導(dǎo)語(yǔ)：汽車電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗夾緊力控制研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:電子機(jī)械制動(dòng)是線控制動(dòng)的一種重要形式。以企業(yè)內(nèi)部某樣車為目標(biāo)車型，設(shè)計(jì)一套后輪電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗(EMB)?；诳ㄣQ剛度建立了卡鉗夾緊力控制仿真模型，并進(jìn)行了夾緊力響應(yīng)特性試驗(yàn)驗(yàn)證。EMB卡鉗響應(yīng)最大需求夾緊力時(shí)間約為160ms，夾緊力輸出能夠較好地跟隨階躍、正弦及隨機(jī)目標(biāo)曲線。仿真模型能夠較準(zhǔn)確地模擬卡鉗夾緊力及活塞位移變化。同時(shí)，卡鉗剛度標(biāo)定對(duì)EMB卡鉗夾緊力輸出具有很大影響，對(duì)卡鉗剛度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)是EMB卡鉗夾緊力精確控制的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:線控制動(dòng);電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗(EMB);卡鉗剛度;仿真模型;夾緊力

近年來(lái)，汽車電動(dòng)化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，這對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)提出了新的要求。一方面，電動(dòng)汽車普遍采用再生制動(dòng)系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)輪端摩擦制動(dòng)力矩與電機(jī)力矩協(xié)調(diào)控制。這要求輪端摩擦制動(dòng)力能夠獨(dú)立控制并精確可調(diào)［1］;另一方面，隨著自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)和自動(dòng)泊車(APA)等智能輔助駕駛技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，制動(dòng)系統(tǒng)作為底層執(zhí)行的重要組成部分，需要進(jìn)一步提高響應(yīng)速度和控制性能［2］。顯然，傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)難以滿足這些新需求，線控制動(dòng)系統(tǒng)(Brake－by－wire，BBW)應(yīng)運(yùn)而生。線控制動(dòng)系統(tǒng)主要分為電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(Electro－h(huán)ydraulicBrakeSystem，EHB)及電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(Electro－mechanicalBrakeSystem，EMB)。EHB系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，采用電子模塊替代傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的液壓伺服模塊并進(jìn)行進(jìn)一步集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓制動(dòng)力的精確控制［3］。與EHB系統(tǒng)相比，EMB完全拋棄制動(dòng)液和液壓元件，以線束和電子機(jī)械制動(dòng)器取代傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)力矩調(diào)節(jié)完全通過(guò)控制四輪電子機(jī)械制動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)［4］。EMB系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、制動(dòng)力精確可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)多種動(dòng)態(tài)制動(dòng)功能。目前，EMB系統(tǒng)還有電源供電、可靠性和容錯(cuò)性等方面的問(wèn)題需要解決，尚未進(jìn)入量產(chǎn)應(yīng)用階段［5］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)EMB系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)展了廣泛的研究。國(guó)外一些知名的零部件廠商，如大陸、萬(wàn)都等企業(yè)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，就在EMB系統(tǒng)方案、控制方法以及零部件和整車測(cè)試等方面進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)工作［6］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等也在EMB仿真與臺(tái)架驗(yàn)證等方面取得了一定進(jìn)展。本文作者以企業(yè)內(nèi)部某樣車為目標(biāo)車型，設(shè)計(jì)了一套后輪電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗。基于卡鉗剛度搭建了電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗夾緊力控制模型，分析了EMB卡鉗對(duì)不同制動(dòng)力需求的響應(yīng)特性，并開(kāi)展了臺(tái)架試驗(yàn)與驗(yàn)證;研究了卡鉗剛度對(duì)夾緊力控制效果的影響，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)EMB卡鉗夾緊力的精確控制提供了改進(jìn)方向。

1EMB制動(dòng)卡鉗設(shè)計(jì)目標(biāo)

制動(dòng)系統(tǒng)的需求制動(dòng)力、制動(dòng)間隙、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間等是制動(dòng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，直接決定了電子機(jī)械制動(dòng)卡鉗電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)。本文作者以企業(yè)內(nèi)部某樣車為目標(biāo)車型，對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)后輪電子機(jī)械制動(dòng)器。該樣車部分整車參數(shù)及后制動(dòng)角參數(shù)如表1所示。在高附路面上，1g減速度下，后輪制動(dòng)器需提供的夾緊力為根據(jù)整車參數(shù)和后制動(dòng)角參數(shù)計(jì)算得到，1g減速度下后輪制動(dòng)器需提供夾緊力為14709N。因此，取EMB卡鉗需滿足的最大目標(biāo)夾緊力為15000N。在卡鉗設(shè)計(jì)中，制動(dòng)間隙對(duì)卡鉗蓄液量及拖滯力矩有重要影響。在傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，卡鉗制動(dòng)間隙一般控制在0.2～0.4mm之間。文中要求EMB制動(dòng)器制動(dòng)間隙不超過(guò)0.3mm，消除空行程的時(shí)間在0.1s以內(nèi)，這為EMB執(zhí)行器的響應(yīng)速度提出了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2EMB卡鉗設(shè)計(jì)方案

EMB卡鉗執(zhí)行器是整個(gè)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。目前，許多線控制動(dòng)研究機(jī)構(gòu)采用了驅(qū)動(dòng)電機(jī)+減速增力機(jī)構(gòu)+運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)+卡鉗的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。其工作原理為:電機(jī)控制器接收夾緊力需求信號(hào)后，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速增力機(jī)構(gòu)傳遞后實(shí)現(xiàn)減速增扭，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，最終推動(dòng)卡鉗活塞和摩擦片壓緊制動(dòng)盤(pán)，通過(guò)卡鉗鉗體產(chǎn)生夾緊力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩輸出。設(shè)計(jì)的電子機(jī)械卡鉗以無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用一級(jí)固定齒輪+一級(jí)行星齒輪作為減速增力機(jī)構(gòu)，齒輪綜合傳動(dòng)比為ig。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠，滾珠絲杠節(jié)距為Pb。卡鉗殼體及支架基于現(xiàn)有某已量產(chǎn)浮動(dòng)式卡鉗進(jìn)行更改。電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)如表2所示。采用卡鉗零件設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行初步校核。當(dāng)卡鉗達(dá)到最大夾緊力時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，EMB卡鉗可輸出的最大夾緊力Fmax為計(jì)算得到，EMB卡鉗消除制動(dòng)間隙時(shí)間為T(mén)a=52.2ms，小于消除制動(dòng)間隙時(shí)間目標(biāo)值，滿足設(shè)計(jì)要求。本文作者設(shè)計(jì)的電子機(jī)械卡鉗如圖2(a)所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪組及滾珠絲杠集成于電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)較為緊湊。整個(gè)EMB卡鉗包絡(luò)與同尺寸的MOC(MotoronCaliper)卡鉗相當(dāng)，在活塞軸向尺寸上，比同尺寸某量產(chǎn)MOC卡鉗長(zhǎng)10mm。EMB卡鉗可安裝至樣車后懸環(huán)境中，與周邊零部件間隙滿足設(shè)計(jì)要求，整車安裝效果如圖2(b)所示。

3電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)建模

建立電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)Simulink仿真模型，主要包含電機(jī)模型、負(fù)載模型和制動(dòng)間隙模型等幾個(gè)部分。

3.1電機(jī)模型

直流無(wú)刷電機(jī)工作原理等效電路如圖3所示。

3.2負(fù)載模型

當(dāng)EMB卡鉗夾緊時(shí)，滾珠絲杠螺母推動(dòng)卡鉗活塞移動(dòng)主要受兩部分阻力:一部分為摩擦片壓縮變形產(chǎn)生的阻力，另一部分為卡鉗殼體張開(kāi)變形產(chǎn)生的阻力，忽略活塞受到的摩擦力。因此，這兩部分阻力之和構(gòu)成了卡鉗夾緊力。將制動(dòng)間隙為零，即活塞剛好壓緊摩擦片時(shí)的位置設(shè)定為卡鉗剛度模型的活塞位移零點(diǎn)，卡鉗夾緊力隨活塞位移x變化的曲線為卡鉗剛度曲線FL(x)，定義該曲線在某一位移點(diǎn)的曲線斜率為卡鉗剛度Ks其中:卡鉗剛度FL(x)曲線由試驗(yàn)獲得，將在第4.2節(jié)中進(jìn)行介紹。

3.3制動(dòng)間隙模型

EMB卡鉗每一次夾緊或釋放時(shí)，均需要識(shí)別摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的接觸點(diǎn)和分離點(diǎn)。卡鉗夾緊時(shí)，識(shí)別到制動(dòng)力迅速上升的點(diǎn)為盤(pán)片接觸點(diǎn)，并將此位置定義為卡鉗夾緊的夾緊零點(diǎn)，并基于夾緊力需求和卡鉗剛度模型對(duì)EMB電機(jī)進(jìn)行位置控制?？ㄣQ釋放時(shí)，需識(shí)別夾緊力轉(zhuǎn)變?yōu)榱愕狞c(diǎn)，并定義此位置為活塞的釋放零點(diǎn)，通過(guò)控制電機(jī)回轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)預(yù)定的制動(dòng)間隙。為了保證EMB卡鉗每一次夾緊和釋放有恒定的制動(dòng)間隙，要求EMB制動(dòng)系統(tǒng)具備間隙管理功能，通過(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)釋放時(shí)滾珠絲杠螺母回退到確定的位置。作者參考傅云峰等［7］的方法，提出通過(guò)監(jiān)測(cè)電流曲線斜率判斷盤(pán)片接觸點(diǎn)和分離點(diǎn)的制動(dòng)間隙控制策略。最終，本文作者搭建的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)Simu-link仿真模型如圖4所示。

4測(cè)試臺(tái)架與卡鉗剛度標(biāo)定

4.1卡鉗夾緊力響應(yīng)特性測(cè)試臺(tái)架

為了測(cè)量EMB卡鉗的夾緊力響應(yīng)并驗(yàn)證控制策略，搭建了圖5(a)所示卡鉗夾緊力響應(yīng)測(cè)試臺(tái)。臺(tái)架主要由上位機(jī)、EMB控制器、EMB卡鉗、夾緊力傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊、供電模塊等組成。通過(guò)上位機(jī)向控制器發(fā)送夾緊力需求，控制器根據(jù)目標(biāo)夾緊力控制EMB運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊力輸出。試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集電機(jī)母線電流、電機(jī)霍爾數(shù)及卡鉗夾緊力等參數(shù)。同時(shí)，在上位機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件，可在同一界面內(nèi)完成程序初始化、標(biāo)定調(diào)試、需求夾緊力波形調(diào)節(jié)、夾緊力輸出查看和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，圖5(b)為數(shù)據(jù)采集軟件操作界面。

4.2卡鉗剛度標(biāo)定

研究中的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中無(wú)夾緊力傳感器，卡鉗夾緊力根據(jù)夾緊力估算模型計(jì)算得到。夾緊力估算模型的基礎(chǔ)是卡鉗剛度曲線FL(x)，卡鉗剛度標(biāo)定直接影響夾緊力控制效果。以往一些研究中，往往以摩擦片剛度代替卡鉗執(zhí)行器剛度。實(shí)際上，在大夾緊力下，卡鉗殼體剛度對(duì)卡鉗整體剛度有較大貢獻(xiàn)。因此，對(duì)于卡鉗剛度的測(cè)量，應(yīng)包含完整的卡鉗及執(zhí)行器。在剛度測(cè)量時(shí)，需將壓力傳感器置于摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間來(lái)獲取卡鉗夾緊力。然而，受壓力傳感器體積限制，文中拆除了內(nèi)摩擦片而以鋼片替代，測(cè)量了不同活塞位移的準(zhǔn)靜態(tài)卡鉗夾緊力。

5EMB夾緊力控制仿真與驗(yàn)證

5.1EMB夾緊力階躍響應(yīng)分析

圖7所示為EMB卡鉗15000N夾緊力階躍響應(yīng)結(jié)果。由圖7(a)可知，EMB卡鉗響應(yīng)最大需求夾緊力時(shí)間約為160ms，相比傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，在線控制動(dòng)系統(tǒng)中處于主流水平?？ㄣQ夾緊力響應(yīng)分為兩個(gè)階段:第一階段為消除間隙階段，夾緊力輸出為0，活塞克服空行程耗時(shí)約60ms，可滿足小于100ms的設(shè)計(jì)目標(biāo);第二階段為卡鉗夾緊階段，此時(shí)卡鉗夾緊制動(dòng)盤(pán)，夾緊力迅速上升。夾緊力仿真曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線接近，相對(duì)于仿真曲線，試驗(yàn)夾緊力在達(dá)到目標(biāo)夾緊力時(shí)有較大超調(diào)，這是因?yàn)镋MB卡鉗中傳動(dòng)部件的慣性引起沖擊。并且，試驗(yàn)夾緊力穩(wěn)定值高于目標(biāo)夾緊力，這可能是由卡鉗剛度測(cè)量誤差導(dǎo)致的。圖7(b)為EMB卡鉗活塞位移仿真與試驗(yàn)對(duì)比?？芍?仿真得到的活塞位移曲線與試驗(yàn)位移曲線較接近?；钊朔?.3mm的空行程達(dá)到盤(pán)片接觸點(diǎn)，卡鉗夾緊力開(kāi)始上升，卡鉗負(fù)載變大，活塞位移變化速率有所下降。同時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量得到的活塞穩(wěn)定位移大于仿真值，這與圖6(a)中試驗(yàn)夾緊力穩(wěn)定值高于目標(biāo)夾緊力的結(jié)論是一致的。5.2EMB夾緊力動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析圖8所示為EMB卡鉗夾緊力正弦信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，目標(biāo)夾緊力峰值為10000N，周期為0.5s。由圖8(a)可知:EMB卡鉗能夠較好地跟隨目標(biāo)夾緊力變化，且?jiàn)A緊力仿真曲線與試驗(yàn)曲線有相同變化趨勢(shì)。在卡鉗夾緊階段，仿真值與試驗(yàn)值較吻合，試驗(yàn)夾緊力峰值略大于仿真值;在卡鉗釋放階段，試驗(yàn)夾緊力下降速度更快，相對(duì)于卡鉗夾緊階段產(chǎn)生“遲滯”［9］。這種“遲滯”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:EMB卡鉗傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中無(wú)自鎖機(jī)構(gòu)，回退過(guò)程中卡鉗夾緊力有助于活塞回退。對(duì)于實(shí)車集成而言，需要評(píng)估此特性對(duì)整車制動(dòng)踏板感覺(jué)的影響。圖8(b)所示為卡鉗活塞位移變化曲線，活塞位移仿真曲線與試驗(yàn)曲線較一致，相比仿真曲線，試驗(yàn)曲線在活塞回退至盤(pán)片分離點(diǎn)時(shí)有一定超調(diào)，這與系統(tǒng)慣量和間隙管理模型精度有關(guān)。同時(shí)，還研究了EMB卡鉗對(duì)隨機(jī)需求夾緊力的響應(yīng)特性?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)采集軟件，利用制動(dòng)踏板開(kāi)度模擬夾緊力需求并進(jìn)行隨機(jī)輸入。如圖9所示，EMB卡鉗輸出夾緊力能夠較準(zhǔn)確地跟隨隨機(jī)目標(biāo)輸入。

5.3卡鉗剛度影響分析

為研究卡鉗剛度對(duì)制動(dòng)力控制的影響，采用第4.2節(jié)中卡鉗殼體+外摩擦片+鋼片和卡鉗殼體+鋼片+鋼片兩種組合下的卡鉗剛度，進(jìn)行了EMB夾緊力階躍響應(yīng)仿真對(duì)比，目標(biāo)夾緊力為10000N。如圖10所示:在卡鉗殼體+外摩擦片+鋼片組合下，EMB卡鉗達(dá)到目標(biāo)夾緊力的響應(yīng)時(shí)間為140ms，穩(wěn)定夾緊力為10000N;對(duì)于卡鉗殼體+鋼片+鋼片組合，實(shí)現(xiàn)10000N夾緊力的響應(yīng)時(shí)間更短，為120ms左右，且穩(wěn)定夾緊力大于目標(biāo)夾緊力，達(dá)到14000N。這是因?yàn)?對(duì)于相同的卡鉗剛度標(biāo)定，EMB卡鉗通過(guò)控制活塞位移來(lái)控制夾緊力輸出，若卡鉗實(shí)際剛度大于標(biāo)定剛度，則在相同活塞位移下，卡鉗實(shí)際夾緊力輸出將大于標(biāo)定剛度卡鉗。在實(shí)車應(yīng)用過(guò)程中，卡鉗及傳動(dòng)部件制造公差、摩擦片壓縮率偏差、卡鉗磨損狀態(tài)及溫度等因素均會(huì)對(duì)卡鉗剛度有影響，最終產(chǎn)生卡鉗夾緊力輸出波動(dòng)［9］。為提高EMB卡鉗的夾緊力控制精度，一方面需要提高不同工況下卡鉗剛度的估計(jì)精度，另一方面需提高夾緊力控制策略的魯棒性。作者后續(xù)將在這兩個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

6結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)了一套后輪EMB制動(dòng)卡鉗，基于卡鉗剛度標(biāo)定，進(jìn)行了夾緊力控制仿真研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，主要得到以下結(jié)論:(1)EMB卡鉗目標(biāo)夾緊力階躍響應(yīng)時(shí)間為160ms，消除空行程時(shí)間為60ms，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真模型能夠較好地反映卡鉗的響應(yīng)特性。(2)EMB卡鉗夾緊力輸出能夠較好地跟隨正弦輸入及隨機(jī)輸入目標(biāo)曲線，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。(3)卡鉗剛度對(duì)EMB卡鉗夾緊力精確控制產(chǎn)生重大影響?？ㄣQ實(shí)際剛度與標(biāo)定剛度存在差異時(shí)，將產(chǎn)生與目標(biāo)夾緊力不匹配的夾緊力輸出。文中研究為后續(xù)進(jìn)一步提高EMB卡鉗夾緊力控制精度及實(shí)車調(diào)試提供了基礎(chǔ)。

作者：齊鋼 胡晨暉 張光榮 單位：泛亞汽車技術(shù)中心有限公司