電子駐車制動系統的設計與研究

朱宇，李淑萍

（蘇州工業園區服務外包職業學院，江蘇蘇州，215123）

0 前言

電子駐車制動系統接受遍布在汽車各個部位的傳感器發送的信號，當駕駛員遇到紅燈等需要短暫停車的情況時，懸架上的輪速傳感器以及發動機扭矩傳感器將檢測到的汽車信息采集并發往ECU控制單元，ECU做出判斷然后控制制動卡鉗咬緊制動盤，完成駐車。從技術方面看，相對傳統的駐車存在駕駛者操作不正確或不到位的隱患而且功能性單一，而電子駐車的功能豐富且更加安全可靠，是一次技術上的升級。傳統式手剎是拉索式的，手拉桿處的棘輪會發出喀嗒升，拉起的棘輪齒數決定了制動力的大小，所以傳統駐車結構是純機械化操控，而電子駐車制動模式采用按鈕操作，非常簡單省力，所以極大提升了舒適性。

1 電子駐車制動系統總體方案設計

1.1 傳統駐車制動機構

跟行車制動相比，駐車制動所需的制動力要小得多。因為駐車制動多發生在汽車熄火之后，汽車能提供的動力系統會因為汽車熄火而失去原有的效果，因此最早的駐車系統就是通過機械裝置鎖緊車輪以實現駐車的目的[1]，如圖1所示。

圖1 機械裝置示意圖

傳統手剎是在車廂內設置一個手剎桿，當駕駛員拉起手剎桿時會帶動鋼索拉緊，然后鼓式剎車鎖住后輪，完成駐車動作。駐車系統的本質就是通過對車輪施加一個摩擦力，保證車輪與車身、地面保持相對靜止。傳統的手剎和腳剎系統正是通過手剎桿的拉起程度或者腳剎踏板的踩下程度來控制駐車力的大小，而判斷駐車力的大小基本靠駕駛員的經驗和力量決定。因此，當力量比較弱小或者經驗不足的駕駛員進行操作時就存在著施加的駐車力不足而導致車輛溜坡的隱患[2]。

1.2 電子駐車制動系統的原理

過去的電子駐車制動的控制技術是通過車上的電子按鈕控制電機完成鋼索的拉緊，這雖然達到了電力控制而且方便駕駛員的操作，但是其制動的內涵并未發生實質上的改變[3]。

全新意義上的電子駐車技術（以下簡稱EPB）是將原有的鋼索取消，通過集成在后輪盤式制動器上的電機動作完成電子駐車的過程，而過去的行車制動過程只是通過液壓系統完成的。隨著技術時代的更新，對于安全認知的不斷提升催使了EPB的出現，對于安全系統的控制也從粗略的整體控制向精確的部分控制改變，如ABS、ESP等系統的誕生都為EPB鋪墊了基礎，如圖2所示。

圖2 集成式卡鉗結構示意圖

EPB集成的制動卡鉗通過支架固定于汽車的后懸架上，當ECU接收到電子駐車的開關信號，經過判斷計算后向集成于制動卡鉗上的直流電機發送信號，經過減速器和傳動心軸以及壓力螺母的運動轉換結構推動活塞，活塞隨之推動摩擦片與制動盤摩擦達到保持車輪相對汽車與地面靜止為目的。

1.3 電子駐車制動系統的功能

在對電子駐車制動系統的設計時，要實現基本的駐車和解除駐車功能外，還要能確保操作過程的安全性，另外還要能智能化的實現自動駐車和解除駐車的功能[4]。

1.3.1 駐車功能

駐車功能根據開啟時的車速可以分為兩種情況：

（1）靜態駐車

當汽車處于較低的速度時（車速小于安全速度），拉起駐車制動按鈕，ECU會控制電機鎖死車輪，達到駐車的目的，如圖3所示。

圖3 靜態駐車策略

（2）動態駐車

當汽車車速較高時（車速大于安全速度），拉起駐車制動按鈕，ECU不會驅動電機動作，而是通過液壓系統進行制動，ABS系統也將參與控制，如圖4所示。

圖4 動態駐車策略

1.3.2 緊急制動功能

在汽車行駛過程中，假如制動失效，駕駛員開啟電子駐車并踩下制動踏板，通過制動踏板ECU會判斷駕駛者的剎車意圖，并驅動另一套液壓裝置對活塞施壓完成行車制動。在新手駕駛員行駛過程中如果無法準確的判斷路況以及將要發生的危險，位于副駕駛的乘客可以拉起EPB開關，在速度不高的情況下也可以完成緊急制動。

1.3.3 便利性功能

（1）坡道輔助功能

當駕駛員遇到特殊情況不得不在斜坡上駐車或者短時停車時，ECU通過獲得的信息分析判斷出汽車所處位置，從而提供足夠的駐車力保證車輛穩定停駐[5]。當駕駛員準備從斜坡上離開時，駐車系統并不會馬上停止它的工作，而是“細心”地分析著汽車的受力情況。當在適當的時機時再松開，可使得汽車得以平穩的起步，這無疑成為了駕駛員盡職盡責的好幫手。

（2）autohold功能

當汽車行駛于城鎮中時,總會因為紅綠燈或者交通狀況等原因時常發生短時間的停駐，此時駕駛員需要右腳保持剎車。在這個保持踩剎車的過程中右腳一直處于工作狀態，盡管負荷不大，但時間久了也會使人變得疲憊[6]。但在裝備電子駐車的autohold功能后，可根據車輛的行車狀態便能夠自動地長久維持駐車。當要啟動時，駕駛員可踩下油門，汽車便可以解除駐車狀態而平穩起步。

2 電子駐車系統的結構設計

2.1 電子駐車的技術要求

駐車系統是保證汽車能夠安全可靠停駐的基礎，而不同的生產商可能會因為自身的原因（或控制成本或以此為自身優勢）導致市面上不同車型的駐車能力良莠不齊。因此，針對汽車的安全系統做出一個最低標準是極其有必要的。國家早已在多個方面針對汽車的安全系統進行了完善的強制性標準制定，例如從零部件的技術條件以及試驗方法都有了明確的規定。有關汽車的駐車能力相關標準可以參照《機動車運行安全技術條件GB7258-2012》規定[1]。

2.2 總體方案設計

電子駐車系統是為了汽車可以方便的停駐啟動而生的產品，它的性能應能完全滿足相應的標準。為了節省空間和成本，電子駐車將駐車執行電機集成于每一個制動卡鉗之上，所以制動卡鉗需要擁有液壓制動以及駐車制動。在使用過程中活塞和傳動心軸都是運動的，因此在兩者處需要添加密封，為了確保液壓的可靠性以及防止污染，選擇矩形圈作為密封圈。制動鉗鉗體通過兩個耳孔連接支架，再與懸架相連接，并要保證剎車片的與制動盤的相對位置和間隙。

駐車執行過程通過一個12V直流電機驅動，經過減速增矩后轉換運動形式，通過壓力螺母頂住活塞駐車。在結構可以滿足要求條件下應該盡量將卡鉗外觀設計的美觀，以滿足使用者的不同需求。

2.3 汽車制動器各大主零件的結構設計

2.3.1 制動盤

考慮到汽車的制造成本，所以本設計的制動盤的結構選用實心的制動盤，制動盤的厚度選取15mm。如果表面厚度為不均勻的制動盤，其旋轉過程中擺差就會過大，進而可能引起制動踏板振動。

2.3.2 制動鉗

生產制動器制動鉗所采用材料制造一般分為兩種，一種是可鍛造鑄鐵，另一種是球墨鑄鐵。為了能更加方便而又不必將制動鉗取下就可以檢查、檢修制動塊，所以在其外邊緣留有一個檢修開口。鉗盤式制動器的油缸直徑一般會設計得比較大，在轎車設計中，單缸式的鉗盤式制動器的油缸的直徑可達68.1mm，雙缸的油缸直徑可達45.4mm。

2.3.3 制動塊

制動塊是制動器的主要零件之一，它一般是由背板與摩擦襯塊兩部分組成的，摩擦襯塊的形狀一般都是做成扇形的。通常摩擦襯塊的外半徑R2和內半徑R1的比值不能太大，它們比值一般不能大于1.5。

2.3.4 摩擦材料

根據我國汽車行業的實際情況和本設計的一些要求，此次設計選擇摩擦材料是粉末冶金摩擦材料。它主要成分是以銅粉或鐵粉為主，占到總質量的60%到80%。剩余部分再用一些非金屬粉末作為摩擦系數調整劑，例如石墨粉，陶瓷粉等。

2.4 電子駐車系統驅動及傳動設計

2.4.1 電機選型

卡鉗電機的工作要求比較高，工作環境復雜惡劣。作為汽車安全系統的執行者,我們要求卡鉗電機能有較高的性能，較低的質量和功耗以及較快的響應速度，且卡鉗電機需要有一定的堵轉能力。

車載系統中多采用的是12V-24V直流電,卡鉗的駐車電機選擇為12V直流電機。電機的詳細參數如表1所示。

表1 電機參數

2.4.2 運動轉換機構設計

我們需要通過運動轉換裝置使得電機可以為活塞提供動力，同時電機旋轉運動需轉換為直線運動，相比較行車時制動的制動力，駐車時的要小得多，可靠性是第一因素。

絲杠螺母傳動可靠穩定，還可以滿足自鎖的要求。更加符合汽車安全系統的要求，因此最終選型為絲杠螺母傳動機構，其結構如圖5所示。

圖5 絲桿螺母機構

在設計中，根據使用條件選用了梯形螺紋。根據GB5796.4-86可以確定梯形螺紋的精度，而它的極限尺寸則根據GB12359-90可以確定。所以本設計選用中等精度的梯形螺紋。

3 結論

綜上所示，本文結合電子駐車制動系統的一些基礎操作開展設計，并利用電機驅動可有效保護制動系統因瞬時電流過大導致的損壞。電子駐車的控制電機需要滿足正反轉的控制，因此一般采用集成式卡鉗結構來控制電機。由于經驗、時間和條件的限制，目前只是對電子駐車制動系統進行了初步的研究，后續還需要對駐車制動系統生產的可行性、控制策略等問題進行研究。文中對汽車制動器各大主零件的結構設計和電子控制使得整個系統小而強悍，適用性強，無須特殊調整。近些年來，得益于技術的成熟和成本的控制，電子駐車已經開始向中低端車型開始普及。基于上述優勢，電子駐車制動系統不僅能夠滿足駕駛需求，滿足社會需求，還能實現人、車、社會、環境之間的有機聯接。因此，電子駐車制動系統在未來的應用中肯定會越來越全面、廣泛。