賀彥赟 尹繼輝 薛松 張國輝

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

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

中圖分類號：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，汽車的安全問題就備受人們關(guān)注。最早的汽車制動系統(tǒng)為液壓制動，之后，隨著技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了盤式制動器、真空助力裝置等，使汽車的制動性能不斷提高。但是，由于液壓制動系統(tǒng)傳動效率低，相關(guān)液壓部件造價高及不易維修，使汽車制動系統(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系統(tǒng)的研究熱潮[1，2]。線控制動系統(tǒng)摒棄了現(xiàn)有的液壓或氣壓制動裝置，利用電子元件和電信號來進(jìn)行制動，是一個機電一體化的汽車系統(tǒng)。線控制動系統(tǒng)使汽車的制動性有了極大提升，是汽車智能化發(fā)展的一個重要方向。汽車線控制動系統(tǒng)包括兩種類型，即電液制動系統(tǒng)（Electro-hydraulic Brake，EHB）和電子機械制動系統(tǒng)（Electro-mechanical Brake，EMB）[3]。目前，電液制動系統(tǒng)的技術(shù)較為成熟，國內(nèi)外多家公司已開發(fā)出了多種EHB產(chǎn)品，有部分已實現(xiàn)量產(chǎn)，應(yīng)用到乘用車上。而EMB系統(tǒng)對技術(shù)門檻要求較高，我國在這方面的研究起步較晚。目前，國內(nèi)各大高校主要進(jìn)行計算機控制仿真模擬研究和相關(guān)臺架試驗。EMB系統(tǒng)克服了液壓制動系統(tǒng)和EHB系統(tǒng)的諸多缺點，是未來發(fā)展的主要趨勢。因此，本文重點介紹電子機械制動系統(tǒng)（EMB）的相關(guān)結(jié)構(gòu)和原理。

1 汽車電子機械制動系統(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（聲、光、熱等）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑿盘栞斔徒o電子控制器。電子控制器對各個傳感器輸入的電信號進(jìn)行處理、分析和判斷，并向執(zhí)行器輸出控制信號。執(zhí)行機構(gòu)則嚴(yán)格按照電子控制器（ECU）輸出的控制信號進(jìn)行工作。在電子機械制動系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)主要有電動機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管路[4]，其主要包含以下幾部分。

①制動踏板模擬器。制動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位移傳感器轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電信號傳送給ECU，使ECU收到駕駛員的制動指令。

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，輸入電路對傳感器輸送的電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成CPU可以識別的數(shù)字信號，CPU對處理后的電信號進(jìn)行分析和運算，從而判斷哪些車輪應(yīng)該制動，并根據(jù)工況計算所需制動力的大小，最后通過輸出電路將控制信號傳遞給電能制動器。

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電能制動器（制動執(zhí)行機構(gòu)）。電能制動器，也稱制動執(zhí)行機構(gòu)，按結(jié)構(gòu)可分為盤式電能制動器和鼓式電能制動器。其將電機產(chǎn)生的力矩經(jīng)過一系列的降速增扭和運動轉(zhuǎn)換，最終控制制動塊壓向制動盤，從而使汽車制動。由于汽車輪轂內(nèi)空間較為狹小，因此，制動執(zhí)行機構(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)。

電子機械制動系統(tǒng)的原理如圖1所示。駕駛員通過踩制動踏板來向ECU發(fā)出制動信號，ECU根據(jù)駕駛員踩制動踏板的力度來判斷所需的制動力，并通過CAN總線將制動信號傳遞給各電能制動器，控制制動力的大小。ECU還能采集輪速傳感器信號來對制動過程和制動力進(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來保證汽車制動系統(tǒng)的正常運行。

2 汽車電子機械制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

圖2為本文介紹的一種制動執(zhí)行機構(gòu)。制動執(zhí)行機構(gòu)主要包括動力源、機械執(zhí)行機構(gòu)和制動組件。其中，動力源為力矩電機;機械執(zhí)行機構(gòu)主要包括齒輪副、行星滾柱絲杠和增力杠桿等;制動組件包括摩擦片和制動盤。當(dāng)汽車制動時，力矩電動機將根據(jù)制動信號開始轉(zhuǎn)動，依次通過齒輪副機構(gòu)、行星滾柱絲杠和增力杠桿來進(jìn)行降速增扭，制動推盤把制動力傳遞給傳動套筒，傳動套筒擠出制動活塞內(nèi)的空氣后推動制動活塞，使其接觸比較柔和，最后制動摩擦片與制動盤接觸，產(chǎn)生制動力矩。由于在制動的瞬間需要及時提供盡可能大的驅(qū)動力矩，因此，此裝置設(shè)計了齒輪副、行星滾柱絲杠和增力杠桿三級增力機構(gòu)，在電機功率一定的情況下，即可通過三級增力機構(gòu)來增加制動力，從而使汽車具有良好的制動性。

注：1.伺服電動機;2.齒輪副;3.行星滾柱絲杠;4.傳動軸;5.增力杠桿;6.制動推盤;7.傳動套筒;8.制動活塞;9.復(fù)位彈簧;10制動摩擦片;11.制動盤;12.鉤接裝置。

3 汽車電子機械制動系統(tǒng)的優(yōu)勢

①電子機械制動系統(tǒng)中信號和指令是通過導(dǎo)線來傳遞的，因此可以很方便地并入多路傳輸系統(tǒng)（CAN）中。通過CAN總線來連接系統(tǒng)中的各個組成部分，并且經(jīng)過相關(guān)軟件算法改進(jìn)升級之后即可同時完成多種功能，如制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）和電子制動力分配系統(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，而且沒有了液壓油，更加汽節(jié)能環(huán)保。同時，取消液壓泵，使汽車前部騰出大量空間，便于發(fā)動機、懸架和一些電氣設(shè)備的布置，減小了發(fā)動機的負(fù)荷，提高了發(fā)動機的驅(qū)動功率。

③原先的制動踏板被制動模擬器取代，取消了制動踏板到制動輪缸之間冗長的制動管路。因此，在制動時減少了傳動時間，縮短了汽車制動響應(yīng)時間和制動距離，提高了汽車的制動性能[7]。

④整個系統(tǒng)實現(xiàn)了輕量化，一系列電子元器件代替了原來笨重的機械助力傳動裝置，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 汽車電子機械制動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，電子機械制動系統(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)的開發(fā)。由于采用的是全電控制系統(tǒng)，因此，在長期使用時可能會出現(xiàn)一些電路故障和相關(guān)控制元件失靈。在設(shè)計EMB系統(tǒng)時，需要對其中的關(guān)鍵部件進(jìn)行備份，如傳感器和ECU等[8]。

②惡劣工況下制動執(zhí)行機構(gòu)的可靠性。汽車在制動過程中，制動盤與制動摩擦片相互接觸摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，此外還有力矩電動機頻繁正反轉(zhuǎn)等問題，這些對制動鉗組的材料和整個執(zhí)行機構(gòu)在高溫條件下的工作穩(wěn)定性提出了較高要求。

③能源問題。系統(tǒng)在制動時需要較多的能源。電子機械制動系統(tǒng)的制動電機一般要求最大瞬時功率在500W左右才能滿足制動要求[4]。因此，需要提高汽車的蓄電池供電電壓，由原來的12V提高到24V甚至42V，同時，也要及時解決提高電壓帶來的各類問題。

④抗干擾問題。在運行過程中，車輛的很多電氣設(shè)備都存在電磁轉(zhuǎn)換，如電磁閥和電動機等，會對周圍其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響。為了保證制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要在設(shè)計EMB制動系統(tǒng)時提高相關(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)的集成和成本問題[9]等，都需要在今后的研究中逐步解決。

5 汽車電子機械制動系統(tǒng)的前景分析

隨著我國汽車產(chǎn)銷量的穩(wěn)步提升，人們在擁有車的同時越來越重視汽車安全，對汽車的動力性、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，開始逐步替代傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，但EHB系統(tǒng)僅僅是一個過渡，在不久的將來，EMB制動技術(shù)會同其他線控技術(shù)共同應(yīng)用到汽車上，從而實現(xiàn)汽車的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，也為將來的無人駕駛奠定基礎(chǔ)。

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