電磁與摩擦集成制動系統穩定性分析

黃大星

(韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512005)

0 引 言

隨著汽車工業技術和汽車消費需求的快速發展，人們對汽車性能的要求也不斷提高，作為當今社會重要交通工具的汽車，給人們帶來出行便捷的同時，也給人類帶來了諸如交通事故、環境污染等危害。據統計，我國2018年發生交通事故達24.5萬起，導致6.3萬人死亡，造成直接財產損失13.8億元。由此可見，人類享受運用汽車所帶來便利快捷的同時，卻要面臨生命財產威脅和生活環境惡化的代價，這充分表明了汽車制動性能的重要性。

通過對交通事故原因的分析發現，由汽車制動失效因素引起的交通事故率占比高達三成[1]。從本質來看，汽車制動失效是源于包括頻繁制動或長時間制動造成制動裝置的摩擦副過熱、制動裝置過度磨損、制動介質慣性及其復雜制動管路導致制動反應遲鈍等相關因素造成的。非接觸式電磁制動系統的成功研發[2]，為降低制動失效提供了新的思路。電磁制動裝置的出現，掀起了非接觸式制動裝置的研發熱潮[3-6]。然而，由于電磁制動器工作時需要較大的勵磁電流，當單獨使用電磁制動時缺少失效安全保護功能，加上較大容量高電壓蓄電池等設備增加了車輛的負荷，因此電磁制動裝置不能完全替代原有汽車制動裝置，從而導致電磁制動器在汽車上的單獨運用“受阻”。那么，能否將電磁制動與傳統摩擦制動進行集成，以充分發揮兩者的優勢？美國人S.E.GAY利用矢量磁位法分析了集成系統的三維磁場分布和渦流分布，提出了將電磁制動與摩擦制動集成的設想[7]，開辟了電磁制動與摩擦制動系統集成的研究思路，目前國內外針對電磁制動與摩擦制動的集成研究主要涉及系統結構性能[8-11]及其制動力矩計算方法[12-13]等方面，文獻[14]針對研究了將電渦流制動力矩加載于車輛后輪的制動穩定性，從理論上確定了電渦流緩速器的通電電流是車輛前輪制動器制動力的函數。由于電磁制動與摩擦制動的集成方式很多，系統集成后呈現的特性也存在較大差異，文中研究的電磁與摩擦集成制動系統是由恒定壓力源的液壓制動系統與恒定電壓源的電磁制動系統復合而成。此系統設計獨特，所涉及的制動穩定性能也不同，為此筆者對新型的電磁與摩擦集成制動系統制動力分配進行分析，以探索集成制動系統的穩定性。

1 電磁與摩擦集成制動系統結構

1.1 裝備電磁與摩擦集成制動系統的轎車結構

如圖1所示裝備電磁與摩擦集成制動系統的轎車結構方案，主要由傳動裝置和制動器等組成。文中研究的電磁與摩擦集成制動系統中的電子液壓制動器采用定鉗盤式制動器，其管路采用雙回路交叉(X)型連接方式。與傳統的摩擦制動系統相比，集成制動系統增加了踏板信號傳感器、集成控制器、電磁驅動器、電磁制動器及其組件和永磁電機。

圖1 汽車電磁與摩擦集成制動系統結構

集成制動控制器根據制動需求，對ABS電動泵、壓力調節裝置調整電子液壓制動力大小，前軸摩擦制動力大小分配由該壓力調節裝置來實現，壓力調節裝置由高速開關閥和蓄能器組成，同時通過分析前后輪制動力分配及制動工況要求，推算出目標制動力矩及車輛滑移率等狀態信息傳輸到集成控制器。

1.2 電磁與摩擦集成制動系統結構

為了不改變原來車輛其他零部件的結構參數，設計了與原有車輛(桑塔納3000)制動盤一樣尺寸的雙集成制動摩擦盤(安裝于前輪)，外側盤作為摩擦制動盤，內側作為電磁制動盤。文中所研究的電磁與摩擦集成制動系統結構如圖2所示。汽車在不同工況下行駛時，對制動力矩的需求也不盡相同。根據不同制動意圖，集成控制器可以選擇開啟純電磁制動模式、復合制動模式(電磁-摩擦復合制動模式)和純摩擦制動模式(純電子液壓制動模式)。

如圖2所示的電磁與摩擦集成制動系統結構特點有：①共用一個制動支架，通過共用的支架對液壓油路、輪缸活塞、摩擦片進行固定。車輪只與復合制動盤相連，有效地減少了車輪旋轉的轉動慣量；②為了保證電磁制動力矩的穩定性，將復合制動盤進行機械鎖定，以保證復合制動盤之間的距離保持不變，這樣就保證了電磁制動間隙不會改變，進一步提升集成制動器的工作可靠性；③兩片復合制動盤在制動過程中外側受液壓制動力，內側受電磁制動力，相同的使用周期內電子液壓制動工作時間減少，外側摩擦制動盤使用壽命延長，降低了摩擦制動器的使用成本，減少了摩擦過程中金屬粉塵污染，提高了集成制動系統的環保性能；④復合制動盤熱量導流口設計在中間，這種設計方案可讓制動盤中間散熱，從而可以使其散熱效果有明顯的提升，改善了抗熱衰退性能。

圖2 雙盤式電磁與摩擦集成制動系統結構圖

2 制動模式切換過程穩定性

基于文獻[15]對汽車受力情況的相關假定，結合汽車受力圖(見圖3)，對汽車制動穩定性分析。忽略了制動時車輪邊滾邊滑的過程，并且附著系數只取一個定值φ0。

圖3 汽車在制動時的受力情況

(1)

式中：FZ1、FZ2為地面對前輪、后輪的法向反力；G為汽車重量；a、b、hg為汽車重心到前、后軸的距離和高度；L為軸距；φ為地面附著系數。

從電磁與摩擦集成制動系統工作過程可知，電磁制動與摩擦制動同時或不同時施加于汽車的前軸。因此，當汽車處于純電磁制動模式時，前后制動器制動力分配策略是前輪采用純電磁制動，后輪采用電子液壓制動；當汽車處于電磁與電子液壓復合制動模式時，前后制動器制動力分配是前輪采用電磁制動和電子液壓制動，后輪采用電子液壓制動；當汽車處于純電子液壓制動模式時，前后輪均采用電子液壓制動。

設汽車前軸制動器制動力為Fuε：

(2)

由于純電磁制動模式和純電子液壓制動模式時，前軸只有一種制動器工作，這時前后軸制動器制動力比例關系與傳統汽車的比例關系一樣。因此，針對電磁與摩擦集成制動系統的汽車前后軸制動器制動力分配，關鍵是集成制動系統復合制動模式下電磁制動器制動力和電子液壓制動力的比例分配的研究。

利用文獻[15]所提出的前、后車輪同時抱死的條件，對裝備電磁與摩擦集成制動系統的汽車進行分析。在任何附著系數φ的路面上，有：

(3)

將式(1)帶入式(3)，得：

(4)

消去變量φ，得：

Fμ2=

(5)

一般情況下兩軸式汽車的前、后制動器制動力之比為固定值，用β表示，也稱為制動器制動力固定分配系數。這時集成制動系統前后軸制動器制動力可以表示為：

(6)

汽車前輪的復合制動力為：

(7)

聯合式(1)、式(3)和式(7)可得：

(8)

將式(7)代入式(4)的第二列式，并整理得：

hgGφ2+[bG-βLG]φ-(1-β)LFum=0

(9)

式(9)方程f(φ)的判別式為：

Δ=[(bG-βLG]2+4hgG(1-β)LFum

(10)

汽車本身影響因素基礎上，分析可知電磁制動器制動力Fum的大小也影響Δ的值，從式(9)求解的同步附著系數也存在不同的結果。

當Δ>0時，方程式(9)有兩個解：

φ01=

(11)

φ02=

(12)

汽車在附著系數φ<φ01的路面上制動時，前輪先抱死，后輪后抱死；在φ=φ01的路面上制動，前、后輪同時抱死。

同樣，電磁與摩擦集成制動系統也需要滿足ECER13法規的要求。

利用附著系數定義可具體表示如下：

(13)

式中：FXb為對應于制動強度為z的地面制動力；FZ為制動強度為z時，地面法向反力；φz為利用附著系數。

設汽車前輪剛要抱死或前后輪同時剛要抱死時產生的減速度為du/dt=zg。

根據式(1)、(7)和(12)可得到制動強度為z時的前、后軸利用附著系數φf和φr：

(14)

(15)

而電磁制動器不工作時汽車的利用附著系數為：

(16)

(17)

由式(14)～(17)可以得到前、后軸利用附著系數的變化量Δφf、Δφr為：

(18)

(19)

由式(18)和式(19)可看出，這種制動模式下，前軸利用附著系數比原車增加了Δφf，后軸利用附著系數比原車減少了|Δφr|。Δφf、Δφr大小主要取決于Fum/G。在制動過程中，前軸利用附著系數的增加和后軸的降低，因而后軸先抱死概率顯著降低，而前軸的增加，因而制動穩定性有所增強，但喪失了轉向能力。

3 結 語

針對一種雙盤式電磁與摩擦集成制動系統結構與工作原理進行了分析，基于ECE R13制動法規，對電磁與摩擦集成制動系統前后軸制動力進行了分析，得出裝備集成制動系統的車輛相比傳統車輛的制動穩定性有所提高，為集成制動系統臺架試驗提供理論基礎。