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汽車電子機(jī)械制動(dòng)器的效能分析論文
汽車制動(dòng)性能是汽車主動(dòng)安全性的重要部分，因而汽車制動(dòng)系統(tǒng)的性能提高一直為人們重視.隨著人們對(duì)制動(dòng)性能要求的提高，如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)等功能逐漸融入現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)中，而這些系統(tǒng)加入到傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)后，結(jié)構(gòu)和管路布置更復(fù)雜，增加了液壓回路泄露的可能以及裝配、維修的難度.因此開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功能全面可靠的新型制動(dòng)系統(tǒng)就成為了人們的期待，電子機(jī)械制動(dòng)器正適應(yīng)了這種需求，成為車輛制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向.在國(guó)外，從20世紀(jì)90年代起，一些國(guó)際大型汽車零部件廠商和汽車廠商開始進(jìn)行EMB系統(tǒng)的研究工作，其中BoschSiemensContinentalTeves三大公司對(duì)EMB系統(tǒng)的研究比較深入，都研制出EMB樣品，并進(jìn)行了多次試驗(yàn)和改進(jìn).
ContinentalTeves公司與德國(guó)DarmstadtUni^ersityofTechnology合作研究了EMB制動(dòng)器模型及其控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和裝車試驗(yàn)，開始逐步運(yùn)用到汽車上11-31.在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和江蘇大學(xué)等高校正在進(jìn)行EMB系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究工作.
作者建立了電子機(jī)械制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型，并且運(yùn)用MATLAB/SMULNK仿真軟件對(duì)EMB和HB的制動(dòng)性能進(jìn)行仿真對(duì)比.
1.汽車制動(dòng)力學(xué)模型
汽車制動(dòng)時(shí)受力分析圖1是汽車在水平路面上行駛時(shí)的制動(dòng)受力模型，模型忽略了汽車的滾動(dòng)阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩，忽略了輪胎的變形和懸架的影響，并始終保證車輛直線行駛.圖中參數(shù)說(shuō)明：W為汽車的重力；；zl，F(xiàn)Z2分別為汽車前、后輪的法向力;;xbl，F(xiàn)xb2分別為前、后輪的地面制動(dòng)力；為汽車的加速阻力；;為汽車質(zhì)心高度；;b分別為汽車質(zhì)心至前、后軸的距離；/為軸距.
1.2輪胎模型
在制動(dòng)過程中路面制動(dòng)力仏與輪胎特性有關(guān).這里主要分析EMB制動(dòng)器的制動(dòng)效能，可以忽略輪胎的變形.其受力情況如圖2所示.
式中r為輪胎滾動(dòng)半徑；Tb為制動(dòng)器制動(dòng)力矩；;為輪胎滾動(dòng)角速度；/為輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；？為地面的附著系數(shù)為輪胎的法向力.
1.3路面附著系數(shù)的確定
式（1)中的？是一個(gè)未知參數(shù)，它主要是由車速和滑移率來(lái)決定.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，可以運(yùn)用下面公式來(lái)計(jì)算的值：
行星齒輪減速機(jī)構(gòu)模型式中<為最大附著系數(shù)；1，n為函數(shù)的形狀系數(shù)；S為車輪滑移率；v為車速;Q為調(diào)整函數(shù);它與滑移率有關(guān)，可表示為
只要通過試驗(yàn)確定出地面參數(shù)辦m，K1，[2和%，就能根據(jù)車輪滑移率和車速得到9的值.
1.4EMB制動(dòng)器模型
EMB制動(dòng)器主要包括電源、電動(dòng)機(jī)、減速增矩機(jī)構(gòu)、滾珠絲桿機(jī)構(gòu)以及間隙自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等.電源釆用12V電壓的蓄電池;而電動(dòng)機(jī)主要通過減速增矩機(jī)構(gòu)等向制動(dòng)塊提供制動(dòng)力矩，因而電動(dòng)機(jī)的選擇對(duì)制動(dòng)力矩有很大影響.
1.4.1電機(jī)模型
直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：
式中E為電樞反電勢(shì)，即E=Ce?nCe為電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)系數(shù)，n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為電樞回路的電感/電樞回路的電阻；U為電樞電壓；i(t)為電樞電流；M(t)是由電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距;；為整個(gè)制動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Cm為轉(zhuǎn)距系數(shù).電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真模型見圖3。
1.4.2行星齒輪機(jī)構(gòu)主要用來(lái)降低轉(zhuǎn)速，增加傳遞的扭矩，以適合制動(dòng)工況的需要.其輸入、輸出扭矩關(guān)系式為
式中TX為行星架輸出扭矩;TA為太陽(yáng)輪輸入扭矩，即Ta=M(t)ix為傳動(dòng)比；1為行星齒輪的傳動(dòng)效率.143滾珠絲桿副的模型滾珠絲桿副的主要作用是轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方向，即把行星齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入，變換成絲桿平動(dòng)，并傳遞力到動(dòng)塊.滾珠絲桿所傳遞的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
式中To為滾珠絲桿的驅(qū)動(dòng)力矩；TL為滾珠絲桿的預(yù)緊力矩；Tf為滾珠絲桿副傳動(dòng)的摩擦力矩.其中驅(qū)動(dòng)力矩T。可以表示為To=Fh/(2n)(8)
式中F為絲桿的推力；h為絲桿的導(dǎo)程
式中Fp為滾珠絲桿的軸向預(yù)緊力.Tf是指除滾珠絲桿本身以外的摩擦阻力矩，主要為支撐軸承摩擦力矩和密封裝置等摩擦力矩.由式（7)?（9)可得絲桿的推力表達(dá)式，用機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率I來(lái)表示系統(tǒng)的阻力矩和摩擦力矩得
1.4.4制動(dòng)裝置模型
制動(dòng)蹄塊與制動(dòng)盤之間摩擦的傳遞函數(shù)為
其中K是作用在前后軸上動(dòng)載荷.
1.5汽車制動(dòng)過程動(dòng)力學(xué)模型
根據(jù)圖1所示的汽車制動(dòng)時(shí)受力分析，運(yùn)用牛頓第二定律得到整車數(shù)學(xué)模型為
分別對(duì)汽車前、后輪接地點(diǎn)取矩，得平衡方程
而汽車前、后輪路面制動(dòng)力表示為
其中％，9分別為前、后輪路面附著系數(shù).把式（11)，(12)代入式(13)中，得到汽車制動(dòng)過程的減速度
2.汽車制動(dòng)性能的仿真
2.1電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型
運(yùn)用MATLAB/SMULNK仿真軟件對(duì)EMB的制動(dòng)性能仿真，并與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比.圖4是用SMULNK軟件建立的仿真模型.
2.2仿真結(jié)果
根據(jù)桑塔納轎車參數(shù):汽車質(zhì)量m為1560kg軸距l(xiāng)為2656mma為1454mm，b為1202mm，質(zhì)心高度h。為500mm，輪胎半徑R為356mm，對(duì)
裝有EMB和HB兩種不同制動(dòng)器時(shí)的汽車制動(dòng)性能進(jìn)行仿真.
圖5圖6是汽車前輪的轉(zhuǎn)速和滑移率的變化曲線;圖7?9分別是制動(dòng)過程中速度、加速度以及制動(dòng)距離隨時(shí)間的變化曲線.
比較圖5?9在汽車從80km/h的速度開始制動(dòng)時(shí)，EMB在032s就實(shí)現(xiàn)抱死了，而HB要近09s的時(shí)間，特別是到達(dá)最大制動(dòng)力時(shí)間，EMB只要005s這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HB所需的時(shí)間.因此，可以看出EMB比HB的制動(dòng)響應(yīng)速度要快得多;其次在制動(dòng)距離上EMB比HB減少了近5m，從而增加了汽車行駛的安全性.
3.結(jié)論
為了比較EMB和HB的制動(dòng)效能，作者建立了電子機(jī)械制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型和在水平路面上汽車制動(dòng)時(shí)整車動(dòng)力學(xué)模型，并且運(yùn)用MATIAB/SMULNK仿真軟件對(duì)EMB和HB的制動(dòng)性能進(jìn)行仿真對(duì)比.結(jié)果表明EMB制動(dòng)系統(tǒng)縮短了制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，減少了汽車制動(dòng)距離，提高了制動(dòng)性能，能夠適應(yīng)汽車制動(dòng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和要求.
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