CN111422178A

CN111422178A - 一种电动制动助力器及制动系统和它们的应用

Info

Publication number: CN111422178A
Application number: CN202010221611.4A
Authority: CN
Inventors: 赵克刚; 王济宇; 王莹
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-07-17

Abstract

本发明公开了一种电动制动助力器，其包括行星轮系，与行星轮系一端啮合的行星架齿轮及与行星轮系另一端啮合的电机，本发明还公开了含有上述助力器的制动系统，其还包括制动主缸、制动踏板及含有位置传感器等，上述电动制动助力器及制动系统集成度高、易于模块化生产、体积小、安全性高，制动快速高效，可在电动汽车上进行广泛应用。

Description

一种电动制动助力器及制动系统和它们的应用

技术领域

本发明属于制动系统与器件的技术领域，具体涉及一种电动制动助力器。

背景技术

传统的内燃机车普遍采用真空助力器，通过将发动机进气管产生的真空引入到真空助力器中，产生制动助力效果。当前，伴随着全球能源危机的加重和全民节能、环保意识的增强，电动交通工具，如电动汽车的市场份额不断加大。

相对于传统的内燃机，电动汽车一般不具有发动机，缺乏真空源，无法应用类似的制动助力设备。为使电动汽车同样具有制动助力效果，现有技术中常用的两种解决方式包括：加装电子真空泵或加装电动助力器。其中加装电子真空泵的结构较为复杂，而采用电动助力器的方式有如下类型：(1)如CN1706701A所公开的一类电动助力器，其通过制动踏板产生相应的位置信号，并将信号传递给电子控制单元ECU，电机根据ECU的指令来实现制动主缸内高压的建立，其中制动踏板只提供位置信号，不产生制动力。(2)如CN10674792A所公开的一类电动助力器，其通过将制动踏板的推杆的位置信号传递给电机控制单元ECU，电机再根据ECU指令进行运转，并将输出的动力转换为与推杆同方向的推力并作用于推杆，产生助力。以上两类结构可实现制动助力器的解耦，但均结构复杂，集成模块化程度低，同时在电机出现故障的极限工况下，制动系统的安全性难以得到保障。

发明内容

相对于现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电动制动助力器，其结构简单紧凑，可在不使用减速器等装置的情况下实现高效快速的制动助力。

本发明的目的还在于提供一种含有上述制动助力器的制动系统，其系统集成度高、易于模块化生产、易于升级，同时体积小，安全性高。

本发明的目的还在于提供上述电动制动助力器和/或制动系统的应用方法。

本发明首先提供了如下的技术方案：

一种电动制动助力器，其包括行星轮系，固定于行星轮系一端的行星架齿轮、固定于行星轮系另一端的输入齿轮，及与行星轮系第三端啮合的电机。

根据本发明的一些具体实施方式，所述助力器还包括位于行星轮系及电机之间的锁止开关。

根据本发明的一些具体实施方式，锁止开关为防反转的单向离合器。

根据本发明的一些具体实施方式，所述行星轮系为单排行星轮系。

根据本发明的一些具体实施方式，所述行星轮系包括位于最中部的太阳轮和围绕太阳轮分布并与其啮合的一到多个行星轮，供行星轮绕太阳轮转动的、固定行星轮轴的行星架，及位于最外部的、与行星轮啮合的齿圈，所述齿圈除与行星轮啮合用的内齿，还含有外齿，所述电机含有与所述行星轮系中的齿圈外齿啮合的端部，所述太阳轮含有太阳轮轴，所述行星架含有与太阳轮轴朝向相反的行星架轴，所述太阳轮轴上固定有与太阳轮齿数相同的所述输入齿轮，所述行星架轴上固定有所述行星架齿轮。

根据本发明的一些具体实施方式，所述电机、太阳轮、齿圈及行星架之间的啮合满足当电机进行一个方向的转动时，所述太阳轮、齿圈及行星架同时进行反方向转动。

如当电机进行逆时针转动时，太阳轮、齿圈及行星架进行顺时针转动。

根据本发明的一些具体实施方式，所述齿圈的外齿数与所述太阳轮的齿数之比为1～10，优选为3。

根据本发明的一些具体实施方式，所述助力器中输入端为所述输入齿轮和所述齿圈，输出端为所述行星架齿轮。

根据本发明的一些具体实施方式，所述行星架齿轮的齿数为20-35，优选为25。

发明人意外地发现，该具体实施方式可在最大化所述助力器的助力效果下，使其结构充分紧凑，最大程度节省设置所需的空间。

本发明还提出了一种制动系统，该系统中含有上述电动制动助力器。

根据本发明的一些具体实施方式，所述制动系统包括制动组件和控制组件，其中所述制动组件包括所述电动制动助力器、与该制动助力器中的电机通过主缸顶杆相连的制动主缸、与该制动助力器中的行星轮系通过踏板推杆相连的制动踏板。

根据本发明的一些具体实施方式，所述踏板推杆与助力器中的所述输入齿轮啮合。

根据本发明的一些具体实施方式，所述踏板推杆为齿条状。

根据本发明的一些具体实施方式，所述主缸顶杆与所述电机通过齿轮啮合。

根据本发明的一些具体实施方式，所述主缸顶杆为齿条状。

根据本发明的一些具体实施方式，所述制动组件还包括位于制动主缸与车辆前后轮之间的感载比例阀。

根据本发明的一些具体实施方式，所述控制组件包括位于所述制动踏板与所述踏板推杆铰接处的位置传感器和电子控制单元，其中所述位置传感器及所述电动制动助力器中的电机与所述电子控制单元分别进行电相连。

根据本发明的一些具体实施方式，所述控制组件还包括与所述电子控制单元电相连的报警器。

根据本发明的一些具体实施方式，所述位置传感器为角位移传感器。

根据本发明的一些具体实施方式，所述电机为直流有刷电机。

本发明还提供了上述电动制动助力器和/或制动系统在电动汽车中的应用。

本发明具备如下的有益效果：

(1)本发明的制动助力器结构简单紧凑，可在不使用减速器等装置的情况下实现高效快速的制动助力；

(2)本发明的制动系统系统集成度高、易于模块化生产、易于升级，同时体积小，安全性高；

(3)本发明的制动系统在一般制动的基础上附加了显著的助力效果，可实现快速高效制动；

(4)相对于传统的必须使用真空系统的制动体系，本发明的制动系统无须真空装置，仅在较小的电力作用下即可实现高效制动，可广泛应用于各种电动车辆，如电动汽车中；

(5)在本发明的一些具体实施方式中，当本发明的制动系统中的电机发生故障时，锁止开关对电机转动轴进行锁止，此时仅依靠驱动踏板推杆的制动踏板力，仍能对制动系统实施制动，在一些具体的实施方式中，系统中的电子控制单元还可将发生故障的信息发送给报警装置，从而提醒驾驶员，采取必要的措施，如降低车速，行驶到安全位置或者修理站，及时检修等，显著提升了系统的安全性；

(6)本发明的制动系统可通过对电机的编程控制来实现多种功能，硬件无需做大量的升级，有利于实现批量化生产，提高系统的集成度和模块化生产的程度。

附图说明

图1为本发明电动制动助力器的结构示意简图；

图2为本发明的制动系统的结构示意图；

图3为本发明的制动系统的控制过程框图；

图4为本发明的制动系统在制动时助力器中行星轮系的受力示意图；

图5为本发明的制动系统中踏板推杆3与太阳轮13的啮合示意图；

图6为本发明的制动系统中电机11输出轴与齿圈15的啮合示意图；

图7为本发明的制动系统中行星架齿轮17与主缸顶杆4的啮合示意图；

图8为本发明电动制动助力器的部分部件的立体结构示意图；

图9为图8所示结构的组装效果图；

图10为具体实施方式中所述主缸特性曲线图；

图11为具体实施方式中所述角度传感器获取踏板绕固定支点角位移情况示意图；

图12为具体实施方式中所述微控电路；

图13为具体实施方式中所述反馈处理电路；

图14为具体实施方式中所述电机驱动与故障诊断电路；

图15为具体实施方式中所述报警电路；

图16为具体实施方式中所述电源保护电路。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

如附图1所示的电动制动助力器(其部分部件的立体结构如图8所示，完成组装后如附图9所示)，其包括含有太阳轮轴的太阳轮13、围绕太阳轮分布并与其啮合的一到多个行星轮14，供行星轮绕太阳轮转动的、固定行星轮轴的行星架16，及位于最外部的、与行星轮14啮合的齿圈15，所述齿圈15除与行星轮14啮合用的内齿，还含有外齿，在一些具体实施中，所述齿圈15可加工为内外齿一体的镂空圈状，齿圈15通过外齿与电机11含有啮合齿的一段啮合，行星架16通过与太阳轮轴朝向相反的行星架轴带动固定于其轴上的行星架齿轮17，太阳轮13则通过太阳轮轴由固定于其轴上的输入齿轮101带动，输入齿轮101与太阳轮13齿数相同，因此传动比不变；电机11、齿圈15、输入齿轮101及行星架16之间的啮合满足当电机11进行逆时针转动时，太阳轮13、齿圈15及行星架16进行顺时针转动。

在附图1所示的实施方式中，在电机11与齿圈15间还连接有锁止开关12，锁止开关12可选择防反转的单向离合器。

图1所示的电动制动助力器在与制动系统中的制动组件结合后，可有效地产生助力效果，如将助力器中的输入齿轮101、齿圈15作为输入端，即通过制动组件产生的外力控制所述太阳轮13、齿圈15的转速，将所述行星架齿轮17作为输出端，即通过所述行星架齿轮17的转速对制动组件产生附加力，则可在不使用减速器等装置的基础上快速产生助力。

如附图2所示的制动系统，其包括前述电动制动助力器100，与该制动助力器100的电机11通过主缸顶杆4啮合的制动主缸5，与该制动助力器100的输入齿轮101通过踏板推杆3啮合的制动踏板1，位于制动踏板1与踏板推杆3铰接处的位置传感器2，位于制动主缸5和车辆前后轮间的感载比例阀8，与所述位置传感器2及电机11分别进行电相连的电子控制系统ECU(图中未显示)。

在具体的实施方式中，所述助力器100输入端与输出端可均采用齿轮齿条的形式，在旋转副与移动副之间做转换；而踏板推杆3、制动主缸顶杆4可加工为齿条，其中踏板推杆带齿条副与作为驱动的输入齿轮101进行齿啮合，使移动副变成旋转副，输出端的行星架齿轮17与主缸顶杆齿条副啮合，使旋转副转移动副；电机11通过锁止离合器与外齿圈啮合。

该制动系统的控制过程如附图3所示，具体的，当制动踏板1被踩下后，制动踏板1绕固定支点转动产生角位移，并给齿条状的踏板推杆3向左的推力，与其啮合的助力器中的行星轮系的受力情况如附图4所示，其中踏板推杆3对与其啮合的太阳轮13产生驱动，促使太阳轮13顺时针转动(如附图5所示)，此时位置传感器2可采集到制动踏板1的角位移量，并将其通过电信号传送至电子控制单元ECU，ECU根据传感器2采集到的信息做出判断，并向电机11发送指令，驱动电机11运转，电机11可选择直流有刷电机，在角位移传感器2采集到的模拟量传送至ECU后，ECU根据转角传感器数值对直流有刷电机输出功率进行反馈控制。

其控制原理如下：

考虑极限要求工况，假设电动制动助力器极限要求以20Mpa/s上升速率达到10Mpa的制动压力，即10Mpa的响应时间为0.5s。因为主缸内压力与主缸顶杆行程成正相关，具体关系可由主缸特性曲线获得，如图10所示。可知液压力为10Mpa时主缸活塞位移大概16mm，由下式可计算得到所需助力器与踏板提供总功率之和为：

式中，p_max为人工踏板与助力电机推动的最大制动压力，取10Mpa，A_mc1为主缸活塞面积，取值387.77mm²，S_r为制动压力10Mpa时的主缸推杆位移，取值16mm，t_r为制动压力达到p_max时的相应时间，η为电机传动机构效率，取50％。可求得共需助力器与踏板输入248.18W，通过助力功率占比η_e，以助力占比15/17计算，求得电机需提供助力功率P_e＝p_max*η_e＝218.98W。优选额定功率300w电机。

根据以上原理，可通过任意主缸顶杆位移计算助力功率。

另一方面，可实时通过角度传感器获取踏板绕固定支点角位移情况(如附图11所示)，运用整个系统传动比，可计算出主缸顶杆的位移如下：

其中，i为助力器太阳轮输入齿轮与行星架输出齿轮的传动比，l角度传感器支点与踏板推杆支点距离，s₃为踏板推杆行程，s₄为主缸顶杆行程。

根据计算得到的位移量，可为电机进行功率控制提供反馈控制信息。

在具体的控制组件中，ECU可含有STM8AF5288T单片机，其控制板中，一路为0-5V模拟量输入，接角位移传感器，一路为0-12V模拟量输出，接被控制电机，通过输出的模拟电压进行电机输出功率控制，通过角位移传感器进行反馈控制，电机11进一步推动与其啮合的齿圈15顺时针转动(如附图6所示)，并由太阳轮13和齿圈15的转动进一步带动行星轮14，进一步带动行星架16的顺时针转动，再进一步带动行星架齿轮17的顺时针转动，其后行星架齿轮17再带动与其啮合的齿条状主缸顶杆4的向左推动(如附图7所示)，其后制动主缸5产生高压，将高压油压入车辆右前轮6、左前轮7、左后轮9、右后轮10的制动轮缸，实现全车制动。

在具体实施方式中，所述控制组件还可以包括与所述电子控制单元电相连的报警器。

上述控制组件可通过如附图12所示的微控电路、附图13所示的反馈处理电路、附图14所示的电机驱动与故障诊断电路、附图15所示的报警电路及附图16所示的电源保护电路实现上述实施过程。

在上述系统中，其制动效果可通过如下的计算式进行衡量：

当电动制动助力器100中包含一个单排行星轮系时，其中r₁、r₂分别为太阳轮13、齿圈15的节圆半径，r₃为行星轮与太阳轮的中心距，F₁、F₂、F₃为行星轮14所受到的力，假设太阳轮13的齿数为Z₁₃，齿圈15齿数为Z₁₅，用n₁₃表示输入太阳轮13的转速，n₁₅为齿圈15的转速，n₁₆表示行星架16转速。则：

作用于太阳轮13上的力矩为

T_s＝F₁r₁

作用于齿圈15上的力矩为

T_r＝F₂r₂

作用于行星架16上的力矩为

T_H＝F₃r₃

令

可得r₂＝kr₁；

又因为

由行星轮14的力平衡条件可得：F₁＝F₂ F₃＝-2F₁

因此可得

根据能量守恒定律，三个元件上输入和输出的功率代数和为零，即

T_sω_s+T_rω_r+T_Hω_H＝0 (2)

式中：ω_s、ω_r、ω_H分别为太阳轮13、齿圈15、行星架16的转动角速度，T_s、T_r、T_H分别为太阳轮13、齿圈15、行星架16的转矩，自左向右看为顺时针转动，并约定为正方向。

根据式(1)、(2)可得行星齿轮机构机构的一般运动特性方程为

ω_s+kω_r-(1+k)ω_H＝0 (3)

进一步根据式子(3)，可得转速关系式：

n_s+kn_r-(1+k)n_H＝0 (4)

其中，n_s、n_r、n_H分别为太阳轮13、齿圈15、行星架16的转速，自左向右看为顺时针，并约定为正方向。

当太阳轮13和齿圈15为主动件，转动角速度ω_s、ω_r，方向为顺时针为正，行星架16为从动件，若ω_r＞ω_s,根据相对运动关系，齿圈15对行星轮14的力F₂水平向右，由于行星轮的运动特征，太阳轮13对行星轮14的力F₁水平向右，行星架16对行星轮13的力F₃水平向左，依旧有F₁＝F₂，F₃＝-2F₁的关系，由于太阳轮13和齿圈15在啮合点的施力方向于速度方向相同，钧为输入功率，行星架16输出功率。在忽略能量损失的条件下，系统能量守恒，即输入功率和输出功率相等。

输入功率为P_in＝T_sω_s+T_rω_r，

输出功率为P_out＝T_Hω_H

由于P_in＝P_out，则得到关系式T_sω_s+T_rω_r＝T_Hω_H。

进一步地，所述的制动助力器100行星轮系中，当电机11出现故障不能正常工作时，锁止开关12介入工作，使得齿圈15固定，此时踏板推杆3驱动太阳轮13转动作为输入，带动行星轮14转动，从而驱动行星架16(行星架齿轮17)一起绕轴心转动，此时的传动比为i为

i＝1+k＞1 (5)

式(5)说明，在极限工况(电机11发生故障)，通过电子控制单元发出指令让锁止开关12锁定电机11的转轴，并将故障信息通过电子控制单元发送信号给报警装置，也能确保制动功能的正常使用，传动比i＞1，减速，这是本制动系统的电机失效安全控制。其他运行状态下，具有明确的输入输出关系，满足式子(2)。

实施例1

采用如附图1-7所述的制动系统，其中太阳轮13的齿数Z₁₃(即输入齿轮101齿数)为25，齿圈15的齿数Z₁₅为75，踏板推杆3驱动太阳轮13的转速n₁₃为80r/min，电机11带动齿圈的转速n₁₅为200r/min。

即在上述系统中，太阳轮13的齿数Z₁₃＝25，齿圈15齿数Z₁₅＝75，踏板推杆3驱动太阳轮13的转速(即输入转速，设相对于轴心顺时针转动为正)n₁₃＝n_s＝80r/min，电机带动的齿圈转速(设相对于轴心顺时针转动为正)n_r＝n₁₅＝200r/min。令k＝Z₁₅/Z₁₃＝3，根据转速关系式(4)，可知行星架转速n_H＝n₁₆＝170r/min，即当输入为n_s＝80r/min时，行星架16的转速相对于踏板推杆3驱动的齿轮转速而言，明显加快了。

根据角速度于转速的关系式

式子中ω为转动角速度(幅度/秒)，n为转速(转/分)。设太阳轮13输入的转矩为T_s＝T(牛米),则太阳轮13的输入功率为

(瓦),齿圈15的输入的转矩为T_r＝3T(牛米),则齿圈15的输入功率为

行星架16的输出的转矩为T_r＝-(1+k)T＝-4T,则行星架16的输出功率为

负号表示吸收功率。忽略传递过程中功率损失，则太阳轮13输出的功率P_s、齿圈15的输入功率为P_r、行星架16的输出功率P_H对应的比为

可见，太阳轮13输入的功率所占比重为2/17，齿圈15输入的功率所占比重为15/17，根据能量守恒，电动助力系统的使用，极大地提升了助力效果。同时其较好地利用电机的高转速特点，在电机输出轴直接与齿圈外齿轮啮合使用后，不用再使用减速机构。

实施例2

采用如附图1-7所述的制动系统，其中太阳轮13的齿数Z₁₃为25，齿圈15的齿数Z₁₅为75，踏板推杆3驱动太阳轮13的转速n₁₃为80r/min，电机11出现故障，此时锁止开关限制齿圈15转动，即由电机11带动的齿圈的实际转速n₁₅＝0。根据转速关系式(4)，可得此时行星架的转速n_H＝n₁₆＝20r/min，传动比i＝4＞1，实现减速。

实施例3

采用如附图1-7所述的制动系统，其中，在制动助力器100中，由电机11带动太阳轮13转动作为一个输入端，踏板推杆3驱动齿圈15外齿转动作为另一个输入端，而行星架齿轮17驱动制动主缸顶杆4作为输出端。当太阳轮13的齿数为Z₁₃＝25，齿圈15齿数为Z₁₅＝75时，行星架16的当量齿数为Z₁₆+Z₁₃+Z₁₅＝100，令k＝Z₁₅/Z₁₃＝3，同时，电机11驱动太阳轮13的转速n₁₃＝200r/min，相对于轴心顺时针转动为正，踏板推杆3驱动齿圈外齿轮转动的转速为n₁₅＝80r/min输入，相对于轴心顺时针转动为正，则根据转速关系式(4)，可得行星架的转速n₁₆＝110r/min，可以看出，其增速效果不如实施例1。设踏板推杆驱动的齿圈15的输入的转矩为T_r＝T,则齿圈15的输入功率为

太阳轮13的输入的转矩为

则太阳轮13的输入功率为

行星架16的输出的转矩为

则行星架16的输出功率为

即太阳轮13输入的功率所占比重为5/11，齿圈15输入的功率所占比重为6/11，可见电机11驱动太阳轮13转动时，在轮系结构不变，踏板推杆所驱动的旋转元件力矩不变的情况下，其同样可实现制动助力，但助力效果不如实施例1。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电动制动助力器，其特征在于：其包括行星轮系，固定于行星轮系一端的行星架齿轮、固定于行星轮系另一端的输入齿轮，及与行星轮系第三端啮合的电机，优选的，所述助力器还包括位于行星轮系及电机之间的锁止开关。

2.根据权利要求l所述的电动制动助力器，其特征在于：所述行星轮系为单排行星轮系。

3.根据权利要求1所述的电动制动助力器，其特征在于：所述行星轮系包括位于最中部的太阳轮、围绕太阳轮分布并与其啮合的一到多个行星轮，供行星轮绕太阳轮转动的、固定行星轮轴的行星架，及位于最外部的、与行星轮啮合的齿圈，所述齿圈除与行星轮啮合用的内齿，还含有外齿，所述电机含有与所述行星轮系中的齿圈外齿啮合的端部，所述太阳轮含有太阳轮轴，所述行星架含有与太阳轮轴朝向相反的行星架轴，所述太阳轮轴上固定有与太阳轮齿数相同的所述输入齿轮，所述行星架轴上固定有所述行星架齿轮。

4.根据权利要求3所述的电动制动助力器，其特征在于：所述电机、输入齿轮、齿圈及行星架之间的啮合满足当电机进行一个方向的转动时，所述太阳轮、齿圈及行星架同时进行反方向转动。

5.根据权利要求3所述的电动制动助力器，其特征在于：所述齿圈的外齿数与所述太阳轮的齿数之比为1～10，优选为3。

6.根据权利要求3所述的电动制动助力器，其特征在于：所述助力器中输入端为所述输入齿轮和所述齿圈，输出端为所述行星架齿轮。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电动制动助力器，其特征在于：所述行星架齿轮的齿数为20-35，优选为25。

8.含权利要求1-7中任一项所述的电动制动助力器的制动系统，优选的，所述制动系统包括制动组件和控制组件，其中所述制动组件包括所述电动制动助力器、与该制动助力器中的电机通过主缸顶杆相连的制动主缸、与该制动助力器中的行星轮系通过踏板推杆相连的制动踏板，优选的，所述踏板推杆与助力器中的输入齿轮啮合，和/或，优选的，所述制动组件还包括位于制动主缸与车辆前后轮之间的感载比例阀。

9.根据权利要求8所述的制动系统，其特征在于：所述控制组件包括位于所述制动踏板与所述踏板推杆铰接处的位置传感器和电子控制单元，其中所述位置传感器及所述电动制动助力器中的电机与所述电子控制单元分别进行电相连，优选的，所述位置传感器为角位移传感器；优选的，所述电机为直流有刷电机。

10.权利要求1-6所述的电动制动助力器和/或权利要求7-9所述的制动系统在电动汽车中的应用。