试分析汽车电子机械制动执行机构的设计

高 滢

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210046）

在科技飞速发展背景下，汽车结构日益复杂，制动控制作为设计工作的重要部分，具有性能良好、操作便利、节能环保等特点，其安全稳定性可直接影响汽车设计效果。因此，在制动执行机构设计过程中，应积极引入先进的技术手段，使该系统中的执行机构得到有效的设计和优化。

1 电子机械制动系统构成

汽车执行机构工作较为复杂，由多个部分构成，主要为驱动电机、减速装置、制动器、转换装置等等。在系统工作中，电机在减速作用下扭矩增大输出，借助转换装置使旋转与直线之间自由转变，系统中驱动模块、制动盘均具有减速功能，整个系统在制动控制器的作用下高效运作。该系统的主要构成部件与功能如下：

（1）驱动电机。该部件作为执行机构中的重要内容，具有力矩输出作用，受速度、电机位置、转矩等因素影响。现阶段，驱动电机的类型以无刷直流电机为主，可有效克服传统电刷与换向器结构，在工作中不易出现火花与磨损，使用寿命较长，在稳定性方面占有较大优势。

（2）转换装置。一般情况下，执行机构采用的转换装置为滚珠丝杠副，此类构件通过丝杠与螺母旋槽内的滚珠进行转换，在闭合回路中可稳定运行。在制动系统中还应添加自锁装置，但由于结构较为复杂，可以滑动丝杠进行替代。

（3）减速装置。在汽车行业中，一般以行星齿轮作为减速元件，在质量相同的情况下，体积相对较小，可为制动系统运行提供强大的减速传动比，使运行效率得到显著提升，且减速过程十分平稳。

（4）制动器。该设备类型多种多样，如电磁式、摩擦式、液力式等等，其中电磁式的性能相对较强，动作可靠，但造价较高，多用于重型汽车中；液力式可当作缓速器使用，但性能与摩擦式相比较弱，当前使用最多的为摩擦式[1]。

2 电子机械制动系统执行机构设计方法

2.1 减速器设计

优化设计流程为：首先，按照系统传动比对齿轮齿数进行分配，同时，确保配齿与安装条件、邻接条件相符合，即中心轮与其他啮合齿轮副之间拥有同等的距离；其次，对齿轮的主要参数进行确定，包括行星轮数量、小/大齿轮数量、齿数比、小/大齿轮齿形、重合度等等；最后，对减速器的各项参数进行确定，包括螺纹升角、预紧传动效率、最大驱动力距等等。

2.2 滚珠丝设计

在系统执行机构中，滚珠丝杠所承受的应力承载具有制动功能，在运行过程中受到振动或者撞击后，需要根据动载荷工况对额定应力水平进行计算，在此基础上选择滚珠丝杠副。在驱动力计算方面，首先明确滚珠丝杠副的额定动荷载水平，选择恰当的构件类型，进而得出机构整体参数，然后对驱动力进行计算。值得注意的是，在驱动过程中，应将滚珠丝预紧条件引入其中，对有无预紧两种形式进行单独计算，将结果对比后选出最佳设计方案。

2.3 直流驱动电机

在汽车制动系统中，驱动器与电机属于十分重要的内容，在电机选择方面，应确保其稳定性与实际需求相符合。同时，还要具有较大的耦合刚度、输出扭矩，可在制动条件下快速响应，为调速提供更多便利。此外，在制动系统中，直流驱动电机与车辆颠簸振动之间存在较大联系，应确保设备具有较强的耐磨性、抗干扰性，且维护应便利[2]。

2.4 滑动丝杠

在耐磨性设计方面，主要参数为螺母高度、螺杆中径、工作压强等等，其中工作压强的计算公式如下：

式中，F为轴向载荷；Pp为许用比压；P为工作压强；在螺牙强度设计方面，主要包括螺杆与螺母两项内容，在螺杆强度方面，主要包括剪切强度与弯曲强度两项；在螺母强度方面，包括剪切强度与弯曲强度，计算公式为：

式中，d为螺杆大直径；d1为螺杆中直径；d2为螺杆小直径；P为螺距；n为材料许用切应力。

3 电子机械制动系统执行机构实验

3.1 性能优化

根据上文公式与研究，开展执行机构实验分析，对该机构的性能进行优化，具体如下：以车辆制动力分配比为变量，对约束函数与目标函数进行计算。其次，在SQP算法指导下，对汽车自动距离进行探究。根据结果可知，当汽车的制动分配比为0.598。当汽车的初始速度为90km/h时，制定距离为48.72m，附着系数为0.798，经过性能优化后，空载与满载情况下均可满足系数要求，也就是前轮与后轮同时抱死的情况得到有效好转。针对车辆制动侧滑的问题，需要对执行机构性能进行深入优化，使侧滑情况得到有效改善，当汽车处于满载情况下，使优化设计结果与预期目标相符合。当汽车处于满载状态时，在车辆制动后，后轮抱死速度与前轮相比较慢，可使车辆在制动过程中更加安全稳定。

根据制动力结果，本文将对系统执行机构进行优化设计。当前，压力响应速度慢的问题被充分体现出来，且在大多数车辆中广泛存在。对此，本文针对气压制度与响应速度进行优化分析。车辆气压制动不但包括气压管路、继动阀两项内容，还具有制动气室、双腔制动阀等等。其中，继动阀在气室与制动阀之间充当桥梁和纽带的作用，由控制气口、供气口等共同组成。对于双腔制动阀来说，其属于系统中的重要内容，在制动过程中具有刹车、起动信号相互转换的作用。在性能参数方面，包括活塞回位刚度、弹簧刚度等，通过气压管路的应用，可使执行机构的响应速度得到显著提升。本文构建气压制动模型，如下：

式中，D为继动阀数值；LPPf为制动阀回味弹簧刚度；P为排气间隙。

通过对车辆实验数据进行进行获取，将充气与排气的延长时间进行对比，对制动执行机构进行优化设计。在执行过程中，车辆响应速度通常在0.7s左右，当车辆在高速公路上行驶时，如若遇到紧急制动情况，很容易出现安全事故。通过对气压制动模型进行分析，如若车辆充气时间延长，势必会使制动阀受到负面影响。因此，本文中D值取15N/mm，P值取2.0mm，LPPf值取15N/mm。在该模型进行优化后，制动阀弹簧强度与排气间隙的性能得到极大增强。同时，车辆的响应速度被有效降低，达到0.4s左右，车辆的制动系统得以优化，使驾驶人员的行车安全得到切实保障[3]。

3.2 仿真实验

在本文研究中，在序列二次规划算法的基础上开展仿真实验，对可变步长进行计算，数值为0.005，在开展的仿真实验中，应针对车辆模型中的各项参数进行全面分析，主要为车速、轮胎轮速、空载等等。根据仿真实验模型可知，抱死率达到99.9%，轮胎速度不断下降，可车辆的前轮与后轮同时抱死。另外，在其他条件不变的情况下，车辆可在3.0s左右完成减速制动，通过对货车制动距离进行测量，结果为40.37m，货车的减速增加到-8m/s，结束后速度为0，这一数值意味着在仿真实验中，在二次序列算法基础上，对制动系统执行机制进行分析，可使车辆轮胎的抱死情况得到有效改善，使汽车行驶的安全性得到显著提升，进一步说明此种优化算法的可行性。

通常情况下，通过驾驶员的动作指令能够将车辆制动执行机构的强度充分体现出来。在仿真实验中，通过对电机制动与传动效率进行分析可知，当制动力增加时，通过提高制动力矩便可使电机工作效率得到显著提升，一旦制动强度 超过0.7，电机的再生制动力将会出现明显改变。一般情况下，车辆制动通过液压制动系统来实现。通过构建仿真模型可知各项参数，对电机制动力矩进行计算后，将结果上传到主电机系统中，在优化配置情况下进行最优配置。另外，在理想状态下，汽车制动执行机构的反应速度越快，制动便越发稳定安全[4]。

4 结语

综上所述，在汽车设计工作中，制动系统执行机构作为一项重要内容，主要包括减速器、滚珠丝、直流驱动电机、滑动丝杠等内容，在设计过程中应把握设计要点，通过开展仿真实验的方式，使执行机构设计更加科学合理，为汽车行业的健康可持续发展提供强有力的技术支持。