晁鵬翔，申伶，陶凡，魏宇杰

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電控機械制動系統(tǒng)研究

晁鵬翔，申伶，陶凡，魏宇杰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710000）

針對重型商用汽車用電控機械制動系統(tǒng)（EMB）提出一種制動器結構，研究了單輪控制系統(tǒng)及控制策略，最后結合單輪制動器樣機與控制系統(tǒng)的聯(lián)合調試進行了初步功能驗證，研究結果為進一步整車應用提供了基礎。

電控機械制動；單輪制動器；控制系統(tǒng)；控制策略；功能驗證

1 緒論

1.1 研究的背景與意義

伴隨著我國經濟的高速發(fā)展，國內汽車產業(yè)獲得了極大的推動力，隨著交通運輸行業(yè)技術的突飛猛進，在注重行業(yè)自身發(fā)展的同時，人們開始越來越多的關注道路交通安全，尤其是重型運輸車輛的安全性能，近年來由于制動系統(tǒng)問題所引發(fā)的各類交通事故也是時有發(fā)生，這也正說明了制動系統(tǒng)對于車輛安全行駛的重要性。

制動系統(tǒng)作為保證車輛安全的關鍵系統(tǒng)，一直在被不斷的改進與完善。對于現(xiàn)如今國內的重型汽車，ABS系統(tǒng)已經是絕大部分的標準配置，隨著與國際的接軌，盤式制動器也開始變成主流配置，這都是技術進步的所帶來的益處。

EMB作為一項前沿技術，一直以來是汽車領域創(chuàng)新的焦點，尤其是重型汽車，傳統(tǒng)的氣制動系統(tǒng)由于存在一些缺陷，加之隨著性能不斷加強的趨勢，傳統(tǒng)的氣制動系統(tǒng)已經無法滿足逐漸提高的安全性能要求，因此EMB系統(tǒng)的開發(fā)將會對汽車產生深遠的影響，也是汽車制動技術發(fā)展的一個方向。

作為一項全新的技術，EMB具有明顯的優(yōu)勢，具體如下[1]：

1）由于取消了氣管路，大大減少了制動響應時間，有效地縮短了制動距離，為行車安全提供了有力保障。

2）模塊化設計減輕了系統(tǒng)的質量，提高了車輛經濟性。

3）取消了空壓機、儲氣筒等部件，使得整車布置更加靈活。

4）制動踏板可調，舒適性和安全性更好。

5）踏板無回彈振動，噪聲小，提高了車輛的NVH(Noise，Vibration，Harshness，即噪聲、振動與聲振粗糙度)性能。

6）通過控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)所有附加功能，如ABS，TCS，ESP，ACC等。

7）可與未來的交通管理系統(tǒng)聯(lián)網。

1.2 電控機械制動器研究的現(xiàn)狀

從20世紀90年代起，國際上一些知名的汽車廠商開始了對EMB的研究[2,3]， Bosch、Siemens和ContinentalTeves等三家公司陸續(xù)進行了EMB的研究，其中ContinentalTeves有較為成熟的試驗品，并推出過其電子機械式制動執(zhí)行器。2007年瑞典Haldex公司推出了一款EMB制動器，其以楔塊結構為特征進行制動力的放大。

在國內，目前也就個別高校和企業(yè)做過相關的研究工作，有代表性的清華大學在發(fā)表的專利《連桿式電子機械制動（EMB）裝置》，采用力矩電機+曲柄滑塊機構，利用曲柄連桿機構死點附近力增力較大特性實現(xiàn)制動[4]。吉林大學發(fā)表的專利《應用在汽車上的電子機械制動執(zhí)行器》，采用無刷直流力矩電機+行星減速+滾珠絲杠方案實現(xiàn)制動[5]。國內轎車企業(yè)中，比亞迪公司發(fā)表專利《一種電子機械制動裝置》，采用電機+行星減速+滾珠絲杠+推桿增力方案[6]。奇瑞公司發(fā)表專利《一種電子機械制動器以及汽車》，結構也是采用無刷直流力矩電機+行星減速+滾珠絲杠方案實現(xiàn)制動[7]。

2 方案設計

2.1 制動器功能分解和組成結構

制動器首先要有動力源，采用電動機；其次是力放大；還要有力轉化，需要將旋轉運動轉化為直線運動進行制動；最后還要有一些支撐機構，如制動鉗、機構殼體等，各功能的邏輯關系如圖1。

圖1 制動器傳動方案

圖2 制動器結構

根據邏輯關系，將電控機械制動器分為三個部分，分別是動力輸出機構、推力執(zhí)行機構以及制動鉗及附件，三個部分分別設計，最后整合為一個完整的制動器。

2.2 制動器總成結構方案

制動器總成由三部分構成，第一部分提供制動的動力源并經過行星減速機構放大，行車制動時由電機驅動模塊提供動力，駐車制動時由駐車制動模塊提供動力源。第二部分將動力平均分配給兩個滾珠絲杠副，同時保證了兩者運動的同步，絲杠將旋轉運動轉化為推力桿的直線運動，推動摩擦片進行制動，另外在制動過程中還實現(xiàn)了制動間隙自動調整的功能。

圖2為制動器總體結構，制動器主要包括：制動鉗，推力執(zhí)行機構，動力分配機構，行星減速機構以及動力輸出機構。制動鉗采用兩滑銷浮動鉗體，其上有對推力執(zhí)行機構起支撐和導向作用的滑槽；雙推桿式推力執(zhí)行機構由兩個滾珠絲杠副將旋轉運動轉化為制動時對摩擦片的推力 ，同時推力執(zhí)行機構集成了制動間隙自動調整功能；動力分配機構是將源動力平均分配給兩個滾珠絲杠副，實現(xiàn)了雙推桿的同步運動；行星減速機構將旋轉運動減速增扭，以達到理想的制動力；動力輸出機構是制動器的動力源，包含行車制動與駐車制動兩部分。

圖3 推桿輸出力曲線

2.3 動力學分析

對制動器總成進行ADAMS動力學分析，電機最大堵轉扭矩為24Nm，因此動力學分析的輸入條件為：輸入軸轉矩T=24Nm，分析內容為推桿終端所產生的推力，即摩擦片對制動盤的最大正壓力，分析結果見圖3。SPRING_1.force為執(zhí)行機構推桿所產生的推力，SPRING_1.deformation為執(zhí)行機構推桿的位移變化，可以看出，動力學分析的輸入轉矩為24Nm時，推桿所產生的推力為17500N，該分析中沒有考慮機構的效率，若按η=0.9計，則分析出推桿所產生的推力為15750N，同時圖中顯示推桿的位移量為0.8mm，發(fā)揮穩(wěn)定制動的響應時間為0.2S。

3 控制思路

一個典型的電子機械制動系統(tǒng)主要由制動踏板模塊、控制器（ECU）、驅動器、電源和機械執(zhí)行機構組成。圖4電子機械制動系統(tǒng)單輪制動器功能結構簡圖（實線表示信號傳輸路線，虛線表示能量傳輸路線）。單輪制動器系統(tǒng)構成主要包括電源、制動踏板模塊、控制器、驅動器以及機械執(zhí)行機構。其中，制動踏板模塊和機械執(zhí)行機構集成所需的傳感系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)包含傳感器和測量電路。

常規(guī)的行車制動過程中，制動踏板模塊接收駕駛員的制動行為指令，角度傳感器將制動踏板的角位移量以電信號的形式傳送給ECU，ECU通過運算，輸出所需的電信號傳送給驅動器，驅動器將輸入信號放大，驅動直流力矩電機轉動，傳動機構將電機的圓周運動轉化為直線運動，推動制動鉗與摩擦片接觸產生制動力。

圖4 電子機械制動系統(tǒng)單輪制動器功能結構簡圖

4 總結

本課題分析了EMB研究的現(xiàn)狀，提出了一種全新的電控機械式制動器，為汽車電控機械制動技術提供一種解決方案。本課題的主要研究內容和成果如下：

1）了解了國內外電控機械制動系統(tǒng)現(xiàn)階段研究的現(xiàn)狀，分析了研究的意義。

2）提出了一種制動器總成機構。

3）利用ADAMS軟件對制動器總成進行了運動學及動力學分析。

4）提出了EMB相關的控制思路。

基于現(xiàn)有的研究成果，未來電控機械制動系統(tǒng)的研究方向將集中在以下幾個方面：

1）更加小巧的制動器結構：在滿足強度要求的前提下應盡可能的減小結構，高度集成的零部件系統(tǒng)是發(fā)展的趨勢。

2）電機技術的進步：目前電機不能長時間堵轉，一個解決思路就是采用水冷形式的電機，但是其笨重的結構也是其不能很好發(fā)展的原因，因此電機技術的發(fā)展也會影響到電控機械式制動技術的發(fā)展。

3）制動踏板模塊的設計：基于用戶的主觀感受，需要設計一種帶有一定“路感”的電子制動踏板，才踏板時要讓操作者感受出制動力的大小。

4）控制系統(tǒng)的開發(fā)：有了一套行之有效的制動器結構，還得需要一個完整的控制系統(tǒng)去實現(xiàn)制動的功能，采用閉環(huán)控制，這是發(fā)展的趨勢。

5）制動器臺架及實車試驗：作為一項前沿技術的研究，其最終的目的還是實現(xiàn)商品化投入市場，在這之前，相關的臺架試驗以及后期的整車道路試驗將會是其關鍵的一步。

[1] 林逸,沈沉,王軍等.汽車線控制動技術及發(fā)展[J].汽車技術,2005 (12):1-4.

[2] Chihoon Jo, Sungho Hwang, and Hyunsoo Kim. Clamping-Force Control for Electromechanical Brake[J]. IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY.VOL.59,NO.7,SEPTEMBER 2010:3205-3212, Chris Line, Member, IEEE, Chris Manzie, Member, IEEE, and Malcolm C .Good, Member, IEEE. Electrome -chanical Brake Modeling and Control: from PI to MPC[J]. VOL. 16,NO.3,MAY 2008:446-457.

[3] 宋健,王會義,劉剛.連桿式電子機械制動（EMB）裝置[P].中國:200510086923.4,2005-11-18.

[4] 李靜,楊坤,譚樹梁等. 應用在汽車上的電子機械制動執(zhí)行器[P]. 中國:200820072090.5,2008-7-8.

[5] 陳江深.一種電子機械制動裝置[P].中國:200910189443.9,2009 -12-25.

[6] 高國興.一種電子機械制動器以及汽車[P].中國:201110336002.4, 2011-10-27.

[7] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2006.4.

Study of Electro Mechanical Brake System

Chao Pengxiang, Shen Ling, Tao Fan, Wei Yujie

( Shaanxi Heavy Automobile Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710000 )

A new brake structure is designed aimed at Electro Mechanical Brake System of heavy duty vehicle. Furthermore, the single wheel control system and strategy are researched in this paper. On the basis of the above, functional verification is performed joint debugging of single wheel brake prototype and control system. The research result can provide basis for vehicle application.

Electro Mechanical Brake; single wheel brake; control system; control strategy; functional verification

U461.91

A

1671-7988(2018)20-138-03

U461.91

A

1671-7988(2018)20-138-03

晁鵬翔，陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，工程師，主要從事底盤各系統(tǒng)技術開發(fā)及應用。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.051