汽車電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)駐車力研究

閔慶付 阮文龍

(1.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200000；2.浙江宏舟新能源科技有限公司，浙江 舟山 316000)

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(yīng)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(dǎo)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。

圖1 EPB制動鉗總成原理示意圖

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)

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，

圖2 車輛駐坡受力分析圖

Fz2L-Gsinθ·hg=Gcosθ·a

(1)

(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

空載上坡下坡附著系數(shù)μ坡度傾角θ駐坡度(%)坡度傾角θ駐坡度(%)0.514.1025.1211.4520.260.617.1630.8913.4223.850.720.2836.9415.2827.310.823.4243.3117.0430.64滿載上坡下坡附著系數(shù)μ坡度傾角θ駐坡度(%)坡度傾角θ駐坡度(%)0.515.4427.6212.4722.110.618.7733.9914.5826.020.722.1540.7016.5829.770.825.5347.7718.4633.38

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(yīng)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(yīng)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

空載(a取1.1)滿載(a取1.1)摩擦系數(shù)μ駐坡(20%)駐坡(30%)駐坡(20%)駐坡(30%)0.2012374.62 18131.20 14882.99 21806.450.2111785.36 17267.81 14174.28 20768.050.2211249.66 16482.91 13529.99 19824.040.2310760.54 15766.27 12941.73 18962.130.2410312.19 15109.34 12402.49 18172.040.259899.70 14504.96 11906.39 17445.160.269518.94 13947.08 11448.46 16774.190.279166.39 13430.52 11024.44 16152.930.288839.02 12950.86 10630.71 15576.040.298534.22 12504.28 10264.13 15038.930.308249.75 12087.47 9922.00 14537.630.317983.63 11697.55 9601.93 14068.680.327734.14 11332.00 9301.87 13629.030.337499.77 10988.61 9020.00 13216.030.347279.19 10665.41 8754.70 12827.320.357071.21 10360.69 8504.57 12460.830.366874.79 10072.89 8268.33 12114.69

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(fù)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)

對螺紋進行受力分析。

圖3 螺紋受力分析圖

螺紋力矩計算：

(6)

令f′=f/cosβ稱當量摩擦系數(shù)。與當量摩擦系數(shù)對應(yīng)的摩擦角稱為當量摩擦角，用ρv表示。

螺紋升角計算：

φ=ctg(s/πd)=ctg(PN/πd)

(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

空載(a取1.1)滿載(a取1.1)摩擦系數(shù)μ駐坡(20%)駐坡(30%)駐坡(20%)駐坡(30%)0.2011.30 16.55 13.59 19.91 0.2110.76 15.77 12.94 18.96 0.2210.27 15.05 12.35 18.10 0.239.82 14.40 11.82 17.31 0.249.42 13.80 11.32 16.59 0.259.04 13.24 10.87 15.93 0.268.69 12.73 10.45 15.32 0.278.37 12.26 10.07 14.75 0.288.07 11.82 9.71 14.22 0.297.79 11.42 9.37 13.73 0.307.53 11.04 9.06 13.27 0.317.29 10.68 8.77 12.85 0.327.06 10.35 8.49 12.44 0.336.85 10.03 8.24 12.07 0.346.65 9.74 7.99 11.71 0.356.46 9.46 7.76 11.38 0.366.28 9.20 7.55 11.06

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)

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

空載(a取1.1)滿載(a取1.1)摩擦系數(shù)μ駐坡(20%)駐坡(30%)駐坡(20%)駐坡(30%)0.20129.13 189.19 155.30 227.54 0.21122.98 180.18 147.90 216.71 0.22117.39 171.99 141.18 206.86 0.23112.28 164.52 135.04 197.86 0.24107.60 157.66 129.42 189.62 0.25103.30 151.35 124.24 182.03 0.2699.33 145.53 119.46 175.03 0.2795.65 140.14 115.04 168.55 0.2892.23 135.14 110.93 162.53 0.2989.05 130.48 107.10 156.93 0.3086.08 126.13 103.53 151.70 0.3183.31 122.06 100.19 146.80 0.3280.70 118.25 97.06 142.21 0.3378.26 114.66 94.12 137.91 0.3475.96 111.29 91.35 133.85 0.3573.79 108.11 88.74 130.02 0.3671.74 105.11 86.28 126.41

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(fù)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

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)

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：

(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??；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

電壓溫度9 V12 V16 V-40 ℃9.929.959.97-20 ℃10.2410.2710.300 ℃10.5810.6210.6525 ℃11.0511.0911.1245 ℃11.4511.5011.5465 ℃11.8911.9411.9885 ℃12.3712.4312.47

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。

圖4 EPB綜合性能試驗臺

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

電壓溫度9 V12 V16 V-40 ℃10.7210.7510.97-20 ℃10.6010.7610.750 ℃10.5410.6710.7025 ℃10.8010.9211.0645 ℃11.4411.4911.5265 ℃11.8811.9211.9685 ℃12.2712.4112.47

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(dǎo)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(shè)定截止電流。