CN108944845A - 一种基于永磁体的新型制动踏板装置及其制动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于永磁体的新型制动踏板装置及其制动方法，通过在踏板臂上连接水平放置的推杆的一端，推杆的另一端与连接板、永磁体一、弹簧一、永磁体二、弹簧二、永磁体三、压力传感器依次连接，传感器的另一端固定在支撑板一上，传感器与制动系统ECU连接，根据传感器所采集踏板装置三个阶段的瞬时压力作为踏板力，输入到制动系统ECU，根据制动系统ECU内部存储的踏板力和制动力的关系，输出制动力，可以提供一种不需要消耗电源，不会影响电动汽车整车的能源消耗的制动踏板装置，且结构简单，便于组装和安装，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车线控制动领域，尤其涉及一种基于永磁体的新型制动踏板装置及其制动方法。
背景技术
在传统汽车的制动系统中，制动执行器与踏板装置之间采用液压结构的连接方式，驾驶员踩下踏板时，会通过油压管路将踏板力传递到制动器上，同时通过制动踏板和制动执行器之间的液压连接方式，驾驶员可以感受到制动反馈力。在电动汽车上，取消了传统制动系统的油压管路，制动踏板和制动器之间是通过电线连接，利用电信号进行信息的传递，由于制动结构的改进，必须设计踏板模拟器，驾驶员才可以感受到制动反馈力，而大部分的踏板模拟器都是利用结构较小的液压装置或是液压与弹簧结合的方式，制造出传统汽车的制动反馈力。在现有的专利中(包括受理但未公开的专利)，有利用电磁铁装置，模拟传统汽车的制动反馈力。传统的踏板装置含有助力结构，使得驾驶员提供较小的踏板力就能产生较大的制动力，而电动汽车中的踏板模拟器往往利用位移传感器来模拟传统的踏板特性，即通过“位移——踏板力”的关系，定义对应输出的制动力。
带有液压装置的踏板模拟器虽然可以较精确的模拟传统汽车的制动反馈力，但是其结构比较复杂，此外，利用液压装置无法避免液压油泄露的问题，既有安全隐患又会污染环境；采用电磁铁装置的踏板结构，虽然避免了液压油的泄漏问题，但是其最大的问题在于需要消耗电能，来提供制动反馈力，对于电动汽车来说会加大整车的能源消耗，并且电磁铁装置中包含有线圈，长时间的给线圈通电容易导致线圈发热，温度升高，影响电磁铁的磁性，因此，会大大降低制动反馈力的模拟精确度。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于永磁体的新型制动踏板装置及其制动方法，目的在于提供一种不需要消耗电源，不会影响电动汽车整车的能源消耗。
一种基于永磁体的新型制动踏板装置，踏板臂上连接水平放置的推杆的一端，推杆的另一端与连接板、永磁体一、弹簧一、永磁体二、弹簧二、永磁体三、压力传感器依次连接，传感器的另一端固定在支撑板一上，所述传感器与制动系统ECU连接，并将实时采集的瞬时压力传送到制动系统ECU；所述永磁体三和永磁体二之间的弹簧二内套装有阻尼杆；
所述永磁体一、永磁体二和永磁体三两端通过连接杆连接滑轮，通过滑轮安装在上导轨和下导轨之间；所述上导轨和下导轨上分别固定设置限位板一、限位板二；所述限位板一距支撑板一的距离为永磁体三和压力传感器的厚度之和，限位板二与限位板一之间的距离是弹簧一的原长、弹簧二的原长、永磁体二的厚度和永磁体一的厚度之和。
所述踏板装置工作具有三个阶段：
第一阶段为踏板不受力时，此时压力传感器信号为0；
第二阶段为仅有永磁体一进行水平移动，永磁体三和永磁体二之间固定不动，此时压力传感器接收到的瞬时压力为永磁体一和永磁体二之间的斥力和弹簧一的弹力；
第三阶段为弹簧一达到压缩极限时，永磁体一和永磁体二之间的间隙保持不变，永磁体三水平移动，阻尼杆开始收缩，此时压力传感器接收到的瞬时压力为弹簧一的弹性力，永磁体二和永磁体一之间的斥力，弹簧二的弹性力，永磁体三和永磁体二之间的斥力，以及阻尼杆的阻尼力的合力。
一种基于永磁体的新型制动踏板装置的制动方法，所述动踏板装置将压力传感器实时接收到的瞬时压力作为踏板力，输入到制动系统ECU，根据制动系统ECU内部存储的踏板力和制动力的关系，控制执行机构输出制动力。
第一阶段为踏板不受力时，此时压力传感器信号为0，即踏板力为0,；
第二阶段压力传感器接收到的瞬时压力表示为：
其中，a2为修正系数，一般取值3～5，L1为永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的间隙距离，B1为永磁体一(10)的磁化强度，B2为永磁体二(8)的磁化强度，S1为永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的有效磁极面积，f1为弹簧一(9)的弹性系数，X1为弹簧一(9)的压缩位移；所述第二阶段压力传感器接收到的瞬时压力在弹簧一达到最大压位移X1m时，对应的压力传感器的最大瞬时压力为：
第三阶段压力传感器接收到的瞬时压力表示为：
其中a2为修正系数，一般取值3～5，L2为永磁体三和永磁体二之间的间隙距离，B3为永磁体三的磁化强度，S2为永磁体三和永磁体二之间的有效磁极面积，f2为弹簧二的弹性系数，Fz为阻尼杆的阻尼力，X2为弹簧二的压缩位移。所述第三阶段压力传感器接收到的瞬时压力在弹簧二达到最大的压缩量X2m时，也就是整个踏板装置达到的最大踏板力：
制动系统ECU22内部存储的踏板力和制动力的关系为：
汽车前后轴产生的制动力为：
前轴：
后轴：
其中，FP为踏板力；η1为踏板机构机械效率；i1为踏杆杠杆比；B为真空助力器助力比；dB为制动主缸缸径。β为制动力分配系数；P0、P0′分别为前、后制动器阀门开启压力；C1、C2分别为前、后制动器制动因数；df、dr分别为前、后制动器轮缸缸径；r1、r2分别为前、后制动器有效制动半径；R1、R2分别为前、后车轮滚动半径；η2为制动系统的机械效率。
本发明的有益效果：本发明利用永磁体与永磁体之间的间隙，改变斥力大小，配合弹簧提供的弹性力，来模拟传统汽车的制动反馈力。本发明设计的基于永磁体的制动装置的制动力输出策略，直接由压力传感器接收到的压力信号所决定，与电磁体结构的踏板装置相比，不需要消耗电源，不会影响电动汽车整车的能源消耗，与液压装置的踏板模拟器相比，不存在液压泄露所导致的问题。除此之外，本发明自身结构简单，便于组装和安装，适用范围广，由于本发明提供制动反馈力的核心部件是永磁体、弹簧和阻尼杆，因此成本比较低。
附图说明
图1是一种永磁体的踏板装置显示内部零件的等轴测图；
图2是一种永磁体的踏板装置踏板臂固定结构的等轴侧视图；
图3是一种永磁体的踏板装置永磁体两侧导轨、导轨连接零件和永磁体的侧视图；
图4是制动力匹配的流程图；
图5是压力传感器与制动系统ECU的连接图；
其中，1、支撑板一，2、压力传感器，3、永磁体三，4、限位板一，5、上导轨，6、弹簧二，7、阻尼杆，8、永磁体二，9、弹簧一，10、永磁体一，11、限位板二，12、连接板，13、支撑板二，14、推杆，15、支座，16、踏板臂，17、铰链，18双扭弹簧、，19、滑轮，20、连接杆，21、下导轨，22、制动系统ECU。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和2，本发明为一种基于永磁体的新型制动踏板装置，在支撑板二13的外侧固定的支座15与踏板臂16连接，在踏板臂16上中段通过铰链17连接水平放置的推杆14，推杆14的另一端与连接板12、永磁体一10、弹簧一9、永磁体二8、弹簧二6、永磁体三3、压力传感器2依次连接，传感器2的另一端固定在支撑板1上，如图5，所述传感器与制动系统ECU22连接，并将实时采集的瞬时压力传送到制动系统ECU22；永磁体三3和永磁体二8之间的弹簧二6内套装有阻尼杆7，且阻尼杆7与弹簧二6不接触；如图3，永磁体一10、永磁体二8和永磁体三3上下两端通过连接杆20连接滑轮19，通过滑轮19安装在上导轨5和下导轨21之间；所述上导轨5和下导轨21上分别固定设置限位板一4、限位板二11；所述限位板一4距支撑板一1的距离为永磁体三3和压力传感器2的厚度之和，限位板二11与限位板一4之间的距离是弹簧一9的原长、弹簧二6的原长、永磁体二8的厚度和永磁体一10的厚度之和。
如图2，结合本发明的工作过程做进一步解释，驾驶员踩制动踏板时，踏板臂16依靠固定支座15固定在支撑板二13上，通过双扭弹簧18固定在支座15上，可进行转动。推杆14通过铰链17与踏板臂16连接，在踏板臂16进行转动时，带动推杆14进行水平移动，通过连接板12、永磁体一10、弹簧一9、永磁体二8、弹簧二6、永磁体三3将压力最终传递到压力传感器2；
在制动过程中，本发明的踏板装置的工作状态可分为三个阶段，
第一阶段为踏板不受力时，此时，各部分之间静止，此时压力传感器信号为0，压力传感器将该信号传递给制动系统ECU22，制动系统ECU22判断为不执行制动；
第二阶段，永磁体一10进行水平移动，永磁体三3和永磁体二8之间由于阻尼杆7固定不动，此时弹簧一9在永磁体一10的推动下被压缩，并且永磁体一10和永磁体二8之间的斥力和弹簧一9的弹力会通过阻尼杆7和永磁体三3传递到压力传感器2中；此时，压力传感器2接收到的瞬时压力可表示为：
其中a为修正系数，一般取值为a＝3～5，L1为永磁体一10和永磁体二8之间的间隙距离，B1为永磁体一10的磁化强度，B2为永磁体二8的磁化强度，S1为永磁体一10和永磁体二8之间的有效磁极面积，f1为弹簧一9的弹性系数，X1为弹簧一9的压缩位移，弹簧一9最大压位移为X1m，对应的压力传感器2的最大瞬时压力为：
则压力传感器2接收到的第二阶段的压力范围为0～F1m。
第三阶段，当弹簧一9达到压缩极限时，若驾驶员继续增加踏板力，此时永磁体一10和永磁体二8之间的间隙保持不变，并且同时沿永磁体三3的方向进行水平移动，阻尼杆7开始收缩，并且阻尼杆7达到最大收缩量之后的长度，不超过弹簧二6最大压缩之后的长度。此时压力传感器接收到力是弹簧一9的弹性力，永磁体二8和永磁体一10之间的斥力，弹簧二6的弹性力，永磁体三3和永磁体二8之间的斥力，以及阻尼杆7的阻尼力的合力。我们定义阻尼杆7的初始阻尼力是弹簧一9达到压缩极限时，永磁体二8和永磁体一10之间的斥力加上弹簧一9的弹性力，即初始阻尼力是斥力和弹性力的合力。当弹簧二6达到最大的压缩量时，也就是整个踏板装置所能达到的最大踏板力。
此时，压力传感器2接收到的瞬时压力可表示为：
其中a2为修正系数，一般取值3～5，L2为永磁体三3和永磁体二8之间的间隙距离，B3为永磁体三3的磁化强度，S2为永磁体三3和永磁体二8之间的有效磁极面积，f2为弹簧二6的弹性系数，Fz为阻尼杆7的阻尼力，X2为弹簧二6的压缩位移，弹簧二6的最大压缩位移为X2m，对应压力传感器2的最大瞬时压力为:
所以第三阶段压力传感器所能接收到的压力范围为F1m～F2m。因此，当驾驶员踩制动踏板时，制动系统ECU22根据压力传感器接收到的压力信号，进行相应的制动力输出，同时驾驶员感受到的制动反馈力大小也为压力传感器2接收到的压力信号。
在传统的踏板特性中，施加踏板力Fp，管路系统所能产生的管路压力：
其中FP为踏板力；η1为踏板机构机械效率；i1为踏杆杠杆比；B为真空助力器助力比；dB为制动主缸缸径。因此汽车前后轴产生的制动力为：
前轴：
后轴：
其中，β为制动力分配系数；P0、P0′分别为前、后制动器阀门开启压力；C1、C2分别为前、后制动器制动因数；df、dr分别为前、后制动器轮缸缸径；r1、r2分别为前、后制动器有效制动半径；R1、R2分别为前、后车轮滚动半径；η2为制动系统的机械效率。
如图4，根据式(5)至式(7)，可以得到传统汽车踏板力和制动力的关系，因此，在电动汽车的制动系统中，可以将传统汽车的踏板力和制动力的关系储存在制动系统ECU22中，然后根据式(1)至式(4)的踏板压力信息，可以模拟传统的踏板力，直接由制动系统ECU22匹配相对应的制动力大小，得到目标制动力。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于永磁体的新型制动踏板装置,其特征在于，包括踏板臂(16)上连接水平放置的推杆(14)的一端，推杆(14)的另一端与连接板(12)、永磁体一(10)、弹簧一(9)、永磁体二(8)、弹簧二(6)、永磁体三(3)、压力传感器(2)依次连接，传感器(2)的另一端固定在支撑板一(1)上，所述传感器与制动系统ECU(22)连接；所述永磁体三(3)和永磁体二(8)之间的弹簧二(6)内套装有阻尼杆(7)；
所述永磁体一(10)、永磁体二(8)和永磁体三(3)两端通过连接杆(20)连接滑轮(19)，通过滑轮(19)安装在上导轨(5)和下导轨(21)之间；所述上导轨(5)和下导轨(21)上分别固定设置限位板一(4)、限位板二(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置，其特征在于，所述限位板一(4)距支撑板一(1)的距离为永磁体三(3)和压力传感器(2)的厚度之和；限位板二(11)与限位板一(4)之间的距离是弹簧一(9)的原长、弹簧二(6)的原长、永磁体二(8)的厚度和永磁体一(10)的厚度之和。
3.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置，其特征在于，所述踏板装置工作具有三个阶段：
第一阶段为踏板不受力时，此时压力传感器信号为0；
第二阶段为仅有永磁体一(10)进行水平移动，永磁体三(3)和永磁体二(8)之间固定不动，此时压力传感器接收到的瞬时压力为永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的斥力和弹簧一(9)的弹力；
第三阶段为弹簧一(9)达到压缩极限时，永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的间隙保持不变，永磁体三(3)水平移动，阻尼杆7开始收缩，此时压力传感器2接收到的瞬时压力为弹簧一(9)的弹性力，永磁体二(8)和永磁体一(10)之间的斥力，弹簧二(6)的弹性力，永磁体三(3)和永磁体二(8)之间的斥力，以及阻尼杆7的阻尼力的合力。
4.根据权利要求1所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置的制动方法，其特征在于，所述动踏板装置将压力传感器2实时接收到的瞬时压力作为踏板力，输入到制动系统ECU(22)，根据制动系统ECU(22)内部存储的踏板力和制动力的关系，输出制动力。
5.根据权利要求4所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置的制动方法，其特征在于，所述制动系统ECU(22)内部存储的踏板力和制动力的关系为：
汽车前后轴产生的制动力为：
前轴：
后轴：
其中，FP为踏板力；η1为踏板机构机械效率；i1为踏杆杠杆比；B为真空助力器助力比；dB为制动主缸缸径。β为制动力分配系数；P0、P′0分别为前、后制动器阀门开启压力；C1、C2分别为前、后制动器制动因数；df、dr分别为前、后制动器轮缸缸径；r1、r2分别为前、后制动器有效制动半径；R1、R2分别为前、后车轮滚动半径；η2为制动系统的机械效率。
6.根据权利要求4所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置的制动方法，其特征在于，所述压力传感器(2)实时接收到的瞬时压力为：
第一阶段为踏板不受力时，此时压力传感器信号为0，即踏板力为0；
第二阶段压力传感器接收到的瞬时压力表示为：
其中，a2为修正系数，一般取值3～5，L1为永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的间隙距离，B1为永磁体一(10)的磁化强度，B2为永磁体二(8)的磁化强度，S1为永磁体一(10)和永磁体二(8)之间的有效磁极面积，f1为弹簧一(9)的弹性系数，X1为弹簧一(9)的压缩位移；
第三阶段压力传感器(2)接收到的瞬时压力表示为：
其中，L2为永磁体三(3)和永磁体二(8)之间的间隙距离，B3为永磁体三(3)的磁化强度，S2为永磁体三(3)和永磁体二(8)之间的有效磁极面积，f2为弹簧二(6)的弹性系数，Fz为阻尼杆(7)的阻尼力，X2为弹簧二(6)的压缩位移。
7.根据权利要求6所述的一种基于永磁体的新型制动踏板装置的制动方法，其特征在于，所述第二阶段压力传感器(2)接收到的瞬时压力在弹簧一(9)达到最大压位移X1m时，对应的压力传感器(2)的最大瞬时压力为：
所述第三阶段压力传感器接收到的瞬时压力在弹簧二(6)达到最大的压缩量X2m时，整个踏板装置达到的最大踏板力：
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