汽车电子机械制动器的效能分析
汽车电子机械制动器的效能分析 汽车制动性能是汽车主动安全性的重要部分，因而汽车制动系统的性 能提高一直为人们重视.随着人们对制动性能要求的提高，如防抱死制动系统、 驱动防滑控制系统等功能逐渐融入现有的制动系统中，而这些系统加入到传统的 液压制动系统后，结构和管路布置更复杂，增加了液压回路泄露的可能以及装配、 维修的难度.因此开发一种结构简洁、功能全面可靠的新型制动系统就成为了人 们的期待，电子机械制动器正适应了这种需求，成为车辆制动技术的发展方向. 在国外，从20世纪90年代起，一些国际大型汽车零部件厂商和汽车厂商开始进行 EMB系统的研究工作，其中BoschSiemensContinentalTeves三大公司对EMB系统 的研究比较深入，都研制出EMB样品，并进行了多次试验和改进. ContinentalTeves公司与德国DarmstadtUni^ersityofTechnology合作研 究了EMB制动器模型及其控制系统模型，进行了系统仿真和装车试验，开始逐 步运用到汽车上11-31.在国内，清华大学、南京航天航空大学、同济大学和江苏 大学等高校正在进行EMB系统关键技术的研究工作. 作者建立了电子机械制动器的数学模型，并且运用 MATLAB/SMULNK仿真软件对EMB和HB的制动性能进行仿真对比. 1.汽车制动力学模型 汽车制动时受力分析图1是汽车在水平路面上行驶时的制动受力模型， 模型忽略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶 矩，忽略了轮胎的变形和悬架的影响，并始终保证车辆直线行驶.图中参数说明：W为汽车的重力；
；
zl，FZ2分别为汽车前、后轮的法向力;;xbl，Fxb2分别为前、 后轮的地面制动力；
为汽车的加速阻力；
;为汽车质心高度；
;b分别为汽车质心至 前、后轴的距离；
/为轴距.1.2轮胎模型 在制动过程中路面制动力仏与轮胎特性有关.这里主要分析EMB制动 器的制动效能，可以忽略轮胎的变形.其受力情况如图2所示. 式中r为轮胎滚动半径；
Tb为制动器制动力矩；
;为轮胎滚动角速度；
/为轮 胎转动惯量；
？为地面的附着系数为轮胎的法向力. 1.3路面附着系数的确定 式（1)中的？是一个未知参数，它主要是由车速和滑移率来决定.根据 试验结果统计，可以运用下面公式来计算的值：
行星齿轮减速机构模型式中为最大附着系数；
1，n为函数的形状系 数；
S为车轮滑移率；
v为车速;Q为调整函数;它与滑移率有关，可表示为 只要通过试验确定出地面参数办m，K1，[2和%，就能根据车轮滑移 率和车速得到9的值. 1.4EMB制动器模型 EMB制动器主要包括电源、电动机、减速增矩机构、滚珠丝杆机构 以及间隙自动调整机构等.电源釆用12V电压的蓄电池;而电动机主要通过减速增 矩机构等向制动块提供制动力矩，因而电动机的选择对制动力矩有很大影响.1.4.1电机模型 直流电动机的数学模型如下：
式中E为电枢反电势，即E=Ce•nCe为电机感应电势系数，n为转子的转速 为电枢回路的电感/电枢回路的电阻；
U为电枢电压；
i(t)为电枢电流；
M(t)是由电 枢电流产生的电磁转距;；
为整个制动器转动惯量;Cm为转距系数.电机输出转矩 仿真模型见图3。
1.4.2行星齿轮机构主要用来降低转速，增加传递的扭矩，以适合制动工况 的需要.其输入、输出扭矩关系式为 式中TX为行星架输出扭矩;TA为太阳轮输入扭矩，即Ta=M(t)ix为传 动比；
1为行星齿轮的传动效率.143滚珠丝杆副的模型滚珠丝杆副的主要作用是 转换运动方向，即把行星齿轮的转动输入，变换成丝杆平动，并传递力到动块. 滚珠丝杆所传递的转矩表达式为 式中To为滚珠丝杆的驱动力矩；
TL为滚珠丝杆的预紧力矩；
Tf为滚 珠丝杆副传动的摩擦力矩.其中驱动力矩T。可以表示为To=Fh/(2n) (8) 式中F为丝杆的推力；
h为丝杆的导程 式中Fp为滚珠丝杆的轴向预紧力.Tf是指除滚珠丝杆本身以外的摩擦 阻力矩，主要为支撑轴承摩擦力矩和密封装置等摩擦力矩.由式（7)〜（9)可得丝 杆的推力表达式，用机械系统的传动效率I来表示系统的阻力矩和摩擦力矩得 1.4.4制动装置模型制动蹄块与制动盘之间摩擦的传递函数为其中K是作用在前后轴上 动载荷. 1.5汽车制动过程动力学模型 根据图1所示的汽车制动时受力分析，运用牛顿第二定律得到整车数 学模型为 分别对汽车前、后轮接地点取矩，得平衡方程 而汽车前、后轮路面制动力表示为 其中％，9分别为前、后轮路面附着系数.把式（11)，(12)代入式(13) 中，得到汽车制动过程的减速度 2.汽车制动性能的仿真 2.1电子机械制动系统的仿真模型 运用MATLAB/SMULNK仿真软件对EMB的制动性能仿真，并与传统 液压制动系统制动性能进行对比.图4是用SMULNK软件建立的仿真模型. 2.2仿真结果 根据桑塔纳轿车参数:汽车质量m为1560kg轴距l为2656mma为 1454mm，b为1202mm，质心高度h。为500mm，轮胎半径R为356mm，对装有EMB和HB两种不同制动器时的汽车制动性能进行仿真. 图5图6是汽车前轮的转速和滑移率的变化曲线;图7〜9分别是制动过 程中速度、加速度以及制动距离随时间的变化曲线. 比较图5〜9在汽车从80km/h的速度开始制动时，EMB在032s就实现抱 死了，而HB要近09s的时间，特别是到达最大制动力时间，EMB只要005s这远远 小于HB所需的时间.因此，可以看出EMB比HB的制动响应速度要快得多;其次在 制动距离上EMB比HB减少了近5m，从而增加了汽车行驶的安全性. 3.结论 为了比较EMB和HB的制动效能，作者建立了电子机械制动器的数学 模型和在水平路面上汽车制动时整车动力学模型，并且运用MATIAB/SMULNK 仿真软件对EMB和HB的制动性能进行仿真对比.结果表明EMB制动系统缩短了 制动反应时间，减少了汽车制动距离，提高了制动性能，能够适应汽车制动技术 发展趋势和要求.