CN105673731B - 一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置 - Google Patents

一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置。该集成制动装置由铁芯、线圈和转子盘组成的电磁制动器与摩擦块和摩擦盘组成的摩擦制动器构成。其中固定铁芯的基体为半固定状态，可以在有限范围内克服扭力弹力件弹性转动；线圈基体转动带动螺杆螺母组件中做直线运动的螺杆或螺母移动，从而促动摩擦块挤压摩擦盘。电磁制动和摩擦制动通过螺杆螺母组件紧密联系在一起，解决了现有的集成制动器中电磁制动与摩擦制动独立工作，控制复杂，不能有效区分不同制动工况下制动模式响应以及模式切换过程制动力突变，给系统带来不稳定因素等问题。本发明结构简单，控制方便，非常适用于小型轿车制动系统。

Description

一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置
技术领域
本发明涉及一种用于轿车的制动器，特别是指一种电磁制动与摩擦制动集成制动器。
背景技术
目前轿车上安装的制动器几乎全是摩擦制动器，其中以盘式摩擦制动器居多。它的工作过程为：驾驶员踩下制动踏板，通过制动主缸提高油路压力，液压油路传递制动踏板力，在高压油作用下，制动钳体内的活塞推动摩擦块压向制动盘，从而产生摩擦力矩来进行制动。这种制动技术方案中制动力矩的来源只有一个，即摩擦块与摩擦盘挤压产生的制动力矩。汽车频繁地制动，摩擦块就要频繁地挤压摩擦盘，这个过程会产生大量有害粉尘和制动噪音，同时摩擦块磨损的也很快，寿命短，维护成本高。在需要频繁制动的城市道路上行驶或者在长下坡行驶时，制动器温升较大，有时会产生“制动热失效”现象，影响汽车安全行驶。另外这种技术方案仅通过液压油路来传递制动踏板力，存在响应迟滞，控制精度低等缺点，在紧急制动时不能满足迅速提高汽车制动力的要求。
根据电磁感应原理设计的电磁制动器，属于非接触式制动，可以有效解决制动粉尘、制动噪音和紧急制动响应速度等问题。现有技术中，中国专利申请号为201210131074.X，名称为“一种双盘片结构的摩擦与电磁集成制动器”所公开的方案中采用两个制动盘，第一制动盘用于摩擦制动，第二制动盘用于电磁制动。中国专利申请号为201310626552.9，名称为“一种车用电磁制动与摩擦制动集成制动系统”所公开的方案中在制动盘面部分区域布置电磁制动线圈。这两种集成制动技术方案仅仅简单地将电磁制动与摩擦制动组合到一起，它们分别作为两个独立的制动系统，分别控制，各自工作，即电磁制动力的大小和摩擦制动力的大小互不相干。这带来一个控制问题，即电磁制动力与摩擦制动力不能够很好地配合，适应不同车速不同制动强度的制动工况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁制动与摩擦制动紧密联系的集成制动装置。
本发明的技术方案为：一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，包括车轴、扭力回正部件、线圈基体、螺杆螺母组件、制动钳、摩擦盘；所述车轴一端依次套有扭力回正部件、线圈基体、摩擦盘；扭力回正部件一端与线圈基体通过螺栓固接，另一端与悬架固接，线圈基体正对着摩擦盘的一侧围绕车轴均布有多个电磁制动器定子，所述电磁制动器定子由铁芯和线圈组成，线圈均匀地缠绕在铁芯上，铁芯一端面与摩擦盘保持一定间隙；线圈基体的圆周端面和螺杆螺母组件上的螺母相互啮合；螺母被挡块所限制不能沿轴向运动，螺杆螺母组件上的螺杆的一端和制动钳相连，摩擦盘的圆周端面位于制动钳的两个摩擦块之间。
进一步，所述扭力回正部件为空心轴套结构，空心轴套两端分别固接接线圈基体和悬架；或者所述扭力回正部件为扭杆结构，扭杆两端分别固接线圈基体3和悬架。
进一步，所述空心轴套结构分为中间部分和两个端部，所述中间部分采用合金弹簧钢制成，两个连接端部采用非弹性材料制成，两个连接端部在外部扭矩作用下可以相对转动。
进一步，所述空心轴套结构中间部分采用55Si2Mn或50CrVA或30W4Cr2VA合金材料制成。
进一步，所述线圈基体靠近螺杆螺母组件的外端面加工成齿轮状，螺杆和螺母相互配合，线圈基体转动一定角度使得螺母做旋转运动，做直线运动的螺杆推动制动钳中的摩擦块夹紧摩擦盘。
进一步，所述电磁制动器定子的数量为2个、4个、6个或8个。
进一步，所述线圈基体和螺母的啮合齿轮形成固定传动比啮合传动，即线圈基体和螺母5外圆周面均为圆形；或者所述线圈基体和螺母的啮合齿轮形成变传动比啮合传动，即线圈基体和螺杆或螺母外圆周面为相互啮合的变半径非规则圆形。
进一步，还包括所述线圈基体在转动一定角度后，会被限位装置挡住，限制进一步转动，限位装置可以采用以下两种结构：
所述线圈基体圆周端面上固接限位块，限位块可以在线圈基体旋转一定角度后压靠在挡块表面，从而限制线圈基体进一步转动；
所述线圈基体圆周端面上开限位槽，限位块固接车架，处于限位槽内，线圈基体旋转一定角度后限位槽端面被限位块阻挡，从而限制线圈基体进一步转动。
本发明具有以下技术效果：
1)电磁制动器和摩擦制动器通过扭力回正部件和螺杆螺母组件紧密联系在一起，通过控制电磁制动器来间接控制摩擦制动器，解决了现有的集成制动器中电磁制动与摩擦制动独立工作，协调控制复杂，不能有效区分不同制动工况下制动模式响应以及模式切换过程制动力突变，给系统带来不稳定因素等问题。本发明结构简单，机械控制安全可靠，控制简单，非常适用于小型轿车制动系统。
2)摩擦制动力矩根据电磁制动力矩的大小而变化，从而使集成制动装置可以无需电子控制就工作在电磁制动单独作用模式和电磁制动、摩擦制动联合作用模式。并且，摩擦制动力矩可以根据总制动力矩的需要自动增大、减小，使集成制动控制非常简单，且可以大幅降低制动系统成本。
3)针对不同的车型，可以通过跟换集成制动装置中的扭力回正部件来满足启动摩擦制动器不同的电磁制动力矩条件。要求在较大制动力矩条件下启动摩擦制动的，采用较大弹性模量的扭力回正部件，要求在较小制动力矩条件下启动摩擦制动的，采用较小弹性模量的扭力回正部件，本发明空心轴套的结构和材质刚好能够满足上述需求。
4)线圈基体和螺母的啮合齿轮变传动比传动的设计可以灵活调节电磁制动力矩和摩擦制动力矩的分配特性；可以设计出最佳分配比，使车轮在制动时处于最佳滑移率范围，提高制动效能。
5)通过限位装置来控制线圈基体转动的极限位置，有效控制了电磁制动与摩擦制动集成制动装置产生的最大制动力矩，防止零部件超负荷运行而损坏。
附图说明
图1为电磁制动与摩擦制动集成制动装置装配图；
图2套筒结构的扭力回正部件截面剖图；
图3线圈基体示意图；
图4铁芯示意图；
图5制动系统控制过程简图；
图6摩擦制动力矩与电磁制动力矩关系图；曲线1为摩擦制动力矩变化值与电磁制动力矩变化值为线性关系，曲线2和曲线3为摩擦制动力矩变化值与电磁制动力矩变化值为非线性关系的两种情况；
图7制动控制流程图；
图8电磁制动与摩擦制动集成制动装置第一种实施方式的极限位置图；
图9电磁制动与摩擦制动集成制动装置第二种实施方式的极限位置图。
附图标记说明：1、车轴，2、扭力回正部件，3、线圈基体，4、螺杆，5、螺母，6、挡块，7、活塞，8、制动钳体，9、摩擦块，10、铁芯，11、摩擦盘，12、螺栓，13、螺栓，14、螺栓，15、线圈，16、轴承，17、限位块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-4所示，该电磁制动与摩擦制动集成制动装置由线圈基体3，活塞7，制动钳体8，摩擦块9，铁芯10，摩擦盘11，线圈15和轴承16，扭力回正部件2，螺杆4，螺母5，挡块6。车轴1一端与摩擦盘11固接，线圈基体3通过轴承16支撑在车轴上，线圈15缠绕在铁芯10，铁芯10固接在线圈基体3(材质可以采用低碳钢)上，制动钳固接在悬架上，制动钳包括活塞7、制动钳体8以及摩擦块9，制动钳体8中制动液可以通过挤压活塞而推动摩擦块压紧摩擦盘。线圈基体3靠近螺杆4螺母5组件的外端面加工成齿轮状，所述扭力回正部件2一端固接线圈基体3，另一端固接悬架。所述螺杆4和螺母5相互配合，一个做旋转运动，另一个做直线运动，做直线运动的一端为摩擦块9夹紧摩擦盘11夹紧力的来源。挡块6固接车架，限制螺母5轴向移动。
汽车制动时，驾驶员踩下制动踏板，经过电子控制装置，启动电磁制动器，产生电磁制动力。电磁制动力矩表现为摩擦盘11和线圈基体3之间的转矩，该转矩作用是相互的，既可以迫使转动的摩擦盘11降低转速也可以使静止的线圈基体3转动起来。
线圈基体3受到的反作用力矩超过一定限制后，克服扭力回正部件2的扭转力矩，转动一定角度，线圈基体3转动带动螺母5转动，由于螺母5只能转动不能轴向移动，所以与其相互配合的螺杆4做直线进给运动。螺杆4一个端部推动制动钳内活塞7移动，使摩擦块9挤压摩擦盘11提供挤压力的来源。螺杆螺母组件上的螺杆4的一端和制动钳的活塞7相焊接。电磁制动器定子通过螺栓14与线圈基体3固接。
如图2所示，这种电磁制动与摩擦制动集成制动装置中的关键零件之一是扭力回正部件2。它可以为空心轴套结构，空心轴套两端分别固接接线圈基体3和悬架连接点，也可以为扭杆结构，扭杆两端分别固接线圈基体3和悬架连接点。空心轴套结构分为三段，即中间段和两个端部，所述中间部分和两个端部相焊接，中间部分为弹性段，在两端部施加扭矩，则中间部分产生形变，两端部产生相对角位移，所述中间部分采用合金弹簧钢制成，两个连接端部采用非弹性材料制成，两个连接端部在外扭矩作用下可以相对转动。扭力回正部件2中间部分可以采用55Si2Mn或50CrVA或30W4Cr2VA合金材料制成。由于和悬架连接的端部固定不动，因此和线圈基体3连接的端部做旋转运动。当所施加的扭矩较小时，和线圈基体3连接的端部角位移就小；施加的扭矩较大时，和线圈基体3连接的端部角位移就大。
电磁制动与摩擦制动集成制动装置中的螺杆4和螺母5组件是相互配合的。螺母5外端面加工成齿轮状，与线圈基体3外端面齿轮相互啮合，螺母5在挡块6限制下只能做旋转运动，当螺母5做旋转运动时，螺杆4做直线运动。
螺杆4和螺母5组件中做直线运动的螺杆4或螺母5，制动钳体8内做有空腔，空腔内有制动液，螺杆4做直线运动时，推动制动钳体8内活塞运动，活塞挤压制动液，制动液压力升高，进而通过活塞推动摩擦块9挤压摩擦盘11。
所述电磁制动器定子的数量为2个、4个、6个或8个，沿线圈基体3轴线均匀分布固接在线圈基体3上。
该电磁制动与摩擦制动集成制动装置中线圈基体3在转动一定角度后，会被限位块17挡住，限制进一步转动，限位装置可以采用以下两种结构：
1、所述线圈基体3圆周端面上固接限位块17，限位块可以在线圈基体3旋转一定角度后压靠在挡块6表面，从而限制线圈基体3进一步转动(如图8所示)。
2、所述线圈基体3圆周端面上开限位槽，限位块17固接车架，处于限位槽内，线圈基体3旋转一定角度后限位槽端面被限位块17阻挡，从而限制线圈基体3进一步转动(如图9所示)。
限制线圈基体3进一步转动的目的是设定最大制定力矩。当制定力矩超过一定数值后，车辆会抱死，这是一种不稳定不安全的制动工况，为了避免车轮抱死，设定一个最大制动力值。当制动力增加到最大制动力时，线圈基体3转动角度达到最大，此时线圈基体3正好被限位装置挡住，不能再继续转动。螺杆或螺母无法继续做直线运动，无法推动摩擦块9挤压力继续增大。
所述线圈基体3和螺母5的啮合齿轮形成固定传动比，即线圈基体3和螺母5外圆周面均为圆形；或者所述线圈基体3和螺母5的啮合齿轮形成变传动比，即线圈基体和螺杆或螺母外圆周面为相互啮合的变半径非规则圆形。
摩擦制动力矩变化值和电磁制动力矩变化值存在固定关系，可以为线性关系也可以为非线性关系。如图6所示。固定传动比对应线性关系，变传动比对应非线性关系。
曲线1表示的是线性关系。实现方式是集成制动装置中线圈基体和螺杆或螺母的啮合齿轮做出固定传动比，即线圈基体和螺杆或螺母外圆周面均为圆形，摩擦制动力矩随着电磁制动力矩变化而线性变化。
曲线2和曲线3表示的是非线性关系。所述集成制动装置中线圈基体和螺杆或螺母的啮合齿轮做出变传动比，即线圈基体和螺杆或螺母外圆周面为相互啮合的变半径非规则圆形。
通过调节摩擦制动力矩变化值和电磁制动力矩变化值这种固定关系，可以实现摩擦制动力矩和电磁制动力矩最佳分配比例，有利于提高制动效能和稳定性。
如图5所示，电磁制动器由线圈基体3、电磁制动器定子、摩擦盘11构成，摩擦制动器由制动钳和摩擦盘11构成；电磁制动控制器采集踏板位置传感器和加速度传感器、车速传感器、轮速传感器的信号，然后输出控制信号给电磁制动器，电磁制动器进一步控制摩擦制动器工作。
该电磁制动与摩擦制动集成制动装置工作过程如下：
当汽车不制动时，线圈15不通电，不产生电磁制动力矩，扭力回正部件2没有力矩作用，不产生变形，线圈基体3则没有转动，因此螺杆4没有直线进给，没有摩擦制动力矩产生。
当汽车低速制动时，线圈15通电电流较小，产生较小的电磁制动力矩，扭力回正部件2在较小的力矩作用，产生较小的变形，线圈基体3有较小的角位移，螺杆4在线圈基体3作用下有较小的直线进给，此直线进给用于消除摩擦块9和摩擦盘11之间的空隙，因此没有摩擦制动力矩产生。驾驶员不进一步踩下制动踏板，则意味着此时的电磁制动力矩足以满足制动需求。
若驾驶员进一步踩下制动踏板，则意味着当前的电磁制动力矩足以满足制动需求。进一步踩下制动踏后，线圈15电流变大，电磁制动力矩变大；扭力回正部件2在力矩的作用下，继续产生变形，线圈基体3继续增加角位移，螺杆4在线圈基体3作用下进一步的做直线进给运动，此时摩擦块9和摩擦盘11之间的空隙已经消除，摩擦块9开始挤压摩擦盘11，开始有摩擦制动力矩产生。驾驶员继续踩下制动踏板，则摩擦制动力矩继续增大，直到线圈基体3被限位块17挡住，不能继续转动，摩擦制动力矩达到上限。
在制动过程中，驾驶员不对制动踏板动作时，控制器仍然在不停地工作。分析车速信号和轮速信号，计算输出线圈电流值，其中输出的电流产生的总制动力矩可以使车轮保持在最佳滑移率范围，避免车轮打滑。
在不同的行驶工况下，使车轮保持在最佳滑移率范围的总制动力矩有一个最大值，当集成制动器处于工作在这个值时，摩擦制动力矩达到上限。实现方式是集成制动器中的限制线圈基体继续转动的限位装置挡住线圈基体，导致螺杆无法继续推动摩擦块挤压摩擦盘，即摩擦制动力矩不再增加。
下面结合图7进一步描述上述装置的几种不同的工作模式。
实施例[1]：集成制动装置只有电磁制动工作模式
当汽车低速(车速处于0-20km/h)制动且驾驶员踩下踏板幅度小，且踩踏板速度慢时，控制器通过分析踏板位置传感器和加速度传感器、车速传感器、轮速传感器，计算得到目标制动力矩，输出控制电磁制动器线圈电流，线圈15通电电流较小，产生较小的电磁制动力矩，扭力回正部件2在较小的力矩作用，产生较小的变形，线圈基体3有较小的角位移，螺杆4在线圈基体3作用下有较小的直线进给，此直线进给用于消除摩擦块9和摩擦盘11之间的空隙，因此没有摩擦制动力矩产生。驾驶员不进一步踩下制动踏板，则意味着此时的电磁制动力矩足以满足制动需求，整个过程摩擦制动力矩不工作。
实施例[2]：集成制动装置电磁制动和摩擦制动均工作模式
当驾驶员踩下制动踏板幅度大或踩踏板速度快或车速较高时(v大于20km/h)，控制器通过分析踏板位置传感器和加速度传感器、车速传感器、轮速传感器，计算得到目标制动力矩，输出控制电磁制动器线圈电流，线圈15通电电流较大，产生较大的电磁制动力矩，扭力回正部件2在较大的力矩作用，产生较大的变形，线圈基体3有较大的角位移，螺杆4在线圈基体3作用下有较大的直线进给，此直线进给超过摩擦块9和摩擦盘11之间的空隙距离，螺杆4继续进给，推动摩擦块9挤压摩擦盘11，产生摩擦制动力矩。摩擦制动与电磁制动同时工作。
实施例[3]：集成制动器不工作状态以及结束制动方式
当汽车不制动时，线圈15不通电，不产生电磁制动力矩，扭力回正部件2没有力矩作用，不产生变形，线圈基体3则没有转动，因此螺杆4没有直线进给，没有摩擦制动力矩产生。
当实施了制动一段时间之后，车速降低，这个时候驾驶员根据实际行驶状况，判断需要减小制动，选择回撤部分制动踏板，回撤的幅度大或加速度大，控制器重新分析踏板位置传感器和加速度传感器、车速传感器、轮速传感器，计算得到目标制动力矩变小，减小输出控制电磁制动器线圈电流，线圈15通电电流较小，关闭摩擦制动，只有电磁制动工作，直至驾驶员彻底放松制动踏板。
当实施了制动一段时间之后，车速降低，这个时候驾驶员根据实际行驶状况，判断需要保持制动力矩或小幅减小制动力矩，驾驶员选择不回撤回或小幅回撤部分踏板行程，回撤的幅度小或加速度小，控制器重新分析踏板位置传感器和加速度传感器、车速传感器、轮速传感器，计算得到目标制动力矩仍较大，仍保持输出较大的电磁制动器线圈电流，摩擦制动不停止工作，直至驾驶员彻底放松制动踏板。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (8)

1.一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，包括车轴(1)、线圈基体(3)、制动钳和摩擦盘(11)，线圈基体(3)正对着摩擦盘(11)的一侧围绕车轴(1)均布有多个电磁制动器定子，所述电磁制动器定子由铁芯(10)和线圈(15)组成，线圈(15)均匀地缠绕在铁芯(10)上，铁芯(10)一端面与摩擦盘(11)保持一定间隙，摩擦盘(11)的圆周端面位于制动钳的两个摩擦块(9)之间，其特征在于，还包括扭力回正部件(2)、螺杆螺母组件；
所述车轴(1)一端依次套有扭力回正部件(2)、线圈基体(3)、摩擦盘(11)；扭力回正部件(2)一端与线圈基体(3)通过螺栓固接，另一端与悬架固接，线圈基体(3)的圆周端面和螺杆螺母组件上的螺母(5)相互啮合；螺母(5)被挡块(6)所限制不能沿轴向运动，螺杆螺母组件上的螺杆(4)的一端和制动钳相连。
2.根据权利要求1所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于，所述扭力回正部件(2)为空心轴套结构，空心轴套两端分别固接线圈基体(3)和悬架；或者所述扭力回正部件(2)为扭杆结构，扭杆两端分别固接线圈基体(3)和悬架。
3.根据权利要求2所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于，所述空心轴套结构分为中间部分和两个端部，所述中间部分采用合金弹簧钢制成，两个连接端部采用非弹性材料制成，两个连接端部在外部扭矩作用下可以相对转动。
4.如权利要求3所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于：所述空心轴套结构中间部分采用55Si2Mn或50CrVA或30W4Cr2VA合金材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于，所述线圈基体(3)靠近螺杆螺母组件的外端面加工成齿轮状，螺杆(4)和螺母(5)相互配合，线圈基体(3)转动一定角度使得螺母(5)做旋转运动，做直线运动的螺杆(4)推动制动钳中的摩擦块(9)夹紧摩擦盘(11)。
6.如权利要求1所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于：所述电磁制动器定子的数量为2个、4个、6个或8个。
7.如权利要求1所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于：所述线圈基体(3)和螺母(5)的啮合齿轮形成固定传动比啮合传动，即线圈基体(3)和螺母(5)外圆周面均为圆形；或者所述线圈基体(3)和螺母(5)的啮合齿轮形成变传动比啮合传动，即线圈基体(3)和螺母(5)外圆周面为相互啮合的变半径非规则圆形。
8.如权利要求1所述的一种电磁制动与摩擦制动集成制动装置，其特征在于：还包括所述线圈基体(3)在转动一定角度后，会被限位装置挡住，限制其进一步转动，限位装置可以采用以下两种结构：
所述线圈基体(3)圆周端面上固接限位块(17)，限位块(17)可以在线圈基体(3)旋转到极限位置后压靠在挡块(6)表面，从而限制线圈基体(3)进一步转动；
所述线圈基体(3)圆周端面上开限位槽，限位块(17)固接车架，处于限位槽内，线圈基体(3)旋转一定角度后限位槽端面被限位块(17)阻挡，从而限制线圈基体(3)进一步转动。
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