行星滚柱丝杠在电子机械制动系统中的应用研究

石栋才 李伟琪 邹钊斌

摘 要：相比汽车的液压制动，电子机械制动系统因具有更快的反应速度、更高的可靠性能等诸多优点，成为一项具有研究价值的新型制动方案。当前，许多电子机械制动系统研究主要针对执行机构基于滚珠丝杠的制动方案。本文分析了应用滚柱丝杠的电子机械制动系统，指出了应用滚柱丝杠方案的优点和缺点，以期促进滚柱丝杠在电子机械制动系统中的应用与发展。

关键词：行星滚柱丝杠副;电子机械制动;制动方案

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）17-0056-02

Application Research of Planetary Roller Screw in Electromechanical Brake System

SHI Dongcai LI Weiqi ZOU Zhaobin

（School of Traffic and Transportation， Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract： Compared with the hydraulic braking of automobiles， electromechanical braking systems have become a new type of braking solution with research value because of their advantages such as faster response speed and higher reliability. At present， many electromechanical brake systems are mainly focused on the ball screw-based braking scheme of the actuator. This paper analyzed the electromechanical brake system using roller screws， and pointed out the advantages and disadvantages of applying roller screw programs， in order to promote the application and development of roller screws in electromechanical brake systems.

Keywords： planetary roller screw pair;electromechanical brake;braking scheme

近年来，我国汽车行业迅速发展，作为汽车最重要的保障，制动系统一直是人们关注的重点。现阶段，大部分汽车仍然采用液压制动，但其较大的空间占比和可能漏液等缺点严重影响汽车的整体性能，电子机械制动（简称EMB）作为一种新兴的制动方式，由于其更快的反应速度和其他种种优点，大批科研人员对电子机械制动进行了深入的研究。早在20世纪90年代，许多汽车公司就开始着手对电子机械制动进行研究，电子机械制动发展经历了以下阶段：电机转动带动锥齿轮实现减速，后使用滚珠丝杠实现轴向力制动;电磁离合器在制动的间隙实现迅速进给，通过减速齿轮给予制动增力;EMB运用楔块结构;EMB线控上出现新的控制算法，大大提高可靠性;应用仿真模拟，验证电机旋转转动的角度与汽车制动器夹紧力之间的关系，估测制动片和制动盘之间的夹紧力的相关控制算法的正确性和可靠性[1]。

1 电子机械制动系统的总体构造和滚珠丝杠应用

电子机械制动系统主要由中央控制模块ECU、制动执行机构和各种传感器组成。

1.1 中央控制模块ECU

ECU的主要作用是接收EMB上各个传感器的信号，并根据接收的信号，及时发出精准的控制信号。ECU通过接收踏板上的角度位移传感器传来的信号，控制制动器输出相应大小的制动力，通过接收车轮上相应的传感器，判别车轮抱死和滑动情况，通过对制动力进行控制，实现对车轮的防抱死制动和驱动防滑等功能。

1.2 制动执行机构

本研究采用行星齿轮组减速器配合滚柱丝杠的制动执行机构。该制动执行机构的组成主要有驱动力矩电机、减速增矩装置、运动转化装置、制动钳制动装置。当汽车在行驶的过程中需要进行制动时，制动执行机构接收到制动信号，驱动力矩电机将制动力通过减速增矩装置传递至运动转化装置，将滚柱丝杠的旋转运动转变为轴向移动[2]，推动制动钳制动装置夹紧制动盘来完成制动。

1.3 EMB相关传感器

电子机械制动系统中，关键的传感器主要有汽车的踏板位移传感器、汽车车轮的轮速传感器等。这些传感器的作用是将精准的信号及时传给ECU，并持续监测数据变化。踏板位移传感器可以通过监测踏板转过的角度和踏板转动的角速度，将作用在踏板上的力和速度转化为电信号，传递给电子机械制动系统的ECU，ECU对收到的信号进行接收和处理，输出理想的制动力，更快、更有效地实现制动，通过轮速传感器来监测汽车的实时转速，实现ABS等程序的有效控制。

2 采用行星滚柱丝杠的电子机械制动系统的优缺点

2.1 EMB的優点

EMB可以采用线控技术实现完全电子化，同时结合汽车电控系统，应用多种算法控制，配合自动驾驶，集成ESP（车身电子稳定系统）、EBD（电子制动力分配）、TCS（牵引力控制系统）等功能，使车身具有良好的稳定性和制动防滑功能。

EMB相比EHB（电子液压制动系统），去除了繁杂的液压管路布置，使得整体结构更加紧凑，同时不用担心真空助力器和制动管道破损泄露造成的安全问题和制动液泄露带来的环境问题，其直接通过电信号实现制动，极大地缩短了制动时间，减少了制动距离，提高了制动的可靠性。

EMB配置精简，便于维修和日常养护，同时大大减少了整车质量，从而提高车辆的燃油经济性，其制动踏板采用模拟踏板，避免了ABS制动时的反弹力对驾驶者的影响，从而提高驾驶舒适感。

2.2 采用行星滚柱丝杠副（简称PRS）的优点

相比滚珠丝杠，PRS有众多支撑点，能够提供高于滚珠丝杠的额定动载和静载，同时具有更高的刚度和抗冲击能力。通过赫兹定律可知，行星滚柱丝杠能承载的静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍[3-4]。

PRS能够提供更高的旋转速度和更高的加速度，使得制动器的制动响应更快，同时制动力更大。PRS导程可以更小，使制动器高精度可控，可以用于特种车辆和高精度需求的车辆。

2.3 采用EMB的不足

在采用電子机械制动实现完全电控时，人们需要注意线路的老化和电路发生故障后的备用应急措施，需要设置备用制动方案。同时，电子线路要具备对内外界各种磁场的抗干扰能力。EMB需要配备高性能电机和传感器等电子元件，成本较高。

EMB工作条件恶劣，在制动时，力矩电机会长时间处在自然环境中，而且频繁地正反转，大部分时间会处在堵转状态[5]，其需要具备足够快的响应速度和足够大的制动力。传统车辆12 V的车载电源难以满足制动器的需求，人们需要使用42 V的新一代车载电源提供足够的驱动力。

2.4 采用PRS的不足

PRS成本较高，结构更加复杂，维修困难，不适用于普通经济型车辆;PRS具有更多啮合点，在工作时，摩擦也会增多，需要配备散热措施。

3 结论

新能源汽车和智能无人驾驶汽车在我国近几年迅猛发展，2019年，我国新能源汽车销售量累计值已经达到117.2万辆，新能源汽车产销率累计值达到98.7%，可见新能源汽车在我国有很大的市场和发展空间。制动性能和可靠性是评价一辆汽车好坏的重要因素，EMB凭借其出众的优点，未来将更加广泛地应用在电动车辆上。目前，国内有许多研究分析EMB，但是具有完整功能的制动系统研究还尚未成熟，同样，对应用PRS的EMB研究也很少，在关键技术上，建立和健全设计体制是未来需要研究的内容。本文分析角度比较单一，因此应用PRS的EMB特点仍需要进一步探讨。现阶段，电子机械制动系统仍然处于不断完善中，也有许多需要改进的地方，希望本文对该系统的相关研究人员有所帮助。

参考文献：

[1]王赛.汽车电子机械制动（EMB）系统设计及稳定性分析[D].淮南：安徽理工大学，2017.

[2]张立新，田有为，沈沉.汽车电子机械制动系统制动执行器的研究[J].机械设计与制造，2006（12）：50-52.

[3]刘更，马尚君，佟瑞庭，等.行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术[J].机械传动，2012（5）：103-108.

[4]刘祎.基于PLCopen的电动Gough-Stewart平台控制系统设计[D].北京：北京工业大学，2017.

[5]左斌.汽车电子机械制动（EMB）控制系统关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2014.