（车辆工程专业论文）车辆电子驻车制动系统辅助坡道起步的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缝选蓥日期：丝! ! ! 至：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缝亟垄导师签名：窭筻擅日期：塑坠叁1 2签名：缝亟垄 导师签名：芝三垄竺日期：塑! ! ! 叁1 2 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着电子技术和控制技术的逐渐成熟，有越来越多的汽车控制组件从传统的 机械控制逐渐转变为电子式控制，汽车制动系统的电子化是汽车研究人员一直认 定的发展方向。电子驻车制动系统( e l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ，e p b ) 是制动系统 技术革新的又一亮点。e p b 是指将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制 动功能整合在一起，并且由电子控制方式实现停车制动的技术。它用电线取代传 统手制动器的拉索和传动机构，用电子控制单元接合车辆驻车环境和状况控制驻 车制动力的大小和各轮驻车制动力的分配。本文重点对电子驻车制动系统辅助坡 道起步功能进行了探索性的研究与开发，建立了坡道起步仿真模型，对电子驻车 制动系统辅助坡道起步进行了仿真分析，得到了坡道起步时驻车制动力的变化关 系和制动器夹紧力的变化关系，为电子驻车制动系统开发坡道起步辅助功能的开 发提供支持。 论文介绍了电子驻车制动系统在国内外的发展应用情况及其今后的发展趋 势。以一汽大众公司生产的迈腾汽车装备的电子驻车制动系统为例，阐述了电子 驻车制动系统的基本工作原理和组成部分，介绍了电子驻车制动系统的4 种功 能，并将传统驻车制动系统与电子驻车制动系统的优缺点进行了对比。 根据相关国家标准，对电子驻车制动系统的功能进行了设计，选定了系统设 计的总体设计方案，摒弃了传统的驻车制动执行机构，采用两个后轮制动卡钳上 的电机来实施驻车制动。简要介绍和分析了所选方案的电子驻车制动系统制动执 行机构。 通过对汽车坡道起步的受力分析，得出了坡道起步过程中应注意的问题，即 制动释放、离合器接合和发动机加油三者的协调问题。以此为依据建立了以离合 器主、从动盘为核心的坡道起步动力学方程。同时提出了基于汽车行驶动力学的 起步阻力辨识方法和坡道行驶状态辨识方法。对离合器接合评价指标和接合规律 做了简要介绍。 最后，根据某车型相关参数，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了发动机输 出转矩模型和离合器转矩传递模型，根据坡道起步动力学方程建立了坡道起步仿 真模型。通过仿真得到了坡道起步时的驻车制动力变化曲线和制动器夹紧力的变 化曲线。 关键词：电子驻车制动系统，坡道起步，起步阻力辨识，制动器夹紧力 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nv e h i c l ei n t e g r a t e sa u t o t e c h n o l o g y 、历t l le l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a st e c h n o l o g yo fa u t o a n de l e c t r o n d e v e l o p i n g ，t h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt ov e h i c l eb e c o m e sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea n dt h ee l e c t r o n i c g r a d eo fv e h i c l eb e c o m e sh i g h e r t h es y s t e mo fe l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ( e p b ) i sa t y p eo ft h ea u t o m o b i l e sb r a k i n gs y s t e mc o n t r o l l e d - b y - w i r e ，i sa l s ot h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h ev e h i c l e sb r a k es y s t e m i tr e p l a c e st h ep u l l - t i g h t w i r ea n db r a k e e q u i p m e n to ft r a d i t i o n a lh a n d b r a k es y s t e mb yt h ew i r e ，r e p l a c e st h et r a d i t i o n a l b r a k e s b y e l e c t r o n i cb r a k e s ，w h i c hc o n t r o l l e dt h e m a g n i t u d e o fv e h i c l e p a r k i n g - s t r e n g t ha n dd y n a m i c a l l yd i s t r i b u t ep a r k i n g - s t r e n g t ho ne a c hw h e e lc o m b i n e d t h ec a re n v i r o n m e n to fc o n d i t i o nw i t ht h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) t h i se p bh a s t h ef u n c t i o no fh i l l s t a r ta s s i s ta n di n t e l l i g e n c e so fp a r k i n g r e l i e ff u n c t i o n t h i s s y s t e mi st h ei n n o v a t i o no ft h ev e h i c l ep a r k i n gs y s t e m t h i st e x tf o c u s e so nt h e h i l l s t a r ta s s i s to fe l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k es y s t e m ah i l l s t a r ts i m u l a t i o nm o d e l w a se s t a b l i s h e d t h ep a r k i n gb r a k ef o r c ea n dt h ec l a m pf o r c eo fb r a k eh a v eg o t t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n ta n dc o u l ds u p p o r tt h e d e v e l o p m e n to fe p b t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe p ba t h o m ea n da b r o a d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe p b ，t h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo fe p b t a k i n gm a g o t a na sa ne x a m p l e ，w h i c hi sp r o d u c e db yt h e c h a n g c h u nf a w - v o l k s w a g e na u t o m o t i v ec o m p a n y ，t h ep a p e r a l s op r e s e n t st h eb a s i c o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o m p o n e n te l e m e n t so fe p ba n di t s4f u n c t i o n s c o n d i t i o n a l p a r k i n gb r a k es y s t e ma n dt h ee p b a r ec o m p a r e d o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gr e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h es y s t e m a t i cf u n c t i o no f e p bi sd e s i g n e d ，a n dw h o l es c h e m eo ft h ed e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l i ta b a n d o n e d t h et r a d i t i o n a lp a r k i n gb r a k ea c t u a t o r , u s e st w om o t o r so nt h er e a rb r a k ec a l i p e rt ot h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ep a r k i n gb r a k e ab r i e fd e s c r i p t i o na n da n a l y s i so ft h ee p b s a c t u a t o r sw e r eg i v e n t h r o u g hs t r e s sa n a l y s i so fc a ri nt h ep r o c e s so fu p h i l ls t a r t ，w eo b t a i nt h e q u e s t i o n so nw h i c hs h o u l dp a ya t t e n t i o n t h e nt h eh i l ls t a r t i n gd y n a m i c sf o r m u l a sa r e e s t a b l i s h e d w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o d e la n dt h ec o n t r o lm e t h o do f i l 武汉理工大学硕士学位论文 c l u t c ha n dt h er e s u l to fh i l l - s t a r tr e s i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e ru s e st h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r et os e tu pe n g i n em o d e l ， c l u t c hm o d e la n daw h o l ev e h i c l es i m u l a t i o nm o d e l ，w h i c hi sb a s e do nt h er e l e v a n t d a t ao ft h ec a r t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h ep a r k i n gb r a k ef o r c ea n dt h ec l a m pf o r c eo f b r a k ea r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c p a r k i n gb r a k e ( e p b ) ，h i l l s t a r t ，s t a r t i n g r e s i s t a n c e i d e n t i f i c a t i o n ，c l a m pf o r c eo f t h eb r a k e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 】： 第1 章绪论1 1 1 论文研究的背景和意义1 1 1 1 论文研究的背景1 1 1 2 论文研究的意义2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 汽车线控制动技术的发展2 1 2 2 汽车电子驻车制动系统的发展及现状4 1 - 3 本文研究内容7 1 4 本章小结7 第2 章电子驻车制动系统原理8 2 1 汽车制动系统的功用和组成8 2 2 机械式驻车制动系统功用和组成8 2 3 电子驻车制动系统的功能和工作原理1 0 2 3 1 电子驻车制动系统的工作原理1 0 2 3 2 电子驻车制动系统的功能1 4 2 4 电子驻车制动系统的优缺点1 5 2 5 电子驻车制动系统主要技术难点1 6 2 6 本章小结1 7 第3 章电子驻车制动系统总体设计1 8 3 1 驻车制动系统的设计要求1 8 3 2 电子驻车制动系统的总体设计1 8 3 2 1 电子驻车制动系统的设计要求1 8 3 2 2 电子驻车制动系统的总体设计2 0 3 3 电子驻车制动系统制动执行机构2 1 3 3 1 电机的选用2 2 3 3 2 减速装置2 3 3 3 3 运动转换装置2 3 3 4 本章小结2 4 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章汽车坡道起步的分析2 5 4 1 汽车坡道起步操作过程2 5 4 1 1 装备传统手制动器的汽车坡道起步操作过程2 5 4 1 2 装备电子驻车制动系统的汽车坡道起步操作2 6 4 2 汽车坡道起步的动力学分析2 6 4 2 1 汽车坡道停驻的受力分析2 6 4 2 2 汽车坡道起步过程分析2 7 4 3 汽车坡道起步阻力辨识2 9 4 3 1 基于汽车纵向动力学的起步阻力辨识2 9 4 3 2 起步阻力的坡度传感器辨识3 2 4 4 汽车坡道起步过程的动力学方程3 2 ， 4 5 离合器接合评价指标和接合规律3 5 4 5 1 离合器接合评价指标3 5 4 5 2 离合器接合规律3 6 4 6 本章小结3 8 第5 章坡道起步仿真分析3 9 5 1 整车参数3 9 5 2 发动机输出转矩的数学模型4 0 5 3 离合器转矩传递特性分析4 l 5 4 制动器压紧力与地面制动力的关系4 5 5 5 坡道起步模型建立及仿真分析4 6 5 6 本章小结5 1 第6 章全文总结与展望5 2 1 1 全文总结5 2 1 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 附录1 ：攻读硕士学位期间发表的论文5 8 h 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 论文研究的背景 上个世纪五、六十年代以前，汽车基本上只是满足于汽车的基本功能，即作 为一种快速、高效的运输工具。那时人们追求的是汽车的动力性，比较高的车速 和较好的加速性能，能爬比较大的坡，有比较好的通过性等。从六十年代到八十 年代，汽车的动力性已经达到了一定程度。伴随着汽车的高速化，人们开始追求 汽车的操纵稳定性，安全性，平顺性和舒适性。于是，自动变速技术，悬架技术 和减震的技术开始得到很好的发展和应用。八十年代中期以来，完全依靠机械的 方式来提高汽车性能的成本变得非常高了，随着电子产品的大幅降价，越来越多 的电子技术开始在汽车上得到应用，汽车性能的提升开始依赖汽车电子控制技术 的进步来进行。随着电子技术的进步及其在汽车上的大规模应用，汽车的性能得 到了大幅度提高，汽车电子控制技术的发展带动了整个汽车工业的进步。 目前，世乔汽车电子产业的蓬勃发展引发了新的汽车技术革命，汽车工业正 处于产业调整的关键发展时期。汽车正逐步向电子化、网络化和智能化的方向发 展【l 】。汽车电子技术已广泛应用于汽车发动机控制、车身控制、故障诊断以及音 响、通信、导航等方面。电子产品占整车造价的比例不断上升。2 0 0 7 年，该比 例在中国市场已达3 0 2 1 。电子装置的采用情况已成为衡量汽车水平的一个非常 重要指标，越是高级的轿车，其电子化程度也越高。据权威机构预计，在不久的 将来，汽车电子技术在汽车上的采用将占汽车制造成本的6 0 以上。 制动系统是汽车安全行驶的重要保证，从汽车诞生开始，汽车的制动系统就 与汽车的安全息息相关，汽车的制动性直接关乎驾驶员、乘客和行人的生命安全。 近年来，由于汽车技术的不断进步，汽车的行驶速度越来越高，因此需要更高性 能更完善的制动系统来保证汽车的行驶安全。多年来，众多科研院所和汽车企业 一直致力于先进的、可靠的汽车制动系统的研究。最终，在制动系统技术创新方 面，取得了丰硕的成果，如防抱死制动系统( a b s ) 、电子稳定性控制程序( e s p ) 、 牵引力控制系统( t c s ) 和主动避撞技术( a c c ) 等性能的开发极大的提高了制 动系统的可靠性。随着电子技术和控制技术的逐渐成熟，有越来越多的汽车控制 组件从传统的机械控制逐渐转变为电子式控制，汽车上传统的液压、机械式拉索 武汉理工大学硕士学位论文 等部件正逐步被电子部件所取代。汽车制动系统的电子化是汽车研究人员一直认 定的发展方向，线控化制动技术是制动系统一大亮点3 1 。电子驻车制动系统是线 控制动的一类，由电子按钮取代传统的拉手制动拉杆实现驻车制动，是目前许多 汽车零部件企业研究的方向。 1 1 2 论文研究的意义 随着社会的发展，汽车作为基本的交通工具已成为人们生活中不可缺少的一 部分，人们对汽车的安全性、操纵性、动力性、经济性以及舒适性的要求也越来 越高。使用传统机械的办法已很难使汽车的性能进一步得到提高或改善。目前 7 0 的汽车技术方面的创新都是来自于汽车电子技术。 传统的制动系统常见的结构型式【5 j 主要有机械式、液压式、气动式、气一液 混合式，都是利用制动器的摩擦使汽车减速和停车。制动系统控制装置的发展经 过了由人力通过机械连接制动再到人力控制制动，即通过人脚踩制动踏板的制 动。踩下制动踏板，真空助力器将踏板力放大，然后驱动液压系统产生制动。目 前正在研究的电控机械制动系统( e m b ，e l e c t r o m e c h a n i c a lb r a k e ) 把原来液压 驱动或者是压缩空气驱动的部分改成电动机驱动，使制动系统的技术更向前迈进 了一大步。 本论文研究的电子驻车制动系统( e l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ，e p b ) 是为提高 车辆驻车的可操作性以及安全性而研制的一种线控制动设备1 4 】，是制动系统技术 革新的又一亮点。与长期使用的传统型手动驻车制动模式相比，电子驻车制动系 统用电线取代传统驻车制动装置的拉索和传动机构，驾驶员不必费力的去拉手制 动杆，而是由一键操作的电子按钮进行控制，电子控制单元结合车辆驻车环境的 状况控制驻车制动力的大小。同时它还具有辅助驾驶员坡道起步、智能驻车和解 除功能以及紧急制动的功能。从技术升级上看，电子驻车制动系统比传统的手动 驻车制动模式推进了一大步，既节省了驾驶室空间又大大降低了操作难度，让驾 驶汽车变得更加舒适和方便，同时也提高了汽车的安全性。因此，电子驻车制动 系统e p b 采用电子控制的按键操作来实施或解除驻车制动，是汽车制动系统发 展的必然趋势1 6 嗡j 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汽车线控制动技术的发展 线控制动技术 9 - 1 1j ( b r a k e - b y - w i r e ) 是结合线控技术( x - b y - w i r e ) 和汽车 制动系统而形成的新兴制动技术。线控技术取消了机械结构，把机械联接装置转 化为电子装置，赋予汽车设计新的空间。线控技术( x - b y - w i r e ) 中的“b y - w i r e ” 可以解读成电控方式，而其中“x ”则代表着汽车中传统上由液压或机械控制的 部件i l 引，例如线控制动为“b r a k e - b y - w i r e ，线控转向即为“s t e e r - b y - w i r e ”。 在汽车线控系统中，直接的机械控制被电子控制所取代，驾驶员的操纵动作施加 在人机接口处，由传感器变成电信号，通过总线网络直接传输到执行机构，然后 执行机构进行动作。线控过程如图1 1 所示。 人机 _ i 卜 电信号 执行机构 功能 接口 卜一 ( 电路或无线信号) 卜一 传感机构 | _ 一 装置 图1 1 线控过程 线控制动系统根据功能不同可分为电子驻车制动系统和电子行车制动系统； 根据车轮制动压力系统的不同可分为电子液压式制动系统( e h b ， e l e c t r o h y d r a u l i cb r a k e ) 和电子机械式制动系统( e m b ，e l e c t r o m e c h a n i c a l b r a k e ) 。电子液压式制动系统e h b 是采用液压制动和电制动两种制动系统的混 合制动系统，不具备完全电子制动的优点，可以看作是电子机械制动系统e m b 的一个先期产品。真正的线控制动是e m b 系统，因为它除去了整个油压系统， 省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、液压阀、助力装置、复杂的管路 系统等部件，采用电池提供的电能作为能量来源，由电机驱动制动钳块，制动力 由车轮制动模块中的电机产生。电子机械式制动系统e m b 的结构简图如图1 2 所示【1 3 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 控制中心控控制 单元 制模块单元制动执行机构 单元 制模块 单元 图1 2 电子机械制动系统结构简图 早在2 0 世纪9 0 年代就陆续有一些比较有实力的汽车电子零部件厂商开始研 究e m b 技术。1 9 9 9 年的法兰克福车展上，b o s c h 公司展示了一款电子液压制动 系统( e h b ) ，该e h b 系统被认为是电机机械制动系统( e m b ) 的前身。2 0 0 2 年，福特汽车公司福克斯燃料电池汽车( f o c u sf c v ) 采用了线控制动技术，取 消了制动踏板和制动器之间的机械连接。随后，b o s c h 和d a i m l e r - c h r y s l e r 公司 开始进行商业的e h b 系统研究。目前已有一些批量生产的汽车如2 0 0 4 奔驰c l k 敞篷版、s l 5 0 0 等采用了e h b 系统。e m b 系统仍处于试验研发阶段，只在一些 概念车上应用，市场上并没有批量装车的产品。b o s c h 、s i e m e n s 和c o n t i n e n t a l t e v e s 等3 家公司对e m b 系统的研究更深入一步，并对各自的研究成果申请了 一系列专利。国内在这方面的研究基本上仍属空白。 1 2 2 汽车电子驻车制动系统的发展及现状 目前，全球的几大制动系统设计和制造企业正致力于研发电子驻车制动系 统。因为这一系统给驾驶者带来了更多便利，提高了车辆的安全性和驾驶舒适性 并节省了乘用空间。电子驻车系统在一般制动应用中像传统液压制动器一样运 作，而在泊车和紧急制动时起到电子制动的作用。制动卡钳与电机相结合的研究 是零部件制造商一直在努力开发的课题，如今在许多豪华轿车上，电子驻车制动 4 武汉理工大学硕士学位论文 已经开始普及。 美国天合汽车集团( t r w ) 独家首创与后制动钳一体化的电子驻车制动系 统最早于2 0 0 1 年在菲亚特中高档轿车l a n c i a 上使用，于2 0 0 7 年在中国投入生 产。现在很多欧洲和北美的车型也配备了天合公司生产的e p b ，如宾利、奥迪 a 8 、奥迪a 6 、最新的宝马z 4 、大众途安、大众帕萨特等。配备了e p b 的汽车， 在驾驶与操纵上更加便利和舒适，同时也更加安全。不同驾驶员的力量大小不同， 采用传统的手制动器进行驻车制动时，由于驾驶员施加在手制动拉杆上的力不 同，可能造成施加在制动器上的实际作用力不同。e p b 用一键操作的电子按钮代 替手制动拉杆，由电控单元控制制动执行机构动作，因而总能施加适当的驻车加 紧力，既方便了操作，又使中控台的布局更加美观，图1 3 所示为宝马7 3 0 i 电 子驻车制动系统的一键制动按钮。 图1 3 宝马7 3 0 i 电子驻车系统的一键制动 如今t r w 仍然是电子驻车制动系统领域的全球领军企业，并一如既往地 致力于研发e p b 系统，其新开发的新型集成化电子驻车制动系统e p b i 是e p b 的升级版，通过与电子稳定性控制系统整合，新系统不再需要单独的电子控制单 元( e c u ) ，而是将必要的电子元件和软件集成到车辆既有的控制单元中，从而 使整个系统网络又减省了一个额外的控制单元。这项新技术使更高级的系统集成 成为可能。 博世公司开发的一款自动驻车系统a p b m ( 自动驻车制动一机电制动器) ， 如图1 - 4 所示，采取了后轮制动卡钳与电动驻车系统相结合的方式，并与电子稳 定性控制e s p 系统相配合，不仅实现了舒适和安全功能，而且还可以监控制动 盘、摩擦片的磨损情况。当车辆停止在坡道上时，系统可以在驾驶员把脚从制动 踏板上移开后仍能维持原先在制动系统的压力。当车辆在起步的同时制动力也被 释放，这一点大大方便了车辆的坡道起步。当发动机未启动或驾驶员下车时，自 5 武汉理工大学硕士学位论文 动驻车功能将持久地锁住驻车制动器。当驾驶员再次启动车辆时，不必自己来释 放驻车制动器，取决于坡道角度和油门大小及离合器踏板的位置，驻车制动器将 在恰当的时间自动释放，帮助汽车驶离。 、筏鞲 图1 4 博世a p b m 系统装有电机的制动卡钳 国内关于电子驻车制动系统的研究才刚刚起步，汽车企业如东风汽车公司和 一些高校如清华大学、南京航空航天大学、西华大学、南京理工大学等进行了相 关的研究工作。 从目前的发展来看，短时间内电子驻车制动系统不可能完全取代传统的机械 驻车制动系统，特别是在一些汽车电子技术装备较少的车辆上，主要是成本和可 靠性问题。目前很多低端车型电子化程度并不高，整车并没有局域网进行通讯， 而电子驻车制动系统工作时电控单元需要与整车局域网( c a n ) 通讯，因此低端车 型配备e p b 系统的成本较高。同时在使用可靠性上，电子产品与纯机械部件相 比还有不足，配有电子驻车制动系统的奥迪a 6 就曾出现过驻车制动不能释放的 情况。 目前e p b 的先进技术完全掌握在欧美等国外大公司手中，国内对此项技术 的研发起步晚，关键技术掌握很少。电子技术在国内汽车上的应用并不高，国产 化的e p b 技术对于汽车的整体制造水平的提高具有非常重大的意义。汽车电子 技术在国产车辆上的进一步普及也会推动e p b 技术的快速发展。相信在不久的 将来，电子驻车制动系统以其优越的性能和完善的功能将会越来越广泛的在国内 汽车上得到使用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容 本文对电子驻车制动系统的开发进行了前期探索性的研究。在介绍电子驻车 制动系统工作原理的基础上，分析电子驻车系统的功能要求。电子驻车制动系统 的基本实现功能是取代传统的手制动器进行驻车制动，除此之外还具有坡道起步 辅助功能、动态紧急制动功能和自动驻车功能。其常用的自动控制功能是发动机 熄火后的驻车制动功能和汽车在坡道起步时的辅助坡道起步功能。以实现电子驻 车制动系统这两种常用功能为目标，本文确定了电子驻车制动系统的总体设计方 案，详细分析了汽车坡道起步过程，并建立坡道起步仿真模型，得出不同坡度、 不同油门开度和不同离合器位移时的驻车制动力变化和制动器夹紧力变化，为电 子驻车制动控制器的开发做准备。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 针对某车型的电子驻车制动系统进行拆装，分析电子驻车制动系统功 能和工作原理，主要技术难点； ( 2 ) 进行电子驻车制动系统总体方案设计，根据设定目标完成制动执行机 构的选型和设计； ( 3 ) 进行汽车坡道起步过程分析，包括汽车停驻的受力分析和起步过程的 受力分析；进行汽车起步阻力辨识，建立汽车坡道起步时的动力学方程，分析起 步时离合器接合规律； ( 4 ) 建立发动机仿真模型、离合器转矩传递模型，结合汽车坡道起步时的 动力学方程建立坡道起步模型并进行仿真分析，得到坡道起步制动力矩的期望曲 线和制动器夹紧力的变化曲线。 1 4 本章小结 本章介绍了论文研究的背景和意义，对电子驻车制动系统和线控制动技术的 国内外发展及现状进行了分析。电子驻车制动系统是汽车制动技术革新的一大亮 点，它不仅能够优化汽车内部空间，而且提高了驾驶与操纵的舒适性和方便性， 是汽车制动系统发展的必然趋势。本章还介绍了本文的研究内容，通过对汽车坡 道起步过程的分析，建立坡道起步模型，得出不同坡度、不同油门开度和不同离 合器位移时的驻车制动力关系和制动器夹紧力关系，为电子驻车制动系统控制器 的开发提供依据。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电子驻车制动系统原理 2 1 汽车制动系统的功用和组成 汽车的制动系统是汽车最重要的系统之一，是为降低汽车行驶速度或停车而 设计的，它直接关系到交通安全。汽车的制动距离太长或是紧急制动时汽车丧失 稳定性发生严重侧滑或方向跑偏都会导致交通事故的发生。因此，汽车的制动系 统是汽车安全行驶的重要保障。汽车制动系统的功用是根据需要使汽车减速或在 最短的距离内停车，以保证行车的安全，使驾驶员可以发挥出汽车的高速行驶能 力，从而提高汽车运输的生产率。此外，汽车的制动系统还要保证汽车在一定坡 道上长时间可靠地停驻不动，即实现驻车制动。 为了满足上述制动系统功用的要求，汽车制动系统都有几套独立的制动装 置，分别是： ( 1 ) 行车制动装置。行车制动装置是驾驶员用脚操纵的制动装置，在行车 中经常使用。制动器安装在汽车的全部车轮上。 ( 2 ) 驻车制动装置。目前的驻车制动装置主要分为机械式和电子式，主要 用于停车后稳定车辆，防止汽车后溜造成事故。机械式驻车制动装置通常是驾驶 员用手操纵的制动装置，制动器装在变速器或分动器之后的传动轴上，称中央制 动装置( 也称手制动器，俗称“手刹”) ；也可利用后桥车轮制动器兼充驻车制 动器，称复合式制动器。在行车制动装置失效时或在坡道上起步时，临时可用驻 车制动装置。上述两套装置是各种汽车基本的制动装置。 ( 3 ) 应急制动、安全制动和辅助制动装置。这三套装置是重型汽车为了减 轻行车制动器的磨损和性能的衰退以提高行车的安全性而增装的装置。应急制动 是用独立的管路控制车轮制动器作为备用系统。安全制动是当制动气压不足时起 制动作用，使车辆无法行驶。辅助制动是为了下长坡时减轻行车制动器的磨损而 设计的，能够使车辆速度降低或保持稳定，但不能将车辆紧急制停。 较完善的制动系统还具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置和防抱 死装置等附加机构。每套制动装置都由产生制动作用的制动器和操纵制动器的传 动机构组成。 2 2 机械式驻车制动系统功用和组成 驻车制动系统的基本功能可概括为如下四点：( 1 ) 保证可靠地将汽车在原地 长期停放，防止停车后滑坡；( 2 ) 能方便汽车在坡道上起步；( 3 ) 在行车过程中 8 武汉理工大学硕士学位论文 遇到紧急情况时，可配合行车制动系统对行驶的汽车进行紧急制动；( 4 ) 行车制 动失效后临时使用。 驻车制动系统与行车制动系统主要功能和结构都不相同，它们由各自独立的 机构来操纵。脚踏板操作的驻车制动器通常用在轻型卡车和较大型客车上，手动 驻车制动器通常用在中小型汽车上。驻车制动系统包括棘轮式脚踏板或手柄总 成、松放杆、前拉索、平衡器( 也称调节机构) 、右后拉索以及后鼓式或盘式制 动器总成的联动机构。制动器拉索常穿过一段导管予以保护。用夹子或安装托架 将拉索及导管牢固地固定到车架上或车身底部。 驻车制动器的传动机构是一个利用杠杆总成的机械系统【l4 。，该杠杆总成通 过后拉索连接到鼓式或盘式制动器总成上。进行驻车制动时，迫使鼓式制动器的 制动蹄向外紧靠制动鼓，或者在后盘式制动器中迫使两个卡钳活塞机械地夹住制 动盘。驻车系统的传动机构简图如图2 1 所示。 图2 1 驻车传动机构简图 1 操纵杆；2 平衡杠杆；3 拉索；4 拉索调整接头；5 拉索支架：6 - 拉索固定夹；7 - 制动器 典型驻车制动器的拉索和杠杆系统的起点是脚踏板或手操纵杆，这个总成是 放大驾驶员加在踏板或手操纵杆上的力的杠杆机构。与踏板或手操纵机构连接的 拉索移动较短的距离，但加在平衡器上的力比较大。拉动前拉索总成时，将前拉 索的拉力通过汽车制动器拉索系统传递到平衡器杠杆上。平衡器杠杆放大前拉索 的拉力并把其传递到左、右后拉索上，平衡器也确保两个后拉索拉力相等，平衡 器起的作用是通过允许后制动器拉索轻微滑动以便抵消掉拉索长度或调整中的 微小差别。这个拉力拉动连接到每个后制动器上的柔性拉索，后拉索穿过导管进 入每个后制动器，拉索端头与驻车制动器操纵杆下端连接在一起。 对于鼓式制动器，杠杆铰接到第二蹄的腹板上，借助一个支承与第一蹄连在 一起，当向前拉动拉索及杠杆时，杠杆支承使两蹄张开，离开支座和轮缸，与轮 毂接触，产生驻车制动作用。当拉索张开时，蹄回位弹簧使蹄复位。鼓式驻车制 动器如图2 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 5 图2 2 鼓式驻车制动器 1 制动鼓；2 制动液压缸：3 活塞；4 手制动联动机构；5 一制动蹄片：6 调节机构；7 拉索 在后盘式制动器总成的情况下，当拉动驻车拉杆或踩下驻车制动踏板时，拉 索和平衡器将平衡后的拉力作用在两后制动器的驻车制动器杠杆上。拉动杠杆迫 使卡钳摩擦块压紧盘式制动器制动盘，产生驻车制动作用。盘式驻车制动系统原 理如图2 3 所示。 图2 3 盘式驻车制动原理图 1 制动盘：2 浮动钳体；3 摩擦块；4 活塞：5 制动机构；6 导向杆；7 - 钳体 2 3 电子驻车制动系统的功能和工作原理 2 3 1 电子驻车制动系统的工作原理 电子驻车制动系统与传统的机械驻车制动系统有着非常大的差别，它采用电 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 控单元控制制动器的执行机构对汽车实施制动。电子驻车制动系统包含按钮控制 开关、电子控制单元( e c u ) 和制动执行元件三部分。国外开发成型的制动执行 元件一般将制动电机、减速机构和运动转换装置集成在左、右后制动钳上【i 5 1 。 一汽大众公司生产的迈腾汽车已经配备了电子驻车制动系统【l 引，系统的制动执 行元件如图2 - 4 所示。该制动执行元件既可以由液压驱动实施行车制动，也可以 由电子控制实施驻车制动，制定执行元件功能如图2 5 所示。 女鬯祝 魄 + 魏 嗣 雾 雾 液压部分 拣 密封圈 毪赫篇 图2 - 4 制动执行元件 w 勰 密封圈 武汉理工大学硕士学位论文 电子机械部分 制动话塞 渊 密封圈 制动盘 制动蹄片 ( b ) 图2 5 制动执行元件功能 ( a ) 液压部分；( b ) 电子机械部分 需要进行驻车制动时，按下驻车制动按钮，该系统的电控单元与整车局域网 ( c a n ) 通讯，控制驻车执行元件中的电机对左右后制动钳实施制动。对于已经 实施驻车制动的汽车，抬起驻车制动按钮即取消驻车制动。进行驻车制动时，电 控单元控制电机正转，经过齿型皮带和斜盘装置减速增扭后驱动心轴推动制动活 塞移向制动盘，将制动块压靠在制动盘上产生制动；取消驻车制动时，电控单元 控制电机反转即可。 为了保证行车安全，控制系纠1 7 珈】根据车速定义了两种工作模式：静态工作 模式和动态工作模式。迈腾车的电子驻车制动系统速度阈值定义为7 k m h 。当实 际车速低于预先设定的速度阈值时，电子驻车制动系统处于静态工作模式；当实 际车速高于预先设定的速度阈值时，系统处于动态工作模式。常规的驻车制动或 者较低车速( 低于速度阈值) 的行车制动应用静态工作模式。动态工作模式是行 车过程中遇到紧急情况时，配合行车制动系统对行驶的汽车进行紧急制动；或者 在行车制动失效后临时使用，提高了车辆行驶的安全性。 在静态工作模式下，电子驻车制动系统的接通和断开是电控机械式的，液压 制动系统不工作。当驾驶员按下驻车制动按钮，e c u 接收到制动命令后，制动 执行机构立即启动制动，两后轮的制动力迅速达到最大值并且是使其抱死，制动 力的期望曲线如图2 6 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 静态模式下制动力的期望值 在动态工作模式下，电子驻车制动系统控制单元通过整车局域网( c a n ) 控制a b s e s p 系统对车辆实施制动。在这种工作模式下，所有车轮都是由液压 制动系统控制的，具有防抱死功能。动态工作模式有两种工况，一种是当制动力 增加到某一不太高数值时，车速已下降到小于预先设定的速度阈值。此种工况下， 当e c u 接收到制动命令后，制动力逐渐上升，同时车速下降，当车速小于预先 设定的速度阈值后，制动力加大并尽快达到最大值，制动力的期望值曲线如图 2 7 所示。另外一种可能的情况是：当制动力增加到某一较高数值( 如最大制动 力的8 0 ) 后，车速仍然高于预先设定的速度阈值，此时若。此种工况下，应使 制动力大小增加到一定数值后保持一段时间，直至车速低于预先设定的速度阈值 后，再增加制动力使其达到最大值，制动力的期望值曲线如图2 8 所示。 fm fm 0 8 * fm 图2 7 动态模式下制动力的期望值一 图2 8 动态模式下制动力的期望值二 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 电子驻车制动系统的功能 一汽大众公司生产的迈腾汽车电子驻车制动系统构成如图2 - 9 所示【1 6 】。迈腾 车的电子驻车制动系统由电子驻车制动系统控制单元( 与a b s 控制单元通过 c a n 总线互通信息) 、离合器位置传感器、驻车制动开关、自动驻车( a u t o h o l d ) 按钮、左右后轮驻车制动执行机构和一些指示灯( 电子驻车制动系统指 示灯、制动装置指示灯、电子驻车制动系统故障指示灯和自动驻车指示灯) 组成。 离合器位置传感器 a b 对空制单元 图2 - 9 迈腾车电子驻车制动系统的组成 迈腾车电子驻车制动系统具有4 种功能，分别是： ( 1 ) 驻车制动功能。此功能即实现基本的驻车制动，相当于对已停驶的安 装机械式驻车制动系统的车辆拉动手制动拉杆。当汽车已停驶或者车速较低时 ( 低于预先设定速度阈值) ，按下驻车制动开关，电子驻车制动系统控制单元接 收到信号，通过c a n 总线与a b s 控制单元互通信息并完成相关参数的采集确定 车速低于7 k m h ，然后起动两个后轮制动器制动电动机完成驻车制动。在点火开 关接通的情况下，踩下制动踏板同时按下驻车制动开关，即可解除驻车制动。 ( 2 ) 坡道起步辅助功能。坡道起步对多数驾驶员而言是比较困难却必须掌 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 握的一项技能。对于配备传统的机械式驻车制动系统的车辆，很多驾驶员在坡道 起步时会出现发动机熄火或者起步时车辆后溜的现象。尤其对于新手而言，顺利 完成坡道平稳起步更加困难。配备电子驻车制动系统的汽车，在电子驻车制动系 统接通的情况下，坡道起步辅助功能可以确保车辆在坡道上起步时车轮不会向前 或向后猛冲也不会熄火，使车辆顺利完成坡道起