CN109058328A - 一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种车辆制动领域中的集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，集成制动盘内部同轴套有一个支架座圈，支架座圈外部同轴固定套有磁路引导架，磁路引导架侧壁内沿圆周方向均匀嵌有若干个导磁极片，活动磁铁支架通过轴承套在支架座圈外，固定磁铁支架固定套在支架座圈上，活动磁铁支架外壁上沿圆周方向均匀固定连接若干个活动磁铁，固定磁铁支架外壁上沿圆周方向均匀固定连接若干个固定磁铁，活动磁铁和一固定磁铁沿轴向左右布置，初始位置时轴向上正对着的固定磁铁和活动磁铁充磁方向相反，永磁制动时活动磁铁转动使每个活动磁铁与轴向正对着的固定磁铁的充磁方向相同；利用非接触永磁制动分担制动能量，降低摩擦制动的磨损。
Description
技术领域
本发明属于车辆制动技术领域，具体涉及一种集成永磁制动与摩擦制动的的复合制动装置。
背景技术
制动系统是汽车底盘的重要组成部分之一，传统的制动系统有液压式和气压式制动系统，存在着管道布置复杂、依靠真空助力装置、制动响应速度较慢、制动力矩不可主动调节及难于与其它系统集成控制等不足之处，不适合汽车尤其是电动汽车底盘集成化控制的发展要求。之后出现的电控制动系统实现了制动踏板机构与制动执行机构的解耦，主要有电子液压制动系统（EHB）与电子机械制动系统（EMB）两种，取消了制动踏板机构与制动执行机构之间的直接连接，以电线为信息传递媒介，电子控制单元根据相关传感器信号识别制动意图，控制制动执行机构动作，实现对各个车轮制动力的控制，具有不依赖真空助力装置、动态响应迅速、易于集成控制等优点，弥补了传统制动系统结构原理上的不足。
车辆在长时间持续制动、高强度制动或频繁制动时，制动盘或制动鼓温度会大幅度升高，使得摩擦因数下降、磨损程度加重，出现制动效能部分甚至全部损失的危险热衰退现象。虽然制动防抱死系统(ABS)、电子制动力分配系统(EBD)等的应用提高了车辆制动的稳定性和可靠性，但是它们对制动器的热衰退现象作用甚微。永磁式缓速器是辅助制动装置中的一种，具有非接触、体积小、质量轻、磁体温升低及节能环保等优点。但是，永磁式缓速器一般安装于变速器后面或主减速器前面，存在只作用于驱动轮且两侧驱动轮的制动力矩不可独立调节、装配相对困难及不适于与摩擦制动高质量集成控制等问题。
中国专利授权公告号为CN 102155508B文献中公开的“一种永磁制动与摩擦制动相组合的制动器及制动方法”，在原有摩擦制动装置的基础上增加一套永磁制动装置，所加的永磁制动装置由导磁板、导磁环、导磁套及永磁体构成且对称分布于制动盘两侧，通过液压或气压动力驱动永久磁铁轴向移动调节永久磁铁与制动盘的距离而实现对永磁制动转矩的控制。这种组合制动装置对原有摩擦制动装置改动小，易于实现，具有一定制动能量分流效果，但是其存在永磁制动与摩擦制动集成度较低，组合制动装置体积较大，永磁制动装置所能提供的制动转矩较小，永磁制动工作时磁力线空气间隙较大，使得磁效率较低，摩擦制动与永磁制动作用于同一个制动盘使得抗热衰退性能改善甚微，需要额外的液压或气压驱动装置，不适于与电控摩擦制动高质量集成控制等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有永磁制动与摩擦制动集成度低、永磁制动装置所能提供的制动转矩较小、永磁制动工作时磁力线空气间隙较大使得磁效率较低，不适于与电控摩擦制动高质量集成控制等问题而提出一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置。
为达到上述目的，本发明所述的集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置采取如下技术方案：本发明包括摩擦制动组件、永磁制动组件和集成制动盘，集成制动盘是左端敞口、右端面正中间同轴固定套有旋转轴的圆筒形，永磁制动组件包括支架座圈、固定磁铁支架、磁路引导架、固定磁铁、导磁极片、活动磁铁、活动磁铁支架、定子外壳和调节电机，集成制动盘的左端敞口处是与旋转轴通过滚针轴承相连接的圆盘形的定子外壳，集成制动盘的内部同轴套有一个左右两端都是敞口的圆筒形支架座圈，支架座圈外部同轴固定套有磁路引导架，支架座圈和磁路引导架的左端都与定子外壳固定连接；在磁路引导架侧壁内沿其圆周方向均匀嵌有若干个导磁极片，定子外壳、支架座圈和磁路引导架之间围成一个环形的空腔，该环形的空腔中设置固定磁铁、活动磁铁、固定磁铁支架和活动磁铁支架，活动磁铁支架和固定磁铁支架均是圆筒形状，分别沿轴向左右布置，活动磁铁支架通过轴承套在支架座圈外，固定磁铁支架固定套在支架座圈上，活动磁铁支架的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个活动磁铁，固定磁铁支架的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个固定磁铁，固定磁铁、活动磁铁和导磁极片的数量相同，一个活动磁铁和一个固定磁铁沿轴向左右布置，固定磁铁和活动磁铁均沿径向充磁，相邻两个固定磁铁的充磁方向相反，相邻两个活动磁铁的充磁方向相反，活动磁铁支架的左端通过斜齿与传动杆的右端相啮合，传动杆的左端固定连接调节电机的输出轴；初始位置时在轴向上正对着的固定磁铁和活动磁铁的充磁方向相反，永磁制动时调节电机带动活动磁铁转动使每个活动磁铁与轴向正对着的固定磁铁的充磁方向相同。
本发明采用上述技术方案后具有的积极效果是：
1、本发明集成了永磁缓速器与电控摩擦制动系统的功能与优点，利用非接触永磁制动分担制动能量，从而降低摩擦制动的磨损，提高车辆制动器的抗热衰退性能。
2、本发明的复合制动装置可以独立安装于车轮旁，可以安装于车轮原有摩擦制动器位置，且各个车轮摩擦制动转矩与永磁制动转矩都可独立调节，具有体积小、质量轻、能耗低、便于布置及适用于高质量集成控制等优点。
3、本发明的集成制动盘体内设有若干个充钠腔，利用金属钠的高比热容、高热导率特性，吸收部分制动能量，并加速传递制动产生的热量，从而提高车辆制动器的抗热衰退性能。
4、本发明的复合制动装置采用了一个行星齿轮机构，用于提高集成制动盘的转速，增加永磁制动所能产生的制动力矩，充分发挥无接触、低能耗的永磁制动的作用。
附图说明
图1为本发明所述的集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置的整体结构示意图；
图2为图1中集成制动盘7和通风叶片17的结构装配图；
图3为图1中永磁制动组件的局部结构放大图；
图4为图1中永磁制动组件的径向截面图；
图5为图4中永磁制动组件在非制动状态时的固定磁铁15、活动磁铁19、固定磁铁支架13和活动磁铁支架21的局部结构展开图；
图6为图4中永磁制动组件在制动状态时的固定磁铁15、活动磁铁19、固定磁铁支架13和活动磁铁支架21的局部结构展开图；
图7为图1所示的本发明工作时与车轮的装配结构示意图；
附图中：1、制动电机；2、制动钳体；3、丝杆；4、螺母；5、摩擦块；6、充钠腔；7、集成制动盘；8、齿圈；9、行星齿轮；10、太阳轮；11、旋转轴；12、支架座圈；13、固定磁铁支架；14、磁路引导架；15、固定磁铁；16、导磁极片；17、通风叶片；18、散热片；19、活动磁铁；20、中心通孔；21、活动磁铁支架；22、限位卡环；23、定子外壳；24、传动杆；25、调节电机；26、滑动销孔；27、环形的盘缘。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置包括：摩擦制动组件、永磁制动组件、集成制动盘7及行星齿轮机构，每部分都可以独立安装于各个车轮的轮边。
如图1、2所示，集成制动盘7是摩擦制动组件与永磁制动组件的中间连接体。集成制动盘7是圆筒形状，圆筒形状在轴向上的左端是敞口，右端面封闭，右端面的正中间开有中心通孔20，中心通孔20中同轴固定套有旋转轴11。集成制动盘7的侧壁内沿圆周均匀分布有若干个封闭的充钠腔6，充钠腔6内部填充金属钠，利用金属钠的高比热容和高热导率特性吸收一定量的车辆制动能量，同时当温度达到九十几度后，金属钠熔化为液体钠，当车轮转动时液体钠在充钠腔6内震荡，加快制动所产生热能的传递与散发。集成制动盘7右端的盘面外边缘沿径向向外延伸两个环形的盘缘27，两个环形的盘缘27在轴向之间留有空隙，形成环形空隙，在环形空隙中安装通风叶片17，通风叶片17与摩擦制动组件配合工作，提供摩擦制动转矩。
摩擦制动组件包括制动电机1、制动钳体2、丝杆螺母机构及摩擦片5。制动电机1是直流电机或步进电机，其壳体与制动钳体2固定连接，且通过滑动销孔26和相配合的滑动销与车桥活动连接。制动钳体2采用浮钳形式，其左端与制动电机1的壳体固定连接，右端固定连接一个摩擦片5。制动电机1的输出轴同轴固定连接丝杆3左端，丝杆3右端与螺母4相配合组成丝杆螺母机构，螺母4固定连接另一个摩擦片5，集成制动盘7的盘面最外边缘的两个环形的盘缘27伸在两个摩擦片5之间。制动电机1输出轴、丝杆3均与旋转轴11相平行，垂直于集成制动盘7的盘面。 摩擦制动组件工作时，制动电机1工作，通过丝杆螺母机构推动两个摩擦片5压向或移离集成制动盘7，从而实现对摩擦制动力矩的控制。
如图1、3、4所示，在集成制动盘7的圆筒形状的内部安装永磁制动组件，永磁制动组件包括支架座圈12、固定磁铁支架13、磁路引导架14、固定磁铁15、导磁极片16、活动磁铁19、活动磁铁支架21、定子外壳23、调节电机25。
在集成制动盘7圆筒形的内侧表面设有一毫米左右厚度的覆铜层，作为永磁制动组件的转子，与永磁制动组件配合工作，提供永磁制动转矩。在集成制动盘7的左端敞口处安装圆盘形状的定子外壳23，两者之间安装密封圈，使得永磁制动组件相对密封。定子外壳23左端面与集成制动盘7的左端平齐。定子外壳23的正中间套在旋转轴11外，与旋转轴11之间通过滚针轴承相连接，并且定子外壳23与车桥固定连接，是固定不动的部件。定子外壳23由非磁性材料制成。
在集成制动盘7的内部同轴套有一个圆筒形状的支架座圈12，支架座圈12外部同轴套有磁路引导架14。支架座圈12是左右两端都是敞口的圆筒形。磁路引导架14的左端是敞口，右端面通过中心通孔固定套在支架座圈12上，磁路引导架14的轴向截面成L型。支架座圈12和磁路引导架14的左端都与定子外壳23固定连接，支架座圈12的左端也可直接与定子外壳23铸为一体。支架座圈12和磁路引导架14的右端面相平齐，并且与集成制动盘7的右端面之间留有1mm左右的轴向间隙。磁路引导架14的外径等于定子外壳23的外径。支架座圈12和磁路引导架14都由非磁性材料制成。
如图3、4所示，在磁路引导架14的侧壁内沿其圆周方向均匀嵌有若干个高导磁材料制成的导磁极片16，导磁极片16浇铸在磁路引导架14上。导磁极片16内外径与磁路引导架14的侧壁内外径对应相等。
定子外壳23、支架座圈12和磁路引导架14之间围成一个环形的空腔，在该环形的空腔中设置固定磁铁15、活动磁铁19、固定磁铁支架13、活动磁铁支架21。其中，活动磁铁支架21和固定磁铁支架13均是圆筒形状，分别沿轴向左、右布置。活动磁铁支架21由导磁材料制成，通过滚针轴承与支架座圈12活动连接，套在支架座圈12外。固定磁铁支架13由导磁材料制成，固定套在支架座圈12上，与支架座圈12过盈配合，并通过定位销与磁路引导架14固定连接。活动磁铁支架21的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个活动磁铁19，固定磁铁支架13的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个固定磁铁15，使活动磁铁19和固定磁铁15沿轴向左、右布置。固定磁铁15、活动磁铁19、导磁极片16三者的数量相同，导磁极片16在径向上正对着固定磁铁15和活动磁铁19，固定磁铁15和活动磁铁19在轴向上一一对应地布置，在轴向上，一个固定磁铁15正对着一个活动磁铁19。导磁极片16的轴向长度是固定磁铁15与活动磁铁19的轴向长度之和。在径向截面上，导磁极片16所占的圆弧度数与固定磁铁15、活动磁铁19所占的圆弧度数均相等。固定磁铁15、活动磁铁19与导磁极片16之间留有径向气隙，固定磁铁15与磁路引导架14之间留有轴向气隙。
固定磁铁15为高性能永久磁铁，沿集成制动盘7的直径方向充磁，并且相邻两个固定磁铁15的充磁方向相反，所有的固定磁铁15沿圆周方向上按照“N-S-N-S”的磁极排列方式均匀布置。活动磁铁19为高性能永久磁铁，也沿集成制动盘7的直径方向充磁，并且相邻两个活动磁铁19的充磁方向相反，所有的活动磁铁19沿圆周方向上按照“S-N-S-N”的磁极排列方式均匀布置，如图4所示，这样，当永磁制动组件在初始位置，即非工作状态时，在轴向上正对着的一个固定磁铁15和一个活动磁铁19的充磁方向相反。
在活动磁铁支架21的左端加工有一圈斜齿，该斜齿与传动杆24的右端相啮合，传动杆24的左端同轴心固定连接调节电机25的输出轴，传动杆24与旋转轴11相平行，调节电机25为步进电机，其壳体与定子外壳23固定连接，调节电机25工作，可以带动传动杆24、活动磁铁支架21以及活动磁铁19转动一定角度，改变固定磁铁支架13与活动磁铁支架21的相对位置，从而改变固定磁铁15与活动磁铁19之间的磁通路，调节实际参与工作的磁铁在圆周方向的宽度从而控制永磁制动力矩。
在活动磁铁支架21上设有一个限位卡环22，限制活动磁铁支架21轴向移动。在定子外壳23上还设有活动磁铁支架21转动的初始限位凸点和终止限位凸点，用于限制活动磁铁支架21的转动角度范围。在定子外壳23上还设有角度传感器，用于检测活动磁铁支架21的转动角度。
永磁制动组件的制动力矩调节主要是依靠固定磁铁15、活动磁铁19与集成制动盘7之间导磁极片16的磁屏蔽作用和非磁性材料的磁阻隔作用实现的。当永磁制动组件工作时，调节电机25工作，带动活动磁铁支架21转动一定角度，从而改变活动磁铁19与固定磁铁15之间的磁通路，使得通过集成制动盘7的磁通量发生变化而改变永磁制动力矩。
如图5所示，在初始位置时，永磁制动组件不需要提供制动力矩，每个活动磁铁19与轴向相对的一个固定磁铁15的充磁方向相反，极性相反，参见图5中虚线框中的一对磁铁。由于磁路引导架14是非磁性材料的阻隔作用，全部的磁场回路屏蔽在导磁极片16内，不经过集成制动盘7，从而不产生永磁制动力矩。当需要提供永磁制动力矩时，永磁制动组件工作，调节电机25工作，带动活动磁铁支架21转动至设定的最大角度，如图6所示，当活动磁铁支架21转动达到最大角度时，此时每个活动磁铁19与轴向正对着的固定磁铁15的充磁方向相同，极性相同，参见图6中虚线框中的一对磁铁，此时，活动磁铁19与固定磁铁15产生的磁场回路经过第一对固定磁铁15和活动磁铁19、第一个导磁极片16、集成制动盘7、相邻的第二个导磁极片16、相邻的第二对固定磁铁15和活动磁铁19构成回路，
这样可以通过电涡流作用在集成制动盘7上产生一个与其旋转方向相反的制动力矩，对集成制动盘7及车轮实施制动作用，从而产生最大永磁制动力矩。通过控制调节电机25的输入脉冲信号，可以实现对永磁制动力矩的无级调节。
支架座圈12内部安装行星齿轮机构，用于提高集成制动盘7的转速，增加永磁制动所能产生的制动力矩。行星齿轮机构包括太阳轮10、齿圈8、行星齿轮9及行星架。集成制动盘7是摩擦制动与永磁制动的结合体，与太阳轮10同轴安装，两者通过花键毂连接，并且太阳轮10通过滚针轴承与旋转轴11活动连接。齿圈8与旋转轴11通过花键固定连接。行星齿轮9位于行星架上，而行星架与定子外壳23固定连接。当旋转轴11转动时，旋转轴11带动齿圈8转动，齿圈8通过行星架上的行星齿轮9将动力传递至太阳轮10，从而太阳轮10带动集成制动盘7转动，实现增加集成制动盘7转速的目的。
在集成制动盘7的外侧表面上设有螺旋状散热片18，便于空气经过而带走集成制动盘7的热量。因此，集成制动盘7具有很好的吸热、散热效果，可以提高所提集成制动器的抗热衰退性能。
如图7所示，图1所示的本发明所述的集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置1-3安装时，安装在车轮旁边，车轮包括轮胎1-1和轮毂1-2，车轮的中心轴与图1中的旋转轴11同轴固定安装。集成制动盘7将获得的摩擦制动转矩与永磁制动转矩通过行星齿轮机构传递至旋转轴11，由旋转轴11对车轮实施制动。
Claims (10)
1.一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，包括摩擦制动组件、永磁制动组件和集成制动盘（7），其特征是：集成制动盘（7）是左端敞口、右端面正中间同轴固定套有旋转轴（11）的圆筒形，永磁制动组件包括支架座圈（12）、固定磁铁支架（13）、磁路引导架（14）、固定磁铁（15）、导磁极片（16）、活动磁铁（19）、活动磁铁支架（21）、定子外壳（23）和调节电机（25），集成制动盘（7）的左端敞口处是与旋转轴（11）通过轴承相连接的圆盘形的定子外壳（23），集成制动盘（7）的内部同轴套有一个左右两端都是敞口的圆筒形支架座圈（12），支架座圈（12）外部同轴固定套有磁路引导架（14），支架座圈（12）和磁路引导架（14）的左端都与定子外壳（23）固定连接；在磁路引导架（14）侧壁内沿其圆周方向均匀嵌有若干个导磁极片（16），定子外壳（23）、支架座圈（12）和磁路引导架（14）之间围成一个环形的空腔，该环形的空腔中设置固定磁铁（15）、活动磁铁（19）、固定磁铁支架（13）和活动磁铁支架（21），活动磁铁支架（21）和固定磁铁支架（13）均是圆筒形状，分别沿轴向左、右布置，活动磁铁支架（21）通过滚针轴承套在支架座圈（12）外，固定磁铁支架（13）固定套在支架座圈（12）上，活动磁铁支架（21）的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个活动磁铁（19），固定磁铁支架（13）的外壁上沿其圆周方向均匀固定连接若干个固定磁铁（15），固定磁铁（15）、活动磁铁（19）和导磁极片（16）的数量相同，一个活动磁铁（19）和一个固定磁铁（15）沿轴向左右布置，固定磁铁（15）和活动磁铁（19）均沿径向充磁，相邻两个固定磁铁（15）的充磁方向相反，相邻两个活动磁铁（19）的充磁方向相反，活动磁铁支架（21）的左端通过斜齿与传动杆（24）的右端相啮合，传动杆（24）的左端固定连接调节电机（25）的输出轴；初始位置时在轴向上正对着的固定磁铁（15）和活动磁铁（19）的充磁方向相反，永磁制动时调节电机（25）带动活动磁铁（19）转动使每个活动磁铁（19）与轴向正对着的固定磁铁（15）的充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：支架座圈（12）内部设有行星齿轮机构，行星齿轮机构包括太阳轮（10）、齿圈（8）、行星齿轮（9）及行星架，太阳轮（10）与旋转轴（11）活动连接，齿圈（8）与旋转轴（11）固定连接，行星齿轮（9）位于行星架上，行星架与定子外壳（23）固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：集成制动盘（7）的侧壁内沿圆周均匀分布有若干个封闭的充钠腔（6），充钠腔（6）内部填充金属钠。
4.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：集成制动盘（7）圆筒形的内侧表面设有覆铜层。
5.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：定子外壳（23）与集成制动盘（7）之间装有密封圈，定子外壳（23）左端面与集成制动盘（7）的左端平齐，支架座圈（12）和磁路引导架（14）的右端面相平齐且与集成制动盘（7）的右端面之间留有轴向间隙，磁路引导架（14）的外径等于定子外壳（23）的外径。
6.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：导磁极片（16）的轴向长度是固定磁铁（15）与活动磁铁（19）的轴向长度之和，导磁极片（16）所占的圆弧度数与固定磁铁（15）、活动磁铁（19）所占的圆弧度数均相等。
7.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：固定磁铁（15）、活动磁铁（19）与导磁极片（16）之间留有径向气隙，固定磁铁（15）与磁路引导架（14）之间留有轴向气隙。
8.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：集成制动盘（7）的外侧表面上设有螺旋状散热片（18）。
9.根据权利要求1所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：集成制动盘（7）右端的盘面外边缘沿径向向外延伸两个环形的盘缘（27），两个环形的盘缘（27）在轴向之间形成环形空隙，在环形空隙中设有通风叶片（17）。
10.根据权利要求9所述的一种集成永磁制动与摩擦制动的车辆轮边复合制动装置，其特征是：摩擦制动组件包括制动电机（1）、制动钳体（2）、丝杆螺母机构及摩擦片（5），制动钳体（2）左端与制动电机（1）的壳体固定连接、右端固定连接一个摩擦片（5），制动电机（1）的输出轴同轴固定连接丝杆（3）左端，丝杆（3）右端与螺母（4）相配合，螺母（4）固定连接另一个摩擦片（5），所述的两个环形的盘缘（27）伸在两个摩擦片（5）之间。
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