液压制动的终结－电子机械制动（EMB）技术
1  EMB研究现状及发展趋势
1. 1 EMB研究现状
电控机械制动系统（Electromechanical Brake System,简称EMB）最早是应用在飞机上的，目前正处于向汽车领域转化的研究发展时期。从20世纪90年代起，一些著名的汽车电子零配件生产厂商，如德国的Bosh（博世）、Siemens（西门子）和Continental Teves（大陆天合）等相继开始了对EMB的研究，并作过一些相应的系统仿真和装车试验[10]。另外Eaton、Allied、Signal、Delphi、Varity Lucas、Hayes也参与了EMB的研发竞争之中。而国内在此项目上的研究基本为空白，仅有清华大学研究过EMB的试验台、同济大学试制出了样机；其他高校也只是进行了一些相关的初步研究，一些核心技术仍未被突破。
图3  西门子EWB样机
图2  Continental Teves 公司第三代EMB样机
由于鼓式制动效能恒定性差；制动鼓空间小，使EMB的电机和传动装置的布置受到限制。现在各大公司均以浮钳盘式制动器为基体，进行EMB的研发。EMB与汽车目前使用的普通盘式制动器结构类似，只不过其制动钳的促动力不是由液压产生，而是由电机经过传动装置直接驱动制动钳，来产生制动力。如图2所示为Continental Teves（大陆天合）公司生产的EMB样机 [4] 。
另外一种采用楔块机构增力的EMB称为EWB(Electromechanical Wedge Brake) ，EWB是2006年法兰克福车展上电子和机械电子产品开发商Siemens VDO（西门子VDO）推出的（如图3 所示）。
其原理是在支座和旋转的制动盘之间架起一对楔块，楔块相对运动时产生推动制动衬片压向制动盘方向的运动，从而产生制动力，同时利用伺服电机控制该楔块的运动，使之不至于锁死。在智能控制下，楔块将车辆的动能直接转换为刹车能，由于其自增力作用，EWB 比现有的液压刹车更快，因此楔块式EMB电机的功率可大幅度下降。
1. 2 EMB发展趋势
  目前EMB制动系统的技术还不成熟，离普及还有一段很长的路，需要解决的技术问题还很多，国外把对电控机械制动系统的研究重点集中在以下几个方面[8]
（1）力矩电机的设计。EMB的一个极大的优势就是制动相应快，所以要求电机必须相应速度快。此外也要求电机功耗小、输出的力矩大。另外在制动过程中，电机将在“堵转”的恶劣环境下工作，因此对电机的可靠性要求高，而且必须机构小巧紧凑、便于安装布置，能在各种恶劣条件下可靠工作。
（2）机械—电子执行机构。对于机械—电子执行机构的研究已经有几家公司提出了设计方案，目前的执行机构中机械零件还比较多、结构也很复杂。如何有效的传递转矩、增大转矩，如何保证机构能自动调节制动间隙，如何使结构尽量小巧并且可靠都是在设计中要重点考虑的问题。
（3）灵敏度高而又廉价的传感器。现在使用的传感器功能还比较单一，灵敏度也有提高。为了保证EMB系统能正常可靠的工作，需要研发灵敏度高、功能集成、质优价廉的新型传感器。
（4）耐高温电子元器件。对耐高温电子元器件的研究主要涉及到2个方面：一个是在电子元器件本身下功夫，提高其对高温的承受能力和在高温下的工作稳定性；另一个就是改良制动盘的材料和提高其散热能力，通过优化设计提高整个制动器的散热性能，为电子元器件的工作提供良好的环境。
（5）高可靠性的电线和连接件。在新的EMB制动系统中，电线和连接件取代了原来的制动管路等部件，因此要求必须可靠，这将直接影响到整个系统的安全性和可靠性。
（6）可自适应调节的控制算法。目前车辆制动器在控制算法上主要采用3种：滑模控制、逻辑门限值控制和最优控制算法。以后为了适应EMB的发展和特点还可以有新的控制算法。
（7）系统容错控制。电控制动系统的容错型涉及到制动系统的安全性和可靠性，因此是一个至关重要的研究方向。有些学者是用实验的方法去监测和评估EMB对制动请求的响应情况，并通过一定的算法来忽略瞬间的错误信号借以实现系统的容错控制；有的是在分布式的线控制动系统中加入一个中央控制芯片，这是一个专门进行容错控制的冗余设计，并配以专门编写的软件来进行容错控制处理；最新的研究是在系统中引入一个监控器，用以检测可能导致系统错误和失效的信号，然后产生错误检测代码，根据代码来处理失效和提高安全性。车辆电控系统的容错控制是一个涉及到计算机硬件、软件、通信协议等多方面的比较难解决的问题。
2  EMB的结构原理及研究意义
2.1  EMB系统的总体结构[4]
EMB电控制动系统作为BBW线控制动系统的一种形式，除了有全新的电控制动器，还有其
全新的制动系统，如图4所示。EMB电控制动系统有6大基本组成部分：安装在4个车轮的独立的电控制动器；制动踏板模拟器；中心控制单元；电控制动器的控制器；轮速、车速等各种传感器；电源系统[3]。
图4  EMB电控制动系统结构简图
由图4可见，每个车轮都有一个独立的电控制动器及其控制器。中心控制单元根据踏板模拟器传来的信号，识别驾驶员的意图，再根据车速、轮速等多种传感器来获得整个车辆的运行状态，综合处理各种信息后，发出相应的制动信号给4个控制器，控制器得到信号后将控制4台电机分别对4个车轮独立进行制动。通过传感器再将每个制动器的实际制动力矩等信息反馈给中心控制单元，形成闭环控制，以保证最佳制动效果。电控制动器制动力和制动时间都
是由中心控制单元控制的，所以只需把ABS、TCS、ESP等功能的程序写入中心控制单元，而不必多加另外的硬件设备，便可以集中实现各种制动安全控制的功能。这正体现了线控系统模块化、集成化的优越性。
图5  EMB执行机构结构简图
2.2  EMB的结构及工作原理
EMB电控制动器是制动系统的制动执行机构，也是其核心部件，它的性能的好坏直接影响了制动的效果。它一般有四个基本组成部分：电源、电机、运动转换装置和制动钳，如图5所示[1]。
在传统形式的EMB中，电机经减速装置减速增扭，再由运动转换装置将旋转运动转换为直线运动，驱动制动钳对制动盘进行制动，电机的运动由EMB控制器控制。
    对EMB的结构和性能有以下几点要求[2]：
1．电机要小巧而又能提供足够大的力矩；
2．传动装置能减速增扭，还要将旋转运动转换为直线运动；
3．整个机构要工作迅速，反应灵敏；
4．能自动补偿制动间隙，并能实现驻车制动；
5．有良好的散热性；
6．整个执行器结构紧凑、体积小、质量轻、以便于安装；
7．有足够的强度和寿命，以保证安全可靠。
目前国外比较成熟的EMB设计样品有Bosh、Siemens和Continental Teves三家公司的试验品，
一些研究成果已申请了专利。
a．Bosch公司EMB的结构及原理[3]：
图6  Bosch公司的电子机械制动器结构简图
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年汽车制动器03月25日新发布的“ELECTROMAGNETICWHEEL BRAKE DEV ICE”,图6为此专利中描述的EMB结构简图。
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的行星齿圈26以同样的方式固接。在两个行星轮系10,12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,齿圈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6、15,齿圈1、26都同步转动。由于太阳轮6、15转动半径相同,齿圈1、26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。