开云集团科技有限公司 - 智能制动系统领军者

　　随着科技的发展和人们对汽车主动安全要求的提高，性能优良、制动效果更好、操作更加简单的

　　（EMB）系统应运而生。因其具有出色的性能，满足未来的制动方向，受到了越来越多学者的研究。

　　EMB系统是一种全新的制动架构，它没有传统液压系统复杂的制动液、制动主缸、制动管路等。

　　由电机产生驱动力，经减速器增大扭矩，由滚珠丝杠机构将旋转运动转变为直线运动进而推动制动器

　　本文综合分析了现阶段已有研究的成果，选择了执行机构的三种布置方案，分析了他们各自的优

　　缺点，最终选择了行星齿轮减速器内嵌在电机内部的形式，其结构紧凑、机电一体化程度高，满足现

　　阶段车辆设计的要求。然后经过计算分析选择执行机构各部件的具体结构。本论文设计部分使用

　　关键词电子机械制动系统执行机构滚珠丝杠运动仿线电子机械制动（EMB）系统简介

　　现如今，车辆的安全问题越来越受到人们的重视，人们越来越需要结构简单、性能优良、操作方

　　便的制动系统，（EMB）系统以其出色的性能受到越来越多国内外科技人员的研究。EMB系统的能量来

　　源于电能，执行机构由电机提供驱动力矩，力矩需要经过减速增扭机构放大力矩，然后力矩经过力转

　　换机构，从而驱动制动器制动。没有液压管道和制动器在整个系统中，通过导线传输能量，数据线传

　　目前，液压助力制动系统仍是汽车制动系统的主要形式之一，但其也具有种种问题：零件液压油

　　道多、系统较为复杂、助力器体积大、装配难度较大、液压控动系统由于人长时间的踩踏，踏板

　　容易出现液压加压装置松动，使用寿命短等缺点，所以不再适应现在的发展需求。因而，将电子技术

　　与传统机械制动技术相结合的电子机械制动系统应kaiyun体育运而生，电子机械制动系统利用电机代替原有的液

　　压装置对制动体进行操作，除了在反应速度上更加迅捷，安全性也大大提升[1]。因此，国内外主要

　　的汽车零部件制造商和相关科研机构认为机电执行机构的设计和开发是最重要的问题，并在不同程度

　　对于执行机构整体布置方案的设计，国外已经提出了几种EMB执行方案，如行星齿轮减速器与滚

　　珠丝杆组合、滚珠丝杠加自增力装置方案、双极减速器加滚珠丝杠方案，并且进行了结构原理介绍、

　　优缺点分析，给出了制动系统设计方案[2~3]，但执行机构的设计方案比较简单并且不够完整。还有

　　一个独特的执行机构结构方案，该方案包括永磁直流转矩电机、行星齿轮减速器和滚珠螺杆机构，并

　　针对某轻型轿车，根据目前国内外已经开发的执行机构模型，例如，有人对西门子和大陆使用的

　　内置机械、美国博世和天河公司电机的外部结构进行了详细的研究并提出了一个最优执行机构布置方

　　案。该方案采用螺旋伞齿轮“并联”及二级螺旋传动方式，其最大的特点是滚球螺旋螺母和滑动螺

　　母钢丝杆相对集成，减少驾驶制动时间，巧妙地解决了停车的自锁问题，该方案装置更加集成，一体

　　执行机构中转换装置可以优先选择行星滚柱丝杠这个结构，《行星滚柱丝杠在电子机械制动系统

　　中的应用研究》一期刊中重点介绍了传力机构中滚柱丝杠应用，说明了滚柱丝杠的电子机械制动系统

　　的优缺点，它具有高强度、抗冲击的特点，还有较高的载荷、能过提供较大的转矩、更高的旋转速度

　　清华大学研究出了一种连杆式电子机械制动装置的专利，该机构无需减速装置，中间传力机构使

　　用的是活塞连杆机构，电机的输出轴与偏心轮装置相连，偏心轮旋转推动连杆活塞前进，活塞推动

　　本课题主要研究电子机械制动系统的工作原理与工作方式，解决EMB系统执行机构的布置方案，

　　以及零部件的选择搭配，设计与计算，系统零件校核与运动仿真，利用三维软件完成机构的建模与运

　　电子机械制动系统是一种全新的制动系统，给汽车制动系统做出了新的改善，对汽车制动系统的

　　发展具有里程碑的意义。电子机械系统具有制动响应速度快、没有延迟和卡顿现象，这样可以提高汽

　　车的制动效率，大大降低了制动距离，从而降低了交通事故的发生率，从而保障了驾驶员的安全性。

　　因此，电控制动的发展与推广具有突出的社会和经济效益[10~11]。然而，目前对电子和机械制动系

　　统执行机构的研究只是一个初步的探索性研究，还有许多工作需要有待进一步研究。

　　电子机械制动系统是以电能为能源的汽车导线控制技术的形式之一，电信号为传导介质的一种

　　动方式。它主要由车载电源、电子制动踏板、电子制动力分配单元、执行机构、车载ECU以及各种传

　　电子机械制动系统由制动踏板控制四车轮制动，ECU采集到踏板传感器、驻车制动开关、轮速传

　　感器等产生的电信号,信号经ECU处理作出发应，控EMB控制器作出回应，闭合电机执行开关，电

　　在EMB系统中起作用的传感器有轮速传感器、制动踏板位移传感器等，当控制系统接受控制命令

　　时，这些命令有踏板位置信号、车速信号等，这些信号被传输到制动控制器。根据该信号，控制器确

　　定驾驶员的制动力，并且驱动电机输出力矩，于是电机的扭矩转换为制动钳体和刹车盘之间的夹紧力

　　执行机构中，驱动力由电机产生，电机旋转产生旋转力矩，由于该力矩不太大，所以需要减速增

　　扭机构，电机输出的力矩经减速增扭机构增大扭矩，并作用在传力机构上，中间传力机构将电机的横

　　向力转换成纵向力，滚珠丝杠来推动制动器产生作用力，进而夹紧制动盘，使汽车行驶速度放缓或直

　　2.2EMB执行机构总体设计要求根据EMB的工作原理，其执行机构的设计应满足以下几个要求[15]：

　　制动系统执行机构最主要的任务就是产生制动力，该制动力直接作用在汽车制动盘上，保证高速

　　行驶时及时有效制动。当然，车辆的速度越快，它需要的制动力就越大，所以刹车执行机构生产的产

　　品应能够满足车辆各种工况的要求。对于盘式制动器，制动力的产生主要靠制动钳的夹紧，因此这要

　　求EMB执行器具有具有足够的驱动力和适当的减速和力增加机构的电机，以产生足够的制动力，满足

　　汽车在行驶，尤其在高速行驶时，需要执行制动命令时，就需要制动系统具有较快的制动效果来

　　保证行驶安全。由于传统的液压系统结构复杂，零部件众多，系统管路长，所以作用时间长，制动效

　　考虑到功耗因素，电机功率不能太大，因此需要减慢和增加扭矩，使输出扭矩达到要求制动效

　　由于车辆轮毂空间狭窄，且存在制动盘等旋转部件，因此应设置EMB执行器，严格要求其体积和重

　　车辆制动系统与驾驶安全有关，是车辆每个系统中非常重要的系统。因此，电子和机械制动系统

　　EMB执行器的动力通常是电机，因此选择合适的驱动电机成为EMB执行器设计的第一步。EMB对

　　系统的最重要要求是电机必须能够输出足够的扭矩。结合执行机构选择的方案，该电机的内部应有足

　　永磁直流电动机是一种低速直流力矩伺服电机，它由定子、电枢、永磁体等组成，电机通电时，

　　转子的带电线圈变成一个电磁体，在永磁体的磁力下旋转，在换向器的作用下，转子的磁极被改变，

　　从而转子可以持续旋转。它一般是扁平式的结构。它具有体积小、效率高、结构简单的优点，而且响

　　应性能好，转速低可以运行高载荷，长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏[16]。电机的本体如图

　　无刷直流电机由电动机主体、位置传感器和电子开关线路等部分组成，采用霍尔传感器实现换

　　向，取代了传统的碳刷换向器，换向开关可使两个磁场的方向始终保持垂直，从而产生恒定的转矩驱

　　动电机不停的旋转。它具有可靠性高、换向无火花、机械噪声低等优点，过载能力强等优点。但其起

　　根据所设计的执行机构的工作特性，其驱动电机应具有重量轻、体积小、扭矩大等优点，因此选

　　减速增扭机构的主要作用是将驱动电机输出的扭矩放大，便以获得较大的制动力，实现车辆

　　普通齿轮减速器的结构是一对直齿轮径向布置，一个连接输入轴，另一个连接输出轴，传动比是

　　两个齿轮的齿数之比，结构简单，但要想获得较大的传动比则需要较大的尺寸，不适合本设计的要

　　行星齿轮减速器由行星轮、太阳轮、内齿圈和行星架组成，行星轮与太阳轮和内齿圈同时啮合传

　　动，圆形的设计结构，有一级、二级和多级行星齿轮结构，具有体积小、易获得较大的传动比、效率

　　蜗轮蜗杆减速器由蜗轮和蜗杆两部分组成，这两部分交错布置，都可以作为输入轴，可以改变力

　　的传递方向，相当于齿轮和齿条传动，但其传动效率低、易产生自锁，所以太适合本设计。

　　本设计中由于综合考虑的因素有：布置的空间尺寸、所选电机的最大扭矩、制动系统的设计标

　　准，即所选减速装置占用的空间不能过大、有较大的传动比、传动平稳。所以选用行星齿轮减速器比

　　运动转换装置是EMB执行机构的重要组成部分之一，它主要负责将减速器输出的力由旋转运动装

　　换成线性运动，不改变力矩的大小，可以实现制动机构的夹紧任务。它主要有两种结构形式。

　　齿轮齿条传力机构结构简单，主要有齿轮和长齿条组成，可以实现旋转运动向直线运动的转化，

　　但其传动精度低，运动时易产生振动和段挫感，所以不符合本设计的要求。螺旋传力机构由螺杆和螺

　　母组成，螺杆和螺母之间有啮合和传力介质，螺杆输入的旋转力矩可经过介质推动螺母直线运动，不

　　产生旋转，可以实现较大的传动力矩，其传动过程比较平稳，可以精确传动，适合力矩大、转速不高

　　滚珠丝杠机构是将丝杠和旋转螺母旋槽之间放置适当的滚珠，作为中间传力体，滚珠可在旋槽内

　　因为滚珠丝杠机构具有传动平稳、效率高、没有顿挫卡顿现象等优点，结合本设计的要求，所以

　　常见的制动器有电磁式、摩擦式和液力式等几种。现在汽车上普遍使用的是摩擦式制动器，其中

　　固定式钳盘制动器制动钳体连接在轮毂上，制动块两侧都能产生液压力，有两个液压缸，这种结

　　浮钳盘式制动器只有单侧有液压缸，另一侧靠制动时产生的反作用力来夹紧制动盘，其可以在

　　动盘两侧轴向移动。其结构紧凑，容易实现，所以可以作为本设计的制动器。浮钳盘式制动器如图

　　图1.5为浮钳盘式制动器的结构简图。该制动器主要由制动钳体1、导向销2、制动块5、6和液

　　压缸9组成。它的工作原理是：当液压缸冲入液压油后，活塞8在液压力Fp1的作用下向左侧移动推

　　动制动块，由于液压缸布置在制动钳体上，制动钳体上有内摩擦力，会产生反作用力Fp2，带动另一

　　侧的摩擦片5夹紧制动盘，于是在制动块的夹紧作用下，制动盘停止旋转，从而实现了车辆的制动。

　　本设计的EMB执行机构主要由电机、减速机构、中间传力机构三个部分组成。目前国内外汽车厂

　　商基本上都是以浮钳盘式制动器为研究对象。根据EMB执行机构各部分的功能与原理，以及目前的布

　　直接“串联式”结构，将驱动电机、行星齿轮减速器和滚珠丝杠转换机构依次按顺序连成一排装

　　1-驱动电机2-太阳轮3-外齿圈4-行星轮架5-滚珠丝杠6-制动垫块7-制动盘8-制动钳体

　　驱动电机1固定在轮毂外侧的左右两个半轴上，其输出轴与行星齿轮减速器的太阳轮2固定连

　　接，减速器的外齿圈固定在制动钳体8上，行星轮架4与滚珠丝杠5固联，当电机通电旋转时，电机

　　带动减速器的太阳轮旋转，太阳轮就会带动四周行星轮旋转，行星轮带动行星架产生扭矩，该扭矩作

　　用在滚珠丝杠上，于是丝杠产生旋转运动，带动丝杠螺母产生横向的力，于是丝杠螺母推动制动垫块

　　这种各个部件直接连接的结构便于设计制造，成本低。但这种方式具有很明显的缺点，由于是将

　　联在一起的，所以这种结构不够紧凑，集成化程度不高，占用的轴向尺寸过大，不利于装车。

　　可以将减速机构内嵌在驱动电机的转子之中，其他部件不做调整，这样可以大大缩减执行机构的

　　1-电机定子2-电机转子3-行星齿轮减速器4-滚珠丝杠5-制动垫块6-制动盘7-制动钳体

　　根据图1.7可知，电机的径向尺寸有所拉伸，方便将行星齿轮减速器3集成在电机转子2内部，

　　其中电机定子1与减速器外齿圈和制动钳体固联，行星架直接与滚珠丝杠4连接，当电机通电旋转，

　　电机转子直接带动中心轮，进而带动太阳轮旋转，产生扭矩，作用在滚珠丝杠4上，丝杠螺母推动

　　此方案与方案一相比其部分结构和工作方式没有发生改变，由于其将减速机构置于电机定子内

　　部，大大缩减了执行机构的轴向距离，结构更加紧凑、机电一体化程度高。由于要将减速器置于电机

　　内部，考虑电机内部空间可实施的可能行，其结构稍微复杂，实施难度和考虑的因素有所增加。

　　直齿轮“并联”方案，与前两个方案不同的是，将行星齿轮减速器与滚轴丝杠之间加装常啮合直

　　齿轮，电机和减速器机构串联与滚珠丝杠机构不同轴，加装的电磁离合器可以为电子驻车提供自锁机

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