15年汽車工程會集tt090

２０１５ＣＧ電子液壓制動系統(tǒng)主動動力源的設計與實驗【摘要】電子液壓制動系統(tǒng)是一種在傳統(tǒng)的液壓制動器基礎上發(fā)展而來的新型機電一體化系統(tǒng)?以電子元件替代部分機械元件?實現(xiàn)對車輛制動力的調節(jié)?本文針對汽車電子液壓制動系統(tǒng)的主動動力源進行選型設計與實驗研究?通過建立系統(tǒng)動力源的設計需求?完成系統(tǒng)方案設計?并對設計的系統(tǒng)進行建模?驗證其是否滿足設計需求?最后利用實驗測試平臺對不同的【關鍵詞】電子液壓制動系統(tǒng)?主動動力源?蝸輪蝸桿?滾珠絲杠?ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＨｙｄｒａｕｌｉｃＢｒａｋｅＸｉｏｎｇＬｕ１??ＹａｎｇＬｕ１??ＸｕＳｏｎｇｙｕｎ１?１ＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ?ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｔｕｄｉｅｓ?ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｆＥＨＢ(ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ).Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ?ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｆｉｎｉｓｈｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ?ｔｈｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ?ａｎｄｖｅｒｉｆｙｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｙｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＦｉｎａｌｌｙ?ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｔｅｓｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｂｒａｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓＰａｒｔｉｃｕｌａｒａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｓｐａｉｄｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓＫｅｙｗｏｒｄｓ:ＥＨＢｓｙｓｔｅｍ?ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ?ｂａｌｌｓｃｒｅｗａｓｓｅｍｂｌｙ?ｗｏｒｍｇｅａｒｒｅｄｕｃｅｒ? 近年來?節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢使電動車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的主要方向?這也推動了汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展與變革電子液壓制動系統(tǒng)(Ｂ)?由于其能實現(xiàn)制動力的主動控制以及最大化地回收制動能量?而成為了未來汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展方向１２集成式電子液壓制動系統(tǒng)(ＩＢ)３通常由電機制動主缸輪缸壓力控制模塊踏板模擬系統(tǒng)失效備份系統(tǒng)及管路系統(tǒng)所組成?其主動建壓裝置與主缸集成在一起?直接通過電機驅動直線運動機構推動主缸建壓該系統(tǒng)摒棄了泵式液壓式電子液壓制動系統(tǒng)(ＰＢ)的高壓蓄能器以及其控制閥系?避免了采用存在泄漏風險的高壓蓄能器及其控制閥系４?從成本和可靠性上更進了一步國外的一些汽車相關企業(yè)已開始大力投入ＩＥＨＢ系統(tǒng)的Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ)年推出了完全解耦的ＥＨＢ系統(tǒng)ＭＫＣ１日本日立公司的ｅＡｃｔｕａｔｏｒ系統(tǒng)則是通過外包型電機及滾珠絲杠實現(xiàn)了系統(tǒng)設計６而國內暫時很少見相關的研究和設計同濟大學的

劉曦東對電液并行制動系統(tǒng)進行了相關的參數(shù)匹配與性能研究６?吉林大學的趙海濤對ＥＨＢ系統(tǒng)的跟隨特性進行了試驗研究７本文從汽車的制動需求出發(fā)?對ＩＥＨＢ系統(tǒng)進行方案設計?并對主動動力源的不同方案進試驗研究

電子液壓制動系統(tǒng)主動動力源的設計與實驗?????２１同濟大學新能源汽車工程中心２同濟大學汽車學院【摘要】電子液壓制動系統(tǒng)是一種在傳統(tǒng)的液壓制動器基礎上發(fā)展而來的新型機電一體化系統(tǒng)?以電子元件替代部分機械元件?實現(xiàn)對車輛制動力的調節(jié)?本文針對汽車電子液壓制動系統(tǒng)的主動動力源進行選型設計與實驗研究?通過建立系統(tǒng)動力源的設計需求?完成系統(tǒng)方案設計?并對設計的系統(tǒng)進行建模?驗證其是否滿足設計需求?最后利用實驗測試平臺對不同的系統(tǒng)特性進行試驗研究與對比?【關鍵詞】電子液壓制動系統(tǒng)?主動動力源?蝸輪蝸桿?滾珠絲杠?ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＨｙｄｒａｕｌｉｃＢｒａｋｅＸｉｏｎｇＬｕ?ＹａｎｇＬｕ?ＸｕＳｏｎｇｙｕｎ１ＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ?Ｔｏｎｇｊｉ２ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｔｕｄｉｅｓ?ＴｏｎｇｊｉＡｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｆＥＨＢ(ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ).Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ?ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｆｉｎｉｓｈｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ?ｔｈｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ?ａｎｄｖｅｒｉｆｙｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｙｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＦｉｎａｌｌｙ?ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｔｅｓｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｂｒａｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓＰａｒｔｉｃｕｌａｒａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｓｐａｉｄｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓＫｅｙｗｏｒｄｓ:ＥＨＢｓｙｓｔｅｍ?ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ?ｂａｌｌｓｃｒｅｗａｓｓｅｍｂｌｙ?ｗｏｒｍｇｅａｒｒｅｄｕｃｅｒ? 近年來?節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢使電動車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的主要方向?這也推動了汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展與變革電子液壓制動系統(tǒng)(Ｂ)?由于其能實現(xiàn)制動力的主動控制以及最大化地回收制動能量?而成為了未來汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展方向１２集成式電子液壓制動系統(tǒng)(ＩＢ)３通常由電機制動主缸輪缸壓力控制模塊踏板模擬系統(tǒng)失效備份系統(tǒng)及管路系統(tǒng)所組成?其主動建壓裝置與主缸集成在一起?直接通過電機驅動直線運動機構推動主缸建壓該系統(tǒng)摒棄了泵式液壓式電子液壓制動系統(tǒng)(ＰＢ)的高壓蓄能器以及其控制閥系?避免了采用存在泄漏風險的高壓蓄能器及其控制閥系４?從成本和可靠性上更進了一步國外的一些汽車相關企業(yè)已開始大力投入ＩＥＨＢ系統(tǒng)的開發(fā)Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ)在２０１３年推出了完全解耦ＥＨＢ系統(tǒng)ＭＫＣ１日本日立公司的ｅＡｃｔｕａｔｏｒ系統(tǒng)則是通過外包型電機及滾珠絲杠實現(xiàn)了系統(tǒng)設計６而國內暫時很少見相關的研究和設計同濟大學的劉曦東對電液并行制動系統(tǒng)進行了相關的參數(shù)匹配與性能研究６?吉林大學的趙海濤對ＥＨＢ系統(tǒng)的跟隨特性進行了試驗研究７本文從汽車的制動需求出發(fā)?對ＩＥＨＢ系統(tǒng)進行方案設計?并對主動動力源的不同方案進試驗研究

１１Ｉ￣本文對比分析了幾款系統(tǒng)的典型例?如瑞士ＬＳＰ公司開發(fā)的系統(tǒng)得出系統(tǒng)的結構拓撲圖如圖１圖１ＩＢ系統(tǒng)主要由制動踏板踏板感覺模擬器控制器電機機械傳動機構液壓系統(tǒng)及信號采集系統(tǒng)組成其中驅動電機及機械傳動機構為系統(tǒng)的主動動力源?也是本文所研究的主要內容一般的Ｉ１駕駛人未發(fā)出制動指令工況下?車輛控制系統(tǒng)通過傳感器及通信獲得的信息綜合判斷后對制動系統(tǒng)進行的主動干預１本文對比分析了幾款ＥＨＢ系統(tǒng)的典型例?如瑞士ＬＳＰ系統(tǒng)得出系統(tǒng)的結構拓撲圖１圖１ＩＥＨＢ系統(tǒng)主要由制動踏板踏板感覺模擬器控制器電機機械傳動機構液壓系統(tǒng)及信號采集系統(tǒng)組成其中驅動電機及機械傳動機構為系統(tǒng)的主動動力源?也是本一般的Ｉ駕駛人未發(fā)出制動指令工況下?車輛控制系統(tǒng)通過傳感器及通信獲得的信息綜合判斷后對制動系統(tǒng)進行的主動干預２０１５ＣＧ

２駕駛人發(fā)出制動指令工況下?車輛通過傳感器及通信獲得的信息結合駕駛人意圖綜合判斷后對制動系統(tǒng)進行協(xié)調控制３該模式指的是系統(tǒng)處于主動建壓模式時駕駛人尋求介入工作模式這類工作模式必須滿足駕駛人能夠隨時順利介入系統(tǒng)并保證駕駛人的制動意圖及制動感覺４為滿足法規(guī)需求?本制動系統(tǒng)必須在單一零件失效時滿基于以上工作模式的需求?可以對系統(tǒng)的組成模塊提出以下要求:一是為滿足建壓要求?系統(tǒng)必須擁有能夠主動產生液壓力的主動動力源?二是為提供給駕駛人在被動建壓時良好的制動感覺?系統(tǒng)必須擁有能夠提供制動感覺的踏板力反饋系統(tǒng)?三是為保證系統(tǒng)在對液壓制動力進行控制時不影響駕駛人的制動感覺?同時在系統(tǒng)失效時駕駛人能夠主動控制液壓力?系統(tǒng)必須擁有模式切換裝置根據(jù)以上設計要求得出系統(tǒng)的方案簡圖如所示其圖２１２１２Ｉ系統(tǒng)主動動力源通常由驅動電機

此外?滾珠絲杠機構既可以將平動與旋轉運動相互轉化?還起到減速增扭的作用其傳動效率高運動平穩(wěn)精度高有較長的使用壽命及良好的可靠性并且有較好的故擬定兩種主動動力源的方案?如圖圖３１制動最大夾緊力制動響應時間是制動系統(tǒng)設計時的主要目標參數(shù)故在設計時?需要計算兩個基本參數(shù)主缸的１根據(jù)轎車制動規(guī)范ＺＢＴ２４００７８９)對行車制動器性能的部分要求?計算得出在正常制動情況下?制動前后輪缸對系統(tǒng)液壓力的要求分別為１１８８６ｂａｒ(１ｂａｒ＝１０Ｐａ)和１１５７２ｂａｒ由于摩擦副表面溫度升高時?制動盤制動鼓的制動效率會有一定的下降?設計時需考慮一定的安全系數(shù)因此將主缸的最大制動壓力定為Ｐ＝ｂａｒＥＣＥＲ１３Ｈ法規(guī)?制動系統(tǒng)需滿足以下要求在緊急制動操作中?從控制裝置被啟動到達到相應規(guī)定的性能即１６０ｂａｒ)０６ｓ因此?制動響應時間為０ｓ２為了與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)相對比?試驗人員采集了裝配有傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的目標電動車的制動試驗數(shù)據(jù)參考實車實驗結果?得出傳統(tǒng)制動系統(tǒng)對于制動力及響應時間的要求?如圖４所示１Ｉ系統(tǒng)的動力源故對其要求也比較嚴苛因此?擬采用永磁同步電機?它的能量密度較高?體積小質量輕?而且通過適當?shù)目刂剖侄魏罂杀痪珳剩灿捎隍寗与姍C的轉速較大?轉矩較小?所以需要在電機和主缸之間設計動力傳遞機構?實現(xiàn)減速增扭以及運動由于蝸輪蝸桿傳動比大承載力高結構緊湊?而且工作平穩(wěn)?因此初步擬采用蝸輪蝸桿機構進行減速增扭而齒輪齒條機構工作穩(wěn)定?傳動精確且傳動力大?故采

圖４從圖４得出?制動系統(tǒng)的最大液壓力也不超過１６０ｂａｒ而制動壓力從０ｂａｒ增加到１５０ｂａｒ所需的總的相應時間為因此?綜合法規(guī)要求與實車液壓制動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)?將設計目標留有一定余量?得出電子液壓制動系統(tǒng)主動動力源的設計目標?見表１表１主缸最大壓 ６０ｂａｒ響應時 ０ 駕駛人發(fā)出制動指令工況下?車輛通過傳感器及通信獲得的信息結合駕駛人意圖綜合判斷后對制動系統(tǒng)進行協(xié)調控制３該模式指的是系統(tǒng)處于主動建壓模式時駕駛人尋求介入工作模式這類工作模式必須滿足駕駛人能夠隨時順利介入系統(tǒng)并保證駕駛人的制動意圖及制動感覺為滿足法規(guī)需求?本制動系統(tǒng)必須在單一零件失效時滿足基于以上工作模式的需求?可以對系統(tǒng)的組成模塊提出以下要求:一是為滿足建壓要求?系統(tǒng)必須擁有能夠主動產生液壓力的主動動力源?二是為提供給駕駛人在被動建壓時良好的制動感覺?系統(tǒng)必須擁有能夠提供制動感覺的踏板力反饋系統(tǒng)?三是為保證系統(tǒng)在對液壓制動力進行控制時不影響駕駛人的制動感覺?同時在系統(tǒng)失效時駕駛人能夠主動控制液壓力系根據(jù)以上設計要求?得出系統(tǒng)的方案簡圖如２所示其圖２１ １２ ＩＥＨＢ系統(tǒng)主動動力源通常由驅動電 動力傳遞機１驅動電機是整個系統(tǒng)的動力源故對其要求也比較嚴苛因此擬采用永磁同步電機它的能量密度較高?體積小質量輕?而且通過適當?shù)目刂剖侄魏罂杀痪珳士刂朴捎隍寗与姍C的轉速較大轉矩較小所以需要在電機和主缸之間設計動力傳遞機構?實現(xiàn)減速增扭以及運動轉換由于蝸輪蝸桿傳動比大承載力高結構緊湊?

此外?滾珠絲杠機構既可以將平動與旋轉運動相互轉化?還起到減速增扭的作用其傳動效率高運動平穩(wěn)精度高有較長的使用壽命及良好的可靠性?并且有較好的剛性故擬定兩種主動動力源的方案如圖圖３制動最大夾緊力目標參數(shù)故在設計時?需要計算兩個基本參數(shù):主缸的最根據(jù)轎車制動規(guī)范(ＺＢＴ２４００７８９)對行車制動器性能的部分要求?計算得出在正常制動情況下?制動前后輪缸對系統(tǒng)液壓力的要求分別為１１８８６ｂａｒ(１ｂａｒ＝１０Ｐａ)和１１５７２ｂａｒ由于摩擦副表面溫度升高時?制動盤制動鼓的制動效率會有一定的下降?設計時需考慮一定的安全系數(shù)Ｐ根據(jù)ＥＣＥＲ１３Ｈ法規(guī)?制動系統(tǒng)需滿足以下要求:急制動操作中?從控制裝置被啟動到達到相應規(guī)定的性能１６０ｂａｒ)所經過的時間不超過６ｓ因此?制動響應時間為６ｓ２為了與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)相對比?試驗人員采集了裝配傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的目標電動車的制動試驗數(shù)據(jù)參考實實驗結果?得出傳統(tǒng)制動系統(tǒng)對于制動力及響應時間的要求?如圖４所示平穩(wěn)?而齒輪齒條機構工作穩(wěn)定?傳動精確且傳動力大?故采用１１３根據(jù)設計目標?對兩個方案的制動電機和機械結構進行了設計計算?電機與減速機構的設計參數(shù)見表２表２電機最大轉矩４電機最大轉矩８電機轉速ｒ電機轉速ｒ絲杠導程５小齒輪半徑９絲杠半徑１３ＡＭＥＳｉｍ為驗證兩個方案的可行性?本文利用ＡＭＥＳｉｍ建立對于制動電機的穩(wěn)態(tài)工況建模擬采用查表法?通過其對應的轉速獲得相應的轉矩最終系統(tǒng)的建模如圖５所示圖５ＡＭＥｓｉｍ模型?對系統(tǒng)進行仿真實驗對蝸４５Ｎｍ的階躍信號?對滾珠絲杠系統(tǒng)輸入轉矩為８５Ｎｍ的階躍信號?記錄二者系統(tǒng)主缸液壓力的響應變化?其結果如圖６所示圖６

從試驗結果可以得出?兩個系統(tǒng)的最終穩(wěn)定壓力均在２０４ｂａｒ左右?蝸輪蝸桿系統(tǒng)的響應時間為０５ｓ?而滾珠絲杠０４ｓ因此?兩套機構的設計均是符合設計要求的?驗證了兩套方案的可行性１為了驗證設計的正確性及測試系統(tǒng)的性能?搭建了電子對于制動電機?選擇的是一款ＰＥＰＳ電機該電機為永磁同步電機?其最大轉矩為５５Ｎｍ?最大轉速為２８００ｒ/ｍｉｎ?完全滿足方案一對電機的要求由于方案二中所需的制動電機難以獲得?故此處選用同一款電機?雖然不能達到最大制動壓力?但電機特性相同?便于比較而且?在使用同一個電機時?可通過控制算法對電機的功率進行限制?保證電機力矩與功率和設計值成正比?從而實現(xiàn)兩個方案的蝸輪蝸桿和齒輪齒條機構取自同一上的減速機構?其參數(shù)與設計的蝸輪蝸桿齒輪齒條極為相近此外?由于與電機取自同一ＰＥＰＳ?其集成度比較高?適合于本設計整體方案如圖７所示圖７對于滾珠絲杠機構?根據(jù)設計數(shù)據(jù)以及市場上的型號?加工制造了一款符合要求的滾珠絲杠機構整個減速機構的實物如圖所示整個機構徑向布置由右向左依次為電機滾珠絲杠支撐軸承滾珠絲杠副制動主缸圖８１１由于系統(tǒng)最大液壓力可以通過改變驅動電機的轉矩來實現(xiàn)因此?通過控制算法對電機的功率進行限制?保證電機力矩與功率和設計值成比例?從而實現(xiàn)兩個方案的對比圖４從圖４得出?制動系統(tǒng)的最大液壓力也不超過１６０ｂａｒ而制動壓力從０ｂａｒ增加到１５０ｂａｒ所需的總的相應時間為１ｓ因此?綜合法規(guī)要求與實車液壓制動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)?計目標留有一定余量?得出電子液壓制動系統(tǒng)主動動力源的設計目標?見表１表１主缸最大壓 ６０ｂａｒ響應時 ０２０１５ＣＧ

１ｍ?轉速為２８００ｒｍｉｎ滾珠絲杠方案選取的電機轉

矩為３Ｎｍ?其對應的轉速為１４００ｒｍｉｎ試驗結果如圖圖９方案測試結果左為蝸輪蝸桿方案?右為滾珠絲杠方案定義制動響應時間為制動力矩產生至達到穩(wěn)態(tài)壓強的所花費的時間將兩個方案的制動壓力及響應時間作對比?見表３峰值壓力/峰值壓力/７９７４穩(wěn)態(tài)制動壓力/７２６９制動響應時間/００２

在理論輸出力相同電機功率相同的條件下?兩個方案的制動壓力及響應時間均滿足了正常工況下的制動要求?但１對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應?也進行了相關試驗研究試驗過程中?制動電機的輸入為階梯輸入?每次輸入的增量為５Ｎｍ?制動電機從５~４Ｎｍ對系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)試驗每次階梯輸入后?直到系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)才進行下一步輸入試驗結果如圖所示圖１０穩(wěn)態(tài)特性試驗圖左為蝸輪蝸桿方案?右為滾珠絲杠方案從試驗結果可以看出?對于每一次的階梯響應?系統(tǒng)都有一定的超調在蝸輪蝸桿方案中?當電機力矩較低時?系統(tǒng)響應的超調量較小?而當電機力矩較高時?系統(tǒng)的超調量較大但在滾珠絲杠方案中?無論制動電機的輸出轉矩的大小?系統(tǒng)的超調量整體都較小而兩個系統(tǒng)從初始值到峰值根據(jù)系統(tǒng)在不同制動力矩下的穩(wěn)態(tài)壓力?制作了電機力矩與輪缸液壓力的穩(wěn)態(tài)關系圖?如圖１１所示滾珠系統(tǒng)的曲線擬合度比較高?也就是其穩(wěn)態(tài)輸出的線性度較高而系統(tǒng)的線性度越高?越有利于使用相關的控制

１試驗對系統(tǒng)動態(tài)特性也進行了一定的研究通過對兩個系統(tǒng)的制動電機給予不同頻率０５~２０Ｈｚ)相同大小(３Ｎｍ)的正弦命令力矩信號?測試系統(tǒng)在不同信號的制動響應情況將兩個方案的試驗結果進行一定的轉化后繪制成伯德圖?如圖１２所示從幅頻特性曲線中可以看出?在低頻時?兩個樣機的響應都較為平穩(wěn)迅速?響應幅值下降不多?但是在高頻時?滾珠絲杠樣機幅頻特性曲線下降很快?響應失真而對于相頻特性曲線?兩個方案的相位差相差不大?說明兩個樣機的響 ２０１５ＣＧ根據(jù)設計目標?對兩個方案的制動電機和機械結構進行了設計計算?電機與減速機構的設計參數(shù)見表２表２４８電機轉速ｒ電機轉速ｒ絲杠導程５小齒輪半徑９絲杠半徑ＡＭＥＳｉｍ為驗證兩個方案的可行性?本文利用ＡＭＥＳｉｍ建立ＥＨＢ對于制動電機的穩(wěn)態(tài)工況建模擬采用查表法?通過其對應的轉速獲得相應的轉矩最終系統(tǒng)的建模如圖５所示圖５輸入轉矩為８５Ｎｍ的階躍信號?記錄二者系統(tǒng)主缸液壓力的

圖６

圖１１圖１２當系統(tǒng)響應幅值減?。常鋾r?其所在的頻率為截止頻率從圖看出?蝸輪蝸桿系統(tǒng)的截止頻率明顯高于滾珠絲杠系統(tǒng)?說明其動態(tài)跟蹤性能較好１５系統(tǒng)的開發(fā)目的是實現(xiàn)制動能量的最大回收因此?整套機構的效率也是至關重要的試驗通過對系統(tǒng)輸入緩慢的三角波信號?經過一定的計算方法?得出系統(tǒng)的動靜摩擦力?進而計算得出相同工況下的效率對比?如圖１３圖１３

從圖可以看出?整體上兩個樣機的效率都在７０％~之間而蝸輪蝸桿樣機在低轉矩時效率較低?隨著轉矩升高?效率也隨之升高?并趨于平穩(wěn)而滾珠絲杠樣機的整蝸輪蝸桿理論上效率在左右?試驗數(shù)據(jù)與之對比略低一些?這與系統(tǒng)的摩擦特性有關而滾珠絲杠理論上效率在左右實測的試驗數(shù)據(jù)與之出入甚大如前文所述?滾珠絲杠樣機為自加工?對系統(tǒng)的摩擦特性會有一定的影響但是整體上?滾珠絲杠機構的運動是滾動摩擦的過程?所以效率一直較為平穩(wěn)１考慮到樣機的摩擦沖擊?對兩個系統(tǒng)的噪聲進行了一定的測量測量時的環(huán)境基底噪聲值為５４ｄＢ?系統(tǒng)的輸入是幅值不變?頻率從０５Ｈｚ到２０Ｈｚ的正弦信號?在系統(tǒng)響應平穩(wěn)時?用聲級計測量在蝸輪蝸桿的齒條處?以及滾珠絲杠的絲杠處的系統(tǒng)噪聲?測得的試驗數(shù)據(jù)如圖１４所示圖１４系統(tǒng)噪聲￣蝸輪蝸桿系統(tǒng)在低頻時的噪聲分貝值很大?但隨著頻率的升高?噪聲分貝值迅速下降?但當頻率到達９ｚ之后?噪聲分貝值又逐漸回升?而滾珠絲杠方案整體的噪聲值都較為平穩(wěn)蝸輪蝸桿機構的運動是一個滑動摩擦的過程?因此整個機構的運動是動摩擦和靜摩擦交替的過程?而低頻的時候主要以靜摩擦為主?整個啟動摩擦力比較大?所以噪聲較大?當達到一定的速度之后?以動摩擦為主?因此噪聲有所降低而滾珠絲杠機構的運動是一個滾動摩擦的過程?與速度無關?運動較為平穩(wěn)?因此整體的分貝值較為接近對比二者噪聲的平均值以及最大值?比較結果見表表最大分貝值/７２平均值７２７０從數(shù)據(jù)對比可以看出?滾珠絲杠方案的最大噪聲分貝值１除此之外?對兩個方案的空間布置等方面也進行了一定從試驗結果可以得出?兩個系統(tǒng)的最終穩(wěn)定壓力均在２０４ｂａｒ左右?蝸輪蝸桿系統(tǒng)的響應時間為０５ｓ?而滾珠絲杠系統(tǒng)的響應時間為０４ｓ因此?兩套機構的設計均是符合設計要求的?驗證了兩套方案的可行性為了驗證設計的正確性及測試系統(tǒng)的性能?搭建了電子對于制動電機選擇的是一款磁同步電機?其最大轉矩為５５Ｎｍ?最大轉速為２８００ｒ/ｍｉｎ完全滿足方案一對電機的要求由于方案二中所需的制動電機難以獲得?故此處選用同一款電機?雖然不能達到最大制動壓力但電機特性相同便于比較而且在使用同一個電機時?可通過控制算法對電機的功率進行限制?保證電機力矩與功率和設計值成正比?從而實現(xiàn)兩個方案的對比上的減速機構?其參數(shù)與設計的蝸輪蝸桿齒輪齒條極為相近此外?由于與電機取自同一ＰＥＰＳ?其集成度比較高?適合于本設計整體方案如圖７所示圖７對于滾珠絲杠機構?根據(jù)設計數(shù)據(jù)以及市場上的型號?加工制造了一款符合要求的滾珠絲杠機構整個減速機構的實物如圖８所示整個機構徑向布置?由右向左依次為電機滾珠絲杠支撐軸承滾珠絲杠副制動主缸圖８由于系統(tǒng)最大液壓力可以通過改變驅動電機的轉矩來實現(xiàn)因此?通過控制算法對電機的功率進行限制?保證電機力矩與功率和設計值成比例?從而實現(xiàn)兩個方案的對比２０１５ＣＧ

由于蝸輪蝸桿齒輪齒條機構是直接采用系統(tǒng)上集成設計的?并且與電機也是相匹配的?整個機構是一個系列化的產品?是量產件?整體的空間布置改進空間有限而滾珠絲杠以及其軸承座等都是自己加工設計裝配的?在加工精度裝配精度上存在一定的問題?因此改進空間很大而且由于滾珠絲杠方案可以選用外包型電機?整體的空間布置還有很大的發(fā)展空間因此?滾珠絲杠方案在未來發(fā)展上還是占有一定優(yōu)勢的２ＩＥＨＢ系統(tǒng)的設計需求出發(fā)?完成了系統(tǒng)方案的設計?并根據(jù)方案建立ＡＭＥＳｉｍ仿真模型?對方案可行性進行驗證之后建立相關試驗平臺對系統(tǒng)的性能進行試驗

通過對比得出?蝸輪蝸桿方案在動態(tài)特性效率等方面占有一定的優(yōu)勢?而滾珠絲杠方案在穩(wěn)態(tài)響應噪聲系統(tǒng)空間布置等方面占優(yōu)?有更大的發(fā)展空間但考慮到蝸輪蝸桿系統(tǒng)是集成的量產件?而在滾珠絲杠的設計方案中?由于試驗條件受限?未能選取轉矩滿足要求的外包型電機?因此高轉矩下的滾珠絲杠系統(tǒng)特性并未得到很好的驗證?而且由于機構中加入了套筒軸承座等裝置?機構的整體效率也受到一定影響由此可見?為了有較好的動態(tài)特性?以及較高的效率?Ｉ系統(tǒng)對于滾珠絲杠的加工精度工藝提出了較高要求?但采用高精度滾珠絲桿又將導致ＩＥＨＢ系統(tǒng)成本上升因此?對于滾珠絲杠樣機的特性?有待進一步研究參考文獻[１]ＦｉｓｃｈｅｒＷｏｆａｒｔｈＪＭＧＨＧ.ＯｐｔｉｍｉｚｅｄＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＦｒｉｃｔｉｏｎＢｒａｋｉｎｇＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈＦｏｕｒＩｎＷｈｅｅｌＭｏｔｏｒｓ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?２０１３?６(２):３１７３２６.[２]ＪｉｎＤ?ＬｉｎＳ?ＳｈｉＱ?ｅｔａｌ.ＡｎＩｍｐｒｏｖｅｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇＳｔｒａｔｅｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?ＪｉｎＤ?ＬｉｎＳ?ＳｐｒｉｎｇｅｒＢｅｒｌｉｎＨｅｉｄｅｌｂｅｒｇ?２０１２:６３７６４２.[３]ＦｅｉｇｅｌＨＯＲ.ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＢｒａｋｅＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｕｔＣｏｍｐｒｏｍｉｓｅｓｉｎＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙＡＴＺｗｏｒｌｄｗｉｄｅ.２０１２?１１４(７８):４６５０.[４]ＲｅｕｔｅｒＤＦ?ＬｌｏｙｄＥＷ?ＺｅｈｎｄｅｒＪＷ?ｅｔａｌ.ＨｙｄｒａｕｌｉｃｄｅｓｉｇｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｆｏｒＥＨＢｓｙｓｔｅｍｓＳＡＥＳＰ.

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矩為３Ｎｍ?其對應的轉速為１４００ｒｍｉｎ試驗結果如圖圖 方案測試結果(左為蝸輪蝸桿方案?右為滾珠絲杠方案定義制動響應時間為制動力矩產生至達到穩(wěn)態(tài)壓強的９所花費的時間將兩個方案的制動壓力及響應時間作對比?見表３峰值壓力/峰值壓力/７９７４穩(wěn)態(tài)制動壓力/７２６９００２

在理論輸出力相同電機功率相同的條件下?兩個方案的制動壓力及響應時間均滿足了正常工況下的制動要求?但蝸輪對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應?也進行了相關試驗研究試驗過程中?制動電機的輸入為階梯輸入?每次輸入的增量為ｍ?制動電機從~ｍ對系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)試驗每次階梯輸入后?直到系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)才進行下一步輸入試驗結果如圖所示１０穩(wěn)態(tài)特性試驗圖左為蝸輪蝸桿方案?右為滾珠絲杠方案?從試驗結果可以看出?對于每一次的階梯響應?一定的超調在蝸輪蝸桿方案中?當電機力矩較低時?系統(tǒng)響應的超調量較小?而當電機力矩較高時?系統(tǒng)的超調量較大但在滾珠絲杠方案中?無論制動電機的輸出轉矩的大小?系統(tǒng)的超調量整體都較小而兩個系統(tǒng)從初始值到峰值的響應都較根據(jù)系統(tǒng)在不同制動力矩下的穩(wěn)態(tài)壓力?

滾珠系統(tǒng)的曲線擬合度比較高?也就是其穩(wěn)態(tài)輸出的線性度較高而系統(tǒng)的線性度越高?越有利于使用相關的控制方法試驗對系統(tǒng)動態(tài)特性也進行了一定的研究通過對兩個系統(tǒng)的制動電機給予不同頻率(０５~２０Ｈｚ)相同大小(３Ｎｍ)的正弦命令力矩信號?測試系統(tǒng)在不同信號的制動響應情況將兩個方案的試驗結果進行一定的轉化后繪制成伯德圖?如圖１２所示從幅頻特性曲線中可以看出?在低頻時?兩個樣機的響應都較為平穩(wěn)迅速?響應幅值下降不多?但是在高頻時?滾珠絲杠樣機幅頻特性曲線下降很快?響應失真而對于相頻特性曲線?兩個方案的相位差相差不大?說明兩個樣機的響 ２０１５ＣＧ１１１２３ｄ時其所在的頻率為截止頻率從圖看出蝸輪蝸桿系統(tǒng)的截止頻率明顯高于滾珠絲杠系統(tǒng)?說明其動態(tài)跟蹤性能較好系統(tǒng)的開發(fā)目的是實現(xiàn)制動能量的最大回收因此?整套機構的效率也是至關重要的試驗通過對系統(tǒng)輸入緩慢的三角波信號?經過一定的計算方法?得出系統(tǒng)的動靜摩擦力?進而計算得出相同工況下的效率對比?如圖１３所示

１３之間而蝸輪蝸桿樣機在低轉矩時效率較低隨著轉矩升高?效率也隨之升高?并趨于平穩(wěn)而滾珠絲杠樣機的整左右試驗數(shù)據(jù)與之對比略低一些?這與系統(tǒng)的摩擦特性有關而滾珠絲杠理論上效率在左右實測的試驗數(shù)據(jù)與之出入甚大如前文所述?滾珠絲杠樣機為自加工?對系統(tǒng)的摩擦特性會有一定的影響但是整體上?滾珠絲杠機構的運動是滾動摩擦的過程?所以效率一直較為平穩(wěn)考慮到樣機的摩擦沖擊?對兩個系統(tǒng)的噪聲進行了一定的測量測量時的環(huán)境基底噪聲值為５４ｄＢ?系統(tǒng)的輸入是幅值不變?頻率從０５Ｈｚ到２０Ｈｚ的正弦信號?在系統(tǒng)響應平穩(wěn)時?用聲級計測量在蝸輪蝸桿的齒條處?以及滾珠絲杠?測得的試驗數(shù)據(jù)如圖１４所示圖１４系統(tǒng)噪聲￣蝸輪蝸桿系統(tǒng)在低頻時的噪聲分貝值很大?但隨著頻率的升高?噪聲分貝值迅速下降?但當頻率到達９Ｈｚ之后?噪聲分貝值又逐漸回升?而滾珠絲杠方案整體的噪聲值都較為蝸輪蝸桿機構的運動是一個滑動摩擦的過程?因此整個機構的運動是動摩擦和靜摩擦交替的過程?而低頻的時候主要以靜摩擦為主?整個啟動摩擦力比較大?所以噪聲較大?當達到一定的速度之后?以動摩擦為主?因此噪聲有所降低而滾珠絲杠機構的運動是一個滾動摩擦的過程?與速度無關?運動較為平穩(wěn)?因此整體的分貝值較為接近對比二者噪聲的平均值以及最大值?比較結果見表表最大分貝值/７２平均值/７２７０從數(shù)據(jù)對比可以看出?滾珠絲杠方案的最大噪聲分貝值除此之外?對兩個方案的空間布置等方面也進行了一定 由于蝸輪蝸桿齒輪齒條機構是直接采用系統(tǒng)上集成設計的?并且與電機