【电子机械制动系统发展现状】 制动系统研究现状

电子机械制动系统发展现状

EMB以电能作为能量来源，由电机驱动制动钳块，整个系统内没有 液压管路，因此也就没有制动液体，机械连接很少，由电线传递能量，数据线传 递信号，所以又被称为线制动系统（BmkebyW^ire)电子机械制动是一种全新的 制动理念，它简捷的结构，高效的性能极大的提高了汽车的制动安全性。

1电子机械制动系统的发展和现状 历史上，丽B首先应用在飞机上，现在正在处于向汽车领域应用的研 宄和改进阶段。EMB与常规的液压制动系统截然不同，它的供能，执行和控制 机构全部需要重新设计，特别是执行机构，由电机驱动，要实现转动转化为平动， 减速增矩等功能，是EMB中机械零件集中的部分。从20世纪90年代起一些著名 的汽车电子零部件厂商陆续开始了与EMB相关的研宄从发表的专利来看，现在 BoschSiemens和ContinentalTeves公司己经取得了部分研宄成果，但仍然只是处于 研制试验阶段，并无批量装车产品进入市场，只有部分研宄人员做过一些系统仿 真，装车试验等工作，申请的专利也比较零散，而在国内此项研宄至今仍属空白。

2电子机械制动系统的原理和工作方式 图1为一四轮机动车电子机械制动系统的结构简图。它有四套制动执 行机构，每一套执行机构都包括力矩电机，制动器外壳和制动钳块。它们作为一 个整体将制动力施加在制动盘上。

每一个制动执行机构都有自己的动力控制单元，而动力控制单元所需 的控制信号，如制动执行机构应该产生的力矩，由中心控制模块来提供。控制单 元同样也从执行机构获得反馈回来的信号，如电机转子转角，实际产生的力矩，制动钳块和制动盘的触点压力等。中心模块通过不同的传感器，如制动力传感器、 踏板位移传感器、轮速传感器等获取自己所需的变量参数，识别驾驶员的意图， 经过处理后发送给每一个车轮，以此来控制制动效果。

而驾驶员的意图来自于制动踏板单元，它包括制动踏板，踏板位移传 感器，踏板力传感器踏板力模拟机构。其中踏板位移传感器和力传感器并不是必 须同时存在的。

由图1可以看出系统中分为前轴和后轴2套制动回路AB每一套回路都 有自己的中心控制模块和动力源，此处为蓄电池Batl和Bat22个中心控制模块4相 对独立工作，同时也通过双向的信号线互相通信，在这种结构下，可以做到当其 中某一套制动线路失灵或出现故障时，另外一套线路可以照常工作，保证制动的 安全性。图中带有箭头的代表数据传输线，箭头表示了数据传输方向。

3EMB的典型结构 电子机械制动系统中的执行机构是与制动盘直接相连的部分，是 EMB与液压制动系统差别最大的部分，也是EMB中机械零件的集中部分。一个 典型的执行机构应该：
(1)结构紧凑，体积小巧；

(2)有提供驱动力的力矩电机；

(3)具有把圆周运动转化为直线运动的机构；

(4)具有力的放大机构；

(5)为保证更可靠的性能，最好在内部设有力或位移等传感器。

现在己经有BoschSiemens和ContinentalTeves这3家公司取得了各自的 研宄成果，并申请了一系列的专利。其中ContinentalTeves公司己经有了比较成型 的试验品。

3.1Bosch公司的现阶段科研成果 德国Bosch公司于1996年10月23日在美国专利局申请了第一篇关于EMB的专利，至今共申请了12项相关专利，最近的专利是于2003年03月25日新 发布的“ELEC-TROMAGNETI：WHEELBRAKEDEVCE”图2为此专利中描述的 工作时，动力由电机输入端5输入给内部的两个行星轮系10和12然后 传递给螺纹心轴19再经螺纹心轴19螺母17和螺纹滚柱18组成的类似行星齿轮机 构转化为螺母17的直线运动。螺母17推动制动钳块22将制动力施加在制动盘21 上。摩擦盘8与行星轮系12的太阳轮15通过一个杯形弹簧16固接在一起，摩擦盘2 与行星轮系12的行星齿圏26以同样的方式固接。在两个行星轮系1012之间有两套 电磁离合器7和11当两个电磁离合器通电时，摩擦盘2和8分别与母体11和7结合， 同步运动。不通电时，摩擦盘受制动环限制无法转动。此执行机构有如下4种工 作方式：
(1)电磁离合器7通电，11不通电。此时太阳轮6、15结合同步转动， 齿圏26在制动盘24的作用下静止，两个太阳轮6、15旋转方向相同，传动比大， 可提供迅速克服制动钳块22和制动盘21之间间隙。

(2)两个电磁离合器都通电。此时太阳轮615齿圏126都同步转动。由 于太阳轮615转动半径相同，齿圏126转动半径也相同，而行星轮4的转动半径大 于行星轮13因此行星轮架14转动方向仍然与太阳轮15相同，实现了减速增矩的功 能。

(3)电磁离合器7不通电，11通电。此时齿圏1、26结合，同步转动， 太阳轮15在制动环24的作用下静止，此时行星轮架14和齿圏26的旋转方向相反， 在不需电机反转的情况下，即可使制动钳块22和制动盘21分离。此功能可用来调 整制动间隙。

(4)两个电磁离合器都不通电。此时太阳轮15齿圏26在制动环24的作 用下都不转动，行星轮架14亦无法转动，因此制动力矩始终施加在制动钳块22 上，实现制动力保持，此种工作方式可用于驻车功能。

32Siemens公司的现阶段科研成果 德国Sifmens公司于1997年07月24日在美国专利局8月13日发布的最 新专利，先后一共申请了5项相关专利，图3为Sitmens公司研制的一种典型的带 有机械磨损后，可以自动补偿制动盘和制动钳块间隙的EMB执行机构。这种执行机构力矩电机内置，图中1转子与螺母相啮合，螺母和心轴 固结在一起。当电机工作时，转子转动，使螺母和心轴做轴向运动，就把圆周运 动转化为了直线运动。心轴轴向推动增力杠杆和压力盘。杠杆的末端插在制动器 缸内的凹槽内，能够绕凹槽转动，在图中采用铰链表示。压力盘再把力传递给传 动套筒，套筒和制动活塞之间通过螺纹传动，这个螺纹传动副是不自锁的。制动 活塞推动浮动制动钳块，产生制动力矩。

橡胶密封环和弹簧的主要作用是制动后使制动活塞等零件回位。当活 塞向右移动时，活塞使橡胶环产生弹性变形，产生了作用在制动活塞上的回位力。

当制动结束后，在橡胶环的弹性形变力下，传动套筒和制动活塞被推回到制动前 的位置上。

Siemens公司的EMB还具备间隙自动调整功能。当制动钳块磨损比较 严重时，制动活塞的行程超出了橡胶环形变量时，二者发生相对滑动。制动卸载 时，橡胶环带动活塞回位。由于活塞和橡胶环发生相对运动，因此活塞返回的行 程一定小于制动前走过的行程，于是传动套筒和压力盘之间出现了空隙。传动套 筒从制动活塞的内腔中被弹簧推出，直到与压力盘再次接触，退出的行程也就恰 好等于磨损掉的厚度。

3.3ContinentalTeves公司的现阶段科研成果 ContinentalTeves公司于1996年05月29日在美国专利局申请了第一篇 关于EMB的专利开始，到最近一次于2003年04月22日发布的最新专利先后一共 申请了12项相关专利，图4为ContinentalTeves公司研制的最新成果--带有两级减 速机构的EMB执行机构。

ContinentalTeves公司的执行机构也采用了电机内置的结构，它还有一 个特点就是模块化，整个机构分为3个独立的模块，分别为驱动部分，一级丝杠 螺母减速部分和二级减速齿轮部分，3个模块在生产，安装，维修时可以独立进 行，然后组装在一起工作。

在驱动模块中包含有一个力矩电机，1516分别是电机的转子和定子。

一级丝杠螺母减速部分由螺旋螺母18螺旋心轴4和大量的钢珠17组成，这3者构成了一个球螺旋机构。二级减速齿轮由8、9、1213组成，这是一个行星轮系。当电 机转子15转动时，其上的齿轮10带动二级减速齿轮部分的行星轮13转动，同时另 一侧的齿轮12与齿圏8相啮合，这样力矩便通过旋转的行星轮架9传递给了一级减 速机构中的螺母轴颈11当螺旋螺母18由二级减速齿轮驱动旋转时，通过球螺旋副 螺旋心轴4产生向左的平动，推动压盘19和制动钳块2与制动盘1接触，产生制动 力矩。

在驱动部分中还有一个棘轮机构5、6、7用于实现驻车功能。通过电 磁铁5的通断电，可以使棘爪7绕销钉6转动，来控制电机转子15是否旋转。当电 机转子15不转动时，可以保持住制动力，达到驻车的目的。

4几种执行机构的对比 文中所列的几种EMB是BoschSiemens和ContinentalTeves公司最新的 专利中描述的，也是这几个公司目前公布的最先进的科研成果。

这几个公司的EMB结构框架是基本一样的，都是针对的盘式制动器 开发的，都具有把圆周运动转化为直线运动的机构，具有减速增矩机构，具有行 星齿轮机构，它们之间不同之处主要有以下几点：
(1)Bosch公司的EMB没有把力矩电机安装在机构内部，采用的是电机 外置，而Siemens和ContinentilTeves公司采用的都是电机内置结构，把电机的定 子和转子与其他零件接合在一起。这种布置方式能够使结构更紧凑，体积更小巧， 但同时也增加了结构的复杂性，可以说各有利弊。

Bosch公司研制的EMB内部都含有电磁离合器，但是电磁离合器的作 用不尽相同，经历了一个结构由复杂到简单，功能由简单到复杂的过程。Bosch 公司以前申请。

(1)增加了许多附属机构。采用了两个电磁离合器和两个行星轮系后， 工作方式变得更加清晰，功能更加多样。

(2)Simens公司的EMB采用了增力杠杆结构，如图3所示，增力杠杆的 末端插在制动器缸内的凹槽内，能够绕凹槽转动。当心轴轴向移动推动增力杠杆 和压力盘时，压力盘是不转动的由于心轴和压力盘在杠杆两侧的力臂不同压力盘 的力臂短，从图3中看两个力臂之比大约是4:1这就使压力盘的压力大于心轴产生 的轴向推力，起到了增力的作用。另外Simens公司的EMB还具备间隙自动调整功能。这种制动盘和制动垫块的间隙自动补偿方式是其特有的结构，完全是由执行 机构本身的机械结构自动实现的。Simens公司的EMB内部还带有环形压电式力传 感器和位移传感器用来测量心轴移动的轴向距离，工作性能更为可靠。

(3)这几家公司的EMB都采用了不同的间隙磨损调整方式。

ContinentalTeves公司采用的是一种智能控制方式，通过内部的电子控制单元控制 间隙大小，从可靠性来说能最恰当的调整磨损后制动盘和制动垫块的间隙，性能 最可靠，Siemens公司采用的是完全的机械调整机构，可靠性次之，而Bosch公司 的EMB并没有特殊设计的间隙调整机构，但因此也使制动器的结构相对简单。

5结束语 (1)力矩电机的设计。在制动时，当制动钳块和制动盘接触后，EMB 中的力矩电机将工作在“憋死”这样的恶劣工作条件下。EMB不仅要求电机性能优 越，反应迅速，可以提供足够大的力矩，而且必须结构紧凑，体积小巧，能够安 装在狭小的制动空间内，还需要在冷、热、泥水、电磁干扰等恶劣环境下能够可 靠工作。

(2)制动执行机构的设计。执行机构中的机械零件较多，结构复杂， 如何有效的传递扭矩，增大扭矩，并且保证体积小巧是一个难题。

(3)成本的降低。有效降低EMB中的力矩电机，42伏电源，诸多传感 器、MCU、集成电路等器件的成本将会更快推动EMB的发展和应用。