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電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀論文
電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EIbctromechanicalBrakeSystem)簡(jiǎn)稱(chēng)為EMB與常規(guī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)截然不同。傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展至今，己是非常成熟的技術(shù)。隨著人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS)、牽引力控制系統(tǒng)（TCS)、電子穩(wěn)定性控制程序（ESP)主動(dòng)避撞技術(shù)（ACC)等功能逐漸融入到制動(dòng)系統(tǒng)中，越來(lái)越多的附加機(jī)構(gòu)安裝于制動(dòng)線路上，這使得制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了液壓回路泄漏的隱患以及裝配、維修的難度。因此結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)捷，功能更可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB)最終取代傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)己經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)。
EMB以電能作為能量來(lái)源，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)鉗塊，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有液壓管路，因此也就沒(méi)有制動(dòng)液體，機(jī)械連接很少，由電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號(hào)，所以又被稱(chēng)為線制動(dòng)系統(tǒng)（BmkebyW^ire)電子機(jī)械制動(dòng)是一種全新的制動(dòng)理念，它簡(jiǎn)捷的結(jié)構(gòu)，高效的性能極大的提高了汽車(chē)的制動(dòng)安全性。
1電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀
歷史上，麗B首先應(yīng)用在飛機(jī)上，現(xiàn)在正在處于向汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的研宄和改進(jìn)階段。EMB與常規(guī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)截然不同，它的供能，執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu)全部需要重新設(shè)計(jì)，特別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，減速增矩等功能，是EMB中機(jī)械零件集中的部分。從20世紀(jì)90年代起一些著名的汽車(chē)電子零部件廠商陸續(xù)開(kāi)始了與EMB相關(guān)的研宄從發(fā)表的專(zhuān)利來(lái)看，現(xiàn)在BoschSiemens和ContinentalTeves公司己經(jīng)取得了部分研宄成果，但仍然只是處于研制試驗(yàn)階段，并無(wú)批量裝車(chē)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，只有部分研宄人員做過(guò)一些系統(tǒng)仿真，裝車(chē)試驗(yàn)等工作，申請(qǐng)的專(zhuān)利也比較零散，而在國(guó)內(nèi)此項(xiàng)研宄至今仍屬空白。
2電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的原理和工作方式
圖1為一四輪機(jī)動(dòng)車(chē)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它有四套制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每一套執(zhí)行機(jī)構(gòu)都包括力矩電機(jī)，制動(dòng)器外殼和制動(dòng)鉗塊。它們作為一個(gè)整體將制動(dòng)力施加在制動(dòng)盤(pán)上。
每一個(gè)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有自己的動(dòng)力控制單元，而動(dòng)力控制單元所需的控制信號(hào)，如制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該產(chǎn)生的力矩，由中心控制模塊來(lái)提供�？刂茊卧瑯右矎膱�(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得反饋回來(lái)的信號(hào)，如電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，實(shí)際產(chǎn)生的力矩，制動(dòng)鉗塊和制動(dòng)盤(pán)的觸點(diǎn)壓力等。中心模塊通過(guò)不同的傳感器，如制動(dòng)力傳感器、踏板位移傳感器、輪速傳感器等獲取自己所需的變量參數(shù)，識(shí)別駕駛員的意圖，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給每一個(gè)車(chē)輪，以此來(lái)控制制動(dòng)效果。
而駕駛員的意圖來(lái)自于制動(dòng)踏板單元，它包括制動(dòng)踏板，踏板位移傳感器，踏板力傳感器踏板力模擬機(jī)構(gòu)。其中踏板位移傳感器和力傳感器并不是必須同時(shí)存在的。
由圖1可以看出系統(tǒng)中分為前軸和后軸2套制動(dòng)回路AB每一套回路都有自己的中心控制模塊和動(dòng)力源，此處為蓄電池Batl和Bat22個(gè)中心控制模塊4相對(duì)獨(dú)立工作，同時(shí)也通過(guò)雙向的信號(hào)線互相通信，在這種結(jié)構(gòu)下，可以做到當(dāng)其中某一套制動(dòng)線路失靈或出現(xiàn)故障時(shí)，另外一套線路可以照常工作，保證制動(dòng)的安全性。圖中帶有箭頭的代表數(shù)據(jù)傳輸線，箭頭表示了數(shù)據(jù)傳輸方向。
3EMB的典型結(jié)構(gòu)
電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是與制動(dòng)盤(pán)直接相連的部分，是EMB與液壓制動(dòng)系統(tǒng)差別最大的部分，也是EMB中機(jī)械零件的集中部分。一個(gè)典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該：
(1)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧；
(2)有提供驅(qū)動(dòng)力的力矩電機(jī)；
(3)具有把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)；
(4)具有力的放大機(jī)構(gòu)；
(5)為保證更可靠的性能，最好在內(nèi)部設(shè)有力或位移等傳感器。
現(xiàn)在己經(jīng)有BoschSiemens和ContinentalTeves這3家公司取得了各自的研宄成果，并申請(qǐng)了一系列的專(zhuān)利。其中ContinentalTeves公司己經(jīng)有了比較成型的試驗(yàn)品。
3.1Bosch公司的現(xiàn)階段科研成果
德國(guó)Bosch公司于1996年10月23日在美國(guó)專(zhuān)利局申請(qǐng)了第一篇關(guān)于EMB的專(zhuān)利，至今共申請(qǐng)了12項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利，最近的專(zhuān)利是于2003年03月25日新發(fā)布的“ELEC-TROMAGNETI：WHEELBRAKEDEVCE”圖2為此專(zhuān)利中描述的工作時(shí)，動(dòng)力由電機(jī)輸入端5輸入給內(nèi)部的兩個(gè)行星輪系10和12然后傳遞給螺紋心軸19再經(jīng)螺紋心軸19螺母17和螺紋滾柱18組成的類(lèi)似行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為螺母17的直線運(yùn)動(dòng)。螺母17推動(dòng)制動(dòng)鉗塊22將制動(dòng)力施加在制動(dòng)盤(pán)21上。摩擦盤(pán)8與行星輪系12的太陽(yáng)輪15通過(guò)一個(gè)杯形彈簧16固接在一起，摩擦盤(pán)2與行星輪系12的行星齒圏26以同樣的方式固接。在兩個(gè)行星輪系1012之間有兩套電磁離合器7和11當(dāng)兩個(gè)電磁離合器通電時(shí)，摩擦盤(pán)2和8分別與母體11和7結(jié)合，同步運(yùn)動(dòng)。不通電時(shí)，摩擦盤(pán)受制動(dòng)環(huán)限制無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。此執(zhí)行機(jī)構(gòu)有如下4種工作方式：
(1)電磁離合器7通電，11不通電。此時(shí)太陽(yáng)輪6、15結(jié)合同步轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圏26在制動(dòng)盤(pán)24的作用下靜止，兩個(gè)太陽(yáng)輪6、15旋轉(zhuǎn)方向相同，傳動(dòng)比大，可提供迅速克服制動(dòng)鉗塊22和制動(dòng)盤(pán)21之間間隙。
(2)兩個(gè)電磁離合器都通電。此時(shí)太陽(yáng)輪615齒圏126都同步轉(zhuǎn)動(dòng)。由于太陽(yáng)輪615轉(zhuǎn)動(dòng)半徑相同，齒圏126轉(zhuǎn)動(dòng)半徑也相同，而行星輪4的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大于行星輪13因此行星輪架14轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍然與太陽(yáng)輪15相同，實(shí)現(xiàn)了減速增矩的功能。
(3)電磁離合器7不通電，11通電。此時(shí)齒圏1、26結(jié)合，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)輪15在制動(dòng)環(huán)24的作用下靜止，此時(shí)行星輪架14和齒圏26的旋轉(zhuǎn)方向相反，在不需電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況下，即可使制動(dòng)鉗塊22和制動(dòng)盤(pán)21分離。此功能可用來(lái)調(diào)整制動(dòng)間隙。
(4)兩個(gè)電磁離合器都不通電。此時(shí)太陽(yáng)輪15齒圏26在制動(dòng)環(huán)24的作用下都不轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪架14亦無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，因此制動(dòng)力矩始終施加在制動(dòng)鉗塊22上，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力保持，此種工作方式可用于駐車(chē)功能。
32Siemens公司的現(xiàn)階段科研成果
德國(guó)Sifmens公司于1997年07月24日在美國(guó)專(zhuān)利局8月13日發(fā)布的最新專(zhuān)利，先后一共申請(qǐng)了5項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利，圖3為Sitmens公司研制的一種典型的帶有機(jī)械磨損后，可以自動(dòng)補(bǔ)償制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗塊間隙的EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩電機(jī)內(nèi)置，圖中1轉(zhuǎn)子與螺母相嚙合，螺母和心軸固結(jié)在一起。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母和心軸做軸向運(yùn)動(dòng)，就把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為了直線運(yùn)動(dòng)。心軸軸向推動(dòng)增力杠桿和壓力盤(pán)。杠桿的末端插在制動(dòng)器缸內(nèi)的凹槽內(nèi)，能夠繞凹槽轉(zhuǎn)動(dòng)，在圖中采用鉸鏈表示。壓力盤(pán)再把力傳遞給傳動(dòng)套筒，套筒和制動(dòng)活塞之間通過(guò)螺紋傳動(dòng)，這個(gè)螺紋傳動(dòng)副是不自鎖的。制動(dòng)活塞推動(dòng)浮動(dòng)制動(dòng)鉗塊，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。
橡膠密封環(huán)和彈簧的主要作用是制動(dòng)后使制動(dòng)活塞等零件回位。當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，活塞使橡膠環(huán)產(chǎn)生彈性變形，產(chǎn)生了作用在制動(dòng)活塞上的回位力。當(dāng)制動(dòng)結(jié)束后，在橡膠環(huán)的彈性形變力下，傳動(dòng)套筒和制動(dòng)活塞被推回到制動(dòng)前的位置上。
Siemens公司的EMB還具備間隙自動(dòng)調(diào)整功能。當(dāng)制動(dòng)鉗塊磨損比較嚴(yán)重時(shí)，制動(dòng)活塞的行程超出了橡膠環(huán)形變量時(shí)，二者發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。制動(dòng)卸載時(shí)，橡膠環(huán)帶動(dòng)活塞回位。由于活塞和橡膠環(huán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此活塞返回的行程一定小于制動(dòng)前走過(guò)的行程，于是傳動(dòng)套筒和壓力盤(pán)之間出現(xiàn)了空隙。傳動(dòng)套筒從制動(dòng)活塞的內(nèi)腔中被彈簧推出，直到與壓力盤(pán)再次接觸，退出的行程也就恰好等于磨損掉的厚度。
3.3ContinentalTeves公司的現(xiàn)階段科研成果
ContinentalTeves公司于1996年05月29日在美國(guó)專(zhuān)利局申請(qǐng)了第一篇關(guān)于EMB的專(zhuān)利開(kāi)始，到最近一次于2003年04月22日發(fā)布的最新專(zhuān)利先后一共申請(qǐng)了12項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利，圖4為ContinentalTeves公司研制的最新成果--帶有兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)的EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
ContinentalTeves公司的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用了電機(jī)內(nèi)置的結(jié)構(gòu)，它還有一個(gè)特點(diǎn)就是模塊化，整個(gè)機(jī)構(gòu)分為3個(gè)獨(dú)立的模塊，分別為驅(qū)動(dòng)部分，一級(jí)絲杠螺母減速部分和二級(jí)減速齒輪部分，3個(gè)模塊在生產(chǎn)，安裝，維修時(shí)可以獨(dú)立進(jìn)行，然后組裝在一起工作。
在驅(qū)動(dòng)模塊中包含有一個(gè)力矩電機(jī)，1516分別是電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子。一級(jí)絲杠螺母減速部分由螺旋螺母18螺旋心軸4和大量的鋼珠17組成，這3者構(gòu)成了一個(gè)球螺旋機(jī)構(gòu)。二級(jí)減速齒輪由8、9、1213組成，這是一個(gè)行星輪系。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子15轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上的齒輪10帶動(dòng)二級(jí)減速齒輪部分的行星輪13轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)另一側(cè)的齒輪12與齒圏8相嚙合，這樣力矩便通過(guò)旋轉(zhuǎn)的行星輪架9傳遞給了一級(jí)減速機(jī)構(gòu)中的螺母軸頸11當(dāng)螺旋螺母18由二級(jí)減速齒輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)球螺旋副螺旋心軸4產(chǎn)生向左的平動(dòng)，推動(dòng)壓盤(pán)19和制動(dòng)鉗塊2與制動(dòng)盤(pán)1接觸，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。
在驅(qū)動(dòng)部分中還有一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)5、6、7用于實(shí)現(xiàn)駐車(chē)功能。通過(guò)電磁鐵5的通斷電，可以使棘爪7繞銷(xiāo)釘6轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子15是否旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子15不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以保持住制動(dòng)力，達(dá)到駐車(chē)的目的。
4幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比
文中所列的幾種EMB是BoschSiemens和ContinentalTeves公司最新的專(zhuān)利中描述的，也是這幾個(gè)公司目前公布的最先進(jìn)的科研成果。
這幾個(gè)公司的EMB結(jié)構(gòu)框架是基本一樣的，都是針對(duì)的盤(pán)式制動(dòng)器開(kāi)發(fā)的，都具有把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，具有減速增矩機(jī)構(gòu)，具有行星齒輪機(jī)構(gòu)，它們之間不同之處主要有以下幾點(diǎn)：
(1)Bosch公司的EMB沒(méi)有把力矩電機(jī)安裝在機(jī)構(gòu)內(nèi)部，采用的是電機(jī)外置，而Siemens和ContinentilTeves公司采用的都是電機(jī)內(nèi)置結(jié)構(gòu)，把電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子與其他零件接合在一起。這種布置方式能夠使結(jié)構(gòu)更緊湊，體積更小巧，但同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以說(shuō)各有利弊。
Bosch公司研制的EMB內(nèi)部都含有電磁離合器，但是電磁離合器的作用不盡相同，經(jīng)歷了一個(gè)結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單，功能由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。Bosch公司以前申請(qǐng)。
(1)增加了許多附屬機(jī)構(gòu)。采用了兩個(gè)電磁離合器和兩個(gè)行星輪系后，工作方式變得更加清晰，功能更加多樣。
(2)Simens公司的EMB采用了增力杠桿結(jié)構(gòu)，如圖3所示，增力杠桿的末端插在制動(dòng)器缸內(nèi)的凹槽內(nèi)，能夠繞凹槽轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)心軸軸向移動(dòng)推動(dòng)增力杠桿和壓力盤(pán)時(shí)，壓力盤(pán)是不轉(zhuǎn)動(dòng)的由于心軸和壓力盤(pán)在杠桿兩側(cè)的力臂不同壓力盤(pán)的力臂短，從圖3中看兩個(gè)力臂之比大約是4:1這就使壓力盤(pán)的壓力大于心軸產(chǎn)生的軸向推力，起到了增力的作用。另外Simens公司的EMB還具備間隙自動(dòng)調(diào)整功能。這種制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)墊塊的間隙自動(dòng)補(bǔ)償方式是其特有的結(jié)構(gòu)，完全是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。Simens公司的EMB內(nèi)部還帶有環(huán)形壓電式力傳感器和位移傳感器用來(lái)測(cè)量心軸移動(dòng)的軸向距離，工作性能更為可靠。
(3)這幾家公司的EMB都采用了不同的間隙磨損調(diào)整方式。ContinentalTeves公司采用的是一種智能控制方式，通過(guò)內(nèi)部的電子控制單元控制間隙大小，從可靠性來(lái)說(shuō)能最恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整磨損后制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)墊塊的間隙，性能最可靠，Siemens公司采用的是完全的機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，可靠性次之，而B(niǎo)osch公司的EMB并沒(méi)有特殊設(shè)計(jì)的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，但因此也使制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。
5結(jié)束語(yǔ)
(1)力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)。在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)制動(dòng)鉗塊和制動(dòng)盤(pán)接觸后，EMB中的力矩電機(jī)將工作在“憋死”這樣的惡劣工作條件下。EMB不僅要求電機(jī)性能優(yōu)越，反應(yīng)迅速，可以提供足夠大的力矩，而且必須結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，能夠安裝在狹小的制動(dòng)空間內(nèi)，還需要在冷、熱、泥水、電磁干擾等惡劣環(huán)境下能夠可靠工作。
(2)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的機(jī)械零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何有效的傳遞扭矩，增大扭矩，并且保證體積小巧是一個(gè)難題。
(3)成本的降低。有效降低EMB中的力矩電機(jī)，42伏電源，諸多傳感器、MCU、集成電路等器件的成本將會(huì)更快推動(dòng)EMB的發(fā)展和應(yīng)用。
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