电子驻车系统毕业设计论文

1、合 肥 工 业 大 学目 录摘要21 绪论41.1 引言41.2 电子驻车制动系统国内外发展现状综述41.3 研究的意义和主要内容61.3.1 传统机械式驻车制动系统存在的问题61.3.2 研究的意义61.3.3 研究的主要内容72 电子驻车制动系统原理和设计分析82.1传统驻车制动系统的组成与结构82.2 电子驻车制动系统概述92.2.1 电子驻车制动系统的原理102.2.2 电子驻车制动系统的优点102.2.3 电子驻车制动系统需要面对的问题122.3 驻车系统的国家标准122.4 本章小结133 机械结构设计与优化143.1 汽车电子驻车制动系统典型机械结构143.2 汽车电子驻车制动执

2、行机构的总体结构设计183.3 汽车电子驻车制动系统执行机构的各部件设计193.3.1 驱动电机的设计193.3.2 减速器设计203.3.3运动转换装置设计233.3.4 制动器设计233.4 汽车电子驻车制动系统执行机构方案对比243.5 本章小结264 电子驻车制动系统相关参数计算274.1 参数采集模块设计研究274.1.1 车速计算方法274.1.2 驻车制动盘压力的计算方法294.2 电子驻车制动系统执行机构参数确定304.2.1 滑动丝杠的计算与选型304.2.2 电机的计算与选型、传动比的设计与计算324.2.3 同步带的计算334.2.4 减速器设计与计算345 电子驻车控制

3、系统设计375.1 常规驻车制动控制策略375.1.1 实施驻车制动375.1.2 解除驻车制动385.2 扩展功能的控制策略设计396结论41谢 辞42参考文献43电子驻车系统摘要：本文介绍了电子驻车系统(EPB)的国内外研究现状及传统机械式驻车制动系统所存在的问题，阐述了电子驻车制动系统的基本原理，机械结构的设计与分析以及制动力、车速、减速机构的传动比等参数的计算，并在计算的基础上建立三维模型。研究了EPB的基本功能（实施驻车制动和解除驻车制动）,扩展功能（智能自动驻车、坡道辅助起步、行车间应急制动、强制解除驻车制动、节能自动关闭及唤醒）的控制策略。最后对系统进行优化设计，完成模型的建立。

4、关键词：电子驻车系统，机械结构设计，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 绪论1.1 引言 随着物质财富的增加,人们对于出行质量要求不断提高,汽车作为重要的交通工具其要求不再局限于汽车外形,汽车的安全性、舒适性、便捷性已经成为重要的评价标准,特别是对舒适性要求最高。尤其是我国车主,不仅存在着道路交通拥挤,道路条件复杂等驾驶环境问题,还存在着驾驶员自身状况和驾驶经验和技术等方面的问题,因此,车辆行驶的安全

7、性问题对于我国车主而言尤其重要,而汽车制动及其辅助系统作为保障汽车行驶安全的主力配置,不断对其进行改进显得尤为必要,而驻车制动系统是车辆制动系统的重要组成部分之一,也在不断的创新和改进中。汽车驻车制动系统俗称手刹,其用途为在汽车在路面或坡道上停驻吋,驻车制动系统通过制动器锁住传动轴(中央制动器)或者车轮(轮边制动器),以避免车辆溜滑,此外,当汽车在行驶过程中突遇紧急情况需要迅速制动时,驻车制动系统可以和行车制动系统共同作用,以实现紧急制动。在汽车设计中,为保障制动系统的可靠性,驻车制动系统和行车制动系统为独立工作的装置,从而在一套装置失效时另外一套制动装置仍然能够有效起到制动作用。目前,一般车

8、辆上广泛使用着机械式传动方式的人力机械式驻车制动系统,它通过驾驶员手动操纵制动手柄来实现驻车制动功能。汽车电子驻车制动系统(Electronic Parking Brake system)即EPB已经成功研制并得到了成熟的应用,它采用了电子控制系统的控制后轮上新增的驱动机构来实现驻车制动，因此它也具有更高的安全性、舒适性和良好的操纵性能。1.2 电子驻车制动系统国内外发展现状综述根据北京奥尔威咨询有限公司最近完成的2009-2010年中国电子驻车制动器(EPB)行业发展分析报告中显示：电子驻车制动产品技术最早出现于1998年，该产品是传统手刹的替代品：拥有一键制动和自动制动的功能并能大大节省车

9、内空间。EPB分为两类：钢索牵引式(Cable Puller Type)和整合卡钳(Caliper Intergrated Type)，（如图1-1、1-2）。 图1-1 钢索牵引式(Cable Puller Type)图1-2 整合卡钳式(Caliper Intergrated Type) 电子驻车制动系统(EPB)产品由美国TRW公司最先提出概念并成功研发,于2001年最先配备在菲亚特中高级轿车Lancia上,随后配备到北美和欧洲地区的许多车型上,截止2009年,天合(TRW) EPB系统的产量已经突破1000万套,占据全球一半的市场份额。目前,主要参与EPB产品竞争的有:TRW、Cont

10、inental Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Dura、Brose、Mando 等。至2008年,欧洲已有300万辆车配置了电子驻车制动器(EPB),2015年这一数字将增至1100万。由此可见，国外EPB的研究已经相当成熟，具备了研制产品和制定相关标准的能力。 在我国,电子驻车制动器(EPB)系统起步较晚,从2008年才由天合(TRW)廊坊的工厂幵始小批量生产。目前,我国配置电子驻车制动器(EPB)系统的都是合资的或外资品牌的整车厂商的高端车型:一汽大众的奥迪、迈腾,上海大众的途观,上海通用的别克等。这些车型的EPB均由天合(TRW)、大陆(Continental)等外

11、资EPB供应商供应。总体来说，我国的EPB研究还需要进一步提升。1.3 研究的意义和主要内容1.3.1 传统机械式驻车制动系统存在的问题 传统机械式驻车制动系统存在着许多问题，相信有过驾驶经验的初学者应该深有体会。由于传统式驻车制动带来的事故比比皆是。传统式驻车制动系统的缺点主要体现在:1) 传统机械式制动系统需要一定的臂力才拉得动，对于一些女性驾驶员来说，显得尤为困难。尤其是在市区行车时经常发生堵车，需要频繁拉到手刹，这种问题就会显得比较突出，严重的情况下还可能制动不及时引发事故；2) 当手刹拉动驻车后，再次起步的过程中由于疏忽很可能忘记释放手刹，而给制动器带来严重损害，也会带来一定的安全隐

12、患；在坡道起步时,如果驾驶员缺乏经验而导致溜车现象,也会容易导致车辆撞上后面的车辆或行人；3) 机械驻车制动系统只能实现单一的功能,无法与ABS、ESP等汽车上其他的电子控制系统进行辅助控制,无法与车辆进行数据共享和信息交流；4) 对于机械式驻车制动系统,通常其会占用较大的车内空间,不利于未来车辆概念的设计。 而电子驻车制动系统则可以避免上述传统机械式驻车制动系统的缺点，从而实现方便，安全的驻车制动。1.3.2 研究的意义汽车产业的发展水平代表着一个国家和地区工业制造生产、高科技研发和软硬件创新实力发展的水平高低，现代汽车产业向着智能化、信息化、电子化的趋势发展，电子驻车制动系统适应了汽车发展

13、的潮流，同时具有优良的驻车制动效果以及较为宽泛的扩展功能。我国电子驻车制动系统还不成熟，还需要更多的研究来支撑这一技术的发展和国产化。1.3.3 研究的主要内容本文介绍了电子驻车系统(EPB)的国内外研究现状及传统机械式驻车制动系统所存在的问题，阐述了电子驻车制动系统的基本原理及其优点，机械结构的设计与分析以及制动力、车速、减速机构的传动比等参数的计算，并在计算的基础上建立三维模型。研究了EPB的基本功能（实施驻车制动和解除驻车制动）,扩展功能（智能自动驻车、坡道辅助起步、行车间应急制动、强制解除驻车制动、节能自动关闭及唤醒）的控制策略。最后对系统进行优化设计，完成模型的建立。本文研究的主要内

14、容：1） 电子驻车制动系统概述及其特点分析2）基于国标的电子驻车制动系统的标准分析及扩展功能的作用和其技术实 现的难点;3）基于电子驻车制动系统分析的系统设计,重点研究了机械结构的设计；4）对电子驻牢制动系统的控制策略进行了研究,主要研究了常规制动下的驻车 制动实施、解除、辅助坡道起步等的控制策略；5）机械结构整体模型的建立。2 电子驻车制动系统原理和设计分析 我国绝大部分车型目前仍然沿用传统的机械式驻车制动系统,因此,首先分析其结构特点,其次研究驻车制动系统的要求作为设计依据,最后制定一套合理的满足要求的设计方案,以实现安全可靠的驻车。2.1传统驻车制动系统的组成与结构 传统驻车制动装置一般

15、包括三个部分:手刹车控制部分、传动机构和制动器手刹车控制部分由手刹车操纵杆、按扭、棘爪、棘轮结构组成,其作用是按一定传动比将手操纵力传到钢索上。钢索作为传动部件,其实质为一个应用杠杆原理的机械总成,该机械总成通过拉索作用在盘式或鼓式制动器上。传统机械驻车装置如图2-1。1 手刹车操纵杆 2.按钮 3.棘爪 4.棘轮 5.滑轮 6.钢索7.制动鼓 8.驻车制动摇臂 9.轮缸 10.自调机构 11.制动蹄图2-1 传统驻车制动系统结构示意图传统驻车制动系统的操作方式及工作原理(以鼓式驻车制动器为例):(1) 无操作的状态 常态指静止状态时,棘爪咬合在棘轮上,所实现的一种机械自锁状态。此时通过操纵杆

16、总成的杠杆放大作用将制动力施加在制动器上,保持汽车处于驻车时紧锁状态或非驻车时的放松状态。(2) 实施制动 对传统驻车制动系统实施制动时,操作应先按下按钮使棘爪脱离棘轮解除自锁,这样方可对操作杆执行上拉操作。在杠杆效应的作用下,放大驾驶员的拉力,使之作用在钢索上,经过钢索传达给制动器。在制动器内部,拉索拉动制动蹄片产生形变压在制动鼓上,产生的摩擦力即为汽车驻车的制动力。(3) 解除制动 对传统驻车制动系统解除制动时,同样需要按下按钮,然后对操纵杆进行下推操作。杠杆转动,使拉索所承受的拉力减小,并逐渐放松。在制动器内部,拉索松开后,由于制动蹄片自带的弹性机构使其回位,离开制动鼓,当制动蹄片与制动

17、鼓不再接触时,汽车驻车制动力将完全解除。由以上对传统驻车结构与工作方式的分析可见,传统驻车制动的核心部分是由杠杆机构所组成的手刹车操作机械总成。只有对此总成进行重新设计,才能从根本上实现对汽车驻车制动系统的改革升级。2.2 电子驻车制动系统概述 和其他许多先进的技术和系统来源于飞机上的应用一样,线控技术最初也是应用于飞机的控制上一样,而本文所讲述的电子驻车制动系统则属于线控技术的一类应用。飞机的新型飞行控制系统是一种线控系统(Fly-by-Wire),通过该系统,将飞机飞行员的控制命令转换成电信号,利用计算机对电信号的计算处理,按照预设模型来控制飞机的飞行。类似的将这种控制理念移植到汽车控制上

18、,则是通过传感器把驾驶员的操纵动作信息转化成电信号,经由网络传输和功率放大电路来控制执行机构。图2-2是线控过程。人机接口电信号（模拟或数字）执行机构传感装置功能装置图2-2 线控系统组成框图线控系统实质就是在需要有机构动作的地方不是应用液压系统来传递操纵动作,而是利用弱电信号再控制强电执行机构来完成。电子驻车制动系统就是一类采用线控技术进行控制的装置。电子驻车制动技术不仅仅是一种简单的替代,用电子控制电驱动技术取代原来的机械或液压力传动,而是在实现车辆保持长时性制动功能的基础上整合了缓速制动功能。2.2.1 电子驻车制动系统的原理实施驻车制动 ：EPB 电控单元根据各传感器和ABS电控单元传

19、输的动态数据，经过相应的计算处理，向伺服电机发出控制指令，驱动电机旋转，电机的输出转矩经过同步带传动与齿轮传动机构在减速增扭之后，通过螺旋传动机构将旋转运动转换成为直线运动，最终使制动器产生制动力矩，是通过制动轮缸活塞的推动动力产生的。解除驻车制动 ：EPB 电控单元根据各传感器和ABS电控单元传输的动态数据，经过相应的计算处理，向伺服电机发出控制指令，驱动伺服电机反向旋转，制动摩擦块在传动机构的带动下自动释放，解除驻车制动。由于减速机构传动比很大，电动机旋转一周，螺旋传动机构推动制动轮缸活塞的位移很小，所以通过控制伺服电机的转速来控制固定原件（制动摩擦片）与旋转原件（制动鼓或制动器）之间的间

20、隙（制动器间隙），从而实现制动间隙的自动调整。2.2.2 电子驻车制动系统的优点电子驻车制动由于突出的优点已经被公认为未来汽车新技术的发展方向。目前,其仍处于研究和优化阶段,相对于传统制动系统,线控制动具有以下优点。1） 零部件简单，装配方便,减少液压与机械控制装置,操纵方便,更加的人性化;2） 智能电子控制单元的介入提高了制动时系统的可靠性和安全性,同时可以与其他系统进行辅助作用,实现数据共享和信息交流;3） 只需要一个按钮，减少了车内空间的占用，使车内更加简约整洁。图2-3 电子驻车制动系统制动按钮图2-4 电子驻车制动系统执行机构示意图图2-5 电子驻车制动系统执行机构电机及减速机 2.

21、2.3 电子驻车制动系统需要面对的问题 线控技术是车辆智能化的基石和目前现有技术，要实现电子驻车制动功能，有以下关键技术。 1） 电源问题 现在汽车普遍采用的是电源电压为12V，蓄电池的工作电压为14V,而线控系统需要较大的能源消耗，则要求汽车有更大的能源供应,对于此较大的用电系统,安全问题也需要认真设计。 2) 传感器 先进汽车技术发展的显著标志就是更加广泛的部件和系统实行电子控制。而传感器的信息采集和反馈精度决定着汽车电子控制系统的控制效果。因此,传感器技术的发展直接关系着整个汽车电子控制系统的性能。汽车电子驻车制动系统EPB中涉及到的传感器有:车轮速度传感器、踏板行程传感器、驻车坡度传感

22、器等。 3） 总线技术 车用总线是指用于车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通讯网络，目前汽车应用的通信网络包括CAN总线、MOST总线、LIN总线、FlexRay总线等。EPB使用的总线技术采用的是CAN总线，与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，他在汽车领域的应用最为广泛，世界上一些知名汽车厂商均采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测与执行机构的数据通信。对于下一代的汽车通讯网络系统,还应有良好的容错功能和确定的消息传输时间。由于本文主要研究电子驻车系统的机械结构，这里不再赘述。2.3 驻车系统的国家标准 国家对制动系统有一系列相关的强制性标准

23、,对制动系统的结构性能做出了严格规定,以保障车辆和人员安全。如GB1276-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法以及GB7258-2004机动车运行安全条件等,其具体要求如下: 1) 行车制动的控制装置和驻车制动的控制装置要相互独立；2) 采用弹簧储能制动装置做驻车制动时,应保证在失效状态下能快速解除驻车状态；如需使用专用工具,这种工具应作为随车工具；3) 驻车制动应该能保证在无人的情况下在上、下坡上可靠制动。其驻车操作必须允许驾驶员在座位上就可以完成。对于汽车列车和轮式拖拉机运输机组,若挂车与牵引车脱离,挂车(由轮式拖拉机牵引的装载质量3000kg以下的挂车除外)应能产生驻车制动。挂车的

24、驻车制动装置应能够由站在地面上的人实施操纵；4) 驻车制动应通过纯机械装置把工作部件锁止,并且驾驶员施加于操纵装置上的力：手操纵时,乘用车不应大于400N,其它机动车不应大于600N；脚操纵时,乘用车不应大于50ON,其它机动车不应大于700N；5) 驻车制动的控制装置的安装位置要适当，其操纵装置应有足够的储备行程(开关类操作装置除外),一般应在操纵装置全行程的三分之二以内产生规定的制动效能；驻车制动机构装有自动调节装置时允许在全行程的四分之三以内达到规定的制动效能。棘轮式制动操纵装置应保证在达到规定驻车制动效能时,操纵杆往复拉动的次数不允许超过三次；6) 驻车制动性能的检验:在空载状态下,驻

25、车制动装置应能保证机动车在坡度为20%(对总质量为整备质量的1.2倍以下的机动车为15%)、轮胎与路面间的附着系数不小于0.7的坡道上正、反两个方向保持固定不动,其时间不应少于5min。对于允许挂接挂车的汽车,其驻车制动装置必须能使汽车列车在满载状态下时能停在坡度为12%的坡道(坡道上轮胎与路面间的附着系数不应小于0.7)上；7) 制动衬片(块)磨损小,制动间隙的检查、调整和制动衬片(块)的更换应方便；8) 各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。2.4 本章小结 本章主要讨论了传统机械式驻车制动系统的结构及其存在的问题,然后叙述了电子驻车制动系统的结构组成、原理以及其优点,并对驻车制动

26、系统的相关国家标准及评价指标进行了相关的分析。3 机械结构设计与优化3.1 汽车电子驻车制动系统典型机械结构为了更好地研究驻车制动系统，要首先了解一下国内外几大驻车制动系统的生产厂家生产的EPB产品。下面介绍一下市场上几款主要的机械式制动产品。（1）西门子公司的电子机械制动系统执行机构图3-1是德国西门子公司研制的一种电子机械制动系统执行机构。图3-1 西门子电子机械制动系统结构图和实物图这种电子机械制动系统的执行机构的力矩电机内置,图3-1中,当电机正常工作时,转子在转动,使螺母和心轴一起做轴向运动,就把转动转化为直线运动(转子和螺母啮合,螺母与心轴固接在一起)。杠杆末端插在制动器缸内的凹槽

27、里,能够绕凹槽转动。心轴在轴向推动增力杠杆与压力盘。随后压力盘把力传递给了传动套筒,传动套筒和活塞之间又通过螺纹传动。制动活塞推动浮动制动钳块,并产生制动力矩。弹簧和橡胶密封环的主要作用是在制动后用来使制动活塞等零件回到原位。当活塞向右移动时,活塞使橡胶环产生弹性变形,产生了作用在制动活塞上的回位力。当制动结束后,传动套筒和制动活塞在橡胶环的弹性形变力下被推到原位。(2)大陆特威斯公司的EMB执行器 该执行机构也采用的电机内置结构,且采用模块化,其整个机构分为了3个独立模块,分别为驱动模块,一级丝杠螺母减速模块和二级减速齿轮模块,3个部分在生产、维修、安装时可以独立地进行,然后再组装在一起进行

28、工作。如图3-2所示。 1 制动盘 2 制动钳 3销钎 4丝杠 5电磁铁 6销钉 7棘轮 8齿圈 9行星轮架 10、14齿轮 11螺母轴颈 12、13行星轮 15转子 16定子 17滚珠 18螺母 19压盘图3-2 大陆特威斯公司的电子机械制动系统结构图和实物图 在驱动部分中包含力矩电机,15和16分别是电机转子和电机定子。一级滚珠丝杠螺母副是由螺旋心轴4,螺旋螺母18和大量钢珠17组成的。二级减速齿轮由8、9、12、13组成的一个行星轮系。当电机15转动时,其上的零件10并带动减速齿轮模块的行星轮13转动,同时另侧齿轮12与齿圈8相互啮合,这样力矩便通过旋转的行星轮架9传递给了一级减速机构中

29、的螺母轴颈11。当螺母18由二级减速齿轮驱动旋转时,通过球螺旋副螺旋心轴4产生向左的平动,推动压盘19和制动钳块2并与制动盘1接触,产生制动的力矩。在驱动模块中还有个棘轮机构用来实现驻车的功能。其通过电磁铁5是否通断电,来控制电机的转子15是否旋转。当电机转子15不转动时,就可以保持制动力,从而达到驻车目的。(3) 德国博世公司的电子机械制动器 德国博世公司的电子机械制动系统执行机构如图3-3所示.这种执行机构工作时,动力由电机的输入端5输入到内部的行星轮系10、12,然后再传递给19,再经螺母17、螺纹心轴19和螺纹滚柱18组成的行星齿轮机构转化为17的直线运动。螺母17推动制动钳块22,将

30、制动力施加在制动盘21上。摩擦盘8与太阳轮巧通过杯形弹簧16固结在一起,12的行星齿圈26与摩擦盘2以同样的方式固结。在两个行星轮系10,12之间有两个电磁离合器7和11。当它们通电时,摩擦盘2和8分别与11和7结合,并同步运动。不通电时,摩擦盘2受制动环的限制无法转动。1、26齿圈 2、8摩擦盘 3、9销钉 4、13行星轮 5电机输入轴 6、15太阳轮 7、11电磁离合器 10、12行星轮系 14行星轮架 16、25杯形簧 17螺母 18螺纹滚柱 19螺纹心轴 20、22制动钳块 21制动盘 24制动环图3-3 德国博世公司的电子机械制动器结构简图（4）西门子VDO公司的EWB执行器 如图3

31、-4所示,配备EWB的车辆的每一车轮均配备一独立的电子机械制动模块,该模块由电机、滚珠丝杠、楔块、连接部件、制动衬片、圆形滚柱组成。当两电机转动时,其分别带动两滚珠丝杠转动,滚珠丝杠并将电机转动转为直线运动,两个滚珠丝杠综合作用将带动连接部件的拉块来做直线运动,连接部件拉块是和后楔块机构固接在一起的,后楔块必然随着连接部件的拉块相对前楔块运动,而前楔块相对制动钳体又是固定的,后楔块在连接部件拉块带动下,通过圆形滚柱,“远离”后楔块压紧制动盘,实现了制动。此机构中采用多个圆形滚柱是为减轻楔块磨损12。图3-4 西门子VDO公司EWB执行器结构图（5） 美国天合公司的电子驻车制动器如图3-5为目前

32、已装备在国产奥迪A6L上的天合公司的EPB电子驻车制动结构。该制动机构由电子驻车按钮手动来操作,并兼备控制功能。电子驻车制动系统由装有电机、行星减速机构、左、右后制动钳和电控单元组成的,该系统的电控单元与整车控制器局域网通讯,并对左、右后卡钳上的电机进行控制。当要驻车时,驻车按钮被按下,操作信号并反馈给了电控单元,再由电控单元来控制电机和行星减速机构工作,对制动钳实施制动。常用自动控制功能一般有两种。一种是发动机熄火后,系统通过整车CAN与系统的电控单元联合来控制电机,对后制动钳实施制动的。另一种是坡度驶离,在坡上,车辆起步时,电控单元控制后轮制动钳,使其自动松开,车辆自动驶离。图3-5 天合

33、公司的电子机械驻车制动器结构图及实物图从以上几种电子机械制动系统中可以看出博世公司和美国天合公司的电子机械制动执行机构没有把力矩电机安装在机构内部,采用的是电机外置结构,而西门子和大陆.特威斯公司采用的都是电机内置的结构,把电机的定子和转子与其他零件接合在一起。这种布置方式能够使结构更紧凑,体积更小巧,但同时也增加了结构的复杂性,可以说各有利与弊。博世公司研制的电子机械制动系统的执行机构内部都含有电磁离合器,但是电磁离合器的作用不尽相同,经历了一个结构由复杂到简单,功能由简单到复杂的过程。同时工作方式变得更加清晰,功能更加多样。西门子VDO公司的EWB间接利用了汽车的动能作为制动自增力,驱动电

34、机所需要功率可大幅下降,所以所需电机的体积、尺寸和重量均可减小,能用传统的12V汽车电源系统驱动,不过由于EWB的控制难度大,制动稳定性不如前者,而且结构较为复杂,不易加工。西门子公司的EMB还具备间隙自动调整功能这种制动盘和制动垫块的间隙自动补偿方式是其特有的结构,完全是由执行机构本身的机械结构自动实现的。美国天合公司EPB是集液压行车制动系统和电子驻车制动系统于一体的,这样缸内的机构设计会比较复杂,而且密封也比较不易达到。3.2 汽车电子驻车制动执行机构的总体结构设计 汽车电子驻车制动系统的执行机构是非常复杂的，它利用电制动代替了原有的手动制动，为了保证新系统与原有手动制动系统的车轮和其它

35、配件的正常装配，因此机械执行机构必须安装在车轮轮毂内的空腔中，由于空腔尺寸的限制，电机的尺寸以及减速装置的设计都受到了限制。从3.1节的几种电子制动系统的典型结构可以看出，电子机械制动系统执行机构一般分为两种类型：第一类是电动机直接带动机械执行机构，然后作用在制动盘上，其典型结构是大陆公司研发的制动器，如图3-2，德国博世公司的电子机械制动器，如图3-3，美国天合公司的电子驻车制动器如图3-5，第二类是电动机通过一个自增力机构，间接作用到制动盘上，可以大大降低系统所消耗的能量，其典型结构是西门子公司研究的制动器图3-1，西门子VDO公司研发的制动器图3-4,。第一类结构方案相对于第二类结构方案

36、，结构简单，工作可靠，制动过程稳定，本文选用第一类方案进行研究。第一类电子机械制动系统执行器一般有三个基本部分组成：电机、传动装置和制动钳体，而其中传动装置又包括减速增扭装置和运动转换装置。电子驻车制动系统的原理图如图3-6所示。图3-6 电子驻车制动系统的原理图电机经减速器减速增扭,再由转换装置将旋转运动转换为直线运动,驱动制动块对制动盘进行制动,电机的运动由电子机械制动系统控制器控制。电子驻车制动系统的机械执行机构是本论文的重点研究方向,在展开具体的设计计算过程前,先要对机械执行机构的各部件进行选择。3.3 汽车电子驻车制动系统执行机构的各部件设计3.3.1 驱动电机的设计广义上讲,电机是

37、电能的变换装置,包括静止电机和旋转电机。旋转电机根据电磁感应原理来实现电能与机械能相互转换的一种转换装置。一般所用的电机都是旋转电机。众所周知,电机是传动以及控制系统中的重要组成部分,在实际应用中已强调对电动机的位置、速度、转矩进行控制。电机中最常用、最有代表性、最基本的有:功率电机、控制电机及信号电机。根据对电机性能的分析，再结合国内外驻车制动器厂家所采用的电机类型，控制电机中的永磁无刷直流电机是最适合于电子机械制动系统,原因有以下几点:(1) 在有刷直流电机中,由于换向器和电刷的相对滑动,会造成接触不良和火花,易引起故障,且火花易产生电磁干扰,对电子机械制动系统的运转很不利。散热条件差,特

38、别是运转噪音大。另外,有刷直流电机结构复杂、寿命短、难于维修；（2) 无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器,不易产生火花和磨损,因而其可靠性高,寿命长。在结构上,将永磁体装在转子上,使电机转子不产生热量,从而减少了电机损耗,提高了效率。定子可通过机壳散热,使得散热条件得到改善,从而避免了有刷直流电机的所有缺点,具有可靠性高、寿命长、噪音低、免维护的优点。另外,最重要一点是:无刷伺服电机在尺寸上和重量上都比有刷直流伺服电机小得多。此外,无刷直流电机也具有与普通直流电机类似的直线转矩速度特性；(3) 无刷直流电机根据所采用的永磁材料又可分为多种。其中,永磁无刷直流电机是近年来国际上迅速发展起来

39、的一项新技术、新产品。永磁无刷直流电机具有启动转矩大、过载能力强、调速方便、运转平稳、噪音低、工作可靠等优点。无刷直流电机集直流有刷直流电机和交流异步变频调速电机的优点于一身,是理想的节能、降噪的环保型产品。无刷直流电机模型如图所示：图无刷直流电机3.3.2 减速器设计常见的减速装置有普通的圆柱齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和行星齿轮传动。由于电子驻车制动器所需的减速比很大,采用普通的圆柱齿轮减速器时,尺寸会过大,不适合在电子机械制动器中使用；蜗轮蜗杆传动效率低、易产生自锁、而且易磨损,所以也不适合电子驻车制动器。根据国内外的相关资料,电子驻车制动系统执行机构的减速装置选用行星齿轮,因行星齿轮在质量和

40、体积较小的情况下,可实现较大的传动比,且有效率高,运动平稳等优点,本文亦选用组合行星齿轮作为电子驻车制动系统执行器的减速装置。行星齿轮传动，如图3-8所示。图3- 行星齿轮传动示意图行星齿轮传动基本构件:行星齿轮传动基本代号为:X-转臂,Z-中心轮,V-输出轴。根据基本构件的配置情况,可将行星齿轮传动分为2Z-X、3Z和Z-X-V几种传动类型,其他结构型式的行星齿轮传动大都是它们的演化或组合。3种传动型式中,3型行星齿轮传动用于短期间断工作的机械传动装置中最为合理,它有结构紧凑、传动比大、传动效率高等特点,可3Z型行星齿轮的制造和安装较复杂。Z-X-V型渐开线少齿差行星齿轮传动的传动比范围为1

41、0-100,传动效率为0.75-0.93,结构紧凑,加工方便,但行星齿轮轴承径向力较大,适用于中小功率,一般P18KW,个别的达到20-45KW；传动比较大,适用于短期工作。若采用摆线针轮行星传动,在适用于功率P100KW,任何工作制度,其传动效率为=0.9一0.97。目前,应用广泛,但制造精度要求较高29。由以上的论述可以看出,3Z型行星齿轮的制造和安装比较复杂,ZXV型行星齿轮的效率低且制造精度要求高,都不符合电子机械制动系统执行机构结构小巧紧凑、传动比大、效率高的要求。从实际情况考虑,初步选择了2X型行星齿轮传动。下面主要介绍2X型行星齿轮,常用的2ZX型行星齿轮传动主要有以下三种,如图

42、所示型型型a为中心轮（太阳轮)；b为内齿圈；c、d均为行星轮；x：行星架图型行星齿轮传动形式X型行星齿轮传动中各种结构的特点,如表2所示：表2.1 X型行星齿轮传动中各种结构的特点传动类型传动比的范围传递功率（）传递效率备注.其值不限.效率高,体积小,质量小,结构简单,制造方便。使用于任何工况下的功率的传动,可作为减速、增速和差速装置。当转臂的转速很高时,行星齿轮产生很大的离心力作用在轴承上,因此,应用受到一定限制其值不限.其特点与A型相类似。但它的径向尺寸较小,传动比范围较大。因采用了双联行星轮,故其制造安装都较复杂。一般7时不采用。一般较低.传动比大,效率较低,用于短期间断工作的传动,当转

43、臂x为输出件时,传动比大于某一值后,传动将产生自锁根据2X型行星齿轮传动中各种结构的特点,发现A型结构效率高、体积小、质量小、结构简单,最适合用于电子机械制动系统执行机构的减速装置。由于需要较大的传动比，采用型两级减速的减速器。三维模型爆炸视图如图所示。图减速器爆炸视图3.3.3运动转换装置设计将转动转换为直线运动的装置主要有曲柄滑块、齿轮齿条、滑动丝杠、滚珠丝杠等几种机构。曲柄滑块副中滑块是类似于活塞的形式往复运动的,无法提供相对持续的夹紧力,齿轮齿条副传动比小,得很大的驱动齿轮力矩才能得到一定夹紧力,且齿轮轴线与齿条运动轴线相交,不利于电机等其他装置的布置。尽管滚珠丝杠的优点比滑动丝杠更突

44、出，但是考虑到驻车制动所需的制动力很小，同时驻车制动在完成制动后要能够自锁，同时考虑价格等因素，电子驻车制动系统选用滑动丝杠副。如图所示。图滑动丝杠螺母机构3.3.4 制动器设计制动器有摩擦式、电磁式和液力式等几种。电磁式制动器虽作用滞后小、易于连接接头可靠,但因成本高只在一部分重型汽车上用来制动器或缓速器,液力式制动器一般只用作缓速器,目前广泛使用的仍是摩擦式制动器。摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同,分为鼓式、盘式和带式三种。带式只用做中央制动器,本文不加以比较。本方案采用盘式制动器，主要有三类：固定钳式、滑动钳式、摆动钳式。如图所示。图钳盘式制动器示意图钳盘式制动器按制动钳的结构不同,有以

45、下几种:(a)固定钳式,如图（a）所示。制动钳体固定不动,制动盘两侧均有液压缸或机械推动装置。制动时仅两侧缸中的制动块向盘面移动。这种形式也称为对置活塞式或浮动活塞式；（）滑动钳式,如图（）所示。制动钳可以相对于制动盘做轴向滑动,其中只在制动盘的内侧置有液压缸或机械推动装置,外侧的制动块固装在钳体上。制动时活塞在液压或机械力的作用下使活动制动块压靠到制动盘,而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧,直到两制动块受力均等为止；(c)摆动钳式,如图（c）所示它也是单侧缸结构,制动钳体与固定于车轴上的支座铰接。综合考虑以上各种制动器的类型及优点，选择滑动钳盘式制动器。3.4 汽车电子

46、驻车制动系统执行机构方案对比 上一节已经确定电子驻车制动系统的驱动电机为稀土无刷直流电机，减速器为两级行星减速器，运动装置为滑动丝杠螺母机构。根据电子驻车系统执行机构的传动原理以及目前加工制造技术水平，提出了两种方案。如图3-13所示。同步带传动两级组合式行星齿轮减速器滑动丝杠副电机电机齿轮传动两级组合式行星齿轮减速器滑动丝杠副图3-13 电子驻车制动系统执行机构的两种方案 第一种方案是将电机、同步带、两级组合式行星齿轮减速器、滑动丝杠副等“串联”起来，来实现驻车制动目的。如图3-14所示。 图3-14 电子驻车制动系统执行机构（方案一） 该机构的特点：电机、同步带、行星减速器、滑动丝杠副、制

47、动衬垫依次排开，可以实现模块化，方便安装，同时可以采用电机外悬式结充分利用有限的空间。 第二种方案是在第一种方案的基础上将同步带传动改为齿轮传动，从而实现驻车制动的。如图3-15所示。图3-15 电子驻车制动系统执行机构（方案二） 该机构的特点：电机、齿轮传动、行星减速器、滑动丝杠副、制动衬垫依次排开，由于中间采用了齿轮传动，整个制动器重量增加，且安装调试不便。 综合以上特点，决定选用方案一，它比方案二更易装配调试，能够自锁,更符合驻车制动的条件。3.5 本章小结 本章首先介绍了电子驻车制动系统的国内外厂家设计的典型结构，其次分析了电机的选型、传动装置的选型、以及制动装置的选型。提出了几种电子

48、驻车制动系统的执行方案，并分析选择了电子驻车制动系统的执行机构。4 电子驻车制动系统相关参数计算4.1 参数采集模块设计研究参数采集模块的作用是采集反映车辆状态的各种物理量,包括模拟信号和开关量,再将这些信号AD转换成中央电子控制单元模块可以识别并进行处理的数字信号。参数采集模块的设计包括车速采集、发动机转速采集、驻车电流采集、驻车制动盘压力采集、驻车坡度采集、制动踏板行程采集、离合器踏板行程采集、加速踏板行程采集等电路组成,每个模块均带有独立的总线节点实现内部和整车之间的信息交互。对应于车辆速度低于某一限值的情况下时,电子驻车系统就开始进行智能控制工作的功能需求,需要对车速进行采集,车速采集

49、模块的功能即为检测模拟的车速信号量并AD转换为数字信号,然后经总线传输至中央电子控制单元。本小节即为研究各参数采集模块的计算方法。鉴于篇幅问题，这里只讨论车速采集和制动盘压力采集的计算方法。4.1.1 车速计算方法 对于制动系统而言，计算车辆的参考车速是研究其控制算法的核心问题，在这方面国内外的研究机构都做过许多理论研究和实际工作。目前计算参考车速的方法主要有最大轮速法、插值法、制动轮缸压力参考法、卡尔曼滤波法、递归法等几种方法。而对于EPB系统而言,只需在车辆速度足够低的时候才参与实施制动功能,并基于经济性和简便性的原因,可以采取通用的算法。首先对车辆在制动过程的整车受力分析,作为广泛性考虑

50、,对车辆模型进行以下优化:（1） 车辆左右对称，且质量分布均匀；（2）相对而言,车辆速度较低,对于空气阻力和车轮的滚动阻力,可以不予考虑。取Nf为车轮前轴地面法向反力;Nr为车轮后轴地面法向反力;mdv/dt为整车惯性力;m为整车质量;hg为车重心离地距离;L为轴距;Lf为重心到前轴的距离;Lr为重心到后轴的距离;Fbi为各车轮的地面制动力。由此,有车身的力学方程:Nf+Nr=mg (4.1)NfL=mgLr+mdv/dt (4.2) (4.3)(4.4) 其中:为前轮的路面附着系数; 为后轮的路面附着系数。图4-1 车轮转矩示意图 车轮模型如图所示。其中:Ji为车轮转动惯量;令dwi/dt为

51、各个车轮的角减速度;Mbi为制动器工作时的制动力矩。(4.5)当一个制动系统具备能提供稳定压力的能力时,且此制动系统的参数及工作模式已明确的条件下,则其制动过程中产生的制动压力的等效压力函数Pi(t)可以得出,各轮制动时力矩Mbi和等效制动压力成线性关系,其比例系数Ki是由制动系统的形式参数决定。=KiPi(t) (4.6) (4.7)可以求得车轮的角减速度,确定车轮制动时的等效压力函数Pi (t),经(4.7)可以求出车轮制动时的地面制动力Fbi,然后经(4.4)能求出车辆的减速度dv/dt,最后,可以由(4.8)得出制动时的车速,式中vO是车速初始值。4.1.2 驻车制动盘压力的计算方法为

52、了测量驻车制动时制动器压力,需要配备一个压力传感器在制动器内侧,通过此传感器获取制动器已经产生的制动力,以此来与理论上所需要的制动力进行比较,继而进行修正,实现对制动执行系统的监测,能有效避免电机在堵转状态下耗时过长,从而实现高质量的驻车。不失一般性,假设车辆需要停驻在角度的路面上,在安全驻车的前提下,需要车辆驻车制动器提供的制动力矩为:(4.9)其中:Re为车轮的有效半径。单个后轮制动器的制动力极限则为TO的一半。而当制动器形式为盘式时,可用下式表达制动力矩:(4.10)(4.11)其中: 是摩擦系数；R是制动力作用等效距离；F是制动器压紧力；R2、R1制动摩擦块扇形表面在制动盘上的内半径和

53、外半径。若需要可靠驻车，则制动力矩还要满足条件：(4.12)其中是安全系数，其数值根据实验计算，其值大于1。由以上公式可得：=1/2(4.13)其中F就是制动时制动器所需的压紧力。本文选用某轻型轿车参数如表4.1所示：表4.1 某轻型轿车各主要参数表轻型轿车整备质量M承载质量M制动盘外径D工作半径R车轮型号参数1395Kg375Kg285mm125.5mm205/55R16由于驻车制动效能是是以汽车在良好的路面上能可靠而无时间限制地停驻的最大坡度(%)来衡量的,一般应大于18%；满载情况下应该至少大于15%。由上述计算制动盘压力的公式可知制动盘压紧力的最大值应该是空载时最大值和满载时最大值之间

54、的较大值。经计算：空载时：.满载时：.因此滑动丝杠施加给制动盘的压紧力至少应大于.，这样才能满足安全驻车制动的条件。4.2 电子驻车制动系统执行机构参数确定4.2.1 滑动丝杠的计算与选型4.2.4.1 滑动丝杠副的设计与校核计算 （1）螺纹的选择 滑动丝杠的螺纹分为梯形、锯齿形和矩形三种。其中，梯形螺纹使用最为广泛，本文针对使用条件选用了梯形螺纹。 梯形螺纹的精度由GB5796.4-86规定，它的极限尺寸按GB12359-90规定。此标准规定了内螺纹的小径和外螺纹的大径只有一种公差带同时规定外螺纹小径的公差带位置永远为h，公差等级数与中径公差等级数相同，故仅选择并标记中径公差带来代表梯形螺纹公差带。且梯形螺纹只规定了中等和粗糙两种精度，其选用原则是：一般用途的选中等；对精度要求不高时选粗糙。本文选择中等精度的梯形螺纹 。4.2.4.