王軍年 劉軼材 馬浩凱 李爭(zhēng)一 左記祥

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025）

主題詞：電子駐車制動(dòng) 鼓式制動(dòng)器 自鎖 強(qiáng)度 MATLAB/Simscape仿真

1 前言

電子駐車制動(dòng)（Electric Parking Brake，EPB）系統(tǒng)已成為汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，廣泛應(yīng)用于乘用車中[2]。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，目前布置在輪邊的電子駐車制動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)普遍應(yīng)用盤式制動(dòng)器[3]。鼓式制動(dòng)器制動(dòng)效能高[4]、成本低、耐用程度高[5]，仍廣泛應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)型轎車、微型客車，以及輕、中型載貨汽車中[6]。而隨著汽車先進(jìn)控制系統(tǒng)成本降低，技術(shù)逐步下放，此類汽車的安全便利性電控系統(tǒng)的配備需求也越加迫切，因此開發(fā)高集成、低成本的鼓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有專利技術(shù)中涉及的電子駐車鼓式制動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)沒有布置在輪邊，而是選擇了成本較低的直接利用電機(jī)拖拽拉線實(shí)施駐車制動(dòng)的方案[7]。此方案對(duì)制動(dòng)底板背部的軸向和徑向空間尺寸提出了較高要求，并且在使用過程中制動(dòng)拉線容易出現(xiàn)變形松動(dòng)，會(huì)增加維護(hù)成本和駕駛室噪聲。另外，還有一些電子駐車鼓式制動(dòng)器利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)直接促動(dòng)兩制動(dòng)蹄實(shí)施電子駐車制動(dòng)[8]。該促動(dòng)方式本質(zhì)上屬于不等促動(dòng)力、等位移的鼓式制動(dòng)方案，導(dǎo)致制動(dòng)器制動(dòng)力不能充分發(fā)揮和兩蹄片磨損不均，另外，其傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，且對(duì)于制動(dòng)底板后方的徑向空間和軸向空間都有較高要求。

在分析現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、便于安裝且能夠節(jié)省有限的徑向空間的新型電子駐車鼓式制動(dòng)器，并根據(jù)某A0 級(jí)車輛的參數(shù)，匹配設(shè)計(jì)該電子駐車鼓式制動(dòng)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)受力較大的自鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行CAE 強(qiáng)度校核，最后基于MATLAB/Simscape 搭建整車模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。

2 電子駐車鼓式制動(dòng)器工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文所述的新型電子駐車鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要由沿軸向依次布置的鼓式制動(dòng)器、齒輪推桿機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)減速裝置組成[9]，如圖1 所示。固定在制動(dòng)器底板背面的步進(jìn)電機(jī)減速裝置（圖中未示出）主要由行星齒輪減速器、步進(jìn)電機(jī)組成，其通過同軸連接的齒輪推桿機(jī)構(gòu)與鼓式制動(dòng)器10 連接。鼓式制動(dòng)器部分由制動(dòng)鼓、制動(dòng)輪缸11、回位彈簧12、制動(dòng)蹄腹板13、制動(dòng)蹄片15、底板14組成。齒輪推桿機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)部分20和自鎖部分30組成。傳動(dòng)部分如圖1、圖2所示，端面帶有棘輪的齒輪25與另外2個(gè)偏心銷齒輪24組成的定軸輪系在運(yùn)動(dòng)的過程中帶動(dòng)推桿22，可促動(dòng)制動(dòng)器的蹄片張開。自鎖部分如圖1、圖3 所示，該部分各零件依次同軸布置，其中自鎖圓筒31 的一端端面帶有鋸齒狀棘爪，另一端面帶有一圓形環(huán)槽以放置彈簧32，其圓周外側(cè)軸向均布有矩形花鍵，用于與固連在制動(dòng)器底板上的導(dǎo)軌套33 的鍵槽相互配合，以達(dá)到導(dǎo)軌只約束其旋轉(zhuǎn)而不影響其沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的目的。

圖3 電子駐車鼓式制動(dòng)器自鎖部分結(jié)構(gòu)

圖2 電子駐車鼓式制動(dòng)器傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)

圖1 電子駐車鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

當(dāng)車輛由正常行駛進(jìn)入行車制動(dòng)工況時(shí)，鼓式制動(dòng)器的蹄片在制動(dòng)器液壓輪缸作用下繞各自支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至張開，直至與制動(dòng)鼓接觸產(chǎn)生行車制動(dòng)摩擦力矩。此過程中，由于制動(dòng)蹄腹板上的弧形孔位設(shè)計(jì)余量的存在，不會(huì)對(duì)行車制動(dòng)的施加與解除產(chǎn)生任何影響。

2.2 系統(tǒng)控制流程

當(dāng)車輛進(jìn)入駐車制動(dòng)工況時(shí)，步進(jìn)電機(jī)減速裝置通電開始工作，帶動(dòng)齒輪推桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使2個(gè)蹄片逐漸張開并施加一定的壓力。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)斷電后，自鎖圓筒和齒輪上的棘輪在彈簧的彈力作用下相互接觸咬合，使得蹄片無法返回初始位置，以此實(shí)現(xiàn)斷電自鎖。

當(dāng)駕駛員起動(dòng)車輛，發(fā)出解除駐車制動(dòng)的指令時(shí)，固連在導(dǎo)軌內(nèi)部的電磁鐵通電，電磁力克服彈簧的作用力吸引自鎖圓筒沿軸向移動(dòng)到導(dǎo)軌內(nèi)部的軸肩上，使棘輪棘爪機(jī)構(gòu)克服彈簧彈力分離，此時(shí)，鼓式制動(dòng)器的回位彈簧將蹄片拉回初始位置，從而解除駐車制動(dòng)。控制流程如圖4所示。

圖4 電子駐車鼓式制動(dòng)器控制流程

3 電子駐車鼓式制動(dòng)器零部件設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)器駐車制動(dòng)力計(jì)算

按照GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的要求，在空載狀態(tài)下，駐車制動(dòng)裝置應(yīng)能保證車輛在坡度為20%，輪胎與路面的附著系數(shù)不小于0.7 的坡道上正、反兩個(gè)方向保持固定不動(dòng)，時(shí)間不小于2 min。本文選用某A0 級(jí)轎車數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其后輪為鼓式制動(dòng)器，整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

如圖5所示，汽車在坡道上應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間保持靜平衡，即車輛駐車制動(dòng)力應(yīng)不小于汽車自身重力在坡道方向的分力，且一般只有后輪存在駐車制動(dòng)力，因此，可求得汽車后輪所需駐車制動(dòng)力Fxb及單側(cè)車輪的制動(dòng)力矩Ts：

圖5 車輛駐車制動(dòng)受力情況

式中，k為安全因數(shù)，由于駐車制動(dòng)系統(tǒng)的安全性要求，取k=1.5；α為坡度角，根據(jù)駐坡法規(guī)要求坡度20%，取α=11.3°。

帶入表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得Ts=497 N·m。初選電機(jī)額定功率P=2 kW，額定轉(zhuǎn)速n=500 r/min。電機(jī)經(jīng)減速器減速增扭后應(yīng)達(dá)到單側(cè)所需制動(dòng)力矩，由Ts=9 550Pi/n，計(jì)算可得行星齒輪減速器傳動(dòng)比i=13.0。由nout=n/i，可根據(jù)計(jì)算得到減速器輸出轉(zhuǎn)速nout=38.4 r/min。對(duì)于鼓式制動(dòng)器襯片與制動(dòng)鼓通常預(yù)留的0.2 mm制動(dòng)間隙而言，該轉(zhuǎn)速下制動(dòng)間隙消除時(shí)間約為0.05 s，滿足駐車制動(dòng)0.3～0.5 s的響應(yīng)時(shí)間要求[10]。

3.2 齒輪組的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證蹄片可靠張開，且盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸，便于加工，選擇圓柱斜齒輪進(jìn)行齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該齒輪的作用為使制動(dòng)蹄片張開，故需要其承受足夠的壓力并有較長(zhǎng)的使用壽命。故齒輪材料選用綜合性能較好的40MnB，并采用表面淬火，為硬齒面，選擇8 級(jí)精度加工。

考慮整套機(jī)構(gòu)位于2個(gè)制動(dòng)蹄內(nèi)部，因此要求結(jié)構(gòu)較為緊湊，分別取中間齒輪齒數(shù)z1=17，兩側(cè)齒輪齒數(shù)z2=18，螺旋角β=20°。

齒輪為硬齒面，因此按彎曲強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，按式（3）計(jì)算初選斜齒輪法面模數(shù)mnt：

式中，T1為輸入齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，由電機(jī)額定功率P和減速器輸出轉(zhuǎn)速nout確定；Kt為載荷系數(shù)，初選Kt=2.0；ψd為齒寬系數(shù)，查表后取0.40；Yε為重合度系數(shù)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)后計(jì)算得Yε=0.72；Yβ=0.85 為螺旋角系數(shù)；為比較系數(shù)，取兩齒輪較小值0.012。

初算mnt>4.82，根據(jù)齒輪線速度v修正載荷系數(shù)，取K=1.87，代入式（4）：

計(jì)算得最小法面模數(shù)mn=4.72，因此取模數(shù)mn=5。將齒輪中心距圓整為93 mm，則修正后螺旋角β=19.803 5°。因此可計(jì)算得到齒輪分度圓直徑d1、d2與寬度b：

綜上，取d1=90.3 mm、d2=95.6 mm、b=36.1 mm，齒輪中心距圓整為93 mm，修正后螺旋角β=19.803 5°。該組齒輪可以放入制動(dòng)蹄片之間，根據(jù)齒輪接觸強(qiáng)度理論進(jìn)行校驗(yàn)，接觸強(qiáng)度足夠，設(shè)計(jì)合理。

3.3 軸系的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行中間軸的設(shè)計(jì)，中間軸為傳動(dòng)軸，因此按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由電機(jī)額定功率P=2 kW，單側(cè)車輪制動(dòng)力矩Ts=497 N·m，選擇45#鋼，經(jīng)查閱系數(shù)C取值范圍為107～118，取C=109，故中間軸的最小直徑Dlmin為：

考慮到鍵槽的存在將削弱軸的強(qiáng)度，兩端設(shè)計(jì)直徑為：

計(jì)算得Dlmin=40.6 mm，中間軸直徑D1=41.8 mm。

然后進(jìn)行固定軸的設(shè)計(jì)，由于固定軸為轉(zhuǎn)軸，計(jì)算軸的受力情況后根據(jù)彎扭組合強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)軸的直徑。由于齒輪為斜齒輪，除摩擦力外，齒輪嚙合時(shí)受力在分度圓上分解為相互垂直的3個(gè)分力：

式中，αa=20°為分度圓壓力角；Ft=11 000.3 N為圓周力；Fr=4 256.3 N 為徑向力；Fa=3 961.9 N 為軸向力，并考慮推桿對(duì)其受力。

由于推桿為二力桿件，其承受壓力Fp與圓周力Ft的關(guān)系為：

式中，θ為推桿與齒輪切線的夾角，最大為45°。

計(jì)算得推桿最大壓力Fpmax=7 780.3 N。根據(jù)彎扭組合理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并取安全系數(shù)S=2，應(yīng)力折算系數(shù)α=1，計(jì)算得支撐軸設(shè)計(jì)直徑D2=34.2 mm，為便于滾針軸承的選取，取整后為35 mm。為保證齒輪定位可靠，軸肩尺寸取38 mm。

3.4 自鎖機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及CAE分析

自鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于棘輪棘爪處的參數(shù)，但由于類似結(jié)構(gòu)沒有成型的設(shè)計(jì)公式，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)其承受力矩為Ts=497 N·m，對(duì)于自鎖圓筒，預(yù)設(shè)棘輪機(jī)構(gòu)的最大直徑和最小直徑分別為Djmax=66 mm和Djmin=35 mm，此時(shí)計(jì)算棘輪分度圓直徑Dj=(Djmax+Djmin)/2=50.5 mm，取齒數(shù)zj=29。對(duì)于配套端面帶棘輪的齒輪結(jié)構(gòu)，考慮到導(dǎo)向平順性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選擇導(dǎo)軌數(shù)量為6條，整體結(jié)構(gòu)綜合考慮使用強(qiáng)度需求和不過分增加簧下質(zhì)量要求，采用結(jié)構(gòu)鋼材料。

由于制動(dòng)器的自鎖結(jié)構(gòu)部分受力復(fù)雜，難以進(jìn)行計(jì)算校核，對(duì)其部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析校核。由于在駐車制動(dòng)過程中，電子駐車鼓式制動(dòng)器的自鎖機(jī)構(gòu)所受載荷為靜載荷，并以前文推得的制動(dòng)力矩為計(jì)算的輸入條件，對(duì)自鎖結(jié)構(gòu)各零件進(jìn)行強(qiáng)度分析。電子駐車鼓式制動(dòng)器自鎖結(jié)構(gòu)及從動(dòng)齒輪應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)力分布云圖

由CAE 分析可知：端面有棘爪的齒輪應(yīng)力集中處為棘爪根部，最大應(yīng)力40.7 MPa；自鎖圓筒應(yīng)力集中處為其外圓表面、花鍵與棘爪底部端面3 個(gè)面的交點(diǎn)，最大應(yīng)力184.6 MPa；導(dǎo)軌套受力面為花鍵槽側(cè)面，最大應(yīng)力67.9 MPa；偏心銷的最大應(yīng)力分布在其與齒輪配合截面處，最大應(yīng)力294.8 MPa；推桿的最大應(yīng)力分布在其與偏心銷配合位置，最大應(yīng)力54.8 MPa。各結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。綜上，零件強(qiáng)度足夠，設(shè)計(jì)可靠。

4 整車應(yīng)用仿真驗(yàn)證

4.1 整車模型的建立

為驗(yàn)證提出的新型電子駐車鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)性能以及參數(shù)匹配的合理性，基于物理系統(tǒng)仿真軟件MATLAB/Simscape 搭建A0 級(jí)車輛縱向仿真模型，包括動(dòng)力系統(tǒng)、行車制動(dòng)系統(tǒng)，并建立含有直流電機(jī)、減速器及齒輪傳動(dòng)的電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)，參數(shù)與設(shè)計(jì)值相同。對(duì)駐車制動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，模型如圖7所示。整車模型的關(guān)鍵參數(shù)見表1，輪胎采用魔術(shù)公式模型，其有效直徑為464 mm。

圖7 Simscape仿真模型

根據(jù)制動(dòng)法規(guī)，在仿真中選擇在坡度為20%，路面附著系數(shù)為0.75的良好路面上進(jìn)行駐車制動(dòng)。預(yù)設(shè)駐車制動(dòng)開始前，汽車已通過行車制動(dòng)機(jī)構(gòu)減速至5 km/h，并且不考慮風(fēng)速影響。試驗(yàn)中，變速器擋位處于空擋，離合器不接合，并且不進(jìn)行行車制動(dòng)，驗(yàn)證駐車制動(dòng)系統(tǒng)效能。

4.2 仿真結(jié)果

在Simscape內(nèi)置求解器中進(jìn)行仿真求解，仿真結(jié)果如圖8 所示，在駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電機(jī)作用下，后輪制動(dòng)力矩迅速達(dá)到需求制動(dòng)力矩，而駐車制動(dòng)系統(tǒng)不影響前輪，因此前輪制動(dòng)力矩為零（圖中省略）。在電子駐車鼓式制動(dòng)器的作用下，汽車以5 km/h初速度在0.44 s內(nèi)迅速停止，制動(dòng)距離為0.3 m，并在坡度為20%的坡道上穩(wěn)定完成駐車過程。仿真結(jié)果表明，該電子駐車鼓式制動(dòng)器可以快速動(dòng)作，產(chǎn)生足夠的駐車制動(dòng)力矩，使車輛平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)，驗(yàn)證結(jié)果有效。

圖8 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型的電子駐車鼓式制動(dòng)器，基于某A0 級(jí)轎車進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵自鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了CAE 強(qiáng)度校核，最后進(jìn)行了應(yīng)用于整車的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，本文提出的電子駐車鼓式制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)合理，該制動(dòng)器能滿足車輛20%坡道上駐車制動(dòng)的相關(guān)法規(guī)要求，且響應(yīng)迅速、制動(dòng)可靠。另外，還具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間利用率高、安全自鎖等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高采用鼓式制動(dòng)器的經(jīng)濟(jì)型乘用車和輕型商用車的底盤電子化水平。