CN106594115A - 一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是由电机、传动机构、磁致伸缩驱动活塞机构和浮动钳盘式机构组成；传动机构由行星轮系和螺纹丝杆构成，利用电机进行驱动，经行星轮系和螺纹丝杆的传动，实现套筒的直线移动；利用套筒带动可轴向伸缩的磁致伸缩驱动活塞机构中的活塞头直线移动，由活塞头推动浮动钳盘式机构中的制动板实现制动。本发明采用电机和磁致伸缩实施联合制动，解决了电机线控制动器响应慢、精准度较差以及电机堵转问题，同时也克服了磁致伸缩式制动器的机械性能差的问题。

Description

一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器
技术领域
本发明涉及车用盘式制动器，更具体地说是一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器。
背景技术
汽车作为人们出行代步最重要的交通工具之一，在迅速发展的同时，节能、安全始终是不变的话题，也是大家关注点与从事汽车行业的研究重点，尤其是随着资源逐渐短缺，以及人们生活水平的逐步提高，节能、安全这两大课题研究尤显重要。制动系统作为汽车四大系统之一，对于汽车行驶安全性起着尤为重要的作用。目前，汽车制动器除了传统的气动和液压制动外，新型的线控制动也正在迅速发展。
目前绝大多数汽车上采用的是传统的液压盘式制动器，车辆需要制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动主缸内产生相应的制动压力，通过制动管道传递，再经由各个制动分泵，使相对应的制动钳内产生压力，推动活塞和摩擦片，进而挤压制动盘产生摩擦力来实现车辆的制动，进一步地配合相应的电子器件来实现ABS系统(Anti-Brake System,ABS)，驱动防滑系统(Acceleration Slip Regulation,ASR)，和电子制动力分配系统(ElectricBrake-force Distribution,EBD)，等制动辅助功能。但是，传统的制动系统存在以下几个问题。第一，无论是气动还是液压都无法避免复杂的管道和众多阀类元件，由于管道较长，压力传递慢，容易产生制动滞后现象，从而导致制动距离增加，极大地影响车辆安全性；第二，复杂的管道和阀类元件使得制动系统的成本增加；第三，复杂的管道和阀类元件也使得制动系统更增加了重量，研究表明汽车质量增加10％，油耗增加6％-8％。传统的制动系统无疑对节能减排的目的是不利的；第四，传统的液压制动管路中存在液压油泄露的问题，对环境造成污染。
近几年，线控技术的发展也给制动系统带来了本质上的变化，新型的线控制动能成功解决一部分传统制动避免不了的问题。但是，目前的线控制动器仍然存在一些问题：第一，目前线控制动系统的制动器大多采用电机作为驱动器，车辆制动时，需要提供足够大的制动力，在有限的空间内，作为驱动器的电机功率也被限制，那么这时要产生更大的制动力，就要求减速机构的减速比要更大，通过减速增扭来达到要求的制动力，过大的减速比所带来的负面影响是，从电机开始旋转，通过中间的传递机构推动活塞克服制动间隙，制动力开始起作用再到制动力达到最大，这个过程的响应会出现更加明显的滞后现象；第二，在ABS发挥作用过程中，减压、保压、增压的过程都是在极短的时间内完成，而电机线控制动器中电机到活塞的作用需要经过机械传动机构，所以ABS每个阶段的精准度很难得到保证，给车辆行驶带来安全隐患；第三，现有的电机型线控制动器在制动时存在电机堵转的问题，尤其在长距离制动时，堵转问题尤为明显；第四，线控制动除了采用电机作为驱动器以外，智能材料也能起到替代电机的作用，以材料机械性能较好的磁致伸缩材料为例，目前已有关于磁致伸缩制动器的研究，以磁致伸缩棒作为制动器的驱动器，它的响应时间极短，但磁致伸缩材料本身伸缩率小，用于制动时需要配备专门的位移放大机构，增加了制动器结构的复杂程度，而且如果要产生足够大的制动力，需要足够量的磁致伸缩材料，增加了生产成本。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术所存在的不足，提供一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，以简化制动系统，增强制动安全性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点是由电机、传动机构、磁致伸缩驱动活塞机构和浮动钳盘式机构组成；所述传动机构由行星轮系和螺纹丝杆构成，利用电机进行驱动，经行星轮系和螺纹丝杆的传动，实现套筒的直线移动；利用所述套筒带动可轴向伸缩的磁致伸缩驱动活塞机构中的活塞头直线移动，由所述活塞头推动所述浮动钳盘式机构中的制动板实现制动。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：所述电机包括定子和转子；所述行星轮系中的外齿圈与电机的转子固定连接，由电机驱动转动，所述行星轮系中的行星架与中心轮以及螺纹丝杆中的丝杆同轴装配；所述丝杆在一端通过键连接的方式装配在行星架上，丝杆螺母与丝杆螺纹配合，套装在丝杆螺母上的套筒的尾端通过螺栓与丝杆螺母固定连接，使套筒能够直线移动。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：所述磁致伸缩驱动活塞机构中的活塞头通过螺纹连接在推杆的输出端，压盖通过螺纹连接在活塞体的前端，复位预压弹簧将推杆压紧在磁致伸缩棒的前端；所述活塞体的尾端连接在套筒的前端，利用套筒带动活塞体的直线移动；在所述磁致伸缩棒的外围利用线圈骨架设置线圈，通电的线圈产生磁场并作用于磁致伸缩棒形成轴向伸缩。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：所述浮动钳盘式机构是在钳体的左钳臂的内侧固定设置左制动块，在制动板的左侧固定设置右制动块，利用左制动块和右制动块实现对制动盘的钳制；所述制动板在右侧与活塞头的前端面呈“T”形连接，由所述活塞头带动制动板推动右制动块实现制动。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：在所述钳体中设置贯穿制动板的导向杆，所述制动板在所述导向杆上获得导向。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：在所述磁致伸缩棒的另外一端安装有预紧力螺栓，用于调整磁致伸缩棒的初始位置。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：设置所述制动器的控制方式为：在车辆开始制动时，是由电机和磁致伸缩驱动活塞机构协同工作，右制动块克服阻力和制动间隙，将制动盘压紧在左制动块上，当制动力达到设定值时，切断对电机供电，螺纹丝杆投入自锁；此时，若车轮趋近抱死，线圈通入小电流进入ABS的减压阶段；若车轮处于最佳制动状态，进入ABS的保压阶段；若车轮制动力不足，线圈通大电流，进入ABS的增压阶段；制动阶段结束时，电机通入反向电流，同时切断磁致伸缩活塞中线圈的电流，活塞复位。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：采用滚珠丝杆代替所述螺纹丝杆，并在所述滚珠丝杆上设置由棘轮和棘爪构成的止回结构。
本发明电机联合磁致伸缩作用的线控制动器的结构特点也在于：采用滚珠丝杆代替所述螺纹丝杆，并在所述滚珠丝杆与行星轮架的输出端之间设置离合器。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明以电机联合磁致伸缩材料实现的线控制动器能解决传统气动或液压制动响应慢所带来的安全性问题、复杂的管道增加整车重量所带来的燃油经济性的问题以及液压制动系统中液压油泄露所带来的问题，很大程度上简化了制动系统，增强了制动安全性。
2、本发明采用电机和磁致伸缩活塞驱动机构共同作为制动器的驱动机构，两者协同联合作用，能避开电机制动器响应慢以及ABS精准度差的问题，同时弥补现有磁致伸缩制动器驱动位移过小、达不到制动间隙要求的不足。
3、本发明在电机与磁致伸缩活塞驱动机构之间安装有自锁功能的螺纹丝杆运动转换机构，电机与磁致伸缩进行联合驱动，这样在制动力达到设定值时，就可以切断电机电流，只让磁致伸缩活塞起作用，能够在保证不影响制动ABS以及其他制动辅助功能的情况下，防止电机堵转所带来的不良后果。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中A的局部放大图示意图；
图3为本发明另一实施方式结构示意图；
图4为本发明又一实施方式结构示意图；
图5为基于本发明应用于汽车ABS制动系统方框图；
图6为图5所述系统的电路组成方框图；
图7为本发明应用于汽车制动系统中采用模糊控制方式的ABS系统仿真框图；
图8为本发明应用于汽车制动系统中采用逻辑门限法的ABS制动控制流程图。
图中标号：1定子，2转子，3外齿圈，4行星轮，5中心轮，6行星架，7a丝杆，7b丝杆螺母，8套筒，9磁致伸缩驱动活塞机构，10钳体，11导向杆，12制动板，13右制动块，14制动盘，15左制动块，16活塞头，17压盖，18活塞体，19线圈，20线圈骨架，21出线孔，22预紧力螺栓，23磁致伸缩棒，24推杆，25复位预压弹簧，26滚珠丝杆，27棘轮，28棘爪，29离合器，30轮速传感器，31线控制动器，32电子制动踏板，33转角传感器，34为ABS指示灯，35驻车制动指示灯，36点火开关，37蓄电池。
具体实施方案
参见图1和图2，本实施例中电机联合磁致伸缩作用的线控制动器是由电机、传动机构、磁致伸缩驱动活塞机构和浮动钳盘式机构组成。
如图1所示，电机包括定子1和转子2；传动机构是由行星轮系和螺纹丝杆构成，行星轮系包括外齿圈3、行星轮4、中心轮5以及行星架6，其中，外齿圈3与电机的转子2固定连接，由电机驱动转动，行星轮系中的行星架6与中心轮5以及螺丝丝杆中的丝杆7a同轴装配；丝杆7a在一端通过键连接的方式装配在行星架6上，丝杆螺母7b与丝杆7a螺纹配合，套装在丝杆螺母7b上的套筒8的尾端通过螺栓与丝杆螺母7b固定连接，利用电机进行驱动，经行星轮系和螺丝丝杆的传动，实现套筒8的直线移动。
如图1和图2所示，磁致伸缩驱动活塞机构9中的活塞头16通过螺纹连接在推杆24的输出端，压盖17通过螺纹连接在活塞体18的前端，复位预压弹簧25将推杆24压紧在磁致伸缩棒23的前端，在磁致伸缩棒23的另外一端安装有预紧力螺栓22，用于调整磁致伸缩棒23的初始位置；活塞体18的尾端连接在套筒8的前端，并设置出线孔21用于走线，利用套筒8带动活塞体18的直线移动；在磁致伸缩棒23的外围利用线圈骨架20设置线圈16，通电的线圈19产生磁场并作用于磁致伸缩棒23形成轴向伸缩。
如图1所示，浮动钳盘式机构是在钳体10的左钳臂的内侧固定设置左制动块15，在制动板12的左侧固定设置右制动块13，利用左制动块15和右制动块13实现对制动盘14的钳制；制动板12在右侧与活塞头16的前端面呈“T”形连接，由活塞头16带动制动板12推动右制动块13实现制动；在钳体10中设置贯穿制动板12的导向杆11，制动板12在导向杆11上获得导向。
本实施例中制动器是以电机驱动实现制动过程的粗调，利用对线圈19的电流的控制通过磁致伸缩棒23实现制动过程的精调。
电机转动通过行星轮系带动丝杆转动，通过丝杆螺母推动套筒向左平动，当制动力达到设定值，套筒运动到相应位置时，利用螺纹丝杆的反向锁止功能阻止套筒推动丝杆反向转动，这一反向锁止功能也能采用实现同样功能的止回机构进行替代；磁致伸缩驱动活塞机构通过传动机构与电机输出端连接，推动制动块压紧制动板以达到制动减速的目的。
设置制动器的控制方式为：在车辆开始制动时，是由电机和磁致伸缩驱动活塞机构9协同工作，右制动块13克服阻力和制动间隙，将制动盘14压紧在左制动块15上，当制动力达到设定值时，切断对电机供电，螺纹丝杆投入自锁；此时，若车轮趋近抱死，线圈19通入小电流进入ABS的减压阶段；若车轮处于最佳制动状态，进入ABS的保压阶段；若车轮制动力不足，线圈19通大电流，进入ABS的增压阶段；制动阶段结束时，电机通入反向电流，同时切断磁致伸缩活塞中线圈19的电流，活塞复位。
图3示出了本发明另一种实施方式，采用滚珠丝杆26代替图1所示结构中的螺纹丝杆，并在滚珠丝杆26上设置由棘轮27和棘爪28构成的止回结构；滚珠丝杆具有更高的传递效率，但不具有自锁功能，因此必须搭载锁死装置一起工作，车辆开始制动时，电机和磁致伸缩活塞一起协同工作，使得右制动块13在最短的时间内克服阻力和制动间隙，将制动盘14压紧在左制动块15上，当制动力达到设定值时，切断对电机供电，同时让棘轮17和棘爪28发挥止回作用，防止在制动力反力的作用下套筒推动丝杆反向转动，同时判断车轮抱死状况，若车轮趋近抱死，线圈19通小电流或者不通电，进入ABS的减压阶段，若车轮处于最佳制动状态，进入ABS的保压阶段，若车轮制动力不足，线圈19通大电流，进入ABS的增压阶段。一个制动阶段结束时，首先解除棘轮棘爪的锁死作用，同时切断磁致伸缩活塞中线圈19的电流，电机通反向电流，活塞复位。
图3所示结构中由棘轮27和棘爪28构成的止回结构也可以采用图4所示的由离合器29进行替代，在长距离制动时，活塞保持不动的情况下，由于离合器29的存在，电机不会发生堵转。车辆开始制动时，电机和磁致伸缩活塞协同工作，右制动块13克服阻力和制动间隙，将制动盘14压紧在左制动块15上，当制动力达到离合器所能传递的力的极限时，电机保持转动，此时磁致伸缩活塞发挥ABS作用，同时判断车轮抱死状况，若车轮趋近抱死，线圈19通小电流或者不通电，进入ABS的减压阶段，若车轮处于最佳制动状态，进入ABS的保压阶段，若车轮制动力不足，线圈19通大电流，进入ABS的增压阶段。一个制动阶段结束时，切断磁致伸缩活塞中线圈19的电流，电机通反向电流，活塞复位。
图5所示为本发明应用于汽车ABS制动系统的简图，整套系统包括ABS电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、轮速传感器30、线控制动器31、电子制动踏板32和转角传感器33；ECU接收转角传感器33所传递的电子制动踏板32所转过的角度以及轮速传感器30所传递的车轮转速情况，再经过处理判断车辆制动状况，发出相应的指令控制线控制动器31工作，图5中还包括ABS指示灯34、驻车制动指示灯35、点火开关36和蓄电池37；本套线控制动系统的核心在于ECU对信号的接收和处理，以及制动器对ECU所发出的命令的执行，整套系统避免了传统液压制动系统制动主缸和分缸，复杂的管道以及制动ABS所需要的各种阀类元件等，使得系统大大简化。
图6所示为图5相对应的电路组成框图，整套电路系统主要由主控CPU、辅控CPU、稳压模块电路、电机驱动模块电路、磁致伸缩驱动模块电路、止回装置驱动模块和信号处理模块电路元件以及安全保护电路等组成，若传递机构用螺纹丝杆结构替代，则不需要止回装置驱动模块，若传递机构的止回装置用离合器替代，则需要将止回装置驱动模块替换成离合器控制模块。ABS ECU的两个CPU接收同样的输入信号，通过通信对两个微处理器的处理结果进行比较，如果两个微处理器处理的结果不一致，微处理器立即发出控制指令使ABS退出工作，防止系统发生逻辑错误。辅控CPU接收信号，并将信号进行处理，主控CPU接收来至辅控CPU处理过的信号，并向对应的驱动模块电路发出相应的指令。驱动电路主要功能是将CPU输出的数字信号进行功率放大并驱动执行元件(本发明中为电机和磁致伸缩棒)工作，实现车辆制动以及制动压力的“降低”、“保持”或“升高”的调节功能。
图7所示为本发明应用于汽车制动系统中采用模糊控制方式的ABS系统仿真框图，该模糊控制基于滑移率，采用双输入单输出型，以滑移率误差e及滑移率误差变化率de/dt作为输入量，经模糊计算得到输出量u作为制动器中磁致伸缩棒线圈的电流调节值，把车辆的滑移率S控制在理想滑移率附近。其中，滑移率误差e为期望滑移率S0和实测滑移率S之差，滑移率误差de/dt为e的一阶导数。
图8所示为本发明应用于汽车制动系统中采用逻辑门限法的ABS制动控制流程图。车辆开始制动时，电机和磁致伸缩活塞协同工作，使得制动块在最短的时间内克服阻力和制动间隙，当制动力达到设定值时，切断对电机供电，仅通过调节线圈19的电流值，控制磁致伸缩活塞9，实现ABS制动作用。如图8所示，在ABS制动初始阶段，线圈19输入电流增大，车轮制动压力升高，在第①阶段末，车轮加速度达到设定的门限值-a，线圈19输入电流保持不变，以使车轮充分制动，控制过程进入第②阶段。此时尚不需要减小线圈电流，直到滑移率大于参考滑移率门限S0,减小线圈19输入电流，控制过程进入阶段③。由于减小线圈19输入电流，制动压力降低，车轮在汽车惯性的作用下加速，车轮减速度开始回升，当车轮加速度高于门限值-a时，线圈19输入电流保持不变，控制进入阶段④。在这段时间内，由于制动系统的惯性作用，车轮继续加速，直到加速度超过门限值a，线圈19输入电流保持不变，在第④阶段结束时，车轮加速度若超过设定的较大加速度门限值A(A>a)，线圈19输入电流加大，直到加速度低于门限值A，再保持线圈19输入电流不变至低于门限值a；在第4阶段结束时，若车轮加速度低于门限值a，说明车轮处于附着系数-滑移率曲线的稳定区。因此，在第⑤阶段，线圈19输入电流采用增加和保持不变的方式不断切换，直到车轮加速度再次低于门限值-a。以上为ABS第一个循环结束，进入下一循环的ABS制动。

Claims (9)

1.一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是由电机、传动机构、磁致伸缩驱动活塞机构和浮动钳盘式机构组成；所述传动机构由行星轮系和螺纹丝杆构成，利用电机进行驱动，经行星轮系和螺纹丝杆的传动，实现套筒的直线移动；利用所述套筒带动可轴向伸缩的磁致伸缩驱动活塞机构中的活塞头直线移动，由所述活塞头推动所述浮动钳盘式机构中的制动板实现制动。
2.根据权利要求1所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：所述电机包括定子(1)和转子(2)；所述行星轮系中的外齿圈(3)与电机的转子(2)固定连接，由电机驱动转动，所述行星轮系中的行星架(6)与中心轮(5)以及螺纹丝杆中的丝杆(7a)同轴装配；所述丝杆(7a)在一端通过键连接的方式装配在行星架(6)上，丝杆螺母(7b)与丝杆(7a)螺纹配合，套装在丝杆螺母(7b)上的套筒(8)的尾端通过螺栓与丝杆螺母(7b)固定连接，使套筒(8)能够直线移动。
3.根据权利要求1和2所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：所述磁致伸缩驱动活塞机构(9)中的活塞头(16)通过螺纹连接在推杆(24)的输出端，压盖(17)通过螺纹连接在活塞体(18)的前端，复位预压弹簧(25)将推杆(24)压紧在磁致伸缩棒(23)的前端；所述活塞体(18)的尾端连接在套筒(8)的前端，利用套筒(8)带动活塞体(18)的直线移动；在所述磁致伸缩棒(23)的外围利用线圈骨架(20)设置线圈(19)，通电的线圈(19)产生磁场并作用于磁致伸缩棒(23)形成轴向伸缩。
4.根据权利要求1和3所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：所述浮动钳盘式机构是在钳体(10)的左钳臂的内侧固定设置左制动块(15)，在制动板(12)的左侧固定设置右制动块(13)，利用左制动块(15)和右制动块(13)实现对制动盘(14)的钳制；所述制动板(12)在右侧与活塞头(16)的前端面呈“T”形连接，由所述活塞头(16)带动制动板(12)推动右制动块(13)实现制动。
5.根据权利要求1和4所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：在所述钳体(10)中设置贯穿制动板(12)的导向杆(11)，所述制动板(12)在所述导向杆(11)上获得导向。
6.根据权利要求1和3所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：在所述磁致伸缩棒(23)的另外一端安装有预紧力螺栓(22)，用于调整磁致伸缩棒(23)的初始位置。
7.根据权利要求1和3所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：设置所述制动器的控制方式为：在车辆开始制动时，是由电机和磁致伸缩驱动活塞机构(9)协同工作，右制动块(13)克服阻力和制动间隙，将制动盘(14)压紧在左制动块(15)上，当制动力达到设定值时，切断对电机供电，螺纹丝杆投入自锁；此时，若车轮趋近抱死，线圈(19)通入小电流进入ABS的减压阶段；若车轮处于最佳制动状态，进入ABS的保压阶段；若车轮制动力不足，线圈(19)通大电流，进入ABS的增压阶段；制动阶段结束时，电机通入反向电流，同时切断磁致伸缩活塞中线圈(19)的电流，活塞复位。
8.根据权利要求1所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：采用滚珠丝杆(26)代替所述螺纹丝杆，并在所述滚珠丝杆(26)上设置由棘轮(27)和棘爪(28)构成的止回结构。
9.根据权利要求1所述的电机联合磁致伸缩作用的线控制动器，其特征是：采用滚珠丝杆(26)代替所述螺纹丝杆，并在所述滚珠丝杆(26)与行星轮架(6)的输出端之间设置离合器(29)。
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