電子機械制動系統(tǒng)制動執(zhí)行器建模與試驗
本文關鍵詞:電子機械制動系統(tǒng)制動執(zhí)行器建模與試驗,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
2007年 8月
農(nóng) 業(yè) 機 械 學 報
第 3 卷 第 8期 8
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電子機械制動系統(tǒng)制動執(zhí)行器建模與試驗
沈 沉 王 軍 林 逸
摘要 】 電子機械制動系統(tǒng)以電驅(qū)動元 件 為 制 動 執(zhí) 行 器 , 代 傳 統(tǒng) 的 液 壓 或 氣 壓 制 動 執(zhí) 行 器 。 闡 述 了 電 子 機 取 【 械制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 、 工作原理及電子機械式 制 動 執(zhí) 行 器 的 結(jié) 構(gòu) , 立 了 制 動 執(zhí) 行 器 的 數(shù) 學 模 型 ,, 對 制 動 執(zhí) 行 建 并 器原理機進行了試驗驗證 。 關鍵詞 :電子機械制動系統(tǒng) 中圖分類號 :U4 1 3 6? 制動執(zhí)行器 數(shù)學模型 文獻標識碼 :A
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S e h n Wa gJn LnYi h nC e n u i ( 牉 牏牋爤 牞 牠牠 牗 牉牎 牗 牋 ) 爜 牏牕 牕牠牣牉 牊爴 牅牕牓 牪 牐 牏 牗 ﹢ ┈ ?┉ ?┉ ? ┇ T ee cr? c a i l rkn ytm,u igtep we diigcmp n ns s t atao, h l tomeh nc ba igsse e a s n h o r r n o o e t a i cu tr v s whc a e tepae f o vnin l rk cu trl udo a pes r,i an w cn e t no i htk s h lc o cn e t a ba eatao?q i r i rsue s e o cpi f o i r o ba igsse rkn ytm.T ecmp s ina dwokn r c l f lcr? c a i l rkn ytm, h o oio n t rigpi i e n p so eetomeh nc ba igsse a a d tesrcue fba eatao n h tu trso rk cu trweeito u e .T emah mai r nrd cd h te t cmo eso h rk d l fteba e atao weeb i,a dats o tepooy eo ba eatao wa efr d cu tr r ul n t et f h rttp f rk cu tr sp r me . o ?? ┄? E etomeh ncl rkn ytm,B a eatao,Mah mai ┎┌ ┇ ┈ lcr? c a i ba igsse a rk cu tr te t cmo e dl 車輪制動 模塊 和 電 子 踏 板 模 塊 等 組 成 , 1為 電 子 圖 1 機械制動系統(tǒng)控制框圖 [ ]。
引言
目前關于汽車制動的研究主要集中在制動控制 方 面, 括 制 動 控 制 的 理 論、 法 以 及 采 用 的 新 技 包 方 術。 隨著電子科技和網(wǎng)絡技術的發(fā)展 , 出現(xiàn)了更加高 節(jié) 效 、 能 的 電 子 機 械 制 動 系 統(tǒng) ( lcr? c a i l eetomeh nc a ba ig 簡稱 E ) 電子機械制動系統(tǒng)變傳統(tǒng)液 rkn , MB 。 便 壓或 氣 壓 制動執(zhí) 行 元 件 為 電 驅(qū) 動 元 件 , 于 實 現(xiàn) 線 控制 動 ( rk ?ywi ) 是 一 種 全 新 的 制 動 理 念 。 ba eb ? r , e 由于電驅(qū)動系統(tǒng)可控性好 、 響應速度快 , 電子機械制 顯 動系 統(tǒng) 極 大地提 高 了 汽 車 的 制 動 安 全 性 能 , 現(xiàn) 出 良好的發(fā)展前景 。 本文對電子機械制動執(zhí)行器進行 仿真分析 , 并進行了原理機的試驗 , 得到了電子踏板 輸出與執(zhí)行器輸出力之間的關系 。
圖 1 電子機械制動系統(tǒng)控制框圖 Fg 1 C nrl tu tr f MBsse i. o to srcueo E ytm
? 電子機械制動系統(tǒng)的組成
汽車電子機械制動系統(tǒng)主要由制動系統(tǒng) E U、 C
收稿日期 :2 0 0 2 06 5 2 沈 沉 北京理工大學機械與車輛工程學院 王 林 軍 逸 北京理工大學機械與車輛工程學院 北京理工大學機械與車輛工程學院
? ? 制動系統(tǒng) ﹦ ? ? ﹤ 制 動 系 統(tǒng) E U 接 收 制 動 踏 板 發(fā) 出 的 信 號, 控 C
制 制動器 制 動 ; 收 駐 車 制 動 信 號 , 制 駐 車 制 動 ; 接 控
接收車輪 傳 感 器 信 號 , 別 車 輪 是 否 抱 死 、 滑 等 , 識 打
博士生 副教授 教授
副教授 ( 遼寧省交通高等?茖W校 ) 0 0 1 北京市 ,1 0 8
第 8期
沈沉 等 :電子機械制動系統(tǒng)制動執(zhí)行器建模與試驗
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控制車輪制動力 , 實現(xiàn)防抱死制動和驅(qū)動防滑 ; 制動 系統(tǒng) E U 還將對 系統(tǒng)的電源進行 管 理 , 配 電 流 ; 分 C 同時兼顧車輛其他系統(tǒng)的控制 。 ? ? 車輪制動模塊 ? 車 輪 制 動 模 塊 是 整 個 制 動 系 統(tǒng) 中 的 關 鍵 部 件, 也是系統(tǒng)的執(zhí)行元件 , 由車輪制動執(zhí)行器 、 車輪制動 執(zhí)行器控制器等組成 。 制動模塊采用電力制動 、 電子 有兩個輸入 : 即控制電信號輸入和供能電流輸 控制 , 入 , 動執(zhí)行器控 制 器 接 收 控 制 信 號 來 控 制 制 動 執(zhí) 制 行 器 電 動機 的輸 出 力 矩 和 旋 轉(zhuǎn) 方 向 , 產(chǎn) 生 動 力 并 以 能改變其大小 。 ? ? 電子踏板模塊 ? 電子踏板模塊可產(chǎn)生與踏板轉(zhuǎn)角成比例的踏板 反力 , 并將作用在踏板上的力和速度轉(zhuǎn)為電信號 , 傳 給制動系統(tǒng) E U。 可編程的制動系統(tǒng) E U 將控制 C C 電流 輸 入 到制動 執(zhí) 行 器 模 塊 , 制 其 輸 出 所 需 的 制 控 動力 , 有效地提高了制動響應速度 , 改進了車輛的制 動性能 。 制 動 系 統(tǒng) E U 根 據(jù)電子踏 板 模 塊 傳 感 器 的 位 C 移和速度信號 , 并且結(jié)合車速等其他傳感器信號 , 向 車 輪 制 動模 塊的 制 動 執(zhí) 行 器 控 制 器 發(fā) 出 指 令 , 動 制 執(zhí)行器控制器再向電動機發(fā)出信號控制其電流和轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)角 , 進而產(chǎn)生需要的制動力 , 實現(xiàn)駕駛員要求的 制動效果 。
結(jié) 構(gòu), 的 最 大 特 點 就 是 模 塊 化, 個 機 構(gòu) 又 可 分 它 整 為: 驅(qū)動部 分 , 磁 無 刷 直 流 力 矩 電 動 機 ; 級 減 速 永 一 行星 齒 輪 減 速 器 ; 珠 絲 杠 螺 旋 傳 動 部 分 , 滾 把 部分 ,
2 ] 旋轉(zhuǎn)運動變成絲杠的直線運動 [ ~ 4 。
? ? 數(shù)學模型 ? ? ? ? 電動機模型 ?? 車 輛 制 動 時, 動 執(zhí) 行 器 中 的 電 動 機 工 作 狀 態(tài) 制 并驅(qū)動 有 : 在制動踏板信號的控制下電動機轉(zhuǎn)動 , ① 行星減速器及滾珠絲杠副 , 使絲杠平動 , 以消除整個 此時電動 機外 部 負 載 很 低 , 要 是 各 部 件 間 的 摩 擦 主 阻力和制動器回位彈簧力 。② 當整個機構(gòu)的間隙消 除后( 制動鉗與 制動 盤 接 觸 后 ) 電 動 機 進 入 第 2種 , 工作狀態(tài) , 此時電動機堵轉(zhuǎn) , 電動機產(chǎn)生的堵轉(zhuǎn)力矩 經(jīng)行星 減速機 構(gòu) 、 珠 絲 杠 副 在 制 動 器 上 形 成 制 動 滾 壓力 , 進而產(chǎn)生制動力矩 。③ 解除制動時 , 電動機反
機 構(gòu)各部件間 的 間 隙 及 制 動 盤 與 摩 擦 片 間 的 間 隙 ,
絲杠回位 , 并進行制動器間隙的自調(diào)整 。在第 1 轉(zhuǎn), 、 3工 作 狀 態(tài) 時 電 動 機 主 要 進 行 位 置 控 制 和 調(diào) 速 控 制, 電動機的數(shù) 學 模 型 與 普 通 的 永 磁 無 刷 直 流 電 動 機的數(shù)學模型相同 , 本文不再敘述 。 由于制動鉗與制動盤接觸后 , 電動機將處于 “ 堵 轉(zhuǎn)” 工作狀態(tài) , 制動執(zhí)行器中的電動機可選用永磁無 刷直流力矩電動機 。 文獻 [ ] 5 提出了電動機連續(xù)堵轉(zhuǎn) 時, 堵轉(zhuǎn)力矩與輸入電流之間關系的計算公式 ?5 爤 爴 =9 5 爦牉 牑 爣 其中 式中
? 電子機械制動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及數(shù)學模型
? ? 結(jié)構(gòu) ? 電子機械制動系統(tǒng)和傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)的差 別主要是 : 在電子機械制動系統(tǒng)中 , 電源代替了液壓 源, 機電作動器代替了液壓作動裝置 , 制動力由電動 機產(chǎn)生 , 大小受電子控制器的控制 。 以 浮 動 盤 式 制 動 器 為 例 , 2為 電 子 機 械 盤 式 圖 制動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖 。 該執(zhí)行器采用了電動機內(nèi)置的
() 1
=( () 2 爦牉 爺0-爤爲 ) 牕 0 牃 燉0 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 爴 —— 爣 定 爦牉—— 反 電 勢 系 數(shù) , 義 為 單 位 轉(zhuǎn) 速 下 的 反 電勢值 爤—— 連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流 牑 爺0—— 空載電壓 爤—— 空載電流 0 電樞電阻 爲 —— 牕—— 空載轉(zhuǎn)速 牃 0 電 選 用 某 永 磁 無 刷 直 流 力 矩 電 動 機, 動 機 參 數(shù)
如表 1所示 。
表 ? 永磁無刷直流力矩電動機參數(shù) ? ? ? ? ┇│??┈┄ ┅ ┇ ┃ ┃ ?┊??┈ ﹤ ?. ?? ┉┇ ? ?│? ? ┉ ┇┈━┈ ﹥ ┉┇ ┊ ┄┆ ?│┄┄ ┉┇
參數(shù) 數(shù)值 空載電壓 燉 V 2 4 空載電流 燉 A 055 .7 電樞電阻 燉 Ω 080 .5 空載轉(zhuǎn)速 燉·mi- 1 r n 27 2
將表中數(shù)值代入式 ( ) 則反電勢系數(shù) 2,
圖 2 電子機械盤式制動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖 Fg 2 D s rk cu tr f MB i. i cba eatao o E
1制動鉗 . 感器 2摩擦片 . 3行星輪 . 8 推桿 . 4定子 . 5轉(zhuǎn)子 . 6壓力傳 . 7 滾珠絲杠副 . 9 制動盤 .
=0 1 4 () 3 爦牉 ? 0 對 該 電 動 機 在 電 動 機 試 驗 臺 上 進 行 堵 轉(zhuǎn) 試 驗, 測試結(jié)果如表 2 。 對表 2中 數(shù) 據(jù) 進 行 插 值 擬 合 并 結(jié) 合 式 ( ) 對 3,
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式() 的 功 率、 矩 轉(zhuǎn) 換 常 數(shù) 進 行 修 正, 到 修 正 轉(zhuǎn) 得 1中 后的永磁無刷直流力矩電動機連續(xù)堵轉(zhuǎn)時輸出轉(zhuǎn)矩
與輸入電流間關系的計算公式 ?9 爤 爴 =4 8 爦牉 牑 爣
() 4
表 ? 電動機堵轉(zhuǎn)時堵轉(zhuǎn)力矩與輸入電流測試數(shù)據(jù) ? ? ? ? ┈??? ┉ ?┉┇ ┊ ┃ ┃ ┊ ?┇? ┉ ?━ ┄??┃?┄ ?┃ ?. ?┉ ┃ ??┄ ┄┆ ?? ??┅ ┉ ┊┇┃ ┌ ? ┉┉ ┐━? ?? ?┇ ┄
線圈端電流 燉 A 堵轉(zhuǎn)力矩 燉 N·m 08 .8 04 .1 25 .5 12 .2 50 .8 26 .0 60 .9 31 .6 70 .0 36 .8 87 .9 46 .0 1. 05 54 .8 1. 24 64 .4
? ? ? 行星減速機構(gòu)模型 ?? 式中 爴 =爴 牏牀 牀 爣 犣 行星減速機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩 爴 —— 牀 —— 行星減速機構(gòu)傳動比 牏 () 5
得 將式 ( ) ( ) ( 0 代 入 式 ( 1 并 求 導 , 制 動 4、 5、 1) 1) 執(zhí)行器的數(shù)學模型 爴 =牑 爤 牄 牑 其中
? · ? ·
(2 1)
犣 —— 行星減速機構(gòu)的機械效率 牀 ? ? ? 滾珠絲杠模型 ?? 電 動 機 通 過 行 星 齒 輪 減 速 器 驅(qū) 動 滾 珠 絲 杠 副, 將電 動 機的 旋轉(zhuǎn) 運 動 轉(zhuǎn) 換 為 絲 杠 的 直 線 運 動 , 制 對 動盤施加壓力 。 由于滾珠絲杠副將電動機的旋轉(zhuǎn)運 動轉(zhuǎn)換為直線運動 , 則 犽 牨 牠 = 2 牘 π 牎 —— 滾珠絲杠副螺母的角速度 犽 —— 絲杠的位移 牨 牘 —— 絲杠導程 牎 () 6
7 4 π 牏牀 爳 ( 牎 牘 牑 =1 ? 8 爦牉 犣犣燉 牘牑) 由 上 述 制 動 執(zhí) 行 器 的 數(shù) 學 模 型 可 知, 杠 所 提 絲
供的推力 與電 動 機 的 堵 轉(zhuǎn) 電 流 、 動 機 堵 轉(zhuǎn) 時 的 輸 電 因 出轉(zhuǎn)矩 呈線性 關 系 , 此 可 以 計 算 出 加 在 制 動 裝 置 在設計過程中 , 可以通 上的壓力和制動力矩的大小 。 過所需的最大制動力矩和制動壓力估算絲杠輸出推 力的大小 , 并選用一定規(guī)格的絲杠來滿足要求 , 然后 選 擇合適傳動 比 的 行 星 減 速 器 , 后 計 算 出 所 需 的 最 電動機 堵轉(zhuǎn)力 矩 , 用 相 應 的 永 磁 無 刷 直 流 力 矩 電 選 動機 。
式中
—— 滾珠絲杠副的動作時間 牠 滾 珠 絲 杠 副 所 承 受 的 轉(zhuǎn) 矩, 行 星 減 速 機 構(gòu) 輸 即 出的轉(zhuǎn)矩 , 包括滾珠絲杠的驅(qū)動力矩 、 阻力矩及其傳 動系統(tǒng)的摩擦力矩 。 即 爴 =爴 +爴 +爴 牀 爧 爟 牊 其中 爫 牎 牘 2 π 爡牘 爮 牎 爴= 爧 2 π 滾珠絲杠的阻力矩 爴 —— 爧 爴= 爟 爴 —— 滾珠絲杠的驅(qū)動力矩 爟 爴 —— 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的摩擦力矩 牊 爫—— 絲杠輸出推力 爡 —— 滾珠絲杠的軸向預緊力 爮 爴 是指除滾珠絲杠本身的摩擦力矩外的摩擦 牊 主要為支承軸承和密封裝置的摩擦力矩 。 阻力矩 , 考 慮式 ( ) 9 , 滾 珠 絲 杠 副 的 傳 動 效 率 來 8 ~( ) 用 表示系統(tǒng)的阻力矩和摩擦力矩 , ( ) 式 7 可簡化為 爫=2 爴 犣燉 牎 π牀 爳牘 其中 犣=爴 燉 牀 爳 爟 爴 ? ? ? 制動器模型 ?? 制動力矩 爴 表達式為 牄 式中 爴 =牑( 牄 牘 爫-爫牔) 牑—— 制動器制動因數(shù) 牘 爫牔—— 克服彈簧力所需推力 (1 1) (0 1) () 7 () 8 () 9
? 制動執(zhí)行器原理機的試驗
根 據(jù) 上 述 制 動 執(zhí) 行 器 結(jié) 構(gòu)、 理 制 作 出 制 動 執(zhí) 原
行器原理機 , 3為制動執(zhí)行器原理機試驗裝置圖 。 圖 測試時 , 以電子踏 板 的 輸 出 電 壓 信 號 ( ~ 5V) 電 為 0 動 機控制器的 輸 入 , 拉 壓 傳 感 器 測 量 絲 杠 的 推 力 用 從而確定 出 制 動 踏 板 的 輸 出 信 號 與 絲 杠 輸 出 輸出 , 之間 的關系 , 即 確 定 了 踏 板 信 號 與 制 動 器 上 所 產(chǎn) 也 生的制動力的關系 。
式中
圖 3 制動執(zhí)行器原理機試驗裝置圖 Fg 3 T sigpooy eo E i. et n rttp f MBba eatao rk cu tr
1無刷直流力矩電動機 . 壓傳感器 2行星減速器 . 3滾珠絲杠副 . 4拉 . 5 電動機控制器 . 6 支架及連接件 .
圖 4 為制動踏板電壓信號與無刷直流力矩 ~5 電動機在堵轉(zhuǎn)時的力矩輸出及電動機線圈端電流的 關系曲線 。 圖 6為制動踏板輸出電壓信號與滾珠絲
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圖 4 制動踏板信號與電動機輸出力矩關系 Fg 4 R lt n hpo ba ep d l in l n i. eai s i f rk e a s a a d o g o tu tru up t op e
圖 6 制動踏板信號與絲杠輸出推力的關系 Fg 6 R lt n hpo ba ep d l in l n up t i. e i s i f rk e a s a a do tu ao g o l dsrw f e ce a
似呈線性關系 , 系統(tǒng)的可控性好 ; 踏板電壓信號與絲 杠輸出推力 ( 即制動器所產(chǎn)生的制動力 ) 也近似呈線 性 關系 , 即電 動 機 的 線 圈 端 電 流 與 絲 杠 輸 出 推 力 近 似呈線 性關系 , 而 驗 證 了 所 建 立 的 制 動 器 模 型 是 從 正確的 。
圖 5 制動踏板信號與電動機線圈端電流關系 Fg 5 R lt n hpo ba ep d l in l n i. eai s i f rk e a s a a d o g widn urn n igc re t
? 結(jié)束語
通過制動執(zhí)行器原理機的設計及制作可進行系 統(tǒng)的可靠性和 可 行 性 試 驗 , 對 系 統(tǒng) 關 鍵 部 件 進 行 可 單項試 驗研究 , 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 集 成 及 性 能 優(yōu) 化 提 供 試 為 驗和理論依據(jù) 。
文 獻
杠輸出推力的關系曲線 。 由曲線可以看出 , 踏板的電 壓信號與電動機的力矩輸出及電動機線圈端電流近
參 考
1 Kale zBl r i i,Mat e c , et ru r hn l ri msh B r B e e.A n w a po c oivsiaetevhc nefc r e燉 rk e a nS e p raht n et t h e i eitraedi rba ep d l g l v u d r el o dcn io si i o o cmigba eb ? r?ytmsC .S n e ra ra o dt n nve f n o n rk ?ywi sse [ ] AEP p r1 9 0 2 4 , 9 9 i w e ae 9 9 1 9 9 1 9 . 2 R l S h r,R l Iema n lmpn oc si t nfraba igb ? r cu trC .S , af c waz of sr n .Ca igfreet i o ma o rkn ?ywi eatao[ ] AEP p r1 9 0 ae 9 9 1 08,99 4219.
3 R l c waz ofIema n afS h r,R l sr n .Mo e n n o to o ne crmeh ncl i rk [ ] AE P p r9 0 0 , d l ga dcnrl fa l to c a i ds i e a kba e C .S ae 8 6 0 19. 98 宋健 .電子機械制動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 [] 機械科學與技術 , 0 5 2 :2 8 1 . 4 張猛 , 2 0 ( ) 0 ~2 1 J. 5 張文海 .用反電勢系數(shù)計算直流力矩電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的公式 [] 微特電機 , 0 4 4 : 5 6 2 0 ( ) 4 ~4 . J.
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上接第 ? 頁 ) ( ?
文提出的鉸點軸與軸套間隙的計算理論及方法是可 行的 。
() 4 通過對某 挖 掘 機 工 作 裝 置 鉸 點 軸 與 軸 套 間 隙 的 實 例計 算分 析 以 及 與 國 外 間 隙 設 計 的 比 較 , 本
參 考
文
獻
王家序 , 秦大同 .液壓挖掘機工作裝置固有頻率的試驗靈敏度 [] 農(nóng)業(yè)機械學報 , 0 6 3 ( ) 2 ~2 . 1 楊為 , 20,72:1 4 J. 趙洪倫 .過盈配合應力的接觸非線性有限元分析 [] 機械設計與研究 , 0 0 1 ( ) 3 ~3 . 2 許小強 , 20,11:1 5 J. 25 5. 4 ~2 4 潘雙夏 , 馮培恩 .基于 AD 4 劉靜 , 20,61)19 1. AMS的挖掘機液壓系統(tǒng)仿真技術 [] 農(nóng)業(yè)機械學報 , 0 5 3 ( 0 : 0 ~1 2 J.
3 E g nu zB d y o did p n e t o to o ah da l x a ao[] u e is u n .L a ? e e d n cnrl f y rui cv trJ.Auo t ni o srcin 2 0 , 2 3 : n ce tmai nC n tu t , 0 3 1 ( ) o o
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本文編號:71919
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