电机械制动技术研究现状及其在轨道交通领域中的应用展望

2023-01-06吴君良王令军侯化安王殿元姚智彬

科技创新与应用 2022年36期

关键词：滚珠丝杠样机

吴君良，孙彬，吕枭，王令军，侯化安，王殿元，姚智彬

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266114）

电机械制动系统技术最早在航空领域提出，后来在汽车领域也得到了较为广泛的研究，其具有结构简单、体积小、响应速度快和控制精度高的优点[1]，已经成为下一代航空制动系统的主流技术并实现批量运用。

电机械制动系统原理为将电信号通过电机、减速机构等直接转换为制动力输出，省去了整个系统中的制动管路。实现了摩擦制动的全电气化，彻底摆脱了对制动介质的依赖，完成了从压缩空气或液压驱动到电驱动的转变，如图1所示。

图1 动力源的转变

电空制动原理与电机械制动原理技术特征对比如图2所示。电机械制动系统通过电能直接转化为机械动作来产生摩擦力，简化了传统空气和液压制动系统先进行电空（液）转换，再转化为机械力来施加制动的作用环节[2]。

图2 技术特征对比图

相比于传统空气或液压制动系统，电机械制动系统的优点主要包括以下几点。

（1）实现系统轻量化。省去沉重、复杂的制动管路和控制元件，间隙调整等功能由控制系统实现，减小了系统整体的复杂程度，同时大大提高了制动系统单位质量的制动力输出能力。

（2）提高系统控制性能。以导线中的电流作为控制信号和能量信号的传导介质，将间接空气或者液压压力闭环控制转变为制动力直接闭环控制，显著提高制动力控制精度、缩短响应时间。

（3）减少故障点和提高维护性。大量零部件的减少提高了系统的可靠性，减少故障点，便于实现模块化集成，降低了系统装车调试的难度和周期，从根本上避免了制动液、空气泄漏的风险，更加环保，同时降低了后期维护的工作量。

（4）提高能源利用效率。传统制动系统通过空压机或液压泵将车上电能转换为介质压力能储存，在施加制动时本质是通过介质压力的损失控制达到制动力的控制，浪费严重，采用电机直驱机构的方式减少了中间环节，电能除少数效率损失外全部转换为制动力，显著提高了能源利用效率。

（5）提高智能化程度。全电气化系统便于防滑、系统自检和故障诊断等功能的集成，目前技术已经可以实现大部分机械及电气元件故障的自动识别和定位，下一步朝向实时感知、智能诊断和决策及在途预警等动态信息的快速定位和处理方向发展。

目前，国内外对电机械制动技术进行了大量研究。

1 国外研究现状

电机械制动系统在国外科研机构、汽车制造企业等的研究相对较早，线控制动技术最早在飞机上开始运用，随着其应用技术的成熟，一些著名的汽车零配件制造公司加大了对电机械制动系统的研究投入，如德国的BOSCH（罗伯特·博世有限公司）、SIEMENS（西门子股份公司）、Continental Teves（德国大陆），美国的TRW（天合汽车集团）、Delphi（德尔福派克电气公司），韩国的HYUNDAI MOBIS（现代摩比斯）、MANDO（万都），瑞典的Haldex（瀚德集团）、SKF（斯凯孚），澳大利亚的PBR等相继开展了在该领域的技术研究，均已开发出代表各自企业的电子机械制动器。

各公司研究成果的差异主要体现在其核心技术——制动器的执行机构上，该机构主要由2部分组成：增力机构和运动转换装置。

其中，2种主流的方案是由德国Continental Teves公司提出的“行星齿轮减速器配合滚珠丝杠机构”方案[3]和由德国SIEMENS提出的“滚珠丝杠+自增力机构”方案[4]。

2种主流执行器方案如图3和图4所示。

图4 滚珠丝杠+自增力机构方案

电机械制动控制算法的研究主要围绕控制制动力的精确输出、提高系统响应速度等方面。

自2008年开始，各国对其控制算法的研究取得一定的成果，如：墨尔本大学的Chris等[5]在2008年，对电机械制动夹紧力控制模型提出了一种预测算法，使得串联PI控制的时效性差等问题得以解决。俄亥俄州立大学研究人员在2009年提出了非线性鲁棒性控制算法。ChihoonJo等通过实验验证其针对制动力估计并在2010年时根据电机的转子摩擦特性提出了一种算法，证明该算法有效。2013年，韩国的研究人员基于磁滞特性和电机转子位置方面提出的制动力估计算法，并在力位移控制系统的基础上实现了制动间隙调整。

目前，如美国“全球鹰”无人机、F16战斗机和波音787飞机等新型先进飞机均正式采用电机械制动系统，在下一代飞机上大范围使用电机械制动系统已成确定形势。

图5为波音787飞机上装置的电机械制动系统，每一个制动器搭载4个电机械制动模块，每个模块包括电机、滚珠丝杠、减速机构、力传感器和电机锁死装置，只有在制动力改变时电机才动作，制动力的保持靠电机锁死装置实现。

图5 波音787飞机电机械制动装置

2 国内研究现状

国内对电机械制动系统的研究起步相对较晚，其研究的领域主要集中在飞机和汽车方面，且主要以国内知名院校的研究为主。

国内最先开展该领域相关研究的是清华大学，其在2005年申请了国内第一份关于电机械制动器的专利[6]，提出一种连杆机构输出制动力的新方案。该方案的优点在于通过合理选择曲柄连杆的尺寸，有效利用了曲柄连杆死点位置附近力增益系数较大的特性，另外考虑到了该机构同时能够实现运动转换和力增益的特点。该方案优缺点相对明显：优点是可以减小对高性能电机的依赖；缺点是对电机输出转矩控制精度要求极高，不利于实现制动力连续、精确控制。曲柄连杆机构方案原理如图6所示。

图6 曲柄连杆机构方案原理。

另一团队在分析研究已有电机械制动系统机构的基础上，开发了一种独特的电机械制动系统执行机构结构方案，该方案占用空间较小，其实现方式为通过将行星齿轮减速器布置于分装式力矩电机的中空部分，使电机械制动系统执行机构整体轴向尺寸缩短，如图7所示。另外，在确定了电机械制动系统电机控制目标与方法的前提下，通过试验台模拟，对电机特性、系统机构执行功能和负载特性进行模拟验证。清华大学研制的飞机和汽车用电机械制动系统，进行了飞机和汽车的装车调试试验。

图7 清华大学电机械制动系统样机

吉林大学在2008年至2013年之间对于电机械制动系统在执行机构设计、控制模型建立、仿真及控制算法实现方面都取得了一定的研究成果[7]。其在2008年申请的“应用在汽车上的电子机械制动执行器”专利提出内置电机的执行机构设计方案，通过将丝杠置于电机空心轴中的方式，缩短轴向尺寸，使其结构更为紧凑。同时，吉林大学基于Matlab/xPCTarget实时平台，建立硬件仿真试验台，对系统执行器性能进行了试验研究。

轻型电机械制动在汽车领域的应用，吉林大学主要进行了踏板力模拟技术方面的研究，并进行了关于ABS、EBD和TCS等制动控制算法相关的仿真研究，如图8所示。

图8 吉林大学电机械制动系统样机

浙江大学王维锐团队自2008年开始研究汽车用电机械制动系统，为了减小电机械制动系统执行器机构在轴向和径向的尺寸便于机构的安装，利用蜗轮蜗杆来替代行星齿轮机构制造出样机，并且实现了刹车片磨损间隙自动补偿功能，在汽车上安装了2套进行测试。测试结果表明：制动效果提升明显，制动距离缩短8%左右[8]。

3 电机械制动在轨道交通领域的研究现状及展望

目前，在轨道交通领域应用的制动系统以空气制动、液压制动、风阻制动和电磁制动为主，其中以空气制动应用最为广泛，其组成如图9所示，包括电子制动控制单元、空压机、风缸、气压制动控制单元、制动管路和空气制动夹钳等。

图9 现有电空制动系统原理

与现有广泛应用的空气制动系统截然不同，电机械制动系统能量来自电能，以导线为传动介质，避免了复杂的空气管路。同时，其采用的新型执行机构也较传统制动夹钳或单元制动器更省空间。

电机械制动系统的特点是：易检测、电气化、智能化和模块化。其技术的成熟运用也为其在轨道交通领域制动系统的应用奠定了基础。

日本鹿儿岛1000型低地板有轨电车曾经试装过电子机械制动器并进行相关试验研究[9]。

具体方案为：在2节编组三转向架的低地板列车上，用电机械制动装置替换其中一个转向架的液压制动装置，在其中一端的转向架两侧安装4个电机械制动装置。对这种电机械制动装置进行了初速10～40 km/h的停车制动试验。试验结果表明：平均制动距离和平均减速度均能达到或优于原车制动系统的指标。

2014年以来，同济大学制动技术研究所利用其在轨道交通电子电气领域的技术发展成果，开发了适用于轨道车辆的新型电机械制动系统，先后申请了3项轨道交通电机械制动系统的发明专利，分别描述了行星齿轮减速滚珠丝杠带离合器方案、滚珠丝杠双电磁离合器主被动一体式方案和楔形增力滚珠丝杠方案等3种轨道交通电机械制动的实现形式。

同济大学最终轨道交通电机械制动系统样机方案结构如图10所示。