CN111301379A - 一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器 - Google Patents

一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，包括踏板推杆、模拟器缸体、第一活塞、第一弹簧、第二活塞腔体、第二活塞、第二弹簧、第三活塞、第三弹簧、第四活塞、凸轮、齿轮减速机构和电机，本发明根据中小强度制动、大强度制动和紧急制动三种不同的制动强度提供不同的踏板模拟反力。当电控单元ECU失效时，本发明借助机械结构仍具有踏板感觉模拟功能。本发明在传统被动式踏板感觉模拟器基础上进一步改进，节约了成本，且集成度更高，更适于汽车的装配；踏板感觉模拟器中采用常规弹簧提供踏板力，降低了制造难度，并且可以通过更换不同弹性系数的弹簧来调整踏板力，使踏板力更容易控制。

Description

一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器
技术领域
本发明涉及一种踏板感觉模拟器，特别涉及一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器。
背景技术
作为汽车底盘的重要组成部分，制动系统不仅关系到汽车的综合性能，还与驾驶员及乘客的生命财产安全息息相关。随着汽车电控制动系统的发展，线控制动系统是当前技术研发的热点。线控制动系统避免了原有的液压、气压制动系统管路复杂、制动响应速度慢、难以与其它系统集成的缺点，其具有不依赖于真空助力装置、制动响应速度快、控制精度高的优点。
与传统的制动系统相比，线控制动系统驾驶员的制动意图不再以机械方式而是通过电子方式传递给制动系统。即驾驶员踩下制动踏板并不会推动制动主缸建压，而是推动踏板感觉模拟器中的模拟弹簧结构，模拟弹簧结构将模拟传统真空助力制动系统的踏板感觉。同时踏板行程传感器会采集驾驶员的踏板行程信息，并发送到电控单元ECU，电控单元ECU根据驾驶员的制动意图控制电机通过减速传动机构推动制动主缸建压。
由于采用电机和减速机构的线控制动系统实现了制动踏板和制动主缸的解耦，需要驾驶员踩制动踏板时提供一个反作用力来模拟驾驶员的脚感，这就需要设计一种踏板感觉模拟器。但是目前的踏板感觉模拟器存在结构复杂、成本较高、踏板反力难以控制、特性难以调节等问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，包括踏板推杆、模拟器缸体、第一活塞、第一弹簧、第二活塞腔体、第二活塞、第二弹簧、第三活塞、第三弹簧、第四活塞、凸轮、齿轮减速机构和电机，其中，第一活塞、第三活塞和第四活塞依次装配在模拟器缸体内，第一活塞与第三活塞之间设有第一弹簧，第三活塞与第四活塞之间设有第三弹簧；第二活塞腔体设在第一活塞与第三活塞之间，位于第一弹簧内部，并且一端固定在第三活塞上，第二活塞设在第二活塞腔体内，第二活塞与第三活塞之间设有第二弹簧；踏板推杆穿过模拟器缸体与第一活塞相连，第二活塞的活塞推杆穿过第二活塞腔体与第一活塞相对，无制动状态下，第一活塞与第二活塞的活塞推杆之间设有一段空程；电机设在模拟器缸体外，凸轮设在模拟器缸体内后部，轮缘与第四活塞抵接，电机通过齿轮减速机构与凸轮相连。
所述的第二弹簧的刚度大于第一弹簧的刚度。
本发明还包括制动踏板、踏板行程传感器、踏板力传感器、电控单元ECU，所述的制动踏板与踏板推杆相连，制动踏板通过杠杆放大作用将驾驶员施加在制动踏板的力传递到踏板推杆，踏板行程传感器设在踏板推杆上，用于获取踏板行程信息，踏板力传感器设在制动踏板上，用于获取驾驶员踏板力的信息，踏板行程传感器和踏板力传感器分别通过线路与电控单元ECU相连，踏板行程传感器和踏板力传感器能够准确识别驾驶员的制动意图，并将力和行程信号实时传输给电控单元ECU。
电机通过线路与电控单元ECU相连，电控单元ECU根据踏板力传感器和踏板行程传感器的信号控制电机转动。
所述的凸轮轮廓线包括基圆曲线和升程曲线；模拟器缸体内后部设有限位装置，第四活塞卡在限位装置前侧。
所述的限位装置为挡块或环形凸起。
第一活塞与模拟器缸体的内侧壁接触部位设置有密封圈。
本发明还包括电池，电池通过DC/AC模块与电机相连，提供电能。
所述的齿轮减速机构包括小齿轮和大齿轮，其中，小齿轮与电机输出轴同轴连接，大齿轮与凸轮同轴连接，小齿轮与大齿轮相啮合，电机旋转依次通过小齿轮和大齿轮传动以减速增扭，进而带动凸轮旋转，推动第四活塞在模拟器缸体内移动。
所述的踏板行程传感器也可以使用转角传感器，布置于制动踏板上，通过测量制动踏板的转角换算得到踏板推杆位移。
本发明的工作原理：
驾驶员的制动类型可分为中小强度制动、大强度制动和紧急制动，本发明根据不同的制动强度提供不同的踏板模拟反力。制动类型识别过程如下：首先设定紧急制动与非紧急制动的边界对应踩制动踏板的速率阈值为T，当驾驶员踩下制动踏板时，依据踏板行程传感器的信号比较驾驶员踩制动踏板的速率与设定阈值T的大小，若驾驶员踩制动踏板的速率大于阈值T，则为紧急制动，否则为非紧急制动；当判断为非紧急制动时，依据踏板力传感器的信号进一步区分中小强度制动和大强度制动，设定中小强度与大强度制动的边界对应踏板力为U，在已知非紧急制动的情况下，若此时的踏板力传感器信号值大于U，则为大强度制动，否则为中小强度制动。
中小强度制动时：驾驶员脚踩制动踏板时，推动与制动踏板相连的踏板推杆及第一活塞，第一活塞向模拟器缸体内移动进而压缩第一弹簧，第一弹簧推动第三活塞向内移动进而压缩第三弹簧，第一活塞未触及第二活塞的活塞推杆，此时由第一弹簧与第三弹簧串联提供弹性反力，共同模拟驾驶员的制动脚感。
大强度制动时：驾驶员继续踩制动踏板，踏板推杆推动第一活塞继续向内移动，第一活塞超过空程与第二活塞的活塞推杆接触并推动第二活塞，第一活塞和第二活塞可以看作一个整体，共同压缩第一弹簧和第二弹簧，此时第一弹簧和第二弹簧并联之后再与第三弹簧串联提供弹性反力，共同模拟驾驶员的制动脚感。
在驾驶员踩下制动踏板的过程中，踏板行程传感器获得踏板行程信号，踏板力传感器获得踏板力信号，这两个信号传输到电控单元ECU中，电控单元ECU通过踏板行程信号依据踏板行程-踏板力特性曲线得到期望的踏板力信号，并与实际接收的踏板力信号比较，当实际踏板力信号偏小时，电控单元ECU发出控制信号给电机使其转动，电机经一级齿轮减速机构带动凸轮转动，由凸轮的升程曲线轮廓推动第四活塞前移，向前压缩第三弹簧，起到补偿踏板力的目的，此时该模拟器的效果相当于主动式踏板感觉模拟器。在驾驶员松开制动踏板的过程中，电控单元ECU根据踏板行程传感器和踏板力传感器的信号发出控制信号给电机，控制电机反转，最终带动凸轮转回初始位置，第四活塞复位，制动踏板在第一弹簧(或第一弹簧和第二弹簧)和第三弹簧反力的作用下回到初始位置，此过程中该模拟器的效果相当于被动式踏板感觉模拟器。
紧急制动时：电控单元ECU根据踏板行程传感器和踏板力传感器的信号发出控制信号给电机，电机经一级齿轮减速机构带动凸轮转动，进而推动第四活塞前移，主动增加制动踏板阻力，调节制动踏板感觉，从而满足紧急制动的模拟踏板力需求。
当电控单元ECU失效时：中小强度制动时靠第一弹簧和第三弹簧串联共同提供踏板感；大强度制动时靠第一弹簧和第二弹簧并联之后再与第三弹簧串联共同提供踏板感，该过程中模拟器相当于被动式踏板感觉模拟器。
本发明的有益效果：
1)本发明利用原有制动系统的主缸，在传统被动式踏板感觉模拟器基础上进一步改进，节约了成本，且集成度更高，更适于汽车的装配；本发明的踏板感觉模拟器中不使用橡胶弹簧,而是采用常规弹簧提供踏板力，降低了制造难度，并且可以通过更换不同弹性系数的弹簧来调整踏板力，使踏板力更容易控制。
2)本发明能够根据不同的制动强度提供不同的踏板模拟反力，分别模拟中小强度制动、大强度制动和紧急制动不同情况下的踏板感觉，在驾驶员踩踏板过程中，通过对电机的控制主动改变制动踏板阻力来调节踏板感，具有主动式踏板感觉模拟器和被动式踏板感觉模拟器不同的模拟效果。
3)本发明实现了制动踏板与制动轮缸的解耦，避免了复杂的管路的线路，更适用于线控制动系统。
4)在电子系统失效时，本发明借助机械结构仍具有踏板感觉模拟功能。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明制动意图识别流程图。
1、踏板推杆 2、模拟器缸体 3、第一活塞 4、第一弹簧 5、第二活塞腔体 6、第二活塞 7、第二弹簧 8、第三活塞 9、第三弹簧 10、第四活塞 11、凸轮 12、电机 13、制动踏板14、踏板行程传感器 15、踏板力传感器 16、电控单元ECU 17、限位装置 18、密封圈 19、电池 20、小齿轮 21、大齿轮。
具体实施方式
请参阅图1-2所示：
本发明提供的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，包括踏板推杆1、模拟器缸体2、第一活塞3、第一弹簧4、第二活塞腔体5、第二活塞6、第二弹簧7、第三活塞8、第三弹簧9、第四活塞10、凸轮11、齿轮减速机构、电机12，其中，第一活塞3、第三活塞8和第四活塞10依次装配在模拟器缸体2内，第一活塞3与第三活塞8之间设有第一弹簧4，第三活塞8与第四活塞10之间设有第三弹簧9；第二活塞腔体5设在第一活塞3与第三活塞8之间，位于第一弹簧4内部，并且一端固定在第三活塞8上，第二活塞6设在第二活塞腔体5内，第二活塞6与第三活塞8之间设有第二弹簧7；踏板推杆1穿过模拟器缸体2前端与第一活塞3相连，第一活塞3设有凹孔，第二活塞6的活塞推杆穿过第二活塞腔体5前端与第一活塞3的凹孔相对设置，无制动状态下，第一活塞3凹孔与第二活塞6的活塞推杆之间设有一段空程，凹孔用于配合第二活塞6的活塞推杆；电机12设在模拟器缸体2外，凸轮11设在模拟器缸体2内后部，轮缘与第四活塞10抵接，电机12通过齿轮减速机构与凸轮11相连。初始状态下第一弹簧4有较小的压缩量，以避免因驾驶员误碰制动踏板13而引起制动操作。
所述的第二弹簧7的刚度大于第一弹簧4的刚度。
本发明还包括制动踏板13、踏板行程传感器14、踏板力传感器15、电控单元ECU16，所述的制动踏板13与踏板推杆1相连，制动踏板13通过杠杆放大作用将驾驶员施加在制动踏板13的力传递到踏板推杆1，踏板行程传感器14设在踏板推杆1上，用于获取踏板行程信息，踏板力传感器15设在制动踏板13上，用于获取驾驶员踏板力的信息，踏板行程传感器14和踏板力传感器15分别通过线路与电控单元ECU16相连，踏板行程传感器14和踏板力传感器15能够准确识别驾驶员的制动意图，并将力和行程信号实时传输给电控单元ECU16。
电机12通过线路与电控单元ECU16相连，电控单元ECU16根据踏板行程传感器14和踏板力传感器15的信号控制电机12转动。
所述的凸轮11轮廓线包括基圆曲线和升程曲线；模拟器缸体2内后部设有限位装置17，第四活塞10卡在限位装置17前侧，限位装置17为第四活塞10提供支撑力。
所述的限位装置17为挡块或环形凸起。
第一活塞3与模拟器缸体2的内侧壁接触部位设置有密封圈18。
本发明还包括电池19，电池19通过DC/AC模块与电机12相连，为电机12提供电能。
所述的齿轮减速机构包括小齿轮20和大齿轮21，其中，小齿轮20与电机12输出轴同轴连接，大齿轮21与凸轮11同轴连接，小齿轮20与大齿轮21相啮合，电机12旋转依次通过小齿轮20和大齿轮21传动以减速增扭，进而带动凸轮11旋转，控制第四活塞10在模拟器缸体2内移动。
所述的踏板行程传感器14也可以使用转角传感器，布置于制动踏板13上，通过测量制动踏板13的转角换算得到踏板推杆1位移。
本发明的工作原理：
驾驶员的制动类型可分为中小强度制动、大强度制动和紧急制动，本发明根据不同的制动强度提供不同的踏板模拟反力。制动类型识别过程如下：首先设定紧急制动与非紧急制动的边界对应踩制动踏板13的速率阈值为T，当驾驶员踩下制动踏板13时，依据踏板行程传感器14的信号比较驾驶员踩制动踏板13的速率与设定阈值T的大小，若驾驶员踩制动踏板13的速率大于阈值T，则为紧急制动，否则为非紧急制动；当判断为非紧急制动时，依据踏板力传感器15的信号进一步区分中小强度制动和大强度制动，设定中小强度与大强度制动的边界对应踏板力为U，在已知非紧急制动的情况下，若此时的踏板力传感器15信号值大于U，则为大强度制动，否则为中小强度制动。
中小强度制动时：驾驶员脚踩制动踏板13时，推动与制动踏板13相连的踏板推杆1及第一活塞3，第一活塞3向模拟器缸体2内移动进而压缩第一弹簧4，第一弹簧4推动第三活塞8向内移动进而压缩第三弹簧9，第一活塞3未触及第二活塞6的活塞推杆，此时由第一弹簧4与第三弹簧9串联提供弹性反力，共同模拟驾驶员的制动脚感。
假设第一弹簧4的刚度为k1，第二弹簧7的刚度为k2，且第二弹簧7的刚度大于第一弹簧4的刚度，第三弹簧9的刚度为k3，制动踏板13的杠杆比为r,则该阶段模拟的踏板力F1与踏板推杆1的位移x(即为踏板行程传感器14数值)关系为：
Figure BDA0002400900290000081
大强度制动时：驾驶员继续踩制动踏板13，踏板推杆1推动第一活塞3继续向内移动，第一活塞3超过空程与第二活塞6的活塞推杆接触并推动第二活塞6，第一活塞3和第二活塞6可以看作一个整体，共同压缩第一弹簧4和第二弹簧7，此时第一弹簧4和第二弹簧7并联之后再与第三弹簧9串联提供弹性反力，共同模拟驾驶员的制动脚感。
假设第一活塞3和第二活塞6的相对位移为d1(为一固定值，由模拟器结构决定),则该阶段模拟的踏板力F2与踏板推杆1的位移x(即为踏板行程传感器14数值)关系为：
Figure BDA0002400900290000082
在驾驶员踩下制动踏板13的过程中，踏板行程传感器14获得踏板行程信号，踏板力传感器15获得踏板力信号，这两个信号传输到电控单元ECU16中，电控单元ECU16通过踏板行程信号依据踏板行程-踏板力特性曲线得到期望的踏板力信号，并与实际接收的踏板力信号比较，当实际踏板力信号偏小时，电控单元ECU16发出控制信号给电机12使其转动，电机12经一级齿轮减速机构带动凸轮11转动，由凸轮11的升程曲线轮廓推动第四活塞10前移，向前压缩第三弹簧9，起到补偿踏板力的目的，此时该模拟器的效果相当于主动式踏板感觉模拟器。在驾驶员松开制动踏板13的过程中，电控单元ECU16根据踏板行程传感器14和踏板力传感器15的信号发出控制信号给电机12，控制电机12反转，最终带动凸轮11转回初始位置，第四活塞10复位至限位装置17处，制动踏板13在第一弹簧4(或第一弹簧4和第二弹簧7)和第三弹簧9反力的作用下回到初始位置，此过程中该模拟器的效果相当于被动式踏板感觉模拟器。
假设电机12转角为α，小齿轮20模数为m，齿数为z1，大齿轮21模数为m，齿数为z2，凸轮11带动从动件第四活塞10的位移s与凸轮11转角β符合函数关系s(β)，则在驾驶员踩制动踏板13阶段产生的补偿踏板反力F1′和F2′：
中小强度时：
Figure BDA0002400900290000091
大强度时：
Figure BDA0002400900290000092
其中，β＝α·z1/z2
紧急制动时：电控单元ECU16根据踏板行程传感器14和踏板力传感器15的信号发出控制信号给电机12，电机12经一级齿轮减速机构带动凸轮11转动，进而推动第四活塞10前移，主动增加制动踏板13阻力，调节制动踏板13感觉，从而满足紧急制动的模拟踏板力需求。
当电控单元ECU16失效时：中小强度制动时靠第一弹簧4和第三弹簧9串联共同提供踏板感；大强度制动时靠第一弹簧4和第二弹簧7并联之后再与第三弹簧9串联共同提供踏板感，该过程中模拟器相当于被动式踏板感觉模拟器。

Claims (9)

1.一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：包括踏板推杆、模拟器缸体、第一活塞、第一弹簧、第二活塞腔体、第二活塞、第二弹簧、第三活塞、第三弹簧、第四活塞、凸轮、齿轮减速机构和电机，其中，第一活塞、第三活塞和第四活塞依次装配在模拟器缸体内，第一活塞与第三活塞之间设有第一弹簧，第三活塞与第四活塞之间设有第三弹簧；第二活塞腔体设在第一活塞与第三活塞之间，位于第一弹簧内部，并且一端固定在第三活塞上，第二活塞设在第二活塞腔体内，第二活塞与第三活塞之间设有第二弹簧；踏板推杆穿过模拟器缸体与第一活塞相连，第二活塞的活塞推杆穿过第二活塞腔体与第一活塞相对，无制动状态下，第一活塞与第二活塞的活塞推杆之间设有一段空程；电机设在模拟器缸体外，凸轮设在模拟器缸体内后部，轮缘与第四活塞抵接，电机通过齿轮减速机构与凸轮相连。
2.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：第二弹簧的刚度大于第一弹簧的刚度。
3.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：还包括制动踏板、踏板力传感器、踏板行程传感器、电控单元ECU，所述的制动踏板与踏板推杆相连，踏板力传感器设在制动踏板上，踏板行程传感器设在踏板推杆上，踏板力传感器和踏板行程传感器分别通过线路与电控单元ECU相连，将力和行程信号实时传输给电控单元ECU。
4.根据权利要求3所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：电机通过线路与电控单元ECU相连，电控单元ECU控制电机转动。
5.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：所述的凸轮轮廓线包括基圆曲线和升程曲线；模拟器缸体内后部设有限位装置，第四活塞卡在限位装置前侧。
6.根据权利要求5所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：所述的限位装置为挡块或环形凸起。
7.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：第一活塞与模拟器缸体的内侧壁接触部位设置有密封圈。
8.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：还包括电池，电池通过DC/AC模块与电机相连，为电机提供电能。
9.根据权利要求1所述的一种半主动式线控制动系统踏板感觉模拟器，其特征在于：所述的齿轮减速机构包括小齿轮和大齿轮，其中，小齿轮与电机输出轴同轴连接，大齿轮与凸轮同轴连接，小齿轮与大齿轮相啮合，电机旋转依次通过小齿轮和大齿轮传动以减速增扭，进而带动凸轮旋转，推动第四活塞在模拟器缸体内移动。
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