鼓式制動器、摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業生產廠家無錫九環2020年8月9日訊 不同的汽車，由于整車參數、結構布置、路面附著系數等不一樣，都要進行電子駐車系統(EPB)標定，由于車型的增多，開發周期短，為了減小汽車開發周期，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，實現車輛減速或駐車制動。
引言
近年來，在機動車制動系統領域中，電子駐車制動系統(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的機械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)。傳統的機械集成式駐車制動器(IPB)與盤中鼓式制動器(DIH)結構通過手剎機構驅動拉索帶動駐車機構，將駐車手剎力轉換為制動器壓緊到制動盤上的夾緊力。電子駐車制動系統(EPB)采用了導線進行信號傳遞，執行機構接受電信號指令來實現自動夾緊和釋放功能。一些較為新型的電子駐車系統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(EPB)驅動部件結構圖。其包括電動機、減速機構和駐車制動器組成。當駕駛員按動電子駐車制動系統(EPB)按鈕時，電子駐車制動系統控制模塊接到來自按鈕的信號，控制模塊會向執行機構的電動機施加電流讓其轉動。電動機釋放的轉矩通過減速增扭機構將電機的速度減少、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化為直線推力，從而推動制動活塞運動將推力轉化為制動塊壓緊至制動盤上的壓力，進而完成實現車輛減少或駐車制動。Fig.1 Principle diagram of EPB本文基于電子駐車制動系統(EPB)研究汽車實現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制動器結構及原理分析計算需要電子駐車制動系統提供多大的電流。
1 整車參數
Table 1 Target vehicle parameters
2 極限駐車能力計算
車輛靜止在坡道上，根據車輛的參數和駐車制動器的參數，以及路面和輪胎的摩擦系數，對其進行極限駐車能力計算。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；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，Fig.2 Force Analysis of Vehicle Standing Slope得：
由(2)、(3)上式可得汽車在上坡路上停駐時的坡度傾角θd為：因此，空載、滿載時汽車可能停駐的極限上、下坡傾角見表2。
Table 2 Maximum parking ramp of uphill and downhill of vehicles when GCW or GVW
3 活塞夾緊力計算
常態目標力：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。Table 3 Clamping force at 20% and 30% ramp when GCW or GVW 單位：N對車輛駐坡力評估一般要求，20%駐坡，最小摩擦系數0.25，根據上表活塞夾緊力≥11.91 kN；30%駐坡，名義摩擦系數0.36，根據上表活塞夾緊力≥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動；這兩種均屬于螺旋轉動，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。它主要是將旋轉運動變成直線運動，以較小的轉矩得到很大的推力。螺紋傳動的特點是：結構簡單，加工方便；易自鎖；螺紋有側向間隙，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；結構較復雜，制造工藝要求高，成本較高；運動平穩，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構外，其他制動器廠均采用螺紋傳動結構。Table 4 Thread parameters of threaded transmissionFig.3 Force analysis diagram of thread令f′=f/cos β稱當量摩擦系數。與當量摩擦系數對應的摩擦角稱為當量摩擦角，用ρv表示。d0——推力軸承滾針中經 [mm](滾針的中心位置，取22.6 mm)μ——為推力軸承摩擦系數(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：因此，空載、滿載時汽車在20%和30%駐坡所需要的執行機構輸入力矩見表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
5 電機輸出扭矩計算
目前市場EPB執行機構主要采用兩種減速機構，一種是行星齒輪減速機構，另一種是渦輪蝸桿減速機構；考慮到成本和自鎖，除了大陸采用渦輪蝸桿減速結構外，其他制動器廠均采用行星齒輪減速結構。執行機構除了采用行星齒輪減速機構，一級傳動有采用同步帶輪傳動結構和齒輪傳動結構。執行機構一旦結構確定，其減速比就確定了。該執行機構參數見表6。Table 6 Actuator parameters該執行機構是一級采用同步帶傳動機構，二、三級采用行星齒輪減速機構，總減速比是125∶1，經過試驗驗證，執行機構的傳動效率為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，體積質量較大，轉速較低，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，轉矩脈動小，調速范圍高，電機結構也更加緊湊，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所使用的主流產品為德昌、馬步奇、捷和電機。根據EPB系統對夾緊時間、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。Table 8 Selection requirements for motor現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，其參數見表9。Table 9 Motor characteristic parameters空載轉速(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；堵轉轉矩(Ts)—指因加載引致電機停止旋轉時測得的轉矩；堵轉電流(Is)—指在電機因過載而停止旋轉時測得的電流量。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：根據摩擦材料最小摩擦系數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
6 EPB制動鉗溫度相關功能試驗
參照EPB溫度相關功能試驗方法，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；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，測試數據見表11。FIG.4 EPB comprehensive performance tableTable 11 Required currents at different temperatures and voltages 單位：A
7 結論
(1) 由于電機、執行機構在低溫下空轉電流增大導致電流偏大外，其他溫度理論和實際檢測數據是吻合的。(2) 對集成式EPB傳動機構、執行器、電機特性進行計算，為車輛駐坡與電流關系奠定了理論基礎。(3) 在EPB標定時，可以根據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
1.上海匯眾汽車制造有限公司
2.浙江宏舟新能源科技有限公司
