溫開(kāi)元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團(tuán)技術(shù)中心新能源開(kāi)發(fā)部，浙江瑞安 325200)

電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

溫開(kāi)元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團(tuán)技術(shù)中心新能源開(kāi)發(fā)部，浙江瑞安 325200)

簡(jiǎn)介汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的作用及分類(lèi)，以電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分析其工作原理，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例介紹了電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車(chē)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)械控制逐步向電子控制方向發(fā)展。電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)(Electrical Park Brake) 俗稱(chēng)手剎系統(tǒng)，它是指將行車(chē)過(guò)程中的臨時(shí)性制動(dòng)和停車(chē)后的長(zhǎng)時(shí)性制動(dòng)功能整合在一起,并且由電子控制方式實(shí)現(xiàn)停車(chē)制動(dòng)的技術(shù)。作者對(duì)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例介紹了電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

1 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的作用及分類(lèi)

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)可分為行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)及輔助制動(dòng)系統(tǒng)。

行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng)主剎車(chē)系統(tǒng)，它是由駕駛員用腳來(lái)操縱的，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，通過(guò)液壓管路推動(dòng)制動(dòng)主缸，將制動(dòng)蹄壓緊在制動(dòng)輪鼓上的剎車(chē)盤(pán)上，從而產(chǎn)生摩擦力。它的作用是使正在行駛中的汽車(chē)減速或在最短的距離內(nèi)將車(chē)剎停。

駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng)手剎車(chē)系統(tǒng)，它是由駕駛員用手來(lái)操縱的，駕駛員拉起手剎柄將鋼絲繩拉緊，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接在后輪轂上的剎車(chē)片將車(chē)剎住。它的作用是使已經(jīng)停在各種路面上的汽車(chē)駐留原地不動(dòng)，防止發(fā)生溜車(chē)現(xiàn)象。

緊急制動(dòng)系統(tǒng)是在行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效的情況下，保證汽車(chē)仍能實(shí)現(xiàn)減速或停車(chē)的一套裝置。理論上它應(yīng)有一套單獨(dú)的制動(dòng)裝置?，F(xiàn)在許多國(guó)家要求汽車(chē)必須具備緊急制動(dòng)系統(tǒng)。

輔助制動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常在山區(qū)行駛的汽車(chē)以及某些特殊用途的汽車(chē)，為了提高行車(chē)的安全性和減輕行車(chē)制動(dòng)系性能的衰退及制動(dòng)器的磨損，使用輔助制動(dòng)系統(tǒng)以在下坡時(shí)穩(wěn)定車(chē)速。

上述各制動(dòng)系統(tǒng)中，行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是每一輛汽車(chē)都必須具備的裝置。

2 電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用及特點(diǎn)

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車(chē)已經(jīng)成為人類(lèi)密不可分的伙伴；與此同時(shí),人們對(duì)汽車(chē)的舒適性和安全的要求也越來(lái)越高，因此,安全、環(huán)保和節(jié)能成為當(dāng)前汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的主要方向，越來(lái)越受到研究人員的重視。為此，汽車(chē)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)之一將被廣泛應(yīng)用。

汽車(chē)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)手剎相比，操作更為簡(jiǎn)單而且省力。電子駐車(chē)制動(dòng)使用小巧的按鈕取代了傳統(tǒng)的手剎拉桿，讓車(chē)內(nèi)空間得到更好的利用。雖然電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)總成與傳統(tǒng)手剎零部件相比,價(jià)格上不一定有優(yōu)勢(shì),但省下的空間(通常都是省下前排中間的位置)可以有更大的用處；整個(gè)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)工作模塊可以應(yīng)用在大部分車(chē)型上,從而可降低生產(chǎn)成本將這個(gè)技術(shù)普及到更低一級(jí)的車(chē)型上。電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的出現(xiàn)還可以擴(kuò)展到AUTO HOLD,配合各種電控單元及機(jī)構(gòu)，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候剎車(chē)和駐車(chē)。對(duì)于駕駛者來(lái)說(shuō),可以減少右腳和右手在塞車(chē)時(shí)的負(fù)擔(dān);杜絕了由于力量不夠拉不緊手剎(特別是一些嬌小的女士)而造成的不便。而由于電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只接受電信號(hào)指令，所以電子手剎在車(chē)輛防盜系統(tǒng)中也起到很重要的作用。

3 電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)種類(lèi)及工作邏輯

電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)目前可分為拉索式以及整合卡鉗式兩種。文中主要探討電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。下面介紹拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)工作邏輯。

駕駛員通過(guò)按壓電子駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出實(shí)施制動(dòng)命令，當(dāng)車(chē)速小于3.5 km/h時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并拉緊后輪制動(dòng)蹄拉索，將后輪制動(dòng)。當(dāng)車(chē)速大于3.5 km/h時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)控制模塊會(huì)通過(guò)ESP(Electronic Stability Program)系統(tǒng)(電控車(chē)輛穩(wěn)定行駛系統(tǒng))控制行車(chē)制動(dòng)器對(duì)4個(gè)車(chē)輪進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)行車(chē)制動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)控制單元會(huì)評(píng)估來(lái)自4個(gè)車(chē)輪的輪速傳感器信號(hào)，對(duì)后輪進(jìn)行制動(dòng)并防止后輪抱死；此時(shí)，電子駐車(chē)制動(dòng)控制模塊控制單元點(diǎn)亮剎車(chē)燈。車(chē)輛在駐車(chē)時(shí)，駕駛員可以通過(guò)踩油門(mén)讓車(chē)輛自動(dòng)釋放制動(dòng)。

4 拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類(lèi)和零部件組成及工作過(guò)程

4.1 拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類(lèi)

拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為兩種：一種是單拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一種是雙拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

單拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)小型直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)，齒輪減速機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一端連接螺母，另一端連接螺桿，螺桿在護(hù)套內(nèi)被限制轉(zhuǎn)動(dòng)只能作直線運(yùn)動(dòng)，螺桿同時(shí)連接拉索。當(dāng)螺母在齒輪減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，其兩端限制不能移動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)螺桿作直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，拉索被電機(jī)帶動(dòng)拉緊和松開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)剎車(chē)制動(dòng)及松開(kāi)剎車(chē)。單拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)主拉索帶動(dòng)兩根分拉索，兩根分拉索分別連接兩后輪鼓剎車(chē)片，兩根分拉索的拉力等于主拉索的1/2。單拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以靈活地安裝在底盤(pán)合適的位置上，但是由于兩根分拉索在制造、安裝及調(diào)節(jié)過(guò)程當(dāng)中存在誤差，可能造成兩輪的剎車(chē)力度不同，從而造成剎車(chē)的單邊現(xiàn)象。

雙拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也是通過(guò)小型直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)，齒輪減速機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)螺母的一端通過(guò)螺桿連接一根拉索，螺母的另一端通過(guò)螺桿連接另一根拉索，螺桿在護(hù)套內(nèi)被限制轉(zhuǎn)動(dòng)只能作直線運(yùn)動(dòng)，螺桿同時(shí)連接另一根拉索。當(dāng)螺母在齒輪減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，其他兩邊連接的兩根拉索同時(shí)作直線運(yùn)動(dòng)，雙拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩根拉索分別連接兩后輪鼓剎車(chē)片，當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，拉索被電機(jī)帶動(dòng)拉緊和松開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)剎車(chē)制動(dòng)及松開(kāi)剎車(chē)。雙拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最好布置在底盤(pán)距兩后輪中間位置，雙拉索由于受力相等作用力相反，從而保證兩后輪的剎車(chē)力相等，不會(huì)出現(xiàn)剎車(chē)的單邊現(xiàn)象。雙拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)單拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的拉力大一倍。

4.2 雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要由傳動(dòng)箱上下蓋及側(cè)蓋、電路控制板、直流電機(jī)、齒輪減速箱、螺旋傳動(dòng)部件(螺桿及外花鍵螺母)、傳感器、拉索及護(hù)套等零部件組成。

圖1 雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程：當(dāng)駕駛員通過(guò)按壓電子駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出實(shí)施制動(dòng)命令，電子駐車(chē)制動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)裝在電機(jī)上的齒輪Z1帶動(dòng)組合齒輪Z2及齒輪Z3轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪Z2和齒輪Z3組合在一起成為一個(gè)零件。齒輪Z3帶動(dòng)內(nèi)花鍵齒輪Z4轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)花鍵齒輪Z4兩端支撐在下蓋及側(cè)蓋之間，可在軸套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)但在軸向限制移動(dòng)，內(nèi)花鍵齒輪Z4帶動(dòng)外花鍵螺母轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)限制軸向移動(dòng)，外花鍵螺母采用雙頭螺紋且分別為左、右旋方向，外花鍵螺母帶動(dòng)左、右長(zhǎng)螺桿在護(hù)套內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)剎車(chē)時(shí)，制動(dòng)控制模塊通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器計(jì)算螺桿移動(dòng)距離，將左、右長(zhǎng)螺桿同時(shí)往中間運(yùn)動(dòng)將拉索拉緊，拉索帶動(dòng)剎車(chē)片將后輪轂剎住。當(dāng)松開(kāi)剎車(chē)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)將拉索松開(kāi)，拉索帶動(dòng)剎車(chē)片將后輪轂松開(kāi)。

雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要技術(shù)要求：

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出拉力大于1 600(N)。

左右長(zhǎng)螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間小于3 s，松開(kāi)時(shí)間小于3 s。

5 雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零件參數(shù)選取

齒輪傳動(dòng)箱齒輪安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪傳動(dòng)箱齒輪安裝位置示意圖

此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)、一級(jí)內(nèi)外花鍵傳動(dòng)、一級(jí)螺旋傳動(dòng)。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)伴有正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，考慮電機(jī)齒輪Z1為金屬材料中碳鋼，考慮軟硬齒面嚙合及對(duì)噪聲低的要求，組合齒輪Z2和Z3宜采用塑料齒輪，考慮齒輪Z4內(nèi)花鍵配合處的沖擊和磨損，齒輪Z4宜采用塑料鑲嵌金屬內(nèi)花鍵槽，考慮電機(jī)傳動(dòng)要求平穩(wěn)及齒輪有一定重合度，齒輪宜采用圓柱斜齒輪，但考慮組合齒輪Z2和Z3塑料圓柱斜齒輪模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，齒輪還是選用直齒圓柱齒輪；考慮長(zhǎng)螺桿受到軸向拉力，長(zhǎng)螺桿宜采用梯形螺紋；考慮空間有限，齒輪與齒輪軸之間及外花鍵螺母與軸套均采用滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；考慮齒輪根切因素，最小齒輪齒數(shù)宜為17。綜上所述，傳動(dòng)零件參數(shù)選取如下：

齒輪Z1齒數(shù)z1=17，模數(shù)m1=0.6 mm，分度圓直徑d1=m1×z1= 10.2 mm；齒輪Z2齒數(shù)z2=34，模數(shù)m2=0.6 mm，分度圓直徑d2=m2×z2=20.4 mm；齒輪Z1和Z2的中心距a1=(d1+d2)=15.3 mm；齒輪Z3齒數(shù)z3=17，模數(shù)m3=0.8 mm，分度圓直徑d3=m3×z3=13.6 mm；齒輪Z4齒數(shù)z4=46，模數(shù)m4=0.8 mm，分度圓直徑d4=m4×z4=36.8 mm；齒輪Z3和Z4的中心距a2=(d3+d4)=25.2 mm；長(zhǎng)螺桿及螺母中徑為φ9 mm，螺距為2 mm。

6 拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算

(1)傳動(dòng)比

i1=34/17;i2=46/17;i3=36.8/9

iΣ3=34×46×36.8/17/17/9=22.128

(2)傳動(dòng)效率

η電機(jī)滾動(dòng)=0.99；η齒輪=0.97；η齒輪=0.97；η花鍵=0.97；η滑動(dòng)=0.97

ηΣ5=0.99×0.974=0.876

(3)傳動(dòng)力矩

設(shè)電機(jī)功率P=0.03 kW，轉(zhuǎn)速n1=2 730 r/min，扭矩T1=0.082 4 N·m，通過(guò)齒輪及花鍵螺母?jìng)鲃?dòng)到長(zhǎng)螺桿，則有：

T花鍵螺母=T1×iΣ3×ηΣ5=0.082 4×22.128×0.876=1.597 N·m

(4)長(zhǎng)螺桿軸向拉力

根據(jù)螺旋傳動(dòng)公式有：

F=Qtan(ψ+ρv)

T花鍵螺母=F×D/2=D/2Qtan(ψ+ρv)

Q=2T花鍵螺母/[D×tan(ψ+ρv)]

tanρv=fv=f/cosβ

式中：F為作用在螺紋中徑D的圓周上切向力；Q為作用螺紋副上的軸向力；D為螺紋中徑；ψ為螺紋升角；ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角；fv為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)，當(dāng)β=0時(shí)為矩形螺紋，fv=f；f為螺紋摩擦因數(shù)；β為螺紋牙形半角，當(dāng)螺紋為梯形螺紋時(shí)，β=15°。

設(shè)長(zhǎng)螺桿為梯形螺紋M10螺距為2 mm，螺紋中徑D=φ9 mm，ψ=arctan[2/(9π) ]=4.05°;當(dāng)螺紋潤(rùn)滑良好時(shí)，選取f=0.1，由tanρv=f/cosβ=0.1/cos15°=0.103 5，則ρv=arctan(0.103 5)=5.91°。

由于ψ<ρv，螺紋副自鎖。

tan(ψ+ρv)=tan(4.05°+5.91°)=tan(9.96°)=0.175 6

由Q=2T花鍵螺母/[D×tan(ψ+ρv)]=2T花鍵螺母/(9×10-3×0.175 6)=1 265.5×T花鍵螺母，又由T花鍵螺母=1.597 N·m；則Q=1 265.5×1.597=2 021 N，

即長(zhǎng)螺桿所受軸向拉力Q=2 021 N。

由于左右長(zhǎng)螺桿同在花鍵螺母作用下，故作用力相等方向相反。

(5)輸出轉(zhuǎn)速

n花鍵螺母=n1/22.128=2 730/22.128=123.37 r/min

(6)制動(dòng)時(shí)間

由長(zhǎng)螺桿螺距為2 mm可知，花鍵螺母每轉(zhuǎn)一周長(zhǎng)螺桿直線移動(dòng)2 mm，當(dāng)剎車(chē)片與輪轂的間隙為10 mm時(shí)，花鍵螺母需轉(zhuǎn)5圈；故花鍵螺母實(shí)際所需時(shí)間為t=5×60/123.37=2.43 s。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算可知：

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出拉力2 021 N大于1 600 N。

左右長(zhǎng)螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間2.43 s<3 s，松開(kāi)時(shí)間2.43 s<3 s。

由此可知該機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足雙拉索式電子駐車(chē)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)要求。

[1]周曉飛.汽車(chē)EPB電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]楊汝清.機(jī)電控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]張展，葉少華，韓為峰.減速器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002.

DesignandCalculationofTransmissionMechanismofElectronicParkingBrakingSystem

WEN Kaiyuan,YANG Liu,ZHU Bin,WANG Zhuan

(New Energy Development Department of Technology Center, Zhejiang Ruili Group, Ruian Zhejiang 325200, China)

The function and classification of the automobile braking system were introduced.The working principle of the electronic parking brake system transmission mechanism was analyzed.The design and calculation of the transmission mechanism of the electronic parking brake system were introduced through an example.

Electronic parking brake system; Transmission mechanism

2017-05-02

溫開(kāi)元(1962—)，男，高級(jí)工程師，主要從事閥門(mén)、汽摩配、高低壓電器等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail：WKY444@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.014

U463.52+3

B

1674-1986(2017)10-059-04