CN110671451A - 一种基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法，在该装置中采用了一种新型的磁致伸缩智能材料，通过改变线圈中电流的大小来控制磁场的大小，进一步控制磁致伸缩材料的伸缩量，用磁致伸缩材料伸缩过程所产生的力来替代气压或液压力作为制动驱动力。另外，该装置在工作过程中用电路取代了原有的油路和气路，简化了制动系统的结构的同时，提高了制动系统的响应速度。

Description

一种基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车机械制动技术领域，具体指代一种基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法。
背景技术
磁致伸缩材料是一类具有能够将电磁能和机械能相互转换功能的材料。该材料在磁场中发生磁化时，能够沿着磁化的方向进行伸缩，若采用通电线圈作为磁场源时，当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时就能控制磁致伸缩材料尺寸的变化。而其中尺寸变化比铁氧体等磁致伸缩材料大得多，且所产生的能量也大的磁致伸缩材料，被称为超磁致伸缩材料。而70年代开始出现的室温下具有巨磁致伸缩性能的稀土-铁合金(RFe2)材料伸缩量和产能更大被称为稀土超磁致伸缩材料，由于它们受磁场控制响应时间快、频率特性好、能量密度高、耦合系数大，具有传感和驱动功能，因而作为智能材料或相应器件在智能材料领域得到了越来越广泛的应用和发展。
由于磁致伸缩材料受磁场控制响应时间快、频率特性好、能量密度高、耦合系数大、可控性能耗，具有传感和驱动功能，在很多方面都有应用；例如，中国发明专利申请号为201410785712.9，专利名称为“一种具有超磁致伸缩加力功能的盘式制动器及其方法”中利用磁致伸缩材料的磁致伸缩现象提出了一种具有磁致伸缩加力功能的盘式制动器具有结构简单可靠，对现有制动系统兼容性好，不影响ABS正常工作的特点。能够在降低紧急制动时的制动距离的同时，提升行驶安全性；中国发明专利申请号为201811204066.7，专利名称为“基于磁致伸缩材料的自传感驱动器”中提出了一种基于磁致伸缩材料的驱动器，能够同时实现驱动器和传感器的功能，提高结构紧凑度、驱动精度和传感效率；中国发明专利申请号为201410346464.8，专利名称为“磁致伸缩-电磁复合式振动能量采集器及其方法”提出了一种新型振动能量采集器，该装置结构紧凑，便于小型微型化，具有压磁-电磁复合发电特色，可应用于高负载振动环境下的振动能量采集。
鼓式制动器是最早出现的一种制动器，相较于盘式制动器其制造成本低，制动效能高，在各种类型的汽车上均有应用。但是，由于鼓式制动多采用液压或气压驱动，导致在制动时制动响应具有一定的滞后性，从而使得制动器驱动装置不得不时刻处于伺服状态，造成制动系统能耗过高的同时难以保证最大制动力，另外油路和气路的布置也增加了制动器的复杂程度。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法，以解决现有技术中鼓式制动器制动响应滞后、制动系统能耗过高、最大制动力不足和制动系统布置复杂的技术问题；本发明通过改变线圈中电流的大小来控制磁场的大小，进一步控制磁致伸缩材料的伸缩量，用磁致伸缩材料伸缩过程所产生的力来替代气压或液压力作为制动驱动力。本发明利用磁致伸缩装置取代液压和气压装置，使得气路和油路被电路取代，大大简化了制动系统结构，且由于磁致伸缩材料受磁场控制时响应很快(仅有百万分之一秒，比人的思维还快)、频率特性好，消除了制动器响应滞后的缺点的同时降低了制动系统的能耗。同时，由于该制动装置的制动力可根据电流大小进行调节，最大制动力能够得到保证。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于磁致伸缩材料的制动装置，包括：制动底板、支撑销A、支撑销B、支撑销C、固定挡板、驱动器托架、制动器执行单元、位移放大机构和驱动器；
所述的制动底板上固定安装有支撑销A、支撑销B、固定挡板和驱动器托架；
所述制动器执行单元包括第一制动蹄、第一摩擦衬片、第二摩擦衬片、第二制动蹄、第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧、拉紧弹簧、制动鼓、调整螺钉、浮动顶杆；
所述第一摩擦衬片、第二摩擦衬片分别安装在所述第一制动蹄、第二制动蹄的外圆柱面上；制动时，所述第一、二摩擦衬片与所述制动鼓的内圆柱面摩擦进行制动；
所述第一制动蹄、第二制动蹄上端在不制动时，上端分别借助第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧拉靠在所述支撑销A上，下端分别借助所述拉紧弹簧悬浮支撑在所述浮动顶杆两侧；第一制动蹄、第二制动蹄上分别开设有回位弹簧安装孔和拉紧弹簧安装孔，所述安装孔分别用于安装所述第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧和所述拉紧弹簧；其中一个制动蹄上固定有一个支撑销C；
所述第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧上端分别勾连在所述支撑销A上，下端分别勾连在所述回位弹簧安装孔处；
所述拉紧弹簧两端分别勾连在所述第一、二制动蹄端所开的拉紧弹簧安装孔处；
所述浮动顶杆包括可调顶杆体和顶杆套，所述顶杆套为第一制动蹄下端的顶靠处；所述可调顶杆体为第二制动蹄下端的顶靠处；
所述调整螺钉安装在所述浮动顶杆上，用于调整制动间隙；
所述位移放大机构包括主动杆和从动杆；所述主动杆的输出端铰接在从动杆上，输入端固定在所述驱动器壳体内部的底端；所述从动杆下端铰接在所述支撑销B上，上端铰接在支撑销C上；
所述驱动器的底端与所述制动底板上的固定挡板用固定螺钉固定连接，其包括驱动器壳体、主动杆、励磁线圈、消磁线圈、隔磁衬垫和隔磁顶盖；
所述励磁线圈和消磁线圈均缠绕在所述超磁致伸缩杆上；
所述隔磁衬垫紧贴在所述驱动器壳体内侧；所述隔磁顶盖位于所述驱动器的顶端，与隔磁衬垫一起隔绝磁场对外部的影响。
优选地，所述支撑销C固连在所述第一制动蹄上端处。
优选地，所述主动杆的截面为圆形，且长度应大于5cm，直径应大于10mm。
优选地，所述主动杆所用材料应为磁致伸缩系数不小于2000ppm的稀土超磁致伸缩材料。
优选地，所述主动杆的输出端铰接在所述从动杆下端1/3到1/4处。
优选地，所述驱动器壳体截面为方形或圆形。
本发明还提供了一种基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，包含以下步骤：
(1)驾驶员踩下制动踏板进行制动时，传感器采集相关踏板信息，并将信息传输到ECU；
(2)ECU(电子控制单元)接收踏板信息，经过处理后得到所需的目标制动力，再根据所需的目标制动力计算出所需的励磁线圈中电流大小；
(3)ECU根据驾驶员对制动踏板进行的操作，对励磁线圈中的电流大小进行调节，改变励磁线圈中的磁场强度，使得超磁致伸缩杆变形并输出所需的制动力；
(4)制动结束时，ECU控制励磁线圈断电，消磁线圈通入与励磁线圈之前通入电流相反方向的电流，消除磁场，超磁致伸缩杆恢复原长度，结束制动。
优选地，所述的踏板信息为踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号和轮速信号。
优选地，所述步骤(2)中所用公式为：
Fc＝κFz (1)
Figure BDA0002205180160000031
Figure BDA0002205180160000032
式中，Fc为所需超磁致伸缩杆输出力；κ为位移放大机构位移放大系数；Fz为所需制动力；ε为所需超磁致伸缩杆变形量；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；I为所需线圈中电流大小；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数(取决于材料特性)；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
优选地，所述步骤(3)还包括：在制动力调节过程中，若需要制动力减小时，将消磁线圈通入与励磁线圈相反的电流，消除磁滞现象对制动力的影响。
本发明的有益效果：
本发明与现有的制动装置相比，采用了磁致伸缩材料，利用其变形时产生的力取代了液压力或气压力，用电路取代了液路或气路，大大简化了系统结构，节省了制造成本；
本发明采用控制通电线圈中电流大小来控制磁场强度的方式对超磁致伸缩杆的变形进行控制，提高了系统的响应速度的同时保证了最大制动力，消除了原制动装置中存在的迟滞等弊端；
本发明中的驱动器超快的响应速度使得驱动器不用一直处于伺服状态，仅需在需要制动时进行工作，大大降低了制动系统的能耗，提高了制动系统的经济性。
附图说明
图1为本发明基于磁致伸缩材料的制动装置原理图；
图2为本发明驱动器A-A剖面示意图；
图3为本发明驱动器B-B剖面示意图；
图4为本发明制动装置控制方法流程图；
图中，1-制动底板，2-支撑销C，3-制动鼓，4-从动杆，5-第一制动蹄回位弹簧27-第二制动蹄回位弹簧，6、26-回位弹簧安装孔，7-第一摩擦衬片，28-第二摩擦衬片，8-主动杆，9-隔磁顶盖，10-支撑销B，11-第一制动蹄，12-拉紧弹簧，13-顶杆套，14-调整螺钉，15-可调顶杆体，16-拉紧弹簧安装孔，17-第二制动蹄，18-隔磁衬垫，19-消磁线圈，20-励磁线圈，21固定挡板，22-固定螺钉23-驱动器壳体，24-驱动器托架，25-驱动器，29-支撑销A。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图3所示，本发明的一种基于磁致伸缩材料的制动装置包括：制动底板1、支撑销A29、支撑销B10、支撑销C2、固定挡板21、驱动器托架24、制动器执行单元、位移放大机构和驱动器25；
所述制动底板1上固定安装有支撑销A29、支撑销B10、固定挡板21和驱动器托架24；
所述制动器执行单元包括第一制动蹄11、第一摩擦衬片7、第二摩擦衬片28、第二制动蹄17、第一制动蹄回位弹簧5、第二制动蹄回位弹簧27、拉紧弹簧12、制动鼓3、调整螺钉14和浮动顶杆；
所述第一摩擦衬片7、第二摩擦衬片28分别安装在所述第一制动蹄11、第二制动蹄17的外圆柱面上；制动时，所述第一摩擦衬片7和第二摩擦片28与所述制动鼓3的内圆柱面摩擦进行制动；
所述第一制动蹄11、第二制动蹄17上端在不制动时，上端分别借助第一制动蹄回位弹簧5和第二制动蹄回位弹簧27拉靠在所述支撑销A29上；下端借助所述拉紧弹簧12悬浮支撑在所述浮动顶杆两侧；第一制动蹄11、第二制动蹄16上分别开设有回位弹簧安装孔6、26和拉紧弹簧安装孔16，安装孔6、26和16分别用于安装所述第一制动蹄回位弹簧5、第二制动蹄回位弹簧27和所述拉紧弹簧12；其中第一制动蹄11上固定有一个支撑销C2；
所述第一制动蹄回位弹簧5、第二制动蹄回位弹簧上端分别勾连在所述支撑销A29上，下端分别勾连在所述回位弹簧安装孔6和26处；
所述拉紧弹簧12两端分别勾连在所述第一、二制动蹄11和17下端所开的拉紧弹簧安装孔16处；
所述浮动顶杆包括可调顶杆体15和顶杆套13，所述顶杆套13为第一制动蹄11下端的顶靠处；所述可调顶杆体15为第二制动蹄17下端的顶靠处；
所述调整螺钉14安装在所述浮动顶杆上，用于调整制动间隙；
所述位移放大机构包括主动杆8和从动杆4；所述主动杆8的输出端铰接在从动杆4上，输入端固定在所述驱动器壳体23内部的底端；所述从动杆下端铰接在所述支撑销B10上，上端铰接在支撑销C2上；
所述驱动器25的底端与所述制动底板1上的固定挡板21固定螺钉22固定连接，其包括驱动器壳体23、主动杆8、励磁线圈20、消磁线圈19、隔磁衬垫18和隔磁顶盖9；
所述励磁线圈19和消磁线圈18均缠绕在所述主动杆8上；
所述隔磁衬垫17紧贴在所述驱动器壳体23内侧；所述隔磁顶盖9位于所述驱动器的顶端，与隔磁衬垫17一起隔绝磁场对外部的影响。
其中，所述支撑销C2固连在所述第一制动蹄11上端处。
其中，所述主动杆8的截面为圆形，且长度应大于5cm，直径应大于10mm。
其中，所述主动杆8所用材料应为磁致伸缩系数不小于2000ppm的稀土超磁致伸缩材料。
其中，所述主动杆8的输出端应铰接在所述从动杆下端1/3到1/4处。
其中，所述驱动器壳体23截面应为方形或圆形。
参照图4，本实施例同时提供了上述制动装置的控制方法，包含以下步骤：
(1)当驾驶员踩下制动踏板进行制动操作时，传感器采集踏板位移信号29、踏板速度信号30、车速信号31、轮速信号32和制动力信号28，并将以上采集到的信息传输到ECU33；
(2)ECU33接收到的踏板位移信号29、踏板速度信号30、车速信号31、轮速信号32，经过处理后得到所需的目标制动力，再根据所需的目标制动力计算出所需的励磁线圈中电流大小；
(3)ECU根据接收到的踏板位移信号29、踏板速度信号30、车速信号31、轮速信号32和制动力信号28，控制电流调节模块35对励磁线圈中的电流大小进行调节，实时改变励磁线圈中的磁场强度，调整超磁致伸缩杆变形量，并通过位移放大机构放大超磁致伸缩杆的位移，驱动制动蹄与制动鼓接触进行制动，使得制动驱动器能够提供足够的制动位移量来消除制动间隙，并保证最大制动力；
(4)制动过程中，若需求的制动力变化率小于或等于0时，ECU33控制电流调节模块35向消磁线圈中通入与励磁线圈中相反的电流，用于提供制动力的同时消除磁滞现象对制动驱动器的影响，保证制动驱动器工作稳定可靠；若需求的制动力变化率大于0时，则消磁线圈不供电；
(5)制动结束时，ECU33控制励磁线圈断电，消磁线圈通入与励磁线圈之前通入电流相反方向的电流，消除磁场，超磁致伸缩杆恢复原长度，制动蹄回位弹簧和拉紧弹簧将制动蹄拉回原位，结束制动。
其中，所述步骤(2)中所用公式为：
Fc＝κFz (1)
Figure BDA0002205180160000061
式中，Fc为所需超磁致伸缩杆输出力；κ为位移放大机构位移放大系数；Fz为所需制动力；ε为所需超磁致伸缩杆变形量；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；I为所需线圈中电流大小；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数(取决于材料特性)；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，包括：制动底板、支撑销A、支撑销B、支撑销C、固定挡板、驱动器托架、制动器执行单元、位移放大机构和驱动器；
所述的制动底板上固定安装有支撑销A、支撑销B、固定挡板和驱动器托架；
所述制动器执行单元包括第一制动蹄、第一摩擦衬片、第二摩擦衬片、第二制动蹄、第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧、拉紧弹簧、制动鼓、调整螺钉、浮动顶杆；
所述第一摩擦衬片、第二摩擦衬片分别安装在所述第一制动蹄、第二制动蹄的外圆柱面上；制动时，所述第一、二摩擦衬片与所述制动鼓的内圆柱面摩擦进行制动；
所述第一制动蹄、第二制动蹄上端在不制动时，上端分别借助第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧拉靠在所述支撑销A上，下端分别借助所述拉紧弹簧悬浮支撑在所述浮动顶杆两侧；第一制动蹄、第二制动蹄上分别开设有回位弹簧安装孔和拉紧弹簧安装孔，所述安装孔分别用于安装所述第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧和所述拉紧弹簧；其中一个制动蹄上固定有一个支撑销C；
所述第一制动蹄回位弹簧、第二制动蹄回位弹簧上端分别勾连在所述支撑销A上，下端分别勾连在所述回位弹簧安装孔处；
所述拉紧弹簧两端分别勾连在所述第一、二制动蹄端所开的拉紧弹簧安装孔处；
所述浮动顶杆包括可调顶杆体和顶杆套，所述顶杆套为第一制动蹄下端的顶靠处；所述可调顶杆体为第二制动蹄下端的顶靠处；
所述调整螺钉安装在所述浮动顶杆上，用于调整制动间隙；
所述位移放大机构包括主动杆和从动杆；所述主动杆的输出端铰接在从动杆上，输入端固定在所述驱动器壳体内部的底端；所述从动杆下端铰接在所述支撑销B上，上端铰接在支撑销C上；
所述驱动器的底端与所述制动底板上的固定挡板用固定螺钉固定连接，其包括驱动器壳体、主动杆、励磁线圈、消磁线圈、隔磁衬垫和隔磁顶盖；
所述励磁线圈和消磁线圈均缠绕在所述超磁致伸缩杆上；
所述隔磁衬垫紧贴在所述驱动器壳体内侧；所述隔磁顶盖位于所述驱动器的顶端，与隔磁衬垫一起隔绝磁场对外部的影响。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，所述支撑销C固连在所述第一制动蹄上端处。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，所述主动杆的截面为圆形，且长度应大于5cm，直径应大于10mm。
4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，所述主动杆的输出端铰接在所述从动杆下端1/3到1/4处。
5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，所述驱动器壳体截面为方形或圆形。
6.一种基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)驾驶员踩下制动踏板进行制动时，传感器采集相关踏板信息，并将信息传输到ECU；
(2)ECU接收踏板信息，经过处理后得到所需的目标制动力，再根据所需的目标制动力计算出所需的励磁线圈中电流大小；
(3)ECU根据驾驶员对制动踏板进行的操作，对励磁线圈中的电流大小进行调节，改变励磁线圈中的磁场强度，使得超磁致伸缩杆变形并输出所需的制动力；
(4)制动结束时，ECU控制励磁线圈断电，消磁线圈通入与励磁线圈之前通入电流相反方向的电流，消除磁场，超磁致伸缩杆恢复原长度，结束制动。
7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，其特征在于，所述的踏板信息为踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号和轮速信号。
8.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中所用公式为：
Fc＝κFz (1)
Figure FDA0002205180150000021
式中，Fc为所需超磁致伸缩杆输出力；κ为位移放大机构位移放大系数；Fz为所需制动力；ε为所需超磁致伸缩杆变形量；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；I为所需线圈中电流大小；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
9.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：在制动力调节过程中，若需要制动力减小时，将消磁线圈通入与励磁线圈相反的电流，消除磁滞对制动力的影响。
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