CN109878486B - 一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，包括有制动踏板、踏板力液压缸、助力阀、制动主缸、储液罐、助力电机、蜗杆、蜗轮、液压控制单元和电控单元，其中制动踏板通过踏板推杆与踏板力液压缸中的第一活塞相连接，踏板力液压缸的后端通过管路与助力阀的前端相连接，助力阀的后端与制动主缸的前端相连接，储液罐通过管路与踏板力液压缸和制动主缸的内腔相连通，助力电机与蜗杆相连接并驱使蜗杆的运动，蜗杆与蜗轮相啮合带动蜗轮转动，有益效果：能够实施主动制动、失效备份和制动能量回收等功能，还能有效集成电子稳定程序(ESP)、自适应巡航控制(ACC)等主动控制技术，实现车辆智能化控制。

Description

一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统

本发明涉及一种电动助力制动系统，特别涉及一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统。

背景技术

目前，汽车智能化、电动化是未来的主要发展趋势，传统的真空助力器式液压制动系统已经不能满足要求。近年来，以电子液压制动系统(EHB)，电子机械制动系统(EMB)，电动助力制动系统为代表的线控制动系统得到了很大发展。电子液压制动系统(EHB)因需要高压蓄能液罐及额外的备份液压系统，系统结构不是很紧凑，且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，使用寿命受到影响；电子机械制动系统(EMB)不需要制动液及液压管路，其制动响应速度快，但失效防护能力难以获得汽车制造商的信赖，且EMB无法继续使用传统的制动器，需要开发新式制动器及使用高性能电源，制造成本较高。

电动助力制动系统可以实现制动踏板与主缸之间的部分解耦或者完全解耦，保证车辆在实现制动能量回收的同时也具有良好的踏板感觉。同时，电动助力制动系统通过控制电机可以实现变助力比功能，通过与雷达、摄像头等传感器配合工作，也可以实现紧急情况下的自动制动。总结来说，开发电动助力制动系统及其控制方法是汽车制动系统智能化、电动化的主流方向。

但目前电动助力制动系统也存在一些问题，驾驶员踏板力和电机助力通过反馈盘耦合，利用位移差传感器采集反馈盘内外圈形变差来控制助力大小，控制算法较复杂。而且需要借助踏板感觉模拟器实现解耦，结构复杂且踏板感觉与真实状态有差异。此外，在失效备份模式下，一些采用踏板感觉模拟器的结构需要驾驶员克服制动踏板及弹簧的空行程后，才能推动主缸推杆在主缸内建压，这段空行程内制动系统制动力很小或无制动力，在高速工况下很容易发生危险。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前汽车行业中所用的电动助力制动系统在使用过程中存在的诸多问题而提供的一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统。

本发明提供的液压与机械力耦合的电动助力制动系统包括有制动踏板、踏板力液压缸、助力阀、制动主缸、储液罐、助力电机、蜗杆、蜗轮、液压控制单元和电控单元，其中制动踏板通过踏板推杆与踏板力液压缸中的第一活塞相连接，踏板力液压缸的后端通过管路与助力阀的前端相连接，助力阀的后端与制动主缸的前端相连接，储液罐通过管路与踏板力液压缸和制动主缸的内腔相连通，助力电机与蜗杆相连接并驱使蜗杆的运动，蜗杆与蜗轮相啮合带动蜗轮转动，蜗轮上固连有齿轮，齿轮与蜗轮同步转动，助力阀的底部设有齿条，齿轮与齿条相啮合从而带动助力阀进行运动，液压控制单元与制动主缸相连接，电控单元与助力电机和液压控制单元相连接并控制助力电机和液压控制单元的工作。

踏板推杆上装配有踏板行程传感器，踏板行程传感器与电控单元相连接，踏板行程传感器能够把踏板推杆的实时位移数据传输给电控单元。

踏板力液压缸中的第一活塞后部设有第一回位弹簧，踏板力液压缸后端的出液口通过管路与助力阀前端的进液口相连通，踏板力液压缸与助力阀之间的连通管为橡胶管。

助力阀的内腔中装配有阀芯，阀芯为中空结构，阀芯的侧壁上开设有通孔用于液压油的通路，阀芯内套设有第二回位弹簧。

制动主缸内设置有主缸推杆、第二活塞、第三活塞和第四活塞，其中主缸推杆的前端螺接在助力阀内腔的后端，主缸推杆的后部插设在第二活塞内，主缸推杆与第二活塞相固连，主缸推杆为中空的，助力阀内腔中的液压油能够从主缸推杆的中空部位流入到第二活塞后部制动主缸的内腔中，第三活塞和第四活塞依次装配在第二活塞后部的制动主缸的内腔中，第二活塞和第三活塞之间形成有第一工作腔，第三活塞和第四活塞之间形成有第二工作腔，第四活塞后部形成有第三工作腔，第二工作腔中装配有第三回位弹簧，第三工作腔中装配有第四回位弹簧，储液罐通过管路分别与第一工作腔、第二工作腔和第三工作腔相连通，储液罐与第一工作腔的连接管路上装配有第一电磁阀和直通溢流阀，第一电磁阀与电控单元相连接并由电控单元控制开合，第二工作腔和第三工作腔通过管路与液压控制单元相连通，其中第二工作腔与液压控制单元的连接管路上装配有液压力传感器，液压力传感器与电控单元相连接，液压力传感器能够把液压力的数据实时传输给电控单元。

储液罐与踏板力液压缸之间的连接管路上设有第二电磁阀，第二电磁阀与电控单元相连接并由电控单元控制开合。

液压控制单元的下部连接有四个制动轮缸，液压控制单元控制四个制动轮缸的工作。

上述的助力电机、液压控制单元、电控单元、踏板行程传感器、第一电磁阀、直通溢流阀、液压力传感器和第二电磁阀均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的液压与机械力耦合的电动助力制动系统，包括有电动助力制动、主动制动及失效备份三种工作模式，具体如下所述：

一、电动助力制动功能：

当系统处于电动助力制动模式时，以制动踏板所在方向为前方，制动主缸所在方向为后方，驾驶员踩下制动踏板，推动踏板推杆向后平动，踏板推杆推动第一活塞向后移动，由于踏板力液压缸、助力阀和制动主缸中的第一工作腔内均充满液压油，踏板力液压缸产生的液压力迅速作用于助力阀内的阀芯上，推动阀芯向后平动，液压油通过阀芯侧壁通孔及阀芯内部孔道向后流动，进而通过主缸推杆内腔进入到制动主缸第一工作腔，推动第三活塞向后平动，实现踏板力给制动主缸建压。

驾驶员踩下制动踏板的同时踏板行程传感器采集到踏板推杆的位移量，将位移量信号发送给电控单元,电控单元将位移量信号处理，分析驾驶员的制动意图，根据助力特性曲线得出助力电机需要的助力值，并将控制指令发送给助力电机，助力电机根据指令产生响应的转矩和转速，助力电机输出轴带动蜗杆驱使蜗轮转动，蜗轮带动与其固联的齿轮转动，固联齿轮通过助力阀下部的齿条带动助力阀向后平动，推动主缸推杆与第二活塞，进而推动充满液压油的制动主缸第一工作腔、第三活塞实现制动主缸电动助力建压。

此过程第一电磁阀和第二电磁阀均处于断电状态。电动助力模式下实现了驾驶员踩制动踏板推动踏板力液压缸产生的液压力与电机助力的机械力的耦合。

驾驶员松开制动踏板时，第一电磁阀和第二电磁阀通电，储液罐中的液压油通过第二电磁阀流回踏板力液压缸，制动主缸内腔中的第一工作腔中液压油通过第一电磁阀，经直通溢流阀流回储液罐，制动主缸内腔中的第一工作腔中的压力回到直通溢流阀限定的初始压力。

在电动助力制动模式下，由于本发明将驾驶员踩制动踏板的液压力与助力传动机构产生的机械助力在制动主缸内腔中的第一工作腔内耦合，在保证良好踏板感觉的基础上取消了反馈盘结构，从而使主动制动模式下的完全解耦成为可能；此外，当防抱死制动系统(ABS)启动时，本发明所述的电动助力制动系统不仅可以通过调节助力电机的输出转速与输出转矩对液压力进行调节，还可以通过液压控制单元实现对液压力的调节，从而优化ABS的响应时间和动态表现。

二、主动制动功能：

在驾驶员未踩下制动踏板时，如果车载环境感知传感器(如测速传感器、测距传感器、摄像头、雷达等)测量得知车辆与前方障碍物距离过短，电控单元接收到信息并判断必须采取制动措施防止发生碰撞或其他危险工况时，电动助力制动系统进入主动制动模式。

在主动制动模式下，电控单元对其他车载传感器传递的信号进行分析，判断车辆所需的主动制动力，通过控制电路向助力电机发送相应的控制指令，助力电机按指令带动蜗杆驱使蜗轮和固联齿轮转动，并通过齿条推动助力阀向右平动，从而推动主缸推杆带动制动主缸第二活塞、第一工作腔、第三活塞一起运动给制动主缸建压，实现线控化的主动制动。在主动制动模式下，一旦电控单元接受到踏板行程传感器的位移信号，系统立即切换为常规电动助力模式。

三、失效备份功能：

按照国家法规要求，制动系统失效或者某些制动部件发生故障时，制动系统仍要保证能够产生一定的制动强度以保证安全性和可靠性。

本发明提供的电动助力制动系统在助力电机或某个传动件发生故障时，第一电磁阀和第二电磁阀均处于断电状态。驾驶员仍能过踩制动踏板给踏板力液压缸建压，并通过助力阀推动阀芯通过主缸推杆通孔最终给制动主缸第一工作腔建压，从而推动第三活塞给制动主缸建压，实现失效备份功能。

本发明的有益效果：

本发明提供的液压与机械力耦合的电动助力制动系统取消了反馈盘结构,采用制动踏板推液压缸产生的液压力与电机助力产生的机械力耦合的方式，结构简单，简化了整个制动系统的控制算法。本发明采用电机驱动和机械结构传动，把电机的转动输出转化为平动输出，传动比大，传动效率高且结构紧凑，压力精确控制，响应迅速，能够在短时间内建立足够的制动压力，具备主动制动能力。本发明在失效备份模式下，由于取消了踏板感觉模拟器，因而没有空行程，响应速度快，工作更加可靠，驾驶员可通过制动踏板迅速建压实现车辆制动。本发明在踏板力液压缸与助力阀间采用橡胶管路连接，可实现踏板推杆与制动主缸不同轴布置，方便实车安装，踏板力液压缸与助力阀的轴向距离可动，易于外接设备进行测试实验。本发明的取消了踏板模拟器结构，实现人力与电机助力的解耦，可以提供与传统真空助力器相近的踏板感觉。本发明的电动助力制动系统能够实施主动制动、失效备份和制动能量回收等功能，还能有效集成电子稳定程序(ESP)、自适应巡航控制(ACC)等主动控制技术，实现车辆智能化控制。

附图说明

图1为本发明所述制动系统整体结构示意图。

图2为本发明所述助力阀结构示意图。

图3为本发明所述助力阀中阀芯结构示意图。

图4为本发明所述制动主缸及主缸推杆总成结构示意图。

上图中的标注如下：

1、制动踏板 2、踏板力液压缸 3、助力阀 4、制动主缸 5、储液罐

6、助力电机 7、蜗杆 8、蜗轮 9、液压控制单元 10、电控单元

11、踏板推杆 12、第一活塞 13、齿轮 14、齿条 15、踏板行程传感器

16、第一回位弹簧 17、连通管 18、阀芯 19、通孔 20、第二回位弹簧

21、主缸推杆 22、第二活塞 23、第三活塞 24、第四活塞

25、第一工作腔 26、第二工作腔 27、第三工作腔 28、第三回位弹簧

29、第四回位弹簧 30、第一电磁阀 31、直通溢流阀 32、液压力传感器

33、第二电磁阀 34、制动轮缸。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示：

本发明提供的液压与机械力耦合的电动助力制动系统包括有制动踏板1、踏板力液压缸2、助力阀3、制动主缸4、储液罐5、助力电机6、蜗杆7、蜗轮8、液压控制单元9和电控单元10，其中制动踏板1通过踏板推杆11与踏板力液压缸2中的第一活塞12相连接，踏板力液压缸2的后端通过管路与助力阀3的前端相连接，助力阀3的后端与制动主缸4的前端相连接，储液罐5通过管路与踏板力液压缸2和制动主缸4的内腔相连通，助力电机6与蜗杆7相连接并驱使蜗杆7的运动，蜗杆7与蜗轮8相啮合带动蜗轮8转动，蜗轮8上固连有齿轮13，齿轮13与蜗轮8同步转动，助力阀3的底部设有齿条14，齿轮13与齿条14相啮合从而带动助力阀3进行运动，液压控制单元9与制动主缸4相连接，电控单元10与助力电机6和液压控制单元9相连接并控制助力电机6和液压控制单元9的工作。

踏板推杆11上装配有踏板行程传感器15，踏板行程传感器15与电控单元10相连接，踏板行程传感器15能够把踏板推杆11的实时位移数据传输给电控单元10。

踏板力液压缸2中的第一活塞12后部设有第一回位弹簧16，踏板力液压缸2后端的出液口通过管路与助力阀3前端的进液口相连通，踏板力液压缸2与助力阀3之间的连通管17为橡胶管。

助力阀3的内腔中装配有阀芯18，阀芯18为中空结构，阀芯18的侧壁上开设有通孔19用于液压油的通路，阀芯18内套设有第二回位弹簧20。

制动主缸4内设置有主缸推杆21、第二活塞22、第三活塞23和第四活塞24，其中主缸推杆21的前端螺接在助力阀3内腔的后端，主缸推杆21的后部插设在第二活塞22内，主缸推杆21与第二活塞22相固连，主缸推杆21为中空的，助力阀3内腔中的液压油能够从主缸推杆21的中空部位流入到第二活塞22后部制动主缸4的内腔中，第三活塞23和第四活塞24依次装配在第二活塞22后部的制动主缸4的内腔中，第二活塞22和第三活塞23之间形成有第一工作腔25，第三活塞23和第四活塞24之间形成有第二工作腔26，第四活塞24后部形成有第三工作腔27，第二工作腔26中装配有第三回位弹簧28，第三工作腔27中装配有第四回位弹簧29，储液罐5通过管路分别与第一工作腔25、第二工作腔26和第三工作腔27相连通，储液罐5与第一工作腔25的连接管路上装配有第一电磁阀30和直通溢流阀31，第一电磁阀30与电控单元10相连接并由电控单元10控制开合，第二工作腔26和第三工作腔27通过管路与液压控制单元9相连通，其中第二工作腔26与液压控制单元9的连接管路上装配有液压力传感器32，液压力传感器32与电控单元10相连接，液压力传感器32能够把液压力的数据实时传输给电控单元10。

储液罐5与踏板力液压缸2之间的连接管路上设有第二电磁阀33，第二电磁阀33与电控单元10相连接并由电控单元10控制开合。

液压控制单元9的下部连接有四个制动轮缸34，液压控制单元9控制四个制动轮缸34的工作。

上述的助力电机6、液压控制单元9、电控单元10、踏板行程传感器15、第一电磁阀30、直通溢流阀31、液压力传感器32和第二电磁阀33均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的液压与机械力耦合的电动助力制动系统，包括有电动助力制动、主动制动及失效备份三种工作模式，具体如下所述：

一、电动助力制动功能：

当系统处于电动助力制动模式时，以制动踏板1所在方向为前方，制动主缸4所在方向为后方，驾驶员踩下制动踏板1，推动踏板推杆11向后平动，踏板推杆11推动第一活塞12向后移动，由于踏板力液压缸2、助力阀3和制动主缸4中的第一工作腔25内均充满液压油，踏板力液压缸2产生的液压力迅速作用于助力阀3内的阀芯18上，推动阀芯18向后平动，液压油通过阀芯18侧壁通孔19及阀芯18内部孔道向后流动，进而通过主缸推杆21内腔进入到制动主缸4的第一工作腔25，推动第三活塞23向后平动，实现踏板力给制动主缸4建压。

驾驶员踩下制动踏板1的同时踏板行程传感器15采集到踏板推杆11的位移量，将位移量信号发送给电控单元10,电控单元10将位移量信号处理，分析驾驶员的制动意图，根据助力特性曲线得出助力电机6需要的助力值，并将控制指令发送给助力电机6，助力电机6根据指令产生响应的转矩和转速，助力电机6输出轴带动蜗杆7驱使蜗轮8转动，蜗轮8带动与其固联的齿轮13转动，固联齿轮13通过助力阀3下部的齿条14带动助力阀3向后平动，推动主缸推杆21与第二活塞22，进而推动充满液压油的制动主缸4第一工作腔25、第三活塞23实现制动主缸4电动助力建压。

此过程第一电磁阀30和第二电磁阀33均处于断电状态。电动助力模式下实现了驾驶员踩制动踏板1推动踏板力液压缸2产生的液压力与电机助力的机械力的耦合。

驾驶员松开制动踏板1时，第一电磁阀30和第二电磁阀33通电，储液罐5中的液压油通过第二电磁阀33流回踏板力液压缸2，制动主缸4内腔中的第一工作腔25中液压油通过第一电磁阀30，经直通溢流阀31流回储液罐5，制动主缸4内腔中的第一工作腔25中的压力回到直通溢流阀31限定的初始压力。

在电动助力制动模式下，由于本发明将驾驶员踩制动踏板1的液压力与助力传动机构产生的机械助力在制动主缸4内腔中的第一工作腔25内耦合，在保证良好踏板感觉的基础上取消了反馈盘结构，从而使主动制动模式下的完全解耦成为可能；此外，当防抱死制动系统(ABS)启动时，本发明所述的电动助力制动系统不仅可以通过调节助力电机6的输出转速与输出转矩对液压力进行调节，还可以通过液压控制单元9实现对液压力的调节，从而优化ABS的响应时间和动态表现。

二、主动制动功能：

在驾驶员未踩下制动踏板1时，如果车载环境感知传感器(如测速传感器、测距传感器、摄像头、雷达等)测量得知车辆与前方障碍物距离过短，电控单元10接收到信息并判断必须采取制动措施防止发生碰撞或其他危险工况时，电动助力制动系统进入主动制动模式。

在主动制动模式下，电控单元10对其他车载传感器传递的信号进行分析，判断车辆所需的主动制动力，通过控制电路向助力电机6发送相应的控制指令，助力电机6按指令带动蜗杆7驱使蜗轮8和固联齿轮13转动，并通过齿条14推动助力阀3向右平动，从而推动主缸推杆21带动制动主缸4第二活塞22、第一工作腔25、第三活塞23一起运动给制动主缸4建压，实现线控化的主动制动。在主动制动模式下，一旦电控单元10接受到踏板行程传感器15的位移信号，系统立即切换为常规电动助力模式。

三、失效备份功能：

按照国家法规要求，制动系统失效或者某些制动部件发生故障时，制动系统仍要保证能够产生一定的制动强度以保证安全性和可靠性。

本发明提供的电动助力制动系统在助力电机或某个传动件发生故障时，第一电磁阀30和第二电磁阀33均处于断电状态。驾驶员仍能过踩制动踏板1给踏板力液压缸2建压，并通过助力阀3推动阀芯18通过阀芯18侧壁上的通孔19最终给制动主缸4第一工作腔25建压，从而推动第三活塞23给制动主缸4建压，实现失效备份功能。

Claims (5)

1.一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，包括有制动踏板、踏板力液压缸、助力阀、制动主缸、储液罐、助力电机、蜗杆、蜗轮、液压控制单元和电控单元，其中制动踏板通过踏板推杆与踏板力液压缸中的第一活塞相连接，踏板力液压缸的后端通过管路与助力阀的前端相连接，助力阀的后端与制动主缸的前端相连接，储液罐通过管路与踏板力液压缸和制动主缸的内腔相连通，助力电机与蜗杆相连接并驱使蜗杆的运动，蜗杆与蜗轮相啮合带动蜗轮转动，蜗轮上固连有齿轮，齿轮与蜗轮同步转动，助力阀的底部设有齿条，齿轮与齿条相啮合从而带动助力阀进行运动，液压控制单元与制动主缸相连接，电控单元与助力电机和液压控制单元相连接并控制助力电机和液压控制单元的工作，其特征在于：所述的踏板力液压缸中的第一活塞后部设有第一回位弹簧，踏板力液压缸后端的出液口通过管路与助力阀前端的进液口相连通，踏板力液压缸与助力阀之间的连通管为橡胶管，助力阀的内腔中装配有阀芯，阀芯为中空结构，阀芯的侧壁上开设有通孔用于液压油的通路，阀芯内套设有第二回位弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，其特征在于：所述的踏板推杆上装配有踏板行程传感器，踏板行程传感器与电控单元相连接，踏板行程传感器能够把踏板推杆的实时位移数据传输给电控单元。

3.根据权利要求1所述的一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，其特征在于：所述的制动主缸内设置有主缸推杆、第二活塞、第三活塞和第四活塞，其中主缸推杆的前端螺接在助力阀内腔的后端，主缸推杆的后部插设在第二活塞内，主缸推杆与第二活塞相固连，主缸推杆为中空的，助力阀内腔中的液压油能够从主缸推杆的中空部位流入到第二活塞后部制动主缸的内腔中，第三活塞和第四活塞依次装配在第二活塞后部的制动主缸的内腔中，第二活塞和第三活塞之间形成有第一工作腔，第三活塞和第四活塞之间形成有第二工作腔，第四活塞后部形成有第三工作腔，第二工作腔中装配有第三回位弹簧，第三工作腔中装配有第四回位弹簧，储液罐通过管路分别与第一工作腔、第二工作腔和第三工作腔相连通，储液罐与第一工作腔的连接管路上装配有第一电磁阀和直通溢流阀，第一电磁阀和电控单元相连接并由电控单元控制开合，第二工作腔和第三工作腔通过管路与液压控制单元相连通，其中第二工作腔与液压控制单元的连接管路上装配有液压力传感器，液压力传感器与电控单元相连接，液压力传感器能够把液压力的数据实时传输给电控单元。

4.根据权利要求1所述的一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，其特征在于：所述的储液罐与踏板力液压缸之间的连接管路上设有第二电磁阀，第二电磁阀与电控单元相连接并由电控单元控制开合。

5.根据权利要求1所述的一种液压与机械力耦合的电动助力制动系统，其特征在于：所述的液压控制单元的下部连接有四个制动轮缸，液压控制单元控制四个制动轮缸的工作。

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