汽車整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車設計研究淺談

別曉樵

(湖北航特裝備制造股份有限公司,湖北荊門 448000)

0 引言

當今機電產品技術被廣泛應用于汽車產品中，例如：電子駐車制動系統EPB(Electrical Park Brake)、防抱死剎車系統ABS(Anti-lock Brake System)、電子制動分配力系統EBD(Electrical Brake Distribution)等，其中電子駐車制動系統以駐車制動鉗結構分類有兩種，一種是整合式制動鉗電子駐車制動系統，另一種為拉索式電子駐車制動系統。作為電子駐車產品的過渡衍生物，拉索式電子駐車制動系統沿用了原拉索傳動結構驅動機械式制動鉗進行駐車。整合式制動鉗電子駐車制動系統是由電子駐車按鈕、電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)、整合式電子駐車制動鉗MOC、CAN總線系統等組成，因為其高效、可靠等優點，作為現電子駐車產品的主流，而被廣泛應用[1]。

隨著電子駐車產品技術的不斷創新，較新型的電子駐車系統通過傳感器等信號傳遞、分析和測算，進而電控部分及電機通過控制電流大小，提供給車輛實時需要的制動力，從而極大地提高了駕駛員操縱車輛的舒適性和安全性。一般而言，EPB電子駐車制動系統和手動拉線式駐車制動系統都是對車輛后輪進行制動。針對整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車原理簡介、駐車設計、計算及驗證如下。

1 整合式電子駐車制動系統簡介(EPB)

汽車制動系統包括：行車制動系統、駐車制動系統、緊急(應急)制動系統，3個系統不是相互獨立，而是相互聯系，并緊密配合，制動系統簡圖如圖1所示。

圖1 整合式電子駐車制動系統簡圖

2 整合式電子駐車制動鉗(MOC)結構簡介及駐車工作過程

2.1 整合式電子駐車制動鉗(MOC)結構簡介

整合式電子駐車制動鉗(MOC)包括：傳統制動鉗(鉗體、摩擦塊、安裝支架、活塞等)、傳動機構(EPB心軸及心軸螺母[2]、平面滾針軸承等)、MGU電機齒輪機構(同步帶傳動、行星齒輪機構、直流電機)，駐車制動系統簡圖如圖2所示。

圖2 整合式電子駐車制動系統簡圖

2.2 整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車工作過程

整合式電子駐車制動駐車工作簡圖如圖3所示。

圖3 整合式電子駐車制動駐車工作簡圖

3 整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車設計及計算

3.1 車輛整車參數輸入

以航特配套車企中某車型整車參數為例，詳見表1。

表1 某車型整車參數

3.2 車輛極限駐坡角度計算

車輛停駐在相應坡道上，根據車輛的參數、輪胎與地面的摩擦因數，計算其進行極限駐坡角度，其受力分析如圖4所示。

圖4 車輛駐坡受力分析

上坡靜止，根據力矩守恒定律可得：

Fz2L-hgGsinθ=aGcosθ

Fz2=mg(acosθ+hgsinθ)/L

(1)

根據后輪受力平衡可得：

Fu2=mgsinθ

(2)

Fu2=Fz2·φ

(3)

根據式(1)—(3)可得汽車在上坡路上停駐時的坡度傾角θs為

θs=arctan(φa/L-φhg)

同理可得汽車在下坡路上停駐時的坡度傾角θx為:

θx=arctan(φa/L+φhg)

式中：Fz1為前輪正壓力；Fz2為后輪正壓力；Fu2為后輪地面制動力；θ為車輛所停駐的坡度角；hg為車輛重心高度；G為車輛重力；L為車輛前、后軸距；φ為地面附著系數；a為重心距前軸的距離。

不同地面附著系數某車型駐坡極限角度見表2。

根據GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》中7.10.3條規定[3]：在空載狀態下，駐車制動裝置應能保證機動車在坡度為20%(11.3°)、輪胎與路面間的附著系數不小于0.7的坡道上正、反兩個方向保持不動，其時間不應小于2 min。車輛極限駐坡角度的計算為檢驗車輛整車參數設計合理性等。

表2 不同地面附著系數某車型駐坡極限角度

3.3 活塞夾緊力受力分析及計算

車輪受力分析如圖5所示。

圖5 車輪受力分析

根據受力分析及力矩平衡定律可得

Fu2=mgsinθ

Fu2=(4Fμ·r)/rw

Fμ=FN·ξ

式中：Fμ為制動片與制動盤的摩擦力；FN為制動鉗活塞夾緊力；ξ為制動片與制動盤摩擦因數；r為制動有效半徑；rw為車輪半徑。

整理得：

FN=(mgsinθ·rw)/(4ξ·r)

根據車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡夾緊力(在1.1倍安全系數下)見表3。

表3 駐車夾緊力計算 N·m

由表可知，評估車輛駐車力一般要求，車輛滿載時，20%駐坡，最小摩擦因數0.20(根據實際制動片臺架性能評估)，根據計算活塞夾緊力大于等于12.01 kN；30%駐坡，名義摩擦因數0.38，根據計算活塞夾緊力大于等于9.3 kN。

3.4 MGU電機齒輪機構輸入扭矩計算

3.4.1 螺紋副傳動計算

螺紋傳動參數見表4，螺紋牙型簡圖如圖6所示, 螺紋受力分析如圖7所示。

表4 螺紋傳動參數

圖6 螺紋牙型簡圖

圖7 螺紋受力分析

螺紋輸入力矩計算：

T1=(d/2)·FN·tan(φ+ρ)

(4)

當量摩擦因數

f′=f/cosβ=0.167 545

當量摩擦角

ρ=arctanf′=9.51°

螺紋升角

φ=arctan(S/πd)=arctan(NP/πd)=2.812°

滿足自鎖條件：

φ≤ρ

代入式(4)得：

T1=(0.885×10-3)FN

3.4.2 平面滾針軸承扭矩計算

T2=(d0/2) ·FN·μ=(0.030 5×10-3)FN

式中：μ為平面滾針軸承摩擦因數(潤滑狀態下0.002 0～0.003 0，取0.002 5)；d0為平面軸承中徑為24.4 mm 。

3.4.3 MGU電機齒輪機構輸出力矩

T=T1+T2=(0.915 5×10-3)FN

綜上所述，根據車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡所需要的MGU電機齒輪機構輸入力矩見表5。

表5 MGU輸入力矩計算 N·m

3.5 電機輸出扭矩計算

該減速機構是一級采用同步帶傳動機構， 二、三級采用行星齒輪減速機構(NGW型周轉齒輪系)。 減速機構機構傳動比計算，見表6。

表6 減速機構傳動參數

總傳動比(減速比)是125∶1，傳動效率按70%(以實測為準)。根據車輛空載、滿載條件，在20%和30%駐坡所需要的電機輸出力矩見表7。

表7 電機輸出力矩 mN·m

3.6 電機選型

通常采用的直流電機主要有直流有刷電機、直流無刷電機、永磁同步電機，對比結果見表8。

表8 電機優缺點對比

經過技術、經濟全面比較而定，選擇直流有刷電機作為驅動電機。

一般車載電源為12 V電瓶，根據EPB系統的工作行程、駐車響應時間小于2 s[4]、夾緊力等要求，電機必須滿足表9的性能要求。

表9 電機性能指標要求

目前EPB市場上所使用的主流產品品牌有德昌、馬步奇(萬寶至)電機等。現選擇JS的直流有刷電機，型號為：3U-156-2160，電機在額定電壓為12.0 V， 室溫( 25 ℃)情況下，其功能參數見表10,其電機性能參數曲線如圖8所示。

表10 某電機功能參數

圖8 某電機功能參數曲線

根據摩擦塊材料最小摩擦因數μmin=0.20，對20%坡度的駐坡所需要的夾緊力進行舉例計算，在工作電壓：9.0～16.0 V；環境溫度：-40 ～+85 ℃條件下，電機所需要的工作電流大小；在20%坡道上制動鉗電機的負載扭矩為125.63 mN·m 。

在不同的允許電壓、不同的允許溫度條件下，電機的性能計算[5]如下：

不同電壓、溫度下的空載轉速：

Nψ=No×(U′/12) ×[1-0.001 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的堵轉電流：

Iψ=Is×(U′/12)/ [1+0.003 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的堵轉扭矩：

Tψ=Ts×(U′/12) ×[1-0.001 9×(T′-25)]/[1+

0.003 9×(T′-25)]

不同電壓、溫度下的負載電流：

Iz=(Tz/Tψ) ×(Iψ-Io)+Io

不同電壓、溫度下的負載扭矩：

Tz=Tψ×(Iz-Io)/(Iψ-Io)

不同電壓、溫度下的負載轉速：

Nz=Nψ×[1-(Iz-Io)/(Iψ-Io)]

因此，在不同電壓、溫度下，滿載時車輛在20%駐坡所需要的理論負載電流值見表11。

表11 理論負載電流計算

4 整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車工作電流校核

4.1 EPB綜合性能試驗臺校核

根據EPB高低溫性能試驗方法及要求，在EPB綜合性能試驗臺(見附圖)進行試驗，整合式電子駐車制動鉗(MOC)要求達到12 kN目標駐車力，進行夾緊釋放動作。不同電壓、溫度下，達到目標駐車力的電機負載電流值見表12。

表12 負載電流實測

例如，在溫度為25 ℃、電壓為12 V、達到目標夾緊力12 kN時，MOC的工作電流11.92 A,工作夾緊力為12.1 kN。另外，在溫度為25 ℃、電壓為12 V、達到目標夾緊力13 kN時，MOC的工作電流13 A，工作夾緊力為15.1 kN。

4.2 實車裝車駐車試驗校核

車輛在滿載狀態下，航特電子駐車制動鉗可保證機動車在坡度為20%、輪胎與路面間的附著系數不小于0.7的坡道上正、反兩個方向保持不動，其時間大于2 min。滿足國標GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》中7.10.3條規定，如圖9和圖10所示。

圖9 20%坡度上坡滿載駐坡

圖10 20%坡度下坡滿載駐坡

5 結束語

根據上述汽車整合式電子駐車制動鉗(MOC)駐車原理的簡介及駐車結構設計的論述后，得出以下結論：

(1)在電壓、環境相同的條件下，可以通過調整工作電流大小，滿足不同目標駐車力要求的車輛的駐車使用；

(2)車輛緊急(應急)制動可通過車輛ESP及駐車ECU控制工作電流，實時控制緊急制動力，達到緊急情況下制動減速度，保證人員及車輛安全；

(3)通過以上設計及計算，為車輛駐車與電機關系提供理論參考,為電子駐車制動鉗駐車設計梳理正向設計思路；

(4)溫度變化影響電機阻值，直接影響工作電流，低溫時空載電流增大，直接影響工作電流偏大，根據上述理論計算的最大電流，可參考設定EPB標定相關狀態的截止電流。