CN106240552B - 电动助力制动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动助力制动系统，其包括电动制动助力耦合装置，采用中空滚珠丝杠机构，所述电动制动助力耦合装置的大齿轮与一小齿轮啮合，所述小齿轮连接至电机的输出轴，所述电机和所述电动制动助力耦合装置之间连接有一电子控制单元，用于控制所述电机工作。本发明电动助力制动系统通过电机作为动力源，采用两级运动转换机构，可以实现电机的转动到平动，第一级为齿轮减速机构，第二级为中空滚珠丝杠机构，其结构简单，尺寸小，传动效率高。通过连接套筒实现电机伺服力和人踩制动踏板力之间的解耦，使得电机驱动的伺服助力系统工作时不影响驾驶员踩制动踏板感觉。

Description

电动助力制动系统

技术领域

本发明涉及汽车制动领域，特别涉及一种电动助力制动系统。

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-lock Braking System)、驱动防滑控制(ASR，Acceleration Skid control system)、车辆稳定性控制系统(ESC，Electronic Stabilitycontroller)及自适应巡航控制(ACC，Adaptive Cruise Control)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。

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。而且，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。该系统无法实现助力比可调，以及主动制动等功能，也不能和底盘其他控制系统集成，存在着一定的局限性。同时，真空泵和储气罐的体积较大，不利于节省空间。

目前的电动助力制动专利，例如日产的E-ACT系列产品，其采用空心电机作为动力源，采用滚珠丝杆作为传动机构，促动制动主缸产生制动力。此种方案，由于空心电机的尺寸较大，因此使得系统的体积和质量都非常庞大，而且其结构复杂，不利于汽车的轻量化及节能。另外一种，如博世推出的ibooster系列产品，其采用蜗轮蜗杆和齿轮齿条作为传动机构，此种方案，传动的效率较低，对电机的性能要求较高，也不利于成本节约和汽车的节能。

诸如专利CN104118416A提出的制动系统，采用空心电机加滚珠丝杠的传动方式直接将电机的转动转换为丝杠的平动，中间缺少减速增扭机构，从而增加了对电机扭矩的需求，导致电机的尺寸过大。整个系统没有回位弹簧，当助力解除时，丝杠和推杆都没有办法回到原始位置，每次踩踏板推杆的位置不同会带来脚感的突变，且无法精确控制。此系统的踏板推杆的球形凹槽距离推杆和踏板的链接处太远，会导致驾驶员踩制动踏板的力在密封圈处产生过大的偏转力，阻碍机构运动。

诸如专利CN104709096A所示系统，采用单侧齿轮齿条系统作为运动转换机构，会产生一定的偏转力，从而在电机电流增大的情况下会产生较大的阻力，容易导致机构卡死。人力和电机力是直接耦合在齿条上的，因此电机失效时，人力需要克服电机的反拖力矩，导致备份制动力不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中制动系统容易造成安全隐患的缺陷，提供一种电动助力制动系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种电动助力制动系统，其特点在于，所述电动助力制动系统包括电动制动助力耦合装置，采用中空滚珠丝杠机构，所述电动制动助力耦合装置的大齿轮与一小齿轮啮合，所述小齿轮连接至电机的输出轴，所述电机和所述电动制动助力耦合装置之间连接有一电子控制单元，用于控制所述电机工作。

较佳地，所述电动制动助力耦合装置包括：踏板推杆；

滚珠丝杠和助力套筒，所述助力套筒嵌设在所述滚珠丝杠内；

连接套筒，所述踏板推杆的一端与所述连接套筒的一端连接，所述连接套筒的另一端嵌设在所述助力套筒的一端内；

助力体推杆，所述助力体推杆的一端与所述连接套筒连接，另一端穿设在所述助力套筒内，且所述助力体推杆上设置有一第一弹性部件，使得所述第一弹性部件卡设在所述连接套筒和所述助力套筒之间，以通过推动所述踏板推杆来带动所述助力体推杆移动；

所述助力套筒的另一端设置有反应盘和主缸顶杆，所述反应盘与所述主缸顶杆连接，所述主缸顶杆的末端设有第二弹性部件。

较佳地，所述踏板推杆与所述连接套筒之间采用球铰连接，所述连接套筒和所述助力体推杆之间采用过盈配合。

较佳地，所述电动制动助力耦合装置还包括助力器端盖，所述助力器端盖套设在所述滚珠丝杠的外部，所述助力器端盖的外表面上设置有一踏板行程传感器感应线圈；

在所述助力器端盖内设有一踏板行程传感器铁芯，所述踏板行程传感器铁芯安装在一踏板行程传感器安装轴上，且所述踏板行程传感器安装轴安装在所述连接套筒上，使所述踏板行程传感器感应线圈与所述踏板行程传感器铁芯相互平行。

较佳地，所述大齿轮和所述滚珠丝杠的螺母连为一体，在所述滚珠丝杠的螺母两端设有轴承。

较佳地，所述滚珠丝杠为中空式，所述助力套筒的内表面设有阶梯状凸起，且内置在所述滚珠丝杠中。

较佳地，所述反应盘采用橡胶制成，且所述反应盘的内圈与所述助力体推杆的一端接触，所述反应盘的外圈与所述助力套筒的阶梯状凸起接触。

较佳地，所述助力体推杆的一端位于所述助力套筒内，且与所述反应盘之间具有一第一间隙；

所述连接套筒和所述助力套筒之间具有一第二间隙，所述第二间隙大于所述第一间隙。

较佳地，所述第一弹性部件和所述第二弹性部件采用回位弹簧。

较佳地，所述第二弹性部件的一端安装在弹簧座上，另一端安装在所述助力器端盖上；

所述主缸顶杆连接到制动主缸的活塞上，所述制动主缸上还连接有储液罐。

本发明的积极进步效果在于：

本发明电动助力制动系统通过电机作为动力源，采用两级运动转换机构，可以实现电机的转动到平动，第一级为齿轮减速机构，第二级为中空滚珠丝杠机构，其结构简单，尺寸小，传动效率高。通过连接套筒实现电机伺服力和人踩制动踏板力之间的解耦，使得电机驱动的伺服助力系统工作时不影响驾驶员踩制动踏板感觉。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明电动助力制动系统的结构示意图。

图2为本发明电动助力制动系统的助力制动控制原理图。

图3为本发明电动助力制动系统的主动制动控制原理图。

图4为本发明电动助力制动系统的变助力比原理图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明电动助力制动系统的结构示意图。图2为本发明电动助力制动系统的助力制动控制原理图。图3为本发明电动助力制动系统的主动制动控制原理图。图4为本发明电动助力制动系统的变助力比原理图。

如图1至图4所示，本发明公开了一种电动助力制动系统，其包括电动制动助力耦合装置10，采用中空滚珠丝杠机构，电动制动助力耦合装置10的大齿轮100与一小齿轮20啮合，小齿轮20连接至电机30的输出轴31，且在输出轴的两端设有排气孔32。在电机30和电动制动助力耦合装置10之间连接有一电子控制单元40，用于控制电机30工作。

优选地，电动制动助力耦合装置10包括踏板推杆11、滚珠丝杠12、助力套筒13、连接套筒14和助力体推杆15。其中，助力套筒13嵌设在滚珠丝杠12内。踏板推杆11的一端与连接套筒14的一端连接，而连接套筒14的另一端嵌设在助力套筒13的一端内。助力体推杆15的一端与连接套筒14连接，另一端穿设在助力套筒13内，且助力体推杆15上设置有一第一弹性部件16，使得第一弹性部件16卡设在连接套筒14和助力套筒13之间，以通过推动踏板推杆11来带动助力体推杆15移动。在助力套筒13的另一端设置有反应盘17和主缸顶杆18，将反应盘17与主缸顶杆18连接，在主缸顶杆18的末端设有第二弹性部件19。这里的第一弹性部件16和第二弹性部件19优选地采用回位弹簧，将第二弹性部件19的一端安装在弹簧座191上，另一端安装在所述助力器端盖上。主缸顶杆18连接到制动主缸200的活塞上，制动主缸200上还连接有储液罐300。

进一步地，踏板推杆11与连接套筒14之间采用球铰连接，且在连接套筒14和助力体推杆15之间采用过盈配合。

此外，电动制动助力耦合装置10还包括助力器端盖，所述助力器端盖套设在滚珠丝杠12的外部。这里的助力器端盖包括助力器后端盖50和助力器前端盖51，在助力器后端盖的外表面上设置有一踏板行程传感器感应线圈52。在所述助力器端盖内设有一踏板行程传感器铁芯53，将踏板行程传感器铁芯53安装在一踏板行程传感器安装轴54上，且踏板行程传感器安装轴54安装在连接套筒14上，使踏板行程传感器感应线圈52与踏板行程传感器铁芯53相互平行。踏板行程传感器铁芯53和踏板行程传感器感应线圈52均位于驾驶舱内，且踏板行程传感器感应线圈52和电机30均通过电线与电子控制单元40相连。

优选地，大齿轮100和滚珠丝杠12的螺母连为一体，在滚珠丝杠12的螺母两端设有轴承60。此处的滚珠丝杠12优选为中空式，在助力套筒13的内表面设有阶梯状凸起，且内置在滚珠丝杠12中。

另外，反应盘17采用橡胶制成，且在反应盘17的内圈与助力体推杆15的一端接触，使得反应盘17的外圈与助力套筒13的阶梯状凸起接触。

助力体推杆15的一端位于助力套筒13内，且与反应盘17之间具有一第一间隙S。连接套筒14和助力套筒13之间具有一第二间隙X，第二间隙X大于(优选为稍大于)第一间隙S。

根据上述结构，本发明电动助力制动系统的工作过程为：当驾驶员踩下制动踏板时，踏板力传递到踏板推杆11上，踏板推杆11会推动连接套筒14向前运动，连接套筒14会带动踏板行程传感器铁芯53运动，并推动助力体推杆15前进，踏板行程传感器铁芯53运动会在踏板行程传感器感应线圈52上产生感应信号。助力体推杆15克服间隙S后将力施加到反应盘17上，此时反应盘17发生形变，内圈由于助力体推杆15的施加的力发生凹陷从而产生一个形变量S1。

电子控制单元40通过踏板行程传感器感应线圈52的信号测量内圈的形变量S1，为了弥补反应盘17的凹陷形变量，通过电子控制单元40控制电机30通过小齿轮20带动大齿轮100转动，从而带动滚珠丝杠12的螺母转动并使得滚珠丝杠12的丝杠平动，滚珠丝杠12带动助力套筒13前进，从而使得助力套筒13的阶梯状凸起和反应盘17的外圈接触，使得反应盘17的外圈边缘受力，从而弥补反应盘17内圈的凹陷形变量S1。

同时，电子控制单元40通过电机30自带的霍尔传感器33间接测量反应盘外圈的形变量S2，并根据下列公式得到电机的控制量X1：X1＝S1-S2，控制目标使得X1的值趋近于零，也就是使得反应盘的形变消失。这样驾驶员踩踏板的力使得反应盘17的内圈产生形变，电子控制单元40再通过控制电机30工作弥补这一形变，反复重复此过程，施加在助力体推杆15上的人力和施加在助力套筒13上的电机力在反应盘17处叠加，使得反应盘17的内、外圈形变平衡，宏观上反应盘17没有产生形变，并在电机力和人力的共同作用下推动主缸顶杆18前进，从而促动制动主缸200产生制动力，实现了电动助力制动功能，此时电动助力器的助力比为反应盘17内圈和外圈的面积比。

当驾驶员松开制动踏板时，踏板推杆11会带动连接套筒14向后运动，连接套筒14会带动踏板行程传感器铁芯53向后运动，并带动助力体推杆15向后运动，助力体推杆15施加在反应盘17上的人力逐渐减少。此时，反应盘17的内、外圈受力平衡被打破，反应盘17的内圈发生凸变，其变形量为S2。电子控制单元40通过踏板行程传感器铁芯53和踏板行程传感器感应线圈52之间的感应信号测量反应盘17内圈的形变量S2，并控制电机30通过小齿轮20带动大齿轮100转动从而带动滚珠丝杠12的螺母转动，并使得滚珠丝杠12的丝杠平动。滚珠丝杠12带动助力套筒13后退，从而减少助力套筒13的阶梯状凸起和反应盘17的外圈接触的力，弥补反应盘17内圈的凸变的形变量S1。

同时，电子控制单元40通过电机30自带的霍尔传感器33间接测量反应盘外圈的形变量S2，并根据下列公式得到电机的控制量X1：X1＝S2-S1，控制目标使得X1的值也趋近于零，也就是使得反应盘的形变消失。反复重复此过程，使得反应盘17的内、外圈形变保持平衡，宏观上反应盘17没有产生形变，和助力体推杆15以及助力套筒13共同后退。

当助力体推杆15后退到和反应盘17不再接触时，电机30不再工作。此时，制动主缸200的液压力和第二弹性部件19的回位力共同作用，使得电机30、反应盘17、主缸顶杆18和助力套筒13回到初始位置。同时，第一弹性部件16使得踏板推杆11、连接套筒14和助力体推杆15回到初始位置。

当电动助力制动系统的电子控制单元、电机、电源或传感器发生故障时，驾驶员踩踏板的力传递到踏板推杆11上，踏板推杆11会推动连接套筒14向前运动，连接套筒14会推动助力体推杆15前进，助力体推杆15克服间隙S后将力施加到反应盘17上。此时反应盘17的内圈发生形变，当助力体推杆15继续前进克服间隙X后，连接套筒14和助力套筒13接触，从而施加力于反应盘17的外圈。从而整体推动反应盘17前进从而推动主缸顶杆18，并促动制动主缸200产生制动力，此过程中电机30不工作，仅仅通过人力产生部分制动力，满足应急制动法规需求。

当驾驶员没有踩下制动踏板时，如果电子控制单元40通过车载其他传感器41(如雷达，摄像头)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40通过车载其他传感器41信号经过判断给电机30发送控制信号，电机30通过小齿轮20带动大齿轮100转动从而带动滚珠丝杠12的螺母转动并使得滚珠丝杠12的丝杠平动，滚珠丝杠12带动助力套筒13前进，从而使得助力套筒13的阶梯状凸起和反应盘17的外圈接触，使得反应盘17的外圈边缘受力。由于此时助力体推杆15不作用在反应盘17内圈上，没有办法补偿反应盘17的形变量，由于反应盘17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，从而推动主缸顶杆18，并促动制动主缸200产生制动力。

如图2所示，当系统处于正常助力制动工作状态时，系统通过踏板行程传感器70获得驾驶员踩制动踏板的位移信息S1，通过电机霍尔传感器获得电机的位移信息S2，通过偏差控制器N1得到控制偏差X1：X1＝S2-S1，然后通过位置偏差命令解析模块N2得到此时需要给电机30的控制命令的期望值，然后再通过摩擦、阻尼补偿曲线N3对控制命令进行补偿，最后得到电机30的最终控制命令，从而促动制动主缸200产生制动压力。

如图3所示，当系统处于主动制动工作状态时，系统通过车载其他传感器41(如雷达，摄像头等)获得车辆周围的环境信息，并通过命令解析模块Z1获得电机的期望控制电流i1，电机通过电机电流传感器28获得电机的实际电流信息i2，通过偏差控制器Z2得到控制偏差命令I:I＝i2-i1，然后控制电机30促动制动主缸200产生制动压力。主动制动功能下，一旦电子控制单元40检测到驾驶员踩下制动踏板，则切换到助力制动功能。

如图4所示，系统的变助力比工作原理为：电机助力作用在反应盘17的外圈和人输入力作用在反应盘17的内圈，反应盘17的内圈变形量S1，外圈变形量S2。当助力比g设为g＝g0时，控制目标设定为X1：X1＝S2-S1+0，也就是保证反应盘17的内、外圈形变量差值始终为零。

如果需要助力比g>g0时，则可以通过设定控制目标实现，即令控制目标为X1：X1＝S2-S1+X0，也就是保证反应盘17的内、外圈形变量差值始终为一恒定正值X0。如果需要助力比g<g0时，则可以通过设定控制目标实现，即令控制目标为X1：X1＝S2-S1+X0，也就是保证反应盘17的内、外圈形变量差值始终为一恒定正值-X0。通过改变X0和-X0的大小就可以实现不同的助力比。

综上所述，本发明电动助力制动系统通过电机作为动力源，通过两级运动转换机构，实现电机的转动到平动，第一级为齿轮减速机构，第二级为中空滚珠丝杠机构，结构简单，尺寸小，传动效率高。通过连接套筒实现电机伺服力和人踩制动踏板力之间的解耦，使得电机驱动的伺服助力系统工作时不影响驾驶员踩制动踏板感觉。制动踏板推杆位于滚珠丝杠的空心内，在电机失效，或者系统断电的情况下，人踩制动踏板的力可以通过制动踏板推杆，推动助力套筒，直接促动主缸活塞产生备份制动力，具有失效备份功能。

同时，本发明电动助力制动系统在连接套筒内加装了电磁式的微型传感器来测量连接套筒的位移，从而用来进行驾驶员制动意图识别，这种方案使得本发明的电动助力制动系统模块化，结构更紧凑，避免了在制动踏板上加装传感器。传感器位于驾驶舱内，降低了传感器防水和温度等级，有利于降低成本。

进一步地，本发明电动助力制动系统通过踏板行程传感器采集驾驶员制动意图，通过电子控制单元40控制电机，实现电动助力制动功能，具有踏板感觉可调，助力比可调节功能。在驾驶员没有踩制动踏板的情况下，电子控制单元40可以通过其他的制动命令(如基于雷达或视觉传感的主动制动命令)，控制电机推动助力套筒，从而促动主缸活塞产生制动力，实现主动制动功能。此时，由于制动踏板推杆位于滚珠丝杠的空心内，其与电机的运动解耦，因此，电机主动制动时的运动不会带动制动踏板一起运动，从而可以减少电机在主动制动时的负载。

其次，本发明电动助力制动系统还在电机和齿轮轴的连接位置设有散热孔，由于电动制动系统位于发动机舱，因此防水等级高，密闭性高，通过透气孔透气，可以避免电机内部凝聚水蒸气。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动助力制动系统，其特征在于，所述电动助力制动系统包括电动制动助力耦合装置，采用中空滚珠丝杠机构，所述电动制动助力耦合装置的大齿轮与一小齿轮啮合，所述小齿轮连接至电机的输出轴，所述电机和所述电动制动助力耦合装置之间连接有一电子控制单元，用于控制所述电机工作；

所述电动制动助力耦合装置包括：

踏板推杆；

滚珠丝杠和助力套筒，所述助力套筒嵌设在所述滚珠丝杠内；

连接套筒，所述踏板推杆的一端与所述连接套筒的一端连接，所述连接套筒的另一端嵌设在所述助力套筒的一端内；

助力体推杆，所述助力体推杆的一端与所述连接套筒连接，另一端穿设在所述助力套筒内，且所述助力体推杆上设置有一第一弹性部件，使得所述第一弹性部件卡设在所述连接套筒和所述助力套筒之间，以通过推动所述踏板推杆来带动所述助力体推杆移动；

所述助力套筒的另一端设置有反应盘和主缸顶杆，所述反应盘与所述主缸顶杆连接，所述主缸顶杆的末端设有第二弹性部件。

2.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述踏板推杆与所述连接套筒之间采用球铰连接，所述连接套筒和所述助力体推杆之间采用过盈配合。

3.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述电动制动助力耦合装置还包括助力器端盖，所述助力器端盖套设在所述滚珠丝杠的外部，所述助力器端盖的外表面上设置有一踏板行程传感器感应线圈；

在所述助力器端盖内设有一踏板行程传感器铁芯，所述踏板行程传感器铁芯安装在一踏板行程传感器安装轴上，且所述踏板行程传感器安装轴安装在所述连接套筒上，使所述踏板行程传感器感应线圈与所述踏板行程传感器铁芯相互平行。

4.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述大齿轮和所述滚珠丝杠的螺母连为一体，在所述滚珠丝杠的螺母两端设有轴承。

5.如权利要求4所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述滚珠丝杠为中空式，所述助力套筒的内表面设有阶梯状凸起，且内置在所述滚珠丝杠中。

6.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述反应盘采用橡胶制成，且所述反应盘的内圈与所述助力体推杆的一端接触，所述反应盘的外圈与所述助力套筒的阶梯状凸起接触。

7.如权利要求6所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述助力体推杆的一端位于所述助力套筒内，且与所述反应盘之间具有一第一间隙；

所述连接套筒和所述助力套筒之间具有一第二间隙，所述第二间隙大于所述第一间隙。

8.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述第一弹性部件和所述第二弹性部件采用回位弹簧。

9.如权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述第二弹性部件的一端安装在弹簧座上，另一端安装在所述助力器端盖上；

所述主缸顶杆连接到制动主缸的活塞上，所述制动主缸上还连接有储液罐。