朱宇，李淑萍

（蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院，江蘇蘇州，215123）

0 前言

電子駐車制動系統(tǒng)接受遍布在汽車各個部位的傳感器發(fā)送的信號，當(dāng)駕駛員遇到紅燈等需要短暫停車的情況時，懸架上的輪速傳感器以及發(fā)動機(jī)扭矩傳感器將檢測到的汽車信息采集并發(fā)往ECU控制單元，ECU做出判斷然后控制制動卡鉗咬緊制動盤，完成駐車。從技術(shù)方面看，相對傳統(tǒng)的駐車存在駕駛者操作不正確或不到位的隱患而且功能性單一，而電子駐車的功能豐富且更加安全可靠，是一次技術(shù)上的升級。傳統(tǒng)式手剎是拉索式的，手拉桿處的棘輪會發(fā)出喀嗒升，拉起的棘輪齒數(shù)決定了制動力的大小，所以傳統(tǒng)駐車結(jié)構(gòu)是純機(jī)械化操控，而電子駐車制動模式采用按鈕操作，非常簡單省力，所以極大提升了舒適性。

1 電子駐車制動系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)駐車制動機(jī)構(gòu)

跟行車制動相比，駐車制動所需的制動力要小得多。因?yàn)轳v車制動多發(fā)生在汽車熄火之后，汽車能提供的動力系統(tǒng)會因?yàn)槠囅ɑ鸲ピ械男Ч虼俗钤绲鸟v車系統(tǒng)就是通過機(jī)械裝置鎖緊車輪以實(shí)現(xiàn)駐車的目的[1]，如圖1所示。

圖1 機(jī)械裝置示意圖

傳統(tǒng)手剎是在車廂內(nèi)設(shè)置一個手剎桿，當(dāng)駕駛員拉起手剎桿時會帶動鋼索拉緊，然后鼓式剎車鎖住后輪，完成駐車動作。駐車系統(tǒng)的本質(zhì)就是通過對車輪施加一個摩擦力，保證車輪與車身、地面保持相對靜止。傳統(tǒng)的手剎和腳剎系統(tǒng)正是通過手剎桿的拉起程度或者腳剎踏板的踩下程度來控制駐車力的大小，而判斷駐車力的大小基本靠駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和力量決定。因此，當(dāng)力量比較弱小或者經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員進(jìn)行操作時就存在著施加的駐車力不足而導(dǎo)致車輛溜坡的隱患[2]。

1.2 電子駐車制動系統(tǒng)的原理

過去的電子駐車制動的控制技術(shù)是通過車上的電子按鈕控制電機(jī)完成鋼索的拉緊，這雖然達(dá)到了電力控制而且方便駕駛員的操作，但是其制動的內(nèi)涵并未發(fā)生實(shí)質(zhì)上的改變[3]。

全新意義上的電子駐車技術(shù)（以下簡稱EPB）是將原有的鋼索取消，通過集成在后輪盤式制動器上的電機(jī)動作完成電子駐車的過程，而過去的行車制動過程只是通過液壓系統(tǒng)完成的。隨著技術(shù)時代的更新，對于安全認(rèn)知的不斷提升催使了EPB的出現(xiàn)，對于安全系統(tǒng)的控制也從粗略的整體控制向精確的部分控制改變，如ABS、ESP等系統(tǒng)的誕生都為EPB鋪墊了基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 集成式卡鉗結(jié)構(gòu)示意圖

EPB集成的制動卡鉗通過支架固定于汽車的后懸架上，當(dāng)ECU接收到電子駐車的開關(guān)信號，經(jīng)過判斷計算后向集成于制動卡鉗上的直流電機(jī)發(fā)送信號，經(jīng)過減速器和傳動心軸以及壓力螺母的運(yùn)動轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)推動活塞，活塞隨之推動摩擦片與制動盤摩擦達(dá)到保持車輪相對汽車與地面靜止為目的。

1.3 電子駐車制動系統(tǒng)的功能

在對電子駐車制動系統(tǒng)的設(shè)計時，要實(shí)現(xiàn)基本的駐車和解除駐車功能外，還要能確保操作過程的安全性，另外還要能智能化的實(shí)現(xiàn)自動駐車和解除駐車的功能[4]。

1.3.1 駐車功能

駐車功能根據(jù)開啟時的車速可以分為兩種情況：

（1）靜態(tài)駐車

當(dāng)汽車處于較低的速度時（車速小于安全速度），拉起駐車制動按鈕，ECU會控制電機(jī)鎖死車輪，達(dá)到駐車的目的，如圖3所示。

圖3 靜態(tài)駐車策略

（2）動態(tài)駐車

當(dāng)汽車車速較高時（車速大于安全速度），拉起駐車制動按鈕，ECU不會驅(qū)動電機(jī)動作，而是通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行制動，ABS系統(tǒng)也將參與控制，如圖4所示。

圖4 動態(tài)駐車策略

1.3.2 緊急制動功能

在汽車行駛過程中，假如制動失效，駕駛員開啟電子駐車并踩下制動踏板，通過制動踏板ECU會判斷駕駛者的剎車意圖，并驅(qū)動另一套液壓裝置對活塞施壓完成行車制動。在新手駕駛員行駛過程中如果無法準(zhǔn)確的判斷路況以及將要發(fā)生的危險，位于副駕駛的乘客可以拉起EPB開關(guān)，在速度不高的情況下也可以完成緊急制動。

1.3.3 便利性功能

（1）坡道輔助功能

當(dāng)駕駛員遇到特殊情況不得不在斜坡上駐車或者短時停車時，ECU通過獲得的信息分析判斷出汽車所處位置，從而提供足夠的駐車力保證車輛穩(wěn)定停駐[5]。當(dāng)駕駛員準(zhǔn)備從斜坡上離開時，駐車系統(tǒng)并不會馬上停止它的工作，而是“細(xì)心”地分析著汽車的受力情況。當(dāng)在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)時再松開，可使得汽車得以平穩(wěn)的起步，這無疑成為了駕駛員盡職盡責(zé)的好幫手。

（2）autohold功能

當(dāng)汽車行駛于城鎮(zhèn)中時,總會因?yàn)榧t綠燈或者交通狀況等原因時常發(fā)生短時間的停駐，此時駕駛員需要右腳保持剎車。在這個保持踩剎車的過程中右腳一直處于工作狀態(tài)，盡管負(fù)荷不大，但時間久了也會使人變得疲憊[6]。但在裝備電子駐車的autohold功能后，可根據(jù)車輛的行車狀態(tài)便能夠自動地長久維持駐車。當(dāng)要啟動時，駕駛員可踩下油門，汽車便可以解除駐車狀態(tài)而平穩(wěn)起步。

2 電子駐車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電子駐車的技術(shù)要求

駐車系統(tǒng)是保證汽車能夠安全可靠停駐的基礎(chǔ)，而不同的生產(chǎn)商可能會因?yàn)樽陨淼脑颍ɑ蚩刂瞥杀净蛞源藶樽陨韮?yōu)勢）導(dǎo)致市面上不同車型的駐車能力良莠不齊。因此，針對汽車的安全系統(tǒng)做出一個最低標(biāo)準(zhǔn)是極其有必要的。國家早已在多個方面針對汽車的安全系統(tǒng)進(jìn)行了完善的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)制定，例如從零部件的技術(shù)條件以及試驗(yàn)方法都有了明確的規(guī)定。有關(guān)汽車的駐車能力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以參照《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件GB7258-2012》規(guī)定[1]。

2.2 總體方案設(shè)計

電子駐車系統(tǒng)是為了汽車可以方便的停駐啟動而生的產(chǎn)品，它的性能應(yīng)能完全滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。為了節(jié)省空間和成本，電子駐車將駐車執(zhí)行電機(jī)集成于每一個制動卡鉗之上，所以制動卡鉗需要擁有液壓制動以及駐車制動。在使用過程中活塞和傳動心軸都是運(yùn)動的，因此在兩者處需要添加密封，為了確保液壓的可靠性以及防止污染，選擇矩形圈作為密封圈。制動鉗鉗體通過兩個耳孔連接支架，再與懸架相連接，并要保證剎車片的與制動盤的相對位置和間隙。

駐車執(zhí)行過程通過一個12V直流電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過減速增矩后轉(zhuǎn)換運(yùn)動形式，通過壓力螺母頂住活塞駐車。在結(jié)構(gòu)可以滿足要求條件下應(yīng)該盡量將卡鉗外觀設(shè)計的美觀，以滿足使用者的不同需求。

2.3 汽車制動器各大主零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 制動盤

考慮到汽車的制造成本，所以本設(shè)計的制動盤的結(jié)構(gòu)選用實(shí)心的制動盤，制動盤的厚度選取15mm。如果表面厚度為不均勻的制動盤，其旋轉(zhuǎn)過程中擺差就會過大，進(jìn)而可能引起制動踏板振動。

2.3.2 制動鉗

生產(chǎn)制動器制動鉗所采用材料制造一般分為兩種，一種是可鍛造鑄鐵，另一種是球墨鑄鐵。為了能更加方便而又不必將制動鉗取下就可以檢查、檢修制動塊，所以在其外邊緣留有一個檢修開口。鉗盤式制動器的油缸直徑一般會設(shè)計得比較大，在轎車設(shè)計中，單缸式的鉗盤式制動器的油缸的直徑可達(dá)68.1mm，雙缸的油缸直徑可達(dá)45.4mm。

2.3.3 制動塊

制動塊是制動器的主要零件之一，它一般是由背板與摩擦襯塊兩部分組成的，摩擦襯塊的形狀一般都是做成扇形的。通常摩擦襯塊的外半徑R2和內(nèi)半徑R1的比值不能太大，它們比值一般不能大于1.5。

2.3.4 摩擦材料

根據(jù)我國汽車行業(yè)的實(shí)際情況和本設(shè)計的一些要求，此次設(shè)計選擇摩擦材料是粉末冶金摩擦材料。它主要成分是以銅粉或鐵粉為主，占到總質(zhì)量的60%到80%。剩余部分再用一些非金屬粉末作為摩擦系數(shù)調(diào)整劑，例如石墨粉，陶瓷粉等。

2.4 電子駐車系統(tǒng)驅(qū)動及傳動設(shè)計

2.4.1 電機(jī)選型

卡鉗電機(jī)的工作要求比較高，工作環(huán)境復(fù)雜惡劣。作為汽車安全系統(tǒng)的執(zhí)行者,我們要求卡鉗電機(jī)能有較高的性能，較低的質(zhì)量和功耗以及較快的響應(yīng)速度，且卡鉗電機(jī)需要有一定的堵轉(zhuǎn)能力。

車載系統(tǒng)中多采用的是12V-24V直流電,卡鉗的駐車電機(jī)選擇為12V直流電機(jī)。電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

2.4.2 運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計

我們需要通過運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置使得電機(jī)可以為活塞提供動力，同時電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，相比較行車時制動的制動力，駐車時的要小得多，可靠性是第一因素。

絲杠螺母傳動可靠穩(wěn)定，還可以滿足自鎖的要求。更加符合汽車安全系統(tǒng)的要求，因此最終選型為絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 絲桿螺母機(jī)構(gòu)

在設(shè)計中，根據(jù)使用條件選用了梯形螺紋。根據(jù)GB5796.4-86可以確定梯形螺紋的精度，而它的極限尺寸則根據(jù)GB12359-90可以確定。所以本設(shè)計選用中等精度的梯形螺紋。

3 結(jié)論

綜上所示，本文結(jié)合電子駐車制動系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)操作開展設(shè)計，并利用電機(jī)驅(qū)動可有效保護(hù)制動系統(tǒng)因瞬時電流過大導(dǎo)致的損壞。電子駐車的控制電機(jī)需要滿足正反轉(zhuǎn)的控制，因此一般采用集成式卡鉗結(jié)構(gòu)來控制電機(jī)。由于經(jīng)驗(yàn)、時間和條件的限制，目前只是對電子駐車制動系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，后續(xù)還需要對駐車制動系統(tǒng)生產(chǎn)的可行性、控制策略等問題進(jìn)行研究。文中對汽車制動器各大主零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子控制使得整個系統(tǒng)小而強(qiáng)悍，適用性強(qiáng)，無須特殊調(diào)整。近些年來，得益于技術(shù)的成熟和成本的控制，電子駐車已經(jīng)開始向中低端車型開始普及。基于上述優(yōu)勢，電子駐車制動系統(tǒng)不僅能夠滿足駕駛需求，滿足社會需求，還能實(shí)現(xiàn)人、車、社會、環(huán)境之間的有機(jī)聯(lián)接。因此，電子駐車制動系統(tǒng)在未來的應(yīng)用中肯定會越來越全面、廣泛。