汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及前景分析

賀彥赟 尹繼輝 薛松 張國(guó)輝

摘 要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種全新的制動(dòng)系統(tǒng)，即線控制動(dòng)系統(tǒng)（BBW）。本文重點(diǎn)分析了電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）的組成、原理和關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了一種制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理，最后對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：汽車;電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0089-03

Key Technology and Prospect Analysis of Automotive?Electromechanical Braking System

Abstract： With the development of automotive electronic technology， great progress has been made in automotive braking system. In recent years， a new braking system， the line control braking system （BBW）， has emerged. This paper focused on the analysis of the composition， principle and key technologies of the electromechanical braking system （EMB）， and introduced the working principle of a braking actuator. Finally， the prospect of the electromechanical braking system was prospected.

Keywords： vehicles;electromechanical brake system;key technology

19世紀(jì)，德國(guó)誕生了世界上第一輛現(xiàn)代意義的汽車。自汽車誕生之日起，汽車的安全問(wèn)題就備受人們關(guān)注。最早的汽車制動(dòng)系統(tǒng)為液壓制動(dòng)，之后，隨著技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了盤式制動(dòng)器、真空助力裝置等，使汽車的制動(dòng)性能不斷提高。但是，由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率低，相關(guān)液壓部件造價(jià)高及不易維修，使汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展受到了制約。20世紀(jì)90年代起，全球一些著名的汽車廠商掀起了汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的研究熱潮[1，2]。線控制動(dòng)系統(tǒng)摒棄了現(xiàn)有的液壓或氣壓制動(dòng)裝置，利用電子元件和電信號(hào)來(lái)進(jìn)行制動(dòng)，是一個(gè)機(jī)電一體化的汽車系統(tǒng)。線控制動(dòng)系統(tǒng)使汽車的制動(dòng)性有了極大提升，是汽車智能化發(fā)展的一個(gè)重要方向。汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)包括兩種類型，即電液制動(dòng)系統(tǒng)（Electro-hydraulic Brake，EHB）和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（Electro-mechanical Brake，EMB）[3]。目前，電液制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)外多家公司已開(kāi)發(fā)出了多種EHB產(chǎn)品，有部分已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，應(yīng)用到乘用車上。而EMB系統(tǒng)對(duì)技術(shù)門檻要求較高，我國(guó)在這方面的研究起步較晚。目前，國(guó)內(nèi)各大高校主要進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制仿真模擬研究和相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)。EMB系統(tǒng)克服了液壓制動(dòng)系統(tǒng)和EHB系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。因此，本文重點(diǎn)介紹電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）的相關(guān)結(jié)構(gòu)和原理。

1 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）組成及原理

現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制器（ECU）和執(zhí)行器這三大部分組成。傳感器是將物理信號(hào)（聲、光、熱等）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將信號(hào)輸送給電子控制器。電子控制器對(duì)各個(gè)傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行處理、分析和判斷，并向執(zhí)行器輸出控制信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則嚴(yán)格按照電子控制器（ECU）輸出的控制信號(hào)進(jìn)行工作。在電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)類和電磁閥類兩大類。EMB系統(tǒng)作為一種全新的電子控制系統(tǒng)，取消了全部的液壓或氣壓部件和制動(dòng)管路[4]，其主要包含以下幾部分。

①制動(dòng)踏板模擬器。制動(dòng)踏板模擬器的主要功能是將駕駛員作用在踏板上的力通過(guò)位移傳感器轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電信號(hào)傳送給ECU，使ECU收到駕駛員的制動(dòng)指令。

②電子控制器（包括冗余ECU）。電子控制單元主要包括輸入電路、CPU和輸出電路。其中，輸入電路對(duì)傳感器輸送的電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成CPU可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，CPU對(duì)處理后的電信號(hào)進(jìn)行分析和運(yùn)算，從而判斷哪些車輪應(yīng)該制動(dòng)，并根據(jù)工況計(jì)算所需制動(dòng)力的大小，最后通過(guò)輸出電路將控制信號(hào)傳遞給電能制動(dòng)器。

③傳感器。傳感器主要包括踏板位移傳感器、輪速傳感器和制動(dòng)壓力傳感器等，其中踏板位移傳感器的主要形式有光電傳感器、電磁式傳感器和磁敏式傳感器[5]。

④電能制動(dòng)器（制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。電能制動(dòng)器，也稱制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)可分為盤式電能制動(dòng)器和鼓式電能制動(dòng)器。其將電機(jī)產(chǎn)生的力矩經(jīng)過(guò)一系列的降速增扭和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，最終控制制動(dòng)塊壓向制動(dòng)盤，從而使汽車制動(dòng)。由于汽車輪轂內(nèi)空間較為狹小，因此，制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在保證功能的前提下須滿足一定的尺寸要求。目前，西門子公司、大陸坦孚公司和博世公司在該領(lǐng)域的技術(shù)較為先進(jìn)。

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖1所示。駕駛員通過(guò)踩制動(dòng)踏板來(lái)向ECU發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，ECU根據(jù)駕駛員踩制動(dòng)踏板的力度來(lái)判斷所需的制動(dòng)力，并通過(guò)CAN總線將制動(dòng)信號(hào)傳遞給各電能制動(dòng)器，控制制動(dòng)力的大小。ECU還能采集輪速傳感器信號(hào)來(lái)對(duì)制動(dòng)過(guò)程和制動(dòng)力進(jìn)行修正。若主控制系統(tǒng)出現(xiàn)失效，則冗余ECU可作為備用ECU來(lái)保證汽車制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖2為本文介紹的一種制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括動(dòng)力源、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和制動(dòng)組件。其中，動(dòng)力源為力矩電機(jī);機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括齒輪副、行星滾柱絲杠和增力杠桿等;制動(dòng)組件包括摩擦片和制動(dòng)盤。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，力矩電動(dòng)機(jī)將根據(jù)制動(dòng)信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過(guò)齒輪副機(jī)構(gòu)、行星滾柱絲杠和增力杠桿來(lái)進(jìn)行降速增扭，制動(dòng)推盤把制動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)套筒，傳動(dòng)套筒擠出制動(dòng)活塞內(nèi)的空氣后推動(dòng)制動(dòng)活塞，使其接觸比較柔和，最后制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)盤接觸，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。由于在制動(dòng)的瞬間需要及時(shí)提供盡可能大的驅(qū)動(dòng)力矩，因此，此裝置設(shè)計(jì)了齒輪副、行星滾柱絲杠和增力杠桿三級(jí)增力機(jī)構(gòu)，在電機(jī)功率一定的情況下，即可通過(guò)三級(jí)增力機(jī)構(gòu)來(lái)增加制動(dòng)力，從而使汽車具有良好的制動(dòng)性。

注：1.伺服電動(dòng)機(jī);2.齒輪副;3.行星滾柱絲杠;4.傳動(dòng)軸;5.增力杠桿;6.制動(dòng)推盤;7.傳動(dòng)套筒;8.制動(dòng)活塞;9.復(fù)位彈簧;10制動(dòng)摩擦片;11.制動(dòng)盤;12.鉤接裝置。

3 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

①電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中信號(hào)和指令是通過(guò)導(dǎo)線來(lái)傳遞的，因此可以很方便地并入多路傳輸系統(tǒng)（CAN）中。通過(guò)CAN總線來(lái)連接系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分，并且經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件算法改進(jìn)升級(jí)之后即可同時(shí)完成多種功能，如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）和電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)（EBD）等[6]，也為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)。

②除去了制動(dòng)主缸等液壓部件，使得汽車的裝配和維修保養(yǎng)更加容易，而且沒(méi)有了液壓油，更加汽節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，取消液壓泵，使汽車前部騰出大量空間，便于發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架和一些電氣設(shè)備的布置，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。

③原先的制動(dòng)踏板被制動(dòng)模擬器取代，取消了制動(dòng)踏板到制動(dòng)輪缸之間冗長(zhǎng)的制動(dòng)管路。因此，在制動(dòng)時(shí)減少了傳動(dòng)時(shí)間，縮短了汽車制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)距離，提高了汽車的制動(dòng)性能[7]。

④整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輕量化，一系列電子元器件代替了原來(lái)笨重的機(jī)械助力傳動(dòng)裝置，提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，減小了前軸的負(fù)荷和前輪的磨損。

4 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)仍需要攻克以下關(guān)鍵技術(shù)。

①系統(tǒng)安全和冗余技術(shù)的開(kāi)發(fā)。由于采用的是全電控制系統(tǒng)，因此，在長(zhǎng)期使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些電路故障和相關(guān)控制元件失靈。在設(shè)計(jì)EMB系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)其中的關(guān)鍵部件進(jìn)行備份，如傳感器和ECU等[8]。

②惡劣工況下制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。汽車在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤與制動(dòng)摩擦片相互接觸摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，此外還有力矩電動(dòng)機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)等問(wèn)題，這些對(duì)制動(dòng)鉗組的材料和整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高溫條件下的工作穩(wěn)定性提出了較高要求。

③能源問(wèn)題。系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)需要較多的能源。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)電機(jī)一般要求最大瞬時(shí)功率在500W左右才能滿足制動(dòng)要求[4]。因此，需要提高汽車的蓄電池供電電壓，由原來(lái)的12V提高到24V甚至42V，同時(shí)，也要及時(shí)解決提高電壓帶來(lái)的各類問(wèn)題。

④抗干擾問(wèn)題。在運(yùn)行過(guò)程中，車輛的很多電氣設(shè)備都存在電磁轉(zhuǎn)換，如電磁閥和電動(dòng)機(jī)等，會(huì)對(duì)周圍其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響。為了保證制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要在設(shè)計(jì)EMB制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)提高相關(guān)硬件和軟件的抗干擾能力。

此外，EMB系統(tǒng)的算法優(yōu)化、與底盤其他系統(tǒng)的集成和成本問(wèn)題[9]等，都需要在今后的研究中逐步解決。

5 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的前景分析

隨著我國(guó)汽車產(chǎn)銷量的穩(wěn)步提升，人們?cè)趽碛熊嚨耐瑫r(shí)越來(lái)越重視汽車安全，對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等整車性能提出了更高的要求，EMB系統(tǒng)會(huì)因此而迅速發(fā)展。目前，EHB系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在乘用車上，開(kāi)始逐步替代傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，但EHB系統(tǒng)僅僅是一個(gè)過(guò)渡，在不久的將來(lái)，EMB制動(dòng)技術(shù)會(huì)同其他線控技術(shù)共同應(yīng)用到汽車上，從而實(shí)現(xiàn)汽車的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，也為將來(lái)的無(wú)人駕駛奠定基礎(chǔ)。

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