汽車電子機械制動器(EMB)的發(fā)展研究

1、    汽車電子機械制動器(EMB)的發(fā)展研究         本文針對人們對汽車制動系統(tǒng)的要求，結合智能制動控制系統(tǒng)的工作原理，綜述了電子機械制動器(EMB)的發(fā)展過程，提出對EMB的結構要求和亟待解決的問題。隨著消費者對車輛安全性的日益重視，汽車制動系統(tǒng)也不斷改進。從最初的皮革摩擦制動，到后來出現(xiàn)鼓式、盤式制動器，再到后來出現(xiàn)機械式ABS制動系統(tǒng)。緊接著伴隨電子技術的發(fā)展又出現(xiàn)了模擬電子ABS制動系統(tǒng)、數(shù)字式電控ABS制動系統(tǒng)等等。近10年來西方發(fā)達國家又興起了對車輛線控

2、系統(tǒng)(x-by-wire)的研究，隨著線控制動系統(tǒng)(brake-by-wire)概念的提出，業(yè)內(nèi)展開了對電子機械制動器的研究。簡單地說，電子機械制動器就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅動的部分改為由電動機來驅動，借以提高響應速度、增加制動效能等，同時也大大簡化了結構、降低了裝配和維護的難度。由于人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加入了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP等后，結構和管路布置越發(fā)復雜，液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。因此結構相對簡單、功能集成可靠的電子機械制動系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預見電子機械制動器(EMB)將最終取代

3、傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動器，成為未來車輛制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。EHB系統(tǒng)EHB(Electro-Hvdraulic Brake)即線控液壓制動器，是在傳統(tǒng)的液壓制動器基礎上發(fā)展而來的。EHB采用電子控制功能取代了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中制動踏板與輪邊制動器之間的機械及液壓連接，即由電氣控制替代了原先的桿系及液壓管路連接。EHB系統(tǒng)在正常的制動過程中，首先由踏板行程模擬器中集成的行程傳感器及壓力傳感器感應駕駛者施加在踏板上制動力的速度及強度，以獲得(識別)駕駛者的制動意圖；然后，根據(jù)系統(tǒng)電氣線路傳輸來的感應信號計算出各車輪所需的制動力；接著，液壓執(zhí)行單元根據(jù)EHB計算機輸出的控制指令通過高壓蓄能器分別對各車輪

4、精確施加所需的制動力，使得車輛更快速、更穩(wěn)定地制動或減速。所以，EHB制動是由感應、計算、電控執(zhí)行制動過程構成的線控制動系統(tǒng)。車輛安裝EHB系統(tǒng)后，便可以取消原先的真空制動增壓器及發(fā)動機真空泵。另外，EHB系統(tǒng)的高壓蓄能器中持續(xù)穩(wěn)定的制動液壓力可達140bar，完全能快速響應駕駛者的制動指令。EHB系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需要對各車輪制動力進行獨立計算及控制，所以能夠縮短車輛制動距離，提高行車安全性。另外，EHB系統(tǒng)還能夠通過軟件集成諸如制動防抱ABS、電子穩(wěn)定程序ESP及輔助制動BAS等功能，以進一步提高車輛制動的安全性及舒適性。在緊急制動工況下，當駕駛者的腳迅速撤離加速踏板時，EHB系統(tǒng)便根據(jù)這一

5、信號獲得即將到來的制動需求，于是系統(tǒng)當即向輪邊制動器緩緩施加制動力。一旦駕駛者快速踩動制動踏板，制動系統(tǒng)便能更為快捷地響應緊急制動指令，施加緊急制動力。由于EHB系統(tǒng)提前啟動了制動系統(tǒng)，所以，EHB系統(tǒng)能夠進一步縮短緊急制動工況下的制動距離，提高行車安全性。在轉彎制動工況下，EHB系統(tǒng)提供給外側車輪的制動力大子內(nèi)側車輪，極大地提高了車輛的穩(wěn)定性及安全性。如果EHB系統(tǒng)集成了輔助制動功能ABS，那么當EHB系統(tǒng)探測到制動踏板上的壓力迅速撤消并且在此之前的制動力還不足以使車輪抱死時，系統(tǒng)便斷定緊急事故已經(jīng)發(fā)生，并自動增加制動力至ABS功能啟動的限值，即最大限度地阻止車輛繼續(xù)前行，以避免車輛產(chǎn)生二次

6、碰撞或導致其它意外傷害。由于EHB采用了線控技術，所以在制動過程中當ABS功能啟動后，制動踏板不會再出現(xiàn)傳統(tǒng)制動系統(tǒng)普遍存在的脈動反；中力，進而提高緊急制動時的操作舒適性。在濕滑路況下，EHB更會自動干燥制動盤以提高及穩(wěn)定車輛的制動性能。另外，EHB系統(tǒng)還能在車輛完全停止前將制動力適當調(diào)緩(緊急制動情況除外)，令制動過程變得更為舒適。相比傳統(tǒng)的液壓制動器，EHB有了顯著的進步，其結構緊湊、改善了制動效能、控制方便可靠、制動噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺。由于模塊化程度的提高，在車輛設計過程中又提高了設計的靈活性、減少了制動系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車

7、內(nèi)制動系統(tǒng)的布置、空間?？梢娤啾葌鹘y(tǒng)的液壓制動器，EHB有了很大的改善。但是EHB還是有其局限性，那就是整個系統(tǒng)仍然需要液壓96件，其基本的還是離不開制動液。EMB系統(tǒng)如果把EHB稱為“濕”式brake-by-wire制動系統(tǒng)的話，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制動系統(tǒng)。EMB和EHB以及B的最大區(qū)別就在于它不再需要制動液和液壓部件，制動力矩完全通過安裝在4個輪胎上的由電機驅動的執(zhí)行機構產(chǎn)生。因此相應的取消了制動主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動系統(tǒng)的結構、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動液的取消，對于環(huán)境的污染大大降低了。另外，由于相應可以取消很多現(xiàn)有部件，因此

8、可以大大減輕系統(tǒng)的重量，便于對車輛底盤進行綜合主動控制。其突出的優(yōu)點是：不需要制動管路從而降低了制造成本和安裝布置的難度、制動效能得到了提高、性能穩(wěn)定，不需要制動液降低了成本、并且保護環(huán)境，便于融入到車輛綜合控制的網(wǎng)絡中去(CAN總線)減少了部件數(shù)降低了對空間的占用。由于制動踏板只提供參考輸入不直接作用于制動系統(tǒng)之上，便于改善踏板性能。從20世紀90年代開始，一些著名的汽車電子零配件生產(chǎn)廠商如博世、西門子、以及大陸等相繼開始了對EMB電制動器的研究，并做過一些相應的系統(tǒng)仿真和裝車試驗。EMB最早應用在飛機上，如美國的F15戰(zhàn)斗機就采用了EMB制動器，后來才慢慢轉化運用到汽車上來。EMB與傳統(tǒng)的

9、制動系統(tǒng)有著極大的差別，其執(zhí)行和控制機構需要全部重新設計。其執(zhí)行機構需要能夠把電動機的轉動平穩(wěn)轉化為制動蹄塊的平動、需要能夠減速增矩、需要能夠自動補償由于長期工作而產(chǎn)生的制動間隙等，而且由于體積的限制其結構也必須巧妙和緊湊，是整個EMB系統(tǒng)中非常重要的組成部分；其控制部分也要求能精確控制電動機的轉速和轉角從而防止制動抱死。最近幾年一些國際大型汽車零部件廠商和汽車廠進行了一些對于EMB制動系統(tǒng)的研究工作，也申請了一部分專利，而我國在此項目上的研究基本為空白。對于EMB系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構，它直接接受電動機產(chǎn)生的力矩，并放大作用到制動盤上，其結構應該滿足如下幾個基本的要求：(1)結構緊湊，便于布置；

10、(2)能夠把轉動轉化為平動；(3)有減速增矩、自增力機構；(4)能夠自動補償制動間隙；(5)能夠提供停車時的駐車制動；(6)安全可靠、工作時間長。EMB制動系統(tǒng)從節(jié)省能量的角度來說可以分為兩個大類，其一是電動機直接帶動機械執(zhí)行機構然后作用到制動盤上，其典型是大陸公司研制的制動器；第二類是電動機通過一個自增力機構，間接作用到制動盤上，可以大大降低系統(tǒng)所消耗的能量。第一種結構形式的制動器特點是控制簡單，制動過程穩(wěn)定；但是由于電機提供所有推動制動塊所需的推力，使得所需的驅動電機的功率很大，從而造成電機的尺寸、重量和能耗都較大。第二種結構形式的制動器由于間接利用了汽車的動能作為制動自增力，驅動電機所需

11、功率可大幅下降，只需要約3%的其它替代方案的能耗，其體積、尺寸和重量也必然比第一種結構形式的制動器小，不過目前這種形式的制動器控制難度大，制動穩(wěn)定性也不如前者。瑞典的Haldex公司研制的EMB可作為一個緊湊的集成的車輪模塊來生產(chǎn)，并能夠與如今的車橋和制動盤完美地結合在一起，無需增加額外的與車橋一側的連接匹配。EMB完全可以采用跟過去一樣的成熟的方式來預先安裝到車橋上，最后只需要對車輛系統(tǒng)的電子接口進行連接。以一輛40t的載貨車為例，裝有盤式制動器和EBS，在時速為90kmh時開始制動，到其停下來的制動距離比以前采用ABS和鼓式制動器(制動壓力800kPa)時縮短了45%左右，而Haldex公

12、司推出的EMB能夠進一步縮短14%的制動距離。EMB開發(fā)所需解決的問題EMB制動系統(tǒng)顯而易見的具有很多傳統(tǒng)制動系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)勢，不過由于其發(fā)展時間短，也必不可少的存在許多亟待解決的問題：(1)如果系統(tǒng)線路出現(xiàn)斷路或者電源出現(xiàn)故障，制動系統(tǒng)應該如何動作?如果制動踏板模擬器出現(xiàn)故障該如何處置?因此需要加強系統(tǒng)可靠性和意外事故保險方面的研究力度。(2)由于在高速制動過程中產(chǎn)生大量的熱量，因此需要加強系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和散熱性能。需要反復實驗驗證驅動電機和其它部件在高溫條件下的工作性能和穩(wěn)定性。(3)電制動系統(tǒng)采用大量的電控技術就難以避免有大量的電子電路，又由于車輛工況復雜而且在外部暴露的電磁場和地球

13、磁場環(huán)境中工作，這就需要加強電制動系統(tǒng)的抗干擾能力。(4)驅動電機動作需要消耗大量的電能，這是對目前車輛使用的12V電源的一個考驗，未來將采取42V的電壓來位系統(tǒng)提供能量。(5)目前車輛EMB制動系統(tǒng)還要加強與其它現(xiàn)行車輛電控系統(tǒng)的整合，最好可以形成一體化、模塊化的底盤控制系統(tǒng)，對車輛進行綜合控制。(6)由于采用了大量的傳感器、控制芯片和新的技術，使得目前電制動系統(tǒng)的成本比現(xiàn)有的液壓制動系統(tǒng)成本高，因此降低系統(tǒng)的使用成本也是當前需要解決的問題。目前EMB制動系統(tǒng)的技術還不成熟，需要解決的技術問題還很多，國外把對電制動系統(tǒng)的研究重點集中在如下幾個方面：(1)耐高溫電子元器件；(2)機械電子執(zhí)行機

14、構；(3)可自適應調(diào)節(jié)的控制算法；(4)靈敏度高而又廉價的傳感器；(5)系統(tǒng)容錯控制；(6)高可靠性的電線和連接件；(7)力矩電機的設計。對耐高溫電子元器件的研究主要涉及到兩個方面：一是在電子元器件本身上下功夫，提高其對高溫的承受能力和在高溫下的工作穩(wěn)定性；另一個就是改良制動盤的材料和提高其散熱。為電子元器件的工作提供一個良好的環(huán)境。在對制動器的控制算法和先進傳感器的研究上，國內(nèi)外學者也都做了很多工作。而目前車輛制動器的控制算法上主要采用三種：滑?？刂扑惴ā⑦壿嬮T限值控制、最優(yōu)控制算法等。在電控制動系統(tǒng)的容錯性上，最近查閱大量的論文在研究這個問題。因為這個問題牽涉到了制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，

15、因此是一個關鍵和至關重要的研究方向。有些學者是用實驗的方法去檢測和評估EMB對制動請求的響應情況，并通過一定的算法來忽略瞬間的錯誤信號借以實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯控制；有的是在分布式的線控制動系統(tǒng)中加入一個中央控制芯片(brake-by-wire Manager)，這是一個專門進行容錯控制的冗余設計，并配以專門編寫的軟件來進行容錯控制處理；最近的是在系統(tǒng)中引入一個監(jiān)控器(monitor)，用以檢測可能導致系統(tǒng)錯誤和失效的信號，然后產(chǎn)生錯誤檢測代碼，根據(jù)代碼來處理失效和提高安全性。顯然車輛電控系統(tǒng)的容錯控制是一個牽涉到計算機硬件、軟件、通信協(xié)議等等多方面的比較難解決的問題。其它諸如連接電纜、傳感器的設計制造相應會簡單一些。另外在制動過程中，電機將在“堵轉”的惡劣環(huán)境下工作，因此對電機的可靠性要求高，而且必須結構小巧緊湊、便