◆文/江蘇 高惠民

圍繞安全、環(huán)保、節(jié)能是汽車技術(shù)研發(fā)永恒的主題，隨著汽車電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的“新四化”發(fā)展，高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)、自動(dòng)駕駛已然成為汽車未來(lái)發(fā)展的主要方向。而汽車的新能源化、智能化除了在動(dòng)力方面給汽車帶來(lái)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(shì)。其中電子液壓制動(dòng)(Electronic HydraulicBrake,EHB)和電子機(jī)械制動(dòng)(Electronic MechanicalBrake，EMB)系統(tǒng)，作為從人工駕駛到自動(dòng)駕駛線控制動(dòng)的橋梁，既保證了制動(dòng)的有效性和可靠性，又滿足了自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、自適應(yīng)巡航(ACC)和自動(dòng)駕駛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求。EMB/EHB系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)是采用電動(dòng)助力裝置替代了傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、體積小、響應(yīng)快、制動(dòng)效果明顯提高等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)力，有失效備份功能。

同時(shí)，制動(dòng)踏板感覺(jué)可調(diào)、能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的解耦，配合多種主動(dòng)安全控制功能。并且，EMB/EHB系統(tǒng)在新能源汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中還可以利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量回收再利用，明顯地降低對(duì)清潔能源的消耗，延長(zhǎng)汽車的行駛里程。因此，電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)前景很廣，國(guó)內(nèi)外研究人員和知名汽車廠商都相繼投入到EMB/EHB制動(dòng)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(chǎng)。

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(dòng)IPB系統(tǒng)、大陸MKC1系統(tǒng)和愛(ài)德克斯ECB系統(tǒng)在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車上的運(yùn)用為例，分析它們的工作原理以及軟硬件的設(shè)計(jì)思想。

一、iBooster與ESP組合制動(dòng)系統(tǒng)解析

1.機(jī)電伺服制動(dòng)助力器(iBooster)結(jié)構(gòu)

過(guò)去幾十年，制動(dòng)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(dòng)減速到制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)縱向穩(wěn)定控制，發(fā)展到電子制動(dòng)力矩分配(EBD)，到后來(lái)電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)(ESP)的橫向穩(wěn)定控制，對(duì)制動(dòng)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(duì)制動(dòng)系統(tǒng)在功能和結(jié)構(gòu)上的需求。

從表2可以看出，制動(dòng)系統(tǒng)在最初滿足基本制動(dòng)需求的基礎(chǔ)上增加了許多面向整車動(dòng)力學(xué)、主動(dòng)安全、能量?jī)?yōu)化、以適應(yīng)電動(dòng)汽車和智能汽車的新功能。這些功能使得制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。

由博世公司研發(fā)的機(jī)電伺服制動(dòng)助力器(iBooster)，以傳統(tǒng)制動(dòng)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(dòng)汽車和智能汽車制動(dòng)系統(tǒng)的要求。

第二代iBooster整體結(jié)構(gòu)圖及剖面圖如圖1所示，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(dòng)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(jí)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(jí)減速機(jī)構(gòu)，分別為兩級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)和一級(jí)螺母螺桿減速機(jī)構(gòu)。

(2)傳感器不同：iBooster一代采用兩個(gè)傳感器，分別為電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器和助力器推桿絕對(duì)位置位移傳感器。iBooster二代采用一個(gè)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(gè)定子線圈和14個(gè)磁極。iBooster二代電機(jī)具有12個(gè)定子線圈和8個(gè)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。

iBooster減速機(jī)構(gòu)如圖2所示，其主要由三級(jí)齒輪組組成：第一級(jí)齒輪組由電機(jī)齒輪及雙齒輪中的大齒輪組成；第二級(jí)齒輪組由雙齒輪中的小齒輪及輪轂齒輪組成，前兩級(jí)齒輪副力矩傳輸方向都沒(méi)有發(fā)生變化；第三級(jí)為滑動(dòng)絲杠螺母組，由主軸螺母及螺桿軸組成，滑動(dòng)絲杠螺母組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，降速比大，有自鎖的功能，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且能夠保證和提高傳動(dòng)精度，此時(shí)力矩方向發(fā)生變化，由徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向的平動(dòng)。

iBooster耦合裝置如圖3所示，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，其實(shí)物圖如圖4所示。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(dòng)只能轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿軸及螺桿固定軸向前移動(dòng)，閥體座也向前移動(dòng)，并與閥體的B面接觸，伺服力就通過(guò)助力閥體作用于橡膠反饋盤的副面(外環(huán)面)，而與制動(dòng)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(guò)橡膠反饋盤耦合在一起推動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生液壓力。伺服力矩能夠滿足對(duì)不同助力比的調(diào)整需求。

2.機(jī)電伺服制動(dòng)助力器(iBooster)工作原理

iBooster在常規(guī)制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，助力器通過(guò)集成的位移差傳感器檢測(cè)到駕駛員的制動(dòng)需求，將此信息傳輸?shù)娇刂破髦?，控制器?jì)算出控制信號(hào)并作用在永磁同步電機(jī)上，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)傳輸扭矩，并與駕駛員提供的腳踏板力通過(guò)耦合裝置一起推動(dòng)主缸推桿產(chǎn)生制動(dòng)液壓力，制動(dòng)主缸、儲(chǔ)液罐與傳統(tǒng)制動(dòng)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(shí)現(xiàn)常規(guī)制動(dòng)功能，還可以實(shí)現(xiàn)以下兩種功能，如圖5所示。

(1)主動(dòng)制動(dòng)：緊急情況下，在沒(méi)有駕駛員的參與下，根據(jù)上層控制器要求自動(dòng)建立制動(dòng)液壓。實(shí)現(xiàn)全制動(dòng)液壓的時(shí)間要比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)快3倍，從而明顯的縮短制動(dòng)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(xiǎn)。

(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(yùn)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(shí)防止車載電源發(fā)生故障。萬(wàn)一iBooster發(fā)生故障，ESP hev單元會(huì)接管并提供制動(dòng)助力。在上述兩種情況下，制動(dòng)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(shí)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(guò)機(jī)械推動(dòng)力方式作為備用，駕駛員可以通過(guò)無(wú)制動(dòng)助力的純液壓模式對(duì)所有四個(gè)車輪施加車輪制動(dòng)，使車輛安全停車，同時(shí)滿足所有法規(guī)要求。

3.機(jī)電伺服制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的踏板感覺(jué)，要理解和體驗(yàn)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。

真空助力器是一種伺服制動(dòng)助力裝置，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管產(chǎn)生的真空度作為伺服動(dòng)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。

真空助力器結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，其后端固定在汽車前圍板上，輸入推桿和制動(dòng)踏板連接，前端與制動(dòng)主缸連接，真空單向閥和發(fā)動(dòng)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(gè)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(kāi)時(shí)，伺服前腔和后腔連通，且都為真空狀態(tài)沒(méi)有壓力差；當(dāng)空氣閥打開(kāi)時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)濾芯進(jìn)入伺服后腔；當(dāng)真空閥和空氣閥都關(guān)閉時(shí)，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(dòng)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(gè)過(guò)程。

①未制動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，駕駛員沒(méi)有踩下制動(dòng)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(shí)，真空閥打開(kāi)，空氣閥關(guān)閉，伺服前后兩腔均為真空，沒(méi)有壓力差，不產(chǎn)生助力作用，如圖6(a)所示。

②制動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，輸入推桿逐漸克服其回位彈簧的彈力，此過(guò)程真空助力器的狀態(tài)和未制動(dòng)狀態(tài)下保持一致?？朔匚粡椈蓮椓?，輸入推桿繼續(xù)向前移動(dòng)，由于輸入推桿和柱塞之間通過(guò)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(méi)有被打開(kāi)。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(shí)，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(dòng)推動(dòng)橡膠反饋盤，中心區(qū)域呈現(xiàn)凹下?tīng)顟B(tài)，這樣，在柱塞和閥體彈簧座之間開(kāi)始產(chǎn)生間隙，空氣閥被打開(kāi)，外界的大氣經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)主缸推桿上，從而產(chǎn)生制動(dòng)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(gè)過(guò)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(jì)摩擦力等的作用，此時(shí)駕駛員輸入多少力，主缸推桿的輸出力就增加多少，如圖6(b)所示。

③制動(dòng)保持狀態(tài)：駕駛員將制動(dòng)踏板踩到一定深度并保持不變時(shí)，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(dòng)與閥體彈簧座接觸，空氣閥被關(guān)閉，此時(shí)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6(c)所示。

④制動(dòng)解除狀態(tài)：駕駛員松開(kāi)制動(dòng)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(kāi)始產(chǎn)生間隙，真空閥開(kāi)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(gè)部件都逐漸恢復(fù)到未制動(dòng)狀態(tài)下。

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

在真空助力器的工作過(guò)程中，最為重要的是空氣閥和真空閥的開(kāi)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(guò)程中關(guān)鍵零部件工作狀態(tài)。

以駕駛員制動(dòng)踏板力為橫坐標(biāo)，主缸壓力為縱坐標(biāo)可以得到如圖7所示的真空助力器一個(gè)完整制動(dòng)過(guò)程中的助力特性曲線。

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

當(dāng)踏板力克服始動(dòng)力后，輸入推桿開(kāi)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(kāi)后，前、后腔開(kāi)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?yàn)殡S動(dòng)效應(yīng)向前推動(dòng)制動(dòng)主缸推桿，制動(dòng)主缸的液壓力會(huì)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(huì)越大，但是規(guī)定跳增值不能大于300N，跳增值過(guò)大時(shí)影響真空助力器的隨動(dòng)性，出現(xiàn)脈沖制動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于真空助力器而言，如果其結(jié)構(gòu)及跳增值設(shè)計(jì)的合理，特性曲線將會(huì)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(dòng)，真空助力器進(jìn)入到線性助力階段。該階段有一個(gè)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(shí)，真空助力器具有最大值，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)助力特性曲線的最大助力點(diǎn)。

過(guò)了最大助力點(diǎn)，真空助力器進(jìn)入飽和階段，制動(dòng)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(dòng)踏板力增加多少，輸出力就增加多少。