CN107089225A - 一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带扭矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，包括竖直布置的蜗轮蜗杆传动部、设于所述蜗轮蜗杆传动部下端的助力部、设于所述蜗轮蜗杆传动部上端的推杆部和设于所述蜗杆输入端的助力电机。本发明利用电驱动装置取代了真空助力器，结构简单紧凑、安装方便，无需真空源，噪声低；驱动装置能够根据转矩传感器、踏板位置传感器以及整车其他信号，通过软件非常容易的匹配电机助力大小，对于不同的车型及不同的驾驶模式，调整比较方便；制动效能显著改善，制动过程安全可靠；该装置模块化程度高，利于平台化生产；能够实现制动踏板的位置伺服，能够为辅助驾驶提供制动系统的执行器，也可以配合实现主动制动或自动驾驶。
Description
技术领域
本发明属于汽车底盘技术制动领域，具体涉及一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置。
背景技术
汽车的制动系统中对于驾驶员制动的需求，一般需要通过真空助力器进行放大，推动制动主缸活塞进而将制动力通过液压管路传递到各个车轮刹车片。其中真空助力器作为一个关键零部件结构复杂，占用空间大，真空源一般由发动机进气歧管产生。在环境和能源的双重压力下，电动汽车的发展成为必然，各个系统零部件的电动化和智能化是电动汽车能够发展的前提。因此电动车制动系统也需要进行电动化设计，目前的技术方案是由电机带动真空泵为真空助力器提供真空源。但是这种方案存在诸多的缺点，一方面，方案结构复杂包括真空泵、真空助力器及制动系统本体等诸多零部件，对于系统的布置和可靠性提供了挑战，成本也相对较高；另一方面，系统耗能较大，电能需要转化为压力才能实现对制动系统的助力，并且在此过程中，管路中需要维持一定的压力，电动真空泵的噪音明显。
事实上，真空助力器的作用目的是对驾驶员制动力的助力，这一点和转向系统的所需要的助力思路相类似，转向系统已经实现了电动助力的普及，借鉴电动转向系统的结构和控制方法来开发制动系统的驱动装置具有很好的实现性。
针对以上问题，本发明设计了一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置方案，提供一种真空助力器的替代装置，能够提高制动系统的性能和节能性，特别是对于驾驶员踏板力的采集上采用转矩传感器的方式，本发明能够支持基于力伺服的常规助力制动和基于位置伺服的智能制动两种模式，对于底盘系统的集成设计以及自动驾驶提供了良好的制动系统执行机构的解决方案，其技术对于制动系统的电动化和智能化具有良好应用前景和市场化前景。
发明内容
本发明的目的在于研发一种能够在传统车特别是电动车上能够替代制动系统中真空助力器而为驾驶员提供制动助力，而且能够用在辅助驾驶或无人驾驶中提供主动制动的电动伺服驱动装置。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，所述装置包括竖直布置的蜗轮蜗杆传动部、设于所述蜗轮蜗杆传动部下端的助力部、设于所述蜗轮蜗杆传动部上端的推杆部和设于所述蜗杆输入端的助力电机；所述蜗轮蜗杆部包覆在助力壳体内，所述助力壳体由转矩传感器壳体扣合，助力壳体和转矩传感器壳体沿其竖直轴向上从上至下依次穿设有第一级齿轮、转矩传感器、阀芯、扭杆、阀套、蜗轮和助力小齿轮；所述助力部包括部分穿过所述主壳体的助力壳体，所述助力壳体内设有水平布置且与所述助力小齿轮啮合的助力齿条，所述助力齿条的两端分别设有齿条回位弹簧支撑板和第一滑动轴承，所述第一滑动轴承上套设有第一卡簧；所述齿条回位弹簧支撑板相对于所述助力齿条的另一侧设有制动主缸，所述制动主缸上设有制动油罐；所述推杆部包括部分穿过所述主壳体的推杆壳体，所述推杆壳体内设有与所述助力齿条平行布置且与所述第一级齿轮啮合的第一级齿条，所述第一级齿条的两端分别设有第二滑动轴承和第一级齿条回位弹簧，所述第二滑动轴承外侧同轴的扭矩传感器壳体内孔套接有第二卡簧；所述助力电机的输出轴设有蜗杆，所述蜗杆水平且与所述第一级齿条垂直布置，所述蜗杆与蜗轮啮合，所述蜗杆的末端设有蜗杆支撑轴承，所述蜗杆与所述蜗杆支撑轴承之间设有蜗杆支撑环。
进一步地，所述转矩传感器外设有转矩传感器壳体，所述转矩传感器包括内芯和外环，所述内芯与所述阀芯固定连接，所述转矩传感器的外环与所述阀套固定连接，所述阀芯和所述阀套之间通过所述扭杆相连。
进一步地，所述装置还包括用于测量踏板深度的踏板位置传感器，保证装置能够实时的检测驾驶者的制动情况，并在辅助驾驶或自动驾驶等需要主动制动的工况下测量电伺服驱动装置的执行情况。
进一步地，所述踏板位置传感器安装于所述助力小齿轮的下端，直接测量蜗轮的转角，转角的大小即反映了踏板的深度大小。
进一步地，所述转矩传感器外设有霍尔元件，借鉴转向中常用的力矩方式，对扭杆直径、长度等进行匹配以适应制动系统中驾驶员踏板力的变化范围，力矩测量采用非接触式霍尔传感器的方式，将扭杆受力产生的变化由霍尔元件感知转化为电信号送给控制器。
进一步地，所述第一级齿轮的上方穿设有第一级齿轮支撑轴承，所述助力小齿轮的下方穿设有助力小齿轮支撑轴承。
进一步地，所述制动主缸的制动主缸推杆指向所述回位弹簧支撑板且环绕设有第二级齿条回位弹簧，所述第二级齿条回位弹簧的两端分别设于所述制动主缸和所述齿条回位弹簧支撑板上。
进一步地，所述制动推杆上成型有凸起，所述制动推杆位于所述凸起靠近所述第一级齿条的部分套设有制动推杆回位弹簧，所述第一级齿条位于所述凸起外侧的内孔套设有第三卡簧。
进一步地，所述第二滑动轴承内穿设有制动推杆，所述第一级齿条回位弹簧远离所述制动推杆的一端设有第三滑动轴承。
具体而言，电动装置放在制动主缸的输入端，踏板位置传感器用于采集踏板的深度，扭矩传感器用于采集由制动推杆传递来的并经过齿轮齿条传动副转化为的力矩大小，该力矩直接反映了驾驶员脚上的制动力大小。两个传感器的信号传递给制动助力ECU，该控制单元根据扭矩传感器检测到的制动力大小按照给定的助力特性曲线控制电机的电流，进而控制电机的助力大小，电机经蜗轮蜗杆副和齿轮齿条副将电机机械扭矩放大传递到制动主缸推杆上，实现制动工况下的推力。
所述踏板位置传感器可以有多种安装形式：①可以安装在制动踏板的踏板轴上；②可以安装在助力小齿轮的下端的位置上；③还可以直接和扭矩传感器集成在一起，即采用集成式复合传感器的形式同时测量扭矩和转角，转角的大小就反映了踏板的深度大小。
该装置有常规助力制动模式和智能制动模式两种工作模式：
常规助力模式下，当驾驶员踩下制动踏板时，推杆回位弹簧压缩，开始制动时在助力死区内电机不助力。踏板力继续增加，推杆前部抵靠在第一级齿条上推动齿条前移，制动力经齿轮齿条传动副转变为转矩由扭矩传感器测量，并将此信号传递给制动助力ECU，ECU根据助力特性曲线计算电机需要提供的助力电流，电机的力矩经过蜗轮蜗杆传动副放大叠加到齿轮轴上，下小齿轮推动第二级齿条，当齿条推杆和主缸推杆之间的间隙消除后，该力最终推动主缸推杆进而将主缸中的推力以液压力的形式传递到各个车轮的制动缸中执行车轮制动动作。当驾驶员脚掌松开或离开制动踏板时，制动踏板深度在制动推杆回位弹簧的作用下迅速减小，踏板位置传感器将这一信号送至ECU中，同时转矩传感器的力矩值也随之减小，ECU从而确定该工况为制动回程，电机助力迅速减小。各级齿条在齿条回位弹簧的作用下进一步回位，最终踏板回到原位。
常规制动模式下，控制策略是基于制动力执行对电流的闭环，可以分为上下两层控制，上层是目标电流决策，根据扭矩传感器和其他相关信号的值计算出期望的目标电流；下层是电流的伺服控制，ECU检测电机的实际Iq电流，与期望目标电流相比较形成一定的电流差，根据电流PID控制器给电机一定的电压。考虑不同车辆的不同制动需求可以对于制动力和所对应的电机电流进行匹配与标定，进一步优化系统特性。
智能制动模式下，对于制动系统整车控制器给定期望的制动踏板深度指令，电机根据深度大小提供相应的制动力以达到期望的目标深度完成车轮制动，实际上是对于制动踏板位置的伺服控制器。
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，利用电驱动装置取代了真空助力器，结构简单紧凑、安装方便，无需真空源，噪声低；驱动装置能够根据转矩传感器、踏板位置传感器以及整车其他信号，通过软件非常容易的匹配电机助力大小，对于不同的车型及不同的驾驶模式，调整比较方便；制动效能显著改善，制动过程安全可靠；该装置模块化程度高，利于平台化生产；能够实现制动踏板的位置伺服，能够为辅助驾驶提供制动系统的执行器，也可以配合实现主动制动或自动驾驶。
附图说明
图1是本制动系统的电伺服驱动装置的原理框图；
图2是本制动系统的电伺服驱动装置的主视图；
图3是本制动系统的电伺服驱动装置的俯视图；
图4是本制动系统的电伺服驱动装置的轴侧视图；
图5是本制动系统的电伺服驱动装置的爆炸视图；
图6是本制动系统的电伺服驱动装置的沿A-A面的剖视图。
附图序号及名称：1、制动油罐，2、制动主缸，3、助力壳体，4、转矩传感器壳体，5、制动推杆，6、助力电机，7、内六角螺栓，8、第二级齿条回位弹簧，9、制动主缸推杆，10、盘头螺栓，11、踏板位置传感器，12、助力小齿轮，13、齿条回位弹簧支撑板，14、蜗杆支撑轴承，15、蜗杆支撑环，16、助力小齿轮支撑轴承，17、助力齿条，18、第一滑动轴承，19、第一卡簧，20、压块，21、压紧弹簧，22、锁紧螺母，23、压紧螺栓，24、第三卡簧，25、制动推杆回位弹簧，26、第二卡簧，27、第二滑动轴承，28、第一级齿条，29、第一级齿轮，30、第一级齿轮支撑轴承，31、蜗杆，32、蜗轮，33、转矩传感器，34、第三滑动轴承，35、第一级齿条回位弹簧，36、扭杆，37、阀芯，38、阀套。
具体实施方式
为详细说明本发明之技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上端”、“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示的原理框图，表达了制动装置各部分的结构原理，力的传递路线用实线箭头表示，信号用虚线箭头表示。制动踏板上的力经过两级齿轮齿条传动副传递到制动主缸，而电机助力经过蜗轮蜗杆传动副和一级齿轮齿条传动副传递到制动主缸。
结合图2至图5所示，为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，包括竖直布置的蜗轮蜗杆传动部、设于蜗轮蜗杆传动部下端的助力部、设于蜗轮蜗杆传动部上端的推杆部和设于助力部和推杆部之间的助力电机6；
蜗轮蜗杆部包括助力壳体3，从上至下依次穿设有第一级齿轮支撑轴承30、第一级齿轮29、转矩传感器33、蜗轮32、助力小齿轮12和助力小齿轮支撑轴承16；助力小齿轮的下端安装有踏板位置传感器，通过测量主轴的转角来判断踏板的深度大小。助力部包括部分穿过所述主壳体的助力壳体3，助力壳体3内设有水平布置且与助力小齿轮12啮合的助力齿条17，助力齿条17的两端分别设有齿条回位弹簧支撑板13和第一滑动轴承18；齿条回位弹簧支撑板13相对于助力齿条17的另一侧设有制动主缸2，制动主缸2的制动主缸推杆9指向回位弹簧支撑板13且环绕设有第二级齿条回位弹簧8，第二级齿条回位弹簧8的两端分别与制动主缸2和齿条回位弹簧支撑板13上。推杆部包括部分穿过主壳体的推杆壳体，推杆壳体内设有与助力齿条17平行布置且与第一级齿轮29啮合的第一级齿条28，第一级齿条28的两端分别设有第二滑动轴承27和第一级齿条回位弹簧35，所述第二滑动轴承27外侧同轴的扭矩传感器壳体内孔套接有第二卡簧26；第二滑动轴承27内穿设有制动推杆5，制动推杆5上成型有凸起，制动推杆5位于凸起靠近第一级齿条28的部分套设有制动推杆回位弹簧25，所述第一级齿条28位于所述凸起外侧的内孔套设有第三卡簧24；第一级齿条回位弹簧35远离制动推杆5的一端设有第三滑动轴承34。助力电机6部分穿过主壳体，助力电机6的输出轴设有蜗杆31，蜗杆31水平且与第一级齿条28垂直布置，蜗杆31与蜗轮32啮合，蜗杆31的末端设有蜗杆支撑轴承14，蜗杆31与蜗杆支撑轴承14之间设有蜗杆支撑环15。
当驾驶员踩下制动踏板时，一方面踏板位置传感器11采集到踏板的转角给控制器；另一方面，制动推杆5受到驾驶员的脚力，将制动推杆回位弹簧24压缩，踏板深度继续增加，制动推杆5前部抵靠在第一级齿条28上，转化为第一级齿轮29所在轴的力矩，第一级齿轮29和助力小齿轮12之间通过扭杆相连，将转矩大小转变成扭杆两端的转角大小，通过转矩传感器33采集。
参阅图2、图3和图5所示，电动制动装置电机6提供电动助力，经蜗杆31、蜗轮32组成的蜗轮蜗杆传动副，再经由助力小齿轮轴12、助力齿条17组成的齿轮齿条传动副，将力传递到制动主缸推杆9上，完成对制动主缸的推力，进而将主缸中的推力以液压力的形式传递到各个车轮的制动缸中执行车轮制动动作。
当驾驶员脚掌松开或离开制动踏板时，制动踏板深度在制动推杆回位弹簧25的作用下迅速减小，转矩传感器33的值也减小，这两个信号送至控制器中，电机的制动助力随之迅速减小。助力齿条17在第二级齿条回位弹簧8的作用下回位，第一级齿条28在第一级齿条回位弹簧35的作用下回位，在三根回位弹簧的作用下，踏板回到原位。
图6为沿图2上A-A面的剖切视图，其展示了第一级齿条28和第一级齿轮29、助力小齿轮12和助力齿条17之间的啮合关系，蜗轮32的位置，压块20、压紧弹簧21、压紧螺栓23组成的压紧机构的具体结构。尤其表现了转矩传感器33的具体结构，转矩传感器33的内芯是经过充磁的磁环和阀芯37固连，转矩传感器33的外环是导磁材料，将磁场导向霍尔元件，导磁材料与阀套38固连，当内芯和外环的相对转角发生微小变化时，对应的磁场强度发生变化，这种变化被霍尔元件感知转化为电信号送给控制器。阀芯37和阀套38之间通过扭杆36相连，当力矩作用于扭杆36上时，扭杆36受力发生形变阀芯37和阀套38之间发生相对转角，即转矩传感器的内芯和外环之间发生的转角实际上反映了力矩的大小。
综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (9)
1.一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述装置包括竖直布置的蜗轮蜗杆传动部、设于所述蜗轮蜗杆传动部下端的助力部、设于所述蜗轮蜗杆传动部上端的推杆部和设于所述蜗杆(31)输入端的助力电机(6)；
所述蜗轮蜗杆部包覆在助力壳体(3)内，所述助力壳体(3)由转矩传感器壳体(4)扣合，助力壳体(3)和转矩传感器壳体(4)沿其竖直轴向上从上至下依次穿设有第一级齿轮(29)、转矩传感器(33)、阀芯(37)、扭杆(36)、阀套(38)、蜗轮(32)和助力小齿轮(12)；
所述助力部包括部分穿过所述主壳体的助力壳体(3)，所述助力壳体(3)内设有水平布置且与所述助力小齿轮(12)啮合的助力齿条(17)，所述助力齿条(17)的两端分别设有齿条回位弹簧支撑板(13)和第一滑动轴承(18)，所述第一滑动轴承(18)上套设有第一卡簧(19)；所述齿条回位弹簧支撑板(13)相对于所述助力齿条(17)的另一侧设有制动主缸(2)，所述制动主缸(2)上设有制动油罐(1)；
所述推杆部包括部分穿过所述主壳体的推杆壳体，所述推杆壳体内设有与所述助力齿条(17)平行布置且与所述第一级齿轮(29)啮合的第一级齿条(28)，所述第一级齿条(28)的两端分别设有第二滑动轴承(27)和第一级齿条回位弹簧(35)，所述第二滑动轴承(27)外侧同轴的扭矩传感器壳体内孔套接有第二卡簧(26)；
所述助力电机(6)的输出轴设有蜗杆(31)，所述蜗杆(31)水平且与所述第一级齿条(28)垂直布置，所述蜗杆(31)与蜗轮(32)啮合，所述蜗杆(31)的末端设有蜗杆支撑轴承(14)，所述蜗杆(31)与所述蜗杆支撑轴承(14)之间设有蜗杆支撑环(15)。
2.根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述转矩传感器(33)外设有转矩传感器壳体(4)，所述转矩传感器(33)包括内芯和外环，所述内芯与所述阀芯(37)固定连接，所述转矩传感器(33)的外环与所述阀套(38)固定连接，所述阀芯(37)和所述阀套(38)之间通过所述扭杆(36)相连。
3.根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述装置还包括用于测量踏板深度的踏板位置传感器(11)。
4.根据权利要求2所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述踏板位置传感器(11)安装于所述助力小齿轮(12)的下端。
5.根据权利要求4所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述转矩传感器(33)外设有霍尔元件，所述霍尔元件用于感知扭杆(36)受力产生的形变并转化为电信号送给控制器。
6.根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述第一级齿轮(29)的上方穿设有第一级齿轮支撑轴承(30)，所述助力小齿轮(12)的下方穿设有助力小齿轮支撑轴承(16)。
7.根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述制动主缸(2)的制动主缸推杆(9)指向所述回位弹簧支撑板(13)且环绕设有第二级齿条回位弹簧(8)，所述第二级齿条回位弹簧(8)的两端分别设于所述制动主缸(2)和所述齿条回位弹簧支撑板(13)上。
8.根据权利要求1所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述制动推杆(5)上成型有凸起，所述制动推杆(5)位于所述凸起靠近所述第一级齿条(28)的部分套设有制动推杆回位弹簧(25)，所述第一级齿条(28)位于所述凸起外侧的内孔套设有第三卡簧(24)。
9.根据权利要求9所述的一种带转矩传感器的制动系统电伺服驱动装置，其特征在于：所述第二滑动轴承(27)内穿设有制动推杆(5)，所述第一级齿条回位弹簧(35)远离所述制动推杆(5)的一端设有第三滑动轴承(34)。
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