試分析汽車電子機械制動執行機構的設計

高 瀅

（南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210046）

在科技飛速發展背景下，汽車結構日益復雜，制動控制作為設計工作的重要部分，具有性能良好、操作便利、節能環保等特點，其安全穩定性可直接影響汽車設計效果。因此，在制動執行機構設計過程中，應積極引入先進的技術手段，使該系統中的執行機構得到有效的設計和優化。

1 電子機械制動系統構成

汽車執行機構工作較為復雜，由多個部分構成，主要為驅動電機、減速裝置、制動器、轉換裝置等等。在系統工作中，電機在減速作用下扭矩增大輸出，借助轉換裝置使旋轉與直線之間自由轉變，系統中驅動模塊、制動盤均具有減速功能，整個系統在制動控制器的作用下高效運作。該系統的主要構成部件與功能如下：

（1）驅動電機。該部件作為執行機構中的重要內容，具有力矩輸出作用，受速度、電機位置、轉矩等因素影響。現階段，驅動電機的類型以無刷直流電機為主，可有效克服傳統電刷與換向器結構，在工作中不易出現火花與磨損，使用壽命較長，在穩定性方面占有較大優勢。

（2）轉換裝置。一般情況下，執行機構采用的轉換裝置為滾珠絲杠副，此類構件通過絲杠與螺母旋槽內的滾珠進行轉換，在閉合回路中可穩定運行。在制動系統中還應添加自鎖裝置，但由于結構較為復雜，可以滑動絲杠進行替代。

（3）減速裝置。在汽車行業中，一般以行星齒輪作為減速元件，在質量相同的情況下，體積相對較小，可為制動系統運行提供強大的減速傳動比，使運行效率得到顯著提升，且減速過程十分平穩。

（4）制動器。該設備類型多種多樣，如電磁式、摩擦式、液力式等等，其中電磁式的性能相對較強，動作可靠，但造價較高，多用于重型汽車中；液力式可當作緩速器使用，但性能與摩擦式相比較弱，當前使用最多的為摩擦式[1]。

2 電子機械制動系統執行機構設計方法

2.1 減速器設計

優化設計流程為：首先，按照系統傳動比對齒輪齒數進行分配，同時，確保配齒與安裝條件、鄰接條件相符合，即中心輪與其他嚙合齒輪副之間擁有同等的距離；其次，對齒輪的主要參數進行確定，包括行星輪數量、小/大齒輪數量、齒數比、小/大齒輪齒形、重合度等等；最后，對減速器的各項參數進行確定，包括螺紋升角、預緊傳動效率、最大驅動力距等等。

2.2 滾珠絲設計

在系統執行機構中，滾珠絲杠所承受的應力承載具有制動功能，在運行過程中受到振動或者撞擊后，需要根據動載荷工況對額定應力水平進行計算，在此基礎上選擇滾珠絲杠副。在驅動力計算方面，首先明確滾珠絲杠副的額定動荷載水平，選擇恰當的構件類型，進而得出機構整體參數，然后對驅動力進行計算。值得注意的是，在驅動過程中，應將滾珠絲預緊條件引入其中，對有無預緊兩種形式進行單獨計算，將結果對比后選出最佳設計方案。

2.3 直流驅動電機

在汽車制動系統中，驅動器與電機屬于十分重要的內容，在電機選擇方面，應確保其穩定性與實際需求相符合。同時，還要具有較大的耦合剛度、輸出扭矩，可在制動條件下快速響應，為調速提供更多便利。此外，在制動系統中，直流驅動電機與車輛顛簸振動之間存在較大聯系，應確保設備具有較強的耐磨性、抗干擾性，且維護應便利[2]。

2.4 滑動絲杠

在耐磨性設計方面，主要參數為螺母高度、螺桿中徑、工作壓強等等，其中工作壓強的計算公式如下：

式中，F為軸向載荷；Pp為許用比壓；P為工作壓強；在螺牙強度設計方面，主要包括螺桿與螺母兩項內容，在螺桿強度方面，主要包括剪切強度與彎曲強度兩項；在螺母強度方面，包括剪切強度與彎曲強度，計算公式為：

式中，d為螺桿大直徑；d1為螺桿中直徑；d2為螺桿小直徑；P為螺距；n為材料許用切應力。

3 電子機械制動系統執行機構實驗

3.1 性能優化

根據上文公式與研究，開展執行機構實驗分析，對該機構的性能進行優化，具體如下：以車輛制動力分配比為變量，對約束函數與目標函數進行計算。其次，在SQP算法指導下，對汽車自動距離進行探究。根據結果可知，當汽車的制動分配比為0.598。當汽車的初始速度為90km/h時，制定距離為48.72m，附著系數為0.798，經過性能優化后，空載與滿載情況下均可滿足系數要求，也就是前輪與后輪同時抱死的情況得到有效好轉。針對車輛制動側滑的問題，需要對執行機構性能進行深入優化，使側滑情況得到有效改善，當汽車處于滿載情況下，使優化設計結果與預期目標相符合。當汽車處于滿載狀態時，在車輛制動后，后輪抱死速度與前輪相比較慢，可使車輛在制動過程中更加安全穩定。

根據制動力結果，本文將對系統執行機構進行優化設計。當前，壓力響應速度慢的問題被充分體現出來，且在大多數車輛中廣泛存在。對此，本文針對氣壓制度與響應速度進行優化分析。車輛氣壓制動不但包括氣壓管路、繼動閥兩項內容，還具有制動氣室、雙腔制動閥等等。其中，繼動閥在氣室與制動閥之間充當橋梁和紐帶的作用，由控制氣口、供氣口等共同組成。對于雙腔制動閥來說，其屬于系統中的重要內容，在制動過程中具有剎車、起動信號相互轉換的作用。在性能參數方面，包括活塞回位剛度、彈簧剛度等，通過氣壓管路的應用，可使執行機構的響應速度得到顯著提升。本文構建氣壓制動模型，如下：

式中，D為繼動閥數值；LPPf為制動閥回味彈簧剛度；P為排氣間隙。

通過對車輛實驗數據進行進行獲取，將充氣與排氣的延長時間進行對比，對制動執行機構進行優化設計。在執行過程中，車輛響應速度通常在0.7s左右，當車輛在高速公路上行駛時，如若遇到緊急制動情況，很容易出現安全事故。通過對氣壓制動模型進行分析，如若車輛充氣時間延長，勢必會使制動閥受到負面影響。因此，本文中D值取15N/mm，P值取2.0mm，LPPf值取15N/mm。在該模型進行優化后，制動閥彈簧強度與排氣間隙的性能得到極大增強。同時，車輛的響應速度被有效降低，達到0.4s左右，車輛的制動系統得以優化，使駕駛人員的行車安全得到切實保障[3]。

3.2 仿真實驗

在本文研究中，在序列二次規劃算法的基礎上開展仿真實驗，對可變步長進行計算，數值為0.005，在開展的仿真實驗中，應針對車輛模型中的各項參數進行全面分析，主要為車速、輪胎輪速、空載等等。根據仿真實驗模型可知，抱死率達到99.9%，輪胎速度不斷下降，可車輛的前輪與后輪同時抱死。另外，在其他條件不變的情況下，車輛可在3.0s左右完成減速制動，通過對貨車制動距離進行測量，結果為40.37m，貨車的減速增加到-8m/s，結束后速度為0，這一數值意味著在仿真實驗中，在二次序列算法基礎上，對制動系統執行機制進行分析，可使車輛輪胎的抱死情況得到有效改善，使汽車行駛的安全性得到顯著提升，進一步說明此種優化算法的可行性。

通常情況下，通過駕駛員的動作指令能夠將車輛制動執行機構的強度充分體現出來。在仿真實驗中，通過對電機制動與傳動效率進行分析可知，當制動力增加時，通過提高制動力矩便可使電機工作效率得到顯著提升，一旦制動強度 超過0.7，電機的再生制動力將會出現明顯改變。一般情況下，車輛制動通過液壓制動系統來實現。通過構建仿真模型可知各項參數，對電機制動力矩進行計算后，將結果上傳到主電機系統中，在優化配置情況下進行最優配置。另外，在理想狀態下，汽車制動執行機構的反應速度越快，制動便越發穩定安全[4]。

4 結語

綜上所述，在汽車設計工作中，制動系統執行機構作為一項重要內容，主要包括減速器、滾珠絲、直流驅動電機、滑動絲杠等內容，在設計過程中應把握設計要點，通過開展仿真實驗的方式，使執行機構設計更加科學合理，為汽車行業的健康可持續發展提供強有力的技術支持。