车辆电控机械制动系统的设计与分析（汽车专业论文）
摘 要
随着科学技术的不断发展与进步，人们对汽车安全性的要求与日俱增，而优 异的制动性能以及一体化的底盘综合控制技术是现代汽车安全性的一个重要评 价标志。传统的汽车制动系统虽然制动性能也能满足现有制动法规的各项要求， 但是总的来说其存在制动效能低、响应速度慢、结构复杂、装配维修困难、制动 管路布置复杂、制动液会污染环境等等不足之处，因此，人们提出了车辆电控机 械制动系统（EMB-Electromechanical Braking System）以解决这些问题。并且， EMB 通过与其它部件经 CAN 总线集成还可以建立起一个综合的底盘控制系统。
本文根据国内外有关的 EMB 参考资料和相关机械的机构，提出了一类基本
的新型 EMB 执行机构总体布置方案，通过变元法和模糊综合评判从几种方案中 得到最优的总体布置方案。然后根据总体布置方案和相关技术指标设计出 EMB 机械执行机构。根据实际零部件的参数对 EMB 机械执行机构和执行电机进行机 电系统的建模和动力学分析。新设计出来的 EMB 制动系统其制动效能是否能符 合要求，需要和传统的 HB 制动系统制动效能进行对比。因此，根据车辆的动力 学模型、轮胎动力学模型、路面附着系数模型等建立了综合的整车制动模型，并 把 EMB 制动系统和 HB 制动系统引入到模型中，进行了制动效能的对比仿真， 仿真结果表明 EMB 制动系统具有比传统制动系统更好的制动效能和更快的响应 速度。此外，本文还基于 EMB 制动系统进行了初步的整车防侧翻分析。
本文设计的 EMB 制动系统对以后的更进一步设计和完善有一定的指导作 用，其数学建模和分析也为以后的工作提供了思路。
关键词：电控机械制动系统，EMB，变元法，模糊多目标优化，动力学分析， 制动效能对比，整车防侧翻分析
图 表 清 单
图 1.1 电控机械制动系统工作原理框图 ......................................................... 3 图 1.2 DELPHI 公司某 EHB 结构示意图........................................................ 4 图 1.3 EMB 制动系统的结构框图 .................................................................. 5 图 1.4 德国某公司 EMB 示意图 .................................................................... 5 图 1.5 两类 EMB 制动器的原理框图 ............................................................. 6 图 1.6 Bosch 公司的电子机械制动系统 ......................................................... 8 图 1.7 Siemens 公司的电子机械制动系统 ..................................................... 8 图 1.8 e-Brake 的结构原理框图..................................................................... 9 图 1.9 德国某公司开发的电控机械制动系统 ................................................. 9 图 1.10 德国某公司开发 EMB 的台架试验原理框图...................................... 9 图 1.11 EMB 制动系统的台架试验设备........................................................ 10 图 1.12 电控机械制动系统试验装置............................................................ 10 图 1.13 实验室整车制动试验示意图............................................................ 11 图 1.14 1/4 车制动试验示意图..................................................................... 11 图 2.1 汽车的制动过程 ............................................................................... 14 图 2.2 电控机械制动系统组成与原理框图................................................... 17 图 2.3 液压简单制动系示意图..................................................................... 18 图 2.4 踏板模拟器示意图............................................................................ 18 图 2.5 制动系统控制器示意图..................................................................... 19 图 2.6 德国某公司设计的 EMB 机械执行机构............................................. 21 图 2.7 齿轮减速箱传动结构示意简图 .......................................................... 21 图 2.8 行星齿轮减速器机构简图 ................................................................. 22 图 2.9 蜗轮蜗杆减速器机构简图 ................................................................. 22 图 2.10 两级大小螺旋传动机构结构简图 .................................................... 23 图 2.11 单级螺旋传动结构简图 ................................................................... 23 图 2.12 自增力夹紧机构结构简图 ............................................................... 23 图 2.13 基本布置方案的结构简图 ............................................................... 26 图 2.14 变元后的总体布置结构简图............................................................ 27 图 2.15 EMB 机械执行机构总体布置方案.................................................... 28 图 2.16 EMB 制动系统控制方案框图........................................................... 29 图 3.1 伺服电机特性曲线图 ................................................................................. 30 图 3.2 步进电机频率特性曲线图 ......................................................................... 30
图 3.3 异步电动机的机械特性曲线图 ................................................................. 31
图 3.4 同步电动机的工作特性曲线图 ................................................................. 31 图 3.5 90ZW-01 型无刷直流电机外观图............................................................. 32 图 3.6 电机安装尺寸示意图 ................................................................................. 32 图 3.7 机械执行机构传动部分效果图 ................................................................. 33 图 3.8 行星齿轮传动装配图.................................................................................. 34 图 3.9 螺杆传动的零件图...................................................................................... 34 图 3.10 制动摩擦衬块设计简图 ........................................................................... 35 图 3.11 齿轮辅助设计软件.................................................................................... 36 图 3.12 齿轮几何尺寸辅助计算软件 ................................................................... 36 图 4.1 整车复杂动力学模型 ................................................................................. 40 图 4.2 整车简化动力学模型 ................................................................................. 42 图 4.3 整车动力学模型仿真框图 ......................................................................... 43 图 4.4 整车制动模型计算流程图 ......................................................................... 43 图 4.5 轮胎动力学模型 ......................................................................................... 44 图 4.6 轮胎动力学模型仿真框图 ......................................................................... 44 图 4.7 路面附着系数随滑移率变化曲线 ............................................................. 45 图 4.8 路面附着系数计算模型仿真框图 ............................................................. 46 图 4.9 无刷直流电机等效电路图 ......................................................................... 46 图 4.10 电机转速与电压之间关系的仿真框图 ................................................... 48 图 4.11 电机输出力矩与电压之间关系的仿真框图............................................ 48 图 4.12 e 型行星齿轮减速器受力分析简图......................................................... 49 图 4.13 减速器输出力矩与电动机输出力矩之间关系的仿真框图 ................... 50 图 4.14 行星齿轮减速器动态响应曲线 ............................................................... 50 图 4.15 参数变化对减速器动态响的影响 ........................................................... 50 图 4.16 螺杆传动与制动蹄块的运动 ................................................................... 51 图 4.17 制动蹄块压紧力与减速器输出力矩之间关系的仿真框图 ................... 52 图 4.18 制动蹄块压紧力的动态响应曲线 ........................................................... 52 图 4.19 制动蹄块位移的动态响应曲线 ............................................................... 52 图 4.20 参数变化对螺杆传动动态响应的影响 ................................................... 53 图 4.21 机械执行机构的力传递路径 ................................................................... 53 图 4.22 制动蹄块压紧力与电动机输入电压之间关系的仿真框图 ................... 54 图 4.23 机械执行机构输出压紧力动态响应曲线 ............................................... 54 图 4.24 盘式制动器的作用半径计算简图 ........................................................... 55
图 4.25 制动装置仿真框图 ................................................................................... 56
图 4.26 EMB 制动总模型图 .................................................................................. 56 图 4.27 液压制动器结构框图 ............................................................................... 57 图 4.28 液压制动器制动力矩随时间变化曲线 ................................................... 58 图 4.29 整车制动模型仿真框图 ........................................................................... 58 图 4.30 加速度变化曲线（HB，30Km/h）........................................................ 59 图 4.31 制动距离变化曲线（HB，30Km/h）.................................................... 59 图 4.32 车轮角速度变化曲线（HB，30Km/h）................................................ 59 图 4.33 整车速度变化曲线（HB，30Km/h）.................................................... 59 图 4.34 车轮滑移率变化曲线（HB，30Km/h）................................................ 59 图 4.35 加速度变化曲线（EMB，30Km/h）..................................................... 60 图 4.36 制动距离变化曲线（EMB，30Km/h）................................................. 60 图 4.37 角速度变化曲线（EMB，30Km/h）..................................................... 60 图 4.38 整车速度变化曲线（EMB，30Km/h）................................................. 60 图 4.39 滑移率变化曲线（EMB，30Km/h）..................................................... 60 图 4.40 加速度变化曲线（HB，80Km/h）........................................................ 61 图 4.41 制动距离变化曲线（HB，80Km/h）.................................................... 61 图 4.42 角速度变化曲线（HB，80Km/h）........................................................ 61 图 4.43 整车速度变化曲线（HB，80Km/h）.................................................... 61 图 4.44 滑移率变化曲线（HB，80Km/h）........................................................ 61 图 4.45 加速度变化曲线（EMB，80Km/h）..................................................... 62 图 4.46 制动距离变化曲线（EMB，80Km/h）................................................. 62 图 4.47 角速度变化曲线（EMB，80Km/h）..................................................... 62 图 4.48 整车速度变化曲线（EMB，80Km/h）................................................. 62 图 4.49 滑移率变化曲线（EMB，80Km/h）..................................................... 62 图 4.50 加速度变化对比曲线 ............................................................................... 63 图 4.51 制动距离变化对比曲线 ........................................................................... 63 图 4.52 后轮角速度变化对比曲线 ....................................................................... 63 图 4.53 整车速度变化对比曲线 ........................................................................... 63 图 4.54 后轮滑移率变化对比曲线 ....................................................................... 63 图 5.1 EMB 在车辆防侧翻控制中的应用框图 ..................................................... 66 图 5.2 整车防侧翻模型 .......................................................................................... 68 图 5.3 车辆右转时的车轮受力分析图 .................................................................. 68 图 5.4 车辆侧翻预警模型前视图（危险状况） .................................................. 69
图 5.5 不发生侧翻时的路面制动力曲线 .............................................................. 70
图附 1.1 行星齿轮减速器传动简图 ...................................................................... 79 图附 1.2 偏心轴的结构简图 ................................................................................. 84 图附 1.3 偏心轴受力简图 ..................................................................................... 84 图附 1.4 水平面受力分析简图 ............................................................................. 84 图附 1.5 偏心轴结构草图与受力分析草图 ......................................................... 86 图附 1.6 偏心轴水平面受力与水平面弯矩图 ..................................................... 86 图附 1.7 偏心轴垂直面受力与垂直面弯矩图 ..................................................... 87 图附 1.8 偏心轴合成弯矩图与扭矩图 ................................................................. 87 图附 1.9 输出轴受力简图 ..................................................................................... 89 图附 1.10 输出轴水平面受力简图 ....................................................................... 89 图附 1.11 输出轴垂直面受力简图........................................................................ 89 图附 1.12 输出轴结构草图与受力分析草图 ....................................................... 90 图附 1.13 输出轴水平面受力与弯矩图 ............................................................... 90 图附 1.14 输出轴垂直面受力与弯矩图 ............................................................... 90 图附 1.15 输出轴合成弯矩图与扭矩图 ............................................................... 91 图附 2.1 螺纹传动各项基本尺寸示意图 .............................................................. 92 表 2.1 欧、美、日的有关标准、法规对制动效能的规定 ............................. 15 表 3.1 90ZW-01 型直流无刷电机技术参数 .................................................. 32 表 3.2 电机安装尺寸表 ............................................................................... 33 表 3.3 行星齿轮减速器的基本参数表 .......................................................... 33 表 3.4 螺杆传动的基本参数表..................................................................... 34 表 3.5 桑塔纳 2000 各项主要参数表 ........................................................... 37 表 3.6 EMB 各项主要参数表........................................................................ 37 表 3.7 各种路面状况下的最大路面制动力................................................... 38 表 4.1 在 30Km/h 初速下 HB 的制动效能 .......................................................... 59 表 4.2 在 30Km/h 初速下 EMB 的制动效能 ....................................................... 60 表 4.3 在 80Km/h 初速下 HB 的制动效能 .......................................................... 61 表 4.4 在 80Km/h 初速下 EMB 的制动效能 ....................................................... 62 表 4.5 在 80Km/h 初速下 EMB 与 HB 的制动效能对比 ................................... 63 表附 1.1 行星齿轮减速器各齿轮几何参数表 ............................................... 81 表附 1.2 各齿轮制造材料及各项性能指标................................................... 81 表附 1.3 滚针轴承的各项参数..................................................................... 83 表附 1.4 输出轴滚针轴承主要参数表 .......................................................... 88
参考文献
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