汽車中的線控制動技術(shù)

在未來自動駕駛車輛上，轉(zhuǎn)向桿、剎車和加速踏板等都將不再保留，更先進的駕駛方式是利用車輛智能感知單元進行分析，工作指令通過線束傳遞給轉(zhuǎn)向或制動系統(tǒng)來實現(xiàn)自動駕駛。這項技術(shù)就被稱為線控技術(shù)。

要了解線控制動，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動。

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構(gòu)成。當(dāng)踩下剎車踏板時，儲液壺中的剎車油進入主缸，然后進入輪缸。

輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運動進而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生制動力。

當(dāng)駕駛者踩下制動踏板時，機構(gòu)會通過液壓把駕駛?cè)四_上的力量傳遞給車輪。但實際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點有兩個辦法：一是杠桿作用；二是利用帕斯卡定律，用液力放大。制動系統(tǒng)把力量傳遞給車輪，給車輪一個摩擦力，然后車輪也相應(yīng)的給地面一個摩擦力。

在我們討論制動系統(tǒng)構(gòu)成原理之前，讓我們了解三個原理：

1. 杠桿作用  2. 液壓作用  3. 摩擦力作用

杠桿作用已經(jīng)無需贅言，大家想必已經(jīng)爛熟于心，在杠桿的左邊施加一個力F，杠桿左邊的長度（2X）是右邊（X）的兩倍。因此在杠桿右端可以得到左端兩倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。

剎車踏板就是個杠桿?？紤]到踏板的傾斜度，一般踏板的設(shè)計行程不超過18厘米。液壓原理需要特別說明，液體是無法被壓縮的，密閉容器里的液體的壓力有個特點：不論是液體內(nèi)部、還是壓向容器壁的力，到處都一樣大?！矗喝绻黄椒矫咨嫌幸粐嵉牧α浚敲丛谒械牡胤?，一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。

由于液體無法壓縮，所以這種方式傳遞力矩的效率非常高，幾乎100%的力傳。液壓傳力系統(tǒng)最大的好處就是可以以任何長度，或者曲折成各種形狀繞過其他部件來連接兩個圓桶型的液壓缸。還有一個好處就是液壓管可以分支，這樣一個主缸可以被分成多個副缸。液壓的另一個作用就是放大力矩。如果主缸的直徑是1寸，輪缸的直徑是3寸，那么給主缸上面施加任何一個力，就會在輪缸上放大9倍。不過主缸的活塞推動9厘米，輪缸的活塞推動距離只有1厘米，能量守恒。通常轎車的主缸直徑是22毫米，前輪缸直徑是32毫米，后輪缸直徑是28毫米。

不同的材料表面，有不同的鋸齒結(jié)構(gòu)；舉例來說：橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數(shù)。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如：如果摩擦系數(shù)為0.1，一個物體重100磅，另一個物體重400磅，那么如果要推動他們就必須給100磅的物體施加一個10磅的力，給400磅的物體施加一個40磅的力才能克服摩擦力前進。

說完了這些，讓我們來說說ABS。

ESP與ABS非常接近，與ABS最大的不同在于ESP可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力，ABS只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機和柱塞泵，與ABS比多了4個柱塞泵，4個電磁閥，也就是VLV和USV。

博世第九代ESP增加了兩個特殊功能，一個是ACC，自適應(yīng)巡航，ESP可以部分控制電子節(jié)氣門。另一個是AEB，ESP可以部分控制剎車系統(tǒng)。有些認(rèn)為ESP既可以控制油門又可以控制剎車，是個很好的線控系統(tǒng)，非也。博世對國內(nèi)廠家一般只開放ACC和ESP量產(chǎn)接口協(xié)議，剎車力度最大大約為0.5g，標(biāo)準(zhǔn)的剎車力度在0.8g以上，0.5g遠(yuǎn)不夠用。再次，在設(shè)計之初，ESP控制剎車系統(tǒng)只是在少數(shù)緊急情況下使用，可能1年用不了2次，一般泵的容量只有3毫升，每一次使用，柱塞泵都要承受高溫高壓，頻繁使用，會導(dǎo)致柱塞泵發(fā)熱嚴(yán)重，精密度下滑，導(dǎo)致ESP壽命急劇下滑，常規(guī)剎車系統(tǒng)1小時就可能使用數(shù)次，如果用ESP做常規(guī)剎車系統(tǒng)，可能1個月就報廢了。最后即便是不計壽命問題，ESP的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反應(yīng)速度較慢。最后如果ESP真的可以做常規(guī)制動，那么博世也無需開發(fā)Ibooster，日立無需開發(fā)EACT，大陸無需開發(fā)MK C1，天合無需開發(fā)IBC。

如何做到常規(guī)的線控制動，這得從真空助力器說起。

單單踏板的杠桿并不足以推動主缸活塞較大的行程，因為剎車油是非常黏性的液體，與主缸缸壁之間的摩擦力很大，需要的推力很大，為此人類使用了真空助力器，真空助力器一般位于制動踏板與制動主缸之間，為便于安裝，通常與主缸合成一個組件，主缸的一部分深入到真空助力器殼體內(nèi)。真空助力器是一個直徑較大的腔體，內(nèi)部有一個中部裝有推桿的膜片（或活塞），將腔體隔成兩部份，一部份與大氣相通，另一部份通過管道與發(fā)動機進氣管相連。它是利用發(fā)動機工作時吸入空氣這一原理，造成助力器的一側(cè)真空，相對于另一側(cè)正?？諝鈮毫Φ膲毫Σ?，利用這壓力差來加強制動推力。

如果膜片兩邊有即使很小的壓力差，由于膜片的面積很大，仍可以產(chǎn)生很大的推力推動膜片向壓力小的一端運動。真空助力系統(tǒng)，是在制動的時，也同時控制進入助力器的真空，使膜片移動，并通過聯(lián)運裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差，而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內(nèi)燃機取得真空，需要用電子真空泵。真空助力器會減少一部分發(fā)動機效率，所以近來有些油車上也使用電子真空助力器，用電機制造真空。

線控制動正是從真空助力器延伸開來，用一個電機來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小，電機的體積必須很小，同時要有一套高效的減速裝置，將電機的扭矩轉(zhuǎn)換為強大的直線推力。這其中的關(guān)鍵因素就是電機主軸，日本是此領(lǐng)域的霸主。

在電機技術(shù)不夠先進的1999年前，人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉(zhuǎn)而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的SBC、豐田的EBC系統(tǒng)、天合的SCB，這套系統(tǒng)利用電機建立液壓，然后將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中，需要剎車時釋放。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓管路眾多，成本高昂，可靠性不高。奔馳曾經(jīng)大規(guī)模召回過SBC系統(tǒng)，豐田也曾經(jīng)召回過EBC系統(tǒng)，奔馳今天已經(jīng)幾乎不用SBC系統(tǒng)。而豐田從2000年一直用到現(xiàn)在。通用和福特的混動車上則全部使用天合的SCB。

由于成本過高，從2007年起，EVP電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設(shè)計，EVP極為簡單，就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空，缺點非常明顯，首先它幾乎沒有任何能量回收，其次，剎車時會發(fā)出刺耳的噪音，最重要，它必須人力首先踩下制動踏板，也就是說它并非線控制動，而是機械制動。優(yōu)點也很明顯，首先是成本很低，再者是設(shè)計異常簡單，油車的底盤幾乎不做絲毫改動就可以用來做混動車，這對中國企業(yè)來說非常重要，中國企業(yè)缺乏自主設(shè)計底盤能力。

隨著電機技術(shù)的發(fā)展，日立旗下的東機特工在2009年首次推出電液線控制動系統(tǒng)E-ACT。除豐田外，大部分日系混動或純電車都采用這種設(shè)計，最典型的就是日產(chǎn)Leaf。說起來很簡單，用直流無刷超高速電機配合滾珠絲杠直接推動主缸活塞達(dá)到電液線控制動，這套方案對滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)反應(yīng)時間大約400-600毫秒，電液線控制動大約為120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里時速剎車大約最少可縮短9米以上的距離。同時用在混動和電動車上，可以回收幾乎99%的剎車摩擦能量。是目前公認(rèn)最好的制動方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，這套制動系統(tǒng)一般都需要加入ESP（ESC）做系統(tǒng)備份。

人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、ESP等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。

制動控制是自動駕駛執(zhí)行系統(tǒng)的重要部分，目前ADAS與制動系統(tǒng)高度關(guān)聯(lián)的功能模塊包括ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）/AP（自動泊車）/ACC（自適應(yīng)巡航）/AEB（自動緊急制動）等。

線控制動系統(tǒng)與各個模塊的高度關(guān)聯(lián)