一種新型汽車(chē)緊急輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

駱美富，邱亞楠，陳紅巖

（1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

制動(dòng)輔助系統(tǒng)是針對(duì)90%的汽車(chē)駕駛員在緊急情況下踩剎車(chē)時(shí)缺乏果斷判斷的情況而設(shè)計(jì)的。在正常情況下，大多數(shù)駕駛員開(kāi)始制動(dòng)時(shí)只施加很小的力，然后根據(jù)情況增加或調(diào)整對(duì)制動(dòng)踏板施加的制動(dòng)力；在緊急情況下，大多數(shù)駕駛員對(duì)需要施加比較大的制動(dòng)力反應(yīng)不夠迅速，則需要制動(dòng)輔助系統(tǒng)的協(xié)助[1]。制動(dòng)輔助系統(tǒng)可以從駕駛員踩制動(dòng)踏板的速度或加速度中探測(cè)到車(chē)輛行駛中遇到的情況——當(dāng)駕駛員在緊急情況下迅速踩制動(dòng)踏板，但踩踏力又不足時(shí)，此系統(tǒng)便會(huì)協(xié)助并在不到1秒的時(shí)間內(nèi)把制動(dòng)力增至最大，縮短在緊急制動(dòng)的情況下的剎車(chē)距離。

圖1 緊急輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

傳統(tǒng)的緊急制動(dòng)輔助系統(tǒng)分為EBA（Electronic Brake Assist）和 BAS(Brake Assist System)兩 種。EBA一旦監(jiān)測(cè)到踩踏制動(dòng)踏板的速度陡增，并且駕駛員繼續(xù)大力踩踏制動(dòng)踏板，它就會(huì)在幾毫秒內(nèi)釋放出儲(chǔ)存的180巴的液壓施加最大的制動(dòng)力，其速度要比大多數(shù)駕駛員移動(dòng)腳的速度快得多；相對(duì)于EBA，BAS在緊急制動(dòng)時(shí)依靠的是加大真空助力器內(nèi)的真空度，繼而增大助力比，實(shí)現(xiàn)提前制動(dòng)和加大制動(dòng)力矩[2]。

本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的汽車(chē)緊急輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

此機(jī)構(gòu)在接收緊急信號(hào)指令后，通過(guò)微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路控制電動(dòng)機(jī)的啟停，離合器的離與合，以及盤(pán)式電磁鐵的通與斷，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)推動(dòng)真空助力器的推桿，使真空助力器發(fā)生作用，從而完成有效的剎車(chē)動(dòng)作。

1 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的分析，要達(dá)到預(yù)定的功能，需使用到的機(jī)構(gòu)或裝置有動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合器裝置、電磁鐵裝置以及開(kāi)關(guān)控制部分。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

此機(jī)構(gòu)安裝在踏板與真空助力器之間，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)機(jī)械部分整體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)危險(xiǎn)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路接通NC端，使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，離合器閉合，從而帶動(dòng)傳動(dòng)軸、從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于齒輪安裝于從動(dòng)軸上，故而齒輪帶動(dòng)齒條平移，即推動(dòng)真空助力器的推桿推進(jìn)，使真空助力器作用，從而實(shí)現(xiàn)初始制動(dòng)；當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)到最底端，觸碰微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使其轉(zhuǎn)換至ON端，此時(shí)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，離合器分離，盤(pán)式電磁鐵導(dǎo)通產(chǎn)生引力，將推桿緊緊吸住，使真空助力器始終保持工作狀態(tài)，以保證制動(dòng)有效進(jìn)行，直至車(chē)輛停止。當(dāng)緊急狀況解除，斷開(kāi)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)盤(pán)式電磁鐵失去磁性，推桿彈回，制動(dòng)完成。

輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分主要由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分和控制部分三部分組成。

1.1.1 動(dòng)力部分及軸傳動(dòng)部分

圖3為動(dòng)力部分及軸傳動(dòng)部分，聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)軸連接在一起，傳動(dòng)軸與從動(dòng)軸的連接通過(guò)離合器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)離合器閉合，兩軸傳遞電動(dòng)機(jī)的扭矩，帶動(dòng)從動(dòng)軸末端安裝的齒輪，至此軸傳動(dòng)部分的傳動(dòng)動(dòng)作完成。

1.1.2 齒輪齒條傳動(dòng)部分

圖4為齒輪齒條傳動(dòng)部分，齒條固定在真空助力器的推桿上，并始終與齒輪嚙合。通常情況下，離合器處于分離狀態(tài)，剎車(chē)踏板踩下，齒輪齒條處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)正常剎車(chē)動(dòng)作不產(chǎn)生任何影響；緊急情況時(shí)，離合器處于閉合狀態(tài)，齒輪帶動(dòng)齒條做直線運(yùn)動(dòng)，使真空助力器推桿推進(jìn)，真空助力器作用，汽車(chē)開(kāi)始制動(dòng)。

圖3 動(dòng)力源及軸傳動(dòng)部分

圖4 齒輪齒條傳動(dòng)部分

1.1.3 控制部分

圖5為控制部分及制動(dòng)保持機(jī)構(gòu)，控制部分主要由輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)電源開(kāi)關(guān)主控，正常情況下，電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，制動(dòng)裝置正常使用，當(dāng)緊急狀況信號(hào)到來(lái)，電源開(kāi)關(guān)閉合，傳動(dòng)部分作用，推桿推進(jìn)，當(dāng)推桿完全推到底，連于齒條上的立板觸碰微動(dòng)開(kāi)關(guān)的觸頭，電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使盤(pán)式電磁鐵作用，吸引鐵塊，同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，離合器分離。此時(shí)推桿始終保持在推入狀態(tài)，制動(dòng)狀態(tài)得以保持。當(dāng)緊急狀況解除，斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，電磁鐵斷電，推桿彈回，制動(dòng)解除。

圖5 控制及制動(dòng)保持機(jī)構(gòu)部分

1.2 外圍控制電路的設(shè)計(jì)

輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)，主要依靠微動(dòng)開(kāi)關(guān)及其電路控制，控制電路示意圖如圖6所示。

其控制過(guò)程如下：1）開(kāi)關(guān)S閉合；2）微動(dòng)開(kāi)關(guān)NC端接通，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器閉合；3）微動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕按下，ON端接通，電磁鐵導(dǎo)通有磁性，同時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，離合器分離；4）開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，電磁鐵斷電，失去磁力。

2 零部件設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

圖6 控制電路示意圖

在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等基本要求[3]。本設(shè)計(jì)根據(jù)一系列計(jì)算準(zhǔn)則，包括強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則和可靠性準(zhǔn)則等[4]，確定了各零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

由于緊急狀況下，需要緊急制動(dòng)，并且在本設(shè)計(jì)中真空助力器推桿有效制動(dòng)行程為40mm。故而估取輔助制動(dòng)裝置最大工作速度為0.04m/s。并且根據(jù)電動(dòng)機(jī)的急啟急停的特點(diǎn)，應(yīng)選取減速直流電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)實(shí)際情況，估取推桿推力F=1100N，最大工作速度v=0.04m/s。

由電動(dòng)機(jī)至真空助力器的總效率：

（ 式 中 η1、η2分 別 為 離 合 器、 齒 輪 齒條 傳 動(dòng) 的 效 率， 取 η1=0.95，η2=0.96）， 則η=0.95×0.96=0.912。電動(dòng)機(jī)所需的輸入功率：

考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性以及對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，選用60GAFM微型齒輪減速直流電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示：

表1 電機(jī)的選取

2.2 離合器的選擇

根據(jù)輔助制動(dòng)裝置需要離合器啟動(dòng)快，操作方便，動(dòng)作靈敏，能在極短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確結(jié)合且可自動(dòng)控制的特點(diǎn)，選用電磁式摩擦盤(pán)離合器。

1）計(jì)算轉(zhuǎn)矩

[5]表5-3-21摩擦離合器工作儲(chǔ)備系數(shù)β=1.5，則離合器轉(zhuǎn)矩TC=βTt=1.5×1.528×104=2.292 ×103N·cm。

2）計(jì)算摩擦盤(pán)工作面內(nèi)、外直徑

若估取摩擦盤(pán)工作面的平均直徑Dp=9.5cm，則摩擦盤(pán)工作面的外直徑D1=1.25Dp=1,.25×9.5=11.875cm，摩擦盤(pán)工作面的內(nèi)直徑D2=0.75Dp=7.125cm，計(jì)算摩擦盤(pán)寬度b=(D1-D2)/2=2.375cm。

3）計(jì)算摩擦面對(duì)數(shù)

根據(jù)公式m=Z-1≥8TC/[π(D12-D22) DpμPP]=2.27，因此摩擦面對(duì)數(shù)m=3，摩擦盤(pán)總數(shù)Z=4。

2.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)

齒條選用40Cr（調(diào)制），硬度為280HBS，齒輪的材料為45鋼（調(diào)制），硬度為240HBS，二者之差為40HBS。精度等級(jí)選7級(jí)精度，選齒輪齒數(shù)為Z=30[6]。

計(jì)算得，分度圓直徑d=34mm，齒輪齒寬b=34mm，基圓直徑db=32mm，齒矩p=3.14mm，齒頂高h(yuǎn)=1mm，齒頂圓直徑da=36mm，齒根圓直徑df=32.5mm。

2.4 軸的選擇

由于制動(dòng)過(guò)程中真空助力器推桿的力較大，故對(duì)軸的強(qiáng)度等機(jī)械性能相對(duì)較高，因此軸的材料選用45鋼（調(diào)制），其硬度為240HBS。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 實(shí)物模型

選擇合適的零部件，經(jīng)過(guò)加工裝配后，其實(shí)物模型如圖7所示。

圖7 緊急輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

3.2 制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

測(cè)得該機(jī)構(gòu)從接受制動(dòng)指令到完成制動(dòng)的時(shí)間如表2所示。

表2 制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)一般的真空助力器構(gòu)造[7]，其推桿完全推到底的距離約為L(zhǎng)=40mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=30r/s，因此，將推桿推至底所用時(shí)間大約為

而以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也很好的論證了這一理論值。另外，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)前端的傳感系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，幾乎可忽略不計(jì)。

正常情況下駕駛員反應(yīng)時(shí)間在1s～1.5s內(nèi)[8]，因此該輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)在響應(yīng)時(shí)間上完全具有優(yōu)越性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要用于汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效解決緊急狀況下司機(jī)來(lái)不及踩剎車(chē)或者誤踩油門(mén)等問(wèn)題。與現(xiàn)有輔助制動(dòng)裝置相比，本機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的緊急制停，保證在較短時(shí)間內(nèi)完成有效地制動(dòng)，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)還是功能上本設(shè)計(jì)都具有很大優(yōu)越性。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：

1）小型化：安裝在踏板與真空助力器之間占用空間少，可節(jié)約汽車(chē)有限的空間。

2）節(jié)能化：本設(shè)計(jì)在非緊急狀況時(shí)處于非工作狀態(tài)，機(jī)構(gòu)不消耗電能，只有接收到緊急信號(hào)時(shí)才作用，并且在工作狀態(tài)中損耗能量也極少。

3）控制電子化：本設(shè)計(jì)使用微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路控制電動(dòng)機(jī)、離合器和盤(pán)式電磁鐵的啟停和通斷，其電路簡(jiǎn)單，有很大的可行性。

4）獨(dú)立化：本設(shè)計(jì)中使用電磁離合器完成傳動(dòng)軸和從動(dòng)軸間的連接與扭矩傳遞，離合器分離時(shí)可保證齒輪齒條傳動(dòng)裝置對(duì)正常情況下的制動(dòng)動(dòng)作不產(chǎn)生影響。而緊急狀況發(fā)生時(shí)，電磁離合器閉合，齒輪齒條傳動(dòng)裝置作用于真空助力器推桿完成制動(dòng)動(dòng)作，保證車(chē)輛安全。

由于條件與經(jīng)費(fèi)的限制，本研究?jī)H僅制作出了輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分的模型，并未在真正的汽車(chē)上進(jìn)行改裝。因此，倘若在汽車(chē)上使用此機(jī)構(gòu)，還需進(jìn)行改進(jìn)以提高本設(shè)計(jì)的實(shí)用性，并將此種機(jī)構(gòu)應(yīng)用于汽車(chē)上，真正實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的安全輔助制動(dòng)。

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