第33卷第2期2019年6月传动技术V01.33No.2DRIVESYSTEMTECHNIQUEJune2019文章编号:1006—8244(2019)02—025—06汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究Researchonparkingforceofautomobileelectronicparkinggnbrakingbrakingikrap)BPE(metsyssystem(EFt5)闵庆付1阮文龙2(1.上海汇众汽车制造有限公司,上海200000;2.浙江宏舟新能源科技有限公司,浙江舟山316000)MinQingfu1RuanWenlong2(1.ShanghaiHuizhongAutomobileManufacturingCo.Ltd..,Shanghai200000;2.ZhejiangHongzhouNewEnergyTechnologyCo.Ltd.,ZhoushanCity,ZhejiangProvince316000)[摘要]不同的汽车,由于整车参数、结构布置、路面附着系数等不一样,都要进行电子驻车系统(EPB)标定,由于车型的增多,开发周期短,为了减小汽车开发周期,通过对车辆不同工况受力分析,控制电流大小来满足不同工况所需要的夹紧力,实现车辆减速或驻车制动。[Abstract]Differenton,allmustcars,asdifferentvehicleparameters,structurelayout,roadadhesioncoefficientandcarSOcarryontheelectronicparkingsystem(EPB)calibration,becausemoretomodels,shortde—velopmentcycle,inorderreducevehicledevelopmentcycle,throughtheforceanalysisofdifferentwork—currenttoingconditions,vehiclecontrolmeettheneedsindifferentoftheclampingforce,realizevehicledecelerationorparkingbrake.关键词:电子驻车制动器夹紧力电流驻车ClampingforceCurrentKeywords:ElectronicparkingbrakeParking中图分类号:U463.5文献标识码:AjI吉’I置施加,并通过电控部件、电机等增加或减少制动力,从而极大地提高了驾驶员操纵车辆的舒适性。图1所示为电子驻车制动系统(EPB)驱动部件结构图。其包括电动机、减速机构和驻车制动器组成。当驾驶员按动电子驻车制动系统(EPB)按钮时,电子驻车制动系统控制模块接到来自按钮的信号,控制模块会向执行机构的电动机施加电流让其转动。电动机释放的转矩通过减速增扭机构将电机的速度减少、扭矩增大,然后通过输出轴螺纹副或滚珠丝杠副将电动制动单元输出的扭矩转化为直线推力,从而推动制动活塞运动将推力转化为制动块压紧至制动盘上的压力,进而完成实现车辆减少或驻车制动。近年来,在机动车制动系统领域中,电子驻车制动系统(EPB,ElectricalParkBrake)由于其在市场应用中的便捷性与舒适性,越来越多的取代了传统的机械集成式驻车制动器(IPB)与盘中鼓式制动器(DIH)。传统的机械集成式驻车制动器(IPB)与盘中鼓式制动器(DIH)结构通过手刹机构驱动拉索带动驻车机构,将驻车手刹力转换为制动器压紧到制动盘上的夹紧力。电子驻车制动系统(EPB)采用了导线进行信号传递,执行机构接受电信号指令来实现自动夹紧和释放功能。一些较为新型的电子驻车系统还能够通过传感器等自动感知和测算当前需要作者简介;闵庆付(1980一),男,安徽省太和县人,学士,工程师。主要研究方向为汽车制动系统.E-mail,minqingfu@sohu.com一25—闵庆付等:汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究行星减速机构推力轴承同图2Fig.2Force车辆驻坡受力分析图AnalysisofVehicleStandingSlopeF:2L—Gsin0·h。一Gcos0·a(1)(2)图1Fig.1EPB制动钳总成原理不意图PrinciplediagramofEPB得:F:2一竽(cos臼·丑+sin臼·h。)又因为汽车后轴车轮附着力F,与制动力相等本文基于电子驻车制动系统(EPB)研究汽车实现不同坡度驻车制动所需要电流大小。通过对车辆驻车制动力、MGU和EPB制动器结构及原理分析计算需要电子驻车制动系统提供多大的电流。1坡度倾角以为:j‘z一嘲sin臼l‘z—F:z·驴(3)由(2)、(3)上式可得汽车在上坡路上停驻时的整车参数表1Table1吼一rctan芒麓目标车型的整车参数Targetvehicle(4)同上,下坡路上停驻时的坡度倾角以为:parameters单位KgKg项目空载质量空载前轴荷代号M1Mflhgl数值18501020576Table2六一arctan矗麓角见表2。表2空载、满载时车辆上、下坡极限驻坡倾角parking(5)因此,空载、满载时汽车可能停驻的极限上、下坡倾空载质心高度满载质量满载前轴荷MaximumcleswhenM2Mf2H92KgKg22251132596140rampofuphillanddownhillofvehi—GCWorGVW空载上坡下坡满载质心高度制动钳有效半径车轮滚动半径轴距RL354附着系数“0.5坡度倾角014.1017.1620.2823.42驻坡度(%)25.1230.8936.9443.31坡度倾角011.4513.4215.2817.04驻坡度(%)20.2623.8527.3l30.64Mm26900.60.70.82极限驻车能力计算车辆静止在坡道上,根据车辆的参数和驻车制动器的参数,以及路面和轮胎的摩擦系数,对其进行极限驻车能力计算。车轮驻坡受力分析,如图2。图2中:F。,前轮的正压力;F::为后轮的正压力;Fu:为后轮地面制动力;0为车辆所处位置的坡度角;h。为重心高度;G为车辆的重力;L为轴距;9为地面附着系数;a为重心距前轴的距离。汽车在坡道上驻车情况如图2所示。对前轮与地面接触点取力矩,满载上坡附着系数“0.50.6O.70.8下坡坡度倾角015.4418.7722.1525.53驻坡度(%)27.6233.9940.7047.77坡度倾角012.4714.5816.5818.46驻坡度(%)22.1126.0229.7733.383活塞夹紧力计算根据汽车停驻在20%的坡度上计算:一26一闵庆付等:汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究fF。2一mgsin口力≥12.1(4)kN。1I”F。一£:兰笆:!R整理得:4卡钳输入扭矩计算目前市场EPB制动钳主要采用两种传动方式,F一丝磐旦:堡4“‘r(5)一种是螺纹传动,另一种是滚珠丝杆转动;这两种均属于螺旋转动,由螺杆与螺母组成,是通过螺杆式中,口——摩擦系数F——夹紧力,[N]保证EPB驻车力不得低于常态目标力和极限目标力。常态目标力:12~16V的工作电压,一20℃~40℃的工作温度的条件下,EPB需要保证的驻车力;应用时需要保证常态目标力≥车辆满载30%驻坡所需活塞夹紧力×a(一般以取1.1)。极限目标力:9~16V的工作电压,一20。C~70℃的工作温度的条件下,EPB需要保证的驻车力;应用时需要保证常态目标力≥车辆满载20%驻坡所需活塞夹紧力×a(一般a取1.1)。因此,空载、满载时汽车在20%和30%驻坡所需要的夹紧力见表3。表3Table3和螺母的旋合传递运动和动力的。它主要是将旋转运动变成直线运动,以较小的转矩得到很大的推力。螺纹传动的特点是:结构简单,加工方便;易自锁;螺纹有侧向间隙,反向时有空行程,定位精度和轴向刚度较差;摩擦阻力大,传动效率低;磨损快;滚珠丝杆传动的特点是:摩擦阻力小,传动效率高;结构较复杂,制造工艺要求高,成本较高;运动平稳,启动时无振动;寿命长;不自锁,要求自锁时需附加自锁装置。考虑到成本和自锁,除了采用滚珠丝杆结构外,其他制动器厂均采用螺纹传动结构。本文主要对螺杆传动研究,螺纹参数如下:表4螺纹传动的螺纹参数Table4Thread空载、满载时在20%和30%驻坡夹紧力orparametersofthreadedtransmissionClampingforceat20%and30%rampwhenGCW项目螺纹中径螺纹螺距螺纹线数牙型斜角螺纹摩擦系数代号dPN单位mm数值8.11.25l10GVW空载(口取1.1)单位:N满载(口取1.1)驻坡(20%)14882.9914174.2813529.9912941.7312402.4911906.3911448.4611024.4410630.7110264.139922.009601.939301.879020.008754.708504.578268.33摩擦系数Ⅳ0.200.210.220.230.240.250.260.270.280.290.300.310.320.330.340.350.36驻坡(20%)12374.6211785.3611249.6610760.5410312.199899.709518.949166.398839.028534.228249.757983.637734.147499.777279.197071.216874.79驻坡(30%)18131.2017267.8l16482.9115766.2715109.3414504.9613947.0813430.5212950.8612504.2812087.4711697.5511332.0010988.6110665.4110360.6910072.89驻坡(30%)21806.4520768.0519824.0418962.1318172.0417445.1616774.1916152.9315576.0415038.9314537.6314068.6813629.0313216.0312827.3212460.8312114.69卢{|0.165对螺纹进行受力分析。^’一N—■妒,Fig.3【y▲/7PFE夕『FP图3螺纹受力分析图Forceanalysisdiagramofthread螺纹力矩计算:丁1一号F·tg(妒+I。)系数对应的摩擦角称为当量摩擦角,用P。表示。螺纹升角计算:∞一ctg(s/7【d)一ctg(PN/nd)(6)令厂,一f/cos口称当量摩擦系数。与当量摩擦(7)对车辆驻坡力评估一般要求,20%驻坡,最小摩擦系数0.25,根据上表活塞夹紧力≥11.91kN;将(7)代人(6)式可得螺纹力矩计算为:30%驻坡,名义摩擦系数0.36,根据上表活塞夹紧T。一鲁F.ts(cts暑+ctg鑫)㈣一27—闵庆付等:汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究式中,T1——螺纹力矩[Nm]F——夹紧力,[N]9——螺纹升角,[。]推力轴承力矩Tz一等F·产(9)式中,T2——推力轴承力矩[Nm]d。——推力轴承滚针中经Emm3(滚针的中心位置,取22.6ram)肛——为推力轴承摩擦系数(带保持架滚针轴承:0.0020~0.0030,取0.0025)由(8)、(9)上式可得EPB制动钳输人力矩T为:T=导F.ts(ctg暑+ctg彘)+誓F·户(10)因此,空载、满载时汽车在20%和30%驻坡所需要的执行机构输入力矩见表5。表5空载、满载时在20%和30%驻坡卡钳输入力矩Table5Caliperinputtorqueat20%and30%rampwhenGCWOrGVW单位:Nm空载(口取1.1)满载(口取1.1)摩擦系数砧驻坡(20%)驻坡(30%)驻坡(20%)驻坡(30%)0.2011_3016.5513.5919.910.2110.7615.7712.9418.960.2210.2715.0512.3518.100.239.8214.4011.8217.310.249.4Z13.8011.3216.590.259.0413.2410.8715.930.268.6912.7310.4515.320.278.3712.2610.0714.750.288.0711.829.7114.22O.297.7911.429.3713.730.307.5311.049.0613.27O.317.2910.688.7712.850.327.0610.358.4912.440.336.8510.038.2412.070.346.659.747.9911.710.356.469.467.7611.380.366.289.207.5511.065电机输出扭矩计算目前市场EPB执行机构主要采用两种减速机构,一种是行星齿轮减速机构,另一种是涡轮蜗杆减速机构;考虑到成本和自锁,除了采用涡轮一28一蜗杆减速结构外,其他制动器厂均采用行星齿轮减速结构。执行机构除了采用行星齿轮减速机构,一级传动有采用同步带轮传动结构和齿轮传动结构。执行机构一旦结构确定,其减速比就确定了。该执行机构参数见表6。表6执行机构参数Table6Actuatorparameters带轮小带带轮同步带第一级带齿数154768轮传动传动比3.133行星齿轮太阳轮行星齿轮内齿轮第二级行齿数82049星齿轮副传动比7.125第三级行齿数101746星齿轮副传动比5.6该执行机构是一级采用同步带传动机构,二、三级采用行星齿轮减速机构,总减速比是125:1,经过试验验证,执行机构的传动效率为77.8%。因此,空载、满载时汽车在20%和30%驻坡所需要电机输出力矩见表7。表7空载、满载时在20%和30%驻坡电机输出力矩Table7Outputtorqueofmotorat20%and30%r哪pwhenGcw叫GVW单位:mNm空载(口取1.1)满载(口取1-1)摩擦系数且驻坡(20%)驻坡(30%)驻坡(20%)驻坡(30%)O.20129.13189.19155.30227.54O.21122.98180.18147.90216.710.22117.39171.99141.18206.86O.23112.28164.52135.04197.860.24107.60157.66129.42189.620.25103.30151.35124.24182.030.2699.33145.53119.46175.030.2795.65140.14115.04168.550.2892.23135.14110.93162.53O.2989.05130.48107.10156.93O.3086.08126.13103.53151.700.3183.31122.06100.19146.800.3280.70118.2597.06142.210.3378.26114.6694.12137.91O.3475.96111.2991.35133.850.3573.79108.1188.74130.020.3671.74105.1186.28126.41电机输入电流计算闵庆付等:汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究通常采用的电机主要有直流有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机。直流有刷电机有机械换向器,寿命有限,体积质量较大,转速较低,但价格低廉;无刷直流电机用电子元器件取代了碳刷,使得电机运行噪声小,寿命长,但增加了位置传感器,成本增加;永磁同步电机与直流无刷电机相比,转矩脉动小,调速范围高,电机结构也更加紧凑,但控制更加复杂。综合比较,选择价格较低的直流有刷电机作为动力电机。目前市场上EPB所使用的主流产品为德昌、马步奇、捷和电机。根据EPB系统对夹紧时间、释放时间、以及夹紧力的等要求,电机必须满足如下要求,见表8。表8电机选型要求Table8Selectionrequirementsformotor项目要求空载转速8000—10000rpm堵转电流≤40A堵转扭矩≤450mN·m工作转速5500rpm现选择一款满足要求的电机,型号为:RS-555VX-5524,电机在额定电压为12.0V,室温(25℃)情况下,其参数见表9。表9电机特性参数Table9Motorcharacteristicparameters项目代号单位数值无负荷电流IoA0.44无负荷转速Norpm9150堵转电流JoA36.7堵转扭矩LmNm423空载转速(N。)一指电机不受任何机械阻力或负载时的电压,在轴枝上测得的速度;空载载电流(J。)一指在电机无任何负载的情况下测得的电流量;堵转转矩(t)一指因加载引致电机停止旋转时测得的转矩;堵转电流(j;)一指在电机因过载而停止旋转时测得的电流量。该电机允许工作温度范围在一40℃~85℃,在不同提交条件下的电机的性能计算:无负荷转速:N。一N。×V而l×E1一O.0019×(T1—25)3(11)堵转电流:卜姒雨丽兴‰(12)堵转扭矩:t—R×鲁×鬲糍装鲁岽m,负荷电流:j。一t×!尝+Io(14)负荷扭矩:t—TS×措(15)负荷转速:N。一舭(,一措)Ⅲ,根据摩擦材料最小摩擦系数芦幽o.25,驻坡坡度为20%的所需要的夹紧力进行举例计算,在使用电压:9.0V~16.0V;温度:一40℃~+85℃条件所需要的电流大小;在20%坡道上扭力为124.24mNm下的电流见表10。表10在20%垃谨.E驻垃不同温度、电压下所需电流Table10Requiredcurrentsatdifferenttemperaturesandvolta-\电压gesonthe20%ramp单位:A9V12V16V温度\\\一40℃9.929.959.97—20℃10.2410.2710.300℃10.5810.6210.65Z5℃11.0511.0911.1245℃11.4511.5011.5465℃11.8911.9411.9885℃12.3712.4312.476EPB制动钳温度相关功能试验实验在EPB综合性能试验台,如图4所示。参照EPB温度相关功能试验方法,EPB卡钳达到11.91kN目标夹紧力,进行夹紧释放动作,首先在常温下动作500次循环;将EPB卡钳放到温度箱,达到各温度后,保温2小时,然后进行动作,实时采集电流和夹紧力;记录目标夹紧力下的电流,测试数据见表11。一29—闵庆付等:汽车电子驻车制动系统(EPB)驻车力研究大导致电流偏大外,其他温度理论和实际检测数据是吻合的。(2)对集成式EPB传动机构、执行器、电机特性进行计算,为车辆驻坡与电流关系奠定了理论基础。(3)在EPB标定时,可以根据理论计算的最大电流设定截止电流。参考文献GB126761999,汽车制动系统结构、性能和试验方法.王宵峰.汽车底盘设计.北京:清华大学出版社,2010.余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2006.图4FIG.4EPBEPB综合性能试验台comprehensiveperformancetable刘维信.汽车设计EM].北京:清华大学出版社,2001.成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2009.表11在不同温度、电压下所需电流rL0Table11Requiredcurrentsatdifferentges]黄国治,傅丰礼.中小旋转电机设计手册[M].北京:中国电力出版社,2007.temperaturesandvolta—单位:ArL,]方泳龙.汽车制动理论与设计[M].北京:国防工业出版社,2005.\\温度\毒压\\C9V12V16VrL0]黄键,李薇,辜振宇.驻车制动装置的设计[J].机电技术,2004,27:94—97.一40℃—200℃25℃45C10.7210.6010.5410.8011.4411.8812.2710.75lO.7610.6710.9211.4911.9212.4110.9710.7510.7011.0611.52rL11.96rLrLrL0]饶振纲.行星齿轮传动设计[M].北京:化学工业出版社,2003.m]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].7版.高等教育出版社,2003.罗名佑.行星齿轮结构[M].高等教育出版社,1983.王文斌.减速器和变速器[M].机械工业出版社,3版.n坨¨]]65℃85℃12.47rL郁明山.现代机械传动手册[M].北京:机械工业出版社,1996.7结论(1)由于电机、执行机构在低温下空转电流增rLM]库德里亚夫采夫,基尔佳舍夫.行星齿轮传动设计手册[M].陈启松,张展,江耕华,胡来容.冶金工业出版社.(上接第13页)补偿线圈的无线充电器进行了详细的分析和研究。建立了无线充电器发射电压和输出电压的传递函数,使用PSIM软件分别对不同频率、不同负载值和不同负载类型的情况进行了仿真测试和分析。最后建立了一个小型样机来验证该无线充电器的可行性。仿真和实验结果表明该无线充电器具备一定的可行性。[4][2]Transfer—AnOverview[-J].IEEETransactionsonIn—dustrialElectronics,2019,66(2):1044—1058.高大威,王硕,杨福源.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].汽车安全与节能学报,2015,06(4):314—327.[3]KursA,KaralisA,MoffattR,eta1.WirelessPowerTransferviaStronglyCoupledMagneticScience,2007,317(5834):83—86.LiResonances[J].S,MiCC.WirelessPowerTransferforElectricVe—hicleApplications[J].IEEEJournalofEmergingandSe—lectedTopicsinPowerElectronics,2015,3(1):4—17.参考文献[1]ZhangZ,PangH,GeorgiadisA,eta1.WirelessPower