电子机械制动系统发展现状

　　电子机械制动系统（EIbctromechanicalBrakeSystem)简称为EMB与常规的液压制动系统截然不同。传统的液压制动系统发展至今，己是非常成熟的技术。随着人们对制动性能要求的不断提高，防抱死制动系统（ABS)、牵引力控制系统（TCS)、电子稳定性控制程序（ESP)主动避撞技术（ACC)等功能逐渐融入到制动系统中，越来越多的附加机构安装于制动线路上，这使得制动系统结构更加复杂，也增加了液压回路泄漏的隐患以及装配、维修的难度。因此结构更简捷，功能更可靠的电子机械制动系统（EMB)最终取代传统的液压制动系统己经成为汽车行业的共识。

　　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。