電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB簡(jiǎn)介的論文
電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（ElectromechanicalBrakingSystem)，簡(jiǎn)稱為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)成為汽車行業(yè)的共識(shí)。
1EMB的優(yōu)越性
EMB以電能作為能量來(lái)源，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)墊塊，由電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號(hào)，它是線制動(dòng)系統(tǒng)（Brake-by-wire)的一*種形式。電子機(jī)械制動(dòng)是一種全新的制動(dòng)理念，它簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)、高效的性能極大地提高了汽車的制動(dòng)安全性。相對(duì)傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，EMB具有以下主要優(yōu)點(diǎn)。
a.機(jī)械連接少，沒有制動(dòng)管路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，體積小。
b.載荷傳遞平穩(wěn)、柔和，制動(dòng)性能穩(wěn)定。
c.采用機(jī)械和電氣連接，信號(hào)傳遞迅速，反應(yīng)靈敏，“路感”好。
a.傳動(dòng)效率高，節(jié)省能源。
b.電子智能控制功能強(qiáng)大，可以通過修改ECU中的軟件，配置相關(guān)的參數(shù)來(lái)改進(jìn)制動(dòng)性能，易于實(shí)現(xiàn)ABS、TCS、ESP、ACC等功能。
c.模塊式結(jié)構(gòu)更加整體化，裝配簡(jiǎn)單，維修方便。
d.利于環(huán)保，沒有液壓制動(dòng)管路和制動(dòng)液，不存在液壓油泄漏的問題，EMB系統(tǒng)沒有不可回收的部件，對(duì)環(huán)境幾乎沒有污染。
1EMB的發(fā)展和現(xiàn)狀
歷史上，EMB首先應(yīng)用在飛機(jī)上，現(xiàn)在正處于向汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究和改進(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)將轉(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，一些著名的汽車電子零部件廠商陸續(xù)開始了與EMB相關(guān)的研究，從發(fā)表的專利來(lái)看，現(xiàn)在Bosch、Siemens和ContinentalTeves公司己經(jīng)取得了部分研究成果，但仍然只是處于研制試驗(yàn)階段，并無(wú)批量裝車產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，只有部分研究人員做過一些系統(tǒng)仿真、裝車試驗(yàn)等工作，申請(qǐng)的專利也比較零散。在國(guó)內(nèi)，目前也只有清華大學(xué)剛剛開始了一些對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究。
2EMB的原理和工作方式
圖1為一4輪機(jī)動(dòng)車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它有4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)墊塊。它們作為一個(gè)整體將制動(dòng)力施加在制動(dòng)盤上。
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。控制單元同樣也從執(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)墊塊和制動(dòng)盤的觸點(diǎn)壓力等。中心模塊通過不同的傳感器(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)過處理后發(fā)送給每一個(gè)車輪，以此來(lái)控制制動(dòng)效果。
而駕駛員的意圖來(lái)自制動(dòng)踏板單元，它包括制動(dòng)踏板、踏板位移傳感器、踏板力傳感器和踏板力模擬機(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)中分為前軸和后軸兩套制動(dòng)回路A、B，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Bat2。兩個(gè)中心控制模塊相對(duì)獨(dú)立工作，同時(shí)也通過雙向的信號(hào)線互相通訊，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1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。
1EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)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)在已經(jīng)有Bosch、Siemens和ContinentalTeves三家公司取得了各自的研究成果，并申請(qǐng)了一系列的專利。其中ContinentalTeves公司己經(jīng)有了比較成型的試驗(yàn)品。表1為上述三家公司己經(jīng)發(fā)布的關(guān)于EMB的專利情況。
1幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比
EMB的科研現(xiàn)在只是處于一個(gè)起步狀態(tài)，所以并沒有約定俗成的EMB系統(tǒng)。這幾家公司的EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)框架基本一樣，都是針對(duì)盤式制動(dòng)器開發(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)和行星齒輪機(jī)構(gòu)，不同之處主要有以下幾點(diǎn)。
a.Bosch公司的EMB采用的是電機(jī)外置結(jié)構(gòu)，而Siemens和ContinentalTeves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)子與其他零件結(jié)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。
b.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)雜的過程。Bosch公司以前的專利中，只包含一*個(gè)行星輪系，但為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能增加了許多附屬機(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，相比之下更為先進(jìn)和成熟。
C.Siemens公司的EMB采用了增力杜桿結(jié)構(gòu)，還具備間隙自動(dòng)調(diào)整功能。這種制動(dòng)盤和制動(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。Siemens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。
d.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)卣{(diào)整磨損后制動(dòng)盤和制動(dòng)墊塊的間隙；Siemens公司采用的是機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，可靠性次之；而Bosch公司的EMB并沒有特殊設(shè)計(jì)的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，因此使制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。
2結(jié)論
電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)有著傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)最終取代液壓制動(dòng)系統(tǒng)己經(jīng)成為汽車業(yè)界的一個(gè)共識(shí)。目前發(fā)展EMB需要解決的難題主要有以下幾個(gè)。
a.力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)。在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)制動(dòng)墊塊和制動(dòng)盤接觸后，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。
b.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，如何有效地傳遞轉(zhuǎn)矩，增大轉(zhuǎn)矩，并且保證體積小巧是一個(gè)難題。
c.成本的降低。有效降低EMB中的力矩電機(jī)成本，將會(huì)更快推動(dòng)EMB的發(fā)展和應(yīng)用。
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