汽車電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)的發(fā)展研究

1、    汽車電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)的發(fā)展研究         本文針對(duì)人們對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的要求，結(jié)合智能制動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理，綜述了電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)的發(fā)展過(guò)程，提出對(duì)EMB的結(jié)構(gòu)要求和亟待解決的問題。隨著消費(fèi)者對(duì)車輛安全性的日益重視，汽車制動(dòng)系統(tǒng)也不斷改進(jìn)。從最初的皮革摩擦制動(dòng)，到后來(lái)出現(xiàn)鼓式、盤式制動(dòng)器，再到后來(lái)出現(xiàn)機(jī)械式ABS制動(dòng)系統(tǒng)。緊接著伴隨電子技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了模擬電子ABS制動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)字式電控ABS制動(dòng)系統(tǒng)等等。近10年來(lái)西方發(fā)達(dá)國(guó)家又興起了對(duì)車輛線控

2、系統(tǒng)(x-by-wire)的研究，隨著線控制動(dòng)系統(tǒng)(brake-by-wire)概念的提出，業(yè)內(nèi)展開了對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)器的研究。簡(jiǎn)單地說(shuō)，電子機(jī)械制動(dòng)器就是把原來(lái)由液壓或者壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的部分改為由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，借以提高響應(yīng)速度、增加制動(dòng)效能等，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、降低了裝配和維護(hù)的難度。由于人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動(dòng)系統(tǒng)在加入了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大，同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高。因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來(lái)越受到青睞，可以預(yù)見電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)將最終取代

3、傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動(dòng)器，成為未來(lái)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。EHB系統(tǒng)EHB(Electro-Hvdraulic Brake)即線控液壓制動(dòng)器，是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。EHB采用電子控制功能取代了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)踏板與輪邊制動(dòng)器之間的機(jī)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(dòng)過(guò)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(yīng)駕駛者施加在踏板上制動(dòng)力的速度及強(qiáng)度，以獲得(識(shí)別)駕駛者的制動(dòng)意圖；然后，根據(jù)系統(tǒng)電氣線路傳輸來(lái)的感應(yīng)信號(hào)計(jì)算出各車輪所需的制動(dòng)力；接著，液壓執(zhí)行單元根據(jù)EHB計(jì)算機(jī)輸出的控制指令通過(guò)高壓蓄能器分別對(duì)各車輪

4、精確施加所需的制動(dòng)力，使得車輛更快速、更穩(wěn)定地制動(dòng)或減速。所以，EHB制動(dòng)是由感應(yīng)、計(jì)算、電控執(zhí)行制動(dòng)過(guò)程構(gòu)成的線控制動(dòng)系統(tǒng)。車輛安裝EHB系統(tǒng)后，便可以取消原先的真空制動(dòng)增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)液壓力可達(dá)140bar，完全能快速響應(yīng)駕駛者的制動(dòng)指令。EHB系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)各車輪制動(dòng)力進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算及控制，所以能夠縮短車輛制動(dòng)距離，提高行車安全性。另外，EHB系統(tǒng)還能夠通過(guò)軟件集成諸如制動(dòng)防抱ABS、電子穩(wěn)定程序ESP及輔助制動(dòng)BAS等功能，以進(jìn)一步提高車輛制動(dòng)的安全性及舒適性。在緊急制動(dòng)工況下，當(dāng)駕駛者的腳迅速撤離加速踏板時(shí)，EHB系統(tǒng)便根據(jù)這一

5、信號(hào)獲得即將到來(lái)的制動(dòng)需求，于是系統(tǒng)當(dāng)即向輪邊制動(dòng)器緩緩施加制動(dòng)力。一旦駕駛者快速踩動(dòng)制動(dòng)踏板，制動(dòng)系統(tǒng)便能更為快捷地響應(yīng)緊急制動(dòng)指令，施加緊急制動(dòng)力。由于EHB系統(tǒng)提前啟動(dòng)了制動(dòng)系統(tǒng)，所以，EHB系統(tǒng)能夠進(jìn)一步縮短緊急制動(dòng)工況下的制動(dòng)距離，提高行車安全性。在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下，EHB系統(tǒng)提供給外側(cè)車輪的制動(dòng)力大子內(nèi)側(cè)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(dòng)功能ABS，那么當(dāng)EHB系統(tǒng)探測(cè)到制動(dòng)踏板上的壓力迅速撤消并且在此之前的制動(dòng)力還不足以使車輪抱死時(shí)，系統(tǒng)便斷定緊急事故已經(jīng)發(fā)生，并自動(dòng)增加制動(dòng)力至ABS功能啟動(dòng)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?qū)е缕渌馔鈧?。由于EHB采用了線控技術(shù)，所以在制動(dòng)過(guò)程中當(dāng)ABS功能啟動(dòng)后，制動(dòng)踏板不會(huì)再出現(xiàn)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)普遍存在的脈動(dòng)反；中力，進(jìn)而提高緊急制動(dòng)時(shí)的操作舒適性。在濕滑路況下，EHB更會(huì)自動(dòng)干燥制動(dòng)盤以提高及穩(wěn)定車輛的制動(dòng)性能。另外，EHB系統(tǒng)還能在車輛完全停止前將制動(dòng)力適當(dāng)調(diào)緩(緊急制動(dòng)情況除外)，令制動(dòng)過(guò)程變得更為舒適。相比傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器，EHB有了顯著的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)緊湊、改善了制動(dòng)效能、控制方便可靠、制動(dòng)噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動(dòng)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(shè)計(jì)過(guò)程中又提高了設(shè)計(jì)的靈活性、減少了制動(dòng)系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車

7、內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)的布置、空間?？梢娤啾葌鹘y(tǒng)的液壓制動(dòng)器，EHB有了很大的改善。但是EHB還是有其局限性，那就是整個(gè)系統(tǒng)仍然需要液壓96件，其基本的還是離不開制動(dòng)液。EMB系統(tǒng)如果把EHB稱為“濕”式brake-by-wire制動(dòng)系統(tǒng)的話，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制動(dòng)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(dòng)液和液壓部件，制動(dòng)力矩完全通過(guò)安裝在4個(gè)輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動(dòng)主缸、液壓管路等等，可以大大簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動(dòng)液的取消，對(duì)于環(huán)境的污染大大降低了。另外，由于相應(yīng)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(duì)車輛底盤進(jìn)行綜合主動(dòng)控制。其突出的優(yōu)點(diǎn)是：不需要制動(dòng)管路從而降低了制造成本和安裝布置的難度、制動(dòng)效能得到了提高、性能穩(wěn)定，不需要制動(dòng)液降低了成本、并且保護(hù)環(huán)境，便于融入到車輛綜合控制的網(wǎng)絡(luò)中去(CAN總線)減少了部件數(shù)降低了對(duì)空間的占用。由于制動(dòng)踏板只提供參考輸入不直接作用于制動(dòng)系統(tǒng)之上，便于改善踏板性能。從20世紀(jì)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(duì)EMB電制動(dòng)器的研究，并做過(guò)一些相應(yīng)的系統(tǒng)仿真和裝車試驗(yàn)。EMB最早應(yīng)用在飛機(jī)上，如美國(guó)的F15戰(zhàn)斗機(jī)就采用了EMB制動(dòng)器，后來(lái)才慢慢轉(zhuǎn)化運(yùn)用到汽車上來(lái)。EMB與傳統(tǒng)的

9、制動(dòng)系統(tǒng)有著極大的差別，其執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu)需要全部重新設(shè)計(jì)。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要能夠把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)蹄塊的平動(dòng)、需要能夠減速增矩、需要能夠自動(dòng)補(bǔ)償由于長(zhǎng)期工作而產(chǎn)生的制動(dòng)間隙等，而且由于體積的限制其結(jié)構(gòu)也必須巧妙和緊湊，是整個(gè)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角從而防止制動(dòng)抱死。最近幾年一些國(guó)際大型汽車零部件廠商和汽車廠進(jìn)行了一些對(duì)于EMB制動(dòng)系統(tǒng)的研究工作，也申請(qǐng)了一部分專利，而我國(guó)在此項(xiàng)目上的研究基本為空白。對(duì)于EMB系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接接受電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩，并放大作用到制動(dòng)盤上，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足如下幾個(gè)基本的要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置；

10、(2)能夠把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平動(dòng)；(3)有減速增矩、自增力機(jī)構(gòu)；(4)能夠自動(dòng)補(bǔ)償制動(dòng)間隙；(5)能夠提供停車時(shí)的駐車制動(dòng)；(6)安全可靠、工作時(shí)間長(zhǎng)。EMB制動(dòng)系統(tǒng)從節(jié)省能量的角度來(lái)說(shuō)可以分為兩個(gè)大類，其一是電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)然后作用到制動(dòng)盤上，其典型是大陸公司研制的制動(dòng)器；第二類是電動(dòng)機(jī)通過(guò)一個(gè)自增力機(jī)構(gòu)，間接作用到制動(dòng)盤上，可以大大降低系統(tǒng)所消耗的能量。第一種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，制動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定；但是由于電機(jī)提供所有推動(dòng)制動(dòng)塊所需的推力，使得所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率很大，從而造成電機(jī)的尺寸、重量和能耗都較大。第二種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器由于間接利用了汽車的動(dòng)能作為制動(dòng)自增力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器小，不過(guò)目前這種形式的制動(dòng)器控制難度大，制動(dòng)穩(wěn)定性也不如前者。瑞典的Haldex公司研制的EMB可作為一個(gè)緊湊的集成的車輪模塊來(lái)生產(chǎn)，并能夠與如今的車橋和制動(dòng)盤完美地結(jié)合在一起，無(wú)需增加額外的與車橋一側(cè)的連接匹配。EMB完全可以采用跟過(guò)去一樣的成熟的方式來(lái)預(yù)先安裝到車橋上，最后只需要對(duì)車輛系統(tǒng)的電子接口進(jìn)行連接。以一輛40t的載貨車為例，裝有盤式制動(dòng)器和EBS，在時(shí)速為90kmh時(shí)開始制動(dòng)，到其停下來(lái)的制動(dòng)距離比以前采用ABS和鼓式制動(dòng)器(制動(dòng)壓力800kPa)時(shí)縮短了45%左右，而Haldex公

12、司推出的EMB能夠進(jìn)一步縮短14%的制動(dòng)距離。EMB開發(fā)所需解決的問題EMB制動(dòng)系統(tǒng)顯而易見的具有很多傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)由于其發(fā)展時(shí)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(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該如何動(dòng)作?如果制動(dòng)踏板模擬器出現(xiàn)故障該如何處置?因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和意外事故保險(xiǎn)方面的研究力度。(2)由于在高速制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，因此需要加強(qiáng)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和散熱性能。需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)采用大量的電控技術(shù)就難以避免有大量的電子電路，又由于車輛工況復(fù)雜而且在外部暴露的電磁場(chǎng)和地球

13、磁場(chǎng)環(huán)境中工作，這就需要加強(qiáng)電制動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾能力。(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作需要消耗大量的電能，這是對(duì)目前車輛使用的12V電源的一個(gè)考驗(yàn)，未來(lái)將采取42V的電壓來(lái)位系統(tǒng)提供能量。(5)目前車輛EMB制動(dòng)系統(tǒng)還要加強(qiáng)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(duì)車輛進(jìn)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(shù)，使得目前電制動(dòng)系統(tǒng)的成本比現(xiàn)有的液壓制動(dòng)系統(tǒng)成本高，因此降低系統(tǒng)的使用成本也是當(dāng)前需要解決的問題。目前EMB制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)還不成熟，需要解決的技術(shù)問題還很多，國(guó)外把對(duì)電制動(dòng)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)集中在如下幾個(gè)方面：(1)耐高溫電子元器件；(2)機(jī)械電子執(zhí)行機(jī)

14、構(gòu)；(3)可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制算法；(4)靈敏度高而又廉價(jià)的傳感器；(5)系統(tǒng)容錯(cuò)控制；(6)高可靠性的電線和連接件；(7)力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)。對(duì)耐高溫電子元器件的研究主要涉及到兩個(gè)方面：一是在電子元器件本身上下功夫，提高其對(duì)高溫的承受能力和在高溫下的工作穩(wěn)定性；另一個(gè)就是改良制動(dòng)盤的材料和提高其散熱。為電子元器件的工作提供一個(gè)良好的環(huán)境。在對(duì)制動(dòng)器的控制算法和先進(jìn)傳感器的研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也都做了很多工作。而目前車輛制動(dòng)器的控制算法上主要采用三種：滑?？刂扑惴?、邏輯門限值控制、最優(yōu)控制算法等。在電控制動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性上，最近查閱大量的論文在研究這個(gè)問題。因?yàn)檫@個(gè)問題牽涉到了制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，

15、因此是一個(gè)關(guān)鍵和至關(guān)重要的研究方向。有些學(xué)者是用實(shí)驗(yàn)的方法去檢測(cè)和評(píng)估EMB對(duì)制動(dòng)請(qǐng)求的響應(yīng)情況，并通過(guò)一定的算法來(lái)忽略瞬間的錯(cuò)誤信號(hào)借以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制；有的是在分布式的線控制動(dòng)系統(tǒng)中加入一個(gè)中央控制芯片(brake-by-wire Manager)，這是一個(gè)專門進(jìn)行容錯(cuò)控制的冗余設(shè)計(jì)，并配以專門編寫的軟件來(lái)進(jìn)行容錯(cuò)控制處理；最近的是在系統(tǒng)中引入一個(gè)監(jiān)控器(monitor)，用以檢測(cè)可能導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤和失效的信號(hào)，然后產(chǎn)生錯(cuò)誤檢測(cè)代碼，根據(jù)代碼來(lái)處理失效和提高安全性。顯然車輛電控系統(tǒng)的容錯(cuò)控制是一個(gè)牽涉到計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)制造相應(yīng)會(huì)簡(jiǎn)單一些。另外在制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)將在“堵轉(zhuǎn)”的惡劣環(huán)境下工作，因此對(duì)電機(jī)的可靠性要求高，而且必須結(jié)構(gòu)小巧緊湊、便