趙靖，覃光許，吳亞菲

（1.上海通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

引言

汽車駐車制動系統(tǒng)作為汽車的重要安全件及影響汽車行駛阻力進而影響燃油經(jīng)濟性的重要組成部件之一。駐車制動系統(tǒng)的選型因整車布置、成本等因素而有所不同，其性能和質(zhì)量會略有差異，但對于既定的駐車制動系統(tǒng)而言，其調(diào)整質(zhì)量的好壞，除了直接影響到汽車駐車性能的穩(wěn)定性外，還是影響制動系統(tǒng)阻滯力的重要因素。如果駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整質(zhì)量控制不穩(wěn)定，會導致一部分車輛因為摩擦片與制動盤之間的間隙偏大，駐車制動系統(tǒng)拉索的預緊力過小，駐車制動時，難以將力傳遞到制動器上，從而帶來安全隱患。還會有一部分車輛摩擦片與制動盤之間的間隙偏小，拉索預緊力過大，容易在非制動狀態(tài)下制動器存在一定的制動力，在車輪上體現(xiàn)為車輪阻滯力，進而造成汽車燃油消耗量上升、排放增加，還會導致制動器溫升、摩擦片異常磨損，進而影響制動系統(tǒng)的壽命。

1 自動調(diào)整系統(tǒng)方案

1.1 自動調(diào)整工藝

針對所研究車型，以及人工調(diào)整工藝，設定駐車制動系統(tǒng)的自動調(diào)整工藝主要分為兩大部分：（1）設置駐車制動系統(tǒng)拉索的預緊力：精確控制駐車制動手柄的旋轉(zhuǎn)角度，將駐車制動手柄拉至第二棘輪齒位置，然后預擰緊駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整螺母；往復將制動手柄拉至第八棘輪齒位置3次；再次將制動手柄拉至第二棘輪齒位置，擰緊駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整螺母，當扭矩傳感器監(jiān)測到將駐車制動手柄拉至第二棘輪齒處的扭矩為15N·m時停止擰緊調(diào)整螺母的動作。（2）檢驗駐車制動系統(tǒng)拉索的預緊力：將駐車制動手柄拉至第二棘輪齒時，如果扭矩傳感器測量值為15N·m左右，則說明駐車制動系統(tǒng)調(diào)整結(jié)果合格，否則對駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整螺母進行微調(diào)。

1.2 系統(tǒng)方案

將系統(tǒng)組成分為兩大控制與操縱主線：其一為駐車制動手柄操縱線；其二為調(diào)整螺母操縱線。初步確定各系統(tǒng)組成如圖1所示。

駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)主要由計算機7、系統(tǒng)控制器6、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器12、駐車制動手柄的操縱機構(gòu)Ⅰ（包括電機4、減速器3、轉(zhuǎn)矩傳感器2、操縱駐車制動手柄的專用抓持器1等）、駐車制動拉索調(diào)整螺母的操縱機構(gòu)Ⅱ（包括電機9、減速器10、駐車制動拉索調(diào)整螺母套筒11等）、條碼閱讀器8及棘輪鎖釋放器13等組成。

圖1 自動調(diào)整系統(tǒng)的組成

2 自動調(diào)整系統(tǒng)硬件組成及功能

2.1 標準件

2.1.1 制動手柄操縱機構(gòu)

根據(jù)企業(yè)要求，取80N·m作為制動手柄操縱機構(gòu)正常工作時的最大輸出扭矩。自動調(diào)整系統(tǒng)工作時，為保證工人和系統(tǒng)的安全，應為制動手柄操縱機構(gòu)的額定輸出扭矩設定安全系數(shù)ξ，取ξ=1.5。所以制動手柄操縱機構(gòu)的額定輸出扭矩為120N·m。駐車制動手柄操縱機構(gòu)的運行速度需要近似人工調(diào)整，所以制動手柄操縱機構(gòu)扭矩應大于120N·m，轉(zhuǎn)速約等于80r/min。

所選電機的額定扭矩為 2.04N·m，額定轉(zhuǎn)速為 4710r/min，此時選擇減速比i=60的減速器，則有：

駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)運行過程中，需要監(jiān)測制動手柄操縱機構(gòu)的輸出扭矩，因此選擇一款動態(tài)扭矩傳感器來實時監(jiān)測制動手柄操作機構(gòu)的輸出扭矩。

2.1.2 調(diào)整螺母操縱機構(gòu)

駐車制動系統(tǒng)人工調(diào)整擰緊調(diào)整螺母時，采用的是定扭矩電動工具，其轉(zhuǎn)速為2000r/min。如果自動調(diào)整系統(tǒng)中也采用電動工具，當監(jiān)測到制動手柄拉至第二棘輪齒的扭矩達到15N·m時，即使立即停止電機的運行，但是由于電機的轉(zhuǎn)速過高，完全停止需要一定的時間，導致最終的調(diào)整結(jié)果與要求值存在偏差，所以，在自動調(diào)整系統(tǒng)中，要求調(diào)整螺母操縱機構(gòu)最終輸出的轉(zhuǎn)速不高于1000r/min。所以根據(jù)要求調(diào)整螺母操縱機構(gòu)扭矩應大于3N·m，轉(zhuǎn)速小于1000r/min。

所選電機的額定扭矩為0.31 N·m，額定轉(zhuǎn)速為8000r/min，此時選擇減速比i=10的減速器，則有：

2.2 非標件

2.2.1 手柄抓持器

制動手柄抓持器的作用是連接制動手柄操縱機構(gòu)和制動手柄，保證制動手柄操縱機構(gòu)的扭矩能夠傳遞到制動手柄上。設計制動手柄抓持器時應充分考慮到制動手柄的受力點和抓持器的定位。汽車駐車制動手柄抓持器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 手柄抓持器

2.2.2 駐車制動手柄棘輪鎖釋放器

圖3 駐車制動手柄棘輪鎖釋放器

為了便于利用制動手柄操縱機構(gòu)進行駐車制動手柄拉起和放下的往返操作，設計駐車制動手柄棘輪鎖釋放器，用于解除汽車制動手柄中棘爪對棘輪的鎖止作用。當駐車制動系統(tǒng)調(diào)整完成后，取下駐車制動手柄棘輪鎖釋放器。棘輪鎖釋放器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 調(diào)整螺母操縱機構(gòu)專用支架

如果采用自動調(diào)整系統(tǒng)，則需要在系統(tǒng)運行前就將調(diào)整螺母操縱機構(gòu)安裝到相應位置，因此需設計相應的支架來保證該操縱機構(gòu)安裝的位置。調(diào)整螺母操縱機構(gòu)專用支架如圖4所示。

圖4 調(diào)整螺母操縱機構(gòu)專用支架

2.3 電器電路

圖5 駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)電路圖

如圖5所示為駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)電路圖。駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)中共采用三個開關(guān)、三個指示燈和一個蜂鳴器，開關(guān)分別為手柄抓持器觸點開關(guān)、啟動開關(guān)和急停開關(guān)；指示燈分別為準備指示燈、測試中指示燈和急停指示燈。系統(tǒng)運行過程中，控制指示燈狀態(tài)控制的硬件有信號采集卡和輸出模塊。信號采集卡主要用來采集不同信號以便做出相應的指示和動作，系統(tǒng)中采用電壓采集卡采集開關(guān)信號，當開關(guān)狀態(tài)改變時電壓信號發(fā)生變化，通過判斷電壓信號的變化模式（由高到低或由低到高）執(zhí)行相應的動作，由輸出模塊來改變指示燈的狀態(tài)。為保護制動手柄電機和工人安全，設置制動手柄操縱機構(gòu)的急停電路，電磁繼電器控制。

3 自動調(diào)整系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 制動手柄操縱機構(gòu)

3.1.1 S曲線

在駐車制動手柄反復拉起、放下的過程中，為保護駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)、減小手柄抓持器對制動手柄的沖擊，提出7階段的加減速S曲線的全程規(guī)劃。其中7個階段分別為加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段。如圖6所示為Jerk（加速度導數(shù)）、加速度、速度、位移與時間的關(guān)系圖，其中Tk(k=1，2，…，7)分別為S曲線七個階段的持續(xù)運行時間。

圖6 加速度、速度、位移、Jerk與時間的關(guān)系

對曲線影響最大的是加加速度J值，如果J值過小，那么 S曲線中加速和減速持續(xù)的時間較長，導致整個曲線的運行時間較久；如果J值過大，那么系統(tǒng)運行過程中所受沖擊大，振動大。在駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)中，應該根據(jù)手柄拉起的角度，合理設置S曲線中各個階段的時間，然后確定J值。

根據(jù)S曲線速度與位移方程，在MATLAB中進行編程，通過制動手柄旋轉(zhuǎn)的角度，選擇合適的最大速度，及七個階段的具體時間。制動手柄拉至第二棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 手柄拉至第二棘輪齒的位移速度曲線

同樣根據(jù) MATLAB編程繪制將制動手柄拉直第八棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線，得出制動手柄拉至第八棘輪齒的位移和轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

圖8 手柄拉至第八棘輪齒的位移速度曲線

圖9 伺服電機Simulink模型

建立如圖9所示的伺服電機Simulink模型，驗證制動手柄的S曲線設置是否合理。

將駐車制動手柄分別拉至第二棘輪齒和第八棘輪齒時仿真波形圖如圖10、11所示。

圖10 制動手柄拉至第二棘輪齒的仿真波形圖

圖11 制動手柄拉至第八棘輪齒的仿真波形圖

在制動手柄的位移、速度波形圖可以看出，制動手柄拉至第二棘輪齒和第八棘輪齒的運行過程都比較平緩。在制動手柄開始運行和停止運行的階段都比較緩慢，所以可以有效抑制駐車制動系統(tǒng)調(diào)整過程中的振動和沖擊。

利用直線運動函數(shù)使制動手柄操縱機構(gòu)將制動手柄拉到第二棘輪齒處（該直線運動函數(shù)需要設置較多的參數(shù)，如資源名稱、加速度、減速度、位移量、速度等，可根據(jù)具體情況進行設置）。

3.2 調(diào)整螺母操縱機構(gòu)

利用數(shù)字輸出函數(shù)開啟調(diào)整螺母操縱機構(gòu)電機使其對制動手柄調(diào)整螺母進行擰緊再將其關(guān)閉，最后利用力矩模式使其回位。

3.3 調(diào)整結(jié)果檢驗

利用直線運動函數(shù)使制動手柄操縱機構(gòu)將駐車制動手柄拉至第二棘輪齒處，讀取當前實時扭矩值并與要求扭矩值進行比較，如果當前實時扭矩不在合格范圍內(nèi)，則控制調(diào)整螺母操縱機構(gòu)電機進行扭矩微調(diào)，最后利用力矩模式回位。

4 自動調(diào)整系統(tǒng)試驗驗證

駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)經(jīng)試驗車驗證可行后，通過大量實車測試試驗的調(diào)整結(jié)果，驗證自動調(diào)整系統(tǒng)的可靠性。分別對 200輛實車進行駐車制動系統(tǒng)調(diào)整。對調(diào)整結(jié)果進行CPK分析，表1為自動調(diào)整時CPK分析具體參數(shù)表。

從計算結(jié)果中可以看出自動調(diào)整結(jié)果的CPK值為1.6，系統(tǒng)穩(wěn)定性等級為A級，由此可以看出，駐車制動系統(tǒng)采用自動調(diào)整時，穩(wěn)定性和可靠性均較高，滿足駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整要求。

表1 自動調(diào)整時CPK分析具體參數(shù)表

4 結(jié)論

（1）基于人工調(diào)整工藝開發(fā)一套駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)，提升了生產(chǎn)線上駐車制動系統(tǒng)調(diào)整環(huán)節(jié)的自動化程度，減小了調(diào)整過程中人為因素的影響，提高了駐車制動調(diào)整質(zhì)量和效率。

（2）對制動手柄的運動進行 S曲線規(guī)劃，從而降低駐車制動系統(tǒng)調(diào)整的過程中的振動、沖擊等，使得手柄的運動過程更加平穩(wěn)。

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