電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)(EMB)系^蔡峰;吳昂鍵;畢大寧瀏旌楊【摘要】電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)(EMB)系統(tǒng)采用電機(jī)一機(jī)械制動(dòng)裝置,能快速精確的提供車(chē)輪所需的制動(dòng)力.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.本文提出了5種可能的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，包括直流電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu):盤(pán)式力矩電機(jī)-行星齒輪減速器-滾珠絲杠結(jié)構(gòu);步進(jìn)電機(jī)-行星齒輪減速器-滾珠絲杠結(jié)構(gòu);直流力矩電機(jī)-行星齒輪減速器-滾珠絲杠結(jié)構(gòu);直流力矩電機(jī)-差動(dòng)螺紋結(jié)構(gòu).【期刊名稱(chēng)】《汽車(chē)技術(shù)》【年(卷)，期】2010(000)011【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P38-40)【關(guān)鍵詞】電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng);工作原理;結(jié)構(gòu)【作者】蔡峰;吳昂鍵;畢大寧瀏旌楊【作者單位】一汽海馬汽車(chē)有限公司;浙江大學(xué);一汽海馬汽車(chē)有限公司;一汽海馬汽車(chē)有限公司【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U463.51電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)(EMB)系統(tǒng)工作原理在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)中，汽車(chē)制動(dòng)時(shí)駕駛員通過(guò)制動(dòng)踏板操縱液壓制動(dòng)總泵，用液壓管路方式傳送油液到各個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)分泵。駕駛員通過(guò)制動(dòng)主缸的調(diào)節(jié)，在車(chē)輪分泵油缸建立制動(dòng)壓力，產(chǎn)生制動(dòng)推力，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器起制動(dòng)作用。液壓制動(dòng)的制動(dòng)壓力高，制動(dòng)力基本可以滿(mǎn)足汽車(chē)需要。但是液壓制動(dòng)系統(tǒng)也存在很多問(wèn)題，如易漏油、響應(yīng)慢、安全性易出問(wèn)題等，一旦液壓制動(dòng)總泵或管路系統(tǒng)失靈，會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)無(wú)法制動(dòng)；同時(shí)液壓系統(tǒng)管路油液泄露也會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。EMB系統(tǒng)以電子元件替代液壓元件，是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)電子控制系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)電機(jī)實(shí)施電流控制，在原制動(dòng)分泵處建立機(jī)械推力，通過(guò)原盤(pán)式制動(dòng)器的夾鉗從兩側(cè)夾緊摩擦盤(pán)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪制動(dòng)，由此解決了液壓制動(dòng)存在的很多問(wèn)題。采用EMB系統(tǒng)后，不再需要制動(dòng)主泵和液壓真空助力器，也不需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣功能，不再需要液壓管路和液壓油，減輕了質(zhì)量，節(jié)省了空間。采用EMB系統(tǒng)后，改用電子制動(dòng)踏板（帶行程傳感器）通過(guò)控制器直接控制分布在4個(gè)車(chē)輪的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器，控制器（CPU）接受電子制動(dòng)踏板的制動(dòng)信號(hào)（制動(dòng)速度和制動(dòng)力）和4個(gè)車(chē)輪的車(chē)速信號(hào)，直接控制4個(gè)車(chē)輪的電動(dòng)助力制動(dòng)器實(shí)施車(chē)輪制動(dòng)。新一代EMB系統(tǒng)由操縱模塊-電子制動(dòng)踏板、信號(hào)模塊-傳感器、中央控制模塊-控制器（ECU）、執(zhí)行模塊-電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器和機(jī)械盤(pán)式制動(dòng)器等構(gòu)成，其中執(zhí)行模塊-電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，EMB系統(tǒng)也很容易與其它電子輔助系統(tǒng)（如ESP、EBD、ABS等）合成動(dòng)作，組成保證最佳減速度和行駛穩(wěn)定性的汽車(chē)底盤(pán)智能控制系統(tǒng)。從EMB系統(tǒng)框圖（圖1）可以分析出，總電源開(kāi)關(guān)（電源信號(hào)）打開(kāi)后，蓄電池向控制器供電，控制器開(kāi)始工作，此時(shí)EMB信號(hào)燈顯示系統(tǒng)應(yīng)正常工作。駕駛員進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，首先由電子踏板行程傳感器探知駕駛員的制動(dòng)意圖（踏板速度和行程），把這一信息傳給ECU。ECU匯集輪速傳感器、踏板位置傳感器等各路信號(hào)，根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)計(jì)算出每個(gè)車(chē)輪的最大制動(dòng)力，再發(fā)出指令給執(zhí)行器（電機(jī)）執(zhí)行各車(chē)輪的制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器能快速而精確的提供車(chē)輪所需制動(dòng)力，從而保證最佳的整車(chē)減速度和車(chē)輛制動(dòng)效果?？刂破鬟€具有系統(tǒng)故障診斷功能。圖1EMB系統(tǒng)工作框圖2采用EMB系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)能提供平穩(wěn)減速功能，使制動(dòng)過(guò)程平順柔和。取消原制動(dòng)踏板，以電子制動(dòng)踏板（帶位置傳感器）反映駕駛員主動(dòng)制動(dòng)要求，可獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)壓力，使制動(dòng)舒適性和穩(wěn)定性提高?？膳cESP、EBF、ABS配合，顯著縮短制動(dòng)距離，保證減速度最佳和行駛穩(wěn)定性。取消了制動(dòng)總泵和真空助力器，節(jié)約了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，擴(kuò)大了駕駛員前部空間，提高了汽車(chē)防撞功能，提高了駕駛員安全性。相對(duì)減輕了制動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，有利于整車(chē)輕量化。3EMB系統(tǒng)的技術(shù)要求每種車(chē)型電動(dòng)制動(dòng)器的制動(dòng)力有具體要求，轎車(chē)車(chē)輪的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器對(duì)磨擦盤(pán)的推力為12~16kN,要考慮提高至20kN。這是為了保證與目前液壓制動(dòng)車(chē)型中廣泛使用的車(chē)輪制動(dòng)推力相同。電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器工作行程為0.3~0.5mm，全部行程為1.0mm。電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器推壓摩擦片移動(dòng)至制動(dòng)位置的響應(yīng)快，不會(huì)錯(cuò)失制動(dòng)時(shí)間，整個(gè)制動(dòng)時(shí)間應(yīng)小于0.3~0.5s，還要注意防止出現(xiàn)制動(dòng)沖擊。該產(chǎn)品僅通過(guò)無(wú)刷電機(jī)內(nèi)置的編碼器進(jìn)行反饋控制，無(wú)需測(cè)量摩擦盤(pán)位置。摩擦片在制動(dòng)盤(pán)中的位置由軟件進(jìn)行識(shí)別。一旦實(shí)現(xiàn)電動(dòng)制動(dòng)，只需嵌入軟件就能實(shí)現(xiàn)EBD、ABS、ESP等功能。為了進(jìn)一步節(jié)約能源，要考慮閉環(huán)控制回收能源問(wèn)題。4電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，從結(jié)構(gòu)上要使電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的額定推力滿(mǎn)足車(chē)輪制動(dòng)要求，要解決電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的軸向尺寸、徑向尺寸與原制動(dòng)器及周?chē)慵赡艿母缮鎲?wèn)題，保證在各種車(chē)輛上的安裝可行性，還要解決與之配合的電子制動(dòng)踏板的選型與布置、車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器的選型與布置、控制器硬件和控制程序的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。本文主要討論的是將液壓制動(dòng)分泵改為電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出了5種可能的電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)。4.1直流電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)直流電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2直流電機(jī)-行星齒輪-滾珠絲杠結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：采用直流有刷電機(jī)，電機(jī)成本低；行星齒輪工藝較易實(shí)現(xiàn)；滾珠絲杠工藝成熟。缺點(diǎn)是軸向尺寸太大，由于轎車(chē)安裝位置限制，在轎車(chē)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只在貨車(chē)上可以實(shí)現(xiàn)。4.2盤(pán)式力矩電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)盤(pán)式力矩電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3盤(pán)式力矩電機(jī)-行星齒輪-滾珠絲杠結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)提高了抗堵轉(zhuǎn)能力，大大減小了軸向尺寸，但是3種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)使用，成本較高。4.3步進(jìn)電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4步進(jìn)電機(jī)-行星齒輪減速器-滾珠絲杠結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)原理非常合理，可在中空的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部安裝減速機(jī)構(gòu)或滾珠絲桿，這樣無(wú)論從性能、結(jié)構(gòu)和尺寸上都非常合理，但是成本太高，在汽車(chē)上不易實(shí)現(xiàn)。4.4直流力矩電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)直流力矩電機(jī)一行星齒輪減速器一滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)采用了空心力矩電機(jī)，既可提高抗堵轉(zhuǎn)能力，又可在內(nèi)部空間里安裝減速機(jī)構(gòu)和滾珠絲桿，可以大大減小軸向尺寸，比較理想。要想將來(lái)實(shí)現(xiàn)裝車(chē)目標(biāo)，必須盡量降低該力矩電機(jī)的成本。圖5空心力矩電機(jī)一行星齒輪一滾珠絲杠4.5直流力矩電機(jī)一差動(dòng)螺紋結(jié)構(gòu)直流力矩電機(jī)一差動(dòng)螺紋結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6空心力矩電機(jī)一差動(dòng)螺紋結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)采用了空心力矩電機(jī)，既可提高抗堵轉(zhuǎn)能力，又可在內(nèi)部空間里安裝差動(dòng)螺紋機(jī)構(gòu)，可以大大減小軸向尺寸，且成本較低，比較理想，但是差動(dòng)螺紋機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率較低是一大難題。5EMB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的問(wèn)題5.1電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)很重要，不但要考慮性能適宜，而且要考慮安裝尺寸滿(mǎn)足要求，保證成本較低。從結(jié)構(gòu)上要解決軸向尺寸、徑向尺寸和軸向推力問(wèn)題。特別是轎車(chē)前輪作為內(nèi)輪轉(zhuǎn)向時(shí)，目前前輪液壓制動(dòng)器內(nèi)端部距車(chē)架所留的空間甚小，最大只有40mm左右,因此從設(shè)計(jì)上必須控制在20~30mm范圍內(nèi)。如力帆620和比亞迪F3車(chē)型從制動(dòng)盤(pán)中心到液壓分泵端部的尺寸為114mm，本文所設(shè)計(jì)從制動(dòng)盤(pán)中心到電機(jī)殼體端部的尺寸為112mm，沒(méi)超過(guò)原來(lái)液壓制動(dòng)器的尺寸，所以可行。但是也必'須嚴(yán)格控制該制動(dòng)器徑向尺寸不能與輪轂和等速萬(wàn)向節(jié)防塵罩干涉。該結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)的推力必須達(dá)到12~15kN才能滿(mǎn)足一般轎車(chē)的要求。除以上提出的結(jié)構(gòu)外，國(guó)夕卜有采用直流伺服電機(jī)的，有采用楔結(jié)構(gòu)的，也有采用行星絲杠結(jié)構(gòu)的。5.2電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器控制器開(kāi)發(fā)問(wèn)題要開(kāi)發(fā)電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器控制器，首先必須掌握汽車(chē)制動(dòng)器工作原理及制動(dòng)力分配EBD的基本原理，其次要掌握開(kāi)發(fā)汽車(chē)ABS的基本原理。實(shí)際上EMB系統(tǒng)的ABS功能由于電機(jī)的頻率響應(yīng)較高，更易實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，從而使整體底盤(pán)智能控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。5.3電機(jī)的選型和布置問(wèn)題對(duì)于轎車(chē)，EMB系統(tǒng)助力電機(jī)最好采用中空結(jié)構(gòu)的力矩電機(jī)，既可提高抗堵轉(zhuǎn)能力，又可在內(nèi)部空間里安裝相應(yīng)減速機(jī)構(gòu)，可以大大減小軸向尺寸。5.4電子制動(dòng)踏板選型和布置問(wèn)題電子制動(dòng)踏板與電子油門(mén)踏板的工作原理相通，只是用于制動(dòng)。一般電子制動(dòng)踏板的布置方式與電子油門(mén)踏板相同，采用一般地板生根的踏板式或采用固定在車(chē)身前圍的壁吊式結(jié)構(gòu)。電子制動(dòng)踏板內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用非接觸式傳感器，