电动汽车再生制动摩擦制动器轻量化设计

0　前　言

与传统汽车制动不同，电动汽车的制动是由摩擦制动和再生制动共同完成。但是，在当前的电动汽车摩擦制动器设计中，一般没有考虑电机再生制动的影响。而实际情况中，制动时电机能够提供一部分制动力，因此设计的摩擦制动器能提供的最大制动转矩超过了实际制动过程中要求它提供的最大制动转矩，即摩擦制动器有富余的制动能力。

对电动汽车而言，采用再生制动后，由于电机提供的再生制动转矩承担了制动总需求转矩的一部分，所以要求传统摩擦制动器提供的制动转矩相应地减少。而且，由于制动能量的一部分通过电机发电转变为电能，所以由摩擦制动器承担的制动能量耗散任务相应地减小，对制动器承载热负荷的要求也会降低。因此，减小摩擦制动器的尺寸和重量是可行的。本文对前轮钳盘式制动器进行轻量化设计。

1　制动器性能要求

制动器设计不仅要考虑为整车制动提供足够的制动力，还要使汽车在制动过程中满足附着条件，要求制动能力的热稳定性良好，摩擦衬片应有足够的使用寿命等。

摩擦制动器所能提供的制动力矩大小，一方面，为了保证制动性能，满足制动法规，摩擦制动器所能提供的制动力矩不能小于某一数值，即制动器制动力矩下限值；另一方面，受路面附着条件的限制，防止车轮抱死拖滑，摩擦制动器所能提供的制动力矩不能大于某一数值，即制动器制动力矩上限值。

下面将根据相关的制动规范，确定制动器制动力矩的下限值。表1列出了我国的轿车制动规范对行车制动器制动性的部分要求。

按照该制动规范的部分要求，利用ADVI-SOR进行制动仿真，设定的制动工况如图1。汽车先加速到80km/h的速度，然后以a=5.8m/s2的减速度进行制动。

仿真结果显示（图2），制动距离S=S2-S1=427.77－388.88=38.89m，符合制动法规的要求。

S1——开始制动时汽车已行驶的距离（m）；

S2——制动结束时汽车已行驶的距离（m）。

由图3可以看出，制动过程中，前轮制动力需求中由前轮摩擦制动器提供的制动力为Ffric_f,min=1796.71N，换算成单个前轮摩擦制动器所需的制动力矩为：

Ffric_f,min——前轮所需的最小摩擦制动力；r——轮胎半径。

通过仿真试验，确定前轮摩擦制动始的最小制动力矩为Tb,min=253.34N·m

2　附着条件

对于前轮驱动的电动汽车，制动过程中，电机再生制动力与前轮摩擦制动器制动力之和达到前轮与地面之间的附着力值时，前轮受到的地面制动力将达到其最大值（即附着力值），前轮将抱死不转而出现拖滑现象。

将前轮刚刚抱死时的前轮摩擦制动器制动力的数值作为前轮摩擦制动器所能产生的制动力的上限值。一般根据汽车满载在柏油、混凝土路面（附着系数为0.7～0.8）上紧急制动到车轮抱死拖滑，来确定制动器的最大制动力。

利用ADVISOR软件进行制动仿真试验，来确定前轮摩擦制动器的最大制动力。选定路面附着系数为0.8，设定的制动工况如图4所示。汽车先加速到80km/h，然后以a=0.8g的减速度进行制动。

仿真结果显示（图5），制动过程中，前轮制动力需求中由前轮摩擦制动器提供的制动力Ffric_f,min =3996.34N，换算成单个前轮摩擦制动器制动力矩为：

Ffric_f,min ——前轮摩擦制动器最大制动力（N）；r——轮胎半径（m）。

通过仿真试验，确定前轮摩擦制动器的最大制动力矩为Tb,max＝563.48N·m。

3　能量负荷

从能量的观点来看，电动汽车再生制动过程是将汽车的机械能（动能和势能）的一部分通过摩擦制动器转变为热量而耗散，另一部分通过电机发电转变为电能。在制动强度很大的紧急制动过程中，摩擦制动器承担了相当一部分汽车动能耗散的任务。此时，由于制动时间很短，实际上热量还来不及逸散到大气中就被摩擦制动器吸收，致使制动器温度升高，这就是所谓摩擦制动器的能量负荷。能量负荷越大，衬片的磨损越严重。

目前，各国常用比能量耗散率作为评价能量负荷的指标。比能量耗散率即每单位衬块摩擦面积的每单位时间耗散的能量，通常单位为W/mm2。

利用ADVISOR软件进行制动仿真试验以确定制动过程中前轮盘式制动器吸收的摩擦热量。设定的制动工况如图6。汽车先加速到100km/h，然后以a=0.6g的减速度进行制动。

仿真结果显示（图7），制动过程中前轮摩擦制动器吸收的摩擦热量为E1_fric=72.378KJ。

在盘式制动器设计时，必须满足约束条件：

4　约束条件

根据制动器的性能要求和尺寸参数之间的位置约束关系等建立约束条件：

（1）摩擦制动器产生的制动力矩必须提供足够制动力并且满足附着条件，即

g1（x）=2uF0Re-Tmin≥0　　（4）

g2（x）=Tmax-2uF0Re≥0　　（5）

Tmin——前轮制动器最小制动力矩（N·m），见式（1）；Tmax——前轮制动器最大制动力矩（N·m），见式（2）；u——制动器摩擦衬片摩擦因数，取0.3；F0——制动驱动力（N）；Re——等效半径（m）。

（2）必须满足能量负荷约束条件，即

[e]——能量负荷上限（W/mm2），一般取为6.0W/mm2；E1_fric——制动过程中制动器吸收的热量（KJ），见式（3）；=100/0.6g——制动时间（S）；A1——制动衬片工作面积，用下式计算：

d——衬片直径（mm）。

（3）必须满足热负荷约束条件，一次制动后制动盘的温升不应超过许可值[Δt]，即

[Δt]——制动盘温升上限（℃），取为[Δt]=15℃；E——制动过程中制动盘吸收的热量（KJ）；J——热功当量，J=4180N·m/kcal；c——制动盘的比热（kcal/（kg℃）），对钢和铸铁c=0.113kcal/（kg℃）；σ ——制动盘的密度（kg/mm3），取7570kg/mm3；D——制动盘的直径（mm）；a——制动盘的厚度（mm）。

（4）制动盘的直径应在其规定范围Du之内，即

g5（x）=Du-D=Du-x6≥0　　（9）

Du——制动盘的直径上限（mm），通常为轮辋直径Dh的79％，Dh=380.2mm。

（5）衬片的安装位置不应超出制动盘的范围之外，即

（6）衬片不应与轮毂发生干涉，即

Dg——给定的轮毂直径（mm），Dg=76.2mm。

（7）油缸不应与轮毂发生干涉，即

tc——油缸壁厚（mm），一般取5mm。

5　遗传算法求解

在遗传算法中，需要指定设计变量的取值范围。经验设计中，盘式制动器设计变量取值范围如表2所示。

利用MATLAB软件中的遗传算法工具箱（GA Toolbox）可以方便地实现遗传算法运算。编制钳盘式制动器轻量化设计的目标函数和约束条件的m文件程序，代人遗传算法求解。选择浮点编码，种群中的个体数目为20，变异概率为0.08，最大迭代数100，得到的结果如表3所示。

由表4显示，轻量化设计后，前轮制动盘体积由以前的1258cm3减小为872.04cm3，质量由以前的9.5233Kg减为7.5271Kg，质量减轻了20.96%。

6　总　结

由于制动过程中有再生制动的参与，要求传统摩擦制动器提供的制动转矩和承担的热负荷都相应减小，因此摩擦制动器的尺寸和重量可以减小。基于这一思想，本文研究了钳盘式制动器的设计理论，利用ADVISOR仿真软件，在再生制动控制策略的前题下，进行特定工况下的制动仿真实验，以确定对研究车型前轮盘式制动器的一些性能要求。在盘式制动器设计理论的指导下，利用MATLAB遗传算法工具箱对前轮制动器进行了轻量化设计，使前轮制动盘质量减轻了20.96%。