電子駐車制動系統傳動機構的設計與計算

溫開元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團技術中心新能源開發部，浙江瑞安 325200)

電子駐車制動系統傳動機構的設計與計算

溫開元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團技術中心新能源開發部，浙江瑞安 325200)

簡介汽車制動系統的作用及分類，以電子駐車制動系統傳動機構為研究對象，分析其工作原理，并通過一個實例介紹了電子駐車制動系統傳動機構的設計與計算。

電子駐車制動系統；傳動機構

0 引言

隨著現代汽車科學技術不斷發展，機械控制逐步向電子控制方向發展。電子駐車制動系統(Electrical Park Brake) 俗稱手剎系統，它是指將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起,并且由電子控制方式實現停車制動的技術。作者對電子駐車制動系統的工作原理進行分析，并通過一個實例介紹了電子駐車制動系統傳動機構的設計與計算。

1 汽車制動系統的作用及分類

汽車制動系統可分為行車制動系統、駐車制動系統、緊急制動系統及輔助制動系統。

行車制動系統又稱主剎車系統，它是由駕駛員用腳來操縱的，當駕駛員踩下制動踏板，通過液壓管路推動制動主缸，將制動蹄壓緊在制動輪鼓上的剎車盤上，從而產生摩擦力。它的作用是使正在行駛中的汽車減速或在最短的距離內將車剎停。

駐車制動系統又稱手剎車系統，它是由駕駛員用手來操縱的，駕駛員拉起手剎柄將鋼絲繩拉緊，通過杠桿機構帶動連接在后輪轂上的剎車片將車剎住。它的作用是使已經停在各種路面上的汽車駐留原地不動，防止發生溜車現象。

緊急制動系統是在行車制動系統失效的情況下，保證汽車仍能實現減速或停車的一套裝置。理論上它應有一套單獨的制動裝置。現在許多國家要求汽車必須具備緊急制動系統。

輔助制動系統。對于經常在山區行駛的汽車以及某些特殊用途的汽車，為了提高行車的安全性和減輕行車制動系性能的衰退及制動器的磨損，使用輔助制動系統以在下坡時穩定車速。

上述各制動系統中，行車制動系統和駐車制動系統是每一輛汽車都必須具備的裝置。

2 電子駐車制動系統的應用及特點

隨著社會、經濟的發展,汽車已經成為人類密不可分的伙伴；與此同時,人們對汽車的舒適性和安全的要求也越來越高，因此,安全、環保和節能成為當前汽車技術發展的主要方向，越來越受到研究人員的重視。為此，汽車電子駐車制動系統作為現代汽車主動安全技術之一將被廣泛應用。

汽車電子駐車制動系統和傳統手剎相比，操作更為簡單而且省力。電子駐車制動使用小巧的按鈕取代了傳統的手剎拉桿，讓車內空間得到更好的利用。雖然電子駐車制動系統總成與傳統手剎零部件相比,價格上不一定有優勢,但省下的空間(通常都是省下前排中間的位置)可以有更大的用處；整個電子駐車制動系統工作模塊可以應用在大部分車型上,從而可降低生產成本將這個技術普及到更低一級的車型上。電子駐車制動系統的出現還可以擴展到AUTO HOLD,配合各種電控單元及機構，可以在適當的時候剎車和駐車。對于駕駛者來說,可以減少右腳和右手在塞車時的負擔;杜絕了由于力量不夠拉不緊手剎(特別是一些嬌小的女士)而造成的不便。而由于電子駐車制動系統的執行機構只接受電信號指令，所以電子手剎在車輛防盜系統中也起到很重要的作用。

3 電子駐車制動系統機構種類及工作邏輯

電子駐車制動系統目前可分為拉索式以及整合卡鉗式兩種。文中主要探討電子駐車制動傳動機構。下面介紹拉索式電子駐車制動系統工作邏輯。

駕駛員通過按壓電子駐車制動開關發出實施制動命令，當車速小于3.5 km/h時，電子駐車制動控制模塊驅動電機開始轉動并拉緊后輪制動蹄拉索，將后輪制動。當車速大于3.5 km/h時，電子駐車制動控制模塊會通過ESP(Electronic Stability Program)系統(電控車輛穩定行駛系統)控制行車制動器對4個車輪進行制動。當行車制動器出現故障時，電子駐車制動控制單元會評估來自4個車輪的輪速傳感器信號，對后輪進行制動并防止后輪抱死；此時，電子駐車制動控制模塊控制單元點亮剎車燈。車輛在駐車時，駕駛員可以通過踩油門讓車輛自動釋放制動。

4 拉索式電子駐車制動傳動機構種類和零部件組成及工作過程

4.1 拉索式電子駐車制動傳動機構種類

拉索式電子駐車制動傳動機構主要分為兩種：一種是單拉索傳動機構，另一種是雙拉索傳動機構。

單拉索傳動機構是通過小型直流電機帶動齒輪減速機構，齒輪減速機構再帶動螺旋傳動機構，螺旋傳動機構一端連接螺母，另一端連接螺桿，螺桿在護套內被限制轉動只能作直線運動，螺桿同時連接拉索。當螺母在齒輪減速機構帶動下旋轉時，其兩端限制不能移動同時帶動螺桿作直線運動，當電機正反轉時，拉索被電機帶動拉緊和松開，從而實現剎車制動及松開剎車。單拉索傳動機構是通過主拉索帶動兩根分拉索，兩根分拉索分別連接兩后輪鼓剎車片，兩根分拉索的拉力等于主拉索的1/2。單拉索傳動機構可以靈活地安裝在底盤合適的位置上，但是由于兩根分拉索在制造、安裝及調節過程當中存在誤差，可能造成兩輪的剎車力度不同，從而造成剎車的單邊現象。

雙拉索傳動機構也是通過小型直流電機帶動齒輪減速機構，齒輪減速機構再帶動螺旋傳動機構，螺旋傳動機構螺母的一端通過螺桿連接一根拉索，螺母的另一端通過螺桿連接另一根拉索，螺桿在護套內被限制轉動只能作直線運動，螺桿同時連接另一根拉索。當螺母在齒輪減速機構帶動下旋轉時，其他兩邊連接的兩根拉索同時作直線運動，雙拉索傳動機構的兩根拉索分別連接兩后輪鼓剎車片，當電機正反轉時，拉索被電機帶動拉緊和松開，從而實現剎車制動及松開剎車。雙拉索傳動機構最好布置在底盤距兩后輪中間位置，雙拉索由于受力相等作用力相反，從而保證兩后輪的剎車力相等，不會出現剎車的單邊現象。雙拉索傳動機構相對單拉索傳動機構的拉力大一倍。

4.2 雙拉索式電子駐車制動傳動機構

雙拉索式電子駐車制動傳動機構示意圖如圖1所示，它主要由傳動箱上下蓋及側蓋、電路控制板、直流電機、齒輪減速箱、螺旋傳動部件(螺桿及外花鍵螺母)、傳感器、拉索及護套等零部件組成。

圖1 雙拉索式電子駐車制動傳動機構示意圖

雙拉索式電子駐車制動傳動機構的工作過程：當駕駛員通過按壓電子駐車制動開關發出實施制動命令，電子駐車制動控制模塊驅動電機開始轉動，通過裝在電機上的齒輪Z1帶動組合齒輪Z2及齒輪Z3轉動。齒輪Z2和齒輪Z3組合在一起成為一個零件。齒輪Z3帶動內花鍵齒輪Z4轉動，內花鍵齒輪Z4兩端支撐在下蓋及側蓋之間，可在軸套內轉動但在軸向限制移動，內花鍵齒輪Z4帶動外花鍵螺母轉動同時限制軸向移動，外花鍵螺母采用雙頭螺紋且分別為左、右旋方向，外花鍵螺母帶動左、右長螺桿在護套內作直線運動。當剎車時，制動控制模塊通過轉速傳感器計算螺桿移動距離，將左、右長螺桿同時往中間運動將拉索拉緊，拉索帶動剎車片將后輪轂剎住。當松開剎車時，電機反轉將拉索松開，拉索帶動剎車片將后輪轂松開。

雙拉索式電子駐車制動傳動機構主要技術要求：

傳動機構輸出拉力大于1 600(N)。

左右長螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動機構制動時間小于3 s，松開時間小于3 s。

5 雙拉索式電子駐車制動傳動機構結構設計及零件參數選取

齒輪傳動箱齒輪安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪傳動箱齒輪安裝位置示意圖

此傳動機構采用二級齒輪傳動、一級內外花鍵傳動、一級螺旋傳動。在傳動機構中，由于電機高速旋轉同時伴有正反轉運動，考慮電機齒輪Z1為金屬材料中碳鋼，考慮軟硬齒面嚙合及對噪聲低的要求，組合齒輪Z2和Z3宜采用塑料齒輪，考慮齒輪Z4內花鍵配合處的沖擊和磨損，齒輪Z4宜采用塑料鑲嵌金屬內花鍵槽，考慮電機傳動要求平穩及齒輪有一定重合度，齒輪宜采用圓柱斜齒輪，但考慮組合齒輪Z2和Z3塑料圓柱斜齒輪模具結構復雜性，齒輪還是選用直齒圓柱齒輪；考慮長螺桿受到軸向拉力，長螺桿宜采用梯形螺紋；考慮空間有限，齒輪與齒輪軸之間及外花鍵螺母與軸套均采用滑動轉動；考慮齒輪根切因素，最小齒輪齒數宜為17。綜上所述，傳動零件參數選取如下：

齒輪Z1齒數z1=17，模數m1=0.6 mm，分度圓直徑d1=m1×z1= 10.2 mm；齒輪Z2齒數z2=34，模數m2=0.6 mm，分度圓直徑d2=m2×z2=20.4 mm；齒輪Z1和Z2的中心距a1=(d1+d2)=15.3 mm；齒輪Z3齒數z3=17，模數m3=0.8 mm，分度圓直徑d3=m3×z3=13.6 mm；齒輪Z4齒數z4=46，模數m4=0.8 mm，分度圓直徑d4=m4×z4=36.8 mm；齒輪Z3和Z4的中心距a2=(d3+d4)=25.2 mm；長螺桿及螺母中徑為φ9 mm，螺距為2 mm。

6 拉索式電子駐車制動傳動機構計算

(1)傳動比

i1=34/17;i2=46/17;i3=36.8/9

iΣ3=34×46×36.8/17/17/9=22.128

(2)傳動效率

η電機滾動=0.99；η齒輪=0.97；η齒輪=0.97；η花鍵=0.97；η滑動=0.97

ηΣ5=0.99×0.974=0.876

(3)傳動力矩

設電機功率P=0.03 kW，轉速n1=2 730 r/min，扭矩T1=0.082 4 N·m，通過齒輪及花鍵螺母傳動到長螺桿，則有：

T花鍵螺母=T1×iΣ3×ηΣ5=0.082 4×22.128×0.876=1.597 N·m

(4)長螺桿軸向拉力

根據螺旋傳動公式有：

F=Qtan(ψ+ρv)

T花鍵螺母=F×D/2=D/2Qtan(ψ+ρv)

Q=2T花鍵螺母/[D×tan(ψ+ρv)]

tanρv=fv=f/cosβ

式中：F為作用在螺紋中徑D的圓周上切向力；Q為作用螺紋副上的軸向力；D為螺紋中徑；ψ為螺紋升角；ρv為螺紋當量摩擦角；fv為螺紋當量摩擦因數，當β=0時為矩形螺紋，fv=f；f為螺紋摩擦因數；β為螺紋牙形半角，當螺紋為梯形螺紋時，β=15°。

設長螺桿為梯形螺紋M10螺距為2 mm，螺紋中徑D=φ9 mm，ψ=arctan[2/(9π) ]=4.05°;當螺紋潤滑良好時，選取f=0.1，由tanρv=f/cosβ=0.1/cos15°=0.103 5，則ρv=arctan(0.103 5)=5.91°。

由于ψ<ρv，螺紋副自鎖。

tan(ψ+ρv)=tan(4.05°+5.91°)=tan(9.96°)=0.175 6

由Q=2T花鍵螺母/[D×tan(ψ+ρv)]=2T花鍵螺母/(9×10-3×0.175 6)=1 265.5×T花鍵螺母，又由T花鍵螺母=1.597 N·m；則Q=1 265.5×1.597=2 021 N，

即長螺桿所受軸向拉力Q=2 021 N。

由于左右長螺桿同在花鍵螺母作用下，故作用力相等方向相反。

(5)輸出轉速

n花鍵螺母=n1/22.128=2 730/22.128=123.37 r/min

(6)制動時間

由長螺桿螺距為2 mm可知，花鍵螺母每轉一周長螺桿直線移動2 mm，當剎車片與輪轂的間隙為10 mm時，花鍵螺母需轉5圈；故花鍵螺母實際所需時間為t=5×60/123.37=2.43 s。

7 結束語

通過計算可知：

傳動機構輸出拉力2 021 N大于1 600 N。

左右長螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動機構制動時間2.43 s<3 s，松開時間2.43 s<3 s。

由此可知該機構滿足雙拉索式電子駐車制動傳動機構的主要技術要求。

[1]周曉飛.汽車EPB電子駐車制動系統故障診斷應用[M].北京：化學工業出版社，2012.

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[3]楊汝清.機電控制技術[M].北京：科學出版社，2009.

[4]張展，葉少華，韓為峰.減速器設計選用手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2002.

DesignandCalculationofTransmissionMechanismofElectronicParkingBrakingSystem

WEN Kaiyuan,YANG Liu,ZHU Bin,WANG Zhuan

(New Energy Development Department of Technology Center, Zhejiang Ruili Group, Ruian Zhejiang 325200, China)

The function and classification of the automobile braking system were introduced.The working principle of the electronic parking brake system transmission mechanism was analyzed.The design and calculation of the transmission mechanism of the electronic parking brake system were introduced through an example.

Electronic parking brake system; Transmission mechanism

2017-05-02

溫開元(1962—)，男，高級工程師，主要從事閥門、汽摩配、高低壓電器等產品的開發設計工作。E-mail：WKY444@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.014

U463.52+3

B

1674-1986(2017)10-059-04