汽车电子机械制动系统执行机构的优化设计孙晨光

汽车电子机械制动系统执行机构的优化设计孙晨光

孙晨光

天津比亚迪汽车有限公司天津301701

摘要：线控制动技术在汽车电子机械制动系统中的应用越来越广，将其应用于电动汽车电子机械制动系统中，能够有效的提升系统的可靠性。汽车制动控制的稳定性与安全性是汽车设计中的重点，制动系统设计的合理性直接决定了汽车设计方案的可行性论证结果。本文就主要对电动汽车电子机械制动系统的优化设计开展简单分析。

关键词：汽车；电子机械；制动；执行机构

前言

随着科学技术的不断进步与发展，人们对汽车的安全性能的要求与日俱增。汽车制动性能是安全性能的一个重要评价指标，直接影响着汽车的安全行驶。车辆制动系统历经了数次变迁和改进，从皮革摩擦制动到鼓式、盘式制动器，这些传统的汽车制动系统虽然制动性能满足现有制动法规的各项要求，但存在制动效能低、响应速度慢、结构复杂、装配维修困难、制动管路布置复杂、制动液会污染环境等等不足之处。为了进一步改善制动性能，提出了线控制动系统。线控制动系统分为两种类型：（1）电控液压制动（ElectroHydraulicBrake，EHB）系统；（2）电控机械制动（ElectroMechanicalBrake，EMB）系统。作为制动系统发展的最终产品，EMB改变了汽车制动系统的工作模式，取消了液压回路，结构简单、传动效率高、制动响应时间短、安全可靠、节能、环保；且采用模块化结构，维护简单，易于集成各种电控制功能等优点。

1汽车电子机械制动系统设计

1.1汽车电子机械制动系统的工作原理

一般来讲，汽车电子机械制动系统的原理可概括为：若汽车行驶过程中，遭遇紧急情况需要及时刹车，那么驾驶者就会将脚踏信号通过力量发送至制动踏板，且力量信号会途经电子机械制动系统，进而由三环调速系统进行有效调控后，同时确保无刷直流力矩电机直接接受输出电枢电压的作用，然后将电机轴转动而输出的转速信号发送至传动机构，以便其通过减速增矩将转速信号转变为丝杠位移，最后在制动机构的直接作用下转变为制动力，汽车电子机械制动系统的整个工作过程非常快，只需0.1s的时间。

1.2汽车电子机械制动系统的执行机构

汽车电子机械制动系统的执行系统通常包括制动模块、无刷直流电机模块及传动模块三部分，其中无刷直流电机模块的主要组成部分就是电机驱动模块。若想从动力学上完成汽车电子机械制动系统的仿真，一定要设计好数学模型，并了解其工作原理：选取无刷直流电动机进行驱动行星齿轮的减速装置，并采用运动转换装置以滚珠丝杠的方式，促使旋转运动变为直线运动，进而使制动器产生制动力矩，另外，利用压力传感器有效监测制动盘的制动压力，以反馈信号。汽车电子机械制动系统执行系统的设计流程为：以目标车型的前轮制动器为设计对象，为其设计执行系统。目标车辆前轮轮缸制动压强的最大值为15MPa，且活塞具有48mm的直径，那么为了确保制动盘和制动钳完全脱开，可将汽车电子机械制动系统制动间隙初步确定为0.3mm，其消除时间为0.1s，同时合理选用其他参数，进而设计汽车电子机械制动系统执行系统。

2汽车电子机械制动系统执行机构的总体设计

汽车电子机械制动系统与传统的气压、液压制动系统就制动原理来说是相同的，因此其车轮轮毂和制动器都没有改变，只是EMB系统中的电动机与机械执行机构代替了传统的液压、气压作动装置。据前所述，机械执行机构直接连接电动机输出轴，需要对电动机进行减速增扭，将输出转矩增加至指定的范围内；需要将电动机转动动作转换为平动动作，驱动制动器的活塞动作，实现车轮制动与放松。因此，机械执行机构的基本组成应包括减速增扭机构、运动转换机构两个部分。

图1执行机构基本组成

减速增扭机构主要用于将电动机的输出转矩增大，结构形式主要有齿轮减速器、行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器等。齿轮减速器传动比较小，结构形式比较简单，设计、制造容易；行星齿轮减速器传动比一般较大，相同传动比下其体积远远小于齿轮减速器，结构形式多样，但其设计和制造比较困难；蜗轮蜗杆减速器一般传动比较小，但传动输入和输出方向正交，便于改变力矩的传动方向。由于机械执行机构布置在汽车轮毂内，其内部轴向尺寸和空间都比较小，同时机械执行机构的最终输出力矩也是衡量其性能的重要指标，因此基于尺寸、体积及输出转矩三个参数综合考虑，减速增扭机构可以选择一级行星齿轮减速器、两级行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、一级行星齿轮减速器与蜗轮蜗杆减速器结合等4种方式。

运动转换机构是机械执行机构的一个重要组成部分，它主要是将输入的转动运动变为输出的平动运动，其结构形式主要有齿轮齿条传动、螺旋传动等。齿轮齿条传动由于受零件加工的限制不能获得较高的传递精度，不适宜作为机械执行机构的运动转换机构。螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动，按照工作特点螺旋传动可以分为传力螺旋传动、传导螺旋传动和调整螺旋传动。传力螺旋传动适合间隙工作、工作速度不高的场合，可以由较小的输入转矩产生较大的轴向推力，且传动平稳、具有自锁功能，满足机械执行机构的设计要求。传力螺旋传动又可分为单级螺旋传动、两级螺旋传动。两级螺旋传动机构在传动没有遇到阻力之前小螺旋不运动，而大螺旋运动，使得螺母以较快的速度运动，提高响应速度，迅速减小运动间隙，当传动遇到阻力后大螺旋不运动而小螺旋运动，使得传动机构获得较大的传动比。因此，选择两级螺旋传动机构作为运动转换机构较为合适。

3汽车电子机械制动系统执行机构的优化设计

3.1滚珠丝杆优化设计

（1）滚珠丝杠副的额定动载荷确定。制动系统执行机构滚珠丝杠副承受的应力载荷主要为内制动块的制动作用，此环节中存在一定的振动和冲击作用，因此需要按照系统动载荷工况计算额定应力水平，以此为基础选择滚珠丝杠副。

（2）驱动力矩及效率计算。在确定滚珠丝杠副的额定动载荷水平后，可选择适用的相应构件型号，从而确定制动系统执行机构的整体几何参数，并计算驱动力矩及效率。驱动力矩及效率的计算中应充分引入滚珠丝杠的预紧条件，分别针对有预紧和无预紧两种方式展开计算，选择效率较高的作为设计方案。

3.2直流驱动电机选择

电机本体和驱动器是汽车电子机械制动系统电机的主要组成部分，在直流电动机的选择过程中，应确保设备具有理想的运行稳定性，同时具备较大的输出扭矩与耦合刚度，能够在制动工作条件下响应迅速，便于调速。另外，汽车电子机械制动系统中的直流驱动电机随车颠簸振动情况较多，应保证设备具有理想的耐磨性、扛干扰性以及便于维护等。

3.3减速器优化设计

行星齿轮传动的配齿。减速器优化设计环节首先应根据系统传动比分配齿轮齿数，同时应保证配齿满足邻接条件、安装条件等，具体要求为：中心轮与行星轮所有啮合齿轮副的实际中心距需相等，相邻行星轮顶圆半径的和小于中心距。

结束语

电子机械制动系统以电线为能量传递介质，以机电执行元件代替传统的液压、气压制动装置，与传统的液压制动相比，电动汽车电子机械具有反应速度快、操作方便、成本低、可靠性高等诸多优点，这使得其应用范围越来越广，随着各项技术逐渐趋于成熟，其将会逐渐取代传统的液压制动系统。在设计时应准确把握设计要点，通过实践充分积累优化设计经验，全面提升汽车电子机械制动系统执行机构设计的科学性与合理性。

参考文献：

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