電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)研究

晁鵬翔，申伶，陶凡，魏宇杰

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電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)研究

晁鵬翔，申伶，陶凡，魏宇杰

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710000）

針對(duì)重型商用汽車(chē)用電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）提出一種制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，研究了單輪控制系統(tǒng)及控制策略，最后結(jié)合單輪制動(dòng)器樣機(jī)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試進(jìn)行了初步功能驗(yàn)證，研究結(jié)果為進(jìn)一步整車(chē)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

電控機(jī)械制動(dòng)；單輪制動(dòng)器；控制系統(tǒng)；控制策略；功能驗(yàn)證

1 緒論

1.1 研究的背景與意義

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)獲得了極大的推動(dòng)力，隨著交通運(yùn)輸行業(yè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，在注重行業(yè)自身發(fā)展的同時(shí)，人們開(kāi)始越來(lái)越多的關(guān)注道路交通安全，尤其是重型運(yùn)輸車(chē)輛的安全性能，近年來(lái)由于制動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題所引發(fā)的各類(lèi)交通事故也是時(shí)有發(fā)生，這也正說(shuō)明了制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于車(chē)輛安全行駛的重要性。

制動(dòng)系統(tǒng)作為保證車(chē)輛安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，一直在被不斷的改進(jìn)與完善。對(duì)于現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)的重型汽車(chē)，ABS系統(tǒng)已經(jīng)是絕大部分的標(biāo)準(zhǔn)配置，隨著與國(guó)際的接軌，盤(pán)式制動(dòng)器也開(kāi)始變成主流配置，這都是技術(shù)進(jìn)步的所帶來(lái)的益處。

EMB作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，一直以來(lái)是汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)新的焦點(diǎn)，尤其是重型汽車(chē)，傳統(tǒng)的氣制動(dòng)系統(tǒng)由于存在一些缺陷，加之隨著性能不斷加強(qiáng)的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的氣制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足逐漸提高的安全性能要求，因此EMB系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將會(huì)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也是汽車(chē)制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，EMB具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體如下[1]：

1）由于取消了氣管路，大大減少了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，有效地縮短了制動(dòng)距離，為行車(chē)安全提供了有力保障。

2）模塊化設(shè)計(jì)減輕了系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性。

3）取消了空壓機(jī)、儲(chǔ)氣筒等部件，使得整車(chē)布置更加靈活。

4）制動(dòng)踏板可調(diào)，舒適性和安全性更好。

5）踏板無(wú)回彈振動(dòng)，噪聲小，提高了車(chē)輛的NVH(Noise，Vibration，Harshness，即噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)性能。

6）通過(guò)控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)所有附加功能，如ABS，TCS，ESP，ACC等。

7）可與未來(lái)的交通管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

1.2 電控機(jī)械制動(dòng)器研究的現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代起，國(guó)際上一些知名的汽車(chē)廠商開(kāi)始了對(duì)EMB的研究[2,3]， Bosch、Siemens和ContinentalTeves等三家公司陸續(xù)進(jìn)行了EMB的研究，其中ContinentalTeves有較為成熟的試驗(yàn)品，并推出過(guò)其電子機(jī)械式制動(dòng)執(zhí)行器。2007年瑞典Haldex公司推出了一款EMB制動(dòng)器，其以楔塊結(jié)構(gòu)為特征進(jìn)行制動(dòng)力的放大。

在國(guó)內(nèi)，目前也就個(gè)別高校和企業(yè)做過(guò)相關(guān)的研究工作，有代表性的清華大學(xué)在發(fā)表的專(zhuān)利《連桿式電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）裝置》，采用力矩電機(jī)+曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)附近力增力較大特性實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[4]。吉林大學(xué)發(fā)表的專(zhuān)利《應(yīng)用在汽車(chē)上的電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器》，采用無(wú)刷直流力矩電機(jī)+行星減速+滾珠絲杠方案實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[5]。國(guó)內(nèi)轎車(chē)企業(yè)中，比亞迪公司發(fā)表專(zhuān)利《一種電子機(jī)械制動(dòng)裝置》，采用電機(jī)+行星減速+滾珠絲杠+推桿增力方案[6]。奇瑞公司發(fā)表專(zhuān)利《一種電子機(jī)械制動(dòng)器以及汽車(chē)》，結(jié)構(gòu)也是采用無(wú)刷直流力矩電機(jī)+行星減速+滾珠絲杠方案實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[7]。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)器功能分解和組成結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器首先要有動(dòng)力源，采用電動(dòng)機(jī)；其次是力放大；還要有力轉(zhuǎn)化，需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)；最后還要有一些支撐機(jī)構(gòu)，如制動(dòng)鉗、機(jī)構(gòu)殼體等，各功能的邏輯關(guān)系如圖1。

圖1 制動(dòng)器傳動(dòng)方案

圖2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

根據(jù)邏輯關(guān)系，將電控機(jī)械制動(dòng)器分為三個(gè)部分，分別是動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)鉗及附件，三個(gè)部分分別設(shè)計(jì)，最后整合為一個(gè)完整的制動(dòng)器。

2.2 制動(dòng)器總成結(jié)構(gòu)方案

制動(dòng)器總成由三部分構(gòu)成，第一部分提供制動(dòng)的動(dòng)力源并經(jīng)過(guò)行星減速機(jī)構(gòu)放大，行車(chē)制動(dòng)時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供動(dòng)力，駐車(chē)制動(dòng)時(shí)由駐車(chē)制動(dòng)模塊提供動(dòng)力源。第二部分將動(dòng)力平均分配給兩個(gè)滾珠絲杠副，同時(shí)保證了兩者運(yùn)動(dòng)的同步，絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推力桿的直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)摩擦片進(jìn)行制動(dòng)，另外在制動(dòng)過(guò)程中還實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整的功能。

圖2為制動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)，制動(dòng)器主要包括：制動(dòng)鉗，推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)，行星減速機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)。制動(dòng)鉗采用兩滑銷(xiāo)浮動(dòng)鉗體，其上有對(duì)推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)起支撐和導(dǎo)向作用的滑槽；雙推桿式推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個(gè)滾珠絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)時(shí)對(duì)摩擦片的推力 ，同時(shí)推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成了制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整功能；動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)是將源動(dòng)力平均分配給兩個(gè)滾珠絲杠副，實(shí)現(xiàn)了雙推桿的同步運(yùn)動(dòng)；行星減速機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速增扭，以達(dá)到理想的制動(dòng)力；動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)是制動(dòng)器的動(dòng)力源，包含行車(chē)制動(dòng)與駐車(chē)制動(dòng)兩部分。

圖3 推桿輸出力曲線

2.3 動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)制動(dòng)器總成進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)分析，電機(jī)最大堵轉(zhuǎn)扭矩為24Nm，因此動(dòng)力學(xué)分析的輸入條件為：輸入軸轉(zhuǎn)矩T=24Nm，分析內(nèi)容為推桿終端所產(chǎn)生的推力，即摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)的最大正壓力，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。SPRING_1.force為執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿所產(chǎn)生的推力，SPRING_1.deformation為執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的位移變化，可以看出，動(dòng)力學(xué)分析的輸入轉(zhuǎn)矩為24Nm時(shí)，推桿所產(chǎn)生的推力為17500N，該分析中沒(méi)有考慮機(jī)構(gòu)的效率，若按η=0.9計(jì)，則分析出推桿所產(chǎn)生的推力為15750N，同時(shí)圖中顯示推桿的位移量為0.8mm，發(fā)揮穩(wěn)定制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間為0.2S。

3 控制思路

一個(gè)典型的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板模塊、控制器（ECU）、驅(qū)動(dòng)器、電源和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。圖4電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)單輪制動(dòng)器功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（實(shí)線表示信號(hào)傳輸路線，虛線表示能量傳輸路線）。單輪制動(dòng)器系統(tǒng)構(gòu)成主要包括電源、制動(dòng)踏板模塊、控制器、驅(qū)動(dòng)器以及機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，制動(dòng)踏板模塊和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成所需的傳感系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)包含傳感器和測(cè)量電路。

常規(guī)的行車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)踏板模塊接收駕駛員的制動(dòng)行為指令，角度傳感器將制動(dòng)踏板的角位移量以電信號(hào)的形式傳送給ECU，ECU通過(guò)運(yùn)算，輸出所需的電信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)制動(dòng)鉗與摩擦片接觸產(chǎn)生制動(dòng)力。

圖4 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)單輪制動(dòng)器功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 總結(jié)

本課題分析了EMB研究的現(xiàn)狀，提出了一種全新的電控機(jī)械式制動(dòng)器，為汽車(chē)電控機(jī)械制動(dòng)技術(shù)提供一種解決方案。本課題的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：

1）了解了國(guó)內(nèi)外電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)階段研究的現(xiàn)狀，分析了研究的意義。

2）提出了一種制動(dòng)器總成機(jī)構(gòu)。

3）利用ADAMS軟件對(duì)制動(dòng)器總成進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。

4）提出了EMB相關(guān)的控制思路。

基于現(xiàn)有的研究成果，未來(lái)電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究方向?qū)⒓性谝韵聨讉€(gè)方面：

1）更加小巧的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)：在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)盡可能的減小結(jié)構(gòu)，高度集成的零部件系統(tǒng)是發(fā)展的趨勢(shì)。

2）電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步：目前電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，一個(gè)解決思路就是采用水冷形式的電機(jī)，但是其笨重的結(jié)構(gòu)也是其不能很好發(fā)展的原因，因此電機(jī)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)影響到電控機(jī)械式制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

3）制動(dòng)踏板模塊的設(shè)計(jì)：基于用戶(hù)的主觀感受，需要設(shè)計(jì)一種帶有一定“路感”的電子制動(dòng)踏板，才踏板時(shí)要讓操作者感受出制動(dòng)力的大小。

4）控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)：有了一套行之有效的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，還得需要一個(gè)完整的控制系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的功能，采用閉環(huán)控制，這是發(fā)展的趨勢(shì)。

5）制動(dòng)器臺(tái)架及實(shí)車(chē)試驗(yàn)：作為一項(xiàng)前沿技術(shù)的研究，其最終的目的還是實(shí)現(xiàn)商品化投入市場(chǎng)，在這之前，相關(guān)的臺(tái)架試驗(yàn)以及后期的整車(chē)道路試驗(yàn)將會(huì)是其關(guān)鍵的一步。

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Study of Electro Mechanical Brake System

Chao Pengxiang, Shen Ling, Tao Fan, Wei Yujie

( Shaanxi Heavy Automobile Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710000 )

A new brake structure is designed aimed at Electro Mechanical Brake System of heavy duty vehicle. Furthermore, the single wheel control system and strategy are researched in this paper. On the basis of the above, functional verification is performed joint debugging of single wheel brake prototype and control system. The research result can provide basis for vehicle application.

Electro Mechanical Brake; single wheel brake; control system; control strategy; functional verification

U461.91

A

1671-7988(2018)20-138-03

U461.91

A

1671-7988(2018)20-138-03

晁鵬翔，陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，工程師，主要從事底盤(pán)各系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.051