汽車的新能源化、智能化除了在動力方面給汽車帶來根本性的變化，在汽車底盤線控化方面也成為一種發(fā)展趨勢。其中電子液壓制動(Electronic HydraulicBrake,EHB)和電子機(jī)械制動(Electronic MechanicalBrake，EMB)系統(tǒng)，作為從人工駕駛到自動駕駛線控制動的橋梁，既保證了制動的有效性和可靠性，又滿足了自動緊急制動(AEB)、自適應(yīng)巡航(ACC)和自動駕駛對制動系統(tǒng)的要求。EMB/EHB系統(tǒng)最主要的特點是采用電動助力裝置替代了傳統(tǒng)機(jī)械制動系統(tǒng)的真空助力裝置，這樣減少機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，使得汽車的制動系統(tǒng)具有重量輕、體積小、響應(yīng)快、制動效果明顯提高等優(yōu)點。而且，在車輛電源故障的情況下，人力也可以提供一定的制動力，有失效備份功能。

同時，制動踏板感覺可調(diào)、能實現(xiàn)制動踏板與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的解耦，配合多種主動安全控制功能。并且，EMB/EHB系統(tǒng)在新能源汽車的制動系統(tǒng)中還可以利用驅(qū)動電機(jī)制動來實現(xiàn)能量回收再利用，明顯地降低對清潔能源的消耗，延長汽車的行駛里程。因此，電控液壓制動系統(tǒng)應(yīng)用市場前景很廣，國內(nèi)外研究人員和知名汽車廠商都相繼投入到EMB/EHB制動系統(tǒng)研發(fā)和整車配套中。表1所示為目前EHB系統(tǒng)的產(chǎn)品特性和配套市場。

為了全面系統(tǒng)了解EHB系統(tǒng)在整車上的性能表現(xiàn)，本文將在在進(jìn)行EHB系統(tǒng)通用架構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前具有典型EHB系統(tǒng)的代表，即博世iBooster系統(tǒng)、智能集成制動IPB系統(tǒng)、大陸MKC1系統(tǒng)和愛德克斯ECB系統(tǒng)在電動汽車和混合動力汽車上的運用為例，分析它們的工作原理以及軟硬件的設(shè)計思想。

iBooster與ESP組合制動系統(tǒng)解析

1.機(jī)電伺服制動助力器(iBooster)結(jié)構(gòu)

過去幾十年，制動系統(tǒng)在功能和結(jié)構(gòu)上不斷豐富和完善，從最原始的制動減速到制動防抱死系統(tǒng)(ABS)縱向穩(wěn)定控制，發(fā)展到電子制動力矩分配(EBD)，到后來電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)(ESP)的橫向穩(wěn)定控制，對制動系統(tǒng)的改進(jìn)和提高從未停止。表2總結(jié)了現(xiàn)代車輛對制動系統(tǒng)在功能和結(jié)構(gòu)上的需求。

表2 現(xiàn)代車輛制動系統(tǒng)需求

從表2可以看出，制動系統(tǒng)在最初滿足基本制動需求的基礎(chǔ)上增加了許多面向整車動力學(xué)、主動安全、能量優(yōu)化、以適應(yīng)電動汽車和智能汽車的新功能。這些功能使得制動系統(tǒng)變成了與整車安全、舒適、經(jīng)濟(jì)相關(guān)的重要子系統(tǒng)，因此，制動系統(tǒng)的設(shè)計變得至關(guān)重要。

表1 國內(nèi)外線控制動產(chǎn)品方案

由博世公司研發(fā)的機(jī)電伺服制動助力器(iBooster)，以傳統(tǒng)制動系統(tǒng)真空助力器原理為雛形，采用iBooster替代真空助力，于2016年推出iBooster第二代產(chǎn)品,滿足現(xiàn)代電動汽車和智能汽車制動系統(tǒng)的要求。

第二代iBooster整體結(jié)構(gòu)，主要由ECU、輸入推桿、永磁同步電機(jī)(PMSM)、減速機(jī)構(gòu)、耦合裝置、回位彈簧、助力閥體、制動主缸總成及位移差傳感器組成。第二代iBooster與第一代相比結(jié)構(gòu)上有如下改進(jìn)。

(1)減速機(jī)構(gòu)不同：iBooster一代具有兩級減速機(jī)構(gòu)，分別為蝸輪蝸桿和齒輪齒條。iBooster二代采用三級減速機(jī)構(gòu)，分別為兩級齒輪機(jī)構(gòu)和一級螺母螺桿減速機(jī)構(gòu)。

(2)傳感器不同：iBooster一代采用兩個傳感器，分別為電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器和助力器推桿絕對位置位移傳感器。iBooster二代采用一個傳感器，位移差傳感器。

(3)電機(jī)參數(shù)不同：iBooster一代電機(jī)具有18個定子線圈和14個磁極。iBooster二代電機(jī)具有12個定子線圈和8個磁極。

(4)體積及重量不同：iBooster一代外殼體采用鑄造工藝，而二代產(chǎn)品外殼體采用沖壓工藝，殼體更加輕薄。同一尺寸的助力器，二代產(chǎn)品具有更小的體積和重量。iBooster第二代技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 第二代iBooster技術(shù)參數(shù)

iBooster減速機(jī)構(gòu)，其主要由三級齒輪組組成：第一級齒輪組由電機(jī)齒輪及雙齒輪中的大齒輪組成；第二級齒輪組由雙齒輪中的小齒輪及輪轂齒輪組成，前兩級齒輪副力矩傳輸方向都沒有發(fā)生變化；第三級為滑動絲杠螺母組，由主軸螺母及螺桿軸組成，滑動絲杠螺母組結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，降速比大，有自鎖的功能，運動平穩(wěn)，且能夠保證和提高傳動精度，此時力矩方向發(fā)生變化，由徑向的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檩S向的平動。

iBooster耦合裝置，主要由輸入推桿、螺桿固定軸、橡膠反饋盤、閥體及閥體底座組成。在耦合裝置中，閥體和橡膠反饋盤是最為關(guān)鍵的零件。當(dāng)電機(jī)的伺服力經(jīng)由減速機(jī)構(gòu)傳遞到螺桿軸后，主軸螺母由于具有鎖止機(jī)構(gòu)不能向前移動只能轉(zhuǎn)動，螺桿軸及螺桿固定軸向前移動，閥體座也向前移動，并與閥體的B面接觸，伺服力就通過助力閥體作用于橡膠反饋盤的副面(外環(huán)面)，而與制動踏板連接的輸入推桿力直接作用于橡膠反饋盤的主面(內(nèi)圓面)。橡膠反饋盤具有體積不可壓縮特性，伺服力和踏板輸入力通過橡膠反饋盤耦合在一起推動主缸活塞產(chǎn)生液壓力。伺服力矩能夠滿足對不同助力比的調(diào)整需求。

2.機(jī)電伺服制動助力器(iBooster)工作原理

iBooster在常規(guī)制動時，駕駛員踩下制動踏板，助力器通過集成的位移差傳感器檢測到駕駛員的制動需求，將此信息傳輸?shù)?a target="_blank">控制器中，控制器計算出控制信號并作用在永磁同步電機(jī)上，通過減速機(jī)構(gòu)傳輸扭矩，并與駕駛員提供的腳踏板力通過耦合裝置一起推動主缸推桿產(chǎn)生制動液壓力，制動主缸、儲液罐與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)所用保持一致，液壓調(diào)節(jié)單元使用ESP的部件。iBooster除了可以實現(xiàn)常規(guī)制動功能，還可以實現(xiàn)以下兩種功能，如圖5所示。

圖 iBooster制動功能示意圖

(1)主動制動：緊急情況下，在沒有駕駛員的參與下，根據(jù)上層控制器要求自動建立制動液壓。實現(xiàn)全制動液壓的時間要比傳統(tǒng)制動系統(tǒng)快3倍，從而明顯的縮短制動距離，避免交通事故，或者在不可避免發(fā)生事故情況下，降低碰撞速度，從而降低人員傷亡的風(fēng)險。

(2)失效備份：iBooster采用了雙安全失效模式。第一道安全失效模式將兩種故障情況考慮在內(nèi)。如果車載電源不能滿負(fù)載運行，那么iBooster則以節(jié)能模式工作，以避免給車輛電氣系統(tǒng)增加不必要的負(fù)荷，同時防止車載電源發(fā)生故障。萬一iBooster發(fā)生故障，ESP hev單元會接管并提供制動助力。在上述兩種情況下，制動系統(tǒng)均可在200N的踏板力作用下提供0.4g的減速度，在更大踏板力乃至完全減速時同樣如此。在第二道安全失效模式，如果車載電源失效，即斷電模式下，則可通過機(jī)械推動力方式作為備用，駕駛員可以通過無制動助力的純液壓模式對所有四個車輪施加車輪制動，使車輛安全停車，同時滿足所有法規(guī)要求。

3.機(jī)電伺服制動助力器(iBooster)特性

現(xiàn)在駕駛員已經(jīng)習(xí)慣帶有真空助力器的傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的踏板感覺，要理解和體驗iBooster電子機(jī)械助力器的特性，在此首先回顧真空助力器的工作原理和助力特性。

(1)真空助力器工作原理

真空助力器是一種伺服制動助力裝置，利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管產(chǎn)生的真空度作為伺服動力源，靠真空和大氣在前、后兩腔產(chǎn)生的壓力差進(jìn)行助力。

圖 真空助力器結(jié)構(gòu)原理

真空助力器結(jié)構(gòu)原理如圖所示，其后端固定在汽車前圍板上，輸入推桿和制動踏板連接，前端與制動主缸連接，真空單向閥和發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管連接，為真空助力器提供真空?？刂崎y閥體和控制閥門彈簧座之間的間隙定義為真空閥，柱塞和控制閥門彈簧座之間的間隙定義為空氣閥。兩個閥體的作用為控制伺服前腔、后腔及外界大氣之間的通斷：當(dāng)只有真空閥打開時，伺服前腔和后腔連通，且都為真空狀態(tài)沒有壓力差；當(dāng)空氣閥打開時，空氣經(jīng)過濾芯進(jìn)入伺服后腔；當(dāng)真空閥和空氣閥都關(guān)閉時，伺服前腔、后腔及大氣之間相互隔絕。在柱塞和主缸推桿之間是橡膠反饋盤，右面中心區(qū)域受到柱塞的推力，外環(huán)區(qū)域受到控制閥閥體的推力，其左側(cè)受到制動主缸的液壓反作用力。真空助力器的工作原理可以分為以下幾個過程。

①未制動狀態(tài)：當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后，駕駛員沒有踩下制動踏板，輸入推桿在回位彈簧的作用下，處在右面的極限位置。此時，真空閥打開，空氣閥關(guān)閉，伺服前后兩腔均為真空，沒有壓力差，不產(chǎn)生助力作用，如圖(a)所示。

②制動狀態(tài)：當(dāng)駕駛員踩下制動踏板后，輸入推桿逐漸克服其回位彈簧的彈力，此過程真空助力器的狀態(tài)和未制動狀態(tài)下保持一致。克服回位彈簧彈力后，輸入推桿繼續(xù)向前移動，由于輸入推桿和柱塞之間通過球頭鉸接在一起向前位移，控制閥閥體和閥門彈簧座組成的真空閥的間隙逐漸減小，柱塞和閥門彈簧座一直保持接觸，空氣閥沒有被打開。當(dāng)控制閥閥體和閥體彈簧座接觸的一瞬間，真空閥被關(guān)閉，前后兩腔不再連通。當(dāng)柱塞克服間隙與橡膠反饋盤中心區(qū)域接觸時，繼續(xù)向前的閥體彈簧座則抵在控制閥閥體上，而柱塞繼續(xù)向前移動推動橡膠反饋盤，中心區(qū)域呈現(xiàn)凹下狀態(tài)，這樣，在柱塞和閥體彈簧座之間開始產(chǎn)生間隙，空氣閥被打開，外界的大氣經(jīng)過濾芯進(jìn)入到后腔，在前、后腔之間產(chǎn)生一定的壓力差，并通過控制閥體作用在橡膠反饋盤的外環(huán)區(qū)域，該推力和駕駛員的輸入力一起作用在制動主缸推桿上，從而產(chǎn)生制動壓力。伺服前腔的壓強(qiáng)一般為0.067MPa，而大氣壓強(qiáng)為0.1MPa，前、后兩腔在這個過程中的壓力差是不變的，而膜片的面積也是定值，因此，最大伺服力存在最大值。在達(dá)到最大值之后，不再產(chǎn)生助力作用，不計摩擦力等的作用，此時駕駛員輸入多少力，主缸推桿的輸出力就增加多少，如圖(b)所示。

③制動保持狀態(tài)：駕駛員將制動踏板踩到一定深度并保持不變時，踏板力不再增加，柱塞不再壓縮橡膠反饋盤中心區(qū)域，由于伺服助力的作用，橡膠反饋盤中心凹下部分慢慢的變平回到初始位置，直至各處的變形量都相同，柱塞向后移動與閥體彈簧座接觸，空氣閥被關(guān)閉，此時真空閥也處于關(guān)閉狀態(tài)，前、后腔被隔斷，真空助力器處于力平衡狀態(tài)。如圖(c)所示。

④制動解除狀態(tài)：駕駛員松開制動踏板之后，輸入推桿及柱塞后移，控制閥閥體和閥體彈簧座之間開始產(chǎn)生間隙，真空閥開啟，而空氣閥仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，前、后兩腔連通，壓力差逐漸減小直至0，各個部件都逐漸恢復(fù)到未制動狀態(tài)下。

⑤真空助力器失效：真空助力失效時，駕駛員踩下制動踏板，輸入推桿帶動控制閥體及膜片向前運動，推動主缸推桿產(chǎn)生液壓力。

在真空助力器的工作過程中，最為重要的是空氣閥和真空閥的開閉、反饋盤的變形和前后腔的連通狀態(tài)。表4列出了真空助力器工作過程中關(guān)鍵零部件工作狀態(tài)。

(2)真空助力器助力特性曲線

以駕駛員制動踏板力為橫坐標(biāo)，主缸壓力為縱坐標(biāo)可以得到如圖所示的真空助力器一個完整制動過程中的助力特性曲線。

表4 真空助力器工作過程中關(guān)鍵零部件工作狀態(tài)

圖 真空助力器助力特性曲線

駕駛員踩下制動踏板后并不是能馬上推動制動主缸推桿產(chǎn)生壓力，而是當(dāng)踏板力大于某個閾值時才開始產(chǎn)生液壓力，這個閾值就稱作真空助力器的始動力。始動力的大小基本等于輸入推桿回位彈簧的預(yù)緊力。始動力可以防止駕駛員誤踩制動踏板或汽車較大的振動所導(dǎo)致的錯誤制動，該值一般情況下應(yīng)該小于110N。始動力過大，真空助力器的反應(yīng)時間過長，靈敏度降低；始動力過小，駕駛員會失去腳感。

當(dāng)踏板力克服始動力后，輸入推桿開始逐漸克服柱塞和橡膠反饋盤之間的間隙，當(dāng)柱塞和閥體彈簧座之間的空氣閥打開后，前、后腔開始產(chǎn)生壓差，這一階段，輸入推桿力主要克服回位彈簧的彈力，踏板推桿力基本保持不變，而控制閥閥體因為隨動效應(yīng)向前推動制動主缸推桿，制動主缸的液壓力會急劇的增大，這一階段定義為跳增階段。該階段踏板力不變，輸出的最大液壓力定義為跳增值。柱塞和橡膠反饋盤之間的間隙越大，跳增值就會越大，但是規(guī)定跳增值不能大于300N，跳增值過大時影響真空助力器的隨動性，出現(xiàn)脈沖制動現(xiàn)象。對于真空助力器而言，如果其結(jié)構(gòu)及跳增值設(shè)計的合理，特性曲線將會從跳增階段平滑的進(jìn)入到線性助力階段。

踏板力繼續(xù)增加，輸入推桿繼續(xù)向前移動，真空助力器進(jìn)入到線性助力階段。該階段有一個真空助力器最重要的參數(shù)：助力比，其定義為輸出力和輸入力的比值，即線性助力段的斜率。當(dāng)后腔全部充滿大氣，等于大氣壓強(qiáng)時，真空助力器具有最大值，該時刻對應(yīng)助力特性曲線的最大助力點。

過了最大助力點，真空助力器進(jìn)入飽和階段，制動踏板力繼續(xù)增加，但不再產(chǎn)生伺服助力。理想條件下，該段曲線的斜率為1，即制動踏板力增加多少，輸出力就增加多少。

圖文來源 |?EDC電驅(qū)未來? AMTS

審核編輯：湯梓紅