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汽車電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)駐車力研究
鼓式制動器摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2020年8月9日訊 不同的汽車,由于整車參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置、路面附著系數(shù)等不一樣,都要進行電子駐車系統(tǒng)(EPB)標定,由于車型的增多,開發(fā)周期短,為了減小汽車開發(fā)周期,通過對車輛不同工況受力分析,控制電流大小來滿足不同工況所需要的夾緊力,實現(xiàn)車輛減速或駐車制動。

引言

近年來,在機動車制動系統(tǒng)領(lǐng)域中,電子駐車制動系統(tǒng)(EPB,Electrical Park Brake)由于其在市場應用中的便捷性與舒適性,越來越多的取代了傳統(tǒng)的機械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)。
傳統(tǒng)的機械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)結(jié)構(gòu)通過手剎機構(gòu)驅(qū)動拉索帶動駐車機構(gòu),將駐車手剎力轉(zhuǎn)換為制動器壓緊到制動盤上的夾緊力。電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)采用了導線進行信號傳遞,執(zhí)行機構(gòu)接受電信號指令來實現(xiàn)自動夾緊和釋放功能。一些較為新型的電子駐車系統(tǒng)還能夠通過傳感器等自動感知和測算當前需要施加,并通過電控部件、電機等增加或減少制動力,從而極大地提高了駕駛員操縱車輛的舒適性。
圖1所示為電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)圖。其包括電動機、減速機構(gòu)和駐車制動器組成。當駕駛員按動電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)按鈕時,電子駐車制動系統(tǒng)控制模塊接到來自按鈕的信號,控制模塊會向執(zhí)行機構(gòu)的電動機施加電流讓其轉(zhuǎn)動。電動機釋放的轉(zhuǎn)矩通過減速增扭機構(gòu)將電機的速度減少、扭矩增大,然后通過輸出軸螺紋副或滾珠絲杠副將電動制動單元輸出的扭矩轉(zhuǎn)化為直線推力,從而推動制動活塞運動將推力轉(zhuǎn)化為制動塊壓緊至制動盤上的壓力,進而完成實現(xiàn)車輛減少或駐車制動。
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圖1 EPB制動鉗總成原理示意圖
Fig.1 Principle diagram of EPB
本文基于電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)研究汽車實現(xiàn)不同坡度駐車制動所需要電流大小。通過對車輛駐車制動力、MGU和EPB制動器結(jié)構(gòu)及原理分析計算需要電子駐車制動系統(tǒng)提供多大的電流。

1 整車參數(shù)

表1 目標車型的整車參數(shù)
Table 1 Target vehicle parameters
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2 極限駐車能力計算

車輛靜止在坡道上,根據(jù)車輛的參數(shù)和駐車制動器的參數(shù),以及路面和輪胎的摩擦系數(shù),對其進行極限駐車能力計算。
車輪駐坡受力分析,如圖2。
圖2中:FZ1前輪的正壓力;FZ2為后輪的正壓力;FU2為后輪地面制動力;θ為車輛所處位置的坡度角;hg為重心高度;G為車輛的重力;L為軸距;φ為地面附著系數(shù);a為重心距前軸的距離。
汽車在坡道上駐車情況如圖2所示。對前輪與地面接觸點取力矩,
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圖2 車輛駐坡受力分析圖
Fig.2 Force Analysis of Vehicle Standing Slope
Fz2L-Gsin θ·hg=Gcos θ·a
(1)
得:
(2)
又因為汽車后軸車輪附著力Fr與制動力相等
(3)
由(2)、(3)上式可得汽車在上坡路上停駐時的坡度傾角θd為:
(4)
同上,下坡路上停駐時的坡度傾角θd為:
(5)
因此,空載、滿載時汽車可能停駐的極限上、下坡傾角見表2。
表2 空載、滿載時車輛上、下坡極限駐坡傾角

Table 2 Maximum parking ramp of uphill and downhill of vehicles when GCW or GVW


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3 活塞夾緊力計算

根據(jù)汽車停駐在20%的坡度上計算:
(4)
整理得:
(5)
式中,μ——摩擦系數(shù)
F——夾緊力,[N]
保證EPB駐車力不得低于常態(tài)目標力和極限目標力。
常態(tài)目標力:12~16 V的工作電壓,-20 ℃~40 ℃的工作溫度的條件下,EPB需要保證的駐車力;應用時需要保證常態(tài)目標力≥車輛滿載30%駐坡所需活塞夾緊力×a(一般a取1.1)。
極限目標力:9~16 V的工作電壓,-20 ℃~70 ℃的工作溫度的條件下,EPB需要保證的駐車力;應用時需要保證常態(tài)目標力≥車輛滿載20%駐坡所需活塞夾緊力×a(一般a取1.1)。
因此,空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要的夾緊力見表3。
表3 空載、滿載時在20%和30%駐坡夾緊力
Table 3 Clamping force at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位:N
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對車輛駐坡力評估一般要求,20%駐坡,最小摩擦系數(shù)0.25,根據(jù)上表活塞夾緊力≥11.91 kN;30%駐坡,名義摩擦系數(shù)0.36,根據(jù)上表活塞夾緊力≥12.1 kN。

4 卡鉗輸入扭矩計算

目前市場EPB制動鉗主要采用兩種傳動方式,一種是螺紋傳動,另一種是滾珠絲桿轉(zhuǎn)動;這兩種均屬于螺旋轉(zhuǎn)動,由螺桿與螺母組成,是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運動和動力的。它主要是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動,以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力。
螺紋傳動的特點是:結(jié)構(gòu)簡單,加工方便;易自鎖;螺紋有側(cè)向間隙,反向時有空行程,定位精度和軸向剛度較差;摩擦阻力大,傳動效率低;磨損快;滾珠絲桿傳動的特點是:摩擦阻力小,傳動效率高;結(jié)構(gòu)較復雜,制造工藝要求高,成本較高;運動平穩(wěn),啟動時無振動;壽命長;不自鎖,要求自鎖時需附加自鎖裝置。
考慮到成本和自鎖,除了大陸采用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)外,其他制動器廠均采用螺紋傳動結(jié)構(gòu)。
本文主要對螺桿傳動研究,螺紋參數(shù)如下:
表4 螺紋傳動的螺紋參數(shù)
Table 4 Thread parameters of threaded transmission
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對螺紋進行受力分析。
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圖3 螺紋受力分析圖
Fig.3 Force analysis diagram of thread
螺紋力矩計算:
(6)
f′=f/cos β稱當量摩擦系數(shù)。與當量摩擦系數(shù)對應的摩擦角稱為當量摩擦角,用ρv表示。
螺紋升角計算:
φ=ctg(sd)=ctg(PNd)
(7)
將(7)代入(6)式可得螺紋力矩計算為:
(8)
式中,T1——螺紋力矩[Nm]
F——夾緊力,[N]
φ——螺紋升角,[°]
推力軸承力矩
(9)
式中,T2——推力軸承力矩[Nm]
d0——推力軸承滾針中經(jīng) [mm](滾針的中心位置,取22.6 mm)
μ——為推力軸承摩擦系數(shù)(帶保持架滾針軸承:0.0020~0.0030,取0.0025)
由(8)、(9)上式可得EPB制動鉗輸入力矩T為:
(10)
因此,空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要的執(zhí)行機構(gòu)輸入力矩見表5。
表5 空載、滿載時在20%和30%駐坡卡鉗輸入力矩
Table 5 Caliper input torque at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位:Nm
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5 電機輸出扭矩計算

目前市場EPB執(zhí)行機構(gòu)主要采用兩種減速機構(gòu),一種是行星齒輪減速機構(gòu),另一種是渦輪蝸桿減速機構(gòu);考慮到成本和自鎖,除了大陸采用渦輪蝸桿減速結(jié)構(gòu)外,其他制動器廠均采用行星齒輪減速結(jié)構(gòu)。
執(zhí)行機構(gòu)除了采用行星齒輪減速機構(gòu),一級傳動有采用同步帶輪傳動結(jié)構(gòu)和齒輪傳動結(jié)構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)一旦結(jié)構(gòu)確定,其減速比就確定了。該執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)見表6。
表6 執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)
Table 6 Actuator parameters
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該執(zhí)行機構(gòu)是一級采用同步帶傳動機構(gòu),二、三級采用行星齒輪減速機構(gòu),總減速比是125∶1,經(jīng)過試驗驗證,執(zhí)行機構(gòu)的傳動效率為77.8%。
因此,空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要電機輸出力矩見表7。
表7 空載、滿載時在20%和30%駐坡電機輸出力矩
Table 7 Output torque of motor at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位:mNm
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電機輸入電流計算
通常采用的電機主要有直流有刷電機、直流無刷電機、永磁同步電機。直流有刷電機有機械換向器,壽命有限,體積質(zhì)量較大,轉(zhuǎn)速較低,但價格低廉;無刷直流電機用電子元器件取代了碳刷,使得電機運行噪聲小,壽命長,但增加了位置傳感器,成本增加;永磁同步電機與直流無刷電機相比,轉(zhuǎn)矩脈動小,調(diào)速范圍高,電機結(jié)構(gòu)也更加緊湊,但控制更加復雜。綜合比較,選擇價格較低的直流有刷電機作為動力電機。
目前市場上EPB所使用的主流產(chǎn)品為德昌、馬步奇、捷和電機。根據(jù)EPB系統(tǒng)對夾緊時間、釋放時間、以及夾緊力的等要求,電機必須滿足如下要求,見表8。
表8 電機選型要求
Table 8 Selection requirements for motor
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現(xiàn)選擇一款滿足要求的電機,型號為:RS-555VX-5524,電機在額定電壓為12.0 V,室溫( 25 ℃)情況下,其參數(shù)見表9。
表9 電機特性參數(shù)
Table 9 Motor characteristic parameters
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空載轉(zhuǎn)速(N0)—指電機不受任何機械阻力或負載時的電壓,在軸枝上測得的速度;
空載載電流(I0)—指在電機無任何負載的情況下測得的電流量;
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(Ts)—指因加載引致電機停止旋轉(zhuǎn)時測得的轉(zhuǎn)矩;
堵轉(zhuǎn)電流(Is)—指在電機因過載而停止旋轉(zhuǎn)時測得的電流量。
該電機允許工作溫度范圍在-40 ℃~85 ℃,在不同提交條件下的電機的性能計算:
無負荷轉(zhuǎn)速:
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(11)
堵轉(zhuǎn)電流:
(12)
堵轉(zhuǎn)扭矩:
(13)
負荷電流:
(14)
負荷扭矩:
(15)
負荷轉(zhuǎn)速:
(16)
根據(jù)摩擦材料最小摩擦系數(shù)μmin0.25,駐坡坡度為20%的所需要的夾緊力進行舉例計算,在使用電壓:9.0 V~16.0 V;溫度:-40 ℃~+85 ℃條件所需要的電流大小;在20%坡道上扭力為124.24 mNm下的電流見表10。
表10 在20%坡道上駐坡不同溫度、電壓下所需電流
Table 10 Required currents at different temperatures and voltages on the 20% ramp 單位:A
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6 EPB制動鉗溫度相關(guān)功能試驗

實驗在EPB綜合性能試驗臺,如圖4所示。
參照EPB溫度相關(guān)功能試驗方法,EPB卡鉗達到11.91 kN目標夾緊力,進行夾緊釋放動作,首先在常溫下動作500次循環(huán);將EPB卡鉗放到溫度箱,達到各溫度后,保溫2小時,然后進行動作,實時采集電流和夾緊力;記錄目標夾緊力下的電流,測試數(shù)據(jù)見表11。
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圖4 EPB綜合性能試驗臺
FIG.4 EPB comprehensive performance table
表11 在不同溫度、電壓下所需電流
Table 11 Required currents at different temperatures and voltages 單位:A
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7 結(jié)論

(1) 由于電機、執(zhí)行機構(gòu)在低溫下空轉(zhuǎn)電流增大導致電流偏大外,其他溫度理論和實際檢測數(shù)據(jù)是吻合的。
(2) 對集成式EPB傳動機構(gòu)、執(zhí)行器、電機特性進行計算,為車輛駐坡與電流關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。
(3) 在EPB標定時,可以根據(jù)理論計算的最大電流設定截止電流。

作者:閔慶付1 阮文龍2

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