行星滾柱絲杠在電子機械制動系統中的應用研究

石棟才 李偉琪 鄒釗斌

摘 要：相比汽車的液壓制動，電子機械制動系統因具有更快的反應速度、更高的可靠性能等諸多優點，成為一項具有研究價值的新型制動方案。當前，許多電子機械制動系統研究主要針對執行機構基于滾珠絲杠的制動方案。本文分析了應用滾柱絲杠的電子機械制動系統，指出了應用滾柱絲杠方案的優點和缺點，以期促進滾柱絲杠在電子機械制動系統中的應用與發展。

關鍵詞：行星滾柱絲杠副;電子機械制動;制動方案

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）17-0056-02

Application Research of Planetary Roller Screw in Electromechanical Brake System

SHI Dongcai LI Weiqi ZOU Zhaobin

（School of Traffic and Transportation， Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract： Compared with the hydraulic braking of automobiles， electromechanical braking systems have become a new type of braking solution with research value because of their advantages such as faster response speed and higher reliability. At present， many electromechanical brake systems are mainly focused on the ball screw-based braking scheme of the actuator. This paper analyzed the electromechanical brake system using roller screws， and pointed out the advantages and disadvantages of applying roller screw programs， in order to promote the application and development of roller screws in electromechanical brake systems.

Keywords： planetary roller screw pair;electromechanical brake;braking scheme

近年來，我國汽車行業迅速發展，作為汽車最重要的保障，制動系統一直是人們關注的重點。現階段，大部分汽車仍然采用液壓制動，但其較大的空間占比和可能漏液等缺點嚴重影響汽車的整體性能，電子機械制動（簡稱EMB）作為一種新興的制動方式，由于其更快的反應速度和其他種種優點，大批科研人員對電子機械制動進行了深入的研究。早在20世紀90年代，許多汽車公司就開始著手對電子機械制動進行研究，電子機械制動發展經歷了以下階段：電機轉動帶動錐齒輪實現減速，后使用滾珠絲杠實現軸向力制動;電磁離合器在制動的間隙實現迅速進給，通過減速齒輪給予制動增力;EMB運用楔塊結構;EMB線控上出現新的控制算法，大大提高可靠性;應用仿真模擬，驗證電機旋轉轉動的角度與汽車制動器夾緊力之間的關系，估測制動片和制動盤之間的夾緊力的相關控制算法的正確性和可靠性[1]。

1 電子機械制動系統的總體構造和滾珠絲杠應用

電子機械制動系統主要由中央控制模塊ECU、制動執行機構和各種傳感器組成。

1.1 中央控制模塊ECU

ECU的主要作用是接收EMB上各個傳感器的信號，并根據接收的信號，及時發出精準的控制信號。ECU通過接收踏板上的角度位移傳感器傳來的信號，控制制動器輸出相應大小的制動力，通過接收車輪上相應的傳感器，判別車輪抱死和滑動情況，通過對制動力進行控制，實現對車輪的防抱死制動和驅動防滑等功能。

1.2 制動執行機構

本研究采用行星齒輪組減速器配合滾柱絲杠的制動執行機構。該制動執行機構的組成主要有驅動力矩電機、減速增矩裝置、運動轉化裝置、制動鉗制動裝置。當汽車在行駛的過程中需要進行制動時，制動執行機構接收到制動信號，驅動力矩電機將制動力通過減速增矩裝置傳遞至運動轉化裝置，將滾柱絲杠的旋轉運動轉變為軸向移動[2]，推動制動鉗制動裝置夾緊制動盤來完成制動。

1.3 EMB相關傳感器

電子機械制動系統中，關鍵的傳感器主要有汽車的踏板位移傳感器、汽車車輪的輪速傳感器等。這些傳感器的作用是將精準的信號及時傳給ECU，并持續監測數據變化。踏板位移傳感器可以通過監測踏板轉過的角度和踏板轉動的角速度，將作用在踏板上的力和速度轉化為電信號，傳遞給電子機械制動系統的ECU，ECU對收到的信號進行接收和處理，輸出理想的制動力，更快、更有效地實現制動，通過輪速傳感器來監測汽車的實時轉速，實現ABS等程序的有效控制。

2 采用行星滾柱絲杠的電子機械制動系統的優缺點

2.1 EMB的優點

EMB可以采用線控技術實現完全電子化，同時結合汽車電控系統，應用多種算法控制，配合自動駕駛，集成ESP（車身電子穩定系統）、EBD（電子制動力分配）、TCS（牽引力控制系統）等功能，使車身具有良好的穩定性和制動防滑功能。

EMB相比EHB（電子液壓制動系統），去除了繁雜的液壓管路布置，使得整體結構更加緊湊，同時不用擔心真空助力器和制動管道破損泄露造成的安全問題和制動液泄露帶來的環境問題，其直接通過電信號實現制動，極大地縮短了制動時間，減少了制動距離，提高了制動的可靠性。

EMB配置精簡，便于維修和日常養護，同時大大減少了整車質量，從而提高車輛的燃油經濟性，其制動踏板采用模擬踏板，避免了ABS制動時的反彈力對駕駛者的影響，從而提高駕駛舒適感。

2.2 采用行星滾柱絲杠副（簡稱PRS）的優點

相比滾珠絲杠，PRS有眾多支撐點，能夠提供高于滾珠絲杠的額定動載和靜載，同時具有更高的剛度和抗沖擊能力。通過赫茲定律可知，行星滾柱絲杠能承載的靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍[3-4]。

PRS能夠提供更高的旋轉速度和更高的加速度，使得制動器的制動響應更快，同時制動力更大。PRS導程可以更小，使制動器高精度可控，可以用于特種車輛和高精度需求的車輛。

2.3 采用EMB的不足

在采用電子機械制動實現完全電控時，人們需要注意線路的老化和電路發生故障后的備用應急措施，需要設置備用制動方案。同時，電子線路要具備對內外界各種磁場的抗干擾能力。EMB需要配備高性能電機和傳感器等電子元件，成本較高。

EMB工作條件惡劣，在制動時，力矩電機會長時間處在自然環境中，而且頻繁地正反轉，大部分時間會處在堵轉狀態[5]，其需要具備足夠快的響應速度和足夠大的制動力。傳統車輛12 V的車載電源難以滿足制動器的需求，人們需要使用42 V的新一代車載電源提供足夠的驅動力。

2.4 采用PRS的不足

PRS成本較高，結構更加復雜，維修困難，不適用于普通經濟型車輛;PRS具有更多嚙合點，在工作時，摩擦也會增多，需要配備散熱措施。

3 結論

新能源汽車和智能無人駕駛汽車在我國近幾年迅猛發展，2019年，我國新能源汽車銷售量累計值已經達到117.2萬輛，新能源汽車產銷率累計值達到98.7%，可見新能源汽車在我國有很大的市場和發展空間。制動性能和可靠性是評價一輛汽車好壞的重要因素，EMB憑借其出眾的優點，未來將更加廣泛地應用在電動車輛上。目前，國內有許多研究分析EMB，但是具有完整功能的制動系統研究還尚未成熟，同樣，對應用PRS的EMB研究也很少，在關鍵技術上，建立和健全設計體制是未來需要研究的內容。本文分析角度比較單一，因此應用PRS的EMB特點仍需要進一步探討。現階段，電子機械制動系統仍然處于不斷完善中，也有許多需要改進的地方，希望本文對該系統的相關研究人員有所幫助。

參考文獻：

[1]王賽.汽車電子機械制動（EMB）系統設計及穩定性分析[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[2]張立新，田有為，沈沉.汽車電子機械制動系統制動執行器的研究[J].機械設計與制造，2006（12）：50-52.

[3]劉更，馬尚君，佟瑞庭，等.行星滾柱絲杠副的新發展及關鍵技術[J].機械傳動，2012（5）：103-108.

[4]劉祎.基于PLCopen的電動Gough-Stewart平臺控制系統設計[D].北京：北京工業大學，2017.

[5]左斌.汽車電子機械制動（EMB）控制系統關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2014.