汽车制动技术

摘要：

汽车线控制动系统已成为有前途的车辆制动控制方案并且在提高制动性能方面优于常规的液压系统。但这些制动器需要高功率产生的驱动力同时也面临堵塞的问题。本文提出了一种新颖的方法来提高制动性能，并处理线控系统引入混合制动系统的制动问题。本系统采用固定的通过单信道的无线电频率，并基于超高频波段。该系统联接用高效压力传感器和热传感器来检查各种参数。齿条和小齿轮是作为驱动系统来强制朝向转子的垫。就高效率而言，齿条和小齿轮更优于其他的，同时是廉价的并且容易安装。实验进行，混合制动系统的刺激是通过软件做到的，该软件显示的结果支持了新推荐的系统。

关键词：

防抱死制动系统；滚珠丝杠；电机械制动；液压制动；齿轮齿条；射频无线通信系统，无线系统。

引言

成千上万的司机在路上恐慌的想刹车时我们看到的只有刹车灯[1]。每个人都想要一个更高性能的并且更安全的制动系统，所以制动系统需要我们投入更多的关注。任何具有强大的协调的制动系统的车都会增强驾驶员的信心，同时增加驾驶乐趣。设计制动系统所做的并只需要做的一件事就是停止车辆。好的系统与坏的系统之间的差异就是在最不利的条件下它如何工作。一个好的制动系统提供的最好回报，不是来自于本身制动功率的增长[2]，而是在与它提供给司机的信心，一致性和可控性。制动操作是进行反向的加速。后者是把燃料的热能转换成汽车的动能，而前者是将车的动能转化为热能。他们反复刹车是为了使车减速或停车。紧张的城市交通状况，走走停停，需要大量手制动杆和制动踏板。制动是一个复杂的能量转换过程[3-5]在刹车时通过将车辆的动能转化为热能同时轮胎在道路接口。摩托车司机进行制动是通过用一个力踏在称为制动踏板的脚动杠杆上。在任何情况下，驱动力的大小被称为踏板力。在制动过程中，踏板力的应用导致致动杆移位引起的制动液冲压。流体被看作是不可压缩的，因此利用帕斯卡定律踏板力被传递到给制动转子。制动系统将车辆的动能转化为热能，通常称为热。今天的汽车车轮制动器通常由脚踏板操作，简称行车制动器。后轮上的刹车一般可以通过手柄操作，并且被用来停车称为停车制动[6]，但他们可以在紧急情况下使用，因此称为紧急刹车。制动系统设计应体现可靠性能，控制的严谨性，同时在紧急情况下加快减速的过程[7]。

制动器可分为以下三组：

•摩擦制动器

•液压制动器

•电子制动器

在汽车或轻型汽车中最常见的制动系统是摩擦制动器。后面的两种类型使用于重型卡车。液压制动器的原理是：一个腔室内有一个叶轮，叶轮通过车轮的转动而旋转，这样，如果该腔室充满流体，通常是水，搅动动作发生的同时动能转换成热能，从而提供一个制动力。为了消散热量，水可以通过散热器循环。这种类型的主要缺点是，很难精确的控制制动力，并且高车速时提供大的制动力。在低转速时，它也可以提供非常小的制动力，车轮不旋转的时候不提供制动力。电子制动器有一个由车轮驱动的发电机。该发电机将动能转换成电流。当此电流通过电阻时就会产生热。它和液压制动器具有相同的缺点。由于这个原因，相当多的车辆都配备有摩擦制动器，包括盘式和鼓式制动器。摩擦制动器使用这样一个概念：一个旋转表面与固定表面摩擦，那么旋转表面的速度下降。这是由于摩擦在旋转和非旋转物体之间。这些盘制动器和鼓式制动器是液压制动系统的一部分。许多正在进行的研究试图制动过程中使用超级电容器[8]。这个系统的优点是易于构造，四个车轮提供了相同的刹车力，制动衬片灵活性好。液压制动系统几乎被广泛应用于每一个机动车。盘式制动器在前轮，鼓式制动器在后轮。但这个系统也有一些缺点，液体泄漏会导致制动系统完全失效，这要求每一个部分的常规检查特别是制动液、软管和电线。液压系统的一个主要缺点导致引入在制动方面的新概念，即通过电线[9-11]制动。这种系统也有其自身的缺点，如堵塞和杂乱的电线。所以，本文提出了一种新的制动系统称为混合制动系统。这是在研究工作中的创新，将会克服传统制动系统的主要缺点。

混合制动系统由各部分机电致动器[12]，无线系统[13]，电机[14]，齿条和小齿轮[15]，制动卡钳和制动转子等组成。这将是一个很有前途的车辆制动控制方案，并将增强安全性和舒适性。这系统比传统的和机电制动系统有更多的优点，但其在不同条件下的容错性仍需要被研究。本文内容如下。第二部分是水力机电制动系统。第三部分提出的混合制动系统。第四部分是关于混合制动系统的实验分析包括齿轮的有限元分析，和在不同的条件下驱动力的实验数据，最后给出结论。

Ⅱ现代制动系统

大多数车辆具有液压制动系统，但很少同时具有线控制动系统。

A液压制动系统

在制动过程中，踏板力通过机械液压系统作用施加制动转矩给车辆的四个车轮。制动转矩被车轮的惯性和在轮胎和道路之间的摩擦力阻碍，最终结果是车辆的减速。液压制动系统的各个部分遵循:

1）制动踏板：刹车踏板的存在使司机的脚施加的力倍增。人类正常的力是100磅正如车辆的人类工程学。

2）主缸：制动液的运动和压力由主缸活塞产生。该活塞利用一个简单的连杆和推杆连接着制动踏板。典型的现代公路车有一个含两个活塞主缸，而赛车通常配备单独的主缸。

3）制动液：由踏板到卡尺的力通过制动液传输。制动液是不可压缩的。最常见的制动液是DOT3，DOT4[2]（运输部）。

4）制动软管：制动液，制动配管和软管的功用是将液压从主缸传送到位于轮端的卡尺。这部分子系统必须由柔性材料构成，因为车轮端部与车辆的簧下质量是相关的。

5）卡钳组件：它包含刹车垫和移动垫子阻碍转子表面的液压活塞。有许多类型的卡尺。他们在材料，结构设计和活塞装备方面是不同的。它是用来固定住垫子以免在转子侧面产生摩擦。

6）刹车片：附有摩擦材料，产生制动摩擦黎阻碍旋转转子组件的旋转。

7）转子：作为制动系统的主散热装置。它的职责是转子产生制动转矩作为刹车片的函数摩擦力。

液压制动器是一种制动机构的安排，它利用制动液将压力从控制机构传递到制动机构。液压系统是一个封闭的系统。常见液压制动器的配置有制动踏板，推杆，主缸组件，增强液压管路，制动钳通常由一个或两个空心铝或钢活塞组成。图1液压制动系统利用了摩擦的概念。车辆由于刹车垫和旋转部分之间的摩擦减速。它可以是鼓或盘型[16]。

1）盘式制动器：制动盘或转子通常由铸造铁或陶瓷构成，并与车轮或车轴相连接。为了使车轮停下来，刹车片上的摩擦材料机械，水压地阻碍着盘两侧。

2）鼓式制动器：这种制动器利用由一组鞋或垫产生的摩擦。然后压在旋转的鼓状部分上来停车。

当踩下制动踏板时，推杆的力作用于主缸中的活塞（S）上。它使流体通过主缸从制动液储层流入压力室。流体从液压管路流入卡尺。然后它作用于活塞，施力于刹车片促使他们对导致汽车停止的旋转的转子起阻碍作用[3]。但也有一些缺点，如：

•整个刹车系统由于刹车片中液体泄漏而失灵。

•由于管内空气的存在使整个系统崩溃。

•液压流体对于大多数飞机材料来说是高腐蚀性的，同时需要定期维护。

•调整困难，如果没有适当的固定（出血发生），制动功率大大降低。

B线控制动

线控技术是一种新的汽车系统，这种新的汽车系统允许由电子元件而非传统的机械方法进行标准的车辆操作，称为机电制动。线控制动是这种新趋势的一个例子。这种技术的制动器是由一个小的计算机芯片来控制，而不是通过传统的控制液压系统控制。与以前的液压相比，机电制动系统代表需求的彻底改变。该系统包括所有制动和稳定的功能，如防抱死制动系统，电子制动力分配。该系统主要包括五种类型的元素，如包括电子控制单元，存储器，传感器，执行器，通信网络的处理器。

与电动液压制动器不同，机电系统中的所有组件都是电子的。卡尺中由电子制动器代替液压缸，同时，每一件事都直接由一个控制单元而不是高压主缸进行控制。这些系统还需要一些额外的硬件，包括温度，钳数力，和每个卡钳的执行器位置传感器。一旦驾驶员输入制动命令，四个的制动命令将通过基于高水平刹车功能的电子控制单元产生，例如防抱死制动系统或车辆稳定控制。这些命令信号通过有线网络被发送到四个电动卡钳，在致动系统的帮助下制动实施了。与传统的制动系统对比，制动机动的制动驱动力在机械形式中不可用，而电子形式中可用。汽车业正在用越来越多的电子系统更换液压系统。这不仅降低了车辆重量，同时产生大量潜在的产品特点。该制动系统使通过一些制动激活而可靠地减速机动车成为可能，即使车载网络故障或失败[17]。但仍然有一些缺点，如：

•增加能耗和跳跃轮的质量。

•灰尘会堵塞电缆,如果污垢阻塞它，就不会像光滑时一样进行刹车。

•电缆和外壳的质量极其重要，但恶劣天气会腐蚀电缆。

•因扰乱电线使系统具有更高的复杂性。

本节的结论是：传统制动系统需要升级，因此下面列出新建议的制动系统。

混合制动系统

新的制动系统应被称为混合制动系统，它包括以下部件，每个车轮分配一个的制动致动器，一个用于控制或调节制动系统的控制单元，和两个此运营的制动电路。本系统的详细功能在此节讨论。

A.混合制动系统的操作

这种制动系统完全是电子和机械的。它的操作如图2所示。从压踏板开始，然后压力传感器感知压力并实施操作。信号由接收机接收,通过发射机沿着转子侧传递，相应的输出信号转换为电机转速。电动机旋转使垫移动，导致车辆停止。可以看到该系统的主要优势是：该制动系统代表了一种完全无线电闸系统，即没有额外的液压或机械制动电路。图3为详细的操作，包含一个刹车踏板和制动踏板传感器。当司机踩下刹车踏板对其施加力时，机电制动系统被驱动，刹车踏板从起始位置移动到启动的位置。

对踏板施加压力-启动传感器-转换信号-接收车轮内外信号使之启动-旋转电机-驱动系统活性-刹车垫移动同时车减速

制动踏板传感器可以检测制动踏板的位置。对应位置的信号和在制动期间的应用压力会通过无线网络控制的单元被发送出。机动车辆司机所需的总制动力在控制单元中被分为的个人的制动力。个人制动力被发送到制动执行器，制动执行器前方是齿轮机构，后方是通过无线网络的汽车的轮轴。制动执行器中，夹紧力被施加在刹车盘上。借助电气汽车和夹紧装置即齿条与齿轮机制，刹车片移动从而接触到转子，导致车辆的减速。

B电子系统的细节

电子系统由一个射频发射器[13]和接收芯片，单片机，电机驱动器，电机组成。它还包括一个将驾驶员的制动动作转化为电脉冲的电子传感器。如果出现任何问题，电子系统可以有效地，准确地并且很容易地进行维修或调试。无线系统也可以提供除了制动之外的多路系统的控制。如果制动机构出现任何问题，交替传感器的数据可与微控制器相连接提供覆盖安全机制。传感器由各种原件如压电晶体组成。传感器比正常系统更灵敏，并且由于使用造成的磨损很少。这些传感器提供了更大的空间，从而减少服务成本和任何损失，目前在常规系统中存在的其他损失如流体损失等也可以避免。微控制器通过向电机发射制动模拟脉冲控制电机的制动。利用脉冲宽度调制技术产生这些模拟脉冲。这控制了电机的运行时间。微控制器还可以操纵由传感器和系统中的其他传感器提供的数据。例如,如果传感器产生范围从0-256的模拟信号(转换通过机载模拟到数字转换器完成),微控制器可以选择出工作所需的值,但在传统系统中生成的所有力量都转化为制动力，这是不必要并由摩擦造成了损失。使用的单片机是爱特梅尔公司哈佛架构8-修改位RISC微控制器。它将会实现一个开放资源的硬件平台阿德里亚诺。停车机制用于取代手闸也只能使用单片机实现。

单片机非常节能,可以在低电流条件下工作，即使汽车的电池不是在最优水平制动系统仍在运行。电机由电动驱动器控制。在基于单片机的系统中，这些是当前特殊的助推力和电机控制集成电路使用。脉冲是由单片机或射频收发机和接收机提供的。40 mA不足以使电机运行,并且需要大约100倍左右。因此要5-15A左右，电机被驱动。有两种类型(a)电流源,(b)电流吸收。一般我们使用下沉式，因为使用过程中从电池输入电流，更改路线给所需的电机。他们是既可靠耗电又少，从而使混合制动系统成为一个失败系统的证明。混合制动系统中的的无线系统采用一个在一个单一的通道（ISO/IEC 14443）系统中的固定的无线电频率。它基本上采用的是射频发射器和接收卡来通讯。射频卡使用超高频带。使用高频信号的优势是波长减小，因此在不久的将来，如果刹车是无线，信号不会干扰到道路上行驶的另一辆车的制动系统。同时也有像频率开关这样的技术，即在正常的时间间隔，开关不同的频带以减少两车具有相同的发射频率的机会。它与使用频率开关的无线车锁相似。

从上面的表1中我们可以看到，无线系统更适合制动系统。因此，在刹车过程中，无线系统优于有线系统。他们甚至可以加密，从而防止任何犯规或操纵刹车造成的事故。因此，它比有线系统更安全。所以，它比有线系统更有优势。

C.驱动系统的详细

图3显示了一个混合制动系统示意图，只有下列描述中需要的部分才显示出来。来自踏板的力被压力传感器感觉到，然后发射机信号通过无线网络发送到电动机，并在齿条与齿轮齿条机构的帮助下提供夹紧力。电机的旋转将旋转运动转换为直线运动。齿条按压刹车制动片，制动踏板被压瞬间松开踏板，然后电机在相反的方向旋转。它也将作为手制动或停车制动。盘制动器的驱动系统图4所示。结果表明，在齿轮的帮助下马达将旋转，同时齿条垫将被强制按下转子。鼓式制动器将具有相同的机制，但与一个小齿轮和两个齿条。这是因为它具有两个需要被按压的制动垫。

           图4：盘式制动的混合动力系统

这些运动最终会使车辆停止。该机制相对于任何其他机制，如球螺丝或直线电机机制是有效的。

混合动力汽车制动系统的优点是：

•通过电动机使制动转矩快速准确的生成，所以提高了制动控制的效率和稳定性。

•提高制动系统的诊断能力；

•辅助系统更容易适应，例如防抱死系统和电子稳定程序，无需额外的机械或液压组件；

•它减少了在设计，建筑，装配，维修阶段的总体成本。

•由于线的清除使系统更轻。

•与传统的液压制动系统如制动液等相比，它不产生任何对环境有作用的毒性物质。

•它控制轮胎打滑。

•运用一些不同的安排可以表现为手制动和停车制动。

混合制动系统分析

本节将重点分析驱动系统和电子系统。强制停车时，齿条和小齿轮是最重要的部分。所以，齿轮机构的任何失误都会导致整个系统效率低。因此，进行失效分析以检查齿条和齿轮的齿能否持续给力。代替齿轮齿条机构，我们有两个可选择的球丝杠和直线电机，但齿条和小齿轮是最合适的，原因如下：

A.齿条和小齿轮与滚珠丝杠

珠丝杠[15]不能像齿条和齿轮组一样加速，他们也不能保持同样的速度。它们的刚度较低不定。与滚珠丝杠相比，齿条和小齿轮组有较低的质量惯性矩和较高的自然频率和效率。在总旅行长度中，滚珠丝杠能运行大量累积误差。

B.齿轮齿条与直线电机

与直线电机相比，齿轮齿条系统可以提供类似的性能，但成本少得多。他们更小，结构更加紧凑，不需要太复杂的机械设计。虽然有时效率很低，但直线电机整体的效率可达到90%。

实验是小规模完成的，但保持相同的基本的制动概念。该实验是以180毫米直径的转子，60：40的质量转移，最初的踏板力是100磅，踏板比6:1而完成的。基本的布局：包括每一个前后轮的两个主缸[4]。我们得到的结果如表2所示。

                  表2：液压混合制动比较系统

     其中，F1，F2是应用在每个主力气缸上踏板的力，F3，F4是由于主缸而产生的力，F5，F6是对转子的致动力。在混合制动系统中，没有主汽缸，这就是为什么F3，F4中的力不在这里。整个致动系统由微控制器，齿条和齿轮机构和高效传感器控制。

C.分析齿轮

有限元方法[18]在对一对齿轮的应力分析问题中使用的最广泛。此外，有限元分析软件已经用于执行啮合模拟。压力和变形计算在齿轮的设计中起到更显著的作用。

1）齿轮齿条模型：我们使用CAD软件（计算机辅助设计）完成三维

齿轮参数化建模。三维软件可以用于齿条齿轮几何模型，并用有限元分析软件进行分析。威尔弗雷德刘易斯[19]提供了一个公式来估计齿的弯曲应力。即公式1。

σB=齿根弯曲应力（N／m2），重量=传切向载荷（牛顿），F=面宽度（米或毫米），M=模块（m或mm）

在三维软件中创建的组件，在有限元分析软件工作台14输入来进行应力和变形的分析[20]。装配导入有限元分析软件工作台14后，当两齿已经在接触时，我们主要目的是为了发现在齿条齿轮对制动盘施力过程中，根弯曲应力和变形，也就是由于力的作用对齿轮齿形的影响。为此，在液压系统的情况下，我们已应用10000N[6]的等效力强制施加到制动盘。

图5中可得的结果

小齿轮的总变形0.0057244毫米。这一结果表明应用10000N力导致小齿轮的轮齿变形很小。我们可以说，结果都支持齿轮齿条和小齿轮驱动系统的机制。

结论

本文提出的是一种新的混合制动系统，比传统和机电制动系统有更多的好处。制动力通过高性能的电动马达直接在每个车轮产生，并由一个电子控制系统控制。它是由电子踏板模块传来的信号驱动。混合制动系统包括所有的制动和稳定功能。它还采用了无线通信系统，这种无线通信系统与其他类似的系统比有主要的优势。对混合制动系统的细节模型进行分析，同时理论的结果支持了该系统。给出了流体与导线完全消除的方法。该系统无疑将是制动系统中的一个里程碑。