CN109733366A - 一种新型电磁楔式制动结构及制动电能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电磁楔式制动结构及制动电能控制方法，通过悬架部件一端通过弹簧依次与旋转杆件、电机的旋转轴连接，所述旋转杆件上还装有电磁装置；所述楔块组合一部分固定安装在制动钳的一端内侧，另一部分与所述电磁装置配合，所述制动钳的另一端内侧设置摩擦片，本发明利用电磁扭矩、电机转矩以及楔块推力进行耦合制动，并且基于电磁楔式制动结构的基础上，设计一种新的能量管理方法，以便降低电动汽车制动能耗。

Description

一种新型电磁楔式制动结构及制动电能控制方法

技术领域

本发明属于电磁制动技术领域，尤其涉及一种新型电磁楔式制动结构及制动电能控制方法。

背景技术

现有的线控制动主要分为电子液压制动(EHB)和机电结合式制动，其中机电结合式制动又分为电子机械制动(EMB)和电子楔式制动(EWB)。EMB和EWB的工作原理都是采用电机作为动力源，通过滚珠丝杆结构将电机的扭矩转化为推力，推动摩擦衬片与制动盘进行制动。在EMB制动系统中，通常采用齿轮减速机构与电机相连，起到减速增扭的作用，从而增大转换后的推力，使得制动力的大小能够满足制动要求。而EWB结构采用楔式结构代替齿轮减速机构，当滚珠丝杆机构将电机扭矩转化为推力后，直接由楔式结构放大推力，使得制动力能够满足要求。

EMB和EWB将扭矩转化为推力的过程与摩擦片摩擦制动是相互独立的两个过程，制动力控制复杂，并且两者都是依靠电机作为制动动力源，由蓄电池供电，对电动汽车的整车产生一定的能耗，从而会影响电动汽车的行驶里程。并且，由于制动系统在车轮内的安装空间有限，制动电机的体积不能太大，因此会限制电机的最大扭矩，提供的制动力较小，只能应用在后轴制动。因此本发明设计一种电磁楔式制动器，采用电磁装置和楔块装置进行“扭矩——推力”的耦合制动，并且设计了电磁楔式制动系统的能连管理方法，降低电磁楔式制动系统对于电动汽车整车能源的消耗。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种新型电磁楔式制动结构及制动电能控制方法，利用电磁扭矩、电机转矩以及楔块推力进行耦合制动，并且基于电磁楔式制动结构的基础上，设计一种新的能量管理方法，以便降低电动汽车制动能耗。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型电磁楔式制动结构，包括电机、制动盘、悬架部件、楔块组合和制动钳，所述悬架部件一端通过弹簧依次与旋转杆件、电机的旋转轴连接，所述旋转杆件上还装有电磁装置；所述楔块组合一部分固定安装在制动钳的一端内侧，另一部分与所述电磁装置配合，所述制动钳的另一端内侧设置摩擦片，所述电磁装置连接制动控制器；通过电磁装置、楔块组合、电机和摩擦片的共同协作，实现制动与制动消除；

进一步，所述楔块组合包括楔块和联合楔块，所述联合楔块固定在制动钳的内侧，楔块的斜面与联合楔块的斜面配合，所述楔块的上端与电磁装置之间通过可滑动的连接杆件实现连接；

进一步，所述电磁装置与电机连接蓄电池，通过蓄电池为二者工作提供电能；

一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，

制动控制器发出制动力分配策略，计算出后轴电磁装置所需电能W_d；将所需电能W_d与后轴电磁装置最大承受电能W_dmax作比较，

若所需电能W_d小于W_dmax，则调用电制动回收的电能W_v配合蓄电池提供制动所需的电能W_d；

若所需电能W_d大于W_dmax，则由电制动回收的电能W_v、蓄电池以及电机配合提供制动所需的电能W_d；

进一步，当调用电制动回收的电能W_v配合蓄电池提供制动所需的电能时：

若W_v大于等于W_d，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_v提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若W_v小于W_d，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电；

进一步，当由电制动回收的电能W_v、蓄电池以及电机提供制动所需的电能时，此时由W_v配合蓄电池提供W_dmax的电能，剩余(W_d-W_dmax)的电能由电机提供扭矩进行补偿；

进一步，若W_v大于等于W_dmax，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_v提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若W_v小于W_dmax，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电；

进一步，计算后轴电磁装置所需电能W_d的方法为：W_d＝I²·R_I·Δt；其中，I为电磁装置3中在Δt时间内的平均电流，R_I为电磁装置各自的电阻，Δt为制动系统的计算时间；

进一步，所述汽车电制动回收的能量W_v表示为：其中，I_v为Δt时间内电制动回收电能所等效的电流，R_v为电制动电路的等效电阻；

本发明的有益效果：

(1)本发明设计采用“扭矩——推力”耦合制动的方式，即制动摩擦力由电磁装置以及电机的扭矩和楔块装置的推力构成，控制更为简单，相比于原有的EWB制动结构以及电杆直驱电子楔式结构，本发明的结构更紧凑，能够减少安装空间。

(2)针对现有的电杆直驱电子楔式制动结构中存在铁芯和衔铁之间的间隙过大，会限制其制动力的大小，并且所有的制动动力均来自电磁装置，使得电磁装置负荷过大。本发明设计的电磁楔式制动结构能够解决电磁间隙的问题，并且采用电磁与电机作为制动动力源，能够减少电磁装置的负荷。

(3)本发明设计基于电磁楔式的基础上，设计了一种制动能量管理方法，将再生制动回收的能量直接用于电磁楔式制动器中的电磁装置，能够降低制动能耗，从而增加电动汽车的行驶里程。

附图说明

图1是本发明电磁楔式制动器结构简图；

图2是本发明电磁楔式制动器电机转轴放大图；

图3是本发明楔块结构示意图；

图4是本发明电磁装置结构局部示意图；

图5是本发明电磁楔式制动原理示意图；

图6是本发明电磁楔式制动电能管理方法流程图；

图7是本发明电磁楔式制动结构解除制动流程图；

图中，1、电机，2、制动盘，3、电磁装置，4、旋转杆件，5、悬架部件，6、花键，7、弹簧，8、旋转轴，9、花键槽，10、联合楔块，11、楔块，12、制动钳，13、摩擦片，14、连接杆件，15、滑轮，16、凹槽，17、滑轮，18、凹槽。

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所示，本发明提供了一种新型电磁楔式制动结构，左端为固定的悬架5，悬架5的右端通过弹簧7与旋转杆件4左端连接，如图2，旋转杆件4的右端中间设置有花键6，伺服电机1的旋转轴8上开有与花键6对应的花键槽9，通过花键6与花键槽9配合，实现电机1与旋转杆件4的连接；在旋转杆件4上套装有电磁装置3，如图3、4，下端的电磁装置3上开有凹槽18，对应下端的联合楔块10上也开有凹槽16，通过连接杆件14两端分别设置滑轮17和15，并且设置滑轮17的一端位于电磁装置3上开有凹槽18内，设置滑轮15的另一端位于联合楔块10上的凹槽16内，联合楔块10的斜面与楔块11的斜面贴合，楔块11固定安装在制动钳12的左侧内端面，联合楔块10的右端面正对着制动盘2，在制动钳12的右侧内端面上设置一个摩擦片13，且电磁装置3连接制动控制器，电磁装置3与电机1连接蓄电池，通过蓄电池为二者工作提供电能。

如图5所示，本发明实现制动具体过程为：

当驾驶人员发出制动命令时，制动控制器计算出制动所需要的摩擦力矩并传递给制动系统部件去获取，此时，蓄电池给电磁装置3供电，电磁装置3产生磁性吸引制动盘2，直至与制动盘2吸合，此时制动盘2带动旋转杆件4、电磁装置3以及弹簧7旋转，通过电磁装置3与联合楔块10之间的连接杆件14，在电磁装置3旋转的过程中推动联合楔块10沿着楔块11向下移动从而靠近制动盘2，同时楔块10会推动楔块11产生一个远离制动盘2的运动，楔块11会通过制动钳12带动摩擦片13向制动盘2靠近，从而使得摩擦片13和楔块10同时对制动盘2进行摩擦制动实现制动。

当电磁装置3转过一定角度，带动连接杆件14推动楔块10移动时，楔块10也会对连接杆件14产生一个阻力，并传递到电磁装置3上，从而限制电磁装置3带动旋转杆件4旋转的角度。随着电流的增大，该角度会增大，因此联合楔块10和摩擦片13提供的摩擦扭矩也会增大，当电磁装置3通入的电流达到最大值，电磁装置3带动旋转杆件4转动的角度不再变化，而此时仍未达到制动的要求，则通过电机1旋转，带动旋转杆件4，伺服电机1利用其自有的抱闸功能，联合楔块10产生的阻力，对电磁装置3带动旋转杆件4旋转的角度进行控制，因此，由楔块10所能移动的距离以及电机1的抱闸特性，将旋转杆件4转动的角度控制在较小的范围内(0至30度之间)。当电磁装置3中的电流达到最大值时，电磁装置提供的摩擦扭矩达到最大不再变化，此时由电机1对旋转杆件4提供一个旋转扭矩，使得旋转杆件4能够进一步的推动楔块10移动，进一步增大楔块10以及摩擦片13对制动盘2的摩擦扭矩，从而实现制动。

如图6所示，解除制动的过程如下：

若制动的过程有电机1参与，则电机1反转对旋转杆件4施加一个与其方向相反的扭矩，减小旋转杆件4转动的角度，当电机旋转复位后电机电流降低为0；同时逐渐减小电磁装置3中的电流，电磁装置3通过连接杆件14减小楔块10和制动盘2的摩擦力，帮助旋转杆件4和楔块10的复原。当电磁装置3中电流为0时，电机1不再提供扭矩，旋转杆件4回复至原状，由于旋转轴8上的花键槽9不设置相关结构固定花键6，花键6只要受到旋转轴8径向方向的力，便能够在花键槽9内移动，此时由弹簧7将旋转杆件4拉回原状，旋转杆件4带动电磁装置3回复至原状，电磁装置3通过连接杆件13带动楔块10与制动盘2分离。此时制动力为0，即完全解除制动的状态。

如图7所示，结合本发明所提出的制动结构，本发明还提出了一种新型电磁楔式制动电能控制方法，具体如下：

制动控制器发出制动力分配策略，计算出后轴电磁装置所需电能W_d；将所需电能W_d与后轴电磁装置最大承受电能W_dmax作比较，

若所需电能W_d小于W_dmax，且电制动回收的电能W_d大于等于W_d，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_d提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若所需电能W_d小于W_dmax，且W_v小于W_d，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电。

若所需电能W_d大于W_dmax，由W_v配合蓄电池提供W_dmax大小的电能，剩余(W_d-W_dmax)的电能由电机提供扭矩进行补偿。

由W_v配合蓄电池提供W_dmax大小的电能时，若W_v大于等于W_dmax，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_v提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若W_v小于W_dmax，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电。

本发明设计的电磁楔式制动系统的制动力矩由电磁摩擦力矩和楔块摩擦力矩组成，即制动力矩＝电磁摩擦力矩+楔块摩擦力矩，可由如下计算公式所表示：

其中，T为电动汽车后轴电磁楔式制动器的制动力矩，μ₁为电磁装置3与制动盘之间的摩擦系数，为电磁装置3中的瞬时电流，C为电磁装置3的结构参数，R为制动有效半径，μ₁为楔块10以及摩擦片13与制动盘2的摩擦系数，α为楔块10中最小的角度，在0至45度之间，T_p为电机1的转矩，η₁为电机1的转矩传递到旋转杆件4的效率。

由于电动汽车制动是一个连续的过程，因此可以看成由若干个制动系统的计算时间Δ组成的一个连续的制动过程。假定汽车在某段时间Δt内进行制动，t₁为Δt时间的初始时刻，t₂为Δt时间的末尾时刻，车速变化为Δv，则汽车在这个计算时间内电磁装置3所需的电能为：

W_d＝I²·R_I·Δt (2)

其中，I为电磁装置3中在Δt时间内的平均电流，R_I为电磁装置3各自的电阻。由于电动汽车制动系统的计算时间Δt可以认为是无限短，因此式(1)可做如下变换：

其中，I为电磁装置3中在Δt时间内的平均电流，与式(2)中的I相同。

在该Δt时间内，汽车电制动回收的能量为：

其中，W_v为电制动在Δt内回收的电能，m为汽车整车的质量，v₁为电动汽车制动系统计算时间Δt初始时刻的速度，v₂为电动汽车制动系统计算时间Δt末尾时刻的速度，η₂为电制动能量回收的效率。并且式(4)可以等效为：

其中，I_v为Δt时间内电制动回收电能所等效的电流，R_v为电制动电路的等效电阻。

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 (9)

1.一种新型电磁楔式制动结构，其特征在于，包括电机(1)、制动盘(2)、悬架部件(5)、楔块组合和制动钳(12)，所述悬架部件(5)一端通过弹簧(7)依次与旋转杆件(4)、电机(1)的旋转轴(8)连接，所述旋转杆件(4)上还装有电磁装置(3)；所述楔块组合一部分固定安装在制动钳(12)的一端内侧，另一部分与所述电磁装置(3)配合，所述制动钳(12)的另一端内侧设置摩擦片(13)，所述电磁装置(3)连接制动控制器；通过电磁装置(3)、楔块组合、电机(1)和摩擦片(13)的共同协作，实现制动与制动解除。

2.根据权利要求1所述的一种新型电磁楔式制动结构，其特征在于，所述楔块组合包括楔块(10)和联合楔块(11)，所述联合楔块(11)固定在制动钳(12)的内侧，楔块(10)的斜面与联合楔块(11)的斜面配合，所述楔块(10)的上端与电磁装置(3)之间通过可滑动的连接杆件14实现连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型电磁楔式制动结构，其特征在于，所述电磁装置(3)与电机(1)连接蓄电池。

4.一种如权利要求1所述的新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，制动控制器发出制动力分配策略，计算出后轴电磁装置所需电能W_d；将所需电能W_d与后轴电磁装置最大承受电能W_dmax作比较，

若所需电能W_d小于W_dmax，则调用电制动回收的电能W_v配合蓄电池提供制动所需的电能W_d；

若所需电能W_d大于W_dmax，则由电制动回收的电能W_v、蓄电池以及电机(1)配合提供制动所需的电能W_d。

5.根据权利要求4所述的一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，当调用电制动回收的电能W_v配合蓄电池提供制动所需的电能时：

若W_v大于等于W_d，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_v提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若W_v小于W_d，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电。

6.根据权利要求4所述的一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，当由电制动回收的电能W_v、蓄电池以及电机(1)提供制动所需的电能时，此时由W_v配合蓄电池提供W_dmax的电能，剩余W_d-W_dmax的电能由电机提供扭矩进行补偿。

7.根据权利要求6所述的一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，若W_v大于等于W_dmax，则电磁装置所需电能完全由电制动回收的电能W_v提供，并且将多余的电能储存在蓄电池中；若W_v小于W_dmax，则电制动回收的电能W_v和蓄电池联合给电磁装置供电。

8.根据权利要求4或5所述的一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，计算后轴电磁装置所需电能W_d的方法为：W_d＝I²·R_I·Δt；其中，I为电磁装置(3)中在Δt时间内的平均电流，R_I为电磁装置(3)各自的电阻，Δt为制动系统的计算时间。

9.根据权利要求4至7中任意一项权利要求所述的一种新型电磁楔式制动结构的电能控制方法，其特征在于，所述汽车电制动回收的能量W_v表示为：其中，I_v为Δt时间内电制动回收电能所等效的电流，R_v为电制动电路的等效电阻。