电子驻车制动系统传动机构的设计与计算

温开元，杨柳，朱彬，王赚

(浙江瑞立集团技术中心新能源开发部，浙江瑞安 325200)

电子驻车制动系统传动机构的设计与计算

温开元，杨柳，朱彬，王赚

(浙江瑞立集团技术中心新能源开发部，浙江瑞安 325200)

简介汽车制动系统的作用及分类，以电子驻车制动系统传动机构为研究对象，分析其工作原理，并通过一个实例介绍了电子驻车制动系统传动机构的设计与计算。

电子驻车制动系统；传动机构

0 引言

随着现代汽车科学技术不断发展，机械控制逐步向电子控制方向发展。电子驻车制动系统(Electrical Park Brake) 俗称手刹系统，它是指将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起,并且由电子控制方式实现停车制动的技术。作者对电子驻车制动系统的工作原理进行分析，并通过一个实例介绍了电子驻车制动系统传动机构的设计与计算。

1 汽车制动系统的作用及分类

汽车制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、紧急制动系统及辅助制动系统。

行车制动系统又称主刹车系统，它是由驾驶员用脚来操纵的，当驾驶员踩下制动踏板，通过液压管路推动制动主缸，将制动蹄压紧在制动轮鼓上的刹车盘上，从而产生摩擦力。它的作用是使正在行驶中的汽车减速或在最短的距离内将车刹停。

驻车制动系统又称手刹车系统，它是由驾驶员用手来操纵的，驾驶员拉起手刹柄将钢丝绳拉紧，通过杠杆机构带动连接在后轮毂上的刹车片将车刹住。它的作用是使已经停在各种路面上的汽车驻留原地不动，防止发生溜车现象。

紧急制动系统是在行车制动系统失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。理论上它应有一套单独的制动装置。现在许多国家要求汽车必须具备紧急制动系统。

辅助制动系统。对于经常在山区行驶的汽车以及某些特殊用途的汽车，为了提高行车的安全性和减轻行车制动系性能的衰退及制动器的磨损，使用辅助制动系统以在下坡时稳定车速。

上述各制动系统中，行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的装置。

2 电子驻车制动系统的应用及特点

随着社会、经济的发展,汽车已经成为人类密不可分的伙伴；与此同时,人们对汽车的舒适性和安全的要求也越来越高，因此,安全、环保和节能成为当前汽车技术发展的主要方向，越来越受到研究人员的重视。为此，汽车电子驻车制动系统作为现代汽车主动安全技术之一将被广泛应用。

汽车电子驻车制动系统和传统手刹相比，操作更为简单而且省力。电子驻车制动使用小巧的按钮取代了传统的手刹拉杆，让车内空间得到更好的利用。虽然电子驻车制动系统总成与传统手刹零部件相比,价格上不一定有优势,但省下的空间(通常都是省下前排中间的位置)可以有更大的用处；整个电子驻车制动系统工作模块可以应用在大部分车型上,从而可降低生产成本将这个技术普及到更低一级的车型上。电子驻车制动系统的出现还可以扩展到AUTO HOLD,配合各种电控单元及机构，可以在适当的时候刹车和驻车。对于驾驶者来说,可以减少右脚和右手在塞车时的负担;杜绝了由于力量不够拉不紧手刹(特别是一些娇小的女士)而造成的不便。而由于电子驻车制动系统的执行机构只接受电信号指令，所以电子手刹在车辆防盗系统中也起到很重要的作用。

3 电子驻车制动系统机构种类及工作逻辑

电子驻车制动系统目前可分为拉索式以及整合卡钳式两种。文中主要探讨电子驻车制动传动机构。下面介绍拉索式电子驻车制动系统工作逻辑。

驾驶员通过按压电子驻车制动开关发出实施制动命令，当车速小于3.5 km/h时，电子驻车制动控制模块驱动电机开始转动并拉紧后轮制动蹄拉索，将后轮制动。当车速大于3.5 km/h时，电子驻车制动控制模块会通过ESP(Electronic Stability Program)系统(电控车辆稳定行驶系统)控制行车制动器对4个车轮进行制动。当行车制动器出现故障时，电子驻车制动控制单元会评估来自4个车轮的轮速传感器信号，对后轮进行制动并防止后轮抱死；此时，电子驻车制动控制模块控制单元点亮刹车灯。车辆在驻车时，驾驶员可以通过踩油门让车辆自动释放制动。

4 拉索式电子驻车制动传动机构种类和零部件组成及工作过程

4.1 拉索式电子驻车制动传动机构种类

拉索式电子驻车制动传动机构主要分为两种：一种是单拉索传动机构，另一种是双拉索传动机构。

单拉索传动机构是通过小型直流电机带动齿轮减速机构，齿轮减速机构再带动螺旋传动机构，螺旋传动机构一端连接螺母，另一端连接螺杆，螺杆在护套内被限制转动只能作直线运动，螺杆同时连接拉索。当螺母在齿轮减速机构带动下旋转时，其两端限制不能移动同时带动螺杆作直线运动，当电机正反转时，拉索被电机带动拉紧和松开，从而实现刹车制动及松开刹车。单拉索传动机构是通过主拉索带动两根分拉索，两根分拉索分别连接两后轮鼓刹车片，两根分拉索的拉力等于主拉索的1/2。单拉索传动机构可以灵活地安装在底盘合适的位置上，但是由于两根分拉索在制造、安装及调节过程当中存在误差，可能造成两轮的刹车力度不同，从而造成刹车的单边现象。

双拉索传动机构也是通过小型直流电机带动齿轮减速机构，齿轮减速机构再带动螺旋传动机构，螺旋传动机构螺母的一端通过螺杆连接一根拉索，螺母的另一端通过螺杆连接另一根拉索，螺杆在护套内被限制转动只能作直线运动，螺杆同时连接另一根拉索。当螺母在齿轮减速机构带动下旋转时，其他两边连接的两根拉索同时作直线运动，双拉索传动机构的两根拉索分别连接两后轮鼓刹车片，当电机正反转时，拉索被电机带动拉紧和松开，从而实现刹车制动及松开刹车。双拉索传动机构最好布置在底盘距两后轮中间位置，双拉索由于受力相等作用力相反，从而保证两后轮的刹车力相等，不会出现刹车的单边现象。双拉索传动机构相对单拉索传动机构的拉力大一倍。

4.2 双拉索式电子驻车制动传动机构

双拉索式电子驻车制动传动机构示意图如图1所示，它主要由传动箱上下盖及侧盖、电路控制板、直流电机、齿轮减速箱、螺旋传动部件(螺杆及外花键螺母)、传感器、拉索及护套等零部件组成。

图1 双拉索式电子驻车制动传动机构示意图

双拉索式电子驻车制动传动机构的工作过程：当驾驶员通过按压电子驻车制动开关发出实施制动命令，电子驻车制动控制模块驱动电机开始转动，通过装在电机上的齿轮Z1带动组合齿轮Z2及齿轮Z3转动。齿轮Z2和齿轮Z3组合在一起成为一个零件。齿轮Z3带动内花键齿轮Z4转动，内花键齿轮Z4两端支撑在下盖及侧盖之间，可在轴套内转动但在轴向限制移动，内花键齿轮Z4带动外花键螺母转动同时限制轴向移动，外花键螺母采用双头螺纹且分别为左、右旋方向，外花键螺母带动左、右长螺杆在护套内作直线运动。当刹车时，制动控制模块通过转速传感器计算螺杆移动距离，将左、右长螺杆同时往中间运动将拉索拉紧，拉索带动刹车片将后轮毂刹住。当松开刹车时，电机反转将拉索松开，拉索带动刹车片将后轮毂松开。

双拉索式电子驻车制动传动机构主要技术要求：

传动机构输出拉力大于1 600(N)。

左右长螺杆有效行程分别大于40 mm。

传动机构制动时间小于3 s，松开时间小于3 s。

5 双拉索式电子驻车制动传动机构结构设计及零件参数选取

齿轮传动箱齿轮安装位置示意图如图2所示。

图2 齿轮传动箱齿轮安装位置示意图

此传动机构采用二级齿轮传动、一级内外花键传动、一级螺旋传动。在传动机构中，由于电机高速旋转同时伴有正反转运动，考虑电机齿轮Z1为金属材料中碳钢，考虑软硬齿面啮合及对噪声低的要求，组合齿轮Z2和Z3宜采用塑料齿轮，考虑齿轮Z4内花键配合处的冲击和磨损，齿轮Z4宜采用塑料镶嵌金属内花键槽，考虑电机传动要求平稳及齿轮有一定重合度，齿轮宜采用圆柱斜齿轮，但考虑组合齿轮Z2和Z3塑料圆柱斜齿轮模具结构复杂性，齿轮还是选用直齿圆柱齿轮；考虑长螺杆受到轴向拉力，长螺杆宜采用梯形螺纹；考虑空间有限，齿轮与齿轮轴之间及外花键螺母与轴套均采用滑动转动；考虑齿轮根切因素，最小齿轮齿数宜为17。综上所述，传动零件参数选取如下：

齿轮Z1齿数z1=17，模数m1=0.6 mm，分度圆直径d1=m1×z1= 10.2 mm；齿轮Z2齿数z2=34，模数m2=0.6 mm，分度圆直径d2=m2×z2=20.4 mm；齿轮Z1和Z2的中心距a1=(d1+d2)=15.3 mm；齿轮Z3齿数z3=17，模数m3=0.8 mm，分度圆直径d3=m3×z3=13.6 mm；齿轮Z4齿数z4=46，模数m4=0.8 mm，分度圆直径d4=m4×z4=36.8 mm；齿轮Z3和Z4的中心距a2=(d3+d4)=25.2 mm；长螺杆及螺母中径为φ9 mm，螺距为2 mm。

6 拉索式电子驻车制动传动机构计算

(1)传动比

i1=34/17;i2=46/17;i3=36.8/9

iΣ3=34×46×36.8/17/17/9=22.128

(2)传动效率

η电机滚动=0.99；η齿轮=0.97；η齿轮=0.97；η花键=0.97；η滑动=0.97

ηΣ5=0.99×0.974=0.876

(3)传动力矩

设电机功率P=0.03 kW，转速n1=2 730 r/min，扭矩T1=0.082 4 N·m，通过齿轮及花键螺母传动到长螺杆，则有：

T花键螺母=T1×iΣ3×ηΣ5=0.082 4×22.128×0.876=1.597 N·m

(4)长螺杆轴向拉力

根据螺旋传动公式有：

F=Qtan(ψ+ρv)

T花键螺母=F×D/2=D/2Qtan(ψ+ρv)

Q=2T花键螺母/[D×tan(ψ+ρv)]

tanρv=fv=f/cosβ

式中：F为作用在螺纹中径D的圆周上切向力；Q为作用螺纹副上的轴向力；D为螺纹中径；ψ为螺纹升角；ρv为螺纹当量摩擦角；fv为螺纹当量摩擦因数，当β=0时为矩形螺纹，fv=f；f为螺纹摩擦因数；β为螺纹牙形半角，当螺纹为梯形螺纹时，β=15°。

设长螺杆为梯形螺纹M10螺距为2 mm，螺纹中径D=φ9 mm，ψ=arctan[2/(9π) ]=4.05°;当螺纹润滑良好时，选取f=0.1，由tanρv=f/cosβ=0.1/cos15°=0.103 5，则ρv=arctan(0.103 5)=5.91°。

由于ψ<ρv，螺纹副自锁。

tan(ψ+ρv)=tan(4.05°+5.91°)=tan(9.96°)=0.175 6

由Q=2T花键螺母/[D×tan(ψ+ρv)]=2T花键螺母/(9×10-3×0.175 6)=1 265.5×T花键螺母，又由T花键螺母=1.597 N·m；则Q=1 265.5×1.597=2 021 N，

即长螺杆所受轴向拉力Q=2 021 N。

由于左右长螺杆同在花键螺母作用下，故作用力相等方向相反。

(5)输出转速

n花键螺母=n1/22.128=2 730/22.128=123.37 r/min

(6)制动时间

由长螺杆螺距为2 mm可知，花键螺母每转一周长螺杆直线移动2 mm，当刹车片与轮毂的间隙为10 mm时，花键螺母需转5圈；故花键螺母实际所需时间为t=5×60/123.37=2.43 s。

7 结束语

通过计算可知：

传动机构输出拉力2 021 N大于1 600 N。

左右长螺杆有效行程分别大于40 mm。

传动机构制动时间2.43 s<3 s，松开时间2.43 s<3 s。

由此可知该机构满足双拉索式电子驻车制动传动机构的主要技术要求。

[1]周晓飞.汽车EPB电子驻车制动系统故障诊断应用[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]杨汝清.机电控制技术[M].北京：科学出版社，2009.

[4]张展，叶少华，韩为峰.减速器设计选用手册[M].上海：上海科学技术出版社，2002.

DesignandCalculationofTransmissionMechanismofElectronicParkingBrakingSystem

WEN Kaiyuan,YANG Liu,ZHU Bin,WANG Zhuan

(New Energy Development Department of Technology Center, Zhejiang Ruili Group, Ruian Zhejiang 325200, China)

The function and classification of the automobile braking system were introduced.The working principle of the electronic parking brake system transmission mechanism was analyzed.The design and calculation of the transmission mechanism of the electronic parking brake system were introduced through an example.

Electronic parking brake system; Transmission mechanism

2017-05-02

温开元(1962—)，男，高级工程师，主要从事阀门、汽摩配、高低压电器等产品的开发设计工作。E-mail：WKY444@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.014

U463.52+3

B

1674-1986(2017)10-059-04