（人机与环境工程专业论文）汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h es e n s eo fs a f e t yo na u t o m o b i l e ，i t sc o n c i s e s t r u c t u r ea n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c ei sw e l c o m e dw a r m l yb yr e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rr e f e r st oo n ea u t o m o b i l em o d e la n ds t u d i e de l e c t r o - m e c h a n i c a lb r a k i n gs y s t e mo n t h eb a s i so fc a dm o d e lt e c h n o l o g y , f i n i t ee l e m e n ta n l y s i sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o na n l y s i s t h ec o n t e n to f t h et h e s i sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： ( 1 ) b a s e do nt h es u m m a r ya n da n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f e l e c t r o - m e c h a n i c a lb r a k i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h r e es e t so f d e s i g np l a n ，t h e nc h o s et h eb e s ts c h e m aa n dd e s i g n e dt h ep a r t s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l to fp a r t so fe l e c t r o - m e c h a n i c a lb r a k i n gs y s t e m ，t h e c a dm o d e li se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h es o f t w a r eu gt h e nt h em o d e la n l y s i so ft h ek e y p a r t si s e s t a b l i s h e dt l l r c u g l lt h es o f t w a r ea n s y sw h i c hi st h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e f i n a l l y , p a r e m e t e rw a sm o d i f i e di nc o n t r a s tt ot h er e s u l to nt h ep u r p o s eo fa v o i d i n gr e s o n a n c e ( 3 ) t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lc o u l db eg o t t e ni nt h ed y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r e a d a m sw i t ht h e3 dm o d e li m p o r t e df r o mu gt h e nc o n s i d e r i n gt h eg r e a t e s td e g r e eo f b r a k i n gt os i m u l a t ea c t u a ln e e d s ，w i t ht h ec o n s t r a i n t sa n dt h el o a d ，w ec a ng e tt h ev pm o d e l w h i c hw a ss i m u l a t e da n dg o tt h ec o n c l u s i o nt l l a tt h ew o r k i n gr a d i u so fb r a k ed i s cw a so n c o n s i s t e n tw i t ht h ed a t ap r o v i d e db yt h ef a c t o r y b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ed i dt h e s t a t i ca n l y s i so ft h ei m p o r t a n tp a r t s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t ao b t a i n e dm a x i m u ns t r s s ， w ec a ng o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ei n t e n s i t yo ft h ep a r t sm e tt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r o m e c h a n i c a lb r a k es y s t e m ，i m p l e m e n t i n ga g e n c y , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：盛避鱼 一年6 只般 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：一盖班 哆年c 月瑶日 硕士论文汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 1 绪论 随着近几年来国民经济的发展，国内外汽车市场的不断壮大，汽车的产销量也节节 攀升。人们不但关注车的外型和整体性能，同时，也十分关注车辆行驶的安全性和方便 性问题。从我国高速公路上发生的大量事故的统计分析结果发现：由于车辆本身的技术 问题导致交通事故发生的已约达到3 0 左右。而其中主要诱因是车辆制动性能不足或制 动操作不当等而导致的车辆追尾、制动跑偏、甩尾等恶性交通事故 1 1 。由此可见，改进 车辆制动性能、提高车辆制动系统的恒定性以及改进车辆制动系统的人机操作环境有很 强的现实意义，可以切实提高车辆行驶的安全性和方便性，减少由于车辆原因而导致的 交通事故的发生概率。随着人们对车辆制动性能影响车辆安全性的意识的提高，以及电 子技术的发展，车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。近年来，汽车电子机械制动系 统作为汽车制动系统的发展方向，已经成为国内外研究的热点之一。 1 1 汽车电子机械制动系统的分类及其研究的重要性 根据制动系统功能的不同，汽车电子制动系统分为电子行车制动系统和电子驻车制 动系统。电子行车制动系统是用电子控制系统使行驶中的汽车降低速度直至停车的装 置。电子驻车制动系统是用电子控制系统使已经停驶的汽车驻留原地不动的装置【2 】。 1 1 1 电子行车制动系统 电子行车制动系统( e l e c t r o m e c h a n i c a lb r a k i n g ) i e m b 是由驾驶员操纵刹车踏板，电 子控制单元控制执行机构，使行驶中的汽车降低速度甚至停车。 传统车辆行车制动系统的气体或液体传输管路比较长，阀类元件多。由于其管路长、 速度慢等，易产生制动滞后，安全性降低的现象，而且制动系统的成本也较高。所以传 统行车制动系统难以满足现阶段汽车制动系统的发展要求，而电子行车制动系统有以下 几方面的特点： ( a ) 结构简单，布置容易，系统可靠性增加；( b ) 制动的响应时间变短；( c ) 系统中不 存在制动液，维护容易、系统的耐久性能良好；( d ) 系统总成的制造、装配、调试、标定 更快，易于采用模块化结构；( e ) 已经开发出具有容错功能的适用于汽车的网络通讯协议 可以应用到电子机械制动系统中；( f ) 能达到所需制动及车辆稳定性功能，易于与未来的 交通管理系统联网，便于集成其他的电子制动性功能：( 曲应用可调的制动踏板，使其舒 适性和安全性得到提高【3 】。 1 1 2 电子驻车制动系统 电子驻车制动系统( e l e c t r i c a lp a r kb r a k e ) e p b 是指将行车过程中临时性的制动和停 1 l 绪论硕士论文 车后长时性的制动功能相整合在一起，并且由电子控制方式实现停车制动的技术。 传统轮式车辆驻车制动系统主要是靠机械拉杆的方式进行驻车，而且没有坡道启动 等功能，完全是靠操作者的手感进行坡道启动，安全性低。电子驻车制动系统与传统的 手拉杆式驻车系统相比有以下的特点： ( a ) 提高了舒适性与方便性；c o ) 坡上自由起步，由于驻车制动由电子控制，起步时可 按下e p b 按钮，系统直接指示e p b 松开驻车制动，帮助驶离。e p b 系统可以在发动机 熄火后自动施加驻车制动；( c ) 对于e p b ，制动力量是固定的，不会因人而异，出现偏差； ( d ) 不会溜车，能够施加最大的驻车夹紧力。电子模块具有自我诊断功能。后轮动态模式 时具防抱死制动功能；( e ) 设计简介，体积小而且紧凑。 1 2 汽车电子机械制动系统发展概述 1 2 1 汽车电子机械制动系统的历史及现状 电子机械制动系统最早应用在飞机上，目前向汽车领域转化。随着电子机械制动技 术在飞机应用上的日益成熟，近1 0 年来欧美等西方工业发达国家兴起了对线控制动技 术( b r a k e - b y - w i r e ) 的研究，电子机械制动技术是线控技术的一个分支。线控制动系统目 前分为两种类型，一种为电液制动系统，另一种为电子机械制动系统。电液制动系统是 将电子与液压系统相结合所形成多用途、多形式的制动系统。电液制动系统由电子系统 提供柔性控制，液压系统提供动力。而电子机械制动系统则将传统制动系统中的液压油 或空气等传力介质完全由电制动取代。【4 矧。 自2 0 世纪9 0 年代起，一些著名的汽车电子零配件生产厂商，如德国的博世( b o s c h ) 、 西门子( s i e m e n s ) 、大陆特威斯( c o n t i n e n t a l t e v e s ) 和美国天合公n ( t r w ) 等相继开始 了对电子机械制动系统的研究。其中只有天合公司所开发生产的电子驻车制动器e p b 现已配备到北美和欧洲许多车型，包括本特利、奥迪a 8 、奥迪a 6 、新帕萨特b 6 等。 e s t o p 公司所做的开发电子楔式制动器( e l e c t r o n i cw e d g eb r a k e , e w b ) ，在2 0 0 5 年的法兰 克福车展上，并推出了所开发的e w b 新产品，预计2 0 1 0 年前将投入生产。 1 2 2 汽车电子机械制动系统未来研究方向 作为全新的制动系统，电子机械制动系统给汽车带来了巨大变革，推动了汽车智能 化控制的发展。为了加快电子机械制动系统发展和普及，未来电子机械制动系统的研究 将主要集中在以下几个方面： ( a ) 制动系统的失效处理。需要一个备用制动控制系统保证制动安全； ( b ) 系统容错的控制。车辆运行过程中会有各种各样的干扰信号，如何消除这些干扰 信号造成的影响，保证电子机械制动系统的安全性和可靠性，是需要解决的重要问题： ( c ) 电机的设计。对电机可靠性要求较高，而且机构必须小巧紧凑、易于安装布置， 2 硕士论文汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 能在各种恶劣的条件下可靠地工作； ( d ) 机电一体化的集成。对于电子机械制动系统执行机构的研究已经有几家公司提出 了设计方案，目前的执行机构中机械零件较多、结构复杂。如何有效的增大转矩、保证 机构自动调节制动间隙、使结构小巧而且可靠，是设计中要考虑的问题； ( e ) 驱动能源。采用全电制动控制系统，需要较多的电能，电子机械制动系统的应用 有赖于未来的大电压车载电源； ( f ) 降低系统的使用成本也是要解决的问题。 本文对电子机械制动系统的研究方向是针对机电一体化，设计电子机械制动系统的 执行机构。 1 3 汽车电子机械制动系统的原理和工作方式 电子机械制动系统分为行车和驻车制动系统。电子驻车制动系统是由手刹按钮控制 两后轮制动，电子行车制动系统由制动踏板控制四车轮制动。总体结构如图1 1 所示。 c a n h c a n e l 输入信号i i 采集节点e c u 驻车制动节驻车制动节行车制动节行车制动节 点e c u - 1 点e c u2 点e c u _ 3 点e c u4 书书书书 l 执行机构ii 执行机构il 执行机构ll 执行机构l ilii 后轮 后轮前轮或后轮 前轮或后轮 图1 1电子机械制动系统总体结构 从图1 1 可以看出，e c u 采集到所需要的各种信号，执行节点e c u 根据输入的信 号相应的来控制电机的动作。而采集节点和执行节点是通过c a n 网络传输数据来控制 信息的。此系统并是电子机械制动系统 2 , 7 - 8 1 。 1 4 人机工程在汽车电子机械制动系统设计中的重要性 汽车制动系统伴随着汽车工业迅速的发展，车辆制动的安全性能越来越高。目前大 部分汽车的制动系统是采用主动的控制方式，这种制动的方式在汽车行驶是处于正常状 态下是完全可靠的。但是，突然出现危险或判断失误时，汽车就可能会发生意想不到的 交通事故。纵观人类的机械设计史可知，造成产品与人体能力之间不协调的基本原因有： 一是对产品设计的人机的协调性不够重视，只是强调人体该如何的适应产品。其二是人 3 硕论女 们对自身的生理特点认识在进一步深化，如果认识肤浅就不能提出产品设计时的条件。 随着科学的发展，人们从正反方面的经验教训中认识到人机系统协调关系的重要性，并 使研究工作得以强化限”】。 目前在汽车制动系统的设计研究上考虑机构的本身的功能比较多，而忽略作为系统 之一的人的因素及人与机的协调，导致没有能充分发挥制动系统的功用。如驾驶员因为 疲劳驾驶或酒后驾驶把油门当成刹车用，高速公路上行驶的车辆因为发现危险时制动距 离过短而引起的追尾等的事故。这些事故的原固有些是驾驶员错误操作，但是现实中仍 然会发生，而且有些原因是客观存在的。因此人机与环境工程在汽车电子机械制动系统 方面的考虑也是不可缺少的】。 1 5 汽车电子机械制动系统的典型结构 目前世界上各大汽车电子制动器厂商基本上都是以浮钳盘式制动器为基体，进行电 子机械制动系统执行器的研发。以下介绍几种目| j i 国内外的电子机械制动系统执行器的 典型结构。 ( 1 ) 西门予公司的屯了机械制动系统执行机构2 1 图12 为德国西门子公司研制的一种电子机械制动系统执行机构。 图1 2 阿门于公司电子机械制动系统执行器结构图及实物圈 这种电子机械制动系统的执行机构的力矩电机内置，图12 中当电机j 下常工作时， 转子在转动，使螺母和心轴一起做轴向运动，就把转动转化为直线运动( 转子和螺母啮 合，螺母与心轴固接在一起) 。杠杆末端插在制动器缸内的凹槽里，能够绕凹槽转动。 心轴在轴向推动增力杠杆与压力盘。随后压力盘把力传递给了传动套筒，传动套筒和活 塞之间又通过螺纹传动。制动活塞推动浮动制动钳块，井产生制动力矩。弹簧和橡胶密 封环的主要作用是在制动后用来使制动活塞等零件回到原位。当活塞向右移动时活塞 使橡胶环产生弹性变形，产生了作用在制动活塞上的回位力。当制动结束后，传动套筒 和制动活塞在橡胶环的弹性形变力下被推到原位。 ( 2 ) 大陆特威斯公司的e m b 执行器【i 3 】 碗论文 汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 该执行机构也采用的电机内置结构，且采用模块化，其整个机构分为了3 个独立模 块，分别为驱动模块，一级丝杠螺母减速模块和二级减速齿轮模块，3 个部分在生产、 维修、安装时可以独立地进行，然后再组装在一起进行工作。如图1 3 所示。 叼 1 制动盘2 制动钳3 销钎4 丝杠5 电磁铁6 销钉7 棘轮8 齿圈9 行星轮架 1 0 、1 4 齿轮1 1 螺母轴颈1 2 、1 3 行星轮1 5 转子1 6 定于1 7 滚珠1 8 螺母1 9 压盘 图1 3 大陆特威斯公司的电子机械制动系统结构图和实物图 在驱动部分中包含力矩电机，1 5 和1 6 分别是电机转子和电机定子。一级滚珠丝杠 螺母副是由螺旋心轴4 ，螺旋螺母1 8 和大量钢珠1 7 组成的。二级减速齿轮由8 、9 、1 2 、 1 3 组成的一个行星轮系。当电机1 5 转动时，其上的零件1 0 并带动减速齿轮模块的行星 轮1 3 转动，同时另侧齿轮1 2 与齿圈8 相互啮合，这样力矩便通过旋转的行星轮架9 传 递给了一级减速机构中的螺母轴颈1 1 。当螺母1 8 由二级减速齿轮驱动旋转时，通过球 螺旋副螺旋心轴4 产生向左的平动，推动压盘1 9 和制动钳块2 并与制动盘1 接触，产 生制动的力矩。在驱动模块中还有个棘轮机构用来实现驻车的功能。其通过电磁铁5 是 否通断电，来控制电机的转子1 5 是否旋转。当电机转子1 5 不转动时，就可以保持制动 力从而达到驻车目的。 ( 3 ) 德国博世公司的电子机械制动器 德国博世公司的电子机械制动系统执行机构如图1 4 所示。这种执行机构工作时， 动力由电机的输入端5 输入到内部的行星轮系1 0 、1 2 ，然后再传递给1 9 ，再经螺母1 7 、 螺纹心轴1 9 和螺纹滚柱1 8 组成的行星齿轮机构转化为1 7 的直线运动。螺母1 7 推动制 动钳块2 2 ，将制动力施加在制动盘2 l 上。摩擦盘8 与太阳轮1 5 通过杯形弹簧1 6 固结 在一起，1 2 的行星齿圈2 6 与摩擦盘2 以同样的方式固结。在两个行星轮系1 0 ，1 2 之间 有两个电磁离合器7 和1 1 。当它们通电时，摩擦盘2 和8 分别与l l 和7 结合，并同步 运动。不通电时，摩擦盘2 受制动环的限制无法转动【】”。 绪论碰士论文 i 、2 6 齿圈2 、8 摩擦盘3 、9 销钉4 、1 3 行星轮5 电机输入轴6 、1 5 太阳轮 7 、1 1 电磁离合器1 0 、1 2 行星轮系1 4 行星轮架1 6 、2 5 杯形弹簧 螺母 1 8 螺纹滚柱1 9 螺纹心轴2 0 、2 2 制动钳块2 1 制动盘2 4 制动环 图1 4 德国博世公司的电子机械制动器结构简图 ( 4 ) 西门子v d o 公司的e w b 执行器 如图i5 所示，配各e w b 的车辆的每一车轮均配备一独立的电子机械制动模块， 该模块由电机、滚珠丝杠、楔块、连接部件、制动衬片、圆形滚柱组成。当两电机转动 时，其分别带动两滚珠丝杠转动，滚珠丝杠并将电机转动转为直线运动，两个滚珠丝杠 综合作用将带动连接部件的拉块来做直线运动，连接部件拉块是和后楔块机构固接在一 起的，后楔块必然随着连接部件的拉块相对前楔块运动，而前楔块相对制动钳体又是固 定的，后楔块在连接部件拉块带动下，通过圆形滚柱，“远离”后楔块压紧制动盘，实 现了制动。此机构中采用多个圆形滚柱是为减轻楔块磨损【l q 。 西 图15 西门子v d o 公司e w b 执行器结构图 ( 5 1 美国天合公司的电子驻车制动器【j 4 嘲 如图1 6 为目前已装备在国产奥迪a 6 l 上的天合公司的e p b 电子驻车制动结构。 该制动机构由电子驻车按钮手动来操作，井兼备控制功能。电子驻车制动系统由装有电 机、行星减速机构、左、右后制动钳和电控单元组成的，该系统的电控单元与整车控制 器局域网通讯，并对左、右后卡钳上的电机进行控制。当要驻车时，驻车按钮被按下， 操作信号并反馈给了电控单元，再由电控单元来控制电机和行星减速机构工作，对制动 脞碌爿镏羽蕴渊翔缔 南 碗士论文 汽车电子机槭制动系统执行机构的设计研究 娃鲢鬟篓。秘 尝三 1 6 本文主要研究内容 在总结国内外研究成果的基础上，本文着重进行了以下几方面的研究工作： ( a ) 在研究汽车行车制动系统总体结构方案的基础上，针对某轻型轿车，综台进行电 子机械制动系统执行机构方案的研究，并利用综合评判法对多种机械执行机构的总体布 置方案进行了选择，得到了最终采用的机械执行机构总体布置方案； ( b ) 根据机械执行机构总体布置方案，选择合适的传动、换向机构等，并针对某轻型 轿车车型设计执行机构的各零部件，建立电子机械制动系统执行机构的c a d 模型； 1 绪论 硕士论文 ( c ) 在已建立的电子机械制动系统执行机构结构的c a d 模型基础上，在a n s y s 中 对关键零部件进行了模态分析，观察其固有频率和振型，修改零件的相关参数，以避免 实际过程中发生共振问题造成对零部件的损坏； ( d ) 在a d a m s 软件中建立电子机械制动系统执行机构部分结构的动力学模型，并对 其进行模拟仿真，分析制动盘角速度和角减速度、制动盘与摩擦片的接触压力和摩擦力 及制动盘的制动力矩在制动过程中的变化规律等，观察得出的制动盘等效工作半径是否 与厂家提供的一致。 ( e ) 根据a d a m s 动力学仿真结果，在a n s y s 中对主要受力零件进行进一步的静强 度分析，检验算出的零件的最大应力是否满足强度要求。 硕士论文汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 2 汽车电子机械制动系统总体设计 本章概述了车辆制动系统的基本理论，给出了电子机械制动系统的组成原理及其实 现方案，并对电子机械制动系统执行机构的各个组成部分作了详细的分析和讨论。 2 1 汽车制动系统基本理论及其设计要求 2 1 1 汽车制动系统的基本理论 汽车行驶的时侯能够在短的距离内停车并且维持行驶方向的稳定性和在下坡时能 够维持一定的车速能力，称为汽车的制动性能。车辆的制动性是车辆的重要性能之一， 主要是由下面的几方面来评价 1 6 7 】： ( a ) 制动效能，即制动减速度与制动距离。它是指在良好的路面上，汽车以一定的初 速度制动到停车时的制动距离。它是制动性最基本的评价指标； ( b ) 制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。汽车高速行驶下或下坡连续制动时制动效 能的保持程度。因为制动的过程实际上就是把汽车行驶过程中的动能通过制动器吸收后 再转为热能，因此制动器温度升高后其能否保持初始状态时的制动效能，也成为了设计 制动器时需要考虑的重要问题； ( c ) 方向的稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑及失去转向能力的性能。制动时 车辆的方向稳定性，通常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价。若制动的时侯汽 车发生侧滑、跑偏或失去了转向能力，就会偏离原来路径。 2 1 2 汽车制动系统的设计要求 制动系统的功用就是让汽车减速行使直至其停车，并在下坡行驶的时侯保持适当稳 定车速，使汽车可靠地停在原地或者坡道上。汽车的制动系统至少应该有行车制动装置、 驻车制动装置。除此之外，还应设有应急制动和辅助制动装置。 根据以上制动系统基本理论，汽车制动系统在设计时应满足如下要求【l8 】： ( a ) 应适应有关法规和标准的规定。各项性能指标除应满足国家标准、法规制定和设 计任务书规定的有关要求外，销售对象所在地区和国家的法规和用户要求也应考虑； ( b ) 有足够的制动效能，其包括行车的和驻车的制动效能。行车的制动效能是由最大 踏板力下及在一定的制动初速度下的制动距离和制动减速度来评定的，详见j b 3 9 3 9 8 5 。 表2 1 给出了欧、美、日等国有关标准。驻车的制动效能是指以汽车在良好的路面上能 可靠地同时无时间限制停驻的最大坡度( ) 来衡量的，一般应该大于1 8 ，详见 j b 4 0 1 9 8 5 ： 9 2 汽车电子机械制动系统总体设计硕士论文 表2 1欧、美、日的有关标准、法规对制动效能的规定 ( e ) i 作可靠性高。汽车至少有行车和驻车两套的制动装置，它们的制动驱动机构最 好是独立的。同时行车制动装置应至少有两套驱动管路。如果其中的一套失效，另一套 应保证汽车的制动能力大于没有失效时规定值的3 0 ； ( d ) 热稳定性能好。汽车高速制动及短时间的重复制动，尤其是在下长坡时连续制动， 均能引起制动器温度过高，温升过快。特别是下坡时频繁制动，易使制动器的温度达到 3 0 0 。c - 4 0 0 0 c ，有时侯甚至高达7 0 0 0 c 。这时，制动摩擦副摩擦系数会大幅度减小， 制动效能迅速下降易发生热衰退的现象。因此，设计时应提高制动器热稳定性，改善摩 擦材料的摩擦稳定性，增大盘的热容量，改善散热性或者采用强冷却装置，这些都是提 高抗热衰退的措施； ( e ) 水稳定性。制动器摩擦的表面浸水后，使摩擦副摩擦系数急剧减小会发生“水 衰退 现象。一般要求在出水后反复的制动5 1 5 次，即可恢复制动效能。而良好的摩 擦材料吸水率低，并且其摩擦性恢复的迅速。同时也需防止泥沙等进入制动器摩擦副工 作表面，否则也会使制动的效能降低； m 汽车操纵的稳定性要好。即以任何速度制动，汽车均不应失去方向稳定性和操纵 性。为此，汽车前、后轮的制动力矩应有适当比例，最好能够随各轴间和转移情况的变 化而变化，但是同一车轴的左、右车轮的制动力矩应该相同： 1 0 硕士论文 汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 ( g ) n 动踏板、按钮的位置符合人机与环境工程要求，即操作方便，操纵舒适、轻便， 可减少疲劳。 ( 1 1 ) 作用滞后时间要短，包括从制动踏板开始动作到所需制动效能水平的时间和从放 掉踏板到完全的解除制动； ( i ) 不应产生噪声和振动。制动时刹车的抖动将影响到车辆舒适性，使人感觉难受， 另外刹车过程中噪声也将会影响到汽车的整体性能，因此应使制动的时侯制动器没有振 动和噪声； ( j ) 与转向装置、悬架不产生干涉，在汽车转向或车轮跳动时不会主动制动； ( k ) 制动系统中应有音响等警报装置，以便能够及时地发现制动驱动机构的功能失效 和故障： ( 1 ) 全天使用。气温高时制动管路不应有气阻现象；气温低时，制动机构不应该出现 结冰等现象； ( m ) 制动系统机构使用的寿命长，制造的成本低；对摩擦材料选择也应该考虑到环 保的要求，应最好地减小有害于人体的石棉纤维飞散到大气中。 因此对汽车电子机械制动系统执行机构的设计也要严格遵循以上的各个设计要求。 2 2 汽车电子机械制动系统执行机构的总体设计 2 2 1 汽车电子机械制动系统执行机构总体设计要求 从绪论中介绍的几种典型机构中我们可以知道对于电子机械制动系统的机械执行 机构，它直接接受电动机产生的力矩，并放大作用到制动盘上，其结构应该满足如下几 个基本的要求【1 o 】： ( a ) 能产生大的制动力。制动器的最基本功能是产生制动力，使行驶中的汽车停止， 制动的效能越高，要求制动力也越大。对于盘式的制动器制动力矩，是通过制动块对制 动盘的夹紧作用力产生的，所以这就要求电子机械制动系统要能产生足够大的制动夹紧 力，才能满足汽车的基本制动要求； ( b ) 响应快、电子机械制动系统执行机构作用时间短。与传统的液压、气压系统相比， 电子机械制动系统的一个突出的优势就是响应速度快、制动反应时间短。制动系统的作 用时间由消除间隙的时间和制动力增长的时间两个部分组成的，所以这就要求电子机械 制动系统的电机既要有较高的转速和较快的响应性能，以尽快消除制动间隙，同时还要 能产生大的转矩，使制动力增长且时间尽量短； ( c ) 结构紧凑，易于布置。由于汽车轮毂内空间小且有制动盘等旋转件，对制动系统 的体积和重量以及设计有严格限制和要求： ( d ) 能把转动化为平动。电子机械制动系统的动力源来自于电机，而最终产生制动力 2 汽车电子机械制动系统总体设计 硕士论文 矩需要制动块平动与制动盘接触，因此电子机械制动系统执行机构应能把电机旋转运动 转化为平动； ( e ) 具有减速增矩机构。由于考虑到功耗因素，因此电机功率不能太大，一般1 0 0 2 0 0 瓦左右，输出转矩也就在1 5 n m 左右，因此必须经过减速增矩，使输出力矩达到要求才 能有制动作用。此外在制动的过程中也可通过自增力机构把动能利用起来，达到降低功 耗，增大制动力矩的目的； ( f ) 能自动补偿间隙。因为车辆在行驶过程中需要频繁的使制动器、摩擦块和制动盘 长期的接触摩擦，摩擦块的磨损将会导致制动间隙加大，运动行程增大，从而影响长期 使用过程中电子机械执行机构的响应时间； ( g ) 能够提供停车时的驻车制动。车辆停在平路上时需要驻车制动防止车辆的滑移发 生意外，如停在坡上就更需要驻车制动系统，限制车辆的运动使汽车可靠地停在原地或 坡道上。因此驻车制动是电子机械制动系统需要提供的一项重要功能，也是本文研究的 内容之一； 安全可靠、工作时间长。车辆制动系统关系到行车安全，是车辆各系统中非常重 要的一个系统，因此需要电子机械制动系统安全可靠，可持续工作时间长，保证车辆的 行车安全。 2 2 2 汽车电子机械制动系统执行机构的总体结构分析 汽车电子机械制动系统的执行机构是非常复杂的，它利用电制动代替了原有液压制 动，为了保证新系统与原有液压制动系统的车轮和其它配件正常装配，因此机械执行机 构必须安装在车轮轮毂内的空腔中，由于空腔尺寸的限制，电机的尺寸以及减速装置的 设计都会受到了限制。 从1 5 节的几种电子制动系统的典型结构可以看出，电子机械制动系统执行机构一 般分为两种类型：第一类是电动机直接带动机械执行机构，然后作用到制动盘上，其典 型结构是大陆特威斯公司研发的制动器，如图1 3 ，德国博世公司的电子机械制动器( 图 1 4 ) ，美国天合公司的电子驻车制动器( 图1 6 ) ，第二类是电动机通过一个自增力机构， 间接作用到制动盘上，可以大大降低系统所消耗的能量，其典型结构是西门子公司研究 的制动器( 图1 2 ) ，西门子v d o 公司研发的制动器( 楔块式电子机械制动器图1 5 ) 。第一 类结构方案相对于第二类结构方案，结构简单，工作可靠，制动过程稳定，本文选用第 一类方案进行研究。 第一类电子机械制动系统执行器一般有三个基本组成部分：电机、传动装置和制动 钳体，而其中传动装置又包括减速增矩装置和运动转换装置。电子机械制动系统的原理 如图2 1 所示【j j 。 1 2 硕士论文 汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 图2 1电子机构制动系统执行机构传动原理简图 电机经减速器减速增扭，再由转换装置将旋转运动转换为直线运动，驱动制动块对 制动盘进行制动，电机的运动由电子机械制动系统控制器控制。电子机械制动系统的机 械执行机构是本论文的重点研究方向，在展开具体的设计计算过程前，先要对机械执行 机构的各部件进行选择。 2 3 汽车电子机械制动系统执行机构各部件分析 2 3 1 驱动电机的分析 从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括静止电机和旋转电机。旋转电机根据电 磁感应原理来实现电能与机械能相互转换的一种转换装置。一般所用的电机都是旋转电 机。众所周知，电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，在实际应用中已强调对电 动机的位置、速度、转矩进行控制。电机中最常用、最有代表性、最基本的有：功率电 机、控制电机及信号电机【2 1 1 。 ( 1 ) 控制电动机 ( a ) 伺服电机：伺服电机广泛地应用于控制系统中，将输入的电压信号转换为轴上机 械输出量，拖动被控元件，而达到控制目的。其特性图如下图2 2 所示； ( b ) 步进电机：步进电机是一种将电脉冲转为角位移的机构。我们通过控制脉冲的数 来控制电机角位移量，来达到精确定位目的。还可以通过控制脉冲的频率来控制电动机 转度和加速度，来达到调整的目的。其频率特性图如图2 3 所示； ( c ) 力矩电机：力矩电机是多极永磁直流电动机。其电枢有较多串联导体数、槽数、 换向片数，以降低转矩脉动和转速脉动； 2 汽车电子机械制动系统总体设计硕士论文 0 图2 2 伺服电机特性曲线图图2 3 步进电机频率特性曲线图 ( e ) 无刷直流电动机：无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展而来的，但它的 驱动电流是交流。在重量和体积上无刷直流电机要比有刷直流电机小的多，相应转动惯 量可减小4 0 - 5 0 左右。这种电机的调节特性和机械特性线性度好，维护方便，寿命长， 噪声小，不会因电刷问题引起一系列问题。 ( 2 ) 功率电动机 ( a ) 直流电动机：直流电机是最早的电机，直流电机有好的控制特性。直流电机在价 格、结构、维护等方面不如交流电机，但其具有启动容易、调速性好、能载重启动等优 点，所以目前直流电机的应用很广泛； ( b ) 异步电机：异步电机是基于隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生的电磁 转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电动机具有结构简单，运行可靠，使用和维 护方便及质量小，成本低等优点。异步电机的机械特性如图2 4 所示； ( c ) 同步电机：所谓同步电机是在交流电驱动下，转子和定子的旋转动磁场同步运行 的电机。同步电机的工作特性如图2 5 所示； 0 图2 4 异步电动机的机械特性曲线图2 5 同步电动机的工作特性曲线图 根据上述的电机性能，结合国内外各电子机械制动器生产厂家所采用的电机类型， 稀土永磁无刷直流电机是最适合于电子机械制动系统，原因有以下几点： ( a ) 在有刷直流电机中，由于换向器和电刷的相对滑动，会造成接触不良和火花，易 引起故障，且火花易产生电磁干扰，对电子机械制动系统的运转很不利。散热条件差， 特别是运转噪音大。另外，有刷直流电机结构复杂、寿命短、难于维修； 1 4 硕士论文汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 ( b ) 无刷直流电机用电子抉向替代了电刷和换向器，不易产生火花和磨损，因而其可 靠性高，寿命长。在结构上，将永磁体装在转子上，使电机转子不产生热量，从而减少 了电机损耗，提高了效率。定子可通过机壳散热，使得散热条件得到改善，从而避免了 有刷直流电机的所有缺点，具有可靠性高、寿命长、噪音低、免维护的优点。另外最 重要一点是：无刷伺服电机在尺寸上和重量上都比有刷直流伺服电机小得多。此外，无 刷直流电机也具有与普通直流电机类似的直线转矩速度特性； ( c ) 无刷直流电机根据所采用的永磁材料又可分为多种。其中，稀土永磁无刷直流电 机是近年来国际上迅速发展起来的一项新技术、新产品。稀土永磁无刷直流电机具有启 动转矩太、过载能力强、调速方便、运转平稳、噪音低、工作可靠等优点。无刷直流电 机集直流有刷直流电机和交流异步变频调速电机的优点于一身，是理想的节能、降噪的 环保型产品【球卅。 2 3 2 运动转换装置的分析 将转动变为平动的装置主要有齿轮齿条副、曲柄滑块副、滑动丝杠副和滚珠丝杠副 等几种机构 2 5 捌。 曲柄滑块副中滑块是类似于活塞的形式往复运动的。无法提供相对持续的夹紧力。 如图2 6 所示。齿轮齿条副传动比小，得很大的驱动齿轮力矩才能得到一定夹紧力，且 齿轮轴线与齿条运动轴线相交，不利于电机等其他装置的布置，如图27 所示。滑动丝 杠副传动效率相对低、易产生自锁、易磨损。 圈2 6 曲柄滑块机构 图27 齿轮齿条机构 凹2 8 滚珠丝杠副 综合考虑后，电子行车制动执行机构选用了滚珠丝杠副1 2 7 郐】。滚珠丝杠螺旋传动是 在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置滚珠体作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚 珠在闭合回路中反复循环运动的。当丝杠或螺母转动时，滚珠被推动在闭合回路中形成 滚珠链的反复循环运动。丝杠与螺母的相对运动借助于滚珠的作用，把滑动接触变成了 滚动接触。选用滚珠丝杠副同时也因为它具有高耐用性、传动效率高、运动平稳、同步 性好、高精度、高可靠性及无背隙、高刚性等特点。 但对于电子驻车制动系统来说它不可以自身自锁，需要另外设计自锁装置，机构比 较复杂，而且驻车制动所需的制动力要远远小于行车制动所需的制动力。所以电子驻车 制动系统执行机构的运动转换装置选择了滑动丝杠副。 2 汽车电f 机桩蹦动系统总体堙计碘论1 2 3 3 减速装置的分析 常见的减速装置有普通的圆柱齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和行星齿轮传动。由于电子 机械制动器所需的减速比很大，采用普通的圆柱齿轮减速器时，尺寸会过大，不适合在 电子机械制动器中使用；蜗轮蜗卡t 传动效率低、易产生自锁、而且易磨损，所以也不适 合电子机械制动器。 根据国内外的相关资料，电子机械制动系统执行机构的减速装置选用行星齿轮，因 行星齿轮在质量和体积较小的情况下，可实现较大的传动比，且有效率高，运动平稳等 优点，本文亦选用组合行星齿轮作为电子机械制动系统执行器的减速装置。 行星齿轮传动，如图2 9 所示。 零- 岳。 幽2 9 行星齿轮系传动 行星齿轮传动基本构件：行星齿轮传动基本代号为：x 一转臂，z 一中心轮，v 一 输出轴。根据基本构件的配置情况，可将行星齿轮传动分为2 z - x 、3 z 和z x v 几种传 动类型，其他结构型式的行星齿轮传动大都是它们的演化或组合。 3 种传动型式中，3 z 型行星齿轮传动用于短期间断工作的机械传动装置中最为合 理，它有结构紧凑、传动比人、传动效率高等特点，可3 z 型行星齿轮的制造和安装较 复杂。二x - v 型渐开线少齿差行星齿轮传动的传动比范围为1 0 1 0 0 ，传动效率为07 5 09 3 ，结构紧凑，加工方便，但行星齿轮轴承径向力较大，适用于中小功率一般p 1 8 k w ，个别的达到2 0 4 5 k w ；传动比较大，适用于短期工作。若采用摆线针轮行星 传动，在适用于功率p 1 0 0 k w ，任何工作制度，其传动效率为n - - 0 9 09 7 。目前， 应用广泛但制造精度要求较高。 由以上的论述我们可以看出3 z 型行星齿轮的制造和安装比较复杂，z x v 型 行星齿轮的效率低且制造精度要求高，都不符合电子机械制动系统执行机构结构小巧紧 凑、传动比大、效率高的要求。从实际情况考虑，初步选择了2 z - x 型行星齿轮传动。 下面主要介绍2 z - x 型行星齿轮，常用的2 z x 型行星齿轮传动主要有以f 三种，如图 2 1 0 所示。 硕士论文 汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 a 型b 型 c 型 a 为中心轮( 太阳轮) ：b 为内齿圈；c 、d 均为行星轮；x 为行星架 图2 1 02 z - x 型行星齿轮传动形式 2 z x 型行星齿轮传动中各种结构的特点，如表2 2 所示： 表2 2z x 型行星齿轮各种结构的对比 根据2 z x 型行星齿轮传动中各种结构的特点，发现a 型结构效率高、体积小、质 量小、结构简单，最适合用于电子机械制动系统执行机构的减速装置。 2 3 4 制动器的分析 制动器有摩擦式、电磁式和液力式等几种。电磁式制动器虽作用滞后小、易于连接 接头可靠，但因成本高只在一部分重型汽车上用来制动器或缓速器，液力式制动器一般 只用作缓速器，目前广泛使用的仍是摩擦式制动器。 1 7 2 汽车电子机械制动系统总体设计硕士论文 摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，分为鼓式、盘式和带式三种。带式只用做中 央制动器，本文不加以比较。 ( 1 ) 鼓式制动器【3 0 】 鼓式制动器分为单向增力式、领从蹄式、双向双领蹄式、双领蹄式、双从蹄式、双 向增力式等几种，见图2 1 1 。不同形式鼓式制动器的区别主要有：( a ) 蹄片固定支点数量 和位置不同；( b ) 张开装置数量与形式不同；( c ) 制动时两块蹄片之间的相互作用。因蹄片 的固定支点和张开力位置不同，使不同形式鼓式制动器的领从蹄数量有差别，并使制动 效能不同。 缓琵而 珊6fl i 蜒 砂 ( a ) ，砥，a 廨i骶， 、i i 划 拶 与毯 貂赫 鱼甜 翦礞 瑙0 渣 ( b ) 湃瓣 心 脚 ： ( d )( e )( f ) 图2 1 1 鼓式制动器示意图 ( 2 ) 盘式制动器 按摩擦副中固定元件结构的不同，盘式制动器分为钳盘式和全盘式两类。 钳盘式制动器( 图2 1 2 ) 的固定摩擦元件是制动块，装在与车轴连接且不能绕车轴轴 线旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面很小，在盘上所占的中心角一般仅3 0 0 5 0 0 ，故这种盘式制动器又称为点盘式制动器。 全盘式制动器中摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形，制动时各盘摩擦表面全 部接触，作用原理如同离合器，故又称离合器式制动器。全盘式中用得较多的是多片全 盘式制动器。多片全盘式制动器既可用作车轮制动器，也可用作缓行器。 硕士论文汽车电子机械制动系统执行机构的设计研究 ( a ) 固定钳式滑动钳式( c ) 摆动钳式 图2 1 2 钳盘式制动器示意图 钳盘式制动器按制动钳的结构不同，有以下几种：( a ) 固定钳式，如图2 1 2 a 所示。 制动钳体固定不动，制动盘两侧均有液压缸或机械推动装置。制动时仅两侧缸中的制动 块向盘面移动。这种形式也称为对置活塞式或浮动活塞式；( b ) 滑动钳式，如图2 1 2 b 所 示。制动钳可以相对于制动盘做轴向滑动，其中只在制动盘的内侧置有液压缸或机械推 动装置，外侧的制动块固装在钳体上。制动时活塞在液压或机械力的作