汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李濤

摘要：電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)系統(tǒng)中的最重要的系統(tǒng)之一，是保障汽車(chē)駕駛員在緊急狀態(tài)下安全的保證，汽車(chē)是否具有好的制動(dòng)性往往作為消費(fèi)者考量汽車(chē)的關(guān)鍵條件之一。汽車(chē)的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)依靠的是電機(jī)，通過(guò)電機(jī)中的電子元件、控制系統(tǒng)完成構(gòu)建起的數(shù)據(jù)模型，對(duì)接收到的信息指令進(jìn)行相應(yīng)的制動(dòng)反饋操作。對(duì)汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究對(duì)于汽車(chē)的性能發(fā)展具有十分重要的意義，本篇將對(duì)汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的解析，對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深入的探索研究。

Abstract： Electro mechanical braking system is one of the most important systems in the automobile system， and it is the guarantee of the safety of the driver in emergency. Whether the car has good braking performance is often one of the key conditions for consumers to consider the car. The electronic mechanical braking system of automobile depends on the motor. The data model is completed by the electronic components and control system of the motor， and the corresponding braking feedback operation is carried out for the received information command. The research on the design of automobile electro-mechanical braking system is of great significance for the development of automobile performance. This paper will analyze the design of automobile electro-mechanical braking system and carry out in-depth exploration and Research on the electromechanical braking system.

關(guān)鍵詞：電子機(jī)械;制動(dòng)系統(tǒng);設(shè)計(jì)與研究

Key words： electronic machinery;brake system;design and research

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0026-02

0? 引言

隨著汽車(chē)速度的不斷攀升，汽車(chē)的制動(dòng)能力是影響著汽車(chē)駕駛安全的關(guān)鍵因素，對(duì)于汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)也是在更新?lián)Q代。近些年來(lái)將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)相結(jié)合的電子機(jī)械制動(dòng)技術(shù)對(duì)于汽車(chē)整體制動(dòng)能力的提升十分的迅速，在汽車(chē)的制動(dòng)距離以及汽車(chē)的制動(dòng)時(shí)間上都有很不錯(cuò)的表現(xiàn)。而繼續(xù)深入研究電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)及成本以促成對(duì)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1? 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展背景條件及優(yōu)勢(shì)現(xiàn)狀

1.1 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展背景條件

在傳統(tǒng)的汽車(chē)制造業(yè)中，傳統(tǒng)的液壓式制動(dòng)系統(tǒng)是制動(dòng)系統(tǒng)的主流，通過(guò)踩踏制動(dòng)踏板引發(fā)加壓裝置對(duì)整個(gè)汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)，隨著時(shí)間的推移這種技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)汽車(chē)性能的需要，傳統(tǒng)的液壓控制制動(dòng)系統(tǒng)由于人長(zhǎng)時(shí)間的踩踏踏板出現(xiàn)的液壓加壓裝置松動(dòng)，使用壽命短，純粹依靠人反應(yīng)來(lái)進(jìn)行的制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于日益增長(zhǎng)的汽車(chē)速度的先前條件也將不再適應(yīng)目前的發(fā)展需要，目前的制動(dòng)系統(tǒng)管路愈加復(fù)雜多樣，這對(duì)于整體的制動(dòng)性能的提升也產(chǎn)生阻礙?；谶@種現(xiàn)狀，結(jié)合目前電子技術(shù)發(fā)展較為先進(jìn)的基礎(chǔ)，將電子技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 汽車(chē)電子制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)代替原有的液壓裝置對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)操作，除了在反應(yīng)速度上更加迅捷，安全性也大大提升。其次電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在線(xiàn)路連接上更為簡(jiǎn)便，執(zhí)行步驟相較于傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)便，而且電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)制動(dòng)液來(lái)代替原有的系統(tǒng)油管，優(yōu)化了汽車(chē)內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)，并且由于節(jié)省了油箱也將不存在油管泄露情況，這將有利于環(huán)境保護(hù)方向。并且在汽車(chē)執(zhí)行制動(dòng)操作時(shí)實(shí)現(xiàn)外部載荷的平穩(wěn)傳送，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)噪音發(fā)出的噪音更小，制動(dòng)效果也得了顯著提升。目前各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于研究電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，不斷的開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的潛力，該系統(tǒng)不僅符合當(dāng)今信息時(shí)代的需要，更滿(mǎn)足了人對(duì)于現(xiàn)代汽車(chē)制動(dòng)性能的需求。雖然目前發(fā)展仍未到成熟期，只是在傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了ABS、ESP等，對(duì)于整體汽車(chē)架構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，反而讓管路配置變得更為復(fù)雜，對(duì)于后期維護(hù)而言反倒更加麻煩。如何優(yōu)化該系統(tǒng)在整個(gè)汽車(chē)空間中的設(shè)計(jì)變得十分關(guān)鍵，這也將成為未來(lái)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2? 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)踩踏電子踏板，通過(guò)傳感器向電子中樞控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的分析操作后對(duì)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。整個(gè)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)核心部件是中樞控制系統(tǒng)，通過(guò)中樞控制系統(tǒng)的電子元件的數(shù)據(jù)分析對(duì)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下收集到的信息進(jìn)行相關(guān)的操作，例如在汽車(chē)減速，增加距離等信號(hào)時(shí)，電子機(jī)械控制系統(tǒng)更具靈活性，反應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到0.1s左右，快速的反應(yīng)速度是安全駕駛的關(guān)鍵。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

電子制動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的，駕駛員通過(guò)踩踏制動(dòng)踏板，制動(dòng)踏板通過(guò)電子線(xiàn)路發(fā)出相關(guān)信息，具體的信息是十分細(xì)致具體的，例如對(duì)踩踏力度的分析，對(duì)汽車(chē)運(yùn)行速度的分析，目前汽車(chē)的所受外力的分析等等，這些信息綜合起來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)模型的綜合分析進(jìn)行相關(guān)的制動(dòng)操作。除此以外制動(dòng)位移也是在制動(dòng)系統(tǒng)中需要考量的因素和問(wèn)題之一。具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下，首先是雙腔制動(dòng)閥的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)時(shí)將汽車(chē)踏板經(jīng)踩踏后發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)通過(guò)制動(dòng)閥轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)。而該閥門(mén)總體要經(jīng)過(guò)三個(gè)力學(xué)階段，先增壓，再保壓，最后減壓，此過(guò)程需要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，建模的參數(shù)將直接影響閥力學(xué)動(dòng)態(tài)參數(shù)，例如制動(dòng)彈簧剛度、排氣間隙、活塞回位彈簧剛度等等。其次再整個(gè)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，推動(dòng)閥的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的緩解之一，其主要作用是完成對(duì)制動(dòng)氣室和制動(dòng)閥的連接，組成部分分為四個(gè)接口，出氣口、進(jìn)氣口、控制氣口、排氣口。最后，該系統(tǒng)的部分就是氣壓管路，氣壓管路的設(shè)計(jì)是不斷提升汽車(chē)壓力的關(guān)鍵，找出與汽車(chē)制動(dòng)速度和相應(yīng)壓力間的關(guān)系，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，完成制動(dòng)系統(tǒng)模型的參數(shù)確定。模型的優(yōu)化方面，首先是對(duì)整體數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，其次就是對(duì)結(jié)果的分析。需要分析的數(shù)據(jù)包括制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)排氣時(shí)間、充氣時(shí)間延長(zhǎng)和最大氣壓的影響。首先是對(duì)最大氣壓的影響的優(yōu)化，首先通過(guò)對(duì)制動(dòng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，其主要條件包括對(duì)制動(dòng)氣室的容積、制動(dòng)閥的排氣間隙、制動(dòng)閥平衡彈簧的強(qiáng)度，優(yōu)化后的速度反饋可以達(dá)到0.3s左右。其次就是對(duì)壓力速度的優(yōu)化，依舊是對(duì)氣壓制動(dòng)模型先進(jìn)行優(yōu)化，基礎(chǔ)條件包括充氣時(shí)間延長(zhǎng)，繼動(dòng)閥回位彈簧剛度，制動(dòng)閥下腔彈簧回位高度。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的具體分析，將制動(dòng)閥下腔回位彈簧剛度設(shè)計(jì)為9n/mm，繼動(dòng)閥回位彈簧剛度取9n/mm，在排氣延長(zhǎng)時(shí)間上的制動(dòng)閥間隙上設(shè)置為1.4mm，繼動(dòng)閥間隙設(shè)置為1.4mm，經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化的壓力反饋時(shí)間將從平時(shí)的0.6s左右削減至0.3s左右。在具體的制動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)上我們用一輛越野車(chē)的計(jì)算參數(shù)為例子空載參數(shù)如表1。

為方便計(jì)算，將三軸車(chē)簡(jiǎn)化為二軸計(jì)算。

在同步附著系數(shù)的分析和去欸的那個(gè)上，根據(jù)汽車(chē)的前后軸荷分析，道路附著系數(shù)，坡度等相關(guān)分析，會(huì)得出如下情況：①當(dāng)ρ<ρ0時(shí)，前輪會(huì)抱死，喪失轉(zhuǎn)向能力。②當(dāng)ρ<ρ0時(shí)，后輪抱死，喪失方向穩(wěn)定性。③當(dāng)ρ<ρ0時(shí)，前后輪同時(shí)抱死，喪失裝箱能力。

上述情況中會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑導(dǎo)致的喪失方向穩(wěn)定性和喪失裝箱能力，為防該情況的出現(xiàn)，我們?cè)诒赖珱](méi)有制動(dòng)減速度的情況下，為該車(chē)提供最高的制動(dòng)減速度，較高的附著系數(shù)將防止越野車(chē)在附著系數(shù)較低的地面制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。綜上所述，可以確定在滿(mǎn)載時(shí)的同步附著系數(shù)為ρ0=0.8。

在系數(shù)分配計(jì)算方面如下：

力矩方程平衡方程為：

Tμ-Fxbre=0

Tμ為制動(dòng)力距，F(xiàn)xb為地面制動(dòng)力，r額為車(chē)輪半徑

Fμ=Tμ/rμ

Fμ為制動(dòng)力，是克服制動(dòng)器摩擦力矩產(chǎn)生的力，與Fxb方向相反，當(dāng)角速度大于0時(shí)，大小相等。增大踩踏力度時(shí)，這些參數(shù)隨之正大，當(dāng)Fxb小于等于附著力F1時(shí)，最大值動(dòng)力為Fxbmax=Fs1而當(dāng)?shù)孛嬷苿?dòng)力達(dá)到附著力F1時(shí)不再增大，但制動(dòng)力Fμ將隨著踩踏力度逐漸增大。

綜上所述，制動(dòng)力取決于制動(dòng)器，所以對(duì)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，同時(shí)受外部因素影響，只有雙方因素達(dá)到最大時(shí)才能提供足夠高的制動(dòng)力。

根據(jù)受力情況，制動(dòng)時(shí)軸荷的轉(zhuǎn)移，可以得到地面對(duì)前后輪得反向力。

Fs1=G/L（b+HgDu/gdt）

Fs2=G/L（a-HgDu/Gdt）

G為中立，L為軸距，a為質(zhì)心離前軸距離，b為質(zhì)心離后軸距離。Hg為汽車(chē)質(zhì)心高度，g為重力加速度，Du/Dt為制動(dòng)減速度，得出汽車(chē)總的地面制動(dòng)力為Fxb=Fxb1+Fxb2=GDu/gdt=Gz。

Du/Dt為制動(dòng)強(qiáng)度，由此得出前后附著力為F1=G/L（b+zhg）1，F(xiàn)2=G/L（a-zhg）2，根據(jù)制動(dòng)器汽車(chē)前后制動(dòng)比為定值，以前制動(dòng)力Fμ1和總Fμ得比值為比例，成為β，β=Fμ1/Fμ=Fμ1/Fμ1+Fμ2，根據(jù)已選定的同步附著系數(shù)得出數(shù)值為0.68。

3? 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中內(nèi)部系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)計(jì)及重點(diǎn)

3.1 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)計(jì)

①執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)分為三大模塊：1）制動(dòng)模塊，2）轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，3）無(wú)刷直流電機(jī)模塊。其中無(wú)刷直流電機(jī)模塊的核心是電機(jī)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建設(shè)計(jì)完成對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化分析以及相應(yīng)的改進(jìn)。具體是依靠電機(jī)將制動(dòng)裝置配置在驅(qū)動(dòng)齒輪上，接收到相應(yīng)的指令后產(chǎn)生制動(dòng)力，在傳感器的檢測(cè)下完成對(duì)壓力數(shù)據(jù)的收集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)盤(pán)壓力檢測(cè)。然后反饋信號(hào)到中央控制系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)間隙的分析，得出對(duì)應(yīng)參數(shù)，針對(duì)汽車(chē)的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成制動(dòng)電子制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。②控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要?jiǎng)t很難對(duì)汽車(chē)的功能控制，作用主要分為兩個(gè)部分，首先是完成汽車(chē)功能的精準(zhǔn)快速執(zhí)行，確保汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)功能的有效使用，其次就是對(duì)制動(dòng)間隙的消除，以達(dá)到提升制動(dòng)能力和制動(dòng)的精準(zhǔn)性。在構(gòu)成上分為三個(gè)部件，1）壓力環(huán)，2）轉(zhuǎn)速環(huán)，3）電流環(huán)，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)增幅量控制以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的，外環(huán)實(shí)現(xiàn)針對(duì)系統(tǒng)的整體控制。內(nèi)外環(huán)完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，都是圍繞著執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。

3.2 汽車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

對(duì)于電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在掌握技術(shù)的關(guān)鍵的同時(shí)，更要明確各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)目的與重點(diǎn)，以確保該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在整體系統(tǒng)中，首先要確保其和運(yùn)行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的良好可靠運(yùn)行將是汽車(chē)行駛的制動(dòng)的必然需求。在針對(duì)不同的車(chē)輛車(chē)型時(shí)要及時(shí)的對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)匹配設(shè)計(jì)，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的裝配運(yùn)行至關(guān)重要。最后就是整個(gè)系統(tǒng)的電子原件的保障，電子元件雖然高度精準(zhǔn)，但故障率依舊存在，要建立起完善的保險(xiǎn)措施，以確保在電子元件失效的同時(shí)確保整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，并及時(shí)給予相應(yīng)的信息反饋，以確保在緊急情況下對(duì)駕駛員的安全。

4? 總結(jié)

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究雖然處于較為不成熟的階段，但是從發(fā)展前景和潛力來(lái)考慮無(wú)疑是廣闊和巨大的，因?yàn)闊o(wú)論是在制動(dòng)性能還是在智能化方面該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)都有著極大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配需要極高的科學(xué)技術(shù)支持，需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，以滿(mǎn)足整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的性能的需要。

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