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電子機械制動(dòng)系統發(fā)展現狀論文
電子機械制動(dòng)系統（EIbctromechanicalBrakeSystem)簡(jiǎn)稱(chēng)為EMB與常規的液壓制動(dòng)系統截然不同。傳統的液壓制動(dòng)系統發(fā)展至今，己是非常成熟的技術(shù)。隨著(zhù)人們對制動(dòng)性能要求的不斷提高，防抱死制動(dòng)系統（ABS)、牽引力控制系統（TCS)、電子穩定性控制程序（ESP)主動(dòng)避撞技術(shù)（ACC)等功能逐漸融入到制動(dòng)系統中，越來(lái)越多的附加機構安裝于制動(dòng)線(xiàn)路上，這使得制動(dòng)系統結構更加復雜，也增加了液壓回路泄漏的隱患以及裝配、維修的難度。因此結構更簡(jiǎn)捷，功能更可靠的電子機械制動(dòng)系統（EMB)最終取代傳統的液壓制動(dòng)系統己經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的共識。
EMB以電能作為能量來(lái)源，由電機驅動(dòng)制動(dòng)鉗塊，整個(gè)系統內沒(méi)有液壓管路，因此也就沒(méi)有制動(dòng)液體，機械連接很少，由電線(xiàn)傳遞能量，數據線(xiàn)傳遞信號，所以又被稱(chēng)為線(xiàn)制動(dòng)系統（BmkebyW^ire)電子機械制動(dòng)是一種全新的制動(dòng)理念，它簡(jiǎn)捷的結構，高效的性能極大的提高了汽車(chē)的制動(dòng)安全性。
1電子機械制動(dòng)系統的發(fā)展和現狀
歷史上，麗B首先應用在飛機上，現在正在處于向汽車(chē)領(lǐng)域應用的研宄和改進(jìn)階段。EMB與常規的液壓制動(dòng)系統截然不同，它的供能，執行和控制機構全部需要重新設計，特別是執行機構，由電機驅動(dòng)，要實(shí)現轉動(dòng)轉化為平動(dòng)，減速增矩等功能，是EMB中機械零件集中的部分。從20世紀90年代起一些著(zhù)名的汽車(chē)電子零部件廠(chǎng)商陸續開(kāi)始了與EMB相關(guān)的研宄從發(fā)表的專(zhuān)利來(lái)看，現在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)一些系統仿真，裝車(chē)試驗等工作，申請的專(zhuān)利也比較零散，而在國內此項研宄至今仍屬空白。
2電子機械制動(dòng)系統的原理和工作方式
圖1為一四輪機動(dòng)車(chē)電子機械制動(dòng)系統的結構簡(jiǎn)圖。它有四套制動(dòng)執行機構，每一套執行機構都包括力矩電機，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)執行機構都有自己的動(dòng)力控制單元，而動(dòng)力控制單元所需的控制信號，如制動(dòng)執行機構應該產(chǎn)生的力矩，由中心控制模塊來(lái)提供�？刂茊卧瑯右矎膱绦袡C構獲得反饋回來(lái)的信號，如電機轉子轉角，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，識別駕駛員的意圖，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構。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相對獨立工作，同時(shí)也通過(guò)雙向的信號線(xiàn)互相通信，在這種結構下，可以做到當其中某一套制動(dòng)線(xiàn)路失靈或出現故障時(shí)，另外一套線(xiàn)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據傳輸線(xiàn)，箭頭表示了數據傳輸方向。
3EMB的典型結構
電子機械制動(dòng)系統中的執行機構是與制動(dòng)盤(pán)直接相連的部分，是EMB與液壓制動(dòng)系統差別最大的部分，也是EMB中機械零件的集中部分。一個(gè)典型的執行機構應該：
(1)結構緊湊，體積小巧；
(2)有提供驅動(dòng)力的力矩電機；
(3)具有把圓周運動(dòng)轉化為直線(xiàn)運動(dòng)的機構；
(4)具有力的放大機構；
(5)為保證更可靠的性能，最好在內部設有力或位移等傳感器。
現在己經(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品。
3.1Bosch公司的現階段科研成果
德國B(niǎo)osch公司于1996年10月23日在美國專(zhuān)利局申請了第一篇關(guān)于EMB的專(zhuān)利，至今共申請了12項相關(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)力由電機輸入端5輸入給內部的兩個(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)似行星齒輪機構轉化為螺母17的直線(xiàn)運動(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結合，同步運動(dòng)。不通電時(shí)，摩擦盤(pán)受制動(dòng)環(huán)限制無(wú)法轉動(dòng)。此執行機構有如下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結合同步轉動(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都同步轉動(dòng)。由于太陽(yáng)輪615轉動(dòng)半徑相同，齒圏126轉動(dòng)半徑也相同，而行星輪4的轉動(dòng)半徑大于行星輪13因此行星輪架14轉動(dòng)方向仍然與太陽(yáng)輪15相同，實(shí)現了減速增矩的功能。
(3)電磁離合器7不通電，11通電。此時(shí)齒圏1、26結合，同步轉動(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的旋轉方向相反，在不需電機反轉的情況下，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的作用下都不轉動(dòng)，行星輪架14亦無(wú)法轉動(dòng)，因此制動(dòng)力矩始終施加在制動(dòng)鉗塊22上，實(shí)現制動(dòng)力保持，此種工作方式可用于駐車(chē)功能。
32Siemens公司的現階段科研成果
德國Sifmens公司于1997年07月24日在美國專(zhuān)利局8月13日發(fā)布的最新專(zhuān)利，先后一共申請了5項相關(guān)專(zhuān)利，圖3為Sitmens公司研制的一種典型的帶有機械磨損后，可以自動(dòng)補償制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗塊間隙的EMB執行機構。
這種執行機構力矩電機內置，圖中1轉子與螺母相嚙合，螺母和心軸固結在一起。當電機工作時(shí)，轉子轉動(dòng)，使螺母和心軸做軸向運動(dòng)，就把圓周運動(dòng)轉化為了直線(xiàn)運動(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)器缸內的凹槽內，能夠繞凹槽轉動(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。當制動(dòng)結束后，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)調整功能。當制動(dòng)鉗塊磨損比較嚴重時(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)生相對運動(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)之間出現了空隙。傳動(dòng)套筒從制動(dòng)活塞的內腔中被彈簧推出，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公司的現階段科研成果
ContinentalTeves公司于1996年05月29日在美國專(zhuān)利局申請了第一篇關(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)利先后一共申請了12項相關(guān)專(zhuān)利，圖4為ContinentalTeves公司研制的最新成果--帶有兩級減速機構的EMB執行機構。
ContinentalTeves公司的執行機構也采用了電機內置的結構，它還有一個(gè)特點(diǎn)就是模塊化，整個(gè)機構分為3個(gè)獨立的模塊，分別為驅動(dòng)部分，一級絲杠螺母減速部分和二級減速齒輪部分，3個(gè)模塊在生產(chǎn)，安裝，維修時(shí)可以獨立進(jìn)行，然后組裝在一起工作。
在驅動(dòng)模塊中包含有一個(gè)力矩電機，1516分別是電機的轉子和定子。一級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者構成了一個(gè)球螺旋機構。二級減速齒輪由8、9、1213組成，這是一個(gè)行星輪系。當電機轉子15轉動(dòng)時(shí)，其上的齒輪10帶動(dòng)二級減速齒輪部分的行星輪13轉動(dòng)，同時(shí)另一側的齒輪12與齒圏8相嚙合，這樣力矩便通過(guò)旋轉的行星輪架9傳遞給了一級減速機構中的螺母軸頸11當螺旋螺母18由二級減速齒輪驅動(dòng)旋轉時(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。
在驅動(dòng)部分中還有一個(gè)棘輪機構5、6、7用于實(shí)現駐車(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轉動(dòng)，來(lái)控制電機轉子15是否旋轉。當電機轉子15不轉動(dòng)時(shí)，可以保持住制動(dòng)力，達到駐車(chē)的目的。
4幾種執行機構的對比
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結構框架是基本一樣的，都是針對的盤(pán)式制動(dòng)器開(kāi)發(fā)的，都具有把圓周運動(dòng)轉化為直線(xiàn)運動(dòng)的機構，具有減速增矩機構，具有行星齒輪機構，它們之間不同之處主要有以下幾點(diǎn)：
(1)Bosch公司的EMB沒(méi)有把力矩電機安裝在機構內部，采用的是電機外置，而Siemens和ContinentilTeves公司采用的都是電機內置結構，把電機的定子和轉子與其他零件接合在一起。這種布置方式能夠使結構更緊湊，體積更小巧，但同時(shí)也增加了結構的復雜性，可以說(shuō)各有利弊。
Bosch公司研制的EMB內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)結構由復雜到簡(jiǎn)單，功能由簡(jiǎn)單到復雜的過(guò)程。Bosch公司以前申請。
(1)增加了許多附屬機構。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采用了增力杠桿結構，如圖3所示，增力杠桿的末端插在制動(dòng)器缸內的凹槽內，能夠繞凹槽轉動(dòng)。當心軸軸向移動(dòng)推動(dòng)增力杠桿和壓力盤(pán)時(shí)，壓力盤(pán)是不轉動(dòng)的由于心軸和壓力盤(pán)在杠桿兩側的力臂不同壓力盤(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)調整功能。這種制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)墊塊的間隙自動(dòng)補償方式是其特有的結構，完全是由執行機構本身的機械結構自動(dòng)實(shí)現的。Simens公司的EMB內部還帶有環(huán)形壓電式力傳感器和位移傳感器用來(lái)測量心軸移動(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整方式。ContinentalTeves公司采用的是一種智能控制方式，通過(guò)內部的電子控制單元控制間隙大小，從可靠性來(lái)說(shuō)能最恰當的調整磨損后制動(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械調整機構，可靠性次之，而B(niǎo)osch公司的EMB并沒(méi)有特殊設計的間隙調整機構，但因此也使制動(dòng)器的結構相對簡(jiǎn)單。
5結束語(yǔ)
(1)力矩電機的設計。在制動(dòng)時(shí)，當制動(dòng)鉗塊和制動(dòng)盤(pán)接觸后，EMB中的力矩電機將工作在“憋死”這樣的惡劣工作條件下。EMB不僅要求電機性能優(yōu)越，反應迅速，可以提供足夠大的力矩，而且必須結構緊湊，體積小巧，能夠安裝在狹小的制動(dòng)空間內，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)執行機構的設計。執行機構中的機械零件較多，結構復雜，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，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)展和應用。
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