Электромеханические тормозные системы (ЭМБ): конструкция, управление и практическое применение.

Автор: Джонни Лю, генеральный директор компании Dowway Vehicle.

Источник: На основе исследований группы профессора Лу Сюна из Университета Тунцзи (Устойчивое развитиеDOI: 10.3390/su15054514).

Дата: 2 июня 2026 г. | Обновлено: 3 августа 2026 г.

Уровень сложности текста: 8 класс (Четкие объяснения без упоминания технических деталей)

Что такое электромеханический тормоз (ЭМБ)?

Современные электромобили и беспилотные автомобили нуждаются в тормозных системах, которые отказываются от устаревших гидравлических жидкостей. Технология Brake-by-Wire (BBW) заменяет механические соединения электрическими сигналами.

Полные женщины делятся на два основных типа:

• Электрогидравлические тормоза (ЭГБ): Это частичный шаг вперед. В нем используются электрические насосы для прокачки тормозной жидкости по традиционным магистралям. Сегодня это работает хорошо, но утечки жидкости, медленное время отклика и тяжелые детали остаются проблемными моментами.
• Электромеханические тормоза (ЭМБ): Полностью сухая система. Она исключает попадание тормозной жидкости, главных тормозных цилиндров и шлангов внутрь. Небольшие электродвигатели на каждом колесе напрямую прижимают тормозные колодки к тормозному диску.

[Brake Pedal] ---> (Electrical Wire) ---> [Car Computer] ---> (Wiring) ---> [Wheel Motor Actuator]

Краткие сведения о производительности EMB

• Нулевой уровень тормозной жидкости: Отсутствие утечек токсичных веществ и минимальный ущерб окружающей среде.
• Быстрые действия: Сокращает задержку торможения с 250 миллисекунд до менее чем 100 миллисекунд.
• Перетаскивание нулевой кнопки: При отпускании педали тормоза тормозные колодки полностью отрываются от тормозных дисков, что позволяет электромобилям проезжать большее расстояние на одном заряде.
• Высокий уровень безопасности: Разработан в соответствии с высочайшими стандартами безопасности (ISO 26262 ASIL-D) с использованием дополнительных резервных линий электропитания и микросхем управления.

Обзор рынка: патенты и история отрасли.

Подробный анализ 21 ключевого производителя автозапчастей выявляет 169 основополагающих патентов в отрасли. Шесть крупнейших компаний лидируют в этой области: Bosch, Continental Teves, Siemens, Delphi, Hyundai Mobis и Mando.

Patent Breakdown (169 Total):
├── Reducer-Based Actuators (~65%)
├── Self-Energizing / Wedge Setup (~20%)
└── Integrated Parking Brake Parts (~15%)

Хронология событий за 30 лет

• 1990-е годы: Компании Continental Teves, Bosch, Siemens и Delphi начали разработку базовых испытательных стендов. Continental в период с 1994 по 1997 год разработала шариковинтовую передачу с планетарной зубчатой ​​передачей. В период с 1996 по 1998 год компания Bosch проводила испытания шариковинтовых передач в сочетании с прямозубыми, червячными, коническими и планетарными передачами.
• 2000-е годы: Инженеры сосредоточились на электронных клиновых тормозах (EWB). Компания Bosch подала патенты на двухклиновые системы с зубчатой ​​передачей и реечной передачей в период с 2002 по 2006 год. Siemens разработала аналогичные клиновые конструкции. Hyundai Mobis и Mando присоединились к разработке этих решений для массового производства.

В 2020 году Совет по технологиям и техническому обслуживанию (TMC) и группа PIT опросили 16 производителей коммерческих грузовиков об EMB. Из 5 ответивших производителей 3 активно тестировали рабочие прототипы.

Цена остается препятствием. Производитель тяжелых грузовиков Bendix отметил, что добавление резервных цепей затрудняет продажу EMB в сравнении с дешевыми пневматическими тормозами. Перегрев — еще одна проблема, поскольку тормозные диски могут нагреваться до 600 градусов Цельсия при резком торможении, что требует изоляции электрических компонентов.

Тем не менее, прогресс продолжается. В мае 2020 года компания Haldex объединилась с китайской компанией VIE для производства блоков EMB для грузовых автомобилей. В сегменте легковых автомобилей Audi продемонстрировала блоки EMB на задней оси своего Audi R8 e-Tron 2015 года, а компания Great Wall Motors в 2021 году анонсировала собственную платформу EMB для легковых автомобилей.

Внутреннее устройство привода EMB: 5 основных компонентов

Дисковый электромеханический привод преобразует электрический ток в физическое усилие сжатия, воздействующее на вращающийся тормозной диск. Приводной блок можно разделить на пять отдельных рабочих частей.

                       ┌────────────────────────┐
                       │      EMB ACTUATOR      │
                       └───────────┬────────────┘
                                   │
    ┌──────────────┬───────────────┼───────────────┬──────────────┐
    ▼              ▼               ▼               ▼              ▼
┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐
│ 1. Service │ │ 2. Parking │ │ 3. Gap     │ │ 4. Fast    │ │ 5. Sensor  │
│    Brake   │ │    Brake   │ │ Adjuster   │ │    Return  │ │    Pack    │
└────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘

1. Рабочая тормозная деталь

Эта часть отвечает за вашу повседневную остановку. Она состоит из четырех небольших деталей:

• Электродвигатель: Преобразует ток батареи в энергию вращения.
• Умножитель силы: Усиливающий механизм увеличивает крутящий момент двигателя с помощью зубчатых передач или клиньев, позволяя небольшому двигателю создавать усилие в тысячи фунтов.
• Преобразователь движения: Преобразует вращательное движение в прямолинейное толкающее движение.
• Прессованный элемент: Прижимает тормозную колодку к тормозному диску.

Варианты дизайна:

• Прессование деталей: В конструкциях используются одинарные поршни или плавающие двойные поршни (Delphi, Hyundai, Mando) для предотвращения неравномерного износа тормозных колодок, вызванного трением. Continental использует шаровые шарниры, а Bosch и Hyundai — шариковые подшипники для изоляции приводных винтов от изгибающих нагрузок.
• Преобразователи движения: Шариковые и роликовые винты работают лучше всего, потому что они катятся, а не скользят, что снижает трение. Шариковые направляющие (Mando) экономят место, а кулачки и реечные передачи предлагают альтернативные пути.
• Умножители силы: Планетарные редукторы обеспечивают высокое передаточное число в ограниченном пространстве. Электронные клиновые тормоза (EWB) используют энергию вращения самого колеса для более плотного прижима тормозных колодок к ротору. Одиночные клинья работают только при движении вперед, в то время как двойные и многоклиновые системы работают как вперед, так и назад.
• Типы и компоновка двигателей: Цельные роторы соединяются друг с другом встык с приводными валами, тогда как полые роторы позволяют приводным винтам проходить прямо через их центры. Расположение роторов может быть соосным (в линию), параллельным (бок о бок) или перпендикулярным (под прямым углом).
• Двухмоторные конфигурации: Использование двух двигателей повышает безопасность. Дополнительный двигатель может регулировать зазоры между колодками, ослаблять заклинившие колодки при поломке, быстро устранять зазоры, блокировать стояночный тормоз или балансировать силу клина.

2. Деталь стояночного тормоза

Припаркованные автомобили должны оставаться неподвижными, не разряжая аккумулятор. Приводы EMB используют три основных метода блокировки:

• Ручные замки: Ручные тросы приводят в действие внутренние рычаги (в системах Siemens и Delphi).
• Электроприводы: Небольшой вспомогательный двигатель вращает червячный винт для зажима стопорной пластины (конструкция Delphi).
• Электромагнитные приводы (наиболее распространенные): Магнитные катушки приводят в действие стопорные штифты или защелки.
  • Фрикционные муфты (Bosch): При отключении электропитания пружины прижимают блокировочные диски друг к другу.
  • Паул и Рэтчет (Дельфи): Магнитная защелка опускает зуб в зубчатое колесо.
  • Роликовые пандусы (Continental): Ролики скользят по наклонным направляющим, плотно фиксируя вал.
  • Штифт и шестерня (Мандо): Стальной штифт скользит непосредственно между зубьями шестерни.

3. Регулятор зазора

Со временем, по мере износа тормозных колодок, воздушное пространство между колодкой и диском увеличивается. Регулировочные механизмы автоматически устраняют этот зазор:

• Гибкие регуляторы: Резиновые уплотнительные кольца или пружины изгибаются во время торможения и возвращаются в исходное положение после этого (конструкция Bosch).
• Жесткие регулировочные устройства: Небольшие моторы или механические храповые механизмы перемещают нулевую точку вперед (конструкции Bosch, Hyundai и Mando).
• Совместные оценщики: Сочетание мягкой резиновой гибкости с жесткими зубчатыми трещотками (Delphi, Siemens и Mando) обеспечивает плавное и бесшумное регулирование зазора.

4. Деталь для быстрого возврата

Когда вы отпускаете педаль тормоза, пружины немедленно оттягивают тормозные колодки от диска:

• Торсионные пружины: При торможении двигатель раскручивается вверх, а при отключении питания вращается в обратную сторону (Delphi, Hyundai, Mando).
• Компрессионные пружины: Сядьте за поршень и толкните его прямо назад (в стиле Мандо).
• Сцепление: Используйте внутренние стальные шарики, чтобы мгновенно открыть механизм.

5. Комплект датчиков

Исполнительные механизмы используют датчики для передачи обратной связи в реальном времени на управляющие микросхемы:

• Датчики силы: Измерьте усилие сжатия между винтами, корпусами и прокладками.
• Угловые энкодеры: Отслеживайте скорость вращения и положение двигателя.
• Датчики положения: Измерьте, насколько поршни выдвигаются прямо вперед.
• Датчики износа: Следите за толщиной тормозных колодок и определяйте момент первого контакта с роторами.
• Датчики температуры: Отслеживайте накопление тепла. Примечание: Датчикам необходимы теплозащитные экраны для защиты от нагрева тормозных дисков.

Как EMB регулирует тормозное усилие

Для плавного сжатия тормозного диска электродвигателем требуется интеллектуальное программное обеспечение управления. Инженеры используют два основных пути управления: Косвенный контроль (угадывание силы без датчиков давления) и Прямой контроль (с использованием датчиков давления для отслеживания в реальном времени).

Непрямое управление силой (без датчиков)

Датчики давления увеличивают вес, стоимость и риск поломки вблизи горячих колес. Бессенсорные методы рассчитывают усилие сжатия, используя другие сигналы.

1. Отслеживание по углу: Использует кривые положения двигателя и жесткости суппорта: $$\text{Сила сжатия } F_{cl} = f(\theta_m)$$ где $\theta_m$ — угол наклона двигателя.
   • Обнаружение контактов: Шварц отслеживал скачки тока в двигателе, чтобы точно определить момент соприкосновения тормозных колодок с роторами.
   • Устранение проблем с температурой и задержкой: Шарич использовал два датчика температуры для обновления кривых жесткости. Парк разработал модели гистерезиса для коррекции деформации прокладок при быстрой накачке.

Force
  ^
  │                             / (Hot Caliper Curve)
  │                            /
  │                           / (Standard Curve)
  │                          /
  │      (Gap Area)         /
  └────────────────────────┴────────────────────> Motor Angle
                           ^ Pads Touch Rotor

2. Отслеживание по текущим условиям: Используется уравнение баланса крутящего момента двигателя: $$K_m I_m = J_m \ddot{\theta}_m + T_f + \frac{g}{2\pi \eta} F_{cl}$$ где $I_m$ — ток, $K_m$ — постоянная крутящего момента двигателя, $J_m$ — момент инерции, $T_f$ — момент трения, $g$ — передаточное число, и $\eta$ — КПД редуктора.
   • Устранение проблем с трением: Ван (Чжэцзянский университет) упростил расчеты, уравновешивая формулы работы двигателя в точках срыва потока. Вэй построил кривые крутящего момента на испытательных стендах.
3. Комбинированные методы обработки сигналов: Объединяет углы поворота двигателя и текущие показания. Шарич объединил две модели с оценщиком вероятности. Бэ объединил генетические алгоритмы с фильтрами Калмана для очистки зашумленных сигналов во время резких остановок.

Прямое управление силой

Когда датчики силы остаются на месте, программные циклы напрямую управляют движением двигателя.

• Трехконтурный каскадный ПИД-регулятор: Базовая конфигурация использует три вложенных контура: $$\text{Внешний контур давления} \longrightarrow \text{Контур средней скорости} \longrightarrow \text{Внутренний контур тока}$$
  • Ли настроил коэффициенты усиления контура с помощью частотных диаграмм Боде. Джо добавил автонастройку ПИД-регуляторов в зависимости от размеров зазора. Лайн добавил шаги упреждения по трению.
  • Ки и Ли разработали логику переключения состояний между режимами давления и угла. Чжан (Цзилиньский университет) разделил остановки на 4 четких фазы с пользовательскими настройками ПИД-регулятора для каждой. Чжан (Хунаньский университет) отфильтровал ток с помощью фильтра Калмана второго порядка для запуска контуров нечеткого ПИД-регулирования.

Target Force ──> [Force Loop] ──> Target Speed ──> [Speed Loop] ──> Target Current ──> [Current Loop] ──> Motor
      ^                                 ^                                   ^
      └────── Sensor Force Feedback ────┴────── Encoder Speed Feedback ─────┴────── Shunt Current Feedback

• Надежное управление ($H_\infty$ &Наблюдатели):
  • Конфигурации $H_\infty$, созданные линейными производителями, игнорируют износ прокладок и перепады температуры.
  • Кришнамурти разработал законы обратной связи для двигателей с переключаемым сопротивлением (SRM).
  • В Eum были добавлены наблюдатели возмущений (DOB), чтобы предотвратить сбои в работе системы из-за ошибок модели.
• Модель прогнозирующего управления (MPC): Рассчитывает будущее движение автомобиля и корректирует настройки двигателя в режиме реального времени.
  • Согласованный по линии MPC с компенсацией трения для максимизации крутящего момента двигателя.
  • Ли разработал явный нелинейный MPC, который снижает математическую нагрузку на 24% по сравнению со стандартным MPC.
• Управление скользящим режимом (SMC): Быстро справляется с изменениями, не теряя из виду суть проблемы.
  • Линдвай-Соос и Хорн рассматривали трение как ограниченную переменную внутри SMC.
  • Хан разработал правила SMC, оптимизированные для электронных клиновых тормозов.
  • Парк и Чой разработали адаптивную систему SMC с обновлением данных о трении в реальном времени, чтобы предотвратить дрожание контроллера.
• Интеллектуальное управление:
  • Манзи и Ли разработали оптимальные правила отслеживания, работающие практически в режиме реального времени.
  • Ким разработал нейронные системы управления, вдохновленные работой мозга и настроенные с помощью генетических алгоритмов, которые справляются с неожиданными трудностями лучше, чем классические ПИД-регуляторы.

Безопасность системы и интеграция с системами автономного вождения

По мере того, как автомобили все больше приближаются к полному автономному управлению, тормозные системы должны соответствовать строгим требованиям безопасности.

                  SELF-DRIVING BRAKING NEEDS
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Basic Driver Assist    │ Fast Response, ABS/ESC Modulation   │
├────────────────────────┼────────────────────────────────────┤
│ Full Self-Driving      │ Under 100ms Response, 0.1 MPa Precision,│
│                        │ ASIL-D Redundant Wiring & Power    │
└────────────────────────┴────────────────────────────────────┘

Правила техники безопасности и архитектура электропроводки

Согласно правилам ISO 26262, полная потеря тормозной способности влечет за собой АСИЛ-Д рейтинг — наивысший класс риска в автомобильном дизайне.

Системы имеют три уровня безопасности:

1. Режим полной мощности: Устраняет одну внутреннюю неисправность, сохраняя при этом 100% тормозное усилие.
2. Режим частичной мощности: Устраняет одну неисправность с помощью частичного приложения силы, сохраняя при этом прямолинейность и устойчивость автомобиля.
3. Аварийный режим: В случае второй неисправности система обеспечивает контролируемую полную остановку автомобиля.

Чтобы избежать единых точек отказа, производители создают три основные схемы управления:

LAYOUT 1: Axle Split
[Main Chip] ───> [Front Axle Chip] ───> [Front Wheels]
            ───> [Rear Axle Chip]  ───> [Rear Wheels]
• Power: Dual H-Shape Lines | Safety: Retains 50% to 100% braking power if 1 chip fails

LAYOUT 2: Direct Wheel Control
[Main Chip] ───> Directly controls [4 Wheel Chips]
• Power: Dual Independent Power Feeds | Safety: Pedal directly commands wheel chips

LAYOUT 3: Main + Backup Dual Chips
[Main Chip] ──┬──> [4 Wheel Chips]
[Backup Chip] ─┘ (Cross-linked Power Grid)
• Power: Dual X-Shape Wiring + Backup Battery | Safety: Retains at least 50% braking power