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電子機(jī)械制動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀論文
電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EIbctromechanicalBrakeSystem)簡稱為EMB與常規(guī)的液壓制動系統(tǒng)截然不同。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)發(fā)展至今，己是非常成熟的技術(shù)。隨著人們對制動性能要求的不斷提高，防抱死制動系統(tǒng)（ABS)、牽引力控制系統(tǒng)（TCS)、電子穩(wěn)定性控制程序（ESP)主動避撞技術(shù)（ACC)等功能逐漸融入到制動系統(tǒng)中，越來越多的附加機(jī)構(gòu)安裝于制動線路上，這使得制動系統(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)更簡捷，功能更可靠的電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EMB)最終取代傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)己經(jīng)成為汽車行業(yè)的共識。
EMB以電能作為能量來源，由電機(jī)驅(qū)動制動鉗塊，整個系統(tǒng)內(nèi)沒有液壓管路，因此也就沒有制動液體，機(jī)械連接很少，由電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號，所以又被稱為線制動系統(tǒng)（BmkebyW^ire)電子機(jī)械制動是一種全新的制動理念，它簡捷的結(jié)構(gòu)，高效的性能極大的提高了汽車的制動安全性。
1電子機(jī)械制動系統(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，特別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動，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)的研宄從發(fā)表的專利來看，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階段，并無批量裝車產(chǎn)品進(jìn)入市場，只有部分研宄人員做過一些系統(tǒng)仿真，裝車試驗等工作，申請的專利也比較零散，而在國內(nèi)此項研宄至今仍屬空白。
2電子機(jī)械制動系統(tǒng)的原理和工作方式
圖1為一四輪機(jī)動車電子機(jī)械制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。它有四套制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每一套執(zhí)行機(jī)構(gòu)都包括力矩電機(jī)，制動器外殼和制動鉗塊。它們作為一個整體將制動力施加在制動盤上。
每一個制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有自己的動力控制單元，而動力控制單元所需的控制信號，如制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該產(chǎn)生的力矩，由中心控制模塊來提供�？刂茊卧瑯右矎膱�(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得反饋回來的信號，如電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，實際產(chǎn)生的力矩，制動鉗塊和制動盤的觸點壓力等。中心模塊通過不同的傳感器，如制動力傳感器、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)，識別駕駛員的意圖，經(jīng)過處理后發(fā)送給每一個車輪，以此來控制制動效果。
而駕駛員的意圖來自于制動踏板單元，它包括制動踏板，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套制動回路AB每一套回路都有自己的中心控制模塊和動力源，此處為蓄電池Batl和Bat22個中心控制模塊4相對獨立工作，同時也通過雙向的信號線互相通信，在這種結(jié)構(gòu)下，可以做到當(dāng)其中某一套制動線路失靈或出現(xiàn)故障時，另外一套線路可以照常工作，保證制動的安全性。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)械制動系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是與制動盤直接相連的部分，是EMB與液壓制動系統(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)動力的力矩電機(jī)；
(3)具有把圓周運動轉(zhuǎn)化為直線運動的機(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，并申請了一系列的專利。其中ContinentalTeves公司己經(jīng)有了比較成型的試驗品。
3.1Bosch公司的現(xiàn)階段科研成果
德國Bosch公司于1996年10月23日在美國專利局申請了第一篇關(guān)于EMB的專利，至今共申請了12項相關(guān)專利，最近的專利是于2003年03月25日新發(fā)布的“ELEC-TROMAGNETI：WHEELBRAKEDEVCE”圖2為此專利中描述的工作時，動力由電機(jī)輸入端5輸入給內(nèi)部的兩個行星輪系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組成的類似行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為螺母17的直線運動。螺母17推動制動鉗塊22將制動力施加在制動盤21上。摩擦盤8與行星輪系12的太陽輪15通過一個杯形彈簧16固接在一起，摩擦盤2與行星輪系12的行星齒圏26以同樣的方式固接。在兩個行星輪系1012之間有兩套電磁離合器7和11當(dāng)兩個電磁離合器通電時，摩擦盤2和8分別與母體11和7結(jié)合，同步運動。不通電時，摩擦盤受制動環(huán)限制無法轉(zhuǎn)動。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。此時太陽輪6、15結(jié)合同步轉(zhuǎn)動，齒圏26在制動盤24的作用下靜止，兩個太陽輪6、15旋轉(zhuǎn)方向相同，傳動比大，可提供迅速克服制動鉗塊22和制動盤21之間間隙。
(2)兩個電磁離合器都通電。此時太陽輪615齒圏126都同步轉(zhuǎn)動。由于太陽輪615轉(zhuǎn)動半徑相同，齒圏126轉(zhuǎn)動半徑也相同，而行星輪4的轉(zhuǎn)動半徑大于行星輪13因此行星輪架14轉(zhuǎn)動方向仍然與太陽輪15相同，實現(xiàn)了減速增矩的功能。
(3)電磁離合器7不通電，11通電。此時齒圏1、26結(jié)合，同步轉(zhuǎn)動，太陽輪15在制動環(huán)24的作用下靜止，此時行星輪架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，即可使制動鉗塊22和制動盤21分離。此功能可用來調(diào)整制動間隙。
(4)兩個電磁離合器都不通電。此時太陽輪15齒圏26在制動環(huán)24的作用下都不轉(zhuǎn)動，行星輪架14亦無法轉(zhuǎn)動，因此制動力矩始終施加在制動鉗塊22上，實現(xiàn)制動力保持，此種工作方式可用于駐車功能。
32Siemens公司的現(xiàn)階段科研成果
德國Sifmens公司于1997年07月24日在美國專利局8月13日發(fā)布的最新專利，先后一共申請了5項相關(guān)專利，圖3為Sitmens公司研制的一種典型的帶有機(jī)械磨損后，可以自動補(bǔ)償制動盤和制動鉗塊間隙的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，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使螺母和心軸做軸向運動，就把圓周運動轉(zhuǎn)化為了直線運動。心軸軸向推動增力杠桿和壓力盤。杠桿的末端插在制動器缸內(nèi)的凹槽內(nèi)，能夠繞凹槽轉(zhuǎn)動，在圖中采用鉸鏈表示。壓力盤再把力傳遞給傳動套筒，套筒和制動活塞之間通過螺紋傳動，這個螺紋傳動副是不自鎖的。制動活塞推動浮動制動鉗塊，產(chǎn)生制動力矩。
橡膠密封環(huán)和彈簧的主要作用是制動后使制動活塞等零件回位。當(dāng)活塞向右移動時，活塞使橡膠環(huán)產(chǎn)生彈性變形，產(chǎn)生了作用在制動活塞上的回位力。當(dāng)制動結(jié)束后，在橡膠環(huán)的彈性形變力下，傳動套筒和制動活塞被推回到制動前的位置上。
Siemens公司的EMB還具備間隙自動調(diào)整功能。當(dāng)制動鉗塊磨損比較嚴(yán)重時，制動活塞的行程超出了橡膠環(huán)形變量時，二者發(fā)生相對滑動。制動卸載時，橡膠環(huán)帶動活塞回位。由于活塞和橡膠環(huán)發(fā)生相對運動，因此活塞返回的行程一定小于制動前走過的行程，于是傳動套筒和壓力盤之間出現(xiàn)了空隙。傳動套筒從制動活塞的內(nèi)腔中被彈簧推出，直到與壓力盤再次接觸，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日在美國專利局申請了第一篇關(guān)于EMB的專利開始，到最近一次于2003年04月22日發(fā)布的最新專利先后一共申請了12項相關(guān)專利，圖4為ContinentalTeves公司研制的最新成果--帶有兩級減速機(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)，它還有一個特點就是模塊化，整個機(jī)構(gòu)分為3個獨立的模塊，分別為驅(qū)動部分，一級絲杠螺母減速部分和二級減速齒輪部分，3個模塊在生產(chǎn)，安裝，維修時可以獨立進(jìn)行，然后組裝在一起工作。
在驅(qū)動模塊中包含有一個力矩電機(jī)，1516分別是電機(jī)的轉(zhuǎn)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(gòu)成了一個球螺旋機(jī)構(gòu)。二級減速齒輪由8、9、1213組成，這是一個行星輪系。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子15轉(zhuǎn)動時，其上的齒輪10帶動二級減速齒輪部分的行星輪13轉(zhuǎn)動，同時另一側(cè)的齒輪12與齒圏8相嚙合，這樣力矩便通過旋轉(zhuǎn)的行星輪架9傳遞給了一級減速機(jī)構(gòu)中的螺母軸頸11當(dāng)螺旋螺母18由二級減速齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，通過球螺旋副螺旋心軸4產(chǎn)生向左的平動，推動壓盤19和制動鉗塊2與制動盤1接觸，產(chǎn)生制動力矩。
在驅(qū)動部分中還有一個棘輪機(jī)構(gòu)5、6、7用于實現(xiàn)駐車功能。通過電磁鐵5的通斷電，可以使棘爪7繞銷釘6轉(zhuǎn)動，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子15是否旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子15不轉(zhuǎn)動時，可以保持住制動力，達(dá)到駐車的目的。
4幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對比
文中所列的幾種EMB是BoschSiemens和ContinentalTeves公司最新的專利中描述的，也是這幾個公司目前公布的最先進(jìn)的科研成果。
這幾個公司的EMB結(jié)構(gòu)框架是基本一樣的，都是針對的盤式制動器開發(fā)的，都具有把圓周運動轉(zhuǎn)化為直線運動的機(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：
(1)Bosch公司的EMB沒有把力矩電機(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，但同時也增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以說各有利弊。
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)歷了一個結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡單，功能由簡單到復(fù)雜的過程。Bosch公司以前申請。
(1)增加了許多附屬機(jī)構(gòu)。采用了兩個電磁離合器和兩個行星輪系后，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器缸內(nèi)的凹槽內(nèi)，能夠繞凹槽轉(zhuǎn)動。當(dāng)心軸軸向移動推動增力杠桿和壓力盤時，壓力盤是不轉(zhuǎn)動的由于心軸和壓力盤在杠桿兩側(cè)的力臂不同壓力盤的力臂短，從圖3中看兩個力臂之比大約是4:1這就使壓力盤的壓力大于心軸產(chǎn)生的軸向推力，起到了增力的作用。另外Simens公司的EMB還具備間隙自動調(diào)整功能。這種制動盤和制動墊塊的間隙自動補(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)自動實現(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測量心軸移動的軸向距離，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，通過內(nèi)部的電子控制單元控制間隙大小，從可靠性來說能最恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整磨損后制動盤和制動墊塊的間隙，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Bosch公司的EMB并沒有特殊設(shè)計的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，但因此也使制動器的結(jié)構(gòu)相對簡單。
5結(jié)束語
(1)力矩電機(jī)的設(shè)計。在制動時，當(dāng)制動鉗塊和制動盤接觸后，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)制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。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更快推動EMB的發(fā)展和應(yīng)用。
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