CN104806664B - 一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器及其控制方法，该集成制动器由直线电机、被动复合制动盘、主动复合制动盘以及普通制动盘组成。主动复合制动盘沿圆周方向分布的凹槽中固定有正极摩擦发电材料和负极摩擦发电材料，被动复合制动盘沿圆周方向分布的凹槽中固定有主极摩擦发电材料。根据静电摩擦效应和同性电荷相斥、异性电荷相吸的原理，该汽车集成制动器实现了摩擦缓速制动与摩擦制动功能的集成，在低强度制动下使用摩擦缓速制动代替摩擦制动工作，有效地减少了摩擦制动器的工作频率，减轻了摩擦制动的热衰退效应，减少了制动噪声以及制动粉尘的污染。
Description
技术领域
本发明专利涉及汽车线控制动领域，特指一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器及其控制方法。
背景技术
制动系统是行车安全的首要保证。目前汽车普遍使用安装在轮毂内的摩擦制动器。经常在行车密度高，交通复杂的城市道路上行驶的汽车，为了避免交通事故，需要频繁地进行不同强度的制动；行驶在山区道路的汽车经常要下坡，为了不使汽车在自身重力作用下不断加速，需要对汽车进行持续制动。在这些情况下，单一的使用摩擦制动将使得车轮轮毂的温度急剧升高，致使制动性能急剧下降，而且易引起车轮轮胎分层从而造成早期爆裂，严重者甚至威胁到乘客和财产的安全。另外车辆制动时还会产生尖锐刺耳的金属声及有害物质颗粒。为了解决以上所遇到的问题，在车辆上除了安装摩擦制动器外，还必须安装缓速制动装置，来弥补摩擦制动器的缺陷。
发明内容
本发明的目的为了解决单一摩擦制动器存在制动热衰退、制动噪声以及制动粉尘的问题。提供一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器及其控制方法，该集成制动器集成摩擦缓速制动与摩擦制动功能，具有结构紧凑、控制简单、能耗低的优点。
本发明涉及的具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器采用的技术方案是：汽车集成制动器由直线电机、被动复合制动盘3、主动复合制动盘8以及普通制动盘12组成。其中，直线电机包括一个直线电机定子4和多个直线电机动子7。
汽车半轴5通过螺栓2与轮毂1固定连接。多个被动复合制动盘3和一个普通制动盘12固定在轮毂1上。汽车半轴5、轮毂1、被动复合制动盘3和普通制动盘12为同轴转动。普通制动盘12安装在轮毂1靠近车架一侧，被动复合制动盘3安装在轮毂1远离车架一侧。
直线电机定子4为圆柱形，直线电机动子7为空心圆柱形。直线电机定子4直接固定在汽车的车架上，同时直线电机定子4通过轴承6支承在汽车半轴5上。多个直线电机动子7套在直线电机定子4上。每个直线电机动子7上固定有一个主动复合制动盘8。主动复合制动盘8的个数与被动复合制动盘3的数量相等。
主动复合制动盘8为空心圆柱形，其本体由主动摩擦制动材料13制成。主动摩擦制动材料13可以选取粉末合金摩擦材料或者碳纤维摩擦材料等汽车常用制动衬片材料。在主动复合制动盘8的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽。凹槽中固定有正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10。其中，正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10的布置是相间的。凹槽的形状可以为矩形、扇形及圆形等。
被动复合制动盘3也为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料14制成。被动摩擦制动材料14可以选取强度较大的金属材料或者合金材料等汽车常用的制动盘材料。在被动复合制动盘3的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽，凹槽中固定有主极摩擦发电材料11。被动复合制动盘3的凹槽数量与主动复合制动盘8的凹槽数量相同，且形状和大小相同。被动复合制动盘3开凹槽一侧与其相对应主动复合制动盘8开凹槽一侧相对安装，且被动复合制动盘3开凹槽一侧表面指向轮毂1的内侧。普通制动盘12为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料14制成。
正极摩擦发电材料9与主极摩擦发电材料11摩擦后，正极摩擦发电材料9带正电荷，主极摩擦发电材料11带负电荷。而负极摩擦发电材料10与主极摩擦发电材料11摩擦后，负极摩擦发电材料10带负电荷，主极摩擦发电材料11带正电荷。
摩擦缓速制动的工作原理为：1）当被动复合制动盘3开凹槽一侧表面与主动复合制动盘8开凹槽一侧表面接触后，此时被动复合制动盘3跟随轮毂1不断旋转，主动复合制动盘8没有旋转运动。由于主极摩擦发电材料11与正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10不断摩擦，使得正极摩擦发电材料9始终带正电荷，负极摩擦发电材料10始终带负电荷，而主极摩擦发电材料11上所带电荷将不断变换。当主极摩擦发电材料11的面积正好与正极摩擦发电材料9或负极摩擦发电材料10的面积重合时，所有的主极摩擦发电材料11在此时均不带电荷，被动复合制动盘3上没有制动力矩。2）当被动复合制动盘3继续转动，后侧的主极摩擦发电材料11由于与正极摩擦发电材料9摩擦而带上负电，前侧的主极摩擦发电材料11与负极摩擦发电材料10摩擦而带上正电。根据同性电荷相斥、异性电荷相吸的原理，主极摩擦发电材料11会受到与其运动方向相反的作用力，因此在被动复合制动盘3上产生制动力矩。随着运动的继续，主极摩擦发电材料11所带电荷量将会增加，被动复合制动盘3上受到的制动力矩将不断变大。3）当后侧的主极摩擦发电材料11的面积与负极摩擦发电材料10的面积即将相交时，每个主极摩擦发电材料11上所带电荷达到最大，主极摩擦发电材料11受到与其运动方向相反的作用力也达到最大。4）当后侧的主极摩擦发电材料11的面积与负极摩擦发电材料10的面积相交后，由于后侧的主极摩擦发电材料11与负极摩擦发电材料10摩擦，使其所带正电荷量开始减小，其受到的反作用力将会越来越小。最终达到图4所示状态时，主极摩擦发电材料11完全没有电荷，被动复合制动盘3上也没有制动力矩。
本发明涉及的具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：
具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器集成了两种制动方式：摩擦缓速制动与摩擦制动：1）当使用摩擦缓速制动时，直线电机动子7带动主动复合制动盘8向右移动，使得被动复合制动盘3开凹槽一侧表面与主动复合制动盘8开凹槽一侧表面接触。被动复合制动盘3将受到摩擦缓速制动力矩。2）当使用摩擦制动，直线电机动子7上带动主动复合制动盘8向左移动，使得被动复合制动盘3未开凹槽一侧表面以及普通制动盘12与主动复合制动盘8未开凹槽一侧表面接触，被动复合制动盘3与普通制动盘12受到摩擦制动力矩。
本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：该具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器集成了摩擦缓速制动与摩擦制动功能，在低强度制动下使用摩擦缓速制动代替摩擦制动工作，有效地减少了摩擦制动的工作频率，减轻了摩擦制动的热衰退效应，减少了制动噪声以及制动粉尘的污染。
附图说明
图1：具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器结构示意图
图2：主动复合制动盘结构示意图
图3：被动复合制动盘结构示意图
图4：摩擦缓速无制动时电荷分布图
图5：摩擦缓速半制动时电荷分布图
图6：摩擦缓速全制动时电荷分布图
图7：摩擦缓速制动模式下的工作状态示意图
图8：摩擦制动模式下的工作状态示意图
附图标注说明：1-轮毂；2-螺栓；3-被动复合制动盘；4-直线电机定子；5-汽车半轴；6-轴承；7-直线电机动子；8-主动复合制动盘；9-正极摩擦发电材料；10-负极摩擦发电材料；11-主极摩擦发电材料；12-普通制动盘；13-主动摩擦制动材料；14-被动摩擦制动材料。
具体实施方法
下面结合附图对本发明所述的具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器的结构作和工作原理进一步说明。
该集成制动器由直线电机、被动复合制动盘3、主动复合制动盘8以及普通制动盘12组成。其中，直线电机包括一个直线电机定子4和多个直线电机动子7。
如图1所示，汽车半轴5通过螺栓2与轮毂1固定连接。多个被动复合制动盘3和一个普通制动盘12固定在轮毂1上。汽车半轴5、轮毂1、被动复合制动盘3和普通制动盘12为同轴转动。普通制动盘12安装在轮毂1靠近车架一侧，被动复合制动盘3安装在轮毂1远离车架一侧。
直线电机定子4为圆柱形，直线电机动子7为空心圆柱形。直线电机定子4直接固定在汽车的车架上，同时直线电机定子4通过轴承6支承在汽车半轴5上。多个直线电机动子7套在直线电机定子4上。每个直线电机动子7上固定有一个主动复合制动盘8。主动复合制动盘8的个数与被动复合制动盘3的数量相等。
如图2所示，主动复合制动盘8为空心圆柱形，其本体由主动摩擦制动材料13制成。主动摩擦制动材料13可以选取粉末合金摩擦材料或者碳纤维摩擦材料等汽车常用制动衬片材料。在主动复合制动盘8的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽。凹槽中固定有正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10。其中，正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10的布置是相间的。凹槽的形状可以为矩形、扇形及圆形等。
如图3所示，被动复合制动盘3也为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料14制成。被动摩擦制动材料14可以选取强度较大的金属材料或者合金材料等汽车常用的制动盘材料。在被动复合制动盘3的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽，凹槽中固定有主极摩擦发电材料11。被动复合制动盘3的凹槽数量与主动复合制动盘8的凹槽数量相同，且形状和大小相同。
普通制动盘12为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料14制成。
根据静电摩擦效应，正极摩擦发电材料9与主极摩擦发电材料11摩擦后，正极摩擦发电材料9带正电荷，主极摩擦发电材料11带负电荷。而负极摩擦发电材料10与主极摩擦发电材料11摩擦后，负极摩擦发电材料10带负电荷，主极摩擦发电材料11带正电荷。
联合图1、图2和图3，被动复合制动盘3开凹槽一侧与其相对应主动复合制动盘8开凹槽一侧相对安装，且被动复合制动盘3开凹槽一侧表面指向轮毂1的内侧。
如图4所示，当被动复合制动盘3开凹槽一侧表面与主动复合制动盘8开凹槽一侧表面接触后，此时被动复合制动盘3跟随轮毂1不断旋转，主动复合制动盘8没有旋转运动。由于主极摩擦发电材料11与正极摩擦发电材料9和负极摩擦发电材料10不断摩擦，使得正极摩擦发电材料9始终带正电荷，负极摩擦发电材料10始终带负电荷，而主极摩擦发电材料11上所带电荷将不断变换。
当主极摩擦发电材料11的面积正好与正极摩擦发电材料9或负极摩擦发电材料10的面积重合时，所有的主极摩擦发电材料11在此时均不带电荷，被动复合制动盘3上没有制动力矩。
如图5所示，当被动复合制动盘3继续转动，后侧的主极摩擦发电材料11由于与正极摩擦发电材料9摩擦而带上负电，前侧的主极摩擦发电材料11与负极摩擦发电材料10摩擦而带上正电。根据同性电荷相斥、异性电荷相吸的原理，主极摩擦发电材料11会受到与其运动方向相反的作用力，因此在被动复合制动盘3上产生制动力矩。随着运动的继续，主极摩擦发电材料11所带电荷量将会增加，被动复合制动盘3上受到的制动力矩将不断变大。
如图6所示，当后侧的主极摩擦发电材料11的面积与负极摩擦发电材料10的面积即将相交时，每个主极摩擦发电材料11上所带电荷达到最大，主极摩擦发电材料11受到与其运动方向相反的作用力也达到最大。
但当后侧的主极摩擦发电材料11的面积与负极摩擦发电材料10的面积相交后，由于后侧的主极摩擦发电材料11与负极摩擦发电材料10摩擦，使其所带正电荷量开始减小，其受到的反作用力将会越来越小。最终达到图4所示状态时，主极摩擦发电材料11完全没有电荷，被动复合制动盘3上也没有制动力矩。
下面结合附图来具体描述本发明所述的具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器的控制方法。
具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器集成了两种制动方式：摩擦缓速制动与摩擦制动。
如图7所示，当使用摩擦缓速制动时，直线电机动子7带动主动复合制动盘8向右移动，使得被动复合制动盘3开凹槽一侧表面与主动复合制动盘8开凹槽一侧表面接触。被动复合制动盘3将受到摩擦缓速制动力矩。
如图8所示，当使用摩擦制动，直线电机动子7上带动主动复合制动盘8向左移动，使得被动复合制动盘3未开凹槽一侧表面以及普通制动盘12与主动复合制动盘8未开凹槽一侧表面接触，被动复合制动盘3与普通制动盘12受到摩擦制动力矩。
Claims (5)
1.一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器，其特征是：该集成制动器由直线电机、被动复合制动盘(3)、主动复合制动盘(8)以及普通制动盘(12)组成，其中直线电机包括直线电机定子(4)和直线电机动子(7)；多个被动复合制动盘(3)和一个普通制动盘(12)固定在轮毂(1)上，汽车半轴(5)、轮毂(1)、被动复合制动盘(3)和普通制动盘(12)为同轴转动；普通制动盘(12)安装在轮毂(1)靠近车架一侧，被动复合制动盘(3)安装在轮毂(1)远离车架一侧；直线电机定子(4)为圆柱形，直线电机动子(7)为空心圆柱形；直线电机定子(4)直接固定在汽车的车架上，同时直线电机定子(4)通过轴承(6)支承在汽车半轴(5)上；多个直线电机动子(7)套在直线电机定子(4)上，每个直线电机动子(7)上固定有一个主动复合制动盘(8)，主动复合制动盘(8)的个数与被动复合制动盘(3)的数量相等；主动复合制动盘(8)为空心圆柱形，其本体由主动摩擦制动材料(13)制成，主动摩擦制动材料(13)是粉末合金摩擦材料或者碳纤维摩擦材料；在主动复合制动盘(8)的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽，凹槽中固定有正极摩擦发电材料(9)和负极摩擦发电材料(10)，正极摩擦发电材料(9)和负极摩擦发电材料(10)的布置是相间的，凹槽的形状为矩形、扇形或圆形；被动复合制动盘(3)为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料(14)制成，被动摩擦制动材料(14)是强度较大的金属材料；在被动复合制动盘(3)的一侧沿圆周方向开有偶数个凹槽，凹槽中固定有主极摩擦发电材料(11)，被动复合制动盘(3)的凹槽数量与主动复合制动盘(8)的凹槽数量相同，且形状和大小相同；被动复合制动盘(3)开凹槽一侧与其相对应主动复合制动盘(8)开凹槽一侧相对安装，且被动复合制动盘(3)开凹槽一侧表面指向轮毂(1)的内侧；普通制动盘(12)为空心圆柱形，其本体由被动摩擦制动材料(14)制成。
2.根据权利要求1所述的汽车集成制动器，其特征是：正极摩擦发电材料(9)与主极摩擦发电材料(11)摩擦后，正极摩擦发电材料(9)带正电荷，主极摩擦发电材料(11)带负电荷；而负极摩擦发电材料(10)与主极摩擦发电材料(11)摩擦后，负极摩擦发电材料(10)带负电荷，主极摩擦发电材料(11)带正电荷；当被动复合制动盘(3)开凹槽一侧表面与主动复合制动盘(8)开凹槽一侧表面接触后，此时被动复合制动盘(3)跟随轮毂(1)不断旋转，主动复合制动盘(8)没有旋转运动；由于主极摩擦发电材料(11)与正极摩擦发电材料(9)和负极摩擦发电材料(10)不断摩擦，使得正极摩擦发电材料(9)始终带正电荷，负极摩擦发电材料(10)始终带负电荷，而主极摩擦发电材料(11)上所带电荷将不断变换。
3.根据权利要求1所述的汽车集成制动器，其特征是：当主极摩擦发电材料(11)的面积正好与正极摩擦发电材料(9)或负极摩擦发电材料(10)的面积重合时，所有的主极摩擦发电材料(11)在此时均不带电荷，被动复合制动盘(3)上没有制动力矩；当被动复合制动盘(3)继续转动，后侧的主极摩擦发电材料(11)由于与正极摩擦发电材料(9)摩擦而带上负电，前侧的主极摩擦发电材料(11)与负极摩擦发电材料(10)摩擦而带上正电，根据同性电荷相斥、异性电荷相吸的原理，主极摩擦发电材料(11)会受到与其运动方向相反的作用力，因此在被动复合制动盘(3)上产生制动力矩；随着运动的继续，主极摩擦发电材料(11)所带电荷量将会增加，被动复合制动盘(3)上受到的制动力矩将不断变大；当后侧的主极摩擦发电材料(11)的面积与负极摩擦发电材料(10)的面积即将相交时，每个主极摩擦发电材料(11)上所带电荷达到最大，主极摩擦发电材料(11)受到与其运动方向相反的作用力也达到最大；但当后侧的主极摩擦发电材料(11)的面积与负极摩擦发电材料(10)的面积相交后，由于后侧的主极摩擦发电材料(11)与负极摩擦发电材料(10)摩擦，使其所带负电荷量开始减小，其受到的反作用力将会越来越小，达到主极摩擦发电材料(11)完全没有电荷的状态，被动复合制动盘(3)上也没有制动力矩。
4.根据权利要求1所述的汽车集成制动器，其特征是：被动摩擦制动材料(14)是强度较大的合金材料。
5.如权利要求1所述的汽车集成制动器的控制方法，其特征是：
具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器集成了两种制动方式：摩擦缓速制动与摩擦制动：当使用摩擦缓速制动时，直线电机动子(7)带动主动复合制动盘(8)向右移动，使得被动复合制动盘(3)开凹槽一侧表面与主动复合制动盘(8)开凹槽一侧表面接触，被动复合制动盘(3)将受到摩擦缓速制动力矩；当使用摩擦制动，直线电机动子(7)上带动主动复合制动盘(8)向左移动，使得被动复合制动盘(3)未开凹槽一侧表面以及普通制动盘(12)与主动复合制动盘(8)未开凹槽一侧表面接触，被动复合制动盘(3)与普通制动盘(12)受到摩擦制动力矩。
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