汽车线控制动技术的发展简介展
摘 要:线控制动系统是未来汽车制动系统发展的方向，相比于传统制动系统，它具有制动响应速度快、制动性能高和制动系统结构简化等优点。本文介绍了汽车线控制动技术的研究现状，对电子液压制动系统和电子机械制动系统的工作原理及特点进行了介绍和比较，论述了线控制动系统的关键技术和发展趋势。
关键词：线控制动系统；电子液压制动；电子机械制动
Abstract: The wire braking system is the future direction of the development of automotive braking systems, compared to traditional braking system, it has a brake fast response, high braking performance, and simplify the structure of the brake system, etc. This article describes the e-wire braking technology of vehicle status, the electronic hydraulic brake system and electronic mechanical braking system works and features are introduced and compared, wire braking system discussed key technologies and trends.
Keywords: by-wire brake system; electronic hydraulic brake; electro-mechanical brake
1线控制动系统的概述
1.1制动系统的发展状况
随着消费者对车辆安全性日益提高的重视，车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。从最初的皮革摩擦制动，到后来出现鼓式、盘式制动器，再到后来出现 机械式ABS制动系统，紧接着伴随电子技术的发展又出现了模拟电子ABS制动系统、数字式电控ABS制动系统等等。
近10年来西方发达国家又兴起了对车辆线控系统（x-by-wire）的研究，线控制动系统（brake-by-wire）应运而生，由此展开了对电子机械制动器（Electromechanical Brake）的研究，简单的来说电子机械制动器就是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速度、增加制动效能等，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐，可以预见线控系统将最终取代传统的液压（空气）制动器，成为未来车辆的发展方向。
1.2 brake-by-wire的简介
brake-by-wire是指一系列智能制动控制系统的集成，它提供诸如ABS,车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控制等等现有制动系统的功能，并通过 车载有线网络把各个系统有机的结合成一个完整的功能体系。原有的制动踏板采用了一个模拟发生器替代，用以接受驾驶员的制动意图，产生、传递制动信号给控制 和执行机构，并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员。显而易见，它需要非常安全可靠的结构，用以正常的工作。其工作原理如图1-1所示：
图1-1  brake-by-wire工作原理
由于技术发展程度的局限，目前出现了两种形式的brake-by-wire系统：一种是线控液压制动系统EHB（Electro-hydraulic Brake），另一种为电子机械制动系统EMB（Electro-mechanical Brake）。
2线控液压制动系统EHB
EHB是一种线控制动(brake-by-wire)系统,它以电子元件替代了部分机械元件,制动踏板不再与制动缸直接相连,驾驶员操作由传感器采集作为控制意图,完全由液压执行器来完成制动操作,弥补了传统制动系统设计和原理所导致的不足,使制动控制得到最大的自由度,从而充分利用路面附着,提高制动效率。
2.1 EHB系统的发展现状
作为一种较为新型的制动系统,EHB发展时间较短,但发展前景广阔,各大汽车厂商和研究机构都在积极的开发这一系统。
1994年,Analogy公司用Saber仿真模拟的方法,开发出了一套EHB的控制系统。1996年,博世公司对其开发的EHB系统进行了实车试验,得到了满意的效果,该系统后来在实际应用中也取得了巨大的成功,在缩短制动距离以及保证车辆稳定性方面效果明显。天合、德尔福、大陆特威斯等公司也相继开发出了类似的EHB系统,并于2000～2002年前后获得了一系列的专利。
2001年9月,装备了博世传感制动控制(Sensotronic Brake Control)系统的奔驰SL新型跑车在法兰克福国际汽车展上首次展出,2002年该系统装备于新型的奔驰E级车上,2003年装备于Estate型车 上,同年,博世首次推出了加装在奔驰E-Class 4matic型车上的四轮驱动SBC,这也是EHB系统首次应用于系列化生产的汽车。韩国万都公司、大陆特威斯公司、天合公司等都在EHB系统的开发中取得进展,并开始为通用、福特、戴姆勒•克莱斯勒公司等汽车厂家供货。
2.2 EHB系统的优点
传统制动系统如图2-1所示,制动主缸与制动轮缸通过制动管路相连,制动压力直接由人力通过制动踏板输入,而真空助力器作为辅助动力源也要受到发动机真空度的限制。这种结构特点限制了制动压力建立、各轮制动力的分配以及与其它系统的集成控制等,在进一步提高制动效果方面潜力有限。
图2-2为EHB系统的示意图,EHB系统由于改变了压力建立方式,踏板力不再影响制动力,弥补了传统制动系统设计和原理所导致的不足,具有许多传统制动系统无法比拟的优越性：
      图2-1  传统制动系统              图2-2电子液压制动系统（EHB）示意图
1．在传统制动系统中,在紧急制动或长时间制动后,系统部件特性可能发生变化,进而影响制动性能,采用EHB控制系统,部件机械特性的变化可由控制算法进行补偿,使制动压力等级和踏板行程始终保持一致。
2．由于蓄能器压力等级很高,高压制动液通过高速开关阀的控制进入制动轮缸,制动过程平顺柔和。在紧急制动工况下,制动压力上升梯度大,能达到的制动压力也更高。制动蹄(钳)对制动鼓(盘)的制动压力通过轮缸压力传感器的反馈进行精确调节,消除制动噪声。
3．传统制动系统的制动特性无法随意改变,汽车回油管而EHB系统通过分析驾驶员意图,判断不同的制动行为,并提供最合理的压力变化特性。
4．传统制动系统只能在一定程度上实现前后制动压力的分配,而EHB系统在四轮压力分配方面有很大的自由度,这在左右附着系数不同的路面上制动时效果显著。
5．传统的采用真空助力器的制动系统助力能力受发动机转速和负荷的影响,而EHB系统的制动能力不受发动机真空度影响。
6．由于制动传感器探测的是踏板的运动速度和踏板的行程,电控单元据此进行制动压力调节,制造商可以根据不同的车型以及对驾驶者驾驶习惯的统计,仅仅通过更改控制算法和踏板感觉模拟器提供给驾驶者不同的踏板感觉,使得EHB的可移植性好。
7．传统制动系统在进行ABS工作时,制动管路内的压力波动,使制动踏板出现振动现象,缺少经验的驾驶者往往会因此而不自觉的减少踏板力,从而影响制动效 果。EHB由于踏板与制动管路不直接相连而彻底解决了这一问题,不但可以保证各个车轮不会抱死,而且解除制动迅速,制动过程安全、高效,对动力损失影响极 小。
除了能够实现传统制动系统所能实现的基本制动、ABS等基本功能外,EHB还能实现其他更为优秀的辅助功能。
8．当车辆在雨天或湿滑路面上行驶时,根据风窗玻璃刮水器的动作,EHB系统可以在固定间隔时间发出微弱的制动脉冲,清干制动摩擦片上的水膜,以消除制动器的水衰退现象,保证可靠的制动。
9．大部分驾驶员在遇到紧急情况时,在施加制动力时会出现犹豫、施加踏板力不足,导致危险情况的发生。EHB通过正确识别驾驶员意图,对制动力(由踏板行程以及踏板加速度来辨别计算)加以调整,以避免制动力不足。
10．在需要保持驻车状态时,可以使系统对车轮施加一定的制动力,即使驾驶者松开制动踏板依然能对车轮产生一定的制动压力,减轻驾驶者的负担,提高驾驶舒适性,实现电子驻车控制EPB(Electric Parking Brake)。
11．在发生交通拥挤的情况下,系统与加速踏板单元传感器相互配合,通过电控单元的分析计算做出判断,驾驶者只需控制油门踏板,一旦把脚从油门踏板上挪开,EHB系统会自动施加一定的制动力以减速停车。这样,驾驶者就不需要在油门踏板和制动踏板之间频繁的转换。
2.3 EHB系统的组成及工作原理
如图2-3所示,EHB系统主要由制动踏板单元、电子控制单元(ECU)、液压控制单元(HCU)以及一系列的传感器组成。
图2-3 EHB原理图
1．制动踏板单元
包括踏板感觉模拟器、踏板力传感器和踏板行程传感器以及制动踏板。踏板感觉模拟器是EHB系统的重要组成部分,为驾驶员提供与传统制动系统相似的踏板 感觉(踏板反力和踏板行程),使其能够按照自己的习惯和经验进行制动操作。踏板传感器用于监测驾驶员的操纵意图,一般采用踏板行程传感器,采用踏板力传感 器的较少,也有二者同时应用,以提供冗余传感
器且可用于故障诊断。图3为大陆特威斯生产电子制动踏板单元。
2．液压控制单元(HCU)
制动压力调节装置用于实现车轮增减压操作,图4为大陆特威斯带ECU的EHB的液压控制单元(HCU)。
HCU中一般包括如下几个部分：
独立于制动踏板的液压控制系统——该系统带有由电机、泵和高压蓄能器组成的供能系统,经制动管路和方向控制阀与制动轮缸相连,控制制动液流入／流出制动轮缸,从而实现制动压力控制。
人力驱动的应急制动系统——当伺服系统出现严重故障时,制动液由人力驱动的主缸进入制动轮缸,保证最基本的制动力使车辆减速停车。
平衡阀——同轴的两个制动轮缸之间设置有平衡阀,除需对车轮进行独立制动控制的工况之外,平衡阀均处于断电开启状态,以保证同轴两侧车轮制动力的平衡。
3．传感器
包括轮速传感器、压力传感器和温度传感器,用于监测车轮运动状态、轮缸压力的反馈控制以及不同温度范围的修正控制等。
图2-4所示为博世公司发布的一种关于EHB系统的专利,系统带有踏板感觉模拟装置,一套采用液压伺服控制的行车制动系统和一套人力操纵的应急制动系统,其中,液压伺服系统控制四个车轮的压力,而人力应急制动系统只能控制两个前轮。系统共有14个电磁阀,均为二位二通阀。
正常的行车制动中,当制动灯开关被触发时,电控单元判定制动发生,由踏板行程传感器感知驾驶员制动意图,进而通电关闭隔离阀,在人力作用下从制动主缸输出的制动液进入踏板感觉模拟器,使驾驶员产生与操作传统制动系统时相同的感觉。