趙靖，覃光許，吳亞菲

（1.上海通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

引言

汽車(chē)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車(chē)的重要安全件及影響汽車(chē)行駛阻力進(jìn)而影響燃油經(jīng)濟(jì)性的重要組成部件之一。駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的選型因整車(chē)布置、成本等因素而有所不同，其性能和質(zhì)量會(huì)略有差異，但對(duì)于既定的駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)而言，其調(diào)整質(zhì)量的好壞，除了直接影響到汽車(chē)駐車(chē)性能的穩(wěn)定性外，還是影響制動(dòng)系統(tǒng)阻滯力的重要因素。如果駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整質(zhì)量控制不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致一部分車(chē)輛因?yàn)槟Σ疗c制動(dòng)盤(pán)之間的間隙偏大，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)拉索的預(yù)緊力過(guò)小，駐車(chē)制動(dòng)時(shí)，難以將力傳遞到制動(dòng)器上，從而帶來(lái)安全隱患。還會(huì)有一部分車(chē)輛摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙偏小，拉索預(yù)緊力過(guò)大，容易在非制動(dòng)狀態(tài)下制動(dòng)器存在一定的制動(dòng)力，在車(chē)輪上體現(xiàn)為車(chē)輪阻滯力，進(jìn)而造成汽車(chē)燃油消耗量上升、排放增加，還會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器溫升、摩擦片異常磨損，進(jìn)而影響制動(dòng)系統(tǒng)的壽命。

1 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)方案

1.1 自動(dòng)調(diào)整工藝

針對(duì)所研究車(chē)型，以及人工調(diào)整工藝，設(shè)定駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整工藝主要分為兩大部分：（1）設(shè)置駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)拉索的預(yù)緊力：精確控制駐車(chē)制動(dòng)手柄的旋轉(zhuǎn)角度，將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒位置，然后預(yù)擰緊駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整螺母；往復(fù)將制動(dòng)手柄拉至第八棘輪齒位置3次；再次將制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒位置，擰緊駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整螺母，當(dāng)扭矩傳感器監(jiān)測(cè)到將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒處的扭矩為15N·m時(shí)停止擰緊調(diào)整螺母的動(dòng)作。（2）檢驗(yàn)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)拉索的預(yù)緊力：將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒時(shí)，如果扭矩傳感器測(cè)量值為15N·m左右，則說(shuō)明駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整結(jié)果合格，否則對(duì)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整螺母進(jìn)行微調(diào)。

1.2 系統(tǒng)方案

將系統(tǒng)組成分為兩大控制與操縱主線：其一為駐車(chē)制動(dòng)手柄操縱線；其二為調(diào)整螺母操縱線。初步確定各系統(tǒng)組成如圖1所示。

駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)7、系統(tǒng)控制器6、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器12、駐車(chē)制動(dòng)手柄的操縱機(jī)構(gòu)Ⅰ（包括電機(jī)4、減速器3、轉(zhuǎn)矩傳感器2、操縱駐車(chē)制動(dòng)手柄的專用抓持器1等）、駐車(chē)制動(dòng)拉索調(diào)整螺母的操縱機(jī)構(gòu)Ⅱ（包括電機(jī)9、減速器10、駐車(chē)制動(dòng)拉索調(diào)整螺母套筒11等）、條碼閱讀器8及棘輪鎖釋放器13等組成。

圖1 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的組成

2 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)硬件組成及功能

2.1 標(biāo)準(zhǔn)件

2.1.1 制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)

根據(jù)企業(yè)要求，取80N·m作為制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)的最大輸出扭矩。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)工作時(shí)，為保證工人和系統(tǒng)的安全，應(yīng)為制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩設(shè)定安全系數(shù)ξ，取ξ=1.5。所以制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩為120N·m。駐車(chē)制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度需要近似人工調(diào)整，所以制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)扭矩應(yīng)大于120N·m，轉(zhuǎn)速約等于80r/min。

所選電機(jī)的額定扭矩為 2.04N·m，額定轉(zhuǎn)速為 4710r/min，此時(shí)選擇減速比i=60的減速器，則有：

駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要監(jiān)測(cè)制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的輸出扭矩，因此選擇一款動(dòng)態(tài)扭矩傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)手柄操作機(jī)構(gòu)的輸出扭矩。

2.1.2 調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)

駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)人工調(diào)整擰緊調(diào)整螺母時(shí)，采用的是定扭矩電動(dòng)工具，其轉(zhuǎn)速為2000r/min。如果自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中也采用電動(dòng)工具，當(dāng)監(jiān)測(cè)到制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒的扭矩達(dá)到15N·m時(shí)，即使立即停止電機(jī)的運(yùn)行，但是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)高，完全停止需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致最終的調(diào)整結(jié)果與要求值存在偏差，所以，在自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中，要求調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)最終輸出的轉(zhuǎn)速不高于1000r/min。所以根據(jù)要求調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)扭矩應(yīng)大于3N·m，轉(zhuǎn)速小于1000r/min。

所選電機(jī)的額定扭矩為0.31 N·m，額定轉(zhuǎn)速為8000r/min，此時(shí)選擇減速比i=10的減速器，則有：

2.2 非標(biāo)件

2.2.1 手柄抓持器

制動(dòng)手柄抓持器的作用是連接制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)和制動(dòng)手柄，保證制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的扭矩能夠傳遞到制動(dòng)手柄上。設(shè)計(jì)制動(dòng)手柄抓持器時(shí)應(yīng)充分考慮到制動(dòng)手柄的受力點(diǎn)和抓持器的定位。汽車(chē)駐車(chē)制動(dòng)手柄抓持器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 手柄抓持器

2.2.2 駐車(chē)制動(dòng)手柄棘輪鎖釋放器

圖3 駐車(chē)制動(dòng)手柄棘輪鎖釋放器

為了便于利用制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行駐車(chē)制動(dòng)手柄拉起和放下的往返操作，設(shè)計(jì)駐車(chē)制動(dòng)手柄棘輪鎖釋放器，用于解除汽車(chē)制動(dòng)手柄中棘爪對(duì)棘輪的鎖止作用。當(dāng)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整完成后，取下駐車(chē)制動(dòng)手柄棘輪鎖釋放器。棘輪鎖釋放器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)專用支架

如果采用自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，則需要在系統(tǒng)運(yùn)行前就將調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)安裝到相應(yīng)位置，因此需設(shè)計(jì)相應(yīng)的支架來(lái)保證該操縱機(jī)構(gòu)安裝的位置。調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)專用支架如圖4所示。

圖4 調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)專用支架

2.3 電器電路

圖5 駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)電路圖

如圖5所示為駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)電路圖。駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中共采用三個(gè)開(kāi)關(guān)、三個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴器，開(kāi)關(guān)分別為手柄抓持器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)開(kāi)關(guān)和急停開(kāi)關(guān)；指示燈分別為準(zhǔn)備指示燈、測(cè)試中指示燈和急停指示燈。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，控制指示燈狀態(tài)控制的硬件有信號(hào)采集卡和輸出模塊。信號(hào)采集卡主要用來(lái)采集不同信號(hào)以便做出相應(yīng)的指示和動(dòng)作，系統(tǒng)中采用電壓采集卡采集開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變時(shí)電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)判斷電壓信號(hào)的變化模式（由高到低或由低到高）執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，由輸出模塊來(lái)改變指示燈的狀態(tài)。為保護(hù)制動(dòng)手柄電機(jī)和工人安全，設(shè)置制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)的急停電路，電磁繼電器控制。

3 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)

3.1.1 S曲線

在駐車(chē)制動(dòng)手柄反復(fù)拉起、放下的過(guò)程中，為保護(hù)駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)、減小手柄抓持器對(duì)制動(dòng)手柄的沖擊，提出7階段的加減速S曲線的全程規(guī)劃。其中7個(gè)階段分別為加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段。如圖6所示為Jerk（加速度導(dǎo)數(shù)）、加速度、速度、位移與時(shí)間的關(guān)系圖，其中Tk(k=1，2，…，7)分別為S曲線七個(gè)階段的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

圖6 加速度、速度、位移、Jerk與時(shí)間的關(guān)系

對(duì)曲線影響最大的是加加速度J值，如果J值過(guò)小，那么 S曲線中加速和減速持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)曲線的運(yùn)行時(shí)間較久；如果J值過(guò)大，那么系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所受沖擊大，振動(dòng)大。在駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中，應(yīng)該根據(jù)手柄拉起的角度，合理設(shè)置S曲線中各個(gè)階段的時(shí)間，然后確定J值。

根據(jù)S曲線速度與位移方程，在MATLAB中進(jìn)行編程，通過(guò)制動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)的角度，選擇合適的最大速度，及七個(gè)階段的具體時(shí)間。制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 手柄拉至第二棘輪齒的位移速度曲線

同樣根據(jù) MATLAB編程繪制將制動(dòng)手柄拉直第八棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線，得出制動(dòng)手柄拉至第八棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

圖8 手柄拉至第八棘輪齒的位移速度曲線

圖9 伺服電機(jī)Simulink模型

建立如圖9所示的伺服電機(jī)Simulink模型，驗(yàn)證制動(dòng)手柄的S曲線設(shè)置是否合理。

將駐車(chē)制動(dòng)手柄分別拉至第二棘輪齒和第八棘輪齒時(shí)仿真波形圖如圖10、11所示。

圖10 制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒的仿真波形圖

圖11 制動(dòng)手柄拉至第八棘輪齒的仿真波形圖

在制動(dòng)手柄的位移、速度波形圖可以看出，制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒和第八棘輪齒的運(yùn)行過(guò)程都比較平緩。在制動(dòng)手柄開(kāi)始運(yùn)行和停止運(yùn)行的階段都比較緩慢，所以可以有效抑制駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊。

利用直線運(yùn)動(dòng)函數(shù)使制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)將制動(dòng)手柄拉到第二棘輪齒處（該直線運(yùn)動(dòng)函數(shù)需要設(shè)置較多的參數(shù)，如資源名稱、加速度、減速度、位移量、速度等，可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置）。

3.2 調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)

利用數(shù)字輸出函數(shù)開(kāi)啟調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)電機(jī)使其對(duì)制動(dòng)手柄調(diào)整螺母進(jìn)行擰緊再將其關(guān)閉，最后利用力矩模式使其回位。

3.3 調(diào)整結(jié)果檢驗(yàn)

利用直線運(yùn)動(dòng)函數(shù)使制動(dòng)手柄操縱機(jī)構(gòu)將駐車(chē)制動(dòng)手柄拉至第二棘輪齒處，讀取當(dāng)前實(shí)時(shí)扭矩值并與要求扭矩值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前實(shí)時(shí)扭矩不在合格范圍內(nèi)，則控制調(diào)整螺母操縱機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行扭矩微調(diào)，最后利用力矩模式回位。

4 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)車(chē)驗(yàn)證可行后，通過(guò)大量實(shí)車(chē)測(cè)試試驗(yàn)的調(diào)整結(jié)果，驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的可靠性。分別對(duì) 200輛實(shí)車(chē)進(jìn)行駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整。對(duì)調(diào)整結(jié)果進(jìn)行CPK分析，表1為自動(dòng)調(diào)整時(shí)CPK分析具體參數(shù)表。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出自動(dòng)調(diào)整結(jié)果的CPK值為1.6，系統(tǒng)穩(wěn)定性等級(jí)為A級(jí)，由此可以看出，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)采用自動(dòng)調(diào)整時(shí)，穩(wěn)定性和可靠性均較高，滿足駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整要求。

表1 自動(dòng)調(diào)整時(shí)CPK分析具體參數(shù)表

4 結(jié)論

（1）基于人工調(diào)整工藝開(kāi)發(fā)一套駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，提升了生產(chǎn)線上駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度，減小了調(diào)整過(guò)程中人為因素的影響，提高了駐車(chē)制動(dòng)調(diào)整質(zhì)量和效率。

（2）對(duì)制動(dòng)手柄的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 S曲線規(guī)劃，從而降低駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整的過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊等，使得手柄的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。

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