汽车电子机械制动执行机构设计分析 本文关键词：执行机构，制动，电子机械，分析，汽车
汽车电子机械制动执行机构设计分析 本文简介：摘要:EMB(Electro－mechanicalbrake)是真正意义上的线控制动，完全摒弃了制动液，可实现与整车ABS、TCS、ESP、EBA等功能集成。提出了一种新的电动执行机构的方案，其相对电子机械制动器在传动装置组成部件和结构支撑方面得到了优化，同时增加了自锁功能，本结构设计可有效提高机构
汽车电子机械制动执行机构设计分析 本文内容：
摘要:EMB(Electro－mechanicalbrake)是真正意义上的线控制动，完全摒弃了制动液，可实现与整车ABS、TCS、ESP、EBA等功能集成。提出了一种新的电动执行机构的方案，其相对电子机械制动器在传动装置组成部件和结构支撑方面得到了优化，同时增加了自锁功能，本结构设计可有效提高机构响应速率、简化驻车控制逻辑、提升机构使用寿命。
关键词:电子机械制动;电子液压制动;线控制动
随着科技进步的飞速发展及社会经济的不断进步，汽车已经成了人们日常生活中不可缺少的代步工具，人们在享受汽车科技变革带来的舒适性及动力性不断进步的同时，对汽车安全性的要求也在不断提高，其中，对汽车的制动性能的要求也越来越重视，良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障［1］。液压制动系统经过漫长的发展已经成为一项非常成熟的技术并得到广泛的应用。但该系统也存在诸如制动响应相对较慢、机械结构复杂、布置匹配难度大、制动液环境污染等无法避免的问题。随着人们对制动性能要求的不断提高，汽车行业加大了对结构相对简单、制动效果更加优良的线控制动系统(Brake－by－wire)的研究力度，与此同时，在线控制动系统的研究中，电子机械制动(Electro－me-chanicalBreak，EMB)系统作为汽车线控制动技术的未来趋势，具有结构简单、制动性能优良、节能环保的特点，拥有广阔的市场应用前景。
1三种典型的EMB执行机构的方案分析
1．1行星齿轮减速机构+滚珠丝杠方案
行星齿轮减速机构+滚珠丝杠方案如图1所示，EMB执行机构主要有电机、行星齿轮组、滚珠丝杠、棘轮锁止机构组成，内置电机通电后，转子15旋转带动太阳轮10转动，经行星齿轮组减速后传递至滚珠丝杠总成，通过运动转换机构，丝杠推动制动片压紧制动盘。另外电磁铁5通电后，棘轮7和齿轮14啮合，保持驻车力和制动力。该设计方案特点主要在于电机内置，行星轮系布置简单，结构紧凑，具有间隙自调的功能。
1．2滚珠丝杠+自增力装置方案
滚珠丝杠+自增力装置方案如图2所示，图中EPB执行机构由电机、滚珠丝杠、自增力杠杆机构构成。电机通电后，驱动滚珠丝杠，将旋转运动转化为直线运动，心轴轴向移动并推动自增力杠杆和压力盘，根据杠杆原理，压力盘的压力大于心轴的轴向推力，起到增力的作用。压力盘推动活塞和摩擦片压紧制动盘。这种结构设计特点是电机内置，取消了行星齿轮减速装置，结构简单紧凑，采用自增力杠杆结构，工艺及精度要求很高，实施比较困难，同时对电机控制要求较高。通过机械结构实现间隙自调，不具有制动力保持的功能。
1．3电磁离合器+行星齿轮减速机构+滚珠丝杠方案
该种设计方案如图3所示。EMB执行机构主要有电机、电磁离合器、行星齿轮组、滚珠丝杠组成，此方案采用了两个电磁离合器,采用电磁离合方式控制EMB夹紧，释放，制动力保持。通过控制电磁离合器的通断电，使磁铁吸合或释放摩擦盘，经行星齿轮组减速增扭传递至滚珠丝杠，丝杠心轴推动活塞和制动片夹紧制动盘。相比于前两种设计方案，该种方案电机外置，结构相对复杂，轴向尺寸长。装配工艺复杂，实施比较困难，具有间隙自调功能。
2线控制动系统设计方案
本文所提出的线控制动系统设计方案主要基于整车制动方案的设计与改进，采用前轮电子液压制动EHB、后轮电子机械制动EMB的结构形式［3］，提高制动的优良特性，具体结构如图4所示。这种制动设计方案的主要工作原理如下:前轮EHB模块由Ebooster电子助力器、EHB控制器、车轮制动器、液压控制单元、制动主缸、踏板位移传感器和储液罐组成。EHB工作时，液压泵向高压蓄能器中注入制动液，使高压蓄能器中的液压力保持在一定范围内，当制动时，高压蓄能器中的制动液进入轮缸中产生制动力。每一个轮缸的制动压力通过电磁阀及压力传感器实现精确调节。后轮EMB模块由EMB控制器、EMB执行器组成，执行器的主要部件包括电机、行星齿轮传动装置、滚珠丝杠等组成。当EMB控制器接收到制动指令后，向EMB伺服电机发出驱动指令，驱动电机通过减速机构和运动转换机构来推动制动块产生制动力。采用此混合线控制动系统方案充分发挥两种制动系统的优势，又相互弥补了各自的不足。当混合制动系统的电控系统失效时，在前轴EHB上易于实现失效备份功能。这种布置方式还易于在后轴上集成电子驻车制动的功能。由于后轴所需的制动力矩相对较小，于是减小了EMB执行器的设计难度和制造成本。在真正实现制动的过程中，该种混合制动系统的控制逻辑图如图5所示。其主要包括踏板机构、Ebooster、ESCECU、EMB控制器、EMB执行器;其中EMB控制器用于控制EMB执行器的制动压力跟随，其输入的传感器信号主要包括霍尔传感器、光电编码器、电流传感器和压力传感器，其输出电机驱动信号。混合制动系统控制单元包括前轮EHB压力跟随控制模块，另外整个制动系统的EBD、ABS以及ESP等控制策略也可以集成在其中。
3EMB执行机构设计方案
本文提出的EMB执行机构方案是一体式电动执行单元的结构，其相对电子机械制动器在传动装置组成部件和结构支撑方面得到了优化，同时增加了自锁功能，本结构设计可有效提高机构响应速率、简化驻车控制逻辑、提升机构使用寿命［4］。EMB的结构设计如图6所示，力矩驱动装置由直流无刷电机构成;无刷电机将动力传递至齿轮传动装置，该齿轮传动机构装置由第一传动级、第二传动级及传动锁止机构构成，其第一传动级为齿轮传动结构，第二传动级为行星齿轮传动结构。其传动锁止机构包含了:①中空的用于容纳棘轮的从动侧齿轮;②用于限制棘轮旋转的棘爪;③用于推动(或拉回)棘爪与棘轮啮合(或分离)的电磁伸缩机构;④用于支撑棘爪自由转动及固定电磁伸缩机构的支撑固定架;并且，棘爪通过销轴固定于支撑固定架上并能够沿销轴自由转动;电磁伸缩机构的推杆头部通过销轴固定于棘爪的凹槽中并能沿凹槽自由滑动;运动转换机构由滚珠丝杠构成;丝杠推动活塞和摩擦片压紧制动盘，产生制动力。无刷电机外置并且径向布置，采用行星齿轮传动装置，结构紧凑可靠，装配工艺简单，可满足整车制动器的轴向和径向布置要求。采用滚珠丝杠结构，提高了传动的效率，通过棘轮棘爪机械结构实现自锁,具备保持驻车力的功能，通过控制算法实现间隙自动调整。
3．1电机设计方案
本结构设计的驱动装置采用直流无刷电机的设计，因其使用了电子换向器来代替了传统的机械换向器，具有性能可靠、无磨损、故障率低的特点，其相对直流有刷电机在使用寿命上具有明显提升。某车型整车参数如表1。经计算电机堵转扭矩至少需达到0．91N·m，电机转速需达到3750r/min以上。电机性能曲线图如图7所示。
3．2传动设计方案
EMB执行机构传动部件采用两级齿轮减速和行星齿轮减速，可提供的总减速比为20，滚珠丝杠作为运动转换机构，将齿轮的旋转运动转化为丝杠的直线运动，丝杠螺距为4mm。另外传动装置的传动机构效率为70%左右。EMB执行机构部件稳固安装就位在一体式电动执行单元机构中。通过这种稳固的安装方式，可有效提高传动机构承受高载荷运行过程中的稳定性。同时，通过这种集成的安装及固定方式，简化了传动机构的零件数量，提升各机构相对位置精度，同时也提升了传动装置的运行效率，消除了可能因承受高载荷时机械连接耐久后产生的松弛风险。
4结语
为了适应当今汽车电动化和智能化的需求，本文提出了一种新的线控制动系统技术方案，前轴采用EHB，后轴采用EMB的混合制动系统是一种较理想的线控制动系统，对其进行研究具有较高的理论价值和实际意义。作为一项全新的制动技术，仍然存在许多问题需要解决，主要围绕如下两个方面:(1)机械结构零部件的耐久性要求，包括电机、行星齿轮等零部件需要在各种制动工况下的性能、寿命要求。(2)控制逻辑算法尚未形成完整的控制理论，且需要满足法律法规的要求。有待继续开展相关试验分析研究。
参考文献:
［1］张猛，宋健．电子机械制动系统发展现状［J］．机械科学与技术，2005(2):208－211．
［2］刘乙志，陈辛波．电子机械式制动器(EMB)执行机构原理方案的分析与设计［J］．机械设计与研究，2010:52－54．
［3］齐世迁．混合制动系统及其EBD/ABS控制研究［D］．沈阳:吉林大学，2017．
［4］方泳龙．汽车制动理论与设计［M］．北京:国防工业出版社，2005.
作者：张胜利 单位：上海汇众汽车制造有限公司 上海汽车底盘电子化及轻量化工程技术研究中心
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