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[摘 要]本文设计了基于电机助力的新型制动系统，主要对制动系统的电动助力结构，人力缸结构进行了设计，以及对助力电机的参数的计算方法进行了说明。新型的制动系统使得系统结构与真空助力制动系统相比较，结构大为简化，可实现线控制动、主动制动等多种模式。通过实验验证，制动效果达到预期，证明了设计的合理性。
[关键词]制动系统；电动助力；结构设计；电机选择
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0116-02
1 前言
随着化石能源危机以及传统汽车排放问题逐渐引起人们的关注，电动汽车慢慢进入人们的视野。电动汽车作为一种“零排放”车辆，可以很好缓解当前中国日益严重的大气污染问题，并且电能的获取方式多种多样，人类已经可以使用清洁方式获取电能。电动汽车技术的发展是适应人类发展需要的，并且电动车技术已经得到各国政府的大力支持。
我国的电动车发展势头良好，各个厂商纷纷推出了自己的电动汽车。当前电动汽车上面的制动系统多为真空助力制动，真空助力制动系统也是目前多数乘用车的制动形式。真空助力制动系统也称真空伺服制动系统，兼用人力和机械力。传统汽车上的真空伺服制动系统的主要结构是真空管路加上真空伺服气室，真空源来自于发动机进气歧管[1]；在电动汽车上没有传统的内燃机，真空源由真空泵提供，真空泵由自带独立电机提供能量。这样就造成制动系统过于复杂累赘。
本文以基于某款纯电动轿车的研发为例，提出一种全新的制动系统方案。使用电机作为直接的助力方式，将踏板位移作为输入变量来控制电机的输出转矩，电机通过机械结构直接推动制动主缸。这样一来就充分利用了电动汽车的优点，并且使结构大大简化。
2 电动助力制动系统结构特点
电动助力制动系统的结构如下图所示。
工作原理简述：
1、踩下制动踏板，推动踏板推杆1向前运动（图示左向为前），力由踏板推杆1传递到中心管2，再经踏板模拟弹簧3传递到后活塞7，使得后活塞7向前运动克服间隙S1。此时前腔为密闭状态，后活塞7不能继续往前移动。
2、继续踩下制动踏板，由于后活塞7不动，使得踏板模拟弹簧3发挥作用，提供踏板脚感。同时踏板推杆1推着中心管2向前运动，这个过程为线控制动过程，根据踏板转角传感器获得踏板位移数据，控制电机12工作，电机12与丝杠13通过花键连接同步转动。螺母14与丝杠13配合，将转动变成沿螺母14轴线方向上的平动。螺母14与套筒推杆15通过螺栓连接，套筒推杆15推动活塞16运动，从而在电动缸缸体内建立压力，经管路传递到前活塞10，继而推动制动主缸（图示未画出），实现制动。
3、当中心管2运动克服距离S2，中心管2与顶杆9接触，不能继续向前运动，此时距离S3也被消除（S2=S3），如下图2.2所示，此时前腔后腔导通。前腔油液可通过路径1流至后腔。
4、前后腔导通后，前腔泄压，线控制动阶段结束。继续踩下制动踏板，顶杆9将与前活塞10接触，将踏板力传递至前活塞，此时前活塞受到的力由传递过来的踏板力与电动缸产生的压力叠加而成。实现助力模式。
3.电动助力制动系统的设计计算
以市面上某款纯电动汽车（原车采用真空助力制动方式）的制动系统为例，要求设计的制动系统性能不低于原车制动性能。在满足制动性能的条件下要求助力电机扭矩功率最小来进行分析计算。
根据制动要求，便可以得出所需要的轮缸压力，继而可以求出主缸压力和主缸推杆力。通过选取一定的助力比，最后可以计算出要求的电机参数。计算流程如下图所示。此车型的制动器类型为前盘后鼓，盘式制动器跟鼓式制动器的的计算公式不同。以下的计算流程是以车轮上的盘式制动器为例，对于鼓式制动器，计算流程相同，只是计算制动轮缸对鼓式制动器力的计算公式的选择不同[2]。
现在对此车型的制动系统进行计算，在保证制动性能的前提下，选取出适合的电机。
计算出汽车前轮最大制动力FXmax1和后轮最大制动力FXmax2；
，
.
式中，G为汽车重力，16268N；L为轴距2675mm；L1为汽车质心至前轴中心线的距离1204mm；L2为汽车质心至后轴中心线的距离1471mm；f为地面附着系数取0.9；hg为汽车质心高度490mm；g为重力加速度9.8m·s-2；du/dt为汽车制动减速度[3]。
经过计算得出，该车型满载时，FXmax1=10741N，FXmax2=3900N。则单个前/后车轮最大制动力分别为：Fxb1=5370N，Fxb2=1950N.
对于双侧制动块盘式制动器，作用在制动盘上的最大夹紧力为：
计算得到前车轮制动盘的最大夹紧力分别为：
对于前轮缸
得出前车轮轮缸最大压力为。
对于后轮缸
得出后车轮轮缸最大压力为P2=945MP.
下一步是求出主缸的活塞杆推力。
前盘后鼓PV特性表达式：
其中，P表示轮缸的压力（MPa）；V表示主缸制动液的容积变化量（ml，不包括主缸活塞空行程引起的制动液的容积变化量）。由此可以计算出主缸的容积变化量为4.249ml。
主缸活塞的推力Fm为电机通过滚珠丝杠输出至活塞推杆的推杆力Fb和低压腔压力F1对活塞的推力之和。
根据相关设计资料，踏板机构及液压主缸的机械效率约为0.82～0.86，取踏板机构效率为0.95，则液压主缸機械效率为0.86～0.91，此处取机械效率，则车辆制动强度最大时，对应的主缸活塞推力：
取Pmax=p2，计算得最大活塞推力Fm max=4295N。
通过选取一定的助力比，就可以选择相应的电机。此处我们将助力比选为5。
电机扭矩与推杆力存在下列关系式：，
丝杠螺母移动速度：，
电机平均转速：，
为滚珠丝杠机械效率，这里取0.9，Ph为丝杠导程，初始压力建立时间取0.4s，则不同丝杠导程对应的电机参数如下表所示：
4 结束语
在新型制动系统的设计中要合理选择各个部分的参数，并且根据要实现的功能合理设计结构。一般来说，选取的电机扭矩越大，助力功能越明显，驾驶员越省力。但是要考虑到驾驶员最佳踏板感觉，不能让驾驶员的驾驶感觉有很大的变化，因此在选择助力比和电机参数的时候要考虑这些因素。经过实际实验测试本系统的轮缸压力，前后车轮轮缸的最大压力可以达870MP到以及9.45mp，满足制动要求。
参考文献
[1] 张欣宇，黄妙华，夏青松，一种用于电动汽车的真空助力制动系统设计[J].北京汽车，2007，9（10）：4[期刊]
[2] 林逸，贺丽娟，何洪文，陈潇凯，电动汽车真空助力制动系统的计算研究[J].汽车技术，2006，（10）：19[期刊]
[3] 余志生.汽车理论[M].第五版.北京：机械工业出版社，2009[书籍]
[关键词]制动系统；电动助力；结构设计；电机选择
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0116-02
1 前言
随着化石能源危机以及传统汽车排放问题逐渐引起人们的关注，电动汽车慢慢进入人们的视野。电动汽车作为一种“零排放”车辆，可以很好缓解当前中国日益严重的大气污染问题，并且电能的获取方式多种多样，人类已经可以使用清洁方式获取电能。电动汽车技术的发展是适应人类发展需要的，并且电动车技术已经得到各国政府的大力支持。
我国的电动车发展势头良好，各个厂商纷纷推出了自己的电动汽车。当前电动汽车上面的制动系统多为真空助力制动，真空助力制动系统也是目前多数乘用车的制动形式。真空助力制动系统也称真空伺服制动系统，兼用人力和机械力。传统汽车上的真空伺服制动系统的主要结构是真空管路加上真空伺服气室，真空源来自于发动机进气歧管[1]；在电动汽车上没有传统的内燃机，真空源由真空泵提供，真空泵由自带独立电机提供能量。这样就造成制动系统过于复杂累赘。
本文以基于某款纯电动轿车的研发为例，提出一种全新的制动系统方案。使用电机作为直接的助力方式，将踏板位移作为输入变量来控制电机的输出转矩，电机通过机械结构直接推动制动主缸。这样一来就充分利用了电动汽车的优点，并且使结构大大简化。
2 电动助力制动系统结构特点
电动助力制动系统的结构如下图所示。
工作原理简述：
1、踩下制动踏板，推动踏板推杆1向前运动（图示左向为前），力由踏板推杆1传递到中心管2，再经踏板模拟弹簧3传递到后活塞7，使得后活塞7向前运动克服间隙S1。此时前腔为密闭状态，后活塞7不能继续往前移动。
2、继续踩下制动踏板，由于后活塞7不动，使得踏板模拟弹簧3发挥作用，提供踏板脚感。同时踏板推杆1推着中心管2向前运动，这个过程为线控制动过程，根据踏板转角传感器获得踏板位移数据，控制电机12工作，电机12与丝杠13通过花键连接同步转动。螺母14与丝杠13配合，将转动变成沿螺母14轴线方向上的平动。螺母14与套筒推杆15通过螺栓连接，套筒推杆15推动活塞16运动，从而在电动缸缸体内建立压力，经管路传递到前活塞10，继而推动制动主缸（图示未画出），实现制动。
3、当中心管2运动克服距离S2，中心管2与顶杆9接触，不能继续向前运动，此时距离S3也被消除（S2=S3），如下图2.2所示，此时前腔后腔导通。前腔油液可通过路径1流至后腔。
4、前后腔导通后，前腔泄压，线控制动阶段结束。继续踩下制动踏板，顶杆9将与前活塞10接触，将踏板力传递至前活塞，此时前活塞受到的力由传递过来的踏板力与电动缸产生的压力叠加而成。实现助力模式。
3.电动助力制动系统的设计计算
以市面上某款纯电动汽车（原车采用真空助力制动方式）的制动系统为例，要求设计的制动系统性能不低于原车制动性能。在满足制动性能的条件下要求助力电机扭矩功率最小来进行分析计算。
根据制动要求，便可以得出所需要的轮缸压力，继而可以求出主缸压力和主缸推杆力。通过选取一定的助力比，最后可以计算出要求的电机参数。计算流程如下图所示。此车型的制动器类型为前盘后鼓，盘式制动器跟鼓式制动器的的计算公式不同。以下的计算流程是以车轮上的盘式制动器为例，对于鼓式制动器，计算流程相同，只是计算制动轮缸对鼓式制动器力的计算公式的选择不同[2]。
现在对此车型的制动系统进行计算，在保证制动性能的前提下，选取出适合的电机。
计算出汽车前轮最大制动力FXmax1和后轮最大制动力FXmax2；
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式中，G为汽车重力，16268N；L为轴距2675mm；L1为汽车质心至前轴中心线的距离1204mm；L2为汽车质心至后轴中心线的距离1471mm；f为地面附着系数取0.9；hg为汽车质心高度490mm；g为重力加速度9.8m·s-2；du/dt为汽车制动减速度[3]。
经过计算得出，该车型满载时，FXmax1=10741N，FXmax2=3900N。则单个前/后车轮最大制动力分别为：Fxb1=5370N，Fxb2=1950N.
对于双侧制动块盘式制动器，作用在制动盘上的最大夹紧力为：
计算得到前车轮制动盘的最大夹紧力分别为：
对于前轮缸
得出前车轮轮缸最大压力为。
对于后轮缸
得出后车轮轮缸最大压力为P2=945MP.
下一步是求出主缸的活塞杆推力。
前盘后鼓PV特性表达式：
其中，P表示轮缸的压力（MPa）；V表示主缸制动液的容积变化量（ml，不包括主缸活塞空行程引起的制动液的容积变化量）。由此可以计算出主缸的容积变化量为4.249ml。
主缸活塞的推力Fm为电机通过滚珠丝杠输出至活塞推杆的推杆力Fb和低压腔压力F1对活塞的推力之和。
根据相关设计资料，踏板机构及液压主缸的机械效率约为0.82～0.86，取踏板机构效率为0.95，则液压主缸機械效率为0.86～0.91，此处取机械效率，则车辆制动强度最大时，对应的主缸活塞推力：
取Pmax=p2，计算得最大活塞推力Fm max=4295N。
通过选取一定的助力比，就可以选择相应的电机。此处我们将助力比选为5。
电机扭矩与推杆力存在下列关系式：，
丝杠螺母移动速度：，
电机平均转速：，
为滚珠丝杠机械效率，这里取0.9，Ph为丝杠导程，初始压力建立时间取0.4s，则不同丝杠导程对应的电机参数如下表所示：
4 结束语
在新型制动系统的设计中要合理选择各个部分的参数，并且根据要实现的功能合理设计结构。一般来说，选取的电机扭矩越大，助力功能越明显，驾驶员越省力。但是要考虑到驾驶员最佳踏板感觉，不能让驾驶员的驾驶感觉有很大的变化，因此在选择助力比和电机参数的时候要考虑这些因素。经过实际实验测试本系统的轮缸压力，前后车轮轮缸的最大压力可以达870MP到以及9.45mp，满足制动要求。
参考文献
[1] 张欣宇，黄妙华，夏青松，一种用于电动汽车的真空助力制动系统设计[J].北京汽车，2007，9（10）：4[期刊]
[2] 林逸，贺丽娟，何洪文，陈潇凯，电动汽车真空助力制动系统的计算研究[J].汽车技术，2006，（10）：19[期刊]
[3] 余志生.汽车理论[M].第五版.北京：机械工业出版社，2009[书籍]