CN105774788A - 一种具有复合功能的电动助力制动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车辆工程领域，公开了一种具有复合功能的电动助力制动系统，包括了制动踏板位移传感器、制动踏板、踏板行程模拟器、电动助力总成、主缸、轮缸、液压控制单元、储液罐、电机、减速增扭机构、电子控制单元、常开电磁阀、常闭电磁阀、车载其他传感器，通过设计踏板行程模拟器，可以实现摩擦制动力和再生制动力的解耦，提供连续可变的脚感，电机助力装置可与制动防抱死系统，液压控制单元集成，实现主动制动功能，电机输入和驾驶员输入无干涉，电机可以实现主动制动，可作为智能汽车及无人驾驶汽车的制动执行机构。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程领域，特别是一种具有复合功能的电动助力制动系统。
背景技术
随着电动汽车和智能汽车的发展，对制动系统提出了新的要求，如能够自主产生需要的制动力(主动制动)，能够实现制动能量回收功能，以及能够匹配底盘主动安全系统的功能，例如，制动防抱死系统(ABS，Anti-lockBrakingSystem)驱动防滑控制(ASR，AccelerationSkidcontrolsystem)、车辆稳定性控制系统(ESC，ElectronicStabilitycontroller)及自适应巡航控制(ACC，AdaptiveCruiseControl)等。
传统的液压制动系统采用的是真空助力器和主缸、轮缸系统。其中，真空助力器需要通过发动机抽取真空度。然而，电动汽车取消了传统的发动机结构，采用电动机作为驱动装置，这就使得传统液压制动的真空助力器失去了功能；同时，由于电动汽车再生制动功能需求，要求在制动能量回收控制过程中，尽量采用电机反拖产生的再生制动力，并同时不希望驾驶员通过踩踏板而促动轮缸夹紧制动盘产生的摩擦制动力参与制动过程，这就需要制动系统能实现摩擦制动力和再生制动力的解耦。
因此，可以看出传统的制动系统已经不能满足电动汽车及智能汽车的发展需求。真空泵系统体积较大，功能单一，不能与ABS/ESC、ACC(或类似产品)集成控制。
近年来，很多电动汽车采用真空泵代替发动机抽取真空助力器的真空度，来保证制动系统的助力功能。然而，真空泵方案为了保证真空度需要电机阶段性的工作，即在驾驶员不制动的工况下，电机也需要工作；并且该系统在连续制动时，制动压力会逐渐衰减，可能带来安全隐患。同时，真空泵系统的体积较大，不利于节省空间，也不能和底盘其他控制系统集成。
另外，也有少数汽车采用电动助力、液压助力等其它形式的助力装置，如日产的e-ACT制动系统。然而，电动助力或者液压助力系统，不能实现摩擦制动力和再生制动力的解耦，大大影响了电动汽车的再生制动功能。
线控制动系统，如电子液压制动系统EHB和电子机械制动系统EMB，能够很好的满足电动车的上述需求，然而，线控制动系统的结构复杂，制造成本高，如EHB系统由踏板模拟器、电机、泵、高压蓄能器、以及10个电磁阀组成，液压回路非常复杂。EMB系统由四套电机、减速机构和运动转换机构组成，如果考虑失效备份，还需要四套传统的液压制动系统，成本较高。
单纯的电动助力系统难以实现摩擦制动力和再生制动力的解耦，大大影响了电动汽车的再生制动功能。线控制动系统在匹配电动汽车及智能汽车有一定的优势，然而线控制动系统的制造成本较高，结构复杂，失效防护能力难以获得汽车制造商的信赖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复合功能的电动助力制动系统，可以实现基本助力制动功能，主动制动功能，再生制动功能，失效备份功能。同时可以与制动防抱死系统，车辆稳定性控制系统集成实现主动安全控制。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种具有复合功能的电动助力制动系统，包括了制动踏板位移传感器1、制动踏板2、踏板行程模拟器3、电动助力总成4、主缸5、轮缸6、液压控制单元7、储液罐8、电机9、减速增扭机构10、电子控制单元11、常开电磁阀12、常闭电磁阀13、车载其他传感器14组成，制动踏板位移传感器1安装在制动踏板2的转轴处，踏板行程模拟器3设置在制动踏板2和电动助力总成4之间，主缸5与液压控制单元7通过制动管路连通，液压控制单元7通过制动管路与四个轮缸6相连接，储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板行程模拟器3的前腔和后腔相连，电机9、制动踏板位移传感器1和车载其他传感器14均通过电线与电子控制单元11相连，电机9通过减速增扭机构10和电动助力总成4相连。
其中，踏板行程模拟器3包括踏板行程模拟器壳体301、前活塞302、前活塞回位弹簧303、后活塞304、后活塞回位弹簧305组成。
其中，电动助力总成4包括电动助力总成壳体401、套筒402、齿条403、助力总成推杆404、推杆回位弹簧405、缓冲块406、反应盘407、主缸推杆408、主缸推杆回位弹簧409、主缸推杆位移传感器410、齿轮411组成。
其中，踏板行程模拟器3的前活塞302的后端面通过铰链与制动踏板1相连，前活塞302中间设有弹簧座，前活塞回位弹簧303放置在弹簧座上；后活塞304设置在前活塞302和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间，后活塞回位弹簧305设置在后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间；后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间围成的腔为踏板模拟器后腔，前活塞302和后活塞304之间围成的腔称为踏板模拟器前腔，踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔均开一个进油孔，储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔相连。
其中，套筒402内表面设有阶梯状凸起且内表面和外表面均焊接有限位块，套筒402安装在齿条403的中空内部，齿条403顶端与齿轮411啮合，助力总成推杆404后端面与后活塞304的前端面接触，助力总成推杆404的前端面与缓冲块406螺纹连接，助力总成推杆404的中间设有凸起的弹簧座且安装有推杆回位弹簧405，反应盘407内圈与缓冲块406接触，反应盘407外圈与套筒402的阶梯状凸起接触，主缸推杆408为“T”型结构且安装有主缸推杆回位弹簧409和主缸推杆位移传感器410，主缸推杆408的前端面与主缸5相连，主缸推杆408的后端面与反应盘407接触，主缸推杆位移传感器410通过线路与电子控制单元11相连。
优选的，缓冲块406是塑料材质，反应盘407是橡胶材质。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的电动助力制动系统能够沿用传统的制动主缸和制动器和液压控制单元，同时控制电机参与调节制动压力，系统压力波动小、调压精度高，并且能够通过电机扭矩主动控制抑制液压控制单元的回液对制动踏板的冲击。
2、本发明所述的电动助力制动系统不需要另设专门的制动失效备份装置，失效时，驾驶员踩踏板可以直接促动主缸产生部分制动力，满足法规要求，具有高可靠性。
3、本发明所述的电动助力制动系统，匹配电动汽车时，可以实现制动踏板与摩擦制动器完全解耦，并进行再生制动力和摩擦制力的协调制动，可最大程度地回收制动能量。
4、本发明所述的电动助力制动系统，可以通过车载其他传感器得到车辆的行驶状态，从而实施主动制动，并且制动过程中不会带动制动踏板，可以很好的匹配智能汽车。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
主要组件符号说明:
1：踏板位移传感器，2：制动踏板，3：踏板行程模拟器，4：电动助力总成，5：主缸，6：轮缸，7：液压控制单元，8：储液罐，9：电机，10：减速增扭机构，11：电子控制单元，12：通常开电磁阀，13：通常闭电磁阀，14：车载其他传感器，301：踏板行程模拟器壳体，302：前活塞，303：前活塞回位弹簧，304：后活塞，305：后活塞回位弹簧，401：电动助力总成壳体，402：套筒，403：齿条，404：助力总成推杆，405：推杆回位弹簧，406：缓冲块，407：反应盘，408：主缸顶杆，409：主缸顶杆回位弹簧，410：主缸顶杆行程传感器，411：齿轮
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种具有复合功能的电动助力制动系统，包括了包括制动踏板位移传感器1、制动踏板2、踏板行程模拟器3、电动助力总成4、主缸5、轮缸6、液压控制单元7、储液罐8、电机9、减速增扭机构10、电子控制单元11、常开电磁阀12、常闭电磁阀13和车载其他传感器14，其中，踏板行程模拟器3包括踏板行程模拟器壳体301、前活塞302、前活塞回位弹簧303、后活塞304、后活塞回位弹簧305组成。其中，电动助力总成4包括电动助力总成壳体401、套筒402、齿条403、助力总成推杆404、推杆回位弹簧405、缓冲块406、反应盘407、主缸推杆408、主缸推杆回位弹簧409、主缸推杆位移传感器410、齿轮411组成。
结构设计：
制动踏板位移传感器1安装在制动踏板2的转轴处，踏板行程模拟器3设置在制动踏板2和电动助力总成4之间，主缸5与液压控制单元7通过制动管路连通，液压控制单元7通过制动管路与四个轮缸6相连接，储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板行程模拟器3的前腔和后腔相连，电机9、制动踏板位移传感器1和车载其他传感器14均通过电线与电子控制单元11相连，电机9通过减速增扭机构10和电动助力总成4相连。
其中，踏板行程模拟器3的前活塞302的后端面通过铰链与制动踏板1相连，前活塞302中间设有弹簧座，前活塞回位弹簧303放置在弹簧座上；后活塞304设置在前活塞302和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间，后活塞回位弹簧305设置在后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间；后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间围成的腔为踏板模拟器后腔，前活塞302和后活塞304之间围成的腔称为踏板模拟器前腔，踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔均开一个进油孔，储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔相连。
其中，套筒402内表面设有阶梯状凸起且内表面和外表面均焊接有限位块，套筒402安装在齿条403的中空内部，齿条403顶端与齿轮411啮合，助力总成推杆404后端面与后活塞304的前端面接触，助力总成推杆404的前端面与缓冲块406螺纹连接，助力总成推杆404的中间设有凸起的弹簧座且安装有推杆回位弹簧405，反应盘407内圈与缓冲块406接触，反应盘407外圈与套筒402的阶梯状凸起接触，主缸推杆408为“T”型结构且安装有主缸推杆回位弹簧409和主缸推杆位移传感器410，主缸推杆408的前端面与主缸5相连，主缸推杆408的后端面与反应盘407接触，主缸推杆位移传感器410通过线路与电子控制单元11相连。
工作原理：
电动助力功能：
电动助力功能下，常闭电磁阀13和常开电磁阀12不通电，此时踏板行程模拟器3的前腔和储液罐8的连接被切断，踏板行程模拟器3的前腔锁止。踏板行程模拟器3的后腔和储液罐8的连通，踏板行程模拟器3后腔处于自由状态。在制动踏板2被踩下时，踏板力传递到前活塞302上，由于踏板行程模拟器3的前腔锁止，力通过液压传递到后活塞304上，此过程前活塞回位弹簧303不被压缩，前活塞302和后活塞304相当于连为一体前进，并施加作用力于助力总成推杆404上，通过缓冲块406将力施加到反应盘407上，此时反应盘发生形变，内圈由于助力总成推杆404的施加的力发生凹陷从而产生一个形变量，电子控制单元11通过制动踏板位移传感器1测量其形变量X1，同时通过主缸推杆位移传感器410测量主缸推杆位移X2，为了弥补反应盘407的凹陷形变量，电子控制单元11控制电机9通过减速增扭机构10带动齿轮411转动从而带动齿条403平动，齿条403通过套筒402外缘的限位块接触作用带动套筒402平动，从而使得套筒402的阶梯状凸起和反应盘407接触，使得反应盘407外圈边缘受力，从而弥补反应盘407的凹陷形变量，电子控制单元11根据下列公式得到电机推动套筒402的控制量X：X＝X2-X1，这样反复重复此过程，施加在助力总成推杆404上的人力和施加在套筒402上的电机力在反应盘407上叠加，使得宏观上反应盘407并没有产生形变，共同作用推动主缸顶杆408前进，从而促动主缸5产生制动力，实现了电动助力功能。
二、再生制动功能
在制动踏板2被踩下时，踏板力作用于踏板行程模拟器3的前活塞302，此时电子控制单元11控制常开电磁阀12关闭，常闭电磁阀13打开，踏板行程模拟器3的后腔锁止，前腔和储液罐8连通，处于自由状态。此时前活塞302随着驾驶员踩踏板力增加而前进，由于此时后腔锁止，因此前活塞推动踏板模拟器前活塞回位弹簧303压缩，而后活塞304保持不动，弹簧303此时提供脚感，同时，电子控制单元11通过制动踏板行程传感器1获得驾驶员制动意图，进而控制电动车驱动电机(图中未画出)反拖进行再生制动，此时，踏板力没有传递到电动助力机构4上，同时助力电机9不工作，这样可以实现摩擦制动和再生制动的解耦，最大程度的回收制动能量。随着踏板位移的增加(中等制动强度)，前活塞302不断向前移动，当前活塞302移动位移超过一个设定的位移S时(S设定为在这个行程内，制动减速度要求在0.2g以下)，此时，前活塞302堵住前腔进油孔，此时前腔锁止；同时，电子控制单元11控制打开常开电磁阀12，使得后腔和储液罐8相连，后腔解除锁止状态。这样，随着踏板位移继续增加，前活塞302通过前腔油液将力传递到后活塞304上，前后活塞一起向前运动通过助力总成推杆404将力作用在反应盘407上，同时，电子控制单元11通过踏板位移传感器1和主缸推杆位移传感器410的信号进行驾驶员制动意图识别，进而控制助力电机9产生需要的助力力矩(其具体工作过程与电动助力功能一致)。此阶段，摩擦制动和再生制动同时工作，为混合制动阶段。
三、主动制动功能
在制动踏板2未被踩下，但电子控制单元11通过车载其他传感器14的信息判断需实施主动制动或者其它控制装置发出主动制动请求时(如紧急制动，自动驾驶等)，制动系统工作于主动制动模式下。此模式下电子控制单元11通过车载其他传感器14信号经过判断给助力电机9发送控制信号，助力电机9通过减速增扭机构10带动齿轮411转动，从而驱动齿条403平动，并带动套筒402平动，通过套筒402的内部阶梯状突起作用在反应盘407外圈上，反应盘407产生形变，由于此时助力总成推杆不作用在反应盘407内圈上，没有办法补偿反应盘407的形变量，由于反应盘407是橡胶材质，当其形变量到一定程度后，就会具有刚体的特性，整体前进从而推动主缸顶杆408，并促动主缸5产生制动力。由于齿条403和踏板2之间没有机械连接，因此主动制动时，制动踏板2不会产生不必要的运动。
四、下长坡制动功能
下长坡制动优先使用再生制动力，如果再生制动模式下，汽车能源系统的储能装置不允许储能(例如SOC已满)，系统进入电动助力模式，此时，电子控制单元11控制关闭常闭电磁阀13和打开常开电磁阀12，这样踏板行程模拟器前活塞302将踏板力传递到后活塞304促动推杆404作用在反应盘407上，同时，电子控制单元11通过踏板位移传感器1和主缸推杆位移传感器410的信号进行驾驶员制动意图识别，进而控制助力电机9产生需要的助力力矩(其具体工作过程与电动助力功能一致)从而推动主缸顶杆408，共同促动主缸5产生制动力。并通过电机9的锁止力矩提供长时间的制动力保持。
五、失效备份制动功能
当制动系统的电子控制装置、执行机构或传感器发生故障时，常开电磁阀12打开，常闭电磁阀13关闭，踏板行程模拟器3的前腔锁止，驾驶员踩踏板的力通过踏板行程模拟器3的前活塞302传递到后活塞304上，从而促动推杆404作用在反应盘407内圈上，反应盘407产生形变，由于此时电机不工作，因此反应盘407的外圈上，没有补偿形变量的力，由于反应盘407是橡胶材质，当其形变量到一定程度后，就会具有刚体的特性，整体前进从而推动主缸顶杆408，并促动主缸5产生制动力，通过人力产生部分制动力，满足应急制动法规需求。
六、主动安全功能
如果在制动主缸5和轮缸6间加有ABS或ESC阀块(图中的液压控制单元7)，就可以实现与ABS和ESC控制算法的集成。集成有两种方式：第一种方式是E-Booster代替传统的液压制动系统产生基本制动力，ABS或ESC阀块根据需要来调节轮缸制动力，这种集成方式不干涉ABS/ESC、ESPhev(或类似产品)的正常功能；另一种集成方式是，四个轮缸6所受压力不仅可通过液压控制单元7进行调节，且可以通过电子控制单元11调整电机的转矩输出进行调节；由此，使得电机的助力特性曲线与识别出的路面附着系数相适应，即在低附着工况下电动助力比较小，在高附着工况下电动助力比较大。同时，电子控制单元11也可以根据主缸压力传感器(图中未画出)采集的压力信号，控制电机输出一个附加转矩抑制HCU7的回液对主缸5的压力冲击，从而实现良好的制动踏板感觉。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于，包括了包括制动踏板位移传感器1、制动踏板2、踏板行程模拟器3、电动助力总成4、主缸5、轮缸6、液压控制单元7、储液罐8、电机9、减速增扭机构10、电子控制单元11、常开电磁阀12、常闭电磁阀13、车载其他传感器14组成，所述的制动踏板位移传感器1安装在制动踏板2的转轴处，所述的踏板行程模拟器3设置在制动踏板2和电动助力总成4之间，所述的主缸5与液压控制单元7通过制动管路连通，液压控制单元7通过制动管路与四个轮缸6相连接，所述的储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板行程模拟器3的前腔和后腔相连，所述的电机9、制动踏板位移传感器1和车载其他传感器14均通过电线与电子控制单元11相连，电机9通过减速增扭机构10和电动助力总成4相连。
2.如权利要求1所述的一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于：所述的踏板行程模拟器3包括踏板行程模拟器壳体301、前活塞302、前活塞回位弹簧303、后活塞304、后活塞回位弹簧305组成。
3.如权利要求1所述的一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于：所述电动助力总成4包括电动助力总成壳体401、套筒402、齿条403、助力总成推杆404、推杆回位弹簧405、缓冲块406、反应盘407、主缸推杆408、主缸推杆回位弹簧409、主缸推杆位移传感器410、齿轮411组成。
4.如权利要求2所述的一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于：所述的踏板行程模拟器3的前活塞302的后端面通过铰链与制动踏板1相连，前活塞302中间设有弹簧座，前活塞回位弹簧303放置在弹簧座上；所述的后活塞304设置在前活塞302和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间，后活塞回位弹簧305设置在后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间；所述的后活塞304和踏板行程模拟器壳体301的前端面之间围成的腔为踏板模拟器后腔，前活塞302和后活塞304之间围成的腔称为踏板模拟器前腔，踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔均开一个进油孔，储液罐8分别通过常开电磁阀12和常闭电磁阀13通过进油孔与踏板模拟器前腔和踏板模拟器后腔相连。
5.如权利要求3所述的一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于：所述的套筒402内表面设有阶梯状凸起且内表面和外表面均焊接有限位块，套筒402安装在齿条403的中空内部，所述的齿条403顶端与齿轮411啮合，所述的助力总成推杆404后端面与后活塞304的前端面接触，助力总成推杆404的前端面与缓冲块406螺纹连接，所述的助力总成推杆404的中间设有凸起的弹簧座且安装有推杆回位弹簧405，所述的反应盘407内圈与缓冲块406接触，反应盘407外圈与套筒402的阶梯状凸起接触，所述的主缸推杆408为“T”型结构且安装有主缸推杆回位弹簧409和主缸推杆位移传感器410，主缸推杆408的前端面与主缸5相连，主缸推杆408的后端面与反应盘407接触，所述的主缸推杆位移传感器410通过线路与电子控制单元11相连。
6.如权利要求5所述的一种具有复合功能的电动助力制动系统，其特征在于：所述的缓冲块406是塑料材质，所述的反应盘407是橡胶材质。
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