电子驻车制动系统的设计与研究

朱宇，李淑萍

（苏州工业园区服务外包职业学院，江苏苏州，215123）

0 前言

电子驻车制动系统接受遍布在汽车各个部位的传感器发送的信号，当驾驶员遇到红灯等需要短暂停车的情况时，悬架上的轮速传感器以及发动机扭矩传感器将检测到的汽车信息采集并发往ECU控制单元，ECU做出判断然后控制制动卡钳咬紧制动盘，完成驻车。从技术方面看，相对传统的驻车存在驾驶者操作不正确或不到位的隐患而且功能性单一，而电子驻车的功能丰富且更加安全可靠，是一次技术上的升级。传统式手刹是拉索式的，手拉杆处的棘轮会发出喀嗒升，拉起的棘轮齿数决定了制动力的大小，所以传统驻车结构是纯机械化操控，而电子驻车制动模式采用按钮操作，非常简单省力，所以极大提升了舒适性。

1 电子驻车制动系统总体方案设计

1.1 传统驻车制动机构

跟行车制动相比，驻车制动所需的制动力要小得多。因为驻车制动多发生在汽车熄火之后，汽车能提供的动力系统会因为汽车熄火而失去原有的效果，因此最早的驻车系统就是通过机械装置锁紧车轮以实现驻车的目的[1]，如图1所示。

图1 机械装置示意图

传统手刹是在车厢内设置一个手刹杆，当驾驶员拉起手刹杆时会带动钢索拉紧，然后鼓式刹车锁住后轮，完成驻车动作。驻车系统的本质就是通过对车轮施加一个摩擦力，保证车轮与车身、地面保持相对静止。传统的手刹和脚刹系统正是通过手刹杆的拉起程度或者脚刹踏板的踩下程度来控制驻车力的大小，而判断驻车力的大小基本靠驾驶员的经验和力量决定。因此，当力量比较弱小或者经验不足的驾驶员进行操作时就存在着施加的驻车力不足而导致车辆溜坡的隐患[2]。

1.2 电子驻车制动系统的原理

过去的电子驻车制动的控制技术是通过车上的电子按钮控制电机完成钢索的拉紧，这虽然达到了电力控制而且方便驾驶员的操作，但是其制动的内涵并未发生实质上的改变[3]。

全新意义上的电子驻车技术（以下简称EPB）是将原有的钢索取消，通过集成在后轮盘式制动器上的电机动作完成电子驻车的过程，而过去的行车制动过程只是通过液压系统完成的。随着技术时代的更新，对于安全认知的不断提升催使了EPB的出现，对于安全系统的控制也从粗略的整体控制向精确的部分控制改变，如ABS、ESP等系统的诞生都为EPB铺垫了基础，如图2所示。

图2 集成式卡钳结构示意图

EPB集成的制动卡钳通过支架固定于汽车的后悬架上，当ECU接收到电子驻车的开关信号，经过判断计算后向集成于制动卡钳上的直流电机发送信号，经过减速器和传动心轴以及压力螺母的运动转换结构推动活塞，活塞随之推动摩擦片与制动盘摩擦达到保持车轮相对汽车与地面静止为目的。

1.3 电子驻车制动系统的功能

在对电子驻车制动系统的设计时，要实现基本的驻车和解除驻车功能外，还要能确保操作过程的安全性，另外还要能智能化的实现自动驻车和解除驻车的功能[4]。

1.3.1 驻车功能

驻车功能根据开启时的车速可以分为两种情况：

（1）静态驻车

当汽车处于较低的速度时（车速小于安全速度），拉起驻车制动按钮，ECU会控制电机锁死车轮，达到驻车的目的，如图3所示。

图3 静态驻车策略

（2）动态驻车

当汽车车速较高时（车速大于安全速度），拉起驻车制动按钮，ECU不会驱动电机动作，而是通过液压系统进行制动，ABS系统也将参与控制，如图4所示。

图4 动态驻车策略

1.3.2 紧急制动功能

在汽车行驶过程中，假如制动失效，驾驶员开启电子驻车并踩下制动踏板，通过制动踏板ECU会判断驾驶者的刹车意图，并驱动另一套液压装置对活塞施压完成行车制动。在新手驾驶员行驶过程中如果无法准确的判断路况以及将要发生的危险，位于副驾驶的乘客可以拉起EPB开关，在速度不高的情况下也可以完成紧急制动。

1.3.3 便利性功能

（1）坡道辅助功能

当驾驶员遇到特殊情况不得不在斜坡上驻车或者短时停车时，ECU通过获得的信息分析判断出汽车所处位置，从而提供足够的驻车力保证车辆稳定停驻[5]。当驾驶员准备从斜坡上离开时，驻车系统并不会马上停止它的工作，而是“细心”地分析着汽车的受力情况。当在适当的时机时再松开，可使得汽车得以平稳的起步，这无疑成为了驾驶员尽职尽责的好帮手。

（2）autohold功能

当汽车行驶于城镇中时,总会因为红绿灯或者交通状况等原因时常发生短时间的停驻，此时驾驶员需要右脚保持刹车。在这个保持踩刹车的过程中右脚一直处于工作状态，尽管负荷不大，但时间久了也会使人变得疲惫[6]。但在装备电子驻车的autohold功能后，可根据车辆的行车状态便能够自动地长久维持驻车。当要启动时，驾驶员可踩下油门，汽车便可以解除驻车状态而平稳起步。

2 电子驻车系统的结构设计

2.1 电子驻车的技术要求

驻车系统是保证汽车能够安全可靠停驻的基础，而不同的生产商可能会因为自身的原因（或控制成本或以此为自身优势）导致市面上不同车型的驻车能力良莠不齐。因此，针对汽车的安全系统做出一个最低标准是极其有必要的。国家早已在多个方面针对汽车的安全系统进行了完善的强制性标准制定，例如从零部件的技术条件以及试验方法都有了明确的规定。有关汽车的驻车能力相关标准可以参照《机动车运行安全技术条件GB7258-2012》规定[1]。

2.2 总体方案设计

电子驻车系统是为了汽车可以方便的停驻启动而生的产品，它的性能应能完全满足相应的标准。为了节省空间和成本，电子驻车将驻车执行电机集成于每一个制动卡钳之上，所以制动卡钳需要拥有液压制动以及驻车制动。在使用过程中活塞和传动心轴都是运动的，因此在两者处需要添加密封，为了确保液压的可靠性以及防止污染，选择矩形圈作为密封圈。制动钳钳体通过两个耳孔连接支架，再与悬架相连接，并要保证刹车片的与制动盘的相对位置和间隙。

驻车执行过程通过一个12V直流电机驱动，经过减速增矩后转换运动形式，通过压力螺母顶住活塞驻车。在结构可以满足要求条件下应该尽量将卡钳外观设计的美观，以满足使用者的不同需求。

2.3 汽车制动器各大主零件的结构设计

2.3.1 制动盘

考虑到汽车的制造成本，所以本设计的制动盘的结构选用实心的制动盘，制动盘的厚度选取15mm。如果表面厚度为不均匀的制动盘，其旋转过程中摆差就会过大，进而可能引起制动踏板振动。

2.3.2 制动钳

生产制动器制动钳所采用材料制造一般分为两种，一种是可锻造铸铁，另一种是球墨铸铁。为了能更加方便而又不必将制动钳取下就可以检查、检修制动块，所以在其外边缘留有一个检修开口。钳盘式制动器的油缸直径一般会设计得比较大，在轿车设计中，单缸式的钳盘式制动器的油缸的直径可达68.1mm，双缸的油缸直径可达45.4mm。

2.3.3 制动块

制动块是制动器的主要零件之一，它一般是由背板与摩擦衬块两部分组成的，摩擦衬块的形状一般都是做成扇形的。通常摩擦衬块的外半径R2和内半径R1的比值不能太大，它们比值一般不能大于1.5。

2.3.4 摩擦材料

根据我国汽车行业的实际情况和本设计的一些要求，此次设计选择摩擦材料是粉末冶金摩擦材料。它主要成分是以铜粉或铁粉为主，占到总质量的60%到80%。剩余部分再用一些非金属粉末作为摩擦系数调整剂，例如石墨粉，陶瓷粉等。

2.4 电子驻车系统驱动及传动设计

2.4.1 电机选型

卡钳电机的工作要求比较高，工作环境复杂恶劣。作为汽车安全系统的执行者,我们要求卡钳电机能有较高的性能，较低的质量和功耗以及较快的响应速度，且卡钳电机需要有一定的堵转能力。

车载系统中多采用的是12V-24V直流电,卡钳的驻车电机选择为12V直流电机。电机的详细参数如表1所示。

表1 电机参数

2.4.2 运动转换机构设计

我们需要通过运动转换装置使得电机可以为活塞提供动力，同时电机旋转运动需转换为直线运动，相比较行车时制动的制动力，驻车时的要小得多，可靠性是第一因素。

丝杠螺母传动可靠稳定，还可以满足自锁的要求。更加符合汽车安全系统的要求，因此最终选型为丝杠螺母传动机构，其结构如图5所示。

图5 丝杆螺母机构

在设计中，根据使用条件选用了梯形螺纹。根据GB5796.4-86可以确定梯形螺纹的精度，而它的极限尺寸则根据GB12359-90可以确定。所以本设计选用中等精度的梯形螺纹。

3 结论

综上所示，本文结合电子驻车制动系统的一些基础操作开展设计，并利用电机驱动可有效保护制动系统因瞬时电流过大导致的损坏。电子驻车的控制电机需要满足正反转的控制，因此一般采用集成式卡钳结构来控制电机。由于经验、时间和条件的限制，目前只是对电子驻车制动系统进行了初步的研究，后续还需要对驻车制动系统生产的可行性、控制策略等问题进行研究。文中对汽车制动器各大主零件的结构设计和电子控制使得整个系统小而强悍，适用性强，无须特殊调整。近些年来，得益于技术的成熟和成本的控制，电子驻车已经开始向中低端车型开始普及。基于上述优势，电子驻车制动系统不仅能够满足驾驶需求，满足社会需求，还能实现人、车、社会、环境之间的有机联接。因此，电子驻车制动系统在未来的应用中肯定会越来越全面、广泛。