电子驻车系统毕业设计论文

目录

摘要 (3)

1 绪论 (5)

1.1 引言 (5)

1.2 电子驻车制动系统国内外发展现状综述 (5)

1.3 研究的意义和主要内容 (7)

1.3.1 传统机械式驻车制动系统存在的问题 (7)

1.3.2 研究的意义 (8)

1.3.3 研究的主要内容 (8)

2 电子驻车制动系统原理和设计分析 (9)

2.1传统驻车制动系统的组成与结构 (9)

2.2 电子驻车制动系统概述 (10)

2.2.1 电子驻车制动系统的原理 (11)

2.2.2 电子驻车制动系统的优点 (11)

2.2.3 电子驻车制动系统需要面对的问题 (13)

2.3 驻车系统的国家标准 (13)

2.4 本章小结 (14)

3 机械结构设计与优化 (15)

3.1 汽车电子驻车制动系统典型机械结构 (15)

3.2 汽车电子驻车制动执行机构的总体结构设计 (19)

3.3 汽车电子驻车制动系统执行机构的各部件设计 (20)

3.3.1 驱动电机的设计 (20)

3.3.2 减速器设计 (21)

3.3.3运动转换装置设计 (24)

3.3.4 制动器设计 (24)

3.4 汽车电子驻车制动系统执行机构方案对比 (25)

3.5 本章小结 (27)

4 电子驻车制动系统相关参数计算 (28)

4.1 参数采集模块设计研究 (28)

4.1.1 车速计算方法 (28)

4.1.2 驻车制动盘压力的计算方法 (30)

4.2 电子驻车制动系统执行机构参数确定 (31)

4.2.1 滑动丝杠的计算与选型 (31)

4.2.2 电机的计算与选型、传动比的设计与计算 (33)

4.2.3 同步带的计算 (34)

4.2.4 减速器设计与计算 (36)

5 电子驻车控制系统设计 (38)

5.1 常规驻车制动控制策略 (38)

5.1.1 实施驻车制动 (38)

5.1.2 解除驻车制动 (39)

5.2 扩展功能的控制策略设计 (40)

6结论 (42)

谢辞 (43)

[参考文献] (44)

电子驻车系统

摘要：本文介绍了电子驻车系统(EPB)的国内外研究现状及传统机械式驻车制动系统所存在的问题，阐述了电子驻车制动系统的基本原理，机械结构的设计与分析以及制动力、车速、减速机构的传动比等参数的计算，并在计算的基础上建立三维模型。研究了EPB的基本功能（实施驻车制动和解除驻车制动）,扩展功能（智能自动驻车、坡道辅助起步、行车间应急制动、强制解除驻车制动、节能自动关闭及唤醒）的控制策略。最后对系统进行优化设计，完成模型的建立。

关键词：电子驻车系统，机械结构设计，建模

Abstract：This paper introduced the research actuality of EPB (Electrical Park Brake) and the shortcomings of Mechanical parking brake system .It

expounded EPB’s basic principle , design and analysis of the machine

structure, then, calculated the parameters such as braking force, vehicle

speed and reduction ratio .Following this , the 3D model was built . After

studying EPB’s basic functions(start and remove the parking brake),

extended functions (intelligent automatic parking, hill-start assist system,

emergency brake, forced parking-brake- removing, automatic control)，

optimized design of the system and completed the model in the end. Keywords: electric parking brake, mechanical design, model construction

1 绪论

1.1 引言

随着物质财富的增加,人们对于出行质量要求不断提高,汽车作为重要的交通工具其要求不再局限于汽车外形,汽车的安全性、舒适性、便捷性已经成为重要的评价标准,特别是对舒适性要求最高。尤其是我国车主,不仅存在着道路交通拥挤,道路条件复杂等驾驶环境问题,还存在着驾驶员自身状况和驾驶经验和技术等方面的问题,因此,车辆行驶的安全性问题对于我国车主而言尤其重要,而汽车制动及其辅助系统作为保障汽车行驶安全的主力配置,不断对其进行改进显得尤为必要,而驻车制动系统是车辆制动系统的重要组成部分之一,也在不断的创新和改进中。

汽车驻车制动系统俗称手刹,其用途为在汽车在路面或坡道上停驻吋,驻车制动系统通过制动器锁住传动轴(中央制动器)或者车轮(轮边制动器),以避免车辆溜滑,此外,当汽车在行驶过程中突遇紧急情况需要迅速制动时,驻车制动系统可以和行车制动系统共同作用,以实现紧急制动。在汽车设计中,为保障制动系统的可靠性,驻车制动系统和行车制动系统为独立工作的装置,从而在一套装置失效时另外一套制动装置仍然能够有效起到制动作用。目前,一般车辆上广泛使用着机械式传动方式的人力机械式驻车制动系统,它通过驾驶员手动操纵制动手柄来实现驻车制动功能。汽车电子驻车制动系统(Electronic Parking Brake system)即EPB已经成功研制并得到了成熟的应用,它采用了电子控制系统的控制后轮上新增的驱动机构来实现驻车制动，因此它也具有更高的安全性、舒适性和良好的操纵性能。

1.2 电子驻车制动系统国内外发展现状综述

根据北京奥尔威咨询有限公司最近完成的《2009-2010年中国电子驻车制动器(EPB)行业发展分析报告》中显示：电子驻车制动产品技术最早出现于1998年，该产品是传统手刹的替代品：拥有一键制动和自动制动的功能并能大大节省车内空间。EPB分为两类：钢索牵引式(Cable Puller Type)和整合卡钳(Caliper

Intergrated Type)，（如图1-1、1-2）。

图1-1 钢索牵引式(Cable Puller Type)

图1-2 整合卡钳式(Caliper Intergrated Type) 电子驻车制动系统(EPB)产品由美国TRW公司最先提出概念并成功研发,于2001年最先配备在菲亚特中高级轿车Lancia上,随后配备到北美和欧洲地区的许多车型上,截止2009年,天合(TRW) EPB系统的产量已经突破1000万套,占据全球一半的市场份额。目前,主要参与EPB产品竞争的有:TRW、Continental

Teves、Siemens、Bosch、Eaton、Dura、Brose、Mando 等。至2008年,欧洲已有300万辆车配置了电子驻车制动器(EPB),2015年这一数字将增至1100万。由此可见，国外EPB的研究已经相当成熟，具备了研制产品和制定相关标准的能力。

在我国,电子驻车制动器(EPB)系统起步较晚,从2008年才由天合(TRW)廊坊的工厂幵始小批量生产。目前,我国配置电子驻车制动器(EPB)系统的都是合资的或外资品牌的整车厂商的高端车型:一汽大众的奥迪、迈腾,上海大众的途观,上海通用的别克等。这些车型的EPB均由天合(TRW)、大陆(Continental)等外资EPB供应商供应。总体来说，我国的EPB研究还需要进一步提升。

1.3 研究的意义和主要内容

1.3.1 传统机械式驻车制动系统存在的问题

传统机械式驻车制动系统存在着许多问题，相信有过驾驶经验的初学者应该深有体会。由于传统式驻车制动带来的事故比比皆是。传统式驻车制动系统的缺点主要体现在:

1)传统机械式制动系统需要一定的臂力才拉得动，对于一些女性驾驶员来说，

显得尤为困难。尤其是在市区行车时经常发生堵车，需要频繁拉到手刹，这种问题就会显得比较突出，严重的情况下还可能制动不及时引发事故；

2)当手刹拉动驻车后，再次起步的过程中由于疏忽很可能忘记释放手刹，而给

制动器带来严重损害，也会带来一定的安全隐患；在坡道起步时,如果驾驶员缺乏经验而导致溜车现象,也会容易导致车辆撞上后面的车辆或行人；

3)机械驻车制动系统只能实现单一的功能,无法与ABS、ESP等汽车上其他的电

子控制系统进行辅助控制,无法与车辆进行数据共享和信息交流；

4)对于机械式驻车制动系统,通常其会占用较大的车内空间,不利于未来车辆概

念的设计。

而电子驻车制动系统则可以避免上述传统机械式驻车制动系统的缺点，从而实现方便，安全的驻车制动。

1.3.2 研究的意义

汽车产业的发展水平代表着一个国家和地区工业制造生产、高科技研发和软硬件创新实力发展的水平高低，现代汽车产业向着智能化、信息化、电子化的趋势发展，电子驻车制动系统适应了汽车发展的潮流，同时具有优良的驻车制动效果以及较为宽泛的扩展功能。我国电子驻车制动系统还不成熟，还需要更多的研究来支撑这一技术的发展和国产化。

1.3.3 研究的主要内容

本文介绍了电子驻车系统(EPB)的国内外研究现状及传统机械式驻车制动系统所存在的问题，阐述了电子驻车制动系统的基本原理及其优点，机械结构的设计与分析以及制动力、车速、减速机构的传动比等参数的计算，并在计算的基础上建立三维模型。研究了EPB的基本功能（实施驻车制动和解除驻车制动）,扩展功能（智能自动驻车、坡道辅助起步、行车间应急制动、强制解除驻车制动、节能自动关闭及唤醒）的控制策略。最后对系统进行优化设计，完成模型的建立。本文研究的主要内容：

1）电子驻车制动系统概述及其特点分析

2）基于国标的电子驻车制动系统的标准分析及扩展功能的作用和其技术实现的难点;

3）基于电子驻车制动系统分析的系统设计,重点研究了机械结构的设计；

4）对电子驻牢制动系统的控制策略进行了研究,主要研究了常规制动下的驻车制动实施、解除、辅助坡道起步等的控制策略；

5）机械结构整体模型的建立。

2 电子驻车制动系统原理和设计分析

我国绝大部分车型目前仍然沿用传统的机械式驻车制动系统,因此,首先分析其结构特点,其次研究驻车制动系统的要求作为设计依据,最后制定一套合理的满足要求的设计方案,以实现安全可靠的驻车。

2.1传统驻车制动系统的组成与结构

传统驻车制动装置一般包括三个部分:手刹车控制部分、传动机构和制动器手刹车控制部分由手刹车操纵杆、按扭、棘爪、棘轮结构组成,其作用是按一定传动比将手操纵力传到钢索上。钢索作为传动部件,其实质为一个应用杠杆原理的机械总成,该机械总成通过拉索作用在盘式或鼓式制动器上。传统机械驻车装置如图2-1。

1．手刹车操纵杆2.按钮3.棘爪4.棘轮5.滑轮6.钢索7.制动鼓8.驻车制动摇臂9.轮缸10.自调机构11.制动蹄

图2-1 传统驻车制动系统结构示意图

传统驻车制动系统的操作方式及工作原理(以鼓式驻车制动器为例):

(1)无操作的状态常态指静止状态时,棘爪咬合在棘轮上,所实现的一种机械自

锁状态。此时通过操纵杆总成的杠杆放大作用将制动力施加在制动器上,保持汽车处于驻车时紧锁状态或非驻车时的放松状态。

(2)实施制动 对传统驻车制动系统实施制动时,操作应先按下按钮使棘爪脱离

棘轮解除自锁,这样方可对操作杆执行上拉操作。在杠杆效应的作用下,放大驾驶员的拉力,使之作用在钢索上,经过钢索传达给制动器。在制动器内部,拉索拉动制动蹄片产生形变压在制动鼓上,产生的摩擦力即为汽车驻车的制动力。

(3)解除制动 对传统驻车制动系统解除制动时,同样需要按下按钮,然后对操纵

杆进行下推操作。杠杆转动,使拉索所承受的拉力减小,并逐渐放松。在制动器内部,拉索松开后,由于制动蹄片自带的弹性机构使其回位,离开制动鼓,当制动蹄片与制动鼓不再接触时,汽车驻车制动力将完全解除。

由以上对传统驻车结构与工作方式的分析可见,传统驻车制动的核心部分是由杠杆机构所组成的手刹车操作机械总成。只有对此总成进行重新设计,才能从根本上实现对汽车驻车制动系统的改革升级。

2.2 电子驻车制动系统概述

和其他许多先进的技术和系统来源于飞机上的应用一样,线控技术最初也是应用于飞机的控制上一样,而本文所讲述的电子驻车制动系统则属于线控技术的一类应用。飞机的新型飞行控制系统是一种线控系统(Fly-by-Wire),通过该系统,将飞机飞行员的控制命令转换成电信号,利用计算机对电信号的计算处理,按照预设模型来控制飞机的飞行。类似的将这种控制理念移植到汽车控制上,则是通过传感器把驾驶员的操纵动作信息转化成电信号,经由网络传输和功率放大电路来控制执行机构。图2-2是线控过程。

图2-2 线控系统组成框图

线控系统实质就是在需要有机构动作的地方不是应用液压系统来传递操纵动作,而是利用弱电信号再控制强电执行机构来完成。电子驻车制动系统就是一类采用线控技术进行控制的装置。电子驻车制动技术不仅仅是一种简单的替代,用

人机

接口 电信号 （模拟或数字） 执行机构 传感装置 功能 装置

电子控制电驱动技术取代原来的机械或液压力传动,而是在实现车辆保持长时性制动功能的基础上整合了缓速制动功能。

2.2.1 电子驻车制动系统的原理

实施驻车制动：EPB 电控单元根据各传感器和ABS电控单元传输的动态数据，经过相应的计算处理，向伺服电机发出控制指令，驱动电机旋转，电机的输出转矩经过同步带传动与齿轮传动机构在减速增扭之后，通过螺旋传动机构将旋转运动转换成为直线运动，最终使制动器产生制动力矩，是通过制动轮缸活塞的推动动力产生的。

解除驻车制动：EPB 电控单元根据各传感器和ABS电控单元传输的动态数据，经过相应的计算处理，向伺服电机发出控制指令，驱动伺服电机反向旋转，制动摩擦块在传动机构的带动下自动释放，解除驻车制动。由于减速机构传动比很大，电动机旋转一周，螺旋传动机构推动制动轮缸活塞的位移很小，所以通过控制伺服电机的转速来控制固定原件（制动摩擦片）与旋转原件（制动鼓或制动器）之间的间隙（制动器间隙），从而实现制动间隙的自动调整。

2.2.2 电子驻车制动系统的优点

电子驻车制动由于突出的优点已经被公认为未来汽车新技术的发展方向。目前,其仍处于研究和优化阶段,相对于传统制动系统,线控制动具有以下优点。1）零部件简单，装配方便,减少液压与机械控制装置,操纵方便,更加的人性化; 2）智能电子控制单元的介入提高了制动时系统的可靠性和安全性,同时可以与其他系统进行辅助作用,实现数据共享和信息交流;

3）只需要一个按钮，减少了车内空间的占用，使车内更加简约整洁。

图2-3 电子驻车制动系统制动按钮

图2-4 电子驻车制动系统执行机构示意图

图2-5 电子驻车制动系统执行机构电机及减速机

2.2.3 电子驻车制动系统需要面对的问题

线控技术是车辆智能化的基石和目前现有技术，要实现电子驻车制动功能，有以下关键技术。

1）电源问题现在汽车普遍采用的是电源电压为12V，蓄电池的工作电压为14V,而线控系统需要较大的能源消耗，则要求汽车有更大的能源供应,对于此较大的用电系统,安全问题也需要认真设计。

2) 传感器先进汽车技术发展的显著标志就是更加广泛的部件和系统实行电子控制。而传感器的信息采集和反馈精度决定着汽车电子控制系统的控制效果。因此,传感器技术的发展直接关系着整个汽车电子控制系统的性能。汽车电子驻车制动系统EPB中涉及到的传感器有:车轮速度传感器、踏板行程传感器、驻车坡度传感器等。

3）总线技术车用总线是指用于车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通讯网络，目前汽车应用的通信网络包括CAN总线、MOST总线、LIN总线、FlexRay 总线等。EPB使用的总线技术采用的是CAN总线，与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，他在汽车领域的应用最为广泛，世界上一些知名汽车厂商均采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测与执行机构的数据通信。对于下一代的汽车通讯网络系统,还应有良好的容错功能和确定的消息传输时间。由于本文主要研究电子驻车系统的机械结构，这里不再赘述。

2.3 驻车系统的国家标准

国家对制动系统有一系列相关的强制性标准,对制动系统的结构性能做出了严格规定,以保障车辆和人员安全。如GB1276-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》以及GB7258-2004《机动车运行安全条件》等,其具体要求如下:

1)行车制动的控制装置和驻车制动的控制装置要相互独立；

2)采用弹簧储能制动装置做驻车制动时,应保证在失效状态下能快速解除驻

车状态；如需使用专用工具,这种工具应作为随车工具；

3)驻车制动应该能保证在无人的情况下在上、下坡上可靠制动。其驻车操作

必须允许驾驶员在座位上就可以完成。对于汽车列车和轮式拖拉机运输机组,若挂车与牵引车脱离,挂车(由轮式拖拉机牵引的装载质量3000kg以

下的挂车除外)应能产生驻车制动。挂车的驻车制动装置应能够由站在地面上的人实施操纵；

4)驻车制动应通过纯机械装置把工作部件锁止,并且驾驶员施加于操纵装置

上的力：手操纵时,乘用车不应大于400N,其它机动车不应大于600N；脚操纵时,乘用车不应大于50ON,其它机动车不应大于700N；

5)驻车制动的控制装置的安装位置要适当，其操纵装置应有足够的储备行程

(开关类操作装置除外),一般应在操纵装置全行程的三分之二以内产生规定的制动效能；驻车制动机构装有自动调节装置时允许在全行程的四分之三以内达到规定的制动效能。棘轮式制动操纵装置应保证在达到规定驻车制动效能时,操纵杆往复拉动的次数不允许超过三次；

6)驻车制动性能的检验:在空载状态下,驻车制动装置应能保证机动车在坡

度为20%(对总质量为整备质量的1.2倍以下的机动车为15%)、轮胎与路面间的附着系数不小于0.7的坡道上正、反两个方向保持固定不动,其时间不应少于5min。对于允许挂接挂车的汽车,其驻车制动装置必须能使汽车列车在满载状态下时能停在坡度为12%的坡道(坡道上轮胎与路面间的附着系数不应小于0.7)上；

7)制动衬片(块)磨损小,制动间隙的检查、调整和制动衬片(块)的更换应方

便；

8)各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。

2.4 本章小结

本章主要讨论了传统机械式驻车制动系统的结构及其存在的问题,然后叙述了电子驻车制动系统的结构组成、原理以及其优点,并对驻车制动系统的相关国家标准及评价指标进行了相关的分析。

3 机械结构设计与优化

3.1 汽车电子驻车制动系统典型机械结构

为了更好地研究驻车制动系统，要首先了解一下国内外几大驻车制动系统的生产厂家生产的EPB产品。下面介绍一下市场上几款主要的机械式制动产品。（1）西门子公司的电子机械制动系统执行机构

图3-1是德国西门子公司研制的一种电子机械制动系统执行机构。

图3-1 西门子电子机械制动系统结构图和实物图

这种电子机械制动系统的执行机构的力矩电机内置,图3-1中,当电机正常工作时,转子在转动,使螺母和心轴一起做轴向运动,就把转动转化为直线运动(转子和螺母啮合,螺母与心轴固接在一起)。杠杆末端插在制动器缸内的凹槽里,能够绕凹槽转动。心轴在轴向推动增力杠杆与压力盘。随后压力盘把力传递给了传动套筒,传动套筒和活塞之间又通过螺纹传动。制动活塞推动浮动制动钳块,并产生制动力矩。弹簧和橡胶密封环的主要作用是在制动后用来使制动活塞等零件回到原位。当活塞向右移动时,活塞使橡胶环产生弹性变形,产生了作用在制动活塞上的回位力。当制动结束后,传动套筒和制动活塞在橡胶环的弹性形变力下被推到原位。

(2)大陆?特威斯公司的EMB执行器

该执行机构也采用的电机内置结构,且采用模块化,其整个机构分为了3个独立模块,分别为驱动模块,一级丝杠螺母减速模块和二级减速齿轮模块,3个部分