溫開元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團技術(shù)中心新能源開發(fā)部，浙江瑞安 325200)

電子駐車制動系統(tǒng)傳動機構(gòu)的設(shè)計與計算

溫開元，楊柳，朱彬，王賺

(浙江瑞立集團技術(shù)中心新能源開發(fā)部，浙江瑞安 325200)

簡介汽車制動系統(tǒng)的作用及分類，以電子駐車制動系統(tǒng)傳動機構(gòu)為研究對象，分析其工作原理，并通過一個實例介紹了電子駐車制動系統(tǒng)傳動機構(gòu)的設(shè)計與計算。

電子駐車制動系統(tǒng)；傳動機構(gòu)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車科學技術(shù)不斷發(fā)展，機械控制逐步向電子控制方向發(fā)展。電子駐車制動系統(tǒng)(Electrical Park Brake) 俗稱手剎系統(tǒng)，它是指將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起,并且由電子控制方式實現(xiàn)停車制動的技術(shù)。作者對電子駐車制動系統(tǒng)的工作原理進行分析，并通過一個實例介紹了電子駐車制動系統(tǒng)傳動機構(gòu)的設(shè)計與計算。

1 汽車制動系統(tǒng)的作用及分類

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

行車制動系統(tǒng)又稱主剎車系統(tǒng)，它是由駕駛員用腳來操縱的，當駕駛員踩下制動踏板，通過液壓管路推動制動主缸，將制動蹄壓緊在制動輪鼓上的剎車盤上，從而產(chǎn)生摩擦力。它的作用是使正在行駛中的汽車減速或在最短的距離內(nèi)將車剎停。

駐車制動系統(tǒng)又稱手剎車系統(tǒng)，它是由駕駛員用手來操縱的，駕駛員拉起手剎柄將鋼絲繩拉緊，通過杠桿機構(gòu)帶動連接在后輪轂上的剎車片將車剎住。它的作用是使已經(jīng)停在各種路面上的汽車駐留原地不動，防止發(fā)生溜車現(xiàn)象。

緊急制動系統(tǒng)是在行車制動系統(tǒng)失效的情況下，保證汽車仍能實現(xiàn)減速或停車的一套裝置。理論上它應(yīng)有一套單獨的制動裝置?，F(xiàn)在許多國家要求汽車必須具備緊急制動系統(tǒng)。

輔助制動系統(tǒng)。對于經(jīng)常在山區(qū)行駛的汽車以及某些特殊用途的汽車，為了提高行車的安全性和減輕行車制動系性能的衰退及制動器的磨損，使用輔助制動系統(tǒng)以在下坡時穩(wěn)定車速。

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

2 電子駐車制動系統(tǒng)的應(yīng)用及特點

隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展,汽車已經(jīng)成為人類密不可分的伙伴；與此同時,人們對汽車的舒適性和安全的要求也越來越高，因此,安全、環(huán)保和節(jié)能成為當前汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，越來越受到研究人員的重視。為此，汽車電子駐車制動系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車主動安全技術(shù)之一將被廣泛應(yīng)用。

汽車電子駐車制動系統(tǒng)和傳統(tǒng)手剎相比，操作更為簡單而且省力。電子駐車制動使用小巧的按鈕取代了傳統(tǒng)的手剎拉桿，讓車內(nèi)空間得到更好的利用。雖然電子駐車制動系統(tǒng)總成與傳統(tǒng)手剎零部件相比,價格上不一定有優(yōu)勢,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；整個電子駐車制動系統(tǒng)工作模塊可以應(yīng)用在大部分車型上,從而可降低生產(chǎn)成本將這個技術(shù)普及到更低一級的車型上。電子駐車制動系統(tǒng)的出現(xiàn)還可以擴展到AUTO HOLD,配合各種電控單元及機構(gòu)，可以在適當?shù)臅r候剎車和駐車。對于駕駛者來說,可以減少右腳和右手在塞車時的負擔;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。而由于電子駐車制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)只接受電信號指令，所以電子手剎在車輛防盜系統(tǒng)中也起到很重要的作用。

3 電子駐車制動系統(tǒng)機構(gòu)種類及工作邏輯

電子駐車制動系統(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制動傳動機構(gòu)。下面介紹拉索式電子駐車制動系統(tǒng)工作邏輯。

駕駛員通過按壓電子駐車制動開關(guān)發(fā)出實施制動命令，當車速小于3.5 km/h時，電子駐車制動控制模塊驅(qū)動電機開始轉(zhuǎn)動并拉緊后輪制動蹄拉索，將后輪制動。當車速大于3.5 km/h時，電子駐車制動控制模塊會通過ESP(Electronic Stability Program)系統(tǒng)(電控車輛穩(wěn)定行駛系統(tǒng))控制行車制動器對4個車輪進行制動。當行車制動器出現(xiàn)故障時，電子駐車制動控制單元會評估來自4個車輪的輪速傳感器信號，對后輪進行制動并防止后輪抱死；此時，電子駐車制動控制模塊控制單元點亮剎車燈。車輛在駐車時，駕駛員可以通過踩油門讓車輛自動釋放制動。

4 拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)種類和零部件組成及工作過程

4.1 拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)種類

拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)主要分為兩種：一種是單拉索傳動機構(gòu)，另一種是雙拉索傳動機構(gòu)。

單拉索傳動機構(gòu)是通過小型直流電機帶動齒輪減速機構(gòu)，齒輪減速機構(gòu)再帶動螺旋傳動機構(gòu)，螺旋傳動機構(gòu)一端連接螺母，另一端連接螺桿，螺桿在護套內(nèi)被限制轉(zhuǎn)動只能作直線運動，螺桿同時連接拉索。當螺母在齒輪減速機構(gòu)帶動下旋轉(zhuǎn)時，其兩端限制不能移動同時帶動螺桿作直線運動，當電機正反轉(zhuǎn)時，拉索被電機帶動拉緊和松開，從而實現(xiàn)剎車制動及松開剎車。單拉索傳動機構(gòu)是通過主拉索帶動兩根分拉索，兩根分拉索分別連接兩后輪鼓剎車片，兩根分拉索的拉力等于主拉索的1/2。單拉索傳動機構(gòu)可以靈活地安裝在底盤合適的位置上，但是由于兩根分拉索在制造、安裝及調(diào)節(jié)過程當中存在誤差，可能造成兩輪的剎車力度不同，從而造成剎車的單邊現(xiàn)象。

雙拉索傳動機構(gòu)也是通過小型直流電機帶動齒輪減速機構(gòu)，齒輪減速機構(gòu)再帶動螺旋傳動機構(gòu)，螺旋傳動機構(gòu)螺母的一端通過螺桿連接一根拉索，螺母的另一端通過螺桿連接另一根拉索，螺桿在護套內(nèi)被限制轉(zhuǎn)動只能作直線運動，螺桿同時連接另一根拉索。當螺母在齒輪減速機構(gòu)帶動下旋轉(zhuǎn)時，其他兩邊連接的兩根拉索同時作直線運動，雙拉索傳動機構(gòu)的兩根拉索分別連接兩后輪鼓剎車片，當電機正反轉(zhuǎn)時，拉索被電機帶動拉緊和松開，從而實現(xiàn)剎車制動及松開剎車。雙拉索傳動機構(gòu)最好布置在底盤距兩后輪中間位置，雙拉索由于受力相等作用力相反，從而保證兩后輪的剎車力相等，不會出現(xiàn)剎車的單邊現(xiàn)象。雙拉索傳動機構(gòu)相對單拉索傳動機構(gòu)的拉力大一倍。

4.2 雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)

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

圖1 雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)示意圖

雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)的工作過程：當駕駛員通過按壓電子駐車制動開關(guān)發(fā)出實施制動命令，電子駐車制動控制模塊驅(qū)動電機開始轉(zhuǎn)動，通過裝在電機上的齒輪Z1帶動組合齒輪Z2及齒輪Z3轉(zhuǎn)動。齒輪Z2和齒輪Z3組合在一起成為一個零件。齒輪Z3帶動內(nèi)花鍵齒輪Z4轉(zhuǎn)動，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)動但在軸向限制移動，內(nèi)花鍵齒輪Z4帶動外花鍵螺母轉(zhuǎn)動同時限制軸向移動，外花鍵螺母采用雙頭螺紋且分別為左、右旋方向，外花鍵螺母帶動左、右長螺桿在護套內(nèi)作直線運動。當剎車時，制動控制模塊通過轉(zhuǎn)速傳感器計算螺桿移動距離，將左、右長螺桿同時往中間運動將拉索拉緊，拉索帶動剎車片將后輪轂剎住。當松開剎車時，電機反轉(zhuǎn)將拉索松開，拉索帶動剎車片將后輪轂松開。

雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)主要技術(shù)要求：

傳動機構(gòu)輸出拉力大于1 600(N)。

左右長螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動機構(gòu)制動時間小于3 s，松開時間小于3 s。

5 雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及零件參數(shù)選取

齒輪傳動箱齒輪安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪傳動箱齒輪安裝位置示意圖

此傳動機構(gòu)采用二級齒輪傳動、一級內(nèi)外花鍵傳動、一級螺旋傳動。在傳動機構(gòu)中，由于電機高速旋轉(zhuǎn)同時伴有正反轉(zhuǎn)運動，考慮電機齒輪Z1為金屬材料中碳鋼，考慮軟硬齒面嚙合及對噪聲低的要求，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，考慮電機傳動要求平穩(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)復雜性，齒輪還是選用直齒圓柱齒輪；考慮長螺桿受到軸向拉力，長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轉(zhuǎn)動；考慮齒輪根切因素，最小齒輪齒數(shù)宜為17。綜上所述，傳動零件參數(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；長螺桿及螺母中徑為φ9 mm，螺距為2 mm。

6 拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)計算

(1)傳動比

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

iΣ3=34×46×36.8/17/17/9=22.128

(2)傳動效率

η電機滾動=0.99；η齒輪=0.97；η齒輪=0.97；η花鍵=0.97；η滑動=0.97

ηΣ5=0.99×0.974=0.876

(3)傳動力矩

設(shè)電機功率P=0.03 kW，轉(zhuǎn)速n1=2 730 r/min，扭矩T1=0.082 4 N·m，通過齒輪及花鍵螺母傳動到長螺桿，則有：

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

(4)長螺桿軸向拉力

根據(jù)螺旋傳動公式有：

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為螺紋當量摩擦角；fv為螺紋當量摩擦因數(shù)，當β=0時為矩形螺紋，fv=f；f為螺紋摩擦因數(shù)；β為螺紋牙形半角，當螺紋為梯形螺紋時，β=15°。

設(shè)長螺桿為梯形螺紋M10螺距為2 mm，螺紋中徑D=φ9 mm，ψ=arctan[2/(9π) ]=4.05°;當螺紋潤滑良好時，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，

即長螺桿所受軸向拉力Q=2 021 N。

由于左右長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)制動時間

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

7 結(jié)束語

通過計算可知：

傳動機構(gòu)輸出拉力2 021 N大于1 600 N。

左右長螺桿有效行程分別大于40 mm。

傳動機構(gòu)制動時間2.43 s<3 s，松開時間2.43 s<3 s。

由此可知該機構(gòu)滿足雙拉索式電子駐車制動傳動機構(gòu)的主要技術(shù)要求。

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

[2]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[3]楊汝清.機電控制技術(shù)[M].北京：科學出版社，2009.

[4]張展，葉少華，韓為峰.減速器設(shè)計選用手冊[M].上海：上?？茖W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

溫開元(1962—)，男，高級工程師，主要從事閥門、汽摩配、高低壓電器等產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計工作。E-mail：WKY444@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.014

U463.52+3

B

1674-1986(2017)10-059-04