董雪梅

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汽車線控制動(dòng)技術(shù)的研究與分析

董雪梅

（安徽車橋有限公司，安徽 宿州 234000）

隨著電子控制技術(shù)在汽車上的廣泛運(yùn)用，線控制動(dòng)技術(shù)作為一種新技術(shù)被各大汽車制造廠家所推崇，有的廠家已投入研發(fā)或已在試驗(yàn)車上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。線控制動(dòng)與傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。因此，線控制動(dòng)技術(shù)在未來被用于替代汽車傳統(tǒng)的制動(dòng)控制方式已是必然趨勢(shì)。文章簡(jiǎn)述了線控制動(dòng)技術(shù)與傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)的區(qū)別，并對(duì)線控制動(dòng)技術(shù)的兩種主要形式，即電子液壓制動(dòng)和電子機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析和介紹。

線控制動(dòng)；電子液壓制動(dòng)；電子機(jī)械制動(dòng)

1 線控技術(shù)的應(yīng)用背景

線控（X-By-Wire）系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，是用電源導(dǎo)線取代傳統(tǒng)的機(jī)械連接，采用電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)汽車部件的工作。線控技術(shù)最早由美國航天局應(yīng)用于航天飛機(jī)，目前在汽車上的應(yīng)用主要有線控電子油門、線控電子轉(zhuǎn)向、線控電子懸架等。線控技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械連接相比，具有質(zhì)量更輕，布置更加方便，響應(yīng)速度更加快捷等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在電腦控制的基礎(chǔ)上采用了線控技術(shù)，使線控部件的工作狀態(tài)與整車的協(xié)調(diào)性得到有效的提升。

2 線控制動(dòng)技術(shù)

傳統(tǒng)制動(dòng)是通過駕駛員踩下制動(dòng)踏板，利用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器工作，完成對(duì)汽車的制動(dòng)。而線控制動(dòng)（Brake-By- Wire），則由電源導(dǎo)線取代傳統(tǒng)制動(dòng)的機(jī)械連接，集成有位置傳感器的電子制動(dòng)踏板取代原有的機(jī)械制動(dòng)踏板（類似于電子加速踏板）。當(dāng)駕駛?cè)瞬认轮苿?dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板上的位置傳感器將制動(dòng)踏板的行程信號(hào)通過連接線傳遞給電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)制動(dòng)踏板行程的信號(hào)并結(jié)合其他信號(hào)綜合分析車輛的行駛工況，計(jì)算出每個(gè)車輪需要的理想制動(dòng)強(qiáng)度，并對(duì)安裝在各車輪上的電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力源發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的制動(dòng)。

由于線控制動(dòng)采用了ECU控制技術(shù)，ECU的可靠性、抗干擾性、容錯(cuò)性以及不同控制系統(tǒng)之間通信的實(shí)時(shí)性，包括CAN總線的容錯(cuò)性及動(dòng)力電源的穩(wěn)定性等都有可能對(duì)制動(dòng)控制產(chǎn)生影響，這也是線控制動(dòng)至今未廣泛推廣的原因之一。畢竟車輛行車中的制動(dòng)是安全大事，容不得有半點(diǎn)瑕疵。目前，國內(nèi)外多家汽車制造廠家和相關(guān)科研單位對(duì)線性制動(dòng)控制相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，從而加快了線性制動(dòng)控制技術(shù)推廣應(yīng)用的步伐。

根據(jù)工作原理的不同，線控制動(dòng)控制技術(shù)分為電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（EHB）和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）兩種。

3 電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)

電子液壓制動(dòng)（EHB）系統(tǒng)是在傳統(tǒng)制動(dòng)的基礎(chǔ)上，將電子元件與原有的液壓系統(tǒng)整合到一起，該系統(tǒng)也可以視為是線控制動(dòng)控制技術(shù)的前期產(chǎn)物。

圖1 電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)示意圖

當(dāng)駕駛?cè)瞬认轮苿?dòng)踏板時(shí)，集成在制動(dòng)踏板上的傳感器將制動(dòng)踏板的行程及駕駛?cè)瞬认驴刂铺ぐ鍟r(shí)的速度，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給制動(dòng)控制單元（ECU），ECU通過CAN總線與外部系統(tǒng)交流，綜合其他電信號(hào)判斷車輛的運(yùn)行工況，計(jì)算出每個(gè)車輪的最佳制動(dòng)力，并通過智能接口輸出控制信號(hào)到液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)中包含由電動(dòng)油泵和高壓蓄能器組成的液壓供給部分和車輪制動(dòng)壓力模塊，車輪制動(dòng)壓力模塊獨(dú)立的控制和調(diào)節(jié)各個(gè)車輪制動(dòng)器中的油壓大小，進(jìn)液閥開啟，液壓供給部分的高壓油液進(jìn)入車輪制動(dòng)器，使制動(dòng)器工作對(duì)車輪產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)減小車輪制動(dòng)強(qiáng)度或解除制動(dòng)時(shí)，出液閥開啟，車輪制動(dòng)器中的油壓降低，制動(dòng)力也隨之減小，直至制動(dòng)器完全退出工作（圖1）。此外，為了使駕駛員對(duì)于制動(dòng)強(qiáng)度有直觀的感受，線控制動(dòng)系統(tǒng)中通常采用踏板行程模擬器，踩制動(dòng)踏板的行程越大，模擬器上的阻力也就越大，使駕駛員在使用線控制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)和使用傳動(dòng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)感受基本相同。

為防止EHB系統(tǒng)失效造成制動(dòng)失靈，EHB系統(tǒng)仍然保留著傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)EHB系統(tǒng)失效時(shí)，備用開關(guān)打開（圖1），制動(dòng)踏板連接的制動(dòng)主缸通過備用開關(guān)連接各個(gè)車輪制動(dòng)器的制動(dòng)輪缸，進(jìn)入常規(guī)的液壓系統(tǒng)制動(dòng)模式，保證車輛制動(dòng)的基本需要。EHB系統(tǒng)的車輪制動(dòng)壓力模塊能根據(jù)汽車行駛工況要求，計(jì)算出各車輪需要的制動(dòng)力并分別進(jìn)行控制，所以，EHB系統(tǒng)能夠有效減少車輛制動(dòng)距離，提高行駛安全性。另外，EHB系統(tǒng)能通過軟件集成如ABS、ESP、TCS等功能模塊，進(jìn)一步提高行車的安全性及舒適性。

由于EHB采用了線控技術(shù)，在制動(dòng)器和制動(dòng)踏板之間沒有液壓或機(jī)械連接，因此，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度過大，進(jìn)行防抱死調(diào)節(jié)時(shí)，制動(dòng)踏板上感受不到由于液壓管路油壓波動(dòng)產(chǎn)生的反沖作用力，提高了駕駛員的操作舒適性。

當(dāng)制動(dòng)器涉水后，EHB系統(tǒng)可以通過適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)動(dòng)作，恢復(fù)制動(dòng)器的干燥，保持制動(dòng)器的工作性能。與傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，EHB系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性，其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、制動(dòng)力可精確控制，易于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)、提高了制動(dòng)效能、制動(dòng)噪聲更低、不需要助力機(jī)構(gòu)、改善了駕駛員的操作舒適性。

4 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）系統(tǒng)是一種全新的設(shè)計(jì)理念，EMB系統(tǒng)完全摒棄了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)液及液壓管路等部件，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力，每個(gè)車輪上安裝一個(gè)可以獨(dú)立工作的電子機(jī)械制動(dòng)器，系統(tǒng)工作時(shí)，制動(dòng)控制單元ECU接收制動(dòng)踏板傳來的踏板行程信號(hào)及踩制動(dòng)踏板的速度信號(hào)并結(jié)合其他電信號(hào)，明確汽車行駛狀態(tài)，分析各個(gè)車輪上的制動(dòng)需求，計(jì)算出各個(gè)車輪的最佳制動(dòng)力大小，并輸出控制信號(hào)，分別控制各車輪上的電子機(jī)械制動(dòng)器中工作電機(jī)的電流大小和轉(zhuǎn)角，通過電子機(jī)械制動(dòng)器中的減速增矩以及運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換為制動(dòng)鉗塊的夾緊力，產(chǎn)生足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整以及解除制動(dòng)，也通過ECU輸出電信號(hào)控制電機(jī)的電流大小和轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)。EMB系統(tǒng)內(nèi)沒有液壓驅(qū)動(dòng)和控制部分，機(jī)械連接只是存在于電機(jī)到制動(dòng)鉗的驅(qū)動(dòng)部分，由導(dǎo)線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號(hào)，因而被稱為完全的線控制動(dòng)系統(tǒng)。

EMB系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一是電子機(jī)械制動(dòng)器，它通過減速增矩以及運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換，將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩改變?yōu)橹苿?dòng)鉗塊的夾緊，通過相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或控制算法補(bǔ)償由于摩擦片的磨損造成的制動(dòng)間隙變化，同時(shí)，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都裝在制動(dòng)器上，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須十分緊湊，以滿足空間要求。電子機(jī)械制動(dòng)器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理可以分為兩大類。

（1）無自增力制動(dòng)器：電動(dòng)機(jī)通過減速增矩的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生夾緊力作用到制動(dòng)盤上，制動(dòng)力矩與制動(dòng)盤和摩擦片之間的壓力、摩擦系數(shù)成線性關(guān)系，因而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)角大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，制動(dòng)器的工作性能穩(wěn)定，但對(duì)于電機(jī)的功率要求較高，因而尺寸較大，如圖2所示。

圖2 無自增力制動(dòng)器

（2）自增力制動(dòng)器：在制動(dòng)盤與制動(dòng)鉗塊之間增加了一個(gè)楔塊，制動(dòng)工作時(shí)，制動(dòng)盤的摩擦力有使楔塊楔入，增大夾緊力的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生自增力效果，故又稱為電子楔塊制動(dòng)（EWB，Electronic Wedge Brake），這一類制動(dòng)器中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)楔塊移動(dòng)，與摩擦片接觸后，自增力機(jī)構(gòu)作用使壓力增加，產(chǎn)生更強(qiáng)的制動(dòng)效能，因此電機(jī)的功率較小，裝置的體積和重量也較小，但EWB的制動(dòng)效能取決于楔塊的工作狀況，因此對(duì)楔塊的工藝及精度要求很高，不易加工。而且其制動(dòng)穩(wěn)定性相對(duì)較差，難于控制。如圖3所示。

圖3 自增力制動(dòng)器

電子制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車安全行駛的靈魂，在現(xiàn)階段的汽車安全性能評(píng)測(cè)方面具有舉足輕重的重要作用。而隨著電子科技的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)漸漸難以和汽車行駛過程中日益增加的安全需求相匹配，其依靠傳統(tǒng)的氣壓、液壓的制動(dòng)方式不僅使得整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較長(zhǎng)，也使得后期的裝配及維修工作更為困難。而電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的主要元件是電驅(qū)動(dòng)元件，其在保證迅速的響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，還能夠進(jìn)一步整合ABS、TCS及電子駐車制動(dòng)等多樣化功能，提供更為可靠的制動(dòng)方式。

與EHB相比，EMB中沒有液壓驅(qū)動(dòng)部分，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更高，工作穩(wěn)定性和可靠性更好，但由于完全采取線控的方式，不存在備用的制動(dòng)功能，因而對(duì)系統(tǒng)的工作可靠性和容錯(cuò)要求更高。與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，EMB系統(tǒng)中主要由電子機(jī)械制動(dòng)器、ECU和傳感器等組成，結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單緊湊，從而使制動(dòng)系統(tǒng)的布置、裝配和維修都非常方便，同時(shí)由于減少了很多現(xiàn)有部件，大大減輕了系統(tǒng)的重量，更為顯著的是隨著制動(dòng)液的取消，使環(huán)境得到很大程度地改善。另外，使用電信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短，同時(shí)，傳感器信號(hào)的共享以及制動(dòng)系統(tǒng)和其他模塊功能的集成，便于對(duì)汽車的所有行駛工況進(jìn)行全面的綜合控制，提高了汽車的行駛安全性。

5 結(jié)束語

線控制動(dòng)技術(shù)是一種先進(jìn)的制動(dòng)理念，顯著地提高了汽車的制動(dòng)安全性?，F(xiàn)代汽車制動(dòng)控制技術(shù)正朝著線控制動(dòng)控制的方向發(fā)展，線控制動(dòng)系統(tǒng)將取代以液壓或氣壓為主的傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，線控制動(dòng)系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，是將來汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著汽車電子技術(shù)特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本不斷降低，汽車線控制動(dòng)控制系統(tǒng)將與其他汽車電子系統(tǒng)融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)。

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Research and Analysis of Vehicle Brake by Wire Technology

Dong Xuemei

( Anhui axle co. LTD, Anhui Suzhou 234000 )

With the extensive use of electronic control technology in automobiles, brake by wire technology has been highly praised by major automobile manufacturers as a new technology, and some manufacturers have invested in research and development or have been experimentally verified on prototype vehicles. Compared with the traditional brake technology, thebrake by wire hasmany advantages such as simple structure, perfect function and rapid response and so on. Therefore, it is inevitable trends that brake by wire technology will be used to replace the traditional brake control method in the future. This paper briefly describes the difference between the brake by wire technology and the traditional brake technology, and briefly analyzes and introduces the two main forms of brake by wire technology, namely electro-hydraulic brake and electro-mechanical brake.

brake by wire;electro-hydraulic brake;electro-mechanical brake

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1671-7988(2019)05-123-03

U462

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1671-7988(2019)05-123-03

U462

董雪梅（1976-），女，工程師，就職于安徽車橋有限公司，多年從事車橋設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.037