王偉

[摘 要]本文設計了基于電機助力的新型制動系統(tǒng)，主要對制動系統(tǒng)的電動助力結構，人力缸結構進行了設計，以及對助力電機的參數(shù)的計算方法進行了說明。新型的制動系統(tǒng)使得系統(tǒng)結構與真空助力制動系統(tǒng)相比較，結構大為簡化，可實現(xiàn)線控制動、主動制動等多種模式。通過實驗驗證，制動效果達到預期，證明了設計的合理性。

[關鍵詞]制動系統(tǒng)；電動助力；結構設計；電機選擇

中圖分類號：TD353.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）08-0116-02

1 前言

隨著化石能源危機以及傳統(tǒng)汽車排放問題逐漸引起人們的關注，電動汽車慢慢進入人們的視野。電動汽車作為一種“零排放”車輛，可以很好緩解當前中國日益嚴重的大氣污染問題，并且電能的獲取方式多種多樣，人類已經可以使用清潔方式獲取電能。電動汽車技術的發(fā)展是適應人類發(fā)展需要的，并且電動車技術已經得到各國政府的大力支持。

我國的電動車發(fā)展勢頭良好，各個廠商紛紛推出了自己的電動汽車。當前電動汽車上面的制動系統(tǒng)多為真空助力制動，真空助力制動系統(tǒng)也是目前多數(shù)乘用車的制動形式。真空助力制動系統(tǒng)也稱真空伺服制動系統(tǒng)，兼用人力和機械力。傳統(tǒng)汽車上的真空伺服制動系統(tǒng)的主要結構是真空管路加上真空伺服氣室，真空源來自于發(fā)動機進氣歧管[1]；在電動汽車上沒有傳統(tǒng)的內燃機，真空源由真空泵提供，真空泵由自帶獨立電機提供能量。這樣就造成制動系統(tǒng)過于復雜累贅。

本文以基于某款純電動轎車的研發(fā)為例，提出一種全新的制動系統(tǒng)方案。使用電機作為直接的助力方式，將踏板位移作為輸入變量來控制電機的輸出轉矩，電機通過機械結構直接推動制動主缸。這樣一來就充分利用了電動汽車的優(yōu)點，并且使結構大大簡化。

2 電動助力制動系統(tǒng)結構特點

電動助力制動系統(tǒng)的結構如下圖所示。

工作原理簡述：

1、踩下制動踏板，推動踏板推桿1向前運動（圖示左向為前），力由踏板推桿1傳遞到中心管2，再經踏板模擬彈簧3傳遞到后活塞7，使得后活塞7向前運動克服間隙S1。此時前腔為密閉狀態(tài)，后活塞7不能繼續(xù)往前移動。

2、繼續(xù)踩下制動踏板，由于后活塞7不動，使得踏板模擬彈簧3發(fā)揮作用，提供踏板腳感。同時踏板推桿1推著中心管2向前運動，這個過程為線控制動過程，根據(jù)踏板轉角傳感器獲得踏板位移數(shù)據(jù)，控制電機12工作，電機12與絲杠13通過花鍵連接同步轉動。螺母14與絲杠13配合，將轉動變成沿螺母14軸線方向上的平動。螺母14與套筒推桿15通過螺栓連接，套筒推桿15推動活塞16運動，從而在電動缸缸體內建立壓力，經管路傳遞到前活塞10，繼而推動制動主缸（圖示未畫出），實現(xiàn)制動。

3、當中心管2運動克服距離S2，中心管2與頂桿9接觸，不能繼續(xù)向前運動，此時距離S3也被消除（S2=S3），如下圖2.2所示，此時前腔后腔導通。前腔油液可通過路徑1流至后腔。

4、前后腔導通后，前腔泄壓，線控制動階段結束。繼續(xù)踩下制動踏板，頂桿9將與前活塞10接觸，將踏板力傳遞至前活塞，此時前活塞受到的力由傳遞過來的踏板力與電動缸產生的壓力疊加而成。實現(xiàn)助力模式。

3.電動助力制動系統(tǒng)的設計計算

以市面上某款純電動汽車（原車采用真空助力制動方式）的制動系統(tǒng)為例，要求設計的制動系統(tǒng)性能不低于原車制動性能。在滿足制動性能的條件下要求助力電機扭矩功率最小來進行分析計算。

根據(jù)制動要求，便可以得出所需要的輪缸壓力，繼而可以求出主缸壓力和主缸推桿力。通過選取一定的助力比，最后可以計算出要求的電機參數(shù)。計算流程如下圖所示。此車型的制動器類型為前盤后鼓，盤式制動器跟鼓式制動器的的計算公式不同。以下的計算流程是以車輪上的盤式制動器為例，對于鼓式制動器，計算流程相同，只是計算制動輪缸對鼓式制動器力的計算公式的選擇不同[2]。

現(xiàn)在對此車型的制動系統(tǒng)進行計算，在保證制動性能的前提下，選取出適合的電機。

計算出汽車前輪最大制動力FXmax1和后輪最大制動力FXmax2；

，

.

式中，G為汽車重力，16268N；L為軸距2675mm；L1為汽車質心至前軸中心線的距離1204mm；L2為汽車質心至后軸中心線的距離1471mm；f為地面附著系數(shù)取0.9；hg為汽車質心高度490mm；g為重力加速度9.8m·s-2；du/dt為汽車制動減速度[3]。

經過計算得出，該車型滿載時，F(xiàn)Xmax1=10741N，F(xiàn)Xmax2=3900N。則單個前/后車輪最大制動力分別為：Fxb1=5370N，F(xiàn)xb2=1950N.

對于雙側制動塊盤式制動器，作用在制動盤上的最大夾緊力為：

計算得到前車輪制動盤的最大夾緊力分別為：

對于前輪缸

得出前車輪輪缸最大壓力為。

對于后輪缸

得出后車輪輪缸最大壓力為P2=945MP.

下一步是求出主缸的活塞桿推力。

前盤后鼓PV特性表達式：

其中，P表示輪缸的壓力（MPa）；V表示主缸制動液的容積變化量（ml，不包括主缸活塞空行程引起的制動液的容積變化量）。由此可以計算出主缸的容積變化量為4.249ml。

主缸活塞的推力Fm為電機通過滾珠絲杠輸出至活塞推桿的推桿力Fb和低壓腔壓力F1對活塞的推力之和。

根據(jù)相關設計資料，踏板機構及液壓主缸的機械效率約為0.82～0.86，取踏板機構效率為0.95，則液壓主缸機械效率為0.86～0.91，此處取機械效率，則車輛制動強度最大時，對應的主缸活塞推力：

取Pmax=p2，計算得最大活塞推力Fm max=4295N。

通過選取一定的助力比，就可以選擇相應的電機。此處我們將助力比選為5。

電機扭矩與推桿力存在下列關系式：，

絲杠螺母移動速度：，

電機平均轉速：，

為滾珠絲杠機械效率，這里取0.9，Ph為絲杠導程，初始壓力建立時間取0.4s，則不同絲杠導程對應的電機參數(shù)如下表所示：

4 結束語

在新型制動系統(tǒng)的設計中要合理選擇各個部分的參數(shù)，并且根據(jù)要實現(xiàn)的功能合理設計結構。一般來說，選取的電機扭矩越大，助力功能越明顯，駕駛員越省力。但是要考慮到駕駛員最佳踏板感覺，不能讓駕駛員的駕駛感覺有很大的變化，因此在選擇助力比和電機參數(shù)的時候要考慮這些因素。經過實際實驗測試本系統(tǒng)的輪缸壓力，前后車輪輪缸的最大壓力可以達870MP到以及9.45mp，滿足制動要求。

參考文獻

[1] 張欣宇，黃妙華，夏青松，一種用于電動汽車的真空助力制動系統(tǒng)設計[J].北京汽車，2007，9（10）：4[期刊]

[2] 林逸，賀麗娟，何洪文，陳瀟凱，電動汽車真空助力制動系統(tǒng)的計算研究[J].汽車技術，2006，（10）：19[期刊]

[3] 余志生.汽車理論[M].第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2009[書籍]