基于ADAMS的汽车电子机械制动系统刚柔耦合分析

2018-11-28靳华伟陈清华徐少洋

安徽理工大学学报（自然科学版） 2018年5期

靳华伟,张新,陈清华,王赛,徐少洋

(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001)

汽车电子制动系统根据制动方式可分为电液复合制动系统(EHB)和电子机械制动系统(EMB)，随着汽车智能化和车载网络技术的提高，以及节能减排和电动汽车发展的需要，电子机械制动系统逐渐成为众多学者的研究重点。电子机械制动基于线控技术，是一种信息交互实时控制的新型制动方式，旨在提高系统响应时间和兼容性[1]。欧美国家对EMB系统的研究起步较早，在EMB执行器结构上，文献[2]设计了以电机带动锥齿轮加滚珠丝杠副机构；Bosch公司设计了电磁离合器加二级减速齿轮机构；Continental Teves公司设计了内置电机带动齿轮减速器加滚珠丝杠和棘爪锁机构等。在控制算法上，文献[3]建立了一套以制动块对制动盘的夹紧力环作为外环的串联PI闭环控制系统。国内对EMB系统的研究起步较晚，但发展较快，特别是在EMB系统基本结构基础上的控制算法以及半实物仿真分析方面。文献[4]通过EMB试验台完成了制动器软硬件以及控制方法的研究；文献[5]基于EMB制动执行器实验平台完成了对EMB系统稳定性控制研究；文献[6]在电动汽车EMB系统设计的基础上完成了对制动性能和控制算法的研究；文献[7]针对电子机械制动系统提出基于路面识别的ABS控制仿真；文献[8]对EMB 技术完成了制动控制算法设计；沈阳理工大学对影响电子机械制动器稳定性的制动钳和滚珠丝杠刚度进行了仿真实验等。

综上所述，国内对汽车电子机械制动系统的研究集中在结构优化设计以及控制算法和半实物仿真分析方面，关于制动执行器的刚柔耦合动力学分析尚未见报道。而刚柔耦合动力学分析对系统理论研究、方案设计、系统性能参数提高和制动法规研究等方面都具有重要的意义。基于此，本文在“电机+行星齿轮减速器+螺旋变向”的制动执行器结构基础上，完成了系统的刚柔耦合动力学分析。

1 新型制动执行机构

新型制动执行机构以盘式制动器为对象，在驾驶员制动意图的驱动下，由直流力矩电机大转速低转矩驱动减速增扭装置，进而输出低转速大转矩进行运动转换。最终由制动摩擦块实现完成制动，具体原理图和结构图如图1和图2所示。

图1 系统原理图

图2 系统结构图

由图2可知，制动执行器包括设置在制动盘外侧的内制动块以及永磁直流无刷力矩电机、行星齿轮减速器、滚珠丝杠、丝杠螺母、压盘。制动盘上方设有钳体，钳体包括一对与制动盘轴向平行的滑梁，内制动块和外制动块分别设有吊耳，吊耳滑动搭接在钳体的滑梁上。其中，永磁直流无刷力矩电机由踏板模拟器输出控制电压驱动，永磁直流无刷力矩电机输出轴与行星齿轮减速器输入轴连接，行星齿轮减速器输出轴与滚珠丝杠副连接，其中滚珠丝杠副包括滚珠丝杠、滚珠丝杠副螺母，滚珠丝杠副螺母与压盘固定连接，压盘22制动时与内制动块接触制动。永磁直流无刷力矩电机、行星齿轮减速器和滚珠丝杠副由支撑座一和支撑座二支撑，固定在支撑平台上，整个支撑平台固定在固定组件上，固定组件的底部设有滑块，试验台台架上设有与滑块滑动配合的滑轨，支撑平台在试验台台架上可沿滑轨水平移动，该水平移动方向与制动盘轴向方向一致。本文选择行星齿轮减速器和螺旋变向机构进行新型制动系统设计，设计流程如图3所示。

图3 设计流程

2 仿真模型

由于执行器最大夹紧力为16kN，选择5mm的丝杠导程；JPF2005-6的螺母型号；13.69N·m的滚珠丝杠；3.2N·m堵转转矩的电机；太阳轮、行星轮、内齿圈齿数为25、35、95的行星齿轮等部件。在CATIA中建立了仿真模型，如图4所示。

1.端盖紧固螺栓；2.端盖；3.电机壳体；4.行星齿轮减速机构； 5.电机定子； 6.滚珠丝杠副； 7.推力轴承；8.滑动销；9.钳体；10.连接螺栓； 11.电机转子； 12.制动块；13.支架；14.制动盘图4 EMB系统执行器爆炸图

3 刚柔耦合理论分析

将执行器部件视为为刚体，假设存在制动块上任一点P的位移，er和eb分别表示惯性坐标系和动坐标系，建立刚柔混合体模型，如图5所示。

图5 柔性体上点P位移运动学分析

则P点速度和加速度为

(1)

(2)

式中：r0为eb在er中的位置；Sp为P在eb中的位置；Up为P在eb中的形变；A为eb、er间的方向余弦矩阵；φp为模态矩阵，qf为变形广义坐标。

据此得其动力学微分方程

(3)

刚柔耦合系统的分析需要一些简单构建，式(3)所示的微分方程相关系数可为结构的构建提供参考，由式可见，本模型仿真分析将集中在柔性体的质量、弹簧力刚度系数、最大阻尼系数、非线性力幂指数、阻尼系数达到最大时的穿透距离等参数上，这些都为ADAMS中的参数设置提供参考。同时式(3)所示的微分方程为典型的二阶系统，相关参数而后文的刚柔耦合模型仿真分析提供依据。

4 刚柔耦合模型仿真分析

刚柔耦合模型仿真分析以表1所示的目标车型进行参数选择，在ADAMS中，导入CATIA模型，进行中性文件建立、模型处理，如图6(a)所示。制动夹紧力和制动距离仿真结果如图6(b)所示。

表1 目标车型

(a) 刚柔耦合模型处理 (b)制动盘外圈一点轨迹图6 仿真结果

由图6可知，在制动力无调节开环控制情况下，在制动块与制动盘接触后迅速产生制动夹紧力，并且有一定的超调量，可在0.03s左右趋于稳定。制动力在17kN上下产生微小波动，左右制动块对制动盘夹紧力大小基本相同。仿真结果与理论计算制动夹紧力值相差不大，满足EMB制动执行器设计的最大夹紧力需求，且大于传统液压盘式制动器最大制动压力。通过测量其轨迹线，制动盘在制动力持续阶段汽车从80km/h至完全停车行驶距离为30.9m，制动盘在制动间隙消除时间汽车行驶距离为1.9m，总制动距离为32.8m。根据国标ZBT24007-1989要求[9]，汽车在80km/h行驶速度紧急制动情况下，制动距离不得大于50.7m，故制动距离满足性能要求。