赵靖，覃光许，吴亚菲

（1.上海通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007；2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

引言

汽车驻车制动系统作为汽车的重要安全件及影响汽车行驶阻力进而影响燃油经济性的重要组成部件之一。驻车制动系统的选型因整车布置、成本等因素而有所不同，其性能和质量会略有差异，但对于既定的驻车制动系统而言，其调整质量的好坏，除了直接影响到汽车驻车性能的稳定性外，还是影响制动系统阻滞力的重要因素。如果驻车制动系统的调整质量控制不稳定，会导致一部分车辆因为摩擦片与制动盘之间的间隙偏大，驻车制动系统拉索的预紧力过小，驻车制动时，难以将力传递到制动器上，从而带来安全隐患。还会有一部分车辆摩擦片与制动盘之间的间隙偏小，拉索预紧力过大，容易在非制动状态下制动器存在一定的制动力，在车轮上体现为车轮阻滞力，进而造成汽车燃油消耗量上升、排放增加，还会导致制动器温升、摩擦片异常磨损，进而影响制动系统的寿命。

1 自动调整系统方案

1.1 自动调整工艺

针对所研究车型，以及人工调整工艺，设定驻车制动系统的自动调整工艺主要分为两大部分：（1）设置驻车制动系统拉索的预紧力：精确控制驻车制动手柄的旋转角度，将驻车制动手柄拉至第二棘轮齿位置，然后预拧紧驻车制动系统的调整螺母；往复将制动手柄拉至第八棘轮齿位置3次；再次将制动手柄拉至第二棘轮齿位置，拧紧驻车制动系统的调整螺母，当扭矩传感器监测到将驻车制动手柄拉至第二棘轮齿处的扭矩为15N·m时停止拧紧调整螺母的动作。（2）检验驻车制动系统拉索的预紧力：将驻车制动手柄拉至第二棘轮齿时，如果扭矩传感器测量值为15N·m左右，则说明驻车制动系统调整结果合格，否则对驻车制动系统的调整螺母进行微调。

1.2 系统方案

将系统组成分为两大控制与操纵主线：其一为驻车制动手柄操纵线；其二为调整螺母操纵线。初步确定各系统组成如图1所示。

驻车制动自动调整系统主要由计算机7、系统控制器6、A/D模数转换器12、驻车制动手柄的操纵机构Ⅰ（包括电机4、减速器3、转矩传感器2、操纵驻车制动手柄的专用抓持器1等）、驻车制动拉索调整螺母的操纵机构Ⅱ（包括电机9、减速器10、驻车制动拉索调整螺母套筒11等）、条码阅读器8及棘轮锁释放器13等组成。

图1 自动调整系统的组成

2 自动调整系统硬件组成及功能

2.1 标准件

2.1.1 制动手柄操纵机构

根据企业要求，取80N·m作为制动手柄操纵机构正常工作时的最大输出扭矩。自动调整系统工作时，为保证工人和系统的安全，应为制动手柄操纵机构的额定输出扭矩设定安全系数ξ，取ξ=1.5。所以制动手柄操纵机构的额定输出扭矩为120N·m。驻车制动手柄操纵机构的运行速度需要近似人工调整，所以制动手柄操纵机构扭矩应大于120N·m，转速约等于80r/min。

所选电机的额定扭矩为 2.04N·m，额定转速为 4710r/min，此时选择减速比i=60的减速器，则有：

驻车制动自动调整系统运行过程中，需要监测制动手柄操纵机构的输出扭矩，因此选择一款动态扭矩传感器来实时监测制动手柄操作机构的输出扭矩。

2.1.2 调整螺母操纵机构

驻车制动系统人工调整拧紧调整螺母时，采用的是定扭矩电动工具，其转速为2000r/min。如果自动调整系统中也采用电动工具，当监测到制动手柄拉至第二棘轮齿的扭矩达到15N·m时，即使立即停止电机的运行，但是由于电机的转速过高，完全停止需要一定的时间，导致最终的调整结果与要求值存在偏差，所以，在自动调整系统中，要求调整螺母操纵机构最终输出的转速不高于1000r/min。所以根据要求调整螺母操纵机构扭矩应大于3N·m，转速小于1000r/min。

所选电机的额定扭矩为0.31 N·m，额定转速为8000r/min，此时选择减速比i=10的减速器，则有：

2.2 非标件

2.2.1 手柄抓持器

制动手柄抓持器的作用是连接制动手柄操纵机构和制动手柄，保证制动手柄操纵机构的扭矩能够传递到制动手柄上。设计制动手柄抓持器时应充分考虑到制动手柄的受力点和抓持器的定位。汽车驻车制动手柄抓持器的结构如图2所示。

图2 手柄抓持器

2.2.2 驻车制动手柄棘轮锁释放器

图3 驻车制动手柄棘轮锁释放器

为了便于利用制动手柄操纵机构进行驻车制动手柄拉起和放下的往返操作，设计驻车制动手柄棘轮锁释放器，用于解除汽车制动手柄中棘爪对棘轮的锁止作用。当驻车制动系统调整完成后，取下驻车制动手柄棘轮锁释放器。棘轮锁释放器结构如图3所示。

2.2.3 调整螺母操纵机构专用支架

如果采用自动调整系统，则需要在系统运行前就将调整螺母操纵机构安装到相应位置，因此需设计相应的支架来保证该操纵机构安装的位置。调整螺母操纵机构专用支架如图4所示。

图4 调整螺母操纵机构专用支架

2.3 电器电路

图5 驻车制动自动调整系统电路图

如图5所示为驻车制动自动调整系统电路图。驻车制动自动调整系统中共采用三个开关、三个指示灯和一个蜂鸣器，开关分别为手柄抓持器触点开关、启动开关和急停开关；指示灯分别为准备指示灯、测试中指示灯和急停指示灯。系统运行过程中，控制指示灯状态控制的硬件有信号采集卡和输出模块。信号采集卡主要用来采集不同信号以便做出相应的指示和动作，系统中采用电压采集卡采集开关信号，当开关状态改变时电压信号发生变化，通过判断电压信号的变化模式（由高到低或由低到高）执行相应的动作，由输出模块来改变指示灯的状态。为保护制动手柄电机和工人安全，设置制动手柄操纵机构的急停电路，电磁继电器控制。

3 自动调整系统软件开发

3.1 制动手柄操纵机构

3.1.1 S曲线

在驻车制动手柄反复拉起、放下的过程中，为保护驻车制动自动调整系统、减小手柄抓持器对制动手柄的冲击，提出7阶段的加减速S曲线的全程规划。其中7个阶段分别为加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段。如图6所示为Jerk（加速度导数）、加速度、速度、位移与时间的关系图，其中Tk(k=1，2，…，7)分别为S曲线七个阶段的持续运行时间。

图6 加速度、速度、位移、Jerk与时间的关系

对曲线影响最大的是加加速度J值，如果J值过小，那么 S曲线中加速和减速持续的时间较长，导致整个曲线的运行时间较久；如果J值过大，那么系统运行过程中所受冲击大，振动大。在驻车制动自动调整系统中，应该根据手柄拉起的角度，合理设置S曲线中各个阶段的时间，然后确定J值。

根据S曲线速度与位移方程，在MATLAB中进行编程，通过制动手柄旋转的角度，选择合适的最大速度，及七个阶段的具体时间。制动手柄拉至第二棘轮齿的位移和转速曲线如图7所示。

图7 手柄拉至第二棘轮齿的位移速度曲线

同样根据 MATLAB编程绘制将制动手柄拉直第八棘轮齿的位移和转速曲线，得出制动手柄拉至第八棘轮齿的位移和转速曲线如图8所示。

图8 手柄拉至第八棘轮齿的位移速度曲线

图9 伺服电机Simulink模型

建立如图9所示的伺服电机Simulink模型，验证制动手柄的S曲线设置是否合理。

将驻车制动手柄分别拉至第二棘轮齿和第八棘轮齿时仿真波形图如图10、11所示。

图10 制动手柄拉至第二棘轮齿的仿真波形图

图11 制动手柄拉至第八棘轮齿的仿真波形图

在制动手柄的位移、速度波形图可以看出，制动手柄拉至第二棘轮齿和第八棘轮齿的运行过程都比较平缓。在制动手柄开始运行和停止运行的阶段都比较缓慢，所以可以有效抑制驻车制动系统调整过程中的振动和冲击。

利用直线运动函数使制动手柄操纵机构将制动手柄拉到第二棘轮齿处（该直线运动函数需要设置较多的参数，如资源名称、加速度、减速度、位移量、速度等，可根据具体情况进行设置）。

3.2 调整螺母操纵机构

利用数字输出函数开启调整螺母操纵机构电机使其对制动手柄调整螺母进行拧紧再将其关闭，最后利用力矩模式使其回位。

3.3 调整结果检验

利用直线运动函数使制动手柄操纵机构将驻车制动手柄拉至第二棘轮齿处，读取当前实时扭矩值并与要求扭矩值进行比较，如果当前实时扭矩不在合格范围内，则控制调整螺母操纵机构电机进行扭矩微调，最后利用力矩模式回位。

4 自动调整系统试验验证

驻车制动自动调整系统经试验车验证可行后，通过大量实车测试试验的调整结果，验证自动调整系统的可靠性。分别对 200辆实车进行驻车制动系统调整。对调整结果进行CPK分析，表1为自动调整时CPK分析具体参数表。

从计算结果中可以看出自动调整结果的CPK值为1.6，系统稳定性等级为A级，由此可以看出，驻车制动系统采用自动调整时，稳定性和可靠性均较高，满足驻车制动系统的调整要求。

表1 自动调整时CPK分析具体参数表

4 结论

（1）基于人工调整工艺开发一套驻车制动自动调整系统，提升了生产线上驻车制动系统调整环节的自动化程度，减小了调整过程中人为因素的影响，提高了驻车制动调整质量和效率。

（2）对制动手柄的运动进行 S曲线规划，从而降低驻车制动系统调整的过程中的振动、冲击等，使得手柄的运动过程更加平稳。

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