CN111059178A - 基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法 - Google Patents

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，利用磁致伸缩材料的特性，取代传统鼓式制动系统中的主缸、轮缸以及相配套的液压装置作为制动器的动力源。通过线控系统中的ECU控制励磁线圈中的电流来对其进行控制，具有响应时间快、精度高、质量轻等优点，并且选用的稀土超磁致伸缩材料具有较高的居里温度，有效避免了制动过程温度急剧升高而过热失效的问题，保证了制动装置在制动过程中的可靠性。

Description

基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车机械制动技术领域，尤其涉及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

线控制动系统是以电子线路取代原本的机械连接及液压管路，不同于传统的液压制动系统，线控制动系统装置可被用于当前市面上的所有混动及电动车型。线控制动系统可根据驾驶员的偏好来定制操控感、车辆响应及车辆设定值。

目前线控制动系统分为电子液压制动系统和电子机械制动系统，电子液压制动系统还保留有后备液压，并不能成为完全的线控制动系统，而电子机械制动系统中，所有的液压装置，包括主缸、液压管路、助力装置等均被电子机械系统替代。不过由于去除了备用制动系统，电子机械制动系统需要有很高的可靠性。目前的研究进展如中国专利申请号CN201710719121.5，名称“线控制动系统”中提出了一种包括容错的电子线控制动系统，以多个控制器控制多个电源电路；中国专利申请号CN 201710885196.0，名称“线控制动系统及车辆”中包括电动制动器和液压制动器，液压控制单元用于根据踏板信号控制液压系统提供给液压制动器的液压力。

综合来看，目前电子液压制动系统并没有完全实现电控化，只能作为过渡。电子机械制动系统由于制动能量大需要开发42V高电压系统，同时制动器需要更好的耐高温性能，缺乏足够的技术支持。

磁致伸缩材料是一类新型智能材料，能够将电磁能和机械能相互转换。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形量。同时，磁致伸缩材料在磁场作用下发生位移而做工，产生巨大推力为制动器提供足够制动力。磁致伸缩材料还具有响应时间快、频率特性好、能量密度高、可控性能好、无过热失效等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供基于磁致伸缩材料的制动装置及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于磁致伸缩材料的制动装置，包含基板、制动鼓、第一制动蹄、第二制动蹄和伸缩模块；

所述伸缩模块包含磁致伸缩杆、隔磁套、壳体、励磁线圈和消磁线圈；

所述励磁线圈、消磁线圈均缠绕在所述磁致伸缩杆上，其中，所述励磁线圈用于产生磁场以驱动磁致伸缩杆伸长；所述消磁线圈用于在励磁线圈断电后抵消其残余磁场，使得磁致伸缩杆迅速缩短；

所述隔磁套采用隔磁材料制成、为空心圆柱体，其两个端面均设有供磁致伸缩杆伸出的通孔；所述隔磁套将磁致伸缩杆缠有励磁线圈、消磁线圈的部分包含在内；所述磁致伸缩杆分别从隔磁套两个端面的通孔中伸出，且隔磁套两个端面的通孔均通过直线轴承和磁致伸缩杆相连；

所述基板呈圆形；所述制动鼓为上下开口的空心圆柱，制动鼓的一端和所述基板同轴固连；

所述第一制动蹄、第二制动蹄均为展开为长方体的弧面，均包含外弧面、内弧面、第一侧壁、第二侧壁、第一端面和第二端面，所述第一侧壁、第二侧壁均同时和所述第一端面、第二端面垂直固连；第一制动蹄、第二制动蹄均设置在制动鼓内，第一制动蹄、第二制动蹄的第一侧壁相向，第一制动蹄、第二制动蹄的第二侧壁相向，且第一制动蹄、第二制动蹄的外弧面上均设有摩擦层；

第一制动蹄第一端面上靠近其第一侧壁处设有第一轴承安装孔，第二制动蹄第一端面上靠近其第二侧壁处均设有第二轴承安装孔；所述基板上对应第一轴承安装孔、第二轴承安装孔分别设有第一安装柱、第二安装柱，第一安装柱、第二安装柱均和所述基板垂直固连；所述第一制动蹄通过第一轴承安装孔和所述第一安装柱轴承相连，使得第一制动蹄能够绕第一安装柱自由转动；所述第二制动蹄通过第二轴承安装孔和所述第二安装柱轴承相连，使得第二制动蹄能够绕第二安装柱自由转动；

所述伸缩模块的壳体和所述基板固连，磁致伸缩杆的两端分别和第一制动蹄内弧面靠近其第二侧壁处、第二制动蹄内弧面靠近其第一侧壁处铰接；磁致伸缩杆未伸长时第一制动蹄、第二制动蹄均和所述基板同轴，磁致伸缩杆伸长时，第一制动蹄、第二制动蹄均朝外转动，使得第一制动蹄、第二制动蹄外弧面上的摩擦层和制动鼓的内壁相抵摩擦，进而制动。

优选地，所述磁致伸缩推杆采用稀土超磁致伸缩材料制成。

此外，本发明还提供了一种该基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，根据目标制动力计算磁致伸缩杆需要发生的形变量ε：

式中，K为磁致伸缩杆的弹性系数；S为磁致伸缩杆两端的端面面积；B为磁感应强度， B＝μ₀NI，μ₀为真空磁导率，N为励磁线圈匝数；

步骤2)，将磁致伸缩杆需要发生的形变量与当前磁致伸缩杆的形变量ε_real进行对比，得到差值Δε：

Δε＝ε-ε_real

步骤3)，将差值Δε作为输入，由PID法计算得到需要的磁感应强度值B_need(t)，形成位移环：

式中，K_p1为位移环比例系数；T₁为位移环积分系数；T_d1为位移环微分系数；t为时间；

步骤4)，将所需磁感应强度值B_need与当前的磁感应强度值B_real相减，得到差值ΔB；

步骤5)，将差值ΔB作为输入，由PID法计算得到需要的控制电流值u_I(t)，形成磁感应强度环：

式中，u_I(t)为输出控制电流值；K_p2为磁感应强度环比例系数；T₂为磁感应强度环积分系数；T_d2为磁感应强度环微分系数；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，不断调整控制电流直到制动力收敛且满足误差要求。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明与传统的制动装置相比，采用了磁致伸缩材料，利用其在磁场作用下发生形变时产生的力取代了液压力，用电路取代了液路，用磁致伸缩制动装置取代了传统鼓式制动器中的主缸和轮缸，大大简化了系统结构，节省了制造成本；

本发明采用控制励磁线圈中电流大小来控制磁感应强度的方式对磁致伸缩推杆的变形进行控制，大大提高了系统的响应速度，消除了原制动装置中存在的迟滞等弊端，同时由于磁致伸缩材料的特性也使得制动力得到了保证。并且选用的稀土超磁致伸缩材料具有较高的居里温度，也保证了制动装置在制动过程中的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中A-A剖面示意图；

图3为本发明的控制流程示意图。

图中，1-基板，2-制动鼓，3-第一制动蹄，4-第二制动蹄，5-第一制动蹄的摩擦层，6- 伸缩模块，7-第一安装柱，8-第二安装柱，9-壳体，10-隔磁套，11-磁致伸缩杆，12-励磁线圈，13-消磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

参照图1所示，本发明公开了一种基于磁致伸缩材料的制动装置，包含基板、制动鼓、第一制动蹄、第二制动蹄和伸缩模块；

如图2所示，所述伸缩模块包含磁致伸缩杆、隔磁套、壳体、励磁线圈和消磁线圈；

所述励磁线圈、消磁线圈均缠绕在所述磁致伸缩杆上，其中，所述励磁线圈用于产生磁场以驱动磁致伸缩杆伸长；所述消磁线圈用于在励磁线圈断电后抵消其残余磁场，使得磁致伸缩杆迅速缩短；

所述隔磁套采用隔磁材料制成、为空心圆柱体，其两个端面均设有供磁致伸缩杆伸出的通孔；所述隔磁套将磁致伸缩杆缠有励磁线圈、消磁线圈的部分包含在内；所述磁致伸缩杆分别从隔磁套两个端面的通孔中伸出，且隔磁套两个端面的通孔均通过直线轴承和磁致伸缩杆相连；

所述基板呈圆形；所述制动鼓为上下开口的空心圆柱，制动鼓的一端和所述基板同轴固连；

所述第一制动蹄、第二制动蹄均为展开为长方体的弧面，均包含外弧面、内弧面、第一侧壁、第二侧壁、第一端面和第二端面，所述第一侧壁、第二侧壁均同时和所述第一端面、第二端面垂直固连；第一制动蹄、第二制动蹄均设置在制动鼓内，第一制动蹄、第二制动蹄的第一侧壁相向，第一制动蹄、第二制动蹄的第二侧壁相向，且第一制动蹄、第二制动蹄的外弧面上均设有摩擦层；

第一制动蹄第一端面上靠近其第一侧壁处设有第一轴承安装孔，第二制动蹄第一端面上靠近其第二侧壁处均设有第二轴承安装孔；所述基板上对应第一轴承安装孔、第二轴承安装孔分别设有第一安装柱、第二安装柱，第一安装柱、第二安装柱均和所述基板垂直固连；所述第一制动蹄通过第一轴承安装孔和所述第一安装柱轴承相连，使得第一制动蹄能够绕第一安装柱自由转动；所述第二制动蹄通过第二轴承安装孔和所述第二安装柱轴承相连，使得第二制动蹄能够绕第二安装柱自由转动；

所述伸缩模块的壳体和所述基板固连，磁致伸缩杆的两端分别和第一制动蹄内弧面靠近其第二侧壁处、第二制动蹄内弧面靠近其第一侧壁处铰接；磁致伸缩杆未伸长时第一制动蹄、第二制动蹄均和所述基板同轴，磁致伸缩杆伸长时，第一制动蹄、第二制动蹄均朝外转动，使得第一制动蹄、第二制动蹄外弧面上的摩擦层和制动鼓的内壁相抵摩擦，进而制动。

优选地，所述磁致伸缩推杆采用稀土超磁致伸缩材料制成，其磁致伸缩系数可达2000ppm，能够满足制动间隙。

此外，如图3所示，本发明还提供了一种该基于磁致伸缩材料的制动装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，根据目标制动力计算磁致伸缩杆需要发生的形变量ε：

式中，K为磁致伸缩杆的弹性系数；S为磁致伸缩杆两端的端面面积；B为磁感应强度， B＝μ₀NI，μ₀为真空磁导率，N为励磁线圈匝数；

步骤2)，将磁致伸缩杆需要发生的形变量与当前磁致伸缩杆的形变量ε_real进行对比，得到差值Δε：

Δε＝ε-ε_real

步骤3)，将差值Δε作为输入，由PID法计算得到需要的磁感应强度值B_need(t)，形成位移环：

式中，K_p1为位移环比例系数；T₁为位移环积分系数；T_d1为位移环微分系数；t为时间；

步骤4)，将所需磁感应强度值B_need与当前的磁感应强度值B_real相减，得到差值ΔB；

步骤5)，将差值ΔB作为输入，由PID法计算得到需要的控制电流值u_I(t)，形成磁感应强度环：

式中，u_I(t)为输出控制电流值；K_p2为磁感应强度环比例系数；T₂为磁感应强度环积分系数；T_d2为磁感应强度环微分系数；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，不断调整控制电流直到制动力收敛且满足误差要求。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于磁致伸缩材料的制动装置，其特征在于，包含基板、制动鼓、第一制动蹄、第二制动蹄和伸缩模块；

所述伸缩模块包含磁致伸缩杆、隔磁套、壳体、励磁线圈和消磁线圈；

所述励磁线圈、消磁线圈均缠绕在所述磁致伸缩杆上，其中，所述励磁线圈用于产生磁场以驱动磁致伸缩杆伸长；所述消磁线圈用于在励磁线圈断电后抵消其残余磁场，使得磁致伸缩杆迅速缩短；

所述隔磁套采用隔磁材料制成、为空心圆柱体，其两个端面均设有供磁致伸缩杆伸出的通孔；所述隔磁套将磁致伸缩杆缠有励磁线圈、消磁线圈的部分包含在内；所述磁致伸缩杆分别从隔磁套两个端面的通孔中伸出，且隔磁套两个端面的通孔均通过直线轴承和磁致伸缩杆相连；

所述基板呈圆形；所述制动鼓为上下开口的空心圆柱，制动鼓的一端和所述基板同轴固连；

所述第一制动蹄、第二制动蹄均为展开为长方体的弧面，均包含外弧面、内弧面、第一侧壁、第二侧壁、第一端面和第二端面，所述第一侧壁、第二侧壁均同时和所述第一端面、第二端面垂直固连；第一制动蹄、第二制动蹄均设置在制动鼓内，第一制动蹄、第二制动蹄的第一侧壁相向，第一制动蹄、第二制动蹄的第二侧壁相向，且第一制动蹄、第二制动蹄的外弧面上均设有摩擦层；

第一制动蹄第一端面上靠近其第一侧壁处设有第一轴承安装孔，第二制动蹄第一端面上靠近其第二侧壁处均设有第二轴承安装孔；所述基板上对应第一轴承安装孔、第二轴承安装孔分别设有第一安装柱、第二安装柱，第一安装柱、第二安装柱均和所述基板垂直固连；所述第一制动蹄通过第一轴承安装孔和所述第一安装柱轴承相连，使得第一制动蹄能够绕第一安装柱自由转动；所述第二制动蹄通过第二轴承安装孔和所述第二安装柱轴承相连，使得第二制动蹄能够绕第二安装柱自由转动；

所述伸缩模块的壳体和所述基板固连，磁致伸缩杆的两端分别和第一制动蹄内弧面靠近其第二侧壁处、第二制动蹄内弧面靠近其第一侧壁处铰接；磁致伸缩杆未伸长时第一制动蹄、第二制动蹄均和所述基板同轴，磁致伸缩杆伸长时，第一制动蹄、第二制动蹄均朝外转动，使得第一制动蹄、第二制动蹄外弧面上的摩擦层和制动鼓的内壁相抵摩擦，进而制动。

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，所述磁致伸缩推杆采用稀土超磁致伸缩材料制成。

3.基于权利要求1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，包含以下步骤：

步骤1)，根据目标制动力计算磁致伸缩杆需要发生的形变量ε：

式中，K为磁致伸缩杆的弹性系数；S为磁致伸缩杆两端的端面面积；B为磁感应强度，B＝μ₀NI，μ₀为真空磁导率，N为励磁线圈匝数；

步骤2)，将磁致伸缩杆需要发生的形变量与当前磁致伸缩杆的形变量ε_real进行对比，得到差值Δε：

Δε＝ε-ε_real

步骤3)，将差值Δε作为输入，由PID法计算得到需要的磁感应强度值B_need(t)，形成位移环：

式中，K_p1为位移环比例系数；T₁为位移环积分系数；T_d1为位移环微分系数；t为时间；

步骤4)，将所需磁感应强度值B_need与当前的磁感应强度值B_real相减，得到差值ΔB；

步骤5)，将差值ΔB作为输入，由PID法计算得到需要的控制电流值u_I(t)，形成磁感应强度环：

式中，u_I(t)为输出控制电流值；K_p2为磁感应强度环比例系数；T₂为磁感应强度环积分系数；T_d2为磁感应强度环微分系数；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，不断调整控制电流直到制动力收敛且满足误差要求。

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