一種新型汽車緊急輔助制動機構的設計與研究

駱美富，邱亞楠，陳紅巖

（1.浙江經濟職業技術學院，杭州 310018；2.中國計量學院 機電工程學院，杭州 310018）

0 引言

制動輔助系統是針對90%的汽車駕駛員在緊急情況下踩剎車時缺乏果斷判斷的情況而設計的。在正常情況下，大多數駕駛員開始制動時只施加很小的力，然后根據情況增加或調整對制動踏板施加的制動力；在緊急情況下，大多數駕駛員對需要施加比較大的制動力反應不夠迅速，則需要制動輔助系統的協助[1]。制動輔助系統可以從駕駛員踩制動踏板的速度或加速度中探測到車輛行駛中遇到的情況——當駕駛員在緊急情況下迅速踩制動踏板，但踩踏力又不足時，此系統便會協助并在不到1秒的時間內把制動力增至最大，縮短在緊急制動的情況下的剎車距離。

圖1 緊急輔助制動機構系統設計框圖

傳統的緊急制動輔助系統分為EBA（Electronic Brake Assist）和 BAS(Brake Assist System)兩 種。EBA一旦監測到踩踏制動踏板的速度陡增，并且駕駛員繼續大力踩踏制動踏板，它就會在幾毫秒內釋放出儲存的180巴的液壓施加最大的制動力，其速度要比大多數駕駛員移動腳的速度快得多；相對于EBA，BAS在緊急制動時依靠的是加大真空助力器內的真空度，繼而增大助力比，實現提前制動和加大制動力矩[2]。

本文提出并設計了一種新型的汽車緊急輔助制動機構，其系統設計框圖如圖1所示。

此機構在接收緊急信號指令后，通過微動開關電路控制電動機的啟停，離合器的離與合，以及盤式電磁鐵的通與斷，通過齒輪齒條傳動推動真空助力器的推桿，使真空助力器發生作用，從而完成有效的剎車動作。

1 整體方案設計

根據設計要求的分析，要達到預定的功能，需使用到的機構或裝置有動力源、傳動機構、離合器裝置、電磁鐵裝置以及開關控制部分。

1.1 機械結構的設計

此機構安裝在踏板與真空助力器之間，其整體結構圖如圖2所示。

圖2 機構機械部分整體結構圖

當危險信號出現時，微動開關電路接通NC端，使電動機開始旋轉，離合器閉合，從而帶動傳動軸、從動軸轉動，由于齒輪安裝于從動軸上，故而齒輪帶動齒條平移，即推動真空助力器的推桿推進，使真空助力器作用，從而實現初始制動；當推桿運動到最底端，觸碰微動開關，使其轉換至ON端，此時電動機停轉，離合器分離，盤式電磁鐵導通產生引力，將推桿緊緊吸住，使真空助力器始終保持工作狀態，以保證制動有效進行，直至車輛停止。當緊急狀況解除，斷開微動開關，此時盤式電磁鐵失去磁性，推桿彈回，制動完成。

輔助制動機構的機械部分主要由動力部分、傳動部分和控制部分三部分組成。

1.1.1 動力部分及軸傳動部分

圖3為動力部分及軸傳動部分，聯軸器將電動機與傳動軸連接在一起，傳動軸與從動軸的連接通過離合器實現。當離合器閉合，兩軸傳遞電動機的扭矩，帶動從動軸末端安裝的齒輪，至此軸傳動部分的傳動動作完成。

1.1.2 齒輪齒條傳動部分

圖4為齒輪齒條傳動部分，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，剎車踏板踩下，齒輪齒條處于空轉狀態，對正常剎車動作不產生任何影響；緊急情況時，離合器處于閉合狀態，齒輪帶動齒條做直線運動，使真空助力器推桿推進，真空助力器作用，汽車開始制動。

圖3 動力源及軸傳動部分

圖4 齒輪齒條傳動部分

1.1.3 控制部分

圖5為控制部分及制動保持機構，控制部分主要由輔助制動機構電源開關主控，正常情況下，電源開關斷開，制動裝置正常使用，當緊急狀況信號到來，電源開關閉合，傳動部分作用，推桿推進，當推桿完全推到底，連于齒條上的立板觸碰微動開關的觸頭，電路進行轉換，使盤式電磁鐵作用，吸引鐵塊，同時，電機停轉，離合器分離。此時推桿始終保持在推入狀態，制動狀態得以保持。當緊急狀況解除，斷開電源開關，電磁鐵斷電，推桿彈回，制動解除。

圖5 控制及制動保持機構部分

1.2 外圍控制電路的設計

輔助制動機構機械部分實現自動制動，主要依靠微動開關及其電路控制，控制電路示意圖如圖6所示。

其控制過程如下：1）開關S閉合；2）微動開關NC端接通，電機轉動，離合器閉合；3）微動開關按鈕按下，ON端接通，電磁鐵導通有磁性，同時電機停轉，離合器分離；4）開關S斷開，電磁鐵斷電，失去磁力。

2 零部件設計參數的選擇

圖6 控制電路示意圖

在設計機械結構時，應滿足強度、剛度、壽命、工藝性、經濟性、可靠性等基本要求[3]。本設計根據一系列計算準則，包括強度準則、剛度準則、振動穩定性準則和可靠性準則等[4]，確定了各零部件的設計參數。

2.1 電動機的選擇

由于緊急狀況下，需要緊急制動，并且在本設計中真空助力器推桿有效制動行程為40mm。故而估取輔助制動裝置最大工作速度為0.04m/s。并且根據電動機的急啟急停的特點，應選取減速直流電動機。

根據實際情況，估取推桿推力F=1100N，最大工作速度v=0.04m/s。

由電動機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 的 效 率， 取 η1=0.95，η2=0.96）， 則η=0.95×0.96=0.912。電動機所需的輸入功率：

考慮結構的緊湊性以及對轉速的要求，選用60GAFM微型齒輪減速直流電動機。

電動機主要參數如表1所示：

表1 電機的選取

2.2 離合器的選擇

根據輔助制動裝置需要離合器啟動快，操作方便，動作靈敏，能在極短時間內準確結合且可自動控制的特點，選用電磁式摩擦盤離合器。

1）計算轉矩

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

2）計算摩擦盤工作面內、外直徑

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

3）計算摩擦面對數

根據公式m=Z-1≥8TC/[π(D12-D22) DpμPP]=2.27，因此摩擦面對數m=3，摩擦盤總數Z=4。

2.3 齒輪齒條的設計

齒條選用40Cr（調制），硬度為280HBS，齒輪的材料為45鋼（調制），硬度為240HBS，二者之差為40HBS。精度等級選7級精度，選齒輪齒數為Z=30[6]。

計算得，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=1mm，齒頂圓直徑da=36mm，齒根圓直徑df=32.5mm。

2.4 軸的選擇

由于制動過程中真空助力器推桿的力較大，故對軸的強度等機械性能相對較高，因此軸的材料選用45鋼（調制），其硬度為240HBS。

3 實驗結果與實驗數據

3.1 實物模型

選擇合適的零部件，經過加工裝配后，其實物模型如圖7所示。

圖7 緊急輔助制動機構實物圖

3.2 制動響應時間

測得該機構從接受制動指令到完成制動的時間如表2所示。

表2 制動響應時間

根據一般的真空助力器構造[7]，其推桿完全推到底的距離約為L=40mm，電機轉速n=30r/s，因此，將推桿推至底所用時間大約為

而以上實驗數據也很好的論證了這一理論值。另外，該執行機構前端的傳感系統的反應時間為毫秒級，幾乎可忽略不計。

正常情況下駕駛員反應時間在1s～1.5s內[8]，因此該輔助制動機構在響應時間上完全具有優越性。

4 結束語

本設計主要用于汽車的制動系統當中，可以有效解決緊急狀況下司機來不及踩剎車或者誤踩油門等問題。與現有輔助制動裝置相比，本機構實現了車輛的緊急制停，保證在較短時間內完成有效地制動，無論是在結構還是功能上本設計都具有很大優越性。

本設計的優越性體現在以下四點：

1）小型化：安裝在踏板與真空助力器之間占用空間少，可節約汽車有限的空間。

2）節能化：本設計在非緊急狀況時處于非工作狀態，機構不消耗電能，只有接收到緊急信號時才作用，并且在工作狀態中損耗能量也極少。

3）控制電子化：本設計使用微動開關電路控制電動機、離合器和盤式電磁鐵的啟停和通斷，其電路簡單，有很大的可行性。

4）獨立化：本設計中使用電磁離合器完成傳動軸和從動軸間的連接與扭矩傳遞，離合器分離時可保證齒輪齒條傳動裝置對正常情況下的制動動作不產生影響。而緊急狀況發生時，電磁離合器閉合，齒輪齒條傳動裝置作用于真空助力器推桿完成制動動作，保證車輛安全。

由于條件與經費的限制，本研究僅僅制作出了輔助制動機構的機械部分的模型，并未在真正的汽車上進行改裝。因此，倘若在汽車上使用此機構，還需進行改進以提高本設計的實用性，并將此種機構應用于汽車上，真正實現汽車的安全輔助制動。

參考文獻：

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[7] 何仁.汽車輔助制動裝置[M].化學工業出版社, 2005.

[8] 任宇立.道路交通安全現狀及交通事故分析方法初探[J].道路交通與安全, 2010, 10(2): 4-6.