電機械制動技術研究現狀及其在軌道交通領域中的應用展望

吳君良，孫 彬，呂 梟，王令軍，侯化安，王殿元，姚智彬

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

電機械制動系統技術最早在航空領域提出，后來在汽車領域也得到了較為廣泛的研究，其具有結構簡單、體積小、響應速度快和控制精度高的優點[1]，已經成為下一代航空制動系統的主流技術并實現批量運用。

電機械制動系統原理為將電信號通過電機、減速機構等直接轉換為制動力輸出，省去了整個系統中的制動管路。實現了摩擦制動的全電氣化，徹底擺脫了對制動介質的依賴，完成了從壓縮空氣或液壓驅動到電驅動的轉變，如圖1所示。

圖1 動力源的轉變

電空制動原理與電機械制動原理技術特征對比如圖2所示。電機械制動系統通過電能直接轉化為機械動作來產生摩擦力，簡化了傳統空氣和液壓制動系統先進行電空（液）轉換，再轉化為機械力來施加制動的作用環節[2]。

圖2 技術特征對比圖

相比于傳統空氣或液壓制動系統，電機械制動系統的優點主要包括以下幾點。

（1）實現系統輕量化。省去沉重、復雜的制動管路和控制元件，間隙調整等功能由控制系統實現，減小了系統整體的復雜程度，同時大大提高了制動系統單位質量的制動力輸出能力。

（2）提高系統控制性能。以導線中的電流作為控制信號和能量信號的傳導介質，將間接空氣或者液壓壓力閉環控制轉變為制動力直接閉環控制，顯著提高制動力控制精度、縮短響應時間。

（3）減少故障點和提高維護性。大量零部件的減少提高了系統的可靠性，減少故障點，便于實現模塊化集成，降低了系統裝車調試的難度和周期，從根本上避免了制動液、空氣泄漏的風險，更加環保，同時降低了后期維護的工作量。

（4）提高能源利用效率。傳統制動系統通過空壓機或液壓泵將車上電能轉換為介質壓力能儲存，在施加制動時本質是通過介質壓力的損失控制達到制動力的控制，浪費嚴重，采用電機直驅機構的方式減少了中間環節，電能除少數效率損失外全部轉換為制動力，顯著提高了能源利用效率。

（5）提高智能化程度。全電氣化系統便于防滑、系統自檢和故障診斷等功能的集成，目前技術已經可以實現大部分機械及電氣元件故障的自動識別和定位，下一步朝向實時感知、智能診斷和決策及在途預警等動態信息的快速定位和處理方向發展。

目前，國內外對電機械制動技術進行了大量研究。

1 國外研究現狀

電機械制動系統在國外科研機構、汽車制造企業等的研究相對較早，線控制動技術最早在飛機上開始運用，隨著其應用技術的成熟，一些著名的汽車零配件制造公司加大了對電機械制動系統的研究投入，如德國的BOSCH（羅伯特·博世有限公司）、SIEMENS（西門子股份公司）、Continental Teves（德國大陸），美國的TRW（天合汽車集團）、Delphi（德爾福派克電氣公司），韓國的HYUNDAI MOBIS（現代摩比斯）、MANDO（萬都），瑞典的Haldex（瀚德集團）、SKF（斯凱孚），澳大利亞的PBR等相繼開展了在該領域的技術研究，均已開發出代表各自企業的電子機械制動器。

各公司研究成果的差異主要體現在其核心技術——制動器的執行機構上，該機構主要由2部分組成：增力機構和運動轉換裝置。

其中，2種主流的方案是由德國Continental Teves公司提出的“行星齒輪減速器配合滾珠絲杠機構”方案[3]和由德國SIEMENS提出的“滾珠絲杠+自增力機構”方案[4]。

2種主流執行器方案如圖3和圖4所示。

圖4 滾珠絲杠+自增力機構方案

電機械制動控制算法的研究主要圍繞控制制動力的精確輸出、提高系統響應速度等方面。

自2008年開始，各國對其控制算法的研究取得一定的成果，如：墨爾本大學的Chris等[5]在2008年，對電機械制動夾緊力控制模型提出了一種預測算法，使得串聯PI控制的時效性差等問題得以解決。俄亥俄州立大學研究人員在2009年提出了非線性魯棒性控制算法。ChihoonJo等通過實驗驗證其針對制動力估計并在2010年時根據電機的轉子摩擦特性提出了一種算法，證明該算法有效。2013年，韓國的研究人員基于磁滯特性和電機轉子位置方面提出的制動力估計算法，并在力位移控制系統的基礎上實現了制動間隙調整。

目前，如美國“全球鷹”無人機、F16戰斗機和波音787飛機等新型先進飛機均正式采用電機械制動系統，在下一代飛機上大范圍使用電機械制動系統已成確定形勢。

圖5為波音787飛機上裝置的電機械制動系統，每一個制動器搭載4個電機械制動模塊，每個模塊包括電機、滾珠絲杠、減速機構、力傳感器和電機鎖死裝置，只有在制動力改變時電機才動作，制動力的保持靠電機鎖死裝置實現。

圖5 波音787飛機電機械制動裝置

2 國內研究現狀

國內對電機械制動系統的研究起步相對較晚，其研究的領域主要集中在飛機和汽車方面，且主要以國內知名院校的研究為主。

國內最先開展該領域相關研究的是清華大學，其在2005年申請了國內第一份關于電機械制動器的專利[6]，提出一種連桿機構輸出制動力的新方案。該方案的優點在于通過合理選擇曲柄連桿的尺寸，有效利用了曲柄連桿死點位置附近力增益系數較大的特性，另外考慮到了該機構同時能夠實現運動轉換和力增益的特點。該方案優缺點相對明顯：優點是可以減小對高性能電機的依賴；缺點是對電機輸出轉矩控制精度要求極高，不利于實現制動力連續、精確控制。曲柄連桿機構方案原理如圖6所示。

圖6 曲柄連桿機構方案原理。

另一團隊在分析研究已有電機械制動系統機構的基礎上，開發了一種獨特的電機械制動系統執行機構結構方案，該方案占用空間較小，其實現方式為通過將行星齒輪減速器布置于分裝式力矩電機的中空部分，使電機械制動系統執行機構整體軸向尺寸縮短，如圖7所示。另外，在確定了電機械制動系統電機控制目標與方法的前提下，通過試驗臺模擬，對電機特性、系統機構執行功能和負載特性進行模擬驗證。清華大學研制的飛機和汽車用電機械制動系統，進行了飛機和汽車的裝車調試試驗。

圖7 清華大學電機械制動系統樣機

吉林大學在2008年至2013年之間對于電機械制動系統在執行機構設計、控制模型建立、仿真及控制算法實現方面都取得了一定的研究成果[7]。其在2008年申請的“應用在汽車上的電子機械制動執行器”專利提出內置電機的執行機構設計方案，通過將絲杠置于電機空心軸中的方式，縮短軸向尺寸，使其結構更為緊湊。同時，吉林大學基于Matlab/xPCTarget實時平臺，建立硬件仿真試驗臺，對系統執行器性能進行了試驗研究。

輕型電機械制動在汽車領域的應用，吉林大學主要進行了踏板力模擬技術方面的研究，并進行了關于ABS、EBD和TCS等制動控制算法相關的仿真研究，如圖8所示。

圖8 吉林大學電機械制動系統樣機

浙江大學王維銳團隊自2008年開始研究汽車用電機械制動系統，為了減小電機械制動系統執行器機構在軸向和徑向的尺寸便于機構的安裝，利用蝸輪蝸桿來替代行星齒輪機構制造出樣機，并且實現了剎車片磨損間隙自動補償功能，在汽車上安裝了2套進行測試。測試結果表明：制動效果提升明顯，制動距離縮短8%左右[8]。

3 電機械制動在軌道交通領域的研究現狀及展望

目前，在軌道交通領域應用的制動系統以空氣制動、液壓制動、風阻制動和電磁制動為主，其中以空氣制動應用最為廣泛，其組成如圖9所示，包括電子制動控制單元、空壓機、風缸、氣壓制動控制單元、制動管路和空氣制動夾鉗等。

圖9 現有電空制動系統原理

與現有廣泛應用的空氣制動系統截然不同，電機械制動系統能量來自電能，以導線為傳動介質，避免了復雜的空氣管路。同時，其采用的新型執行機構也較傳統制動夾鉗或單元制動器更省空間。

電機械制動系統的特點是：易檢測、電氣化、智能化和模塊化。其技術的成熟運用也為其在軌道交通領域制動系統的應用奠定了基礎。

日本鹿兒島1000型低地板有軌電車曾經試裝過電子機械制動器并進行相關試驗研究[9]。

具體方案為：在2節編組三轉向架的低地板列車上，用電機械制動裝置替換其中一個轉向架的液壓制動裝置，在其中一端的轉向架兩側安裝4個電機械制動裝置。對這種電機械制動裝置進行了初速10～40 km/h的停車制動試驗。試驗結果表明：平均制動距離和平均減速度均能達到或優于原車制動系統的指標。

2014年以來，同濟大學制動技術研究所利用其在軌道交通電子電氣領域的技術發展成果，開發了適用于軌道車輛的新型電機械制動系統，先后申請了3項軌道交通電機械制動系統的發明專利，分別描述了行星齒輪減速滾珠絲杠帶離合器方案、滾珠絲杠雙電磁離合器主被動一體式方案和楔形增力滾珠絲杠方案等3種軌道交通電機械制動的實現形式。

同濟大學最終軌道交通電機械制動系統樣機方案結構如圖10所示。

圖10 同濟大學軌道交通電機械制動方案結構

目前，同濟大學已經研制出三代踏面和盤形制動樣機，采用成熟的“行星齒輪+滾珠絲杠”方案，同時考慮軌道交通停放制動的特殊需求，增加了被動式電磁離合器實現停放制動功能，搭建了地面試驗臺研究控制性能，樣機已完成型式試驗[9]，如圖11所示。

圖11 同濟大學軌道交通電機械制動系統樣機

中車四方所憑借軌道車輛制動系統產品多年研發經驗，2018年開展軌道車輛電子機械制動系統研發工作，目前已完成基于低地板有軌電車平臺的電子機械制動系統設計和樣機開發，具備常用制動、緊急制動、停放制動、輔助緩解、間隙補償及狀態智能監控等功能，樣機功能和性能滿足車輛制動系統需求，如圖12所示。

圖12 四方所有軌電車電子機械制動系統

4 結束語

電機械制動在軌道交通領域的應用主要受到安全問題、成本問題、安裝接口和可靠性等方面的限制。但是作為一種全新的制動技術，隨著電機械制動系統研究的深入和應用的推廣，將電機械制動技術應用于軌道交通領域也被認為是一種新的發展趨勢，未來電機械制動在軌道交通領域必將會有更大的發展。