电液推杆服务好自动驾驶的核心技术之四：

作者：147小编发布时间：2022-05-27 18:37:50点击：235

机械式继续执行

单纯蔡伯介，机械式继续执行主要就包括机械式制动器、转向和刹车。某些高级车里，装设也是可以机械式的。机械式继续执行中制动器是非常困难的部分。

机械式刹车相当单纯，且已经大量应用领域，也就是电子零件刹车，凡具备TCS的车辆都配有有电子零件刹车。电子零件刹车透过用工作台（导体）来代替塔基或是滑轮，在节流阀这边装一只小型传动装置，用传动装置来驱动力节流阀开度。一般来说，不定刹车即是透过刹车方向盘发生改变引擎节流阀开度，从而掌控易燃混合气体的网络流量，发生改变引擎的输出输出功率和输出功率，以适应汽车高速行驶的需要。现代引擎节流阀操纵者机构是透过塔基或是滑轮，另一端相连接刹车方向盘，另一侧相连接节流阀LX1板而工作。但这种现代刹车应用领域专业领域受限并缺乏精准度。电子零件刹车的主要就功能是把司机松开刹车方向盘的角度转化成与成反比的电流讯号，同时把刹车方向盘的各种特殊边线制成接触控制器，把空气冷却、奈莱、加失速等引擎旋转磁场变成电信号讯号运载给总成引擎的掌控器ECU，以达到液压泵、滤网与变速箱等的强化自动掌控。

电子零件刹车掌控控制技术主要就由刹车方向盘、方向盘偏转感应器、ECU（总成模块）、总线、转换器传动装置和节流阀政府机构组成。电液推杆偏转感应器加装在刹车方向盘内部，即时监控刹车方向盘的边线。当监控到刹车方向盘高度边线有变化，会一瞬间将此重要信息送至ECU，ECU对该重要信息和其他控制技术响起的数据重要信息进行演算处理，计算出一个掌控讯号，透过公交线路送至转换器传动装置电阻器，转换器传动装置驱动力节流阀政府机构，总线则是负责控制技术ECU与他ECU之间的通信。在自适应航行中，则由ESP（ESC）中的ECU来掌控电气，从而掌控转矩开闭幅度，最终掌控车速。博世和大陆都有全套的电子零件刹车控制技术出售。

机械式转向也已经得到实际应用领域，这就是日产旗下的英菲尼迪Q50。实际目前的电子零件助力转向（EPS）非常接近机械式转向了。EPS与机械式转向之间的主要就差异就是机械式转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，用感应器获得方向盘的转角数据，然后ECU将其折算为具体的驱动力力数据，用电气推动转向机转动车轮。而EPS则根据司机的转角来增加转向力。机械式转向的缺点是需要模拟一个方向盘的力回馈，因为方向盘没有和机械部分连接，驾驶者感觉不到路面传导来的阻力，会失去路感，不过在无人车里，就无需考虑这个了。在Q50L上机械式转向还保留机械装置，保证即使电子零件控制技术全部失效，依然可以正常转向。

机械式制动器是最关键的也是难度最高的。要了解机械式制动器，首先要了解汽车的刹车原理。轻型车通常采用液压制动器。电液推杆

现代制动器控制技术主要就由真空助力器、主缸、储液壶、轮缸、制动器鼓或制动器碟构成。当松开刹车方向盘时，储液壶中的刹车油进入主缸，然后进入轮缸。

轮缸两端的活塞推动制动器蹄向外运动从而使得摩擦片与刹车鼓发生摩擦，从而产生制动器力。

当驾驶者松开制动器方向盘时，机构会透过液压把驾驶人脚上的力量传递给车轮。但实际上要想让车停下来必须要一个很大的力量，这要比人腿的力量大很多。所以制动器控制技术必须能够放大腿部的力量，要做到这一点有两个办法：•杠杆作用•利用帕斯卡定律，用液力放大。制动器控制技术把力量传递给车轮，给车轮一个摩擦力，然后车轮也相应的给地面一个摩擦力。

在我们讨论制动器控制技术构成原理之前，让我们了解三个原理：电液推杆•杠杆作用 •液压作用 •摩擦力作用杠杆作用已经无需赘言，大家想必已经烂熟于心，在杠杆的左边施加一个力F，杠杆左边的长度（2X）是右边（X）的两倍。因此在杠杆右端可以得到左端两倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。刹车方向盘就是个杠杆。考虑到方向盘的倾斜度，一般方向盘的设计行程不超过18厘米。液压原理需要特别说明，液体是无法被压缩的，密闭容器里的液体的压力有个特点：不论是液体内部、还是压向容器壁的力，到处都一样大。——即：如果一平方米上有一吨的力量，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一吨。这叫帕斯卡定理。由于液体无法压缩，所以这种方式传递力矩的效率非常高，几乎100%的力传。液压传力控制技术最大的好处就是可以以任何长度，或是曲折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸可以被分成多个副缸。液压的另一个作用就是放大力矩。如果主缸的直径是1寸，轮缸的直径是3寸，那么给主缸上面施加任何一个力，就会在轮缸上放大9倍。不过主缸的活塞推动9厘米，轮缸的活塞推动距离只有1厘米，能量守恒。通常轿车的主缸直径是22毫米，前轮缸直径是32毫米，后轮缸直径是28毫米。不同的材料表面，有不同的锯齿结构；举例来说：橡皮与橡皮之间就比钢与钢之间更难滑动。材料的类型决定了摩擦系数。所以摩擦力与物体接触面上的正压力成反比。例如：如果摩擦系数为0.1，一个物体重100磅，另一个物体重400磅，那么如果要推动他们就必须给100磅的物体施加一个10磅的力，给400磅的物体施加一个40磅的力才能克服摩擦力前进。

说完了这些，让我们来说说ABS。

ESP与ABS非常接近，与ABS最大的不同在于ESP可以在没有踩刹车方向盘的情况下向轮缸输出制动器压力，ABS只能在松开刹车方向盘后从主缸向轮缸输出压力。压力生成器就是电气和柱塞泵，与ABS比多了电液推杆4个柱塞泵，4个电磁阀，也就是VLV和USV。

博世第九代电液推杆ESP增加了两个特殊功能，一个是ACC，自适应航行，ESP可以部分掌控电子零件节流阀。另一个是AEB，ESP可以部分掌控刹车控制技术。有些认为ESP既可以掌控刹车又可以掌控刹车，是个很好的机械式控制技术，非也。博世对国内厂家一般只开放ACC和ESP量产接口协议，刹车力度最大大约为0.5g，标准的刹车力度在0.8g以上，0.5g远不够用。再次，在设计之初，ESP掌控刹车控制技术只是在少数紧急情况下使用，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，柱塞泵都要承受高温高压，频繁使用，会导致柱塞泵发热严重，精密度下滑，导致ESP寿命急剧下滑，常规刹车控制技术1小时就可能使用数次，如果用ESP做常规刹车控制技术，可能1个月就报废了。最后即便是不计寿命问题，ESP的泵油输出功率有限，且缺乏真空助力，反应速度较慢。最后如果ESP真的可以做常规制动器，那么博世也无需开发Ibooster，日立无需开发EACT，大陆无需开发MK C1，天合无需开发IBC。

如何做到常规的机械式制动器，这得从真空助力器说起。

单单方向盘的杠杆并不足以推动主缸活塞较大的行程，因为刹车油是非常黏性的液体，与主缸缸壁之间的摩擦力很大，需要的推力很大，为此人类使用了真空助力器，真空助力器一般位于制动器方向盘与制动器主缸之间，为便于加装，通常与主缸合成一个组件，主缸的一部分深入到真空助力器壳体内。真空助力器是一个直径较大的腔体，内部有一个中部装有推杆的膜片（或活塞），将腔体隔成两部份，一部份与大气相通，另一部份透过管道与引擎进气管相连。它是利用引擎工作时吸入空气这一原理，造成助力器的一侧真空，相对于另一侧正常空气压力的压力差，利用这压力差来加强制动器推力。电液推杆如果膜片两边有即使很小的压力差，由于膜片的面积很大，仍可以产生很大的推力推动膜片向压力小的另一端运动。真空助力控制技术，是在制动器的时，也同时掌控进入助力器的真空，使膜片移动，并透过联运装置利用膜片上的推杆协助人力去踩动和推动制动器方向盘。需要注意推力来自压力差，而非真空。电动车和混合动力车不能依赖内燃机取得真空，需要用电子零件真空泵。真空助力器会减少一部分引擎效率，所以近来有些油车里也使用电子零件真空助力器，用电气制造真空。

机械式制动器正是从真空助力器延伸开来，用一个电气来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小，电气的体积必须很小，同时要有一套高效的失速装置，将电气的扭矩转换为强大的直线推力。这其中的关键因素就是电气主轴，日本是此领域的霸主。

在电气技术不够先进的1999年前，人们只得放弃这种直接推动主缸的思路。转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的SBC、丰田的EBC控制技术、天合的SCB，这套控制技术利用电气建立液压，然后将高压刹车油储存在高压蓄能器中，需要刹车时释放。这套控制技术结构复杂，液压管路众多，成本高昂，可靠性不高。奔驰曾经大规模召回过SBC控制技术，丰田也曾经召回过EBC控制技术，奔驰今天已经几乎不用SBC控制技术。而丰田从2000年一直用到现在。通用和福特的混动车里则全部使用天合的SCB。

由于成本过高，从电液推杆2007年起，EVP电子零件真空泵开始在电动车或混动车里取代这种高压蓄能器设计，EVP极为单纯，就是将油车的真空助力换位电子零件真空泵获得真空，缺点非常明显，首先它几乎没有任何能量回收，其次，刹车时会发出刺耳的噪音，最重要，它必须人力首先松开制动器方向盘，也就是说它并非机械式制动器，而是机械制动器。优点也很明显，首先是成本很低，再者是设计异常单纯，油车的底盘几乎不做丝毫改动就可以用来做混动车，这对中国企业来说非常重要，中国企业缺乏自主设计底盘能力。

随着电气技术的发展，日立旗下的东机特工在2009年首次推出电液机械式制动器控制技术E-ACT。除丰田外，大部分日系混动或纯电车都采用这种设计，最典型的就是日产Leaf。说起来很单纯，用直流无刷超高速电气配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液机械式制动器，这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。现代的液压制动器控制技术反应时间大约400-600毫秒，电液机械式制动器大约为120-150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短9米以上的距离。同时用在混动和电动车里，可以回收几乎99%的刹车摩擦能量。是目前公认最好的制动器方式，为了保证控制技术的可靠性，这套制动器控制技术一般都需要加入ESP（ESC）做控制技术备份。

早在电液推杆1999年大众在开发纯电动车过程当中也很想使用这种电气直接推动主缸的设计，但是德国的电气工业当时没有能力满足大众的需求，大众采取了妥协的设计。既然电气的能量达不到，那就继续用高压蓄能器配合，但是推动主缸的是电气，大众称之为eBKV，是德文Elektromechanischer.Bremskraftverstärker的缩写，2009年的大众E-UP上首次使用。

博世从e-UP中获得灵感，加上博世是电气大师，经过博世的努力，最终在2013年去掉了高压蓄能器，单用电气推动主缸，这就是iBooster

博世的iBooster 于2013年初推出，并且应用领域大众（包括奥迪品牌，大众持有ibooster的部分专利）全系列电动与混动车里，其他客户还有特斯拉和即将上市的卡迪拉克CT6。

大陆和天合（ZF）则在此基础上将ESC也集成进来，大陆的MK C1早在2011年就已经推出，在2017年版的阿尔法罗密欧Giulia上使用。TRW的则于2012年推出IBC，通用的K2XX平台上将全线使用。顺便说下TRW的IBC技术并非自己原创，是收购自一家小公司，不过博世的ABS技术也不是自己原创的。

这些机械式制动器都不是纯粹的机械式制动器，仍然需要液压控制技术放大制动器能量。液压控制技术结构复杂，专利门槛很高。为了突破大厂的封锁，也为了简化制动器控制技术，纯粹的机械式制动器（电液推杆EMB)近年来是个火热的研究领域。EMB取消液压控制技术，直接用电气驱动力机械活塞制动器。优点一、安全优势极为突出，大幅度缩短刹车距离，EMB的反应时间大约90毫秒，比iBooster的120毫秒更快速。优点二、没有液压控制技术，不会有液体泄露，对电动车来说尤其重要，液体泄露可能导致短路或元件失效，从而导致灾难。同时成本和维护费用也降低不少。

缺点一：没有备份控制技术，对可靠性要求极高。特别是电源控制技术，要绝对保证稳定，其次是总线通信控制技术的容错能力，控制技术中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。同时控制技术需要至少两个CPU来保证可靠性。

缺点二：刹车力不足。EMB控制技术必须在轮毂中，轮毂的体积决定了电气大小，从而决定了电气输出功率不可能太大，而普通轿车需要1-2KW的刹车输出功率，这是目前小体积电气无法达到的高度，必须大幅度提高输入电流，即便如此也非常困难。

缺点三：工作环境恶劣，特别是温度高。刹车片附近的温度高达数百度，而电气体积又决定只能使用永磁电气，而永磁在高温下会消磁。同时EMB有部分半导体元件需要工作在刹车片附近，没有半导体元件可以承受如此高的温度，而受体积限制，无法添加冷却控制技术。同时这是簧下元件，震动剧烈，永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。需要一个高强度防护壳，然而轮毂内体积非常有限，恐怕难以做到。

缺点四、需要针对底盘开发对应的控制技术，难以模块化设计，导致开发成本极高。电液推杆

我们认为除非永磁材料有重大突破，居里温度点大幅度提高到1000摄氏度，否则EMB无法商业化。顺便说一句，轮毂电气也是如此，不解决材料问题，轮毂电气商业化不大可能。不过这种材料从理论上来说是不可能出现的，磁性越强，其居里温度点就越低，高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列必然从整齐划一到混乱无序，这是物理特性，无法发生改变。

比如最好的磁王钕铁硼，一般使用N35牌号，其居里温度点为310摄氏度，但其工作温度上限只有80摄氏度，超过80度，磁性能就开始下降，到310度，磁性完全消失。而夏天汽车刹车盘的温度轻松超过100度，工作时温度轻松超过300度。所以未来十年内，电液机械式控制技术会是唯一的选择。

近期活动：

2016汽车感应器与汽车人工智能论坛（AUTOSAI）

时间：2016年11月24日-25日

地点：北京圣龙翔会议中心

一、部分特邀演讲嘉宾

清华大学计算机系教授邓志东

演讲主题：人工智能助推自动驾驶汽车从SAE L2跨越到L3

北京踏歌智行科技有限公司副总经理周华生

演讲主题：多种感应器在自动驾驶机器人的应用领域和融合

速腾聚创CEO 邱纯鑫

演讲主题：激光雷达实现道路重要信息提取的核心算法讲解电液推杆