汽车电子机械盘式制动系统执行机构设计

1、 河北农业大学毕业设计 汽车电子机械盘式制动系统执行机构设计 摘要 随着人们的生活节奏的加快，汽车速度也在不断提高，汽车制动系的工作可靠性要求显得日益重要，因为只有制动性能良好和制动系工作可靠的汽车才能充分发挥出其高速行驶的动力性能并保证行驶的安全性。传统制动系统难以满足现阶段汽车制动系统的发展要求，电子机械制动系统(Electromechanical Brake,EMB)，作为线控技术的一个分支，它将传统制动系统中的机械或液压制动传动装置由电子制动机构取代。EMB摒弃了传统制动系统的诸多缺点，结构更加简单，响应更快，所占空间更小。且易于集成相关功能，如ABS, EBD, TCS和ESP等，易

2、于和未来的交通管理系统联网，代表着汽车制动系统的发展方向。 本设计主要采用捷达轿车的参数进行设计，首先是轿车制动系的相关参数和执行器机构参数的计算、轴承的选择。然后是传动机构有关零部件校核。最后是制动器主要零部件结构设计。该设计机构与普通机械或液压传动相比，不仅提高了制动效能，而且大大简化了结构，降低了装配和维修的难度。关键词：盘式制动器；EMB；电子机械制动 The Design of automobile electronic mechanical disc brake system executing agenciesAbstract Now, with the acceleration

3、 of the pace of life, motor speed has been increased, automobile brake system reliability requirements become increasingly important, because only the braking car of good performance and reliable braking system work in order to give full play to the high speed of dynamic performance and guarantees o

4、f security. Traditional brake systems to meet the development requirements of automotive braking system at the present stage, electro-mechanical braking system (Electromechanical Brake,EMB), as a branch of line control technology, it will be the traditional mechanical or hydraulic brake system brake

5、 gear replaced by the e-brake mechanism. EMB dispense with many of the shortcomings of the traditional brake systems, structure is simpler, faster response, the less space. Ease of integration-related features, such as ABS, EBD, TCS and ESP, easy and future traffic management systems, represent the

6、development direction of automotive brake systems.The design of its Jetta parameter design, first of all is the car brake system-related parameters and perform parameter calculations, selection of bearings. Then checking the transmission related parts. Last is the structural design of brake componen

7、ts. Compared to the design and general mechanical or hydraulic transmission, not only increases braking efficiency, and greatly simplifies the structure, reducing the difficulty of assembling and maintenance.Key words:Disc brake; EMB; electronic and mechanical brake 目 录摘要1目 录31研究主题及设计方案的拟定41.1 汽车电子机

8、械制动系统41.1.1、现代汽车制动系统的发展趋势4 1.1.2电子机械制动系统原理51.1.3电子机械制动系统结构及优点52设计方法、内容及其分析6 2.1捷达轿车制动系的参数计算6 2.1.1 捷达轿车的相关参数62.1.2制动器制动力7 2.1.3同步附着系数8 2.2 执行器传动机构参数计算8 2.2.1 滚珠丝杠的设计计算9 2.2.2 行星减速机构11 2.2.3 选择电机13 2.2.4 有关轴承以及轴、销的选用14 2.3 传动机构有关零部件校核152.3.1 行星齿轮减速器太阳轮传动端面重合度152.3.2行星轮传动端面重合度152.3.3齿轮强度计算16 2.4 制动器主要

9、零部件结构设计212.4.1制动盘212.4.2制动钳212.4.3制动块213 结论与工作展望213.1结论213.2 工作展望22参考文献：22致 谢23 1研究主题及设计方案的拟定1.1 汽车电子机械制动系统 总体说来，电子制动系统可分为两类：电子液压式制动（EHB）系统和电子机械式制动（EMB）系统，本设计主要研究电子机械制动（EMB）系统（如图1）。电子机械制动系统是未来制动控制系统的发展方向。由于具有不可克服的缺点，使用液压油或空气作为传力介质的传统制动系统必将被电子机械制动系统所取代。 图1 EMB执行机构1.1.1、现代汽车制动系统的发展趋势 已经普遍应用的液压制动现在已经是非

10、常成熟的技术，随着人们对制动性能要求的提高，防抱死制动系统、驱动防滑控制系统、电子稳定性控制程序、主动避撞技术等功能逐渐融入到制动系统当中，需要在制动系统上添加很多附加装置来实现这些功能，这就使得制动系统结构复杂化，增加了液压回路泄漏的可能以及装配、维修的难度，制动系统要求结构更加简洁，功能更加全面和可靠，制动系统的管理也成为必须要面对的问题，电子制动技术的应用必将取代传统的制动系统。机械连接逐渐减少，制动踏板和制动器之间动力传递分离开来，取而代之的是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号，所以这种制动又叫做线控制动。这将是制动系统的一次飞跃式发展。1.1.2电子机械制动系统原理 电子机械制动

11、系统(Electro Mechanical Braking，EMB)是一个全新的制动机构，是制动驱动机构供能与传动装置上的革新（如图2）。它取消了传统的液压制动系统，以电机提供制动能源，以电信号传输驾驶员制动意图，执行机构仍是常规的制动器。它的原理图如图3所示，当汽车制动时，驾驶员踩下电子制动踏板，电子制动踏板带有踏板感觉模拟器，踏板行程信号传送至控制器。控制器同时接收车速轮速、电机电流和转子位置信号，通过综合的计算分析，控制器发出控制信号。功率驱动电路根据控制器的控制信号向电机提供相应大小和方向的电流，从而控制电机的转速、输出力矩、转动方向。电机再带动机械执行机构，产生制动力。 图2电子机械

12、系统原理图 图2 机械电子制动工作原理1.1.3电子机械制动系统结构及优点本设计的内容主要是对捷达轿车电子控制机械制动器进行设计，本电子机械式制动器的大体结构如图3所示。 图3 电子机械制动执行机构结构简图汽车电子制动系统与传统的制动系统相比，有以下诸多优点：采用电气和机械连接，电气信号传递迅速，反应灵敏，机械执行的响应快，缩短制动距离；节省能源，传动效率高。电子机械制动执行器在执行制动时才消耗能量，平 时处于伺服的状态，而普通液压制动需要由发动机或电机带动液压泵保持制动 液的压力，还要给真空助力器提供真空；液力传动的效率也不及机械传动的效率高。这对于电动汽车来说有更重要的意义；电子智能控制功

13、能强大，可以通过修改ECU 中的软件，修改控制策略，配置相关的参数来改进制动性能，易于实现ABS、EBD、ASR、ESP 等功能；方便的集成附加功能，如电子驻车制动；利于环保，没有液压制动管路和制动液，不存在液压油泄漏和液压油的更换问题，EMB 系统没有不可回收的部件，对环境几乎没有污染； 机械连接少，结构简洁；取消了体积较大的真空制动助力器、制动主缸、储油器等液压系统，体积小。 2设计方法、内容及其分析 2.1捷达轿车制动系的参数计算2.1.1 捷达轿车的相关参数本次设计以捷达轿车为模型，轿车各参数如表1所示 表1 捷达轿车参数参数名称参数值前、后车轮转动惯量J0.87kg/汽车轴距L2.4

14、72m质心至前轴距离b0.946m质心高度0.469m车轮有效半径0.285m汽车质量G1400kg空载质量1095kg迎风面积A2.36m2空气阻力系数0.35制动盘外径/厚度/摩擦块厚256mm/13mm/14mm制动盘工作半径/摩擦面积104mm/96cm2制动盘摩擦系数f0.32.1.2制动器制动力 汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的车速或直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际外力主要是由地面提供的，称之为地面制动力。地面制动力越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。由公式： 将上数据=0.946m,，

15、=1.526m,，=0.6， hg=0.469m，G=14000N，代入得：由上两式得；F1=59013.6N,F2=24986.4N2.1.3同步附着系数 汽车实际前、后制动器制动力分配线，简称线，如图4，绘制了汽车在空载和满载两种工况的I曲线。线与I曲线交于B点， B点处的附着系数=,则称为同步附着系数。 图4 线同步附着系数：- 汽车轴距； - 同步附着系数；将上数据L=2.472m, =0.703,b=1.526m, =0.469m代入得：=0.4522.2 执行器传动机构参数计算在系统中先需要把电机的转动变为平动。考虑到精度要求，适合采用滚动螺旋传动。根据速比需要可添加行星齿轮减速结

16、构。本课题制动执行器减速系统分为两部分：一级滚珠丝杠减速部分、二级行星齿轮减速部分。电机通过齿轮系驱动滚珠丝杠，并将电机的旋转运动转化为丝杠的直线运动，对刹车盘加压。在设计的过程中，可以通过所需的最大刹车压力估计丝杠出力的大小并选用一定规格的丝杠来满足要求，然后计算出相应的电机负载转矩和容量来选用相应的无刷直流电机。2.2.1 滚珠丝杠的设计计算查阅有关的产品信息，这里选用的是16-5T3产品如图5，有关参数如表2 表2滚珠丝杠参数外径16导程5珠径3.175珠卷数3动负荷revsc(kgf)664静负荷C0（kgf）1196D648D28H140油孔M6*1PL115L710L244法兰孔数

17、6D55.5D438L110滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的产品。由螺杆、螺母和滚珠组成。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是将螺母与丝杠分别加工成凹半圆弧形成螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成的。滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母或丝杠轴向移动。选择滚珠丝杠时，首先要进行丝杠上的动载荷计算、传动效率、驱动功率等有关计算。轴向载荷：N静载荷条件：式中： -基本额定静载荷 -载荷系数，查表2取为1.0. -静载荷硬度影响系数，查表2取为1.0.动载荷条件： 式中：-寿命系数，=3.56 -载荷系数，参考表2，取值2.0； -动载荷硬度影响系数，参考表2，取为1.

18、0； -短行程系数，参考表2，暂取1.0； -转速系数，=0.32（n取1000）；代入数据计算得：1131860.2N。 图5滚珠丝杠2.2.2 行星减速机构行星减速机主要由太阳轮行星轮行星架三部分构成（如图6）。行星轮减速其实就是齿轮减速的原理,它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮,在太阳轮边上有轴线变动的齿轮,即既作自转又作公转的齿轮叫行星轮,行星轮与内齿圈b齿合行星轮有支持构件叫行星架H,通过行星架将动力传到轴上,再传给其它齿轮。 图6行星减速机构1.选择材料按照行星传动各齿轮常用材料、热加工处理方式及性能要求进行选择如表3。表3齿轮数据齿轮材料及热处理接触疲劳极限/MPa弯曲疲

19、劳极限/MPa精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火14504006行星轮20CrMnTi渗碳淬火14502806内齿圈40Cr调质72025072.确定主要参数（1）初选传动比 i=3.35;（2）初选行星轮数目k=3;（3）配齿计算;太阳轮齿数： ;内齿圈齿数： ; 行星轮齿数：，取为24;（4）模数选择 初选: =1mm 由此得: =30mm（5）传递的扭矩 行星架： =4.406Nm 所以太阳轮： (负号代表方向相反) 行星轮： 内齿圈： 3、初步确定几何尺寸分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽对于调质钢；对于渗碳、淬火钢其中：齿顶圆系数：太阳轮、行星轮- 内齿圈-齿根圆系数：太阳轮、

20、行星轮- 内齿圈-代入数据计算得如表4： 表4各齿轮参数太阳轮行星轮内齿圈2.2.3 选择电机因为该系统应能输出大转矩且响应速度快，因此需要电机在小负载时转速较高，并能够输出大的峰值力矩。本设计采用了直流无刷力矩电机，根据滚珠丝杠和齿轮减速部分的分析可知电机轴上的功率为： = 0.465 kW。折算到电机上的负载转矩为：M=根据计算出的功率和负载转矩，参考内齿圈齿根圆直径87.1mm，选择合适的电机，一要满足功率和转矩要求，二要比87.1略大并尽可能接近（结构上更紧凑合理）。2.2.4 有关轴承以及轴、销的选用此题目中主要的轴承结构有三个，一个是电机转子太阳轮与滚珠丝杠旋转副间的轴承（以下称为

21、轴承1），一个是行星齿轮与行星架结构间的轴承（以下称为轴承2），另一个是滚珠丝杠旋转副与壳体间的滚动轴承（以下称为轴承3）。设计产品中的行星架是用一个轴与滚珠丝杠的连接体构成的，此轴的轴向定位采用了销。下面介绍有关轴承和轴、销的选用。A、轴承的选用轴承1选用滚针轴承，已知：轴承内径28mm，径向力，设计寿命38400h，轴承转速1000r/min，轴承类型选用N4900，精度等级E，工作温度<120，工作情况选用f=2.0，可靠性选用99%。得出所选轴承代号为NA 4906A轴承2选用滚针轴承。已知：轴承内径10mm，径向力，设计寿命38400h，轴承转速1701r/min，轴承类型选用

22、N4900，精度等级E，工作温度<120，工作情况选用f=2.0，可靠性选用99%。得出所选轴承代号为NA 4900A轴承3选用深沟球轴承，根据装配图可以知道，滚珠丝杠的螺母是在原产品基础上进行了改动的，一个改动就是螺母与深沟球轴承做成了一体，根据尺寸要求以及尽可能紧凑的设计思想，选用轴承外径90mm，宽B为13mm，则与此轴承选用代号为6120的轴承。B、轴的选用根据工作转矩4.406Nm,转速约333r/min，实心轴，选用45钢，计算得出最小的直径为；本设计中选用的轴直径大于7.8mm,因此符合设计要求。C、销的选用选用销 GB/T117 2-22,径为2mm，长为22mm的销，材

23、料为35钢，热处理硬度为2838HRC，表面氧化处理。2.3 传动机构有关零部件校核2.3.1 行星齿轮减速器太阳轮传动端面重合度（1）顶圆齿形曲径太阳轮： 8.683mm =6.427mm（2）端面啮合长度。式中：正号为外啮合，负号为内啮合。-端面节圆啮合角，直齿轮为所以， 8.683+6.42730×sin 20=4.849mm（3）端面重合度：，其中为零。2.3.2行星轮传动端面重合度（1）顶圆齿形曲径行星轮： mmmm（2）端面啮合长度。式中：正号为外啮合，负号为内啮合。-端面节圆啮合角，直齿轮为所以： mm（3）端面重合度：，其中b 为零。2.3.3齿轮强度计算以a-c传动

24、太阳轮校核过程为例。（1）确定计算负荷名义转矩：T=1.315Nm名义圆周力：（2）应力循环次数式中： -太阳轮相对于行星架的转速：100010003.35=701.5（r/min）t-寿命期间总运转时间：15年×320d年×8hd=-38400h。所以,（3）接触强度计算A使用系数根据对机器使用负荷的分析，取=1.85。B、先计算传动精度系数：式中： -单个齿距极限偏差，取为7.0。所以：，因此： =1.1。C、齿向载荷分布系数 、。先计算结构尺寸系数：式中： -太阳轮功率不分流，取为1；-齿轮结构系数，本结构中s 取为0（齿轮装在两支承的终点处）则为为0.48；所以，对

25、于一般齿轮， 受载接触良好时： 式中： 为，所以为。式中：-对于渗碳淬火刚，取；所以：。下面计算啮合刚度 （1）式中： - 单对齿刚度cos b （2）其中： -单对齿刚度理论值对于没有变位的齿轮，。所以，。-理论修正值，=0.8.-轮坯结构系数，取为1。-基本齿廓系数，其中，所以。将各种数据代入式（2），算得。所以根据式（1），算得。因为:，所以。令：（其中h为齿高），则有：D、齿间载荷分布系数、已知切向力：,渗碳淬火刚的齿廓跑合量其中：-基节极限偏差，。所以。下面求总重合度;已知端面重合度：又因为纵向重合度：所以总重合度：因此：又因为： 其中：-称为接触强度的重合度系数， -称为弯曲强度的

26、重合度系数。所以： E、计算节点处接触应力基本值式中： -节点区域系数：-弹性系数，对于本结构采用的刚，取189.8-螺旋角系数： -齿数比：代入算得：F、计算接触应力其中：当时，否则。因为算得，所以。所以：。G、许用接触应力式中： -寿命系数，因为，所以。-润滑油膜系数，根据传动手册。选取为0.92。-齿面工作硬化系数， X-尺寸系数， （时，取为）-最小安全系数，为了达到较高的可靠度，选为。则： 。H、接触强度的计算安全系数:4）弯曲强度计算A、系数，B、齿根应力的基本值式中：已经算得 ；-齿形系数，查阅资料得-应力修正系数，查阅资料得所以。C、计算齿根应力D、许用齿根应力式中： -试验齿

27、轮的应力修正系数，取2；-弯曲强度的寿命系数，取1；-相对齿根圆角敏感系数，取0.98；-相对齿根表面状况系数，取1.03；-弯曲强度寿命系数， （时取）-最小安全系数，取1.5所以： E、弯曲强度的计算安全系数2.4 制动器主要零部件结构设计2.4.1制动盘本课题是以捷达轿车为基础的，因而制动盘采用捷达轿车制动盘，厚度为13mm，外径256mm。一般情况下，制动盘两侧表面不平行度不应大于0.008mm，盘的表面摆差不应大于0.1mm，表面粗糙度不应大于0.06mm。2.4.2制动钳制动钳体作为制动钳的关键元件，强度和刚度要求较高。本设计采用高强度和高韧性的球墨铸铁QT400-18压铸成。2.

28、4.3制动块制动块材料选用无石棉金属材料，其定速摩擦试验性能也应满足规定和要求。3 结论与工作展望3.1结论由于电子机械制动系统有着传统液(气)压刹车系统不可比拟的优势，电子机械制动系统是未来制动系统发展的必然趋势，但是目前国内对电子机械制动系统的研究还属于空白阶段，与其它国家相比，技术上的差距较大，所以本文所作的研究工作有着重要的现实意义。本文进行了电子机械盘式制动器的设计，设计一套电子控制器制动系统，包括电机驱动机构、传力机构等，设计中制动系的每一部分的的设计均按照相关要求进行，重点对滚珠丝杠和行星减速机构进行了验证和校核，达到了设计的预期要求。由于电子机械制动系统体积的限制，各零部件的尺寸要符合要求。由于现今国内的电子机械制动系统尚未成熟。因此本设计在深度和广度上仍显不足，还需做进一步的研究。3.2 工作展望近年来我国汽车工业发展迅猛。但我国还不是汽车强国，在整车和汽车零部件的关键技术方面，我国还与世界汽车强国之间存在有较大的差距。从上面的介绍可以看出，汽车电子机械系统具有一系列的优点，符合汽车发展安全、节能、环保的三大