CN111731255A - 一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统,包括:踏板推杆;传动轴,其空套在所述踏板推杆外侧;电机,其带动传动轴转动;阻挡板,其固定在踏板推杆上,且阻挡板设置在所述传动轴的一端;压缩装置,其一端与踏板推杆的另一端相连接;第一弹簧,其设置在所述阻挡板和所述压缩装置之间;滑动副,其与所述传动轴螺旋配合,且所述滑动副可滑动的设置在所述传动轴上;套筒,其设置在所述滑动副和所述压缩装置之间;液压缸,其与所述压缩装置的另一端相连接,用于给制动器提供高压油路;第二弹簧,其设置在所述液压缸和所述压缩装置之间。本发明还公开一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统的控制方法,能够对车辆制动进行精准补偿。
Description
技术领域
本发明涉及汽车制动技术领域,更具体的是,本发明涉及一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统及其控制方法。
背景技术
目前,随着经济的快速发展,人们生活水平的逐渐提高,汽车的保有量也在迅速的增长。因此,车辆的制动问题就尤为重要。
目前传统汽车液压制动系统中大部分是采用真空助力,只有较少数的汽车采用电机助力制动(如Bosch公司的iBooster制动系统,Nissan Motors公司的e-ACT制动系统)等其他方式的制动助力装置。但是传统汽车的制动系统可能由于汽车制动踏板行程过大,造成车辆在制动过程中制动力不足,车辆的制动作用迟缓,制动效能很低甚至丧失。而且传统汽车的制动助力装置,由于制动踏板与制动液压系统未完全解耦,所以在很大程度上削减了制动能量的回收,并且在能量回收过程中会出现制动力的缺失。相比于真空助力方式,电机助力制动系统,能精确控制制动系统液压力、响应快速,但目前流行的电机制动系统,在电机助力和制动踏板助力的耦合上存在延迟等问题,容易使制动踏板造成“踩空”的感觉,不能有效的反馈路感制动力矩,同时在制动能量回收状态,当电机力矩耦合时,制动踏板也容易出现“踩空”现象。
因此,补偿车辆制动过程中出现的制动力不足现象,并且能够在能量回收时保持车辆的制动力是保证车辆制动安全性的首要任务。
发明内容
本发明的目的是设计开发了一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统,通过液压主缸与电机助力的结合,有效解决了制动力不足的问题,并且通过两个回位弹簧和电机的反向旋转,解决了制动踏板踩空的问题。
本发明的另一个目的是设计开发了一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统的控制方法,根据制动踏板的状态和车辆制动时所需的不同制动力,改变电机的状态,并且能够通过制动踏板的位移判断出车辆制动所需的制动助力,能够对车辆制动进行精准补偿。
本发明提供的技术方案为:
一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统,包括:
踏板推杆,其一端与车辆的制动踏板相连接;以及
传动轴,其空套在所述踏板推杆外侧,且所述传动轴的长度小于所述踏板推杆的长度;
电机,其带动所述传动轴转动;
阻挡板,其固定在所述踏板推杆上,且所述阻挡板设置在所述传动轴的一端;
压缩装置,其一端与所述踏板推杆的另一端相连接;
第一弹簧,其设置在所述阻挡板和所述压缩装置之间;
滑动副,其与所述传动轴螺旋配合,且所述滑动副可滑动的设置在所述传动轴上;
套筒,其设置在所述滑动副和所述压缩装置之间;
液压缸,其与所述压缩装置的另一端相连接,用于给制动器提供高压油路;
第二弹簧,其设置在所述液压缸和所述压缩装置之间。
优选的是,还包括:
壳体,其为L型中空结构;
其中,所述传动轴、阻挡板、压缩装置、第一弹簧、滑动副、套筒和第二弹簧均设置在所述壳体内部,所述电机可拆卸的设置在所述壳体外侧的一端;所述液压缸设置在所述壳体外侧的另一端。
优选的是,还包括:
联轴器,其一端与所述电机的输出轴相连接;
第一齿轮轴,其一端可转动的设置在所述壳体的内侧,另一端与所述联轴器的另一端相连接;
第二齿轮轴,其两端均可转动的设置在所述壳体的内侧,且所述第二齿轮轴与所述第一齿轮轴相啮合;
齿轮,其固定在所述传动轴上,且所述齿轮与所述第二齿轮轴啮合,用于带动所述传动轴转动。
优选的是,所述液压缸包括:
液压主缸,其与所述压缩装置的另一端相连接;
储油箱,其与所述液压主缸相连接。
优选的是,所述压缩装置包括:
推杆座,其具有中心通孔,且所述踏板推杆的另一端穿过所述中心通孔;
缓冲块,其可移动的设置在所述推杆座的一侧,且所述缓冲块与所述踏板推杆的另一端固定连接;
顶杆,其一端与所述缓冲块固定连接,另一端可移动的设置在所述液压主缸的内部。
优选的是,还包括:
踏板位移传感器,其设置在所述踏板推杆的另一端;
踏板位移传感器信号单元,其设置在车辆的底盘上,所述踏板位移传感器信号单元与所述踏板位移传感器电联;
电机信号单元,其设置在所述电机上,用于控制电机的启动和转速;
油量传感器,其设置在所述储油箱中,用于检测所述储油箱中的油量;
轮速传感器,其设置在车轮上;
测距传感器,其设置在车辆的前部,用于检测车辆与前方障碍物的距离;
整车控制器,其与所述踏板位移传感器信号单元、电机信号单元、油量传感器、轮速传感器和测距传感器相连接。
一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统的控制方法,使用所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,包括如下过程:
在车辆行驶时,若制动踏板位移为零且车辆与障碍物之间的安全系数小于安全阈值时,整车控制器控制电机制动;
若制动踏板位移不为零,则判断车辆所需制动力:
若车辆所需制动力小于制动阈值,则车辆制动力通过反拖电机制动提供;
若车辆所需制动力不小于制动阈值,则车辆制动力通过踏板推杆和电机制动提供。
优选的是,所述安全系数满足:
式中,Asafe为安全系数,K为调节系数,m为车辆质量,g为重力加速度,μk为轮胎与底面的摩擦系数,R为轮胎的半径,froll为车辆轮胎的滚动阻力,Sact为车辆与障碍物间的距离,Vact为车速,Vaver为车辆行驶的平均车速;
所述安全阈值为1.34。
优选的是,所述制动阈值满足:
其中,所述滑移率满足:
式中,δ为滑移率,Vt为车辆的理论速度,Va为车辆的实际速度。
优选的是,当车辆制动力通过踏板推杆和电机制动提供时,所述电机输出力矩与制动踏板力之间满足:
式中,Fm为电机输出力矩,k1为第二弹簧刚度,x1为踏板位移,c1为推杆座阻尼系数,为踏板位移的一阶导数,k2为第一弹簧刚度,x2为阀体位移,c2为踏板推杆阻尼系数,为阀体位移的一阶导数,F01为第二弹簧的初始力,F02为第一弹簧的初始力,FL为液压主缸的压力,m1为推杆座质量,为为踏板位移的二阶导数,FP为制动踏板力,m2为阀体质量,为阀体位移的二阶导数。
本发明所述的有益效果:
(1)本发明设计开发的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,采用在液压主缸前端将踏板推杆和电机助力活塞推杆耦合,可以有效的补偿系统在制动过程中出现的制动力不足,弥补在能量回收过程中出现的制动力“缺失感”;
(2)本发明设计开发的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,利用两个回位弹簧,加上电机的精准控制,解决了传统的反馈盘式电动助力系统在正常制动模式下踏板感生硬或易出现踩空感的问题;
(3)本发明设计开发的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,采用电机驱动,利用两级减速装置和滚珠丝杠装置,将电机的旋转运动转化为平动运动输出,传动比大,传动效率高,结构设计紧凑,响应迅速,安装容易且可以保证较高的装配精度;
(4)本发明设计开发的具有制动力校准功能的电机助力制动系统的控制方法,可以在短时间内根据踏板位移传感器信号计算出当前所需要的制动助力大小,同时兼顾制动能量回收状态下的制动力补偿机制,解决了能量回收功能下的踏板感易出现“踩空感”的问题,同时具有主动紧急制动功能,对驾驶员和乘客的安全更有保障,防止制动踏板产生较大的空行程而导致响应迟缓的现象发生。
附图说明
图1为本发明所述具有制动力校准功能的电机助力制动系统的剖面结构示意图。
图2为本发明所述踏板推杆的装配结构示意图。
图3为本发明所述踏板推杆的外部结构示意图。
图4为本发明所述电机和踏板推杆的装配结构示意图。
图5为本发明所述液压主缸的受力示意图。
图6为本发明所述的电机输出力与踏板推杆输入力的对应关系图。
图7为本发明所述踏板推杆输入力与制动主缸压力的对应关系图。
具体实施方式
下面结合对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统,采用在液压主缸前端将踏板推杆和电机助力活塞推杆耦合,可以有效的补偿系统在制动过程中出现的制动力不足,弥补在能量回收过程中出现的制动力“缺失感”。
如图1所示,本发明所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统包括:踏板推杆101、阻挡板102、第一弹簧103、直线轴承104、左壳体111、右壳体112、第一齿轮轴121、第一深沟球轴承122、第一深沟球轴承端盖123、第二齿轮轴131、第二深沟球轴承132、第二深沟球轴承端盖133、电机141、弹性联轴器142、齿轮151、滚针轴承152、传动轴153、滑动副161、套筒162、推杆座163、缓冲块164、顶杆165、第二弹簧166、弹簧挡圈167、储油箱171、液压主缸172、整车控制器180、踏板位移传感器191、踏板位移传感器信号单元192、电机信号单元193、油量传感器194、轮速传感器和测距传感器(图中未示出)。
其中,所述左壳体111和右壳体112均为L型结构,并且所述左壳体111和右壳体112采用定位销螺栓连接形成容纳腔,在左壳体111和右壳体112上对称设置有4个轴承孔,在加工轴承孔时,先通过定位销连接好后,然后精加工轴承孔,保证第一齿轮轴121、第二齿轮轴131以及丝杠轴之间的同轴度和转动的平稳性要求;电机141通过螺栓连接在左壳体111上,第一齿轮轴121通过第一深沟球轴承122轴端固定在轴承孔中,电机141的输出轴与第一齿轮轴121的一端通过弹性联轴器142连接并驱使第一齿轮轴121转动,第一齿轮轴121的另一端通过第一深沟球轴承端盖123密封;第二齿轮轴131通过第二深沟球轴承132固定在轴承孔中,且第二齿轮轴131与第一齿轮轴121平行设置,第一齿轮轴121与第二齿轮轴131啮合并带动第二齿轮轴131转动,第二齿轮轴131的两端均通过第二深沟球轴承端盖133密封;齿轮151与第二齿轮轴131相啮合传动,如图2、图3、图4所示,所述齿轮151固定设置在所述传动轴153上,传动轴153空套在所述踏板推杆101外侧,且所述传动轴153的长度小于所述踏板推杆101的长度,传动轴153的一端通过滚针轴承152固定在右壳体112上;滑动副161与所述传动轴153螺旋配合,且所述滑动副161可滑动的设置在所述传动轴153上;第二齿轮轴131通过齿轮151带动传动轴153转动,通过滑动副161将转动转换为横向移动;传动轴153内部采用中空结构,踏板推杆101通过直线轴承104可滑动的穿过所述传动轴153,踏板推杆101的一端与车辆的制动踏板相连接;阻挡板102固定在所述踏板推杆101上,且所述阻挡板102设置在所述传动轴153的另一端;推杆座163设置在容纳腔内部,且所述推杆座163与所述滑动副161平行设置,推杆座163具有中心通孔,且所述踏板推杆101的另一端穿过所述中心通孔;缓冲块164可移动的设置在所述推杆座163的一侧,且所述缓冲块164与所述踏板推杆101的另一端固定连接;顶杆165一端与所述缓冲块164固定连接,第一弹簧103设置在所述阻挡板102和所述推杆座163之间;套筒162设置在所述滑动副161和所述推杆座163之间,用于传递推力;液压主缸172固定在所述容纳腔的一端,且所述液压主缸172的液压口设置在容纳腔的内部,所述顶杆165的另一端设置在所述液压主缸172的内部,用于形成液压;储油箱171与所述液压主缸172相连接;弹簧挡圈167设置在所述容纳腔内部,且所述弹簧挡圈167设置在所述推杆座163与液压主缸172之间;第二弹簧166设置在所述弹簧挡圈167和所述推杆座163之间。
踏板位移传感器191设置在所述踏板推杆101的另一端,用于检测制动踏板的位移;踏板位移传感器信号单元192与所述踏板位移传感器191电联,用于传输所述制动踏板的位移信号;电机信号单元193,其设置在所述电机141上,用于控制电机141的启动和转速;油量传感器194,其设置在所述储油箱171中,用于检测所述储油箱171中的油量;轮速传感器,其设置在车轮上,用于检测车速;测距传感器,其设置在整车前方,通过毫米波雷达进行测距;整车控制器180与所述踏板位移传感器信号单元192、电机信号单元193、油量传感器194、轮速传感器和测距传感器通过电信号相连接。
本发明所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,当整车控制器180检测到踏板位移传感器191有信号时,根据位移量的大小来控制电机141的转动,通过电机141的输出轴与第一齿轮轴121相连,通过第二齿轮轴131进行减速增扭功能与传动轴153上的齿轮151相啮合,将电机141的转动扭矩传递到滑动副161上,转换为滑动副161的直线运动,此时带动套筒162和推杆座163,与踏板推杆101共同向前作用在顶杆165上,向前压缩液压主缸172,完成制动液压主缸172加压的任务。
所述的踏板推杆101穿过传动轴153与顶杆165相连,在电机141正常工作时,电机141的转动力矩转化成顶杆165的推力与脚踩的踏板推力共同结合,作用于液压主缸172内,当电机141无法正常工作时,只有脚踩的踏板力作用于液压主缸172内,仍然可保证制动系统的正常运行,满足制动系统冗余设计的要求。
当驾驶员松开制动踏板时,踏板推杆101在第一弹簧103的作用下返回,同时踏板位移传感器191检测到位移信息后,向整车控制器180发送信号,整车控制器180处理信息,发送相应得指令给电机141,电机141回转,带动第一齿轮轴121和第二齿轮轴131逆转,使滑动副161返回到初始状态,至此一次车辆制动工作结束。
本发明专利提供的一种具有制动力补偿功能的电机助力制动系统的控制方法,具有电机液压助力制动,制动能量回收,助力失效保护和电机主动制动四种控制过程,具体的控制过程如下所述:
一、电机液压助力制动功能:
在系统处于正常模式时,当驾驶员踩下制动踏板后,踏板推杆101首先克服第一弹簧103作用向左移动,第一弹簧103处于压缩状态,踏板推杆101的顶端嵌有踏板位移传感器191,随着踏板推杆101一起向左运动,同时处于壳体外侧的踏板位移传感器信号单元192立即检测到位移信号,将信号发送至整车控制器180,随后整车控制器180根据踏板位移量的大小进行判断,给电机141相应的转动信号,此时推杆座163和踏板推杆101的推力共同作用在缓冲块164上,向左推动顶杆165运动,最终完成压缩液压主缸172的任务,给整车的制动器提供高压油路,制动期间,电机141助力完成后停止转动,与第一弹簧103和第二弹簧166共同作用产生制动的阻力感。
此制动过程结束后,驾驶员松开制动踏板,随后第一弹簧103恢复形变,同时第二弹簧166也要恢复形变,弹簧力共同作用在传动轴153上,此时踏板位移传感器191检测到踏板推杆101的向右位移后,整车控制器180控制电机141反转,使滑动副161恢复到初始状态,至此,一次完整的制动助力过程结束。
其中,电机输出的转矩与制动踏板力存在一定关系,即助力比。模拟电机助力工况下系统的工作,此时系统可看做一个双质量的振动系统,如图5所示,踏板力经过踏板的杠杆作用施加于踏板推杆101上,电机141助力作用于阀体200上,在二者共同作用下推动液压主缸172负载。建立模型的公式为:
式中,Fm为电机输出力矩,k1为第二弹簧刚度,x1为踏板位移,c1为推杆座阻尼系数,为踏板位移的一阶导数,k2为第一弹簧刚度,x2为阀体位移,c2为踏板推杆阻尼系数,为阀体位移的一阶导数,F01为第二弹簧的初始力,F02为第一弹簧的初始力,FL为液压主缸的压力,m1为推杆座质量,为为踏板位移的二阶导数,FP为制动踏板力,m2为阀体质量,为阀体位移的二阶导数。
在另一种实施例中,参数取值如表一所示,
表一参数取值
如图6、图7所示,电机输出力约为踏板杆输入力的6.5倍,总助力比约为7.5。
二、制动能量回收功能:
在装有制动能量回收的混合动力汽车和纯电动汽车上应用时,当车辆需要制动能量回收的时候,对电机141发出控制,根据整车控制器180的控制,当判断出所需要的制动力小于制动阈值,且能通过反拖电机制动能实现时,此时电机液压助力制动模式不参与制动工作,优先使用电机反拖来实现制动,可以最大程度的利用制动能量再生来回收电力,驾驶员脚踩的踏板感,是由第一弹簧103和第二弹簧166产生的反作用力模拟,同时为了更真实的模拟制动踏板感,可以利用电机141的反转来将踏板感觉维持。
当车辆需要的制动力不小于制动阈值时,如果判断出所需要的制动力通过电机再生制动和地面摩擦制动共同工作时,此时整车控制器180发出指令,电机141转动推动传动轴153的滑动副161向左移动,与踏板推杆101共同作用在液压主缸172中,此时第一弹簧103与小第二弹簧166共同作用产生制动的阻力感,补偿驾驶员的踏板踩踏感,此时为了利用电机反拖进行制动能量回收,必须抽取掉一部分电机的电动助力,为了防止驾驶员有踏板踩空感,在进行反拖电机制动的同时,利用助力电机的反转来补偿抽掉的部分电机助力,这个过程可以非常平顺,驾驶员几乎无法察觉液压刹车是什么时候介入的,踏板感基本保持不变。
其中,制动阈值满足:
其中,所述滑移率满足:
式中,δ为滑移率,Vt为车辆的理论速度,Va为车辆的实际速度。
三、助力失效保护功能:
当系统中有部分传动机构损坏,或者电机控制失效时,为了保证车辆制动系统的有效性,系统中利用传动轴153的中空结构,孔中安装的踏板推杆101也可直接推动顶杆165,向液压主缸172施加压力,此时,制动系统采用机械连接,没有助力效果,但制动性能基本保持不变,第一弹簧103的形变恢复力模拟了踏板的踩踏感,当踏板复位时,通过第一弹簧103,仍可将踏板推杆101恢复到初始状态,保证下次制动可以顺利进行。
四、电机主动制动功能:
随着智能驾驶车辆的发展,对安装有自适应巡航、自动紧急制动或者高级的辅助驾驶功能的车辆,系统可通过轮速传感器、测距传感器等装置,当轮速传感器、测距传感器检测到车辆与障碍物之间的安全系数小于安全阈值,同时制动踏板位移传感器没有检测到踏板发生位移时,整车控制器180会主动向电机141发送指令,电机141根据指令转动,带动第一齿轮轴121,第二齿轮轴131和传动轴153转动,滑动副161主动向液压主缸172施加压力,实现线控化的电机141主动制动功能,保证驾驶员的安全,并且此时制动踏板也会向左移动,可以有效的提醒驾驶员前方有危险,并减速的信息。
其中,安全系数满足:
式中,Asafe为安全系数,K为调节系数,m为车辆质量,g为重力加速度,μk为轮胎与底面的摩擦系数,R为轮胎的半径,froll为车辆轮胎的滚动阻力,Sact为车辆与障碍物间的距离,Vact为车速,Vaver为车辆行驶的平均车速;
所述安全阈值为1.34。
本发明设计开发的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,能够根据不同的低速电动车的状态精确控制具有制动力校准功能的电机助力制动系统的不同模块,并且通过不同模块做出预警。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,包括:
踏板推杆,其一端与车辆的制动踏板相连接;以及
传动轴,其空套在所述踏板推杆外侧,且所述传动轴的长度小于所述踏板推杆的长度;
电机,其带动所述传动轴转动;
阻挡板,其固定在所述踏板推杆上,且所述阻挡板设置在所述传动轴的一端;
压缩装置,其一端与所述踏板推杆的另一端相连接;
第一弹簧,其设置在所述阻挡板和所述压缩装置之间;
滑动副,其与所述传动轴螺旋配合,且所述滑动副可滑动的设置在所述传动轴上;
套筒,其设置在所述滑动副和所述压缩装置之间;
液压缸,其与所述压缩装置的另一端相连接,用于给制动器提供高压油路;
第二弹簧,其设置在所述液压缸和所述压缩装置之间。
2.如权利要求1所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,还包括:
壳体,其为L型中空结构;
其中,所述传动轴、阻挡板、压缩装置、第一弹簧、滑动副、套筒和第二弹簧均设置在所述壳体内部,所述电机可拆卸的设置在所述壳体外侧的一端;所述液压缸设置在所述壳体外侧的另一端。
3.如权利要求2所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,还包括:
联轴器,其一端与所述电机的输出轴相连接;
第一齿轮轴,其一端可转动的设置在所述壳体的内侧,另一端与所述联轴器的另一端相连接;
第二齿轮轴,其两端均可转动的设置在所述壳体的内侧,且所述第二齿轮轴与所述第一齿轮轴相啮合;
齿轮,其固定在所述传动轴上,且所述齿轮与所述第二齿轮轴啮合,用于带动所述传动轴转动。
4.如权利要求3所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,所述液压缸包括:
液压主缸,其与所述压缩装置的另一端相连接;
储油箱,其与所述液压主缸相连接。
5.如权利要求4所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,所述压缩装置包括:
推杆座,其具有中心通孔,且所述踏板推杆的另一端穿过所述中心通孔;
缓冲块,其可移动的设置在所述推杆座的一侧,且所述缓冲块与所述踏板推杆的另一端固定连接;
顶杆,其一端与所述缓冲块固定连接,另一端可移动的设置在所述液压主缸的内部。
6.如权利要求5所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,其特征在于,还包括:
踏板位移传感器,其设置在所述踏板推杆的另一端;
踏板位移传感器信号单元,其设置在车辆的底盘上,所述踏板位移传感器信号单元与所述踏板位移传感器电联;
电机信号单元,其设置在所述电机上,用于控制电机的启动和转速;
油量传感器,其设置在所述储油箱中,用于检测所述储油箱中的油量;
轮速传感器,其设置在车轮上;
测距传感器,其设置在车辆的前部,用于检测车辆与前方障碍物的距离;
整车控制器,其与所述踏板位移传感器信号单元、电机信号单元、油量传感器、轮速传感器和测距传感器相连接。
7.一种具有制动力校准功能的电机助力制动系统的控制方法,其特征在于,使用如权利要求1-6任意一项所述的具有制动力校准功能的电机助力制动系统,包括如下过程:
在车辆行驶时,若制动踏板位移为零且车辆与障碍物之间的安全系数小于安全阈值时,整车控制器控制电机制动;
若制动踏板位移不为零,则判断车辆所需制动力:
若车辆所需制动力小于制动阈值,则车辆制动力通过反拖电机制动提供;
若车辆所需制动力不小于制动阈值,则车辆制动力通过踏板推杆和电机制动提供。
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