CN108443368B - 一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法。其中，所述伺服制动缸包括壳体、电动机、联轴器、由螺母和丝杠组成的滚珠丝杆总成、轴承、挡圈、活塞、缸体和回位弹簧；所述活塞的中心形成有内孔，所述内孔包括渐缩的第一圆锥面、圆柱面和渐扩的第二圆锥面，所述丝杆的左端沿轴向延伸依次形成渐缩的第三圆锥面、圆柱面、渐扩的第四圆锥面，所述第一圆锥面与第四圆锥面配合形成输出阀，所述第二圆锥面与第三圆锥面配合形成输入阀。本发明具有结构紧凑、控制灵活、制动响应快、制动压力控制精度高、失效防护能力可靠、制造成本低等优点，使智能驾驶汽车在制动时运动平稳性好，可靠性高。

Description

一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制 动方法

技术领域

本发明属于汽车制动系统技术领域，具体涉及一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法。

背景技术

近年来，智能汽车受到前所未有的关注和重视。世界汽车主要生产国甚至一些没有汽车工业的国家都把汽车的网联化和智能驾驶作为重要的战略方向加以规划和扶持。按照国际汽车工程师协会的划分，智能驾驶汽车被划分为五级，即驾驶辅助(1级)、部分自动化(2级)、有条件自动化(3级)、高度自动化(4级)和完全自动化(5级)。就制动系统而言，各个级别的智能驾驶都要求汽车具备自主制动功能，即在驾驶员未操控制动控制装置的情况下对全部或部分车轮实施制动。目前能够实施自主制动的装置主要包括电子液压制动(EHB)、电子机械制动(EMB)、电子稳定控制(ESC)的液压控制单元以及各类电液伺服制动系统等。

EHB一般采用高压储液罐作为供能装置，其压力由电动液压泵产生，必要时可以实施主动制动。制动时将高压储液罐的制动液导入主缸推动其活塞或直接输送给轮缸，依靠控制装置调节轮缸的制动压力。采用踏板行程模拟器为驾驶员提供制动踏板感觉(即通常所说的“路感”)，且具有人力备份制动的功能。当EHB系统失效时，使用备用的人力液压制动系统。此类制动系统因需要高压储液罐以及额外的备份液压系统，系统结构不是很紧凑。高压储液罐使制动系统能很快建立制动压力，可以缩短制动距离，但在发生碰撞等情况下可能导致高压泄漏威胁乘员安全，存在安全隐患。另外，用于高压储液罐的泵及其驱动电机即使在未制动时也需频繁工作，其使用寿命受到影响。

EMB的执行机构分散布置在各车轮附近，属于分布式制动系统的一种。分布式制动系统具有很多优点，被认为是下一代制动系统的发展方向。因所有车轮制动力可以独立控制和调节，分布式制动系统具有控制灵活、制动力控制精度高等优点；分布式制动系统的执行机构靠近车轮制动器，因此制动响应快且制动压力动态特性好；与传统的双回路制动系统相比，四轮独立制动的分布式制动系统相当于是一个“四回路”系统，进一步提高了系统的可靠性。EMB系统一般依靠控制装置控制电机带动减速增扭等转换机构，直接将制动器的制动块压靠在制动盘上产生制动力。因不需要制动液和液压管路，EMB系统具有制动器初始压力建立时间短、动态响应快等优点，甚至超过了依靠液压泵输出液压力的EHB。德国大陆特维斯公司、西门子公司和美国德尔福公司等全球各主要汽车零部件公司都相继研制出各自的EMB原型样机。此类制动系统需要复杂的机械转换结构才能产生制动力，虽然响应速度快，但失效防护能力难以获得汽车制造商的信赖。采用EMB后无法继续使用传统的制动器，需要重新开发新式的制动器以及使用高性能的电源，制造成本较高。由于这些原因，EMB迄今未在量产汽车上得到应用。

虽然装有驱动防滑控制(ASR)和基于差压制动的ESC汽车能够通过它们的液压控制单元(HCU)实施主动制动，但其压力建立时间相对较长，而且因其电磁阀不适宜长时间连续工作故难以满足智能驾驶汽车的自主制动需要。此类液压控制单元利用柱塞泵实施主动制动，工作时噪声较大是其另一个缺点。

可实施自主制动的电液伺服制动系统种类很多，如中国专利公告号CN203753122U公开了一种实现智能驾驶的自动液压制动系统，在制动主缸及ESC之HCU之间增加接受制动控制计算机控制的电磁阀组，该电磁阀组加装于原车辆液压制动系统后，满足人工驾驶和无人驾驶对制动的要求，且人力制动和自主制动两种状态可以切换。但是由于制动管路长，不利于快速建立制动压力、制动响应慢；在自主制动模式下该结构不支持缓慢泄压，电磁阀组无法实现压力跟随控制，因此制动系统的压力调节精度不高、车辆在自主制动时的运动平稳性较差。

除上述EMB外，分布式制动系统还包括分布式电液制动系统。中国专利公开号CN102700538A公开了一种汽车分布式电子液压制动系统，在其结构中设置了四组分布式电磁阀以及踏板行程模拟器，具有失效人力备份制动功能和制动模式重构功能。当系统所有车轮制动执行机构都不能提供制动液压的时候，所有电磁阀都保持断电状态，可由驾驶员实施人力备份制动；当系统仅部分车轮制动执行机构失效时，可对制动模式进行重构以实施对全部车轮的制动；系统正常工作时，制动踏板感觉由踏板行程模拟器提供，系统工作于线控模式。该系统的缺点主要包括：因采用了分布式多组电磁阀，结构复杂、成本高；正常工作时驾驶员的踏板力由踏板行程模拟器提供，踏板感觉不如常规制动系统。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题，本发明的一个目的是提出一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸；本发明的另一个目的是提出一种采用伺服制动缸的分布式复合制动系统；本发明的又一目的是提出一种采用伺服制动缸的分布式复合制动系统的制动方法，以解决自主驾驶模式下制动系统结构不紧凑、制动响应慢、制动压力控制精度低、制造成本高、失效防护能力不可靠等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸，包括壳体、电动机、联轴器、由螺母和丝杠组成的滚珠丝杆总成、轴承、挡圈、活塞、缸体和回位弹簧；

所述壳体的内部为圆柱形中空结构，包括内径依次增大的第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面，所述第一圆柱面上有一径向的进油口，第一圆柱面与第二圆柱面之间的内壁沿径向向内延伸形成第一凸台，所述第三圆柱面紧邻第二圆柱面处形成轴肩，所述挡圈安装在所述第三圆柱面上；所述壳体外侧靠近左端面处沿径向向外形成第二凸台；

所述电动机安装在所述壳体的右端面，所述滚珠丝杠总成通过两个轴承支撑在壳体内部，所述电动机的输出轴通过所述联轴器与所述滚珠丝杆总成联接，两个所述轴承分别通过壳体内部的轴肩和挡圈进行轴向定位；

所述缸体为右端开口的中空柱体，其右端面与所述第二凸台密封连接，在缸体下部靠近左端面处设置有出油口；

所述活塞安装于所述缸体的内孔中并能轴向滑动，在活塞外圆周环形槽中安装有用于单向密封的皮碗，所述活塞的中心形成有通孔，所述通孔包括渐缩的第一圆锥面、圆柱面和渐扩的第二圆锥面；所述活塞的左端面与缸体的内部形成出油腔，所述活塞的右端面在回位弹簧预压力作用下靠压在所述壳体的左端面；

所述丝杆的左端沿轴向延伸依次形成渐缩的第三圆锥面、圆柱面、渐扩的第四圆锥面，所述丝杆分别穿过第一凸台和活塞的通孔，所述第一圆锥面与第四圆锥面配合形成输出阀，所述第二圆锥面与第三圆锥面配合形成输入阀，所述回位弹簧安装在所述缸体内部左端面与丝杆的左端面，关闭输出阀并使活塞靠压在所述壳体的左端面上；

所述活塞的右端面与所述壳体的第一圆柱面、第一凸台的右端面和丝杆的外表面之间形成进油腔。

优选地，所述的丝杆上设有导向槽，所述壳体上安装有导向销，所述导向销插入所述导向槽内，限制所述丝杆转动。

优选地，所述丝杆具有第三圆锥面、圆柱面和第四圆锥面的一端为二段结构，所述二段结构可拆卸连接。

根据本发明的另一方面，提供一种装有伺服制动缸的分布式复合制动系统，包括制动踏板、踏板行程传感器、推杆、主缸、储液罐、主缸压力传感器、电源、制动控制器和四组车轮制动执行机构；

所述推杆的输入端通过支承销与制动踏板连接，输出端与主缸连接；

所述四组车轮制动执行机构均包括所述的伺服制动缸和与之通过管路连接的轮缸，分别为左前伺服制动缸、左前轮缸、左后伺服制动缸、左后轮缸、右前伺服制动缸、右前轮缸、右后伺服制动缸、右后轮缸；

所述的储液罐、所述的主缸和四组所述的车轮制动执行机构均通过制动管路连接；

所述制动控制器连接电源，并分别与四组车轮制动执行机构电连接；

所述踏板行程传感器的输入端与制动踏板连接，输出端通过信号线与制动控制器连接，用于测量制动踏板的行程；

所述主缸压力传感器的输入端与主缸连接，输出端通过信号线与制动控制器连接，用于测量主缸的压力。

优选地，所述的主缸包括前腔和后腔，所述的前腔经管路分别与所述的左前伺服制动缸和右后伺服制动缸连接；所述的后腔经管路分别与右前伺服制动缸和左后伺服制动缸连接。

进一步优选地，所述的储液罐分别与所述的前腔和所述的后腔相连。

根据本发明的又一方面，提供一种装有伺服制动缸的分布式复合制动系统的制动方法，包括助力制动模式制动过程、自主制动模式制动过程、失效人力备份模式制动过程和防抱死制动调节模式制动过程。

所述助力制动模式制动过程包括以下步骤：

a)当驾驶员踩下制动踏板时，所述分布式复合制动系统的制动控制器根据主缸压力传感器检测到的主缸压力值和所述伺服制动缸的助力比，计算出各伺服制动缸电动机的目标电流，并驱动该电动机工作；

b)电动机参与助力后，滚珠丝杆总成将电动机扭矩转换为丝杠推力，当该推力足够大时，输出阀打开、输入阀关闭，伺服制动缸的出油腔和进油腔的制动液隔离；

c)伺服制动缸内活塞在其进油腔制动液压力和丝杆推力共同作用下移动，使得伺服制动缸出油腔体积减小，产生比主缸压力更大的制动液压力并输送至对应的轮缸，实现助力制动；

所述失效人力备份模式制动过程包括以下步骤：

a)当制动系统因任何故障导致其助力制动功能完全丧失时，实施失效人力备份制动；

b)当驾驶员踩下制动踏板时，踏板力经由推杆作用于主缸，主缸的前腔和后腔建立起制动压力；主缸前腔内压力经制动管路传至左前伺服制动缸进油腔和右后伺服制动缸进油腔，主缸后腔内压力经制动管路传至左后伺服制动缸进油腔和右前伺服制动缸进油腔；

c)失效模式下电动机未参与工作，伺服制动缸输出阀锥面在回位弹簧预压力作用下压在活塞锥面上，伺服制动缸的进油腔和出油腔处于隔离状态，伺服制动缸活塞在其进油腔中来自主缸的压力作用下移动，其出油腔产生的压力经制动管路输出至相应车轮制动器的轮缸，实现人力备份制动；

所述自主制动模式制动过程包括以下步骤：

a)当驾驶员未踩下制动踏板，但制动控制器接收到制动请求时，制动控制器将制动请求中的目标制动压力转换为目标电流，驱动相应的伺服制动缸的电动机工作；

b)根据目标压力的增减变化情况，自主制动模式制动过程又包括增压、保压、减压和解除四种工作状态；

当请求的轮缸目标压力增加时，制动系统进入增压工作状态，伺服制动缸的电动机产生更大的扭矩经滚珠丝杆总成转换为丝杆推力，丝杆推力克服回位弹簧作用力使伺服制动缸输入阀关闭，丝杆连同伺服制动缸活塞一起移动使得伺服制动缸出油腔体积减小从而输出更大压力至对应的轮缸；由于自主制动模式下伺服制动缸进油腔与主缸及储液罐皆处于制动液连通状态，丝杆及伺服制动缸活塞的移动导致伺服制动缸进油腔体积增大，所需的制动液由储液罐经主缸及制动管路得到补充；

当请求的轮缸目标压力不变时，制动系统进入保压工作状态，通过伺服制动缸电动机扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于其目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态；

当请求的轮缸目标压力减小时，制动系统进入减压工作状态，伺服制动缸电动机扭矩以及作用于伺服制动缸活塞的推力皆减小，伺服制动缸出油腔及对应的轮缸压力亦因此减小；当需要使轮缸压力快速下降时，令伺服制动缸电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸出油腔体积增大，其制动压力以及对应的轮缸压力快速下降；伺服制动缸减压过程中其进油腔体积减小，多余的制动液经制动管路及主缸流回至储液罐；

当请求的轮缸目标压力减小为零时，制动系统进入制动解除工作状态，令与该轮缸对应的伺服制动缸电动机停止工作，丝杆在回位弹簧作用下连同伺服制动缸的活塞反向移动回到初始位置，相应轮缸的制动解除；伺服制动缸进油腔中多余的制动液经制动管路及主缸流回至储液罐。

所述防抱死制动调节模式制动过程包括以下步骤：

a)在助力制动和自主制动两种工作模式下，当出现任何车轮有抱死趋势时，对相应的轮缸压力进行调节；

b)根据轮缸压力调节不同的需求，轮缸压力调节又包括增压、保压和减压3种工作状态：

当需要对轮缸进行减压时，制动控制器接受到减压请求，令该轮缸对应的伺服制动缸电动机减小扭矩输出；必要时，可以令该电动机产生反向扭矩，以迅速减小轮缸压力；电动机扭矩减小后，伺服制动缸前腔以及轮缸内的压力随之减小；如果需要轮缸快速减压，则使电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸出油腔体积增大后其制动压力以及对应的轮缸压力因此快速下降；

当需要对轮缸进行保压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于该目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态；

当需要对轮缸进行增压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸瞬时目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流跟随该目标电流，以实施轮缸压力调节的增压控制。

由于采用上述技术方案，本发明提供的用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统和制动方法与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明的分布式复合制动系统可快速建立制动压力，动态响应迅速；

2.本发明的分布式复合制动系统的车轮制动力控制灵活、制动压力控制精度高，满足智能驾驶汽车在自主制动时对动态目标制动压力进行高精度跟随控制的要求，且制动时车辆运动平稳性好；

3.本发明的分布式复合制动系统无需采用复杂的液压电磁阀装置，也可方便地实现失效人力备份制动，因此系统结构简单、成本低、可靠性高；

4.本发明的分布式复合制动系统进行人力制动时，轮缸内的制动压力变化可直接反馈至制动踏板，因此驾驶员的踏板感觉好；

5.本发明的分布式复合制动系统在用于防抱死制动等工况下的轮缸压力调节时，可以通过对伺服制动缸电动机扭矩大小及方向的控制来实施，轮缸压力调节的动态响应快、压力波动小。

附图说明

图1为本发明的采用伺服制动缸的一种分布式复合制动系统实施例的示意图；

图2为本发明中伺服制动缸的结构示意图。

图中：

1-制动踏板 2-踏板行程传感器 3-支承销

4-推杆 5-主缸 6-储液罐

7-主缸压力传感器 8-电源 9-制动控制器

10-左后伺服制动缸 11-左后轮缸 12-右后伺服制动缸

13-右后轮缸 14-右前伺服制动缸 15-右前轮缸

16-左前伺服制动缸 17-左前轮缸

101-电动机 102-联轴器 103-挡圈

104-螺母 105-轴承 106-丝杆

107-O形圈 108-进油口 109-进油腔

110-导向销 111-密封圈 112-皮碗

113-活塞 114-出油口 115-回位弹簧

116-出油腔 117-缸体 118-壳体

V1-输入阀 V2-输出阀

图1中，细实线表示信号线和电源线；粗实线表示制动管路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法分别作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种分布式复合制动系统，包括制动踏板1、踏板行程传感器2、支承销3、推杆4、主缸5、储液罐6、主缸压力传感器7、电源8、制动控制器9、左后伺服制动缸10、左后轮缸11、右后伺服制动缸12、右后轮缸13、右前伺服制动缸14、右前轮缸15、左前伺服制动缸16、左前轮缸17以及制动管路、信号线和电源线。主缸5为串列双腔制动主缸。左后伺服制动缸10、右后伺服制动缸12、右前伺服制动缸14和左前伺服制动缸16采用如图2所示的相同结构，包括电动机101、联轴器102、挡圈103、螺母104、轴承105、丝杆106、O形圈107、导向销110、密封圈111、皮碗112、活塞113、回位弹簧115、缸体117和壳体118。

制动踏板1通过支承销3与推杆4联接；储液罐6分别与主缸5的前腔和后腔相连；主缸5的前腔经其壳体上的管接头(图中未示出)和制动管路分别与左前伺服制动缸16和右后伺服制动缸12连接；主缸5的后腔经其壳体上的管接头(图中未示出)和制动管路(一般为硬管)分别与右前伺服制动缸14和左后伺服制动缸10连接；左后伺服制动缸10、右后伺服制动缸12、右前伺服制动缸14和左前伺服制动缸16分别与左后轮缸11、右后轮缸13、右前轮缸15和左前轮缸17通过制动管路(一般为软管)连接。

踏板行程传感器2和主缸压力传感器7分别用来测量制动踏板的行程和主缸的压力，它们通过信号线与制动控制器9连接。制动控制器9通过电源线与电源8以及各伺服制动缸的电动机连接。制动控制器9还通过信号线与图1中所示其它电控系统(例如防抱死制动系统或智能驾驶汽车控制系统)连接。制动控制器9根据主缸压力传感器7测得的主缸压力或者其它电控系统的制动请求，控制各伺服制动缸的电动机工作以便向相应的轮缸输出制动压力。驾驶员制动需求通常通过主缸压力传感器7来反映，而当主缸压力传感器7失效时，可以利用踏板行程传感器2以及应用时事先测得的制动系统PV特性(P代表主缸压力、V代表主缸液压腔体积，后者与制动踏板行程成线性关系)推算出驾驶员的制动需求。这样，主缸压力传感器7和踏板行程传感器2互为传感冗余，可以提高制动系统的可靠性。

如图2所示的伺服制动缸结构图中，壳体118的内部为圆柱形中空结构，包括内径依次增大的第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面，第一圆柱面上有一径向的进油口108，第一圆柱面与第二圆柱面之间的内壁沿径向向内延伸形成第一凸台，第三圆柱面紧邻第二圆柱面处形成轴肩，挡圈103安装在所述第三圆柱面上；所述壳体118外侧靠近左端面处沿径向向外形成第二凸台；电动机101安装在壳体118的右端面，其输出轴通过联轴节102与螺母104联接；由螺母104和丝杆106等组成的滚珠丝杆总成通过两个轴承105支承在壳体上，并通过壳体内孔的轴肩和挡圈103轴向定位；丝杆106上设有导向槽，由导向销110限制其转动，所以该滚珠丝杆总成的工作模式为螺母104转动、丝杆106平动；活塞113的中心形成有包括渐缩的第一圆锥面、圆柱面和渐扩的第二圆锥面的通孔，丝杆106的左端沿轴向延伸依次形成渐缩的第三圆锥面、圆柱面、渐扩的第四圆锥面；丝杆106分别穿过第一凸台和活塞113的通孔，第一圆锥面与第四圆锥面配合形成输出阀V2，第二圆锥面与第三圆锥面配合形成输入阀V1；由于丝杆106的第三圆锥面和第四圆锥面的外径均大于活塞113的通孔直径，因此可以将丝杆106做成二段并通过螺纹联接(图中未示出)，安装时将活塞113夹在丝杆的两锥面之间并锁紧螺纹联接；输入阀V1与输出阀V2之间圆柱面的长度比活塞113的通孔的圆柱面的长度长0.5-1mm；缸体为右端开口的中空柱体，其右端面与所述第二凸台密封连接，在缸体117下部靠近左端面处设置有出油口114；具有单向密封作用的皮碗112安装于活塞113外圆周的环形槽中，且与活塞113支承在缸体117内孔中并可轴向滑动；活塞113的左端面与缸体117的内部形成出油腔116，回位弹簧115的预压力作用于丝杆106一端，并使输出阀V2关闭、活塞113压靠在壳体118的端面上；活塞113的右端面与壳体108的第一圆柱面、第一凸台的右端面和丝杆106的外表面之间形成进油腔109。

本发明的一种分布式复合制动系统包括三种工作模式，即助力制动、自主制动和失效人力备份制动。另外，该制动系统支持防抱死制动功能，这种情况下需要对轮缸压力进行调节。下面对制动系统的各个工作模式工作过程和轮缸压力调节方法进行说明。

1.助力制动模式

驾驶员踩下制动踏板1后，踏板力经由推杆4推动主缸5的活塞，主缸5的前腔和后腔建立起制动压力。主缸5前腔内压力经制动管路分别传至左前伺服制动缸16和右后伺服制动缸12的进油腔，而主缸5后腔内压力经制动管路分别传至左后伺服制动缸10和右前伺服制动缸14的进油腔。在制动的开始阶段，输出阀V2在回位弹簧115预压力作用下处于关闭状态；活塞113在其进油腔109中来自主缸5的压力作用下移动，其出油腔116产生的压力经制动管路输出至相应车轮制动器的轮缸。

助力制动是通过四个伺服制动缸电动机的工作实现的。主缸压力传感器7检测到的主缸压力信号被发送到制动控制器。制动控制器9根据反映驾驶员制动需求的主缸压力值以及事先设定的伺服制动缸助力比(即伺服制动缸输出至轮缸的压力与主缸输出压力之比)计算出各伺服制动缸电动机之目标电流，并驱动该电动机工作。电动机101目标电流的跟随可以采用反馈控制，即根据制动控制器9中电流采样电路得到的电动机实际工作电流与其目标电流的差值进行反馈控制。前、后车轮对应的伺服制动缸可以根据需要设定相同或不同的助力比。电动机101参与助力后，滚珠丝杆总成将电动机101扭矩转换为丝杠106推力。只要该推力足够大，就可以克服回位弹簧115预压力作用并打开输出阀V2、关闭输入阀V1，从而再次使伺服制动缸的出油腔116和进油腔109制动液隔离。此后，伺服制动缸活塞113在其进油腔109制动液压力(其大小与主缸压力相等)和丝杆106推力共同作用下移动，使得伺服制动缸出油腔116体积减小，产生比主缸压力更大的制动液压力并输送至对应的轮缸，从而实现助力制动。

若制动系统仅部分电控部件出现失效，本发明的一种分布式复合制动系统仍可能实施助力制动。这里以左前伺服制动缸16电动机失效为例予以说明。当发生制动控制器9的左前伺服制动缸16之电动机的驱动电路失效或该电动机电源连接线断路等故障时，左前伺服制动缸16电动机都将无法正常工作。此时，可以为左后伺服制动缸10、右后伺服制动缸12和右前伺服制动缸14重新设置助力比并通过它们实施助力制动。

在制动系统电源8失效或制动控制器9发生故障等情况下，制动系统的助力制动功能将完全丧失。即便如此，只要驾驶员踩下制动踏板1，仍可通过本发明的一种分布式复合制动系统实施后面将要说明的人力备份制动。

2.自主制动模式

制动控制器收到制动请求后，将制动请求中各制动器的目标制动压力根据事先标定的电动机电流-伺服制动缸压力特性曲线转换为目标电流，采用前述的反馈控制方法驱动相应的伺服制动缸之电动机工作以实现该目标电流。根据轮缸目标压力的增减变化情况，自主制动工作模式又包括增压、保压、减压和解除4种工作状态。以下具体说明。

自主制动的增压工作过程：当请求的轮缸目标压力增加时，伺服制动缸电动机产生更大的扭矩经滚珠丝杆装置转换为丝杆推力，丝杆推力克服回位弹簧作用力使伺服制动缸输入阀关闭，丝杆连同伺服制动缸活塞一起移动使得伺服制动缸前腔体积减小从而输出更大压力至对应的轮缸；另一方面，由于自主制动模式下伺服制动缸进油腔与主缸5及储液罐6皆处于制动液连通状态，丝杆及伺服制动缸活塞的移动导致伺服制动缸进油腔体积增大，所需的制动液由储液罐6经主缸5及制动管路得到补充。

自主制动的保压状态：当请求的轮缸目标压力不变时，通过伺服制动缸电动机扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于其目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态。这实际是一种力的平衡状态，即若忽略回位弹簧的作用力，伺服制动缸电动机扭矩在伺服制动缸活塞上产生的等效推力与伺服制动缸前腔压力反作用于伺服制动缸活塞上的轴向合力是相等的。

自主制动的减压工作过程：当请求的轮缸目标压力减小时，伺服制动缸电动机扭矩以及作用于伺服制动缸活塞的推力皆减小，伺服制动缸前腔及对应的轮缸压力亦因此减小。如果需要使轮缸压力快速下降，可以令伺服制动缸电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸前腔体积增大后其制动压力以及对应的轮缸压力因此快速下降。伺服制动缸减压过程中其进油腔体积减小，多余的制动液经制动管路及主缸5流回至储液罐6。

自主制动的制动解除工作过程：当请求的轮缸目标压力减小为零时，令与该轮缸对应的伺服制动缸电动机停止工作，丝杆在回位弹簧作用下连同伺服制动缸的活塞反向移动回到初始位置，相应轮缸的制动解除。伺服制动缸进油腔多余的制动液经制动管路及主缸5流回至储液罐6。

3.失效人力备份制动模式

若制动系统因任何故障导致其助力制动功能完全丧失，则可以实施人力备份制动。失效人力备份制动模式下，若驾驶员踩下制动踏板1，踏板力经由推杆4推动主缸5的活塞，主缸5的前腔和后腔建立起制动压力。主缸5前腔内压力经制动管路传至左前伺服制动缸16进油腔和右后伺服制动缸12进油腔，而主缸5后腔内压力经制动管路8传至左后伺服制动缸10进油腔和右前伺服制动缸14进油腔。因电动机未工作，伺服制动缸输出阀锥面C2在回位弹簧预压力作用下压在活塞锥面A2上，因此伺服制动缸的进油腔和出油腔处于隔离状态；此时，伺服制动缸活塞在其进油腔中来自主缸5的压力作用下移动，其出油腔产生的压力经制动管路输出至相应车轮制动器的轮缸，从而施加人力备份制动。

4.轮缸压力调节方法

在助力制动和自主制动两种工作模式下，若出现任何车轮有抱死趋势，可以对轮缸压力进行调节。根据轮缸压力调节不同的需求，轮缸压力调节又包括增压、保压和减压3种工作状态。以下具体说明。

当需要对某轮缸进行减压时，制动控制器9接受智能驾驶汽车控制系统(或者防抱死制动系统)发出的减压请求，令该轮缸对应的伺服制动缸电动机减小扭矩输出。必要时，可以令该电动机产生反向扭矩，以迅速减小轮缸压力。电动机扭矩减小后，伺服制动缸前腔以及轮缸内的压力随之减小。如果因轮缸快速减压的需要而需要使电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸前腔体积增大后其制动压力以及对应的轮缸压力因此快速下降。其带来的好处是，如果驾驶员施加的制动压力过大而足以使车轮在无助力的情况下也抱死，譬如在低附着系数路面，通过电动机反转仍然可以避免该车轮抱死。

当需要对轮缸进行保压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于该目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态。

当需要对轮缸进行增压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸瞬时目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流跟随该目标电流，以实施轮缸压力调节的增压控制。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸，其特征在于：包括壳体(118)、电动机(101)、联轴器(102)、由螺母(104)和丝杆(106)组成的滚珠丝杆总成、轴承(105)、挡圈(103)、活塞(113)、缸体(117)和回位弹簧(115)；

所述壳体(118)的内部为圆柱形中空结构，包括内径依次增大的第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面，所述第一圆柱面上有一径向的进油口(108)，第一圆柱面与第二圆柱面之间的内壁沿径向向内延伸形成第一凸台，所述第三圆柱面紧邻第二圆柱面处形成轴肩，所述挡圈(103)安装在所述第三圆柱面上；所述壳体(118)外侧靠近左端面处沿径向向外形成第二凸台；

所述电动机(101)安装在所述壳体(118)的右端面，所述滚珠丝杆总成通过两个轴承(105)支撑在壳体(118)内部，所述电动机(101)的输出轴通过所述联轴器(102)与所述滚珠丝杆总成联接，两个所述轴承(105)分别通过壳体(118)内部的轴肩和挡圈(103)进行轴向定位；

所述缸体(117)为右端开口的中空柱体，其右端面与所述第二凸台密封连接，在缸体(117)下部靠近左端面处设置有出油口(114)；

所述活塞(113)安装于所述缸体(117)的内孔中并能轴向滑动，在活塞(113)外圆周环形槽中安装有用于单向密封的皮碗(112)，所述活塞(113)的中心形成有通孔，所述通孔包括渐缩的第一圆锥面、圆柱面和渐扩的第二圆锥面；所述活塞(113)的左端面与缸体(117)的内部形成出油腔(116)，所述活塞(113)的右端面在回位弹簧(115)预压力作用下靠压在所述壳体(118)的左端面；

所述丝杆(106)的左端沿轴向延伸依次形成渐缩的第三圆锥面、圆柱面、渐扩的第四圆锥面，所述丝杆(106)分别穿过第一凸台和活塞(113)的通孔，所述第一圆锥面与第四圆锥面配合形成输出阀(V2)，所述第二圆锥面与第三圆锥面配合形成输入阀(V1)，所述回位弹簧(115)安装在所述缸体(117)内部左端面与丝杆(106)的左端面，关闭输出阀(V2)并使活塞(113)靠压在所述壳体(118)的左端面上；

所述活塞(113)的右端面与所述壳体(118)的第一圆柱面、第一凸台的右端面和丝杆(106)的外表面之间形成进油腔(109)。

2.根据权利要求1所述的伺服制动缸，其特征在于：所述的丝杆(106)上设有导向槽，所述壳体(118)上安装有导向销(110)，所述导向销(110)插入所述导向槽内，限制所述丝杆(106)转动。

3.根据权利要求2所述的伺服制动缸，其特征在于：所述丝杆(106)具有第三圆锥面、圆柱面和第四圆锥面的一端为二段结构，所述二段结构可拆卸连接。

4.一种装有权利要求3所述的伺服制动缸的分布式复合制动系统，其特征在于：包括制动踏板(1)、踏板行程传感器(2)、推杆(4)、主缸(5)、储液罐(6)、主缸压力传感器(7)、电源(8)、制动控制器(9)和四组车轮制动执行机构；

所述推杆(4)的输入端通过支承销(3)与制动踏板(1)连接，输出端与主缸(5)连接；

所述四组车轮制动执行机构均包括所述的伺服制动缸和与之通过管路连接的轮缸，分别为左前伺服制动缸(16)、左前轮缸(17)、左后伺服制动缸(10)、左后轮缸(11)、右前伺服制动缸(14)、右前轮缸(15)、右后伺服制动缸(12)、右后轮缸(13)；

所述的储液罐(6)、所述的主缸(5)和四组所述的车轮制动执行机构均通过制动管路连接；

所述制动控制器(9)连接电源(8)，并分别与四组车轮制动执行机构电连接；

所述踏板行程传感器(2)的输入端与制动踏板(1)连接，输出端通过信号线与制动控制器(9)连接，用于测量制动踏板的行程；

所述主缸压力传感器(7)的输入端与主缸(5)连接，输出端通过信号线与制动控制器(9)连接，用于测量主缸的压力。

5.根据权利要求4所述的分布式复合制动系统，其特征在于：所述的主缸(5)包括前腔和后腔，所述的前腔经管路分别与所述的左前伺服制动缸(16)和右后伺服制动缸(12)连接；所述的后腔经管路分别与右前伺服制动缸(14)和左后伺服制动缸(10)连接。

6.根据权利要求5所述的分布式复合制动系统，其特征在于：所述的储液罐(6)分别与所述的前腔和所述的后腔相连。

7.一种采用权利要求6所述分布式复合制动系统的制动方法，其特征在于：

所述的制动方法包括助力制动模式制动过程、自主制动模式制动过程、失效人力备份模式制动过程和防抱死制动调节模式制动过程。

8.根据权利要求7所述的制动方法，其特征在于：

所述助力制动模式制动过程包括以下步骤：

a)当驾驶员踩下制动踏板时，所述分布式复合制动系统的制动控制器根据主缸压力传感器检测到的主缸压力值和所述伺服制动缸的助力比，计算出各伺服制动缸电动机的目标电流，并驱动该电动机工作；

b)电动机参与助力后，滚珠丝杆总成将电动机扭矩转换为丝杠推力，当该推力足够大时，输出阀打开、输入阀关闭，伺服制动缸的出油腔和进油腔的制动液隔离；

c)伺服制动缸内活塞在其进油腔制动液压力和丝杆推力共同作用下移动，使得伺服制动缸出油腔体积减小，产生比主缸压力更大的制动液压力并输送至对应的轮缸，实现助力制动；

所述失效人力备份模式制动过程包括以下步骤：

a)当制动系统因任何故障导致其助力制动功能完全丧失时，实施失效人力备份制动；

b)当驾驶员踩下制动踏板时，踏板力经由推杆作用于主缸，主缸的前腔和后腔建立起制动压力；主缸前腔内压力经制动管路传至左前伺服制动缸进油腔和右后伺服制动缸进油腔，主缸后腔内压力经制动管路传至左后伺服制动缸进油腔和右前伺服制动缸进油腔；

c)失效模式下电动机未参与工作，伺服制动缸输出阀锥面在回位弹簧预压力作用下压在活塞锥面上，伺服制动缸的进油腔和出油腔处于隔离状态，伺服制动缸活塞在其进油腔中来自主缸的压力作用下移动，其出油腔产生的压力经制动管路输出至相应车轮制动器的轮缸，实现人力备份制动。

9.根据权利要求7所述的制动方法，其特征在于：

所述自主制动模式制动过程包括以下步骤：

a)当驾驶员未踩下制动踏板，但制动控制器接收到制动请求时，制动控制器将制动请求中的目标制动压力转换为目标电流，驱动相应的伺服制动缸的电动机工作；

b)根据目标压力的增减变化情况，自主制动模式制动过程又包括增压、保压、减压和解除四种工作状态；

当请求的轮缸目标压力增加时，制动系统进入增压工作状态，伺服制动缸的电动机产生更大的扭矩经滚珠丝杆总成转换为丝杆推力，丝杆推力克服回位弹簧作用力使伺服制动缸输入阀关闭，丝杆连同伺服制动缸活塞一起移动使得伺服制动缸出油腔体积减小从而输出更大压力至对应的轮缸；由于自主制动模式下伺服制动缸进油腔与主缸及储液罐皆处于制动液连通状态，丝杆及伺服制动缸活塞的移动导致伺服制动缸进油腔体积增大，所需的制动液由储液罐经主缸及制动管路得到补充；

当请求的轮缸目标压力不变时，制动系统进入保压工作状态，通过伺服制动缸电动机扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于其目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态；

当请求的轮缸目标压力减小时，制动系统进入减压工作状态，伺服制动缸电动机扭矩以及作用于伺服制动缸活塞的推力皆减小，伺服制动缸出油腔及对应的轮缸压力亦因此减小；当需要使轮缸压力快速下降时，令伺服制动缸电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸出油腔体积增大，其制动压力以及对应的轮缸压力快速下降；伺服制动缸减压过程中其进油腔体积减小，多余的制动液经制动管路及主缸流回至储液罐；

当请求的轮缸目标压力减小为零时，制动系统进入制动解除工作状态，令与该轮缸对应的伺服制动缸电动机停止工作，丝杆在回位弹簧作用下连同伺服制动缸的活塞反向移动回到初始位置，相应轮缸的制动解除；伺服制动缸进油腔中多余的制动液经制动管路及主缸流回至储液罐。

10.根据权利要求7所述的制动方法，其特征在于：

所述防抱死制动调节模式制动过程包括以下步骤：

a)在助力制动和自主制动两种工作模式下，当出现任何车轮有抱死趋势时，对相应轮缸压力进行调节；

b)根据轮缸压力调节不同的需求，轮缸压力调节又包括增压、保压和减压3种工作状态：

当需要对轮缸进行减压时，制动控制器接受到减压请求，令该轮缸对应的伺服制动缸电动机减小扭矩输出；令该电动机产生反向扭矩，以迅速减小轮缸压力；电动机扭矩减小后，伺服制动缸前腔以及轮缸内的压力随之减小；如果需要轮缸快速减压，则使电动机反向旋转，丝杆的快速反向移动使伺服制动缸输出阀关闭并带动伺服制动缸活塞亦反向移动，伺服制动缸出油腔体积增大后其制动压力以及对应的轮缸压力因此快速下降；

当需要对轮缸进行保压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流等于该目标电流，此时伺服制动缸电动机处于堵转状态、伺服制动缸活塞静止而对应轮缸中的制动压力保持不变，即处于保压状态；

当需要对轮缸进行增压时，根据测量得到的主缸压力值和轮缸瞬时目标压力计算出伺服制动缸电动机目标电流，通过扭矩控制使该电动机的实际工作电流跟随该目标电流，以实施轮缸压力调节的增压控制。