拉到手剎，這種問題就會顯得比較突出，嚴重的情況下還可能制動不及時引發(fā)事故；2) 當手剎拉動駐車后，再次起步的過程中由于疏忽很可能忘記釋放手剎，而給制動器帶來嚴重損害，也會帶來一定的安全隱

12、患；在坡道起步時,如果駕駛員缺乏經驗而導致溜車現象,也會容易導致車輛撞上后面的車輛或行人；3) 機械駐車制動系統(tǒng)只能實現單一的功能,無法與ABS、ESP等汽車上其他的電子控制系統(tǒng)進行輔助控制,無法與車輛進行數據共享和信息交流；4) 對于機械式駐車制動系統(tǒng),通常其會占用較大的車內空間,不利于未來車輛概念的設計。 而電子駐車制動系統(tǒng)則可以避免上述傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)的缺點，從而實現方便，安全的駐車制動。1.3.2 研究的意義汽車產業(yè)的發(fā)展水平代表著一個國家和地區(qū)工業(yè)制造生產、高科技研發(fā)和軟硬件創(chuàng)新實力發(fā)展的水平高低，現代汽車產業(yè)向著智能化、信息化、電子化的趨勢發(fā)展，電子駐車制動系統(tǒng)適應了汽車發(fā)展

13、的潮流，同時具有優(yōu)良的駐車制動效果以及較為寬泛的擴展功能。我國電子駐車制動系統(tǒng)還不成熟，還需要更多的研究來支撐這一技術的發(fā)展和國產化。1.3.3 研究的主要內容本文介紹了電子駐車系統(tǒng)(EPB)的國內外研究現狀及傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)所存在的問題，闡述了電子駐車制動系統(tǒng)的基本原理及其優(yōu)點，機械結構的設計與分析以及制動力、車速、減速機構的傳動比等參數的計算，并在計算的基礎上建立三維模型。研究了EPB的基本功能（實施駐車制動和解除駐車制動）,擴展功能（智能自動駐車、坡道輔助起步、行車間應急制動、強制解除駐車制動、節(jié)能自動關閉及喚醒）的控制策略。最后對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，完成模型的建立。本文研究的主要內

14、容：1） 電子駐車制動系統(tǒng)概述及其特點分析2）基于國標的電子駐車制動系統(tǒng)的標準分析及擴展功能的作用和其技術實 現的難點;3）基于電子駐車制動系統(tǒng)分析的系統(tǒng)設計,重點研究了機械結構的設計；4）對電子駐牢制動系統(tǒng)的控制策略進行了研究,主要研究了常規(guī)制動下的駐車 制動實施、解除、輔助坡道起步等的控制策略；5）機械結構整體模型的建立。2 電子駐車制動系統(tǒng)原理和設計分析 我國絕大部分車型目前仍然沿用傳統(tǒng)的機械式駐車制動系統(tǒng),因此,首先分析其結構特點,其次研究駐車制動系統(tǒng)的要求作為設計依據,最后制定一套合理的滿足要求的設計方案,以實現安全可靠的駐車。2.1傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)的組成與結構 傳統(tǒng)駐車制動裝置一般

15、包括三個部分:手剎車控制部分、傳動機構和制動器手剎車控制部分由手剎車操縱桿、按扭、棘爪、棘輪結構組成,其作用是按一定傳動比將手操縱力傳到鋼索上。鋼索作為傳動部件,其實質為一個應用杠桿原理的機械總成,該機械總成通過拉索作用在盤式或鼓式制動器上。傳統(tǒng)機械駐車裝置如圖2-1。1 手剎車操縱桿 2.按鈕 3.棘爪 4.棘輪 5.滑輪 6.鋼索7.制動鼓 8.駐車制動搖臂 9.輪缸 10.自調機構 11.制動蹄圖2-1 傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)結構示意圖傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)的操作方式及工作原理(以鼓式駐車制動器為例):(1) 無操作的狀態(tài) 常態(tài)指靜止狀態(tài)時,棘爪咬合在棘輪上,所實現的一種機械自鎖狀態(tài)。此時通過操縱桿

16、總成的杠桿放大作用將制動力施加在制動器上,保持汽車處于駐車時緊鎖狀態(tài)或非駐車時的放松狀態(tài)。(2) 實施制動 對傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)實施制動時,操作應先按下按鈕使棘爪脫離棘輪解除自鎖,這樣方可對操作桿執(zhí)行上拉操作。在杠桿效應的作用下,放大駕駛員的拉力,使之作用在鋼索上,經過鋼索傳達給制動器。在制動器內部,拉索拉動制動蹄片產生形變壓在制動鼓上,產生的摩擦力即為汽車駐車的制動力。(3) 解除制動 對傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)解除制動時,同樣需要按下按鈕,然后對操縱桿進行下推操作。杠桿轉動,使拉索所承受的拉力減小,并逐漸放松。在制動器內部,拉索松開后,由于制動蹄片自帶的彈性機構使其回位,離開制動鼓,當制動蹄片與制動

17、鼓不再接觸時,汽車駐車制動力將完全解除。由以上對傳統(tǒng)駐車結構與工作方式的分析可見,傳統(tǒng)駐車制動的核心部分是由杠桿機構所組成的手剎車操作機械總成。只有對此總成進行重新設計,才能從根本上實現對汽車駐車制動系統(tǒng)的改革升級。2.2 電子駐車制動系統(tǒng)概述 和其他許多先進的技術和系統(tǒng)來源于飛機上的應用一樣,線控技術最初也是應用于飛機的控制上一樣,而本文所講述的電子駐車制動系統(tǒng)則屬于線控技術的一類應用。飛機的新型飛行控制系統(tǒng)是一種線控系統(tǒng)(Fly-by-Wire),通過該系統(tǒng),將飛機飛行員的控制命令轉換成電信號,利用計算機對電信號的計算處理,按照預設模型來控制飛機的飛行。類似的將這種控制理念移植到汽車控制上

18、,則是通過傳感器把駕駛員的操縱動作信息轉化成電信號,經由網絡傳輸和功率放大電路來控制執(zhí)行機構。圖2-2是線控過程。人機接口電信號（模擬或數字）執(zhí)行機構傳感裝置功能裝置圖2-2 線控系統(tǒng)組成框圖線控系統(tǒng)實質就是在需要有機構動作的地方不是應用液壓系統(tǒng)來傳遞操縱動作,而是利用弱電信號再控制強電執(zhí)行機構來完成。電子駐車制動系統(tǒng)就是一類采用線控技術進行控制的裝置。電子駐車制動技術不僅僅是一種簡單的替代,用電子控制電驅動技術取代原來的機械或液壓力傳動,而是在實現車輛保持長時性制動功能的基礎上整合了緩速制動功能。2.2.1 電子駐車制動系統(tǒng)的原理實施駐車制動 ：EPB 電控單元根據各傳感器和ABS電控單元傳

19、輸的動態(tài)數據，經過相應的計算處理，向伺服電機發(fā)出控制指令，驅動電機旋轉，電機的輸出轉矩經過同步帶傳動與齒輪傳動機構在減速增扭之后，通過螺旋傳動機構將旋轉運動轉換成為直線運動，最終使制動器產生制動力矩，是通過制動輪缸活塞的推動動力產生的。解除駐車制動 ：EPB 電控單元根據各傳感器和ABS電控單元傳輸的動態(tài)數據，經過相應的計算處理，向伺服電機發(fā)出控制指令，驅動伺服電機反向旋轉，制動摩擦塊在傳動機構的帶動下自動釋放，解除駐車制動。由于減速機構傳動比很大，電動機旋轉一周，螺旋傳動機構推動制動輪缸活塞的位移很小，所以通過控制伺服電機的轉速來控制固定原件（制動摩擦片）與旋轉原件（制動鼓或制動器）之間的間

20、隙（制動器間隙），從而實現制動間隙的自動調整。2.2.2 電子駐車制動系統(tǒng)的優(yōu)點電子駐車制動由于突出的優(yōu)點已經被公認為未來汽車新技術的發(fā)展方向。目前,其仍處于研究和優(yōu)化階段,相對于傳統(tǒng)制動系統(tǒng),線控制動具有以下優(yōu)點。1） 零部件簡單，裝配方便,減少液壓與機械控制裝置,操縱方便,更加的人性化;2） 智能電子控制單元的介入提高了制動時系統(tǒng)的可靠性和安全性,同時可以與其他系統(tǒng)進行輔助作用,實現數據共享和信息交流;3） 只需要一個按鈕，減少了車內空間的占用，使車內更加簡約整潔。圖2-3 電子駐車制動系統(tǒng)制動按鈕圖2-4 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構示意圖圖2-5 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構電機及減速機 2.

21、2.3 電子駐車制動系統(tǒng)需要面對的問題 線控技術是車輛智能化的基石和目前現有技術，要實現電子駐車制動功能，有以下關鍵技術。 1） 電源問題 現在汽車普遍采用的是電源電壓為12V，蓄電池的工作電壓為14V,而線控系統(tǒng)需要較大的能源消耗，則要求汽車有更大的能源供應,對于此較大的用電系統(tǒng),安全問題也需要認真設計。 2) 傳感器 先進汽車技術發(fā)展的顯著標志就是更加廣泛的部件和系統(tǒng)實行電子控制。而傳感器的信息采集和反饋精度決定著汽車電子控制系統(tǒng)的控制效果。因此,傳感器技術的發(fā)展直接關系著整個汽車電子控制系統(tǒng)的性能。汽車電子駐車制動系統(tǒng)EPB中涉及到的傳感器有:車輪速度傳感器、踏板行程傳感器、駐車坡度傳感

22、器等。 3） 總線技術 車用總線是指用于車載網絡中底層的車用設備或車用儀表互聯的通訊網絡，目前汽車應用的通信網絡包括CAN總線、MOST總線、LIN總線、FlexRay總線等。EPB使用的總線技術采用的是CAN總線，與一般通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，他在汽車領域的應用最為廣泛，世界上一些知名汽車廠商均采用CAN總線來實現汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測與執(zhí)行機構的數據通信。對于下一代的汽車通訊網絡系統(tǒng),還應有良好的容錯功能和確定的消息傳輸時間。由于本文主要研究電子駐車系統(tǒng)的機械結構，這里不再贅述。2.3 駐車系統(tǒng)的國家標準 國家對制動系統(tǒng)有一系列相關的強制性標準

23、,對制動系統(tǒng)的結構性能做出了嚴格規(guī)定,以保障車輛和人員安全。如GB1276-1999汽車制動系統(tǒng)結構、性能和試驗方法以及GB7258-2004機動車運行安全條件等,其具體要求如下: 1) 行車制動的控制裝置和駐車制動的控制裝置要相互獨立；2) 采用彈簧儲能制動裝置做駐車制動時,應保證在失效狀態(tài)下能快速解除駐車狀態(tài)；如需使用專用工具,這種工具應作為隨車工具；3) 駐車制動應該能保證在無人的情況下在上、下坡上可靠制動。其駐車操作必須允許駕駛員在座位上就可以完成。對于汽車列車和輪式拖拉機運輸機組,若掛車與牽引車脫離,掛車(由輪式拖拉機牽引的裝載質量3000kg以下的掛車除外)應能產生駐車制動。掛車的

24、駐車制動裝置應能夠由站在地面上的人實施操縱；4) 駐車制動應通過純機械裝置把工作部件鎖止,并且駕駛員施加于操縱裝置上的力：手操縱時,乘用車不應大于400N,其它機動車不應大于600N；腳操縱時,乘用車不應大于50ON,其它機動車不應大于700N；5) 駐車制動的控制裝置的安裝位置要適當，其操縱裝置應有足夠的儲備行程(開關類操作裝置除外),一般應在操縱裝置全行程的三分之二以內產生規(guī)定的制動效能；駐車制動機構裝有自動調節(jié)裝置時允許在全行程的四分之三以內達到規(guī)定的制動效能。棘輪式制動操縱裝置應保證在達到規(guī)定駐車制動效能時,操縱桿往復拉動的次數不允許超過三次；6) 駐車制動性能的檢驗:在空載狀態(tài)下,駐

25、車制動裝置應能保證機動車在坡度為20%(對總質量為整備質量的1.2倍以下的機動車為15%)、輪胎與路面間的附著系數不小于0.7的坡道上正、反兩個方向保持固定不動,其時間不應少于5min。對于允許掛接掛車的汽車,其駐車制動裝置必須能使汽車列車在滿載狀態(tài)下時能停在坡度為12%的坡道(坡道上輪胎與路面間的附著系數不應小于0.7)上；7) 制動襯片(塊)磨損小,制動間隙的檢查、調整和制動襯片(塊)的更換應方便；8) 各部件特別是車輪制動器的尺寸和質量應盡可能小。2.4 本章小結 本章主要討論了傳統(tǒng)機械式駐車制動系統(tǒng)的結構及其存在的問題,然后敘述了電子駐車制動系統(tǒng)的結構組成、原理以及其優(yōu)點,并對駐車制動

26、系統(tǒng)的相關國家標準及評價指標進行了相關的分析。3 機械結構設計與優(yōu)化3.1 汽車電子駐車制動系統(tǒng)典型機械結構為了更好地研究駐車制動系統(tǒng)，要首先了解一下國內外幾大駐車制動系統(tǒng)的生產廠家生產的EPB產品。下面介紹一下市場上幾款主要的機械式制動產品。（1）西門子公司的電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構圖3-1是德國西門子公司研制的一種電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構。圖3-1 西門子電子機械制動系統(tǒng)結構圖和實物圖這種電子機械制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構的力矩電機內置,圖3-1中,當電機正常工作時,轉子在轉動,使螺母和心軸一起做軸向運動,就把轉動轉化為直線運動(轉子和螺母嚙合,螺母與心軸固接在一起)。杠桿末端插在制動器缸內的凹槽

27、里,能夠繞凹槽轉動。心軸在軸向推動增力杠桿與壓力盤。隨后壓力盤把力傳遞給了傳動套筒,傳動套筒和活塞之間又通過螺紋傳動。制動活塞推動浮動制動鉗塊,并產生制動力矩。彈簧和橡膠密封環(huán)的主要作用是在制動后用來使制動活塞等零件回到原位。當活塞向右移動時,活塞使橡膠環(huán)產生彈性變形,產生了作用在制動活塞上的回位力。當制動結束后,傳動套筒和制動活塞在橡膠環(huán)的彈性形變力下被推到原位。(2)大陸特威斯公司的EMB執(zhí)行器 該執(zhí)行機構也采用的電機內置結構,且采用模塊化,其整個機構分為了3個獨立模塊,分別為驅動模塊,一級絲杠螺母減速模塊和二級減速齒輪模塊,3個部分在生產、維修、安裝時可以獨立地進行,然后再組裝在一起進行

28、工作。如圖3-2所示。 1 制動盤 2 制動鉗 3銷釬 4絲杠 5電磁鐵 6銷釘 7棘輪 8齒圈 9行星輪架 10、14齒輪 11螺母軸頸 12、13行星輪 15轉子 16定子 17滾珠 18螺母 19壓盤圖3-2 大陸特威斯公司的電子機械制動系統(tǒng)結構圖和實物圖 在驅動部分中包含力矩電機,15和16分別是電機轉子和電機定子。一級滾珠絲杠螺母副是由螺旋心軸4,螺旋螺母18和大量鋼珠17組成的。二級減速齒輪由8、9、12、13組成的一個行星輪系。當電機15轉動時,其上的零件10并帶動減速齒輪模塊的行星輪13轉動,同時另側齒輪12與齒圈8相互嚙合,這樣力矩便通過旋轉的行星輪架9傳遞給了一級減速機構中

29、的螺母軸頸11。當螺母18由二級減速齒輪驅動旋轉時,通過球螺旋副螺旋心軸4產生向左的平動,推動壓盤19和制動鉗塊2并與制動盤1接觸,產生制動的力矩。在驅動模塊中還有個棘輪機構用來實現駐車的功能。其通過電磁鐵5是否通斷電,來控制電機的轉子15是否旋轉。當電機轉子15不轉動時,就可以保持制動力,從而達到駐車目的。(3) 德國博世公司的電子機械制動器 德國博世公司的電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構如圖3-3所示.這種執(zhí)行機構工作時,動力由電機的輸入端5輸入到內部的行星輪系10、12,然后再傳遞給19,再經螺母17、螺紋心軸19和螺紋滾柱18組成的行星齒輪機構轉化為17的直線運動。螺母17推動制動鉗塊22,將

30、制動力施加在制動盤21上。摩擦盤8與太陽輪巧通過杯形彈簧16固結在一起,12的行星齒圈26與摩擦盤2以同樣的方式固結。在兩個行星輪系10,12之間有兩個電磁離合器7和11。當它們通電時,摩擦盤2和8分別與11和7結合,并同步運動。不通電時,摩擦盤2受制動環(huán)的限制無法轉動。1、26齒圈 2、8摩擦盤 3、9銷釘 4、13行星輪 5電機輸入軸 6、15太陽輪 7、11電磁離合器 10、12行星輪系 14行星輪架 16、25杯形簧 17螺母 18螺紋滾柱 19螺紋心軸 20、22制動鉗塊 21制動盤 24制動環(huán)圖3-3 德國博世公司的電子機械制動器結構簡圖（4）西門子VDO公司的EWB執(zhí)行器 如圖3

31、-4所示,配備EWB的車輛的每一車輪均配備一獨立的電子機械制動模塊,該模塊由電機、滾珠絲杠、楔塊、連接部件、制動襯片、圓形滾柱組成。當兩電機轉動時,其分別帶動兩滾珠絲杠轉動,滾珠絲杠并將電機轉動轉為直線運動,兩個滾珠絲杠綜合作用將帶動連接部件的拉塊來做直線運動,連接部件拉塊是和后楔塊機構固接在一起的,后楔塊必然隨著連接部件的拉塊相對前楔塊運動,而前楔塊相對制動鉗體又是固定的,后楔塊在連接部件拉塊帶動下,通過圓形滾柱,“遠離”后楔塊壓緊制動盤,實現了制動。此機構中采用多個圓形滾柱是為減輕楔塊磨損12。圖3-4 西門子VDO公司EWB執(zhí)行器結構圖（5） 美國天合公司的電子駐車制動器如圖3-5為目前

32、已裝備在國產奧迪A6L上的天合公司的EPB電子駐車制動結構。該制動機構由電子駐車按鈕手動來操作,并兼?zhèn)淇刂乒δ?。電子駐車制動系統(tǒng)由裝有電機、行星減速機構、左、右后制動鉗和電控單元組成的,該系統(tǒng)的電控單元與整車控制器局域網通訊,并對左、右后卡鉗上的電機進行控制。當要駐車時,駐車按鈕被按下,操作信號并反饋給了電控單元,再由電控單元來控制電機和行星減速機構工作,對制動鉗實施制動。常用自動控制功能一般有兩種。一種是發(fā)動機熄火后,系統(tǒng)通過整車CAN與系統(tǒng)的電控單元聯合來控制電機,對后制動鉗實施制動的。另一種是坡度駛離,在坡上,車輛起步時,電控單元控制后輪制動鉗,使其自動松開,車輛自動駛離。圖3-5 天合

33、公司的電子機械駐車制動器結構圖及實物圖從以上幾種電子機械制動系統(tǒng)中可以看出博世公司和美國天合公司的電子機械制動執(zhí)行機構沒有把力矩電機安裝在機構內部,采用的是電機外置結構,而西門子和大陸.特威斯公司采用的都是電機內置的結構,把電機的定子和轉子與其他零件接合在一起。這種布置方式能夠使結構更緊湊,體積更小巧,但同時也增加了結構的復雜性,可以說各有利與弊。博世公司研制的電子機械制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構內部都含有電磁離合器,但是電磁離合器的作用不盡相同,經歷了一個結構由復雜到簡單,功能由簡單到復雜的過程。同時工作方式變得更加清晰,功能更加多樣。西門子VDO公司的EWB間接利用了汽車的動能作為制動自增力,驅動電

34、機所需要功率可大幅下降,所以所需電機的體積、尺寸和重量均可減小,能用傳統(tǒng)的12V汽車電源系統(tǒng)驅動,不過由于EWB的控制難度大,制動穩(wěn)定性不如前者,而且結構較為復雜,不易加工。西門子公司的EMB還具備間隙自動調整功能這種制動盤和制動墊塊的間隙自動補償方式是其特有的結構,完全是由執(zhí)行機構本身的機械結構自動實現的。美國天合公司EPB是集液壓行車制動系統(tǒng)和電子駐車制動系統(tǒng)于一體的,這樣缸內的機構設計會比較復雜,而且密封也比較不易達到。3.2 汽車電子駐車制動執(zhí)行機構的總體結構設計 汽車電子駐車制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構是非常復雜的，它利用電制動代替了原有的手動制動，為了保證新系統(tǒng)與原有手動制動系統(tǒng)的車輪和其它

35、配件的正常裝配，因此機械執(zhí)行機構必須安裝在車輪輪轂內的空腔中，由于空腔尺寸的限制，電機的尺寸以及減速裝置的設計都受到了限制。從3.1節(jié)的幾種電子制動系統(tǒng)的典型結構可以看出，電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構一般分為兩種類型：第一類是電動機直接帶動機械執(zhí)行機構，然后作用在制動盤上，其典型結構是大陸公司研發(fā)的制動器，如圖3-2，德國博世公司的電子機械制動器，如圖3-3，美國天合公司的電子駐車制動器如圖3-5，第二類是電動機通過一個自增力機構，間接作用到制動盤上，可以大大降低系統(tǒng)所消耗的能量，其典型結構是西門子公司研究的制動器圖3-1，西門子VDO公司研發(fā)的制動器圖3-4,。第一類結構方案相對于第二類結構方案

36、，結構簡單，工作可靠，制動過程穩(wěn)定，本文選用第一類方案進行研究。第一類電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行器一般有三個基本部分組成：電機、傳動裝置和制動鉗體，而其中傳動裝置又包括減速增扭裝置和運動轉換裝置。電子駐車制動系統(tǒng)的原理圖如圖3-6所示。圖3-6 電子駐車制動系統(tǒng)的原理圖電機經減速器減速增扭,再由轉換裝置將旋轉運動轉換為直線運動,驅動制動塊對制動盤進行制動,電機的運動由電子機械制動系統(tǒng)控制器控制。電子駐車制動系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構是本論文的重點研究方向,在展開具體的設計計算過程前,先要對機械執(zhí)行機構的各部件進行選擇。3.3 汽車電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構的各部件設計3.3.1 驅動電機的設計廣義上講,電機是

37、電能的變換裝置,包括靜止電機和旋轉電機。旋轉電機根據電磁感應原理來實現電能與機械能相互轉換的一種轉換裝置。一般所用的電機都是旋轉電機。眾所周知,電機是傳動以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分,在實際應用中已強調對電動機的位置、速度、轉矩進行控制。電機中最常用、最有代表性、最基本的有:功率電機、控制電機及信號電機。根據對電機性能的分析，再結合國內外駐車制動器廠家所采用的電機類型，控制電機中的永磁無刷直流電機是最適合于電子機械制動系統(tǒng),原因有以下幾點:(1) 在有刷直流電機中,由于換向器和電刷的相對滑動,會造成接觸不良和火花,易引起故障,且火花易產生電磁干擾,對電子機械制動系統(tǒng)的運轉很不利。散熱條件差,特

38、別是運轉噪音大。另外,有刷直流電機結構復雜、壽命短、難于維修；（2) 無刷直流電機用電子換向替代了電刷和換向器,不易產生火花和磨損,因而其可靠性高,壽命長。在結構上,將永磁體裝在轉子上,使電機轉子不產生熱量,從而減少了電機損耗,提高了效率。定子可通過機殼散熱,使得散熱條件得到改善,從而避免了有刷直流電機的所有缺點,具有可靠性高、壽命長、噪音低、免維護的優(yōu)點。另外,最重要一點是:無刷伺服電機在尺寸上和重量上都比有刷直流伺服電機小得多。此外,無刷直流電機也具有與普通直流電機類似的直線轉矩速度特性；(3) 無刷直流電機根據所采用的永磁材料又可分為多種。其中,永磁無刷直流電機是近年來國際上迅速發(fā)展起來

39、的一項新技術、新產品。永磁無刷直流電機具有啟動轉矩大、過載能力強、調速方便、運轉平穩(wěn)、噪音低、工作可靠等優(yōu)點。無刷直流電機集直流有刷直流電機和交流異步變頻調速電機的優(yōu)點于一身,是理想的節(jié)能、降噪的環(huán)保型產品。無刷直流電機模型如圖所示：圖無刷直流電機3.3.2 減速器設計常見的減速裝置有普通的圓柱齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動和行星齒輪傳動。由于電子駐車制動器所需的減速比很大,采用普通的圓柱齒輪減速器時,尺寸會過大,不適合在電子機械制動器中使用；蝸輪蝸桿傳動效率低、易產生自鎖、而且易磨損,所以也不適合電子駐車制動器。根據國內外的相關資料,電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構的減速裝置選用行星齒輪,因行星齒輪在質量和

40、體積較小的情況下,可實現較大的傳動比,且有效率高,運動平穩(wěn)等優(yōu)點,本文亦選用組合行星齒輪作為電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行器的減速裝置。行星齒輪傳動，如圖3-8所示。圖3- 行星齒輪傳動示意圖行星齒輪傳動基本構件:行星齒輪傳動基本代號為:X-轉臂,Z-中心輪,V-輸出軸。根據基本構件的配置情況,可將行星齒輪傳動分為2Z-X、3Z和Z-X-V幾種傳動類型,其他結構型式的行星齒輪傳動大都是它們的演化或組合。3種傳動型式中,3型行星齒輪傳動用于短期間斷工作的機械傳動裝置中最為合理,它有結構緊湊、傳動比大、傳動效率高等特點,可3Z型行星齒輪的制造和安裝較復雜。Z-X-V型漸開線少齒差行星齒輪傳動的傳動比范圍為1

41、0-100,傳動效率為0.75-0.93,結構緊湊,加工方便,但行星齒輪軸承徑向力較大,適用于中小功率,一般P18KW,個別的達到20-45KW；傳動比較大,適用于短期工作。若采用擺線針輪行星傳動,在適用于功率P100KW,任何工作制度,其傳動效率為=0.9一0.97。目前,應用廣泛,但制造精度要求較高29。由以上的論述可以看出,3Z型行星齒輪的制造和安裝比較復雜,ZXV型行星齒輪的效率低且制造精度要求高,都不符合電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構結構小巧緊湊、傳動比大、效率高的要求。從實際情況考慮,初步選擇了2X型行星齒輪傳動。下面主要介紹2X型行星齒輪,常用的2ZX型行星齒輪傳動主要有以下三種,如圖

42、所示型型型a為中心輪（太陽輪)；b為內齒圈；c、d均為行星輪；x：行星架圖型行星齒輪傳動形式X型行星齒輪傳動中各種結構的特點,如表2所示：表2.1 X型行星齒輪傳動中各種結構的特點傳動類型傳動比的范圍傳遞功率（）傳遞效率備注.其值不限.效率高,體積小,質量小,結構簡單,制造方便。使用于任何工況下的功率的傳動,可作為減速、增速和差速裝置。當轉臂的轉速很高時,行星齒輪產生很大的離心力作用在軸承上,因此,應用受到一定限制其值不限.其特點與A型相類似。但它的徑向尺寸較小,傳動比范圍較大。因采用了雙聯行星輪,故其制造安裝都較復雜。一般7時不采用。一般較低.傳動比大,效率較低,用于短期間斷工作的傳動,當轉

43、臂x為輸出件時,傳動比大于某一值后,傳動將產生自鎖根據2X型行星齒輪傳動中各種結構的特點,發(fā)現A型結構效率高、體積小、質量小、結構簡單,最適合用于電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構的減速裝置。由于需要較大的傳動比，采用型兩級減速的減速器。三維模型爆炸視圖如圖所示。圖減速器爆炸視圖3.3.3運動轉換裝置設計將轉動轉換為直線運動的裝置主要有曲柄滑塊、齒輪齒條、滑動絲杠、滾珠絲杠等幾種機構。曲柄滑塊副中滑塊是類似于活塞的形式往復運動的,無法提供相對持續(xù)的夾緊力,齒輪齒條副傳動比小,得很大的驅動齒輪力矩才能得到一定夾緊力,且齒輪軸線與齒條運動軸線相交,不利于電機等其他裝置的布置。盡管滾珠絲杠的優(yōu)點比滑動絲杠更突

44、出，但是考慮到駐車制動所需的制動力很小，同時駐車制動在完成制動后要能夠自鎖，同時考慮價格等因素，電子駐車制動系統(tǒng)選用滑動絲杠副。如圖所示。圖滑動絲杠螺母機構3.3.4 制動器設計制動器有摩擦式、電磁式和液力式等幾種。電磁式制動器雖作用滯后小、易于連接接頭可靠,但因成本高只在一部分重型汽車上用來制動器或緩速器,液力式制動器一般只用作緩速器,目前廣泛使用的仍是摩擦式制動器。摩擦式制動器按摩擦副結構形式不同,分為鼓式、盤式和帶式三種。帶式只用做中央制動器,本文不加以比較。本方案采用盤式制動器，主要有三類：固定鉗式、滑動鉗式、擺動鉗式。如圖所示。圖鉗盤式制動器示意圖鉗盤式制動器按制動鉗的結構不同,有以

45、下幾種:(a)固定鉗式,如圖（a）所示。制動鉗體固定不動,制動盤兩側均有液壓缸或機械推動裝置。制動時僅兩側缸中的制動塊向盤面移動。這種形式也稱為對置活塞式或浮動活塞式；（）滑動鉗式,如圖（）所示。制動鉗可以相對于制動盤做軸向滑動,其中只在制動盤的內側置有液壓缸或機械推動裝置,外側的制動塊固裝在鉗體上。制動時活塞在液壓或機械力的作用下使活動制動塊壓靠到制動盤,而反作用力則推動制動鉗體連同固定制動塊壓向制動盤的另一側,直到兩制動塊受力均等為止；(c)擺動鉗式,如圖（c）所示它也是單側缸結構,制動鉗體與固定于車軸上的支座鉸接。綜合考慮以上各種制動器的類型及優(yōu)點，選擇滑動鉗盤式制動器。3.4 汽車電子

46、駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構方案對比 上一節(jié)已經確定電子駐車制動系統(tǒng)的驅動電機為稀土無刷直流電機，減速器為兩級行星減速器，運動裝置為滑動絲杠螺母機構。根據電子駐車系統(tǒng)執(zhí)行機構的傳動原理以及目前加工制造技術水平，提出了兩種方案。如圖3-13所示。同步帶傳動兩級組合式行星齒輪減速器滑動絲杠副電機電機齒輪傳動兩級組合式行星齒輪減速器滑動絲杠副圖3-13 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構的兩種方案 第一種方案是將電機、同步帶、兩級組合式行星齒輪減速器、滑動絲杠副等“串聯”起來，來實現駐車制動目的。如圖3-14所示。 圖3-14 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構（方案一） 該機構的特點：電機、同步帶、行星減速器、滑動絲杠副、制

47、動襯墊依次排開，可以實現模塊化，方便安裝，同時可以采用電機外懸式結充分利用有限的空間。 第二種方案是在第一種方案的基礎上將同步帶傳動改為齒輪傳動，從而實現駐車制動的。如圖3-15所示。圖3-15 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構（方案二） 該機構的特點：電機、齒輪傳動、行星減速器、滑動絲杠副、制動襯墊依次排開，由于中間采用了齒輪傳動，整個制動器重量增加，且安裝調試不便。 綜合以上特點，決定選用方案一，它比方案二更易裝配調試，能夠自鎖,更符合駐車制動的條件。3.5 本章小結 本章首先介紹了電子駐車制動系統(tǒng)的國內外廠家設計的典型結構，其次分析了電機的選型、傳動裝置的選型、以及制動裝置的選型。提出了幾種電子

48、駐車制動系統(tǒng)的執(zhí)行方案，并分析選擇了電子駐車制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構。4 電子駐車制動系統(tǒng)相關參數計算4.1 參數采集模塊設計研究參數采集模塊的作用是采集反映車輛狀態(tài)的各種物理量,包括模擬信號和開關量,再將這些信號AD轉換成中央電子控制單元模塊可以識別并進行處理的數字信號。參數采集模塊的設計包括車速采集、發(fā)動機轉速采集、駐車電流采集、駐車制動盤壓力采集、駐車坡度采集、制動踏板行程采集、離合器踏板行程采集、加速踏板行程采集等電路組成,每個模塊均帶有獨立的總線節(jié)點實現內部和整車之間的信息交互。對應于車輛速度低于某一限值的情況下時,電子駐車系統(tǒng)就開始進行智能控制工作的功能需求,需要對車速進行采集,車速采集

49、模塊的功能即為檢測模擬的車速信號量并AD轉換為數字信號,然后經總線傳輸至中央電子控制單元。本小節(jié)即為研究各參數采集模塊的計算方法。鑒于篇幅問題，這里只討論車速采集和制動盤壓力采集的計算方法。4.1.1 車速計算方法 對于制動系統(tǒng)而言，計算車輛的參考車速是研究其控制算法的核心問題，在這方面國內外的研究機構都做過許多理論研究和實際工作。目前計算參考車速的方法主要有最大輪速法、插值法、制動輪缸壓力參考法、卡爾曼濾波法、遞歸法等幾種方法。而對于EPB系統(tǒng)而言,只需在車輛速度足夠低的時候才參與實施制動功能,并基于經濟性和簡便性的原因,可以采取通用的算法。首先對車輛在制動過程的整車受力分析,作為廣泛性考慮

50、,對車輛模型進行以下優(yōu)化:（1） 車輛左右對稱，且質量分布均勻；（2）相對而言,車輛速度較低,對于空氣阻力和車輪的滾動阻力,可以不予考慮。取Nf為車輪前軸地面法向反力;Nr為車輪后軸地面法向反力;mdv/dt為整車慣性力;m為整車質量;hg為車重心離地距離;L為軸距;Lf為重心到前軸的距離;Lr為重心到后軸的距離;Fbi為各車輪的地面制動力。由此,有車身的力學方程:Nf+Nr=mg (4.1)NfL=mgLr+mdv/dt (4.2) (4.3)(4.4) 其中:為前輪的路面附著系數; 為后輪的路面附著系數。圖4-1 車輪轉矩示意圖 車輪模型如圖所示。其中:Ji為車輪轉動慣量;令dwi/dt為

51、各個車輪的角減速度;Mbi為制動器工作時的制動力矩。(4.5)當一個制動系統(tǒng)具備能提供穩(wěn)定壓力的能力時,且此制動系統(tǒng)的參數及工作模式已明確的條件下,則其制動過程中產生的制動壓力的等效壓力函數Pi(t)可以得出,各輪制動時力矩Mbi和等效制動壓力成線性關系,其比例系數Ki是由制動系統(tǒng)的形式參數決定。=KiPi(t) (4.6) (4.7)可以求得車輪的角減速度,確定車輪制動時的等效壓力函數Pi (t),經(4.7)可以求出車輪制動時的地面制動力Fbi,然后經(4.4)能求出車輛的減速度dv/dt,最后,可以由(4.8)得出制動時的車速,式中vO是車速初始值。4.1.2 駐車制動盤壓力的計算方法為

52、了測量駐車制動時制動器壓力,需要配備一個壓力傳感器在制動器內側,通過此傳感器獲取制動器已經產生的制動力,以此來與理論上所需要的制動力進行比較,繼而進行修正,實現對制動執(zhí)行系統(tǒng)的監(jiān)測,能有效避免電機在堵轉狀態(tài)下耗時過長,從而實現高質量的駐車。不失一般性,假設車輛需要停駐在角度的路面上,在安全駐車的前提下,需要車輛駐車制動器提供的制動力矩為:(4.9)其中:Re為車輪的有效半徑。單個后輪制動器的制動力極限則為TO的一半。而當制動器形式為盤式時,可用下式表達制動力矩:(4.10)(4.11)其中: 是摩擦系數；R是制動力作用等效距離；F是制動器壓緊力；R2、R1制動摩擦塊扇形表面在制動盤上的內半徑和

53、外半徑。若需要可靠駐車，則制動力矩還要滿足條件：(4.12)其中是安全系數，其數值根據實驗計算，其值大于1。由以上公式可得：=1/2(4.13)其中F就是制動時制動器所需的壓緊力。本文選用某輕型轎車參數如表4.1所示：表4.1 某輕型轎車各主要參數表輕型轎車整備質量M承載質量M制動盤外徑D工作半徑R車輪型號參數1395Kg375Kg285mm125.5mm205/55R16由于駐車制動效能是是以汽車在良好的路面上能可靠而無時間限制地停駐的最大坡度(%)來衡量的,一般應大于18%；滿載情況下應該至少大于15%。由上述計算制動盤壓力的公式可知制動盤壓緊力的最大值應該是空載時最大值和滿載時最大值之間

54、的較大值。經計算：空載時：.滿載時：.因此滑動絲杠施加給制動盤的壓緊力至少應大于.，這樣才能滿足安全駐車制動的條件。4.2 電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構參數確定4.2.1 滑動絲杠的計算與選型4.2.4.1 滑動絲杠副的設計與校核計算 （1）螺紋的選擇 滑動絲杠的螺紋分為梯形、鋸齒形和矩形三種。其中，梯形螺紋使用最為廣泛，本文針對使用條件選用了梯形螺紋。 梯形螺紋的精度由GB5796.4-86規(guī)定，它的極限尺寸按GB12359-90規(guī)定。此標準規(guī)定了內螺紋的小徑和外螺紋的大徑只有一種公差帶同時規(guī)定外螺紋小徑的公差帶位置永遠為h，公差等級數與中徑公差等級數相同，故僅選擇并標記中徑公差帶來代表梯形螺紋公差帶。且梯形螺紋只規(guī)定了中等和粗糙兩種精度，其選用原則是：一般用途的選中等；對精度要求不高時選粗糙。本文選擇中等精度的梯形螺紋 。4.2.4.