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摘要:電子機械制動是線控制動的一種重要形式。以企業內部某樣車為目標車型，設計一套后輪電子機械制動卡鉗(EMB)。基于卡鉗剛度建立了卡鉗夾緊力控制仿真模型，并進行了夾緊力響應特性試驗驗證。EMB卡鉗響應最大需求夾緊力時間約為160ms，夾緊力輸出能夠較好地跟隨階躍、正弦及隨機目標曲線。仿真模型能夠較準確地模擬卡鉗夾緊力及活塞位移變化。同時，卡鉗剛度標定對EMB卡鉗夾緊力輸出具有很大影響，對卡鉗剛度進行準確估計是EMB卡鉗夾緊力精確控制的基礎。

關鍵詞:線控制動;電子機械制動卡鉗(EMB);卡鉗剛度;仿真模型;夾緊力

近年來，汽車電動化、智能化和網聯化的發展趨勢日益明顯，這對汽車制動系統提出了新的要求。一方面，電動汽車普遍采用再生制動系統，需要實現輪端摩擦制動力矩與電機力矩協調控制。這要求輪端摩擦制動力能夠獨立控制并精確可調［1］;另一方面，隨著自動緊急制動(AEB)和自動泊車(APA)等智能輔助駕駛技術逐漸得到應用，制動系統作為底層執行的重要組成部分，需要進一步提高響應速度和控制性能［2］。顯然，傳統制動系統難以滿足這些新需求，線控制動系統(Brake－by－wire，BBW)應運而生。線控制動系統主要分為電子液壓制動系統(Electro－hydraulicBrakeSystem，EHB)及電子機械制動系統(Electro－mechanicalBrakeSystem，EMB)。EHB系統在傳統液壓制動系統的基礎上發展而來，采用電子模塊替代傳統液壓制動系統中的液壓伺服模塊并進行進一步集成，實現對液壓制動力的精確控制［3］。與EHB系統相比，EMB完全拋棄制動液和液壓元件，以線束和電子機械制動器取代傳統液壓制動系統，制動力矩調節完全通過控制四輪電子機械制動器來實現［4］。EMB系統具有結構簡單、響應迅速、制動力精確可調等優點，通過控制算法能夠實現多種動態制動功能。目前，EMB系統還有電源供電、可靠性和容錯性等方面的問題需要解決，尚未進入量產應用階段［5］。目前，國內外對EMB系統技術開展了廣泛的研究。國外一些知名的零部件廠商，如大陸、萬都等企業從20世紀90年代開始，就在EMB系統方案、控制方法以及零部件和整車測試等方面進行了大量的開發工作［6］。近年來，國內的清華大學、吉林大學、同濟大學等也在EMB仿真與臺架驗證等方面取得了一定進展。本文作者以企業內部某樣車為目標車型，設計了一套后輪電子機械制動卡鉗。基于卡鉗剛度搭建了電子機械制動卡鉗夾緊力控制模型，分析了EMB卡鉗對不同制動力需求的響應特性，并開展了臺架試驗與驗證;研究了卡鉗剛度對夾緊力控制效果的影響，為后續實現EMB卡鉗夾緊力的精確控制提供了改進方向。

1EMB制動卡鉗設計目標

制動系統的需求制動力、制動間隙、制動響應時間等是制動器設計的重要參數，直接決定了電子機械制動卡鉗電機及傳動機構的選型和設計。本文作者以企業內部某樣車為目標車型，對標傳統液壓制動系統的性能參數，設計后輪電子機械制動器。該樣車部分整車參數及后制動角參數如表1所示。在高附路面上，1g減速度下，后輪制動器需提供的夾緊力為根據整車參數和后制動角參數計算得到，1g減速度下后輪制動器需提供夾緊力為14709N。因此，取EMB卡鉗需滿足的最大目標夾緊力為15000N。在卡鉗設計中，制動間隙對卡鉗蓄液量及拖滯力矩有重要影響。在傳統液壓制動系統中，卡鉗制動間隙一般控制在0.2～0.4mm之間。文中要求EMB制動器制動間隙不超過0.3mm，消除空行程的時間在0.1s以內，這為EMB執行器的響應速度提出了設計指標。

2EMB卡鉗設計方案

EMB卡鉗執行器是整個電子機械制動系統的執行部分。目前，許多線控制動研究機構采用了驅動電機+減速增力機構+運動轉換機構+卡鉗的結構形式，如圖1所示。其工作原理為:電機控制器接收夾緊力需求信號后，控制驅動電機輸出轉矩，電機轉矩通過減速增力機構傳遞后實現減速增扭，并通過運動轉換機構將旋轉運動轉化為直線運動，最終推動卡鉗活塞和摩擦片壓緊制動盤，通過卡鉗鉗體產生夾緊力，實現制動力矩輸出。設計的電子機械卡鉗以無刷直流電機(BLDC)作為驅動電機，采用一級固定齒輪+一級行星齒輪作為減速增力機構，齒輪綜合傳動比為ig。運動轉換機構采用滾珠絲杠，滾珠絲杠節距為Pb。卡鉗殼體及支架基于現有某已量產浮動式卡鉗進行更改。電機及傳動機構參數如表2所示。采用卡鉗零件設計參數對設計指標進行初步校核。當卡鉗達到最大夾緊力時，驅動電機接近堵轉狀態，EMB卡鉗可輸出的最大夾緊力Fmax為計算得到，EMB卡鉗消除制動間隙時間為Ta=52.2ms，小于消除制動間隙時間目標值，滿足設計要求。本文作者設計的電子機械卡鉗如圖2(a)所示，驅動電機、齒輪組及滾珠絲杠集成于電機及傳動機構模塊內，結構較為緊湊。整個EMB卡鉗包絡與同尺寸的MOC(MotoronCaliper)卡鉗相當，在活塞軸向尺寸上，比同尺寸某量產MOC卡鉗長10mm。EMB卡鉗可安裝至樣車后懸環境中，與周邊零部件間隙滿足設計要求，整車安裝效果如圖2(b)所示。

3電子機械制動系統建模

建立電子機械制動系統Simulink仿真模型，主要包含電機模型、負載模型和制動間隙模型等幾個部分。

3.1電機模型

直流無刷電機工作原理等效電路如圖3所示。

3.2負載模型

當EMB卡鉗夾緊時，滾珠絲杠螺母推動卡鉗活塞移動主要受兩部分阻力:一部分為摩擦片壓縮變形產生的阻力，另一部分為卡鉗殼體張開變形產生的阻力，忽略活塞受到的摩擦力。因此，這兩部分阻力之和構成了卡鉗夾緊力。將制動間隙為零，即活塞剛好壓緊摩擦片時的位置設定為卡鉗剛度模型的活塞位移零點，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的曲線斜率為卡鉗剛度Ks其中:卡鉗剛度FL(x)曲線由試驗獲得，將在第4.2節中進行介紹。

3.3制動間隙模型

EMB卡鉗每一次夾緊或釋放時，均需要識別摩擦片與制動盤的接觸點和分離點。卡鉗夾緊時，識別到制動力迅速上升的點為盤片接觸點，并將此位置定義為卡鉗夾緊的夾緊零點，并基于夾緊力需求和卡鉗剛度模型對EMB電機進行位置控制。卡鉗釋放時，需識別夾緊力轉變為零的點，并定義此位置為活塞的釋放零點，通過控制電機回轉角度實現預定的制動間隙。為了保證EMB卡鉗每一次夾緊和釋放有恒定的制動間隙，要求EMB制動系統具備間隙管理功能，通過控制算法實現制動釋放時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，提出通過監測電流曲線斜率判斷盤片接觸點和分離點的制動間隙控制策略。最終，本文作者搭建的電子機械制動系統Simu-link仿真模型如圖4所示。

4測試臺架與卡鉗剛度標定

4.1卡鉗夾緊力響應特性測試臺架

為了測量EMB卡鉗的夾緊力響應并驗證控制策略，搭建了圖5(a)所示卡鉗夾緊力響應測試臺。臺架主要由上位機、EMB控制器、EMB卡鉗、夾緊力傳感器、數據采集處理模塊、供電模塊等組成。通過上位機向控制器發送夾緊力需求，控制器根據目標夾緊力控制EMB運動，實現夾緊力輸出。試驗臺能夠實時采集電機母線電流、電機霍爾數及卡鉗夾緊力等參數。同時，在上位機內設計了相應的試驗數據采集軟件，可在同一界面內完成程序初始化、標定調試、需求夾緊力波形調節、夾緊力輸出查看和數據存儲等功能，圖5(b)為數據采集軟件操作界面。

4.2卡鉗剛度標定

研究中的電子機械制動系統中無夾緊力傳感器，卡鉗夾緊力根據夾緊力估算模型計算得到。夾緊力估算模型的基礎是卡鉗剛度曲線FL(x)，卡鉗剛度標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行器剛度。實際上，在大夾緊力下，卡鉗殼體剛度對卡鉗整體剛度有較大貢獻。因此，對于卡鉗剛度的測量，應包含完整的卡鉗及執行器。在剛度測量時，需將壓力傳感器置于摩擦片與制動盤之間來獲取卡鉗夾緊力。然而，受壓力傳感器體積限制，文中拆除了內摩擦片而以鋼片替代，測量了不同活塞位移的準靜態卡鉗夾緊力。

5EMB夾緊力控制仿真與驗證

5.1EMB夾緊力階躍響應分析

圖7所示為EMB卡鉗15000N夾緊力階躍響應結果。由圖7(a)可知，EMB卡鉗響應最大需求夾緊力時間約為160ms，相比傳統液壓制動系統大大縮短了響應時間，在線控制動系統中處于主流水平。卡鉗夾緊力響應分為兩個階段: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約60ms，可滿足小于100ms的設計目標;第二階段為卡鉗夾緊階段，此時卡鉗夾緊制動盤，夾緊力迅速上升。夾緊力仿真曲線與試驗實測曲線接近，相對于仿真曲線，試驗夾緊力在達到目標夾緊力時有較大超調，這是因為EMB卡鉗中傳動部件的慣性引起沖擊。并且，試驗夾緊力穩定值高于目標夾緊力，這可能是由卡鉗剛度測量誤差導致的。圖7(b)為EMB卡鉗活塞位移仿真與試驗對比。可知:仿真得到的活塞位移曲線與試驗位移曲線較接近。活塞克服0.3mm的空行程達到盤片接觸點，卡鉗夾緊力開始上升，卡鉗負載變大，活塞位移變化速率有所下降。同時，試驗測量得到的活塞穩定位移大于仿真值，這與圖6(a)中試驗夾緊力穩定值高于目標夾緊力的結論是一致的。5.2EMB夾緊力動態響應分析圖8所示為EMB卡鉗夾緊力正弦信號動態響應結果，目標夾緊力峰值為10000N，周期為0.5s。由圖8(a)可知:EMB卡鉗能夠較好地跟隨目標夾緊力變化，且夾緊力仿真曲線與試驗曲線有相同變化趨勢。在卡鉗夾緊階段，仿真值與試驗值較吻合，試驗夾緊力峰值略大于仿真值;在卡鉗釋放階段，試驗夾緊力下降速度更快，相對于卡鉗夾緊階段產生“遲滯”［9］。這種“遲滯”現象產生的原因是:EMB卡鉗傳動機構中無自鎖機構，回退過程中卡鉗夾緊力有助于活塞回退。對于實車集成而言，需要評估此特性對整車制動踏板感覺的影響。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曲線較一致，相比仿真曲線，試驗曲線在活塞回退至盤片分離點時有一定超調，這與系統慣量和間隙管理模型精度有關。同時，還研究了EMB卡鉗對隨機需求夾緊力的響應特性。基于試驗數據采集軟件，利用制動踏板開度模擬夾緊力需求并進行隨機輸入。如圖9所示，EMB卡鉗輸出夾緊力能夠較準確地跟隨隨機目標輸入。

5.3卡鉗剛度影響分析

為研究卡鉗剛度對制動力控制的影響，采用第4.2節中卡鉗殼體+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，進行了EMB夾緊力階躍響應仿真對比，目標夾緊力為10000N。如圖10所示:在卡鉗殼體+外摩擦片+鋼片組合下，EMB卡鉗達到目標夾緊力的響應時間為140ms，穩定夾緊力為10000N;對于卡鉗殼體+鋼片+鋼片組合，實現10000N夾緊力的響應時間更短，為120ms左右，且穩定夾緊力大于目標夾緊力，達到14000N。這是因為:對于相同的卡鉗剛度標定，EMB卡鉗通過控制活塞位移來控制夾緊力輸出，若卡鉗實際剛度大于標定剛度，則在相同活塞位移下，卡鉗實際夾緊力輸出將大于標定剛度卡鉗。在實車應用過程中，卡鉗及傳動部件制造公差、摩擦片壓縮率偏差、卡鉗磨損狀態及溫度等因素均會對卡鉗剛度有影響，最終產生卡鉗夾緊力輸出波動［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精度，另一方面需提高夾緊力控制策略的魯棒性。作者后續將在這兩個方面進行進一步研究。

6結論

本文作者設計了一套后輪EMB制動卡鉗，基于卡鉗剛度標定，進行了夾緊力控制仿真研究及試驗驗證，主要得到以下結論:(1)EMB卡鉗目標夾緊力階躍響應時間為160ms，消除空行程時間為60ms，滿足設計目標。仿真模型能夠較好地反映卡鉗的響應特性。(2)EMB卡鉗夾緊力輸出能夠較好地跟隨正弦輸入及隨機輸入目標曲線，具有良好的動態響應特性。(3)卡鉗剛度對EMB卡鉗夾緊力精確控制產生重大影響。卡鉗實際剛度與標定剛度存在差異時，將產生與目標夾緊力不匹配的夾緊力輸出。文中研究為后續進一步提高EMB卡鉗夾緊力控制精度及實車調試提供了基礎。

作者：齊鋼 胡晨暉 張光榮 單位：泛亞汽車技術中心有限公司