CN112849106B - 制动踏板感觉模拟器及制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制动踏板感觉模拟器及制动系统，属于机械制动技术领域，解决了现有制动踏板感觉模拟器中因复合弹簧安装结构缺陷所导致的一系列问题，本发明的制动踏板感觉模拟器，包括壳体；以及，相对壳体位置固定的限位机构；以及，安装于壳体内的一级压缩机构和二级压缩机构；一级压缩机构包括一级顶杆、预紧件和并联设置的第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧；无踏板操作时，一级顶杆被所述限位机构轴向限位或者所述一级顶杆和所述预紧件被所述限位机构轴向限位，第一螺旋弹簧被所述一级顶杆和二级压缩机构预紧，第二螺旋弹簧被所述预紧件和二级压缩机构预紧，一级顶杆响应踏板操作而直接或者间接地先后开始压缩第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧。

Description

制动踏板感觉模拟器及制动系统
【技术领域】
本发明涉及机械制动技术领域，尤其涉及制动踏板感觉模拟器及制动系统。
【背景技术】
电子机械制动系统(EMB)是车辆线控系统的一个重要组成部分。一种典型的电子机械制动系统，其以电能为能量来源，驾驶员的制动意图通过制动踏板单元产生电信号输入电子机械制动系统，设置在车辆轮边的电子制动装置产生符合驾驶员制动意图的制动力从而对车辆实施制动。由于电子机械制动系统的制动踏板单元与轮边的电子制动装置之间只有电性连接，无法产生与液压或气压制动系统类似的触觉反馈给驾驶员，为此需要一种能够模拟传统制动踏板的非线性反馈力的踏板单元，使驾驶员无需重新适应电子机械制动系统的控制。本发明所涉及的制动踏板感觉模拟器就是要完成这一功能。
目前已知的一种制动踏板感觉模拟器采用复合弹簧结构(由至少两个螺旋弹簧串联或者并联组成的结构)，当驾驶员踩下制动踏板时，通过复合弹簧结构的分段压缩产生一个非线性的反馈力，使制动踏板获得合适的制动踏板力，从而模拟出制动踏板感觉。但在现有技术中，制动踏板感觉模拟器未对复合弹簧结构中的全部弹簧在轴向方向上进行预紧，未被预紧的螺旋弹簧会产生晃动，导致螺旋弹簧磨损和振动噪音；另外，由于自由状态下的螺旋弹簧在轴向长度上具有较大的加工误差，制动踏板感觉模拟器无法精确地控制该螺旋弹簧在装配后的长度和压缩行程，在实施制动时无法准确地模拟出与设计目标一致的非线性反馈力曲线。本发明即对上述问题提出了改进方案，以提升制动踏板感觉模拟器的工作性能和使用效果。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供制动踏板感觉模拟器，优化复合弹簧的装配结构，从而能够精确地控制复合弹簧在装配后的长度和压缩行程。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
制动踏板感觉模拟器，包括：
壳体；以及，
相对所述壳体位置固定的限位机构；以及，
安装于所述壳体内的一级压缩机构和二级压缩机构；
其中，所述一级压缩机构包括一级顶杆、预紧件和并联设置的第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧；无踏板操作时，所述一级顶杆被所述限位机构轴向限位或者所述一级顶杆和所述预紧件被所述限位机构轴向限位，所述第一螺旋弹簧被所述一级顶杆和所述二级压缩机构预紧，所述第二螺旋弹簧被所述预紧件和所述二级压缩机构预紧，所述一级顶杆响应踏板操作而直接或者间接地先后开始压缩所述第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述一级顶杆包括法兰，所述法兰被所述限位机构直接或间接地止挡。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述法兰与所述预紧件轴向间隔预设间距，所述一级顶杆响应踏板操作进行轴向运动时消除所述预设间距，所述法兰抵靠并带动所述预紧件，从而压缩所述第二螺旋弹簧。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述法兰具有突起部，所述突起部与所述第二螺旋弹簧轴向间隔预设间距，所述一级顶杆响应踏板操作进行轴向运动时消除所述预设间距，所述突起部穿过所述预紧件的镂空部抵靠并压缩所述第二螺旋弹簧。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述限位机构包括直接或间接止挡所述一级顶杆或所述一级顶杆和所述预紧件的限位环。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述限位环为所述壳体内的台阶；
或者，所述限位环与所述壳体卡接或螺纹连接。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述预紧件分别抵靠所述限位环和所述第二螺旋弹簧；
或者，所述预紧件抵靠所述第二螺旋弹簧，所述预紧件和所述限位环之间设置间隔件。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述二级压缩机构包括被所述一级顶杆推动的二级顶杆和相对所述壳体位置固定的基座，以及被所述二级顶杆和所述基座预紧的弹性件。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述二级顶杆的行程小于所述弹性件的许用行程。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述基座被所述二级顶杆上的定位件止挡，所述定位件为所述二级顶杆的法兰，或所述定位件与所述二级顶杆卡接或螺纹连接。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述基座为所述壳体的底部；
或者，所述基座支承于所述壳体内的台阶上。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述二级顶杆具有接收所述一级顶杆的凹腔，所述一级顶杆响应踏板操作进行轴向运动时消除所述凹腔，抵靠并推动所述二级顶杆，从而压缩所述弹性件。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述弹性件为碟形弹簧、螺旋弹簧、宝塔弹簧、橡胶弹簧之一或其组合。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述弹性件包括橡胶弹簧，所述制动踏板感觉模拟器还包括感应所述橡胶弹簧压力的压力传感器。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述制动踏板感觉模拟器还包括相对所述壳体位置固定的行程传感器和随所述一级顶杆运动的感应件。
在上述的制动踏板感觉模拟器中，所述一级顶杆上固定有支架，所述感应件安装在所述支架上，所述壳体上设置供所述感应件运动的导向槽。
本发明还提出了制动系统，包括上述任一技术方案所述的制动踏板感觉模拟器。
本发明的有益效果：
本发明提出的制动踏板感觉模拟器，第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧以并联方式构成复合弹簧结构，并联方式是指第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧共同分担来自顶杆的操作力，即第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧产生的弹力之和等于来自顶杆的操作力。实施制动时，一级压缩机构先压缩第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧其中一个，而后再开始压缩另外一个，通过对并联式复合弹簧结构的分段式压缩，产生一个非线性的、渐变的反馈力，从而模拟出传统制动系统的制动踏板感觉。本发明中采用的并联式复合弹簧结构，减小了对轴向方向上的安装空间要求，有利于制动踏板感觉模拟器的紧凑化设计。
基于上述并联式复合弹簧结构，本发明通过限位机构、预紧件和一级顶杆的配合，使第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧在制动踏板感觉模拟器未工作时都处于预紧状态，一方面能够防止螺旋弹簧的轴向窜动，即使受到外力冲击依然能保持预紧状态，耐冲击和抗震性更好，避免了螺旋弹簧晃动带来的磨损和噪音问题；另一方面，通过预紧能消除自由状态螺旋弹簧装配后的长度误差，这样就能够按照设计需要来精确控制螺旋弹簧装配后的长度和压缩行程，进而能精确地设计一级顶杆对第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧起始压缩位置的高度差，因此在实施制动时，制动踏板感觉模拟器能按照设计行程对第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧先后进行压缩，以准确地模拟出制动感觉，提升制动踏板感觉模拟器的工作性能和使用效果。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
【附图说明】
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器在无踏板操作时的剖面结构示意图；
图2为图1的A处局部放大图；
图3为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器第一压缩阶段完成时的剖面结构示意图；
图4为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器第二压缩阶段完成时的剖面结构示意图；
图5为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器进入第三压缩阶段时的剖面结构示意图；
图6为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器在无踏板操作时的剖面结构示意图；
图7为本发明一个实施例中制动踏板感觉模拟器在无踏板操作时的剖面结构示意图；
图8为本发明一个实施例中带有行程传感器的制动踏板感觉模拟器的剖面结构示意图。
附图标记：
100壳体、110台阶、120上部壳体、121导向槽、130下部壳体；
200一级压缩机构、210一级顶杆、211法兰、212轴肩部、220间隔件、221抵接部、230预紧件、231环状部、232上止挡部、233下止挡部、234轴向止挡部、235径向止挡部、240第二螺旋弹簧、250第一螺旋弹簧；
300二级压缩机构、310二级顶杆、311凹腔、312立柱、313顶杆法兰、320弹性件、330基座、340定位件；
400限位机构、410限位环；
500支架；
600感应件；
700行程传感器。
【具体实施方式】
本发明提出的制动踏板感觉模拟器，包括：壳体；以及，相对所述壳体位置固定的限位机构；以及，安装于所述壳体内的一级压缩机构和二级压缩机构；其中，所述一级压缩机构包括一级顶杆、预紧件和并联设置的第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧；无踏板操作时，所述一级顶杆被所述限位机构轴向限位或者所述一级顶杆和所述预紧件被所述限位机构轴向限位，所述第一螺旋弹簧被所述一级顶杆和所述二级压缩机构预紧，所述第二螺旋弹簧被所述预紧件和所述二级压缩机构预紧，所述一级顶杆响应踏板操作而直接或者间接地先后开始压缩所述第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧。本发明通过限位机构、预紧件和一级顶杆的配合，使第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧在制动踏板感觉模拟器未工作时都处于预紧状态，一方面能够防止螺旋弹簧的轴向窜动，即使受到外力冲击依然能保持预紧状态，耐冲击和抗震性更好，避免了螺旋弹簧晃动带来的磨损和噪音问题；另一方面，通过预紧能消除自由状态螺旋弹簧装配后的长度误差，这样就能够按照设计需要来精确控制螺旋弹簧装配后的长度和压缩行程，进而能精确地设计一级顶杆对第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧起始压缩位置的高度差，因此在实施制动时，制动踏板感觉模拟器能按照设计行程对第一螺旋弹簧和第二螺旋弹簧先后进行压缩，以准确地模拟出制动感觉，提升制动踏板感觉模拟器的工作性能和使用效果。
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参照图1、2，在本发明一个实施例中提出的制动踏板感觉模拟器，包括：壳体100；以及，相对壳体100位置固定的限位机构400；以及，安装于壳体100内的一级压缩机构200和二级压缩机构300；其中，一级压缩机构200包括一级顶杆210、预紧件230和第一螺旋弹簧250及第二螺旋弹簧240；无踏板操作时，一级顶杆210和预紧件230被限位机构400轴向限位，第一螺旋弹簧250被一级顶杆210和二级压缩机构300预紧，第二螺旋弹簧240被预紧件230和二级压缩机构300预紧。
下面对本发明实施例中的限位机构400、一级压缩机构200和二级压缩机构300进行详细说明，需要说明的是：本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释制动踏板感觉模拟器在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
一级压缩机构200：
参照图1、2，在本实施例中，第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240构成并联式复合弹簧结构，第一螺旋弹簧250嵌套在第二螺旋弹簧240内，实施制动时，一级压缩机构200先压缩第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240其中一个，而后再压缩另外一个，通过对并联式复合弹簧结构的分段式压缩，产生一个非线性的反馈力，从而模拟出传统制动系统的制动踏板感觉。本发明中采用的并联式复合弹簧结构，减少了轴向方向上的安装空间要求，有利于制动踏板感觉模拟器的紧凑化设计，从而节省车辆内部空间，能够适用于各种安装布局。
本实施例中所述的一级顶杆210上设有法兰211，法兰211由一级顶杆210直接加工而成或者作为单独的零件固定到一级顶杆210上，一级顶杆210上还设有轴肩部212，轴肩部212位于法兰211下方，第一螺旋弹簧250两端分别抵接一级顶杆210的轴肩部212和二级压缩机构300并被压缩至预定长度和位置，从而实现在无踏板操作时的预紧。
本实施例中所述的限位机构400包括限位环410，限位环410与壳体100内壁卡接。实际应用中，限位环410可以是挡圈、弹性卡圈等用于零件轴向止动的机械元件，在壳体100内壁设置卡槽，限位环410部分嵌合在卡槽内进行固定。
本实施例中所述的预紧件230抵靠第二螺旋弹簧240，预紧件230和限位环410之间设置间隔件220，限位环410通过间隔件220间接止挡预紧件230和一级顶杆210，实现预紧件230和一级顶杆210的轴向限位。示例性的：预紧件230包括环状部231、由环状部231上端向内延伸的上止挡部232、由环状部231下端向外延伸的下止挡部233，上止挡部232抵靠第二螺旋弹簧240，下止挡部233抵靠间隔件220下端，间隔件220上端向内延伸出抵接部221，抵接部221的下表面抵靠一级顶杆210的法兰211。由此，通过间隔件220的设置使得法兰211与预紧件230的上止挡部232之间形成预设间距s，由于限位环410相对壳体100位置是固定的，因此可通过改变间隔件220的轴向长度，即环状部231的轴向长度来设计预设间距s。间隔件220的抵接部221上表面直接或者间接被限位环410止挡，由于抵接部221的下表面抵靠一级顶杆210的法兰211，预紧件230的下止挡部233抵靠间隔件220下端，限位环410通过间隔件220间接地止挡一级顶杆210的法兰211和预紧件230，从而实现预紧件230和一级顶杆210的轴向限位。
上述的间隔件220呈套筒状，间隔件220的外侧壁与壳体100内侧壁滑动配合，上述的法兰211和环状部231分别与间隔件220内侧壁滑动配合，间隔件220对一级顶杆210和预紧件230的轴向运动起到导向作用，提高一级顶杆210和预紧件230的运动精度，使之轴向运动更加顺畅；并使预紧件230和一级顶杆210具有较高的同轴度，第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240先后压缩而产生的反作用力能均匀施加在一级顶杆210上。
根据本发明实施例所述的一级压缩机构200，在无踏板操作时，法兰211在一级压缩机构200压缩方向上与预紧件230的上止挡部232轴向间隔预设间距s，由于第一螺旋弹簧250被一级顶杆210的轴肩部212和二级压缩机构300预紧，第二螺旋弹簧240被预紧件230和二级压缩机构300预紧，这就能够防止第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240的轴向窜动，即使受到外力冲击依然能保持预紧状态，耐冲击和抗震性更好，避免了螺旋弹簧晃动带来的磨损和噪音问题；更重要的，通过预紧能消除自由状态螺旋弹簧装配后的长度误差，这样就能够按照设计需要来精确控制第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240装配后的长度和压缩行程，进而能精确地设计一级顶杆210对第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240起始压缩位置的高度差(即上述预设间距s)，因此在实施制动时，制动踏板感觉模拟器能按照设计行程对第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240先后进行压缩，以准确地模拟出制动感觉，提升制动踏板感觉模拟器的工作性能和使用效果。
根据本发明实施例所述的预紧件230和间隔件220，不仅能实现对第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240的预紧，还能根据实际设计要求改变第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240的预紧力和预设间距s，示例性的：增加抵接部221厚度或者在抵接部221和法兰211之间放置适量的垫片等方式，使得法兰211的止挡位置下移，从而增加一级顶杆210对第一螺旋弹簧250的预紧力；在抵接部221和限位环410之间放置适量垫片，使预紧件230和一级顶杆210的止挡位置同步下移，从而增加一级顶杆210对第一螺旋弹簧250的预紧力和预紧件230对第二螺旋弹簧240的预紧力；改变预紧件230的轴向长度以调整预设间距s等等。
基于本实施例的发明构思可以想到在本发明的其它一些实施例中，根据实际需要，如安装空间、操作稳定性等不同需求来合理地设计三个、四个或更多个螺旋弹簧的布置位置、相互布置关系。例如：在增加第三螺旋弹簧的情况下，一级顶杆响应踏板操作先压缩第一螺旋弹簧，然后再同时压缩第二螺旋弹簧和第三螺旋弹簧；或者，一级顶杆响应踏板操作先后依次压缩第一螺旋弹簧、第二螺旋弹簧和第三螺旋弹簧。因此，只要能够通过本发明的预紧件230、一级顶杆210分别对多个螺旋弹簧实现预紧，并能按照预定顺序先后压缩多个螺旋弹簧，其采用的其他多个螺旋弹簧布置方式，均落到本发明的保护范围内。
本发明的限位机构不限于上述实施例，在本发明的另一个实施例中，限位环与壳体通过螺纹连接，螺纹连接方式可以调整限位环相对壳体的固定位置，即改变对一级顶杆和预紧件的轴向止挡位置，从而能对一级压缩机构和二级压缩机构在壳体内的装配位置做出调整。除了单独组装外，限位环也可以直接成型在壳体上，在本发明的另一个实施例中，通过冲压或者翻边等机械加工方式，在壳体内壁上做出环形台阶，能达到与上述实施例所述限位环同样的轴向限位功能。
本发明的间隔件不限于上述实施例，在本发明的另一个实施例中，间隔件上可以取消抵接部，从而使限位环能直接止挡一级顶杆的法兰。
本发明的预紧件不限于上述实施例，参照图6，在本发明的另一个实施例中，预紧件230包括环状部231、由环状部231向上延伸出的轴向止挡部234、由环状部231侧向延伸出的径向止挡部235，轴向止挡部234上端抵靠限位环410，径向止挡部235抵靠第二螺旋弹簧240，径向止挡部235与一级顶杆210的法兰211之间形成预设间距s，本实施例相当于将上述的间隔件一体成型到预紧件230上，环状部231与壳体100内侧壁滑动配合，一级顶杆210的法兰211和轴向止挡部234滑动配合，预紧件230对一级顶杆210的轴向运动起到导向作用。
在本发明的另一个实施例中，基于上述任一实施例所述方案：一级顶杆响应踏板操作而直接先后开始压缩第一螺旋弹簧及第二螺旋弹簧，示例性的：一级顶杆的法兰下表面向下延伸出突起部，突起部与第二螺旋弹簧轴向间隔预设间距，预紧件的上止挡部具有让位突起部的镂空部(如上止挡部上开设通孔)，一级顶杆响应踏板操作进行轴向运动时，先压缩第一螺旋弹簧，当突起部穿过镂空部抵靠第二螺旋弹簧时，再开始压缩第二螺旋弹簧。在该实施例中，预紧件相对壳体的位置是固定的。
二级压缩机构300：
参照图1，本实施例的二级压缩机构300包括被一级顶杆210推动的二级顶杆310和相对壳体100位置固定的基座330，以及被二级顶杆310和基座330预紧的弹性件320。由于一级压缩机构200中的第一螺旋弹簧250被一级顶杆210和二级压缩机构300预紧，第二螺旋弹簧240被预紧件230和二级压缩机构300预紧，第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240的预紧力也作用于二级压缩机构300的二级顶杆310上，使限位环410能通过一级压缩机构200间接地对二级压缩机构300进行轴向限位，从而提高二级压缩机构300的耐冲击性和抗震性。
本实施例中，基座330为中间开孔的圆盘，支承于壳体100内的台阶110上，二级顶杆310贯穿基座330，弹性件320为碟形弹簧，通常以多个堆叠的方式设置在二级顶杆310与基座330之间，按照设计需要，多个碟形弹簧采用不同的组合方式，例如多个碟形弹簧对合、叠合的组合方式，或者使用不同厚度、不同片数等组合方式，从而在二级压缩机构300动作时产生不同特性的反馈力。
本实施例中，基座330被二级顶杆310上的定位件340止挡，示例性的，该定位件340与二级顶杆310螺纹连接，二级顶杆310上部径向向外延伸出顶杆法兰313，上述由碟簧组构成的弹性件320被二级顶杆310的顶杆法兰313和基座330预紧，具体而言：二级顶杆310和基座330无机械固定连接，因此在轴向上是相对自由的，定位件340和二级顶杆310被固定连接，由碟簧组构成的弹性件320两端分别抵接二级顶杆310的顶杆法兰313和基座330，使其被压缩后产生的弹力作用在基座330和二级顶杆310的顶杆法兰313上，此时基座330被支承在台阶110上与壳体100相对固定，二级顶杆310被弹性件320产生的弹力向上推动，但由于定位件340抵接在基座330上而被限位，从而形成了被预紧的整个二级压缩机构。
示例性的，当定位件340与二级顶杆310之间采用螺纹连接时，通过旋转定位件340能够调整二级顶杆310的轴向位置，即顶杆313和基座330之间的距离，从而调节弹性件320的预紧力。定位件与二级顶杆还可采用卡接连接，例如：二级顶杆上沿轴向可以设计多个卡接位，定位件卡接到不同卡接位，同样能调节弹性件的预紧力；或者，定位件是固定连接在二级顶卡上的法兰件，此时可以通过多个碟形弹簧的不同组合来满足预紧力要求。
本实施例中，二级顶杆310上部具有接收一级顶杆210的凹腔311，一级顶杆210响应踏板操作进行轴向运动时消除凹腔311，抵靠并推动二级顶杆310，从而压缩弹性件320。更具体的说，一级顶杆210响应踏板操作进行轴向运动时插入二级顶杆310的凹腔311内，当一级顶杆210下端抵接凹腔311底面时能推动二级顶杆310一起下移，从而压缩弹性件320。二级顶杆310外周与壳体100内侧壁滑动配合，壳体100对一级顶杆210和二级顶杆310都具有导向作用，使一级顶杆210响应踏板操作进行轴向运动时能与二级顶杆310的凹腔311准确对位。
参照图7，在本发明的另一个实施例中，二级顶杆310具有向上延伸的立柱312，立柱312与一级顶杆210轴向对应且间隔预定间隙，一级顶杆210响应踏板操作进行轴向运动时消除预定间隙，抵靠并推动立柱312，从而推动二级顶杆310压缩弹性件320。
在本发明的一个实施例中，二级顶杆310的行程由其未受压状态下其底面与壳体100底部之间的距离决定，该行程被配置为小于弹性件320的许用行程。由于弹性件320的压缩量大于其许用行程会导致其寿命缩短甚至机械损坏，因此将二级顶杆310的行程配置为小于弹性件320的许用行程，可以在弹性件320被压缩到许用行程之前利用壳体100将二级顶杆310止挡，从而保护弹性件320。
在本发明的另一个实施例中，以壳体底部作为基座，弹性件被预紧在壳体底部与二级顶杆之间，壳体的底部还具有让位二级顶杆的通孔，二级顶杆贯穿通孔。
根据本发明一个实施例中所述的制动踏板感觉模拟器，当驾驶员踩下踏板时，一级顶杆210响应踏板操作开始压缩第一螺旋弹簧250，直至一级顶杆210的法兰211消除预设间距s且抵靠预紧件230的上止挡部232，完成第一压缩阶段(如图1至图3所示过程)，第一压缩阶段只有第一螺旋弹簧250被压缩，该阶段的反馈力由第一螺旋弹簧250提供。
随着踏板行程的增加，一级顶杆210的法兰211带动预紧件230压缩第二螺旋弹簧240，直至当一级顶杆210下端抵接到凹腔311底面，完成第二压缩阶段(如图3至图4所示过程)，第二压缩阶段中，第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240被同步压缩，该阶段的反馈力由第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240提供，反馈力随着踏板行程的增加而增加。在实际应用中，凹腔311内可放置适量垫片，以改变凹腔311深度，调整一级顶杆210在第二压缩阶段的轴向位移量，从而改变第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240的压缩程度，从而在第二压缩阶段提供不同的反馈力。
随着踏板行程的继续增加，一级顶杆210推动二级顶杆310，从而压缩弹性件320，完成第三压缩阶段(如图4至图5所示过程)，第三压缩阶段中，在第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240被同步压缩的基础上，增加了二级顶杆310对弹性件320的压缩，该阶段的反馈力由第一螺旋弹簧250、第二螺旋弹簧240和弹性件320共同提供，反馈力显著增大。当二级顶杆310底部抵靠壳体100底部时，无法继续压缩；实际应用中，可以在壳体100底部放置适量垫片，通过垫片调整二级顶杆310在第三压缩阶段的轴向位移量，从而改变弹性件320的压缩程度。也可以在二级顶杆310和壳体100底部之间设置一橡胶弹簧，在改变弹性件320的压缩程度的同时还可以避免在踏板行程末端产生刚性止挡脚感。
需要说明的是：弹性件320的预紧力不小于第二压缩阶段结束时(一级顶杆210下端抵接到凹腔311底面)第一螺旋弹簧250和第二螺旋弹簧240对二级顶杆310的反作用力，使得弹性件320在第一压缩阶段和第二压缩阶段都保持初始预紧状态，从而能按照预定压缩行程提供对应程度的反馈力。
在本发明的上述实施例中，弹性件320不局限于碟形弹簧，根据实际需要还可选择螺旋弹簧、宝塔弹簧、橡胶弹簧之一或其组合，例如在螺旋弹簧内部并联橡胶弹簧，橡胶弹簧可以提供较好的减震效果，且不易产生机械性损坏，橡胶弹簧弹性模量小，受载后有较大的弹性变形，因此在踩下制动踏板时不会产生刚性止挡脚感。
由此可以看出，本发明实施例中，制动踏板感觉模拟器由第一压缩阶段至第三压缩阶段，能根据踏板行程变化提供非线性刚度渐增的反馈力，驾驶员在制动过程中可以显著感受到脚感的变化，即模拟出液压、气压制动系统的制动踏板感觉。
制动踏板感觉模拟器除了模拟出制动踏板感觉外，还能检测踏板行程和/或踏板力并转化为电信号，以向制动系统提供踏板行程信号，用于识别驾驶员的制动意图，进而实施制动。
参照图8，在本发明的一个实施例中，制动踏板感觉模拟器还包括行程传感器700和感应件600。本实施例中制动踏板感觉模拟器包括分体成型的上部壳体120和下部壳体130，上部壳体120和下部壳体130固定连接，前述实施例中的一级压缩机构和二级压缩机构安装在下部壳体130中，行程传感器700安装在上部壳体上。感应件600随一级顶杆运动，例如：感应件600直接或者间接安装到一级顶杆上；或者，制动踏板感觉模拟器还具有传递踏板力的传动杆，传动杆与一级顶杆连接，感应件600直接或者间接安装到传动杆上。
本实施例中，制动踏板感觉模拟器还包括支架500，支架500一端套装在一级顶杆210上，支架500另一端安装感应件600并且延伸至上部壳体120侧壁处，在上部壳体120侧壁上设置供感应件600运动的导向槽121，一级顶杆210响应踏板操作产生轴向运动，通过支架500带动感应件600沿着导向槽121轴向移动。导向槽121作为上部壳体120侧壁为感应件600提供的安装空间，使得感应件600便于安装，并且能够嵌入上部壳体120侧壁中，避免感应件600在上部壳体120内部占用过多空间，以及避免感应件600暴露在上部壳体120外部导致的损坏风险。也就是说，导向槽121除引导感应件600的轴向移动，确保感应件600和一级顶杆210轴向运动的同步性外，还为感应件600提供了安全的运动空间。为了检测感应件600的位置，以非接触式的方式设置了行程传感器700，例如将行程传感器700固定在上部壳体120侧壁上，并覆盖导向槽121，从而封闭上部壳体120，避免异物经导向槽121侵入上部壳体120内部。
本实施例的感应件600和行程传感器700采用非接触感应，例如行程传感器700为磁敏传感器或者霍尔器件，感应件600为磁体或者内置磁体，采用非接触感应可以避免接触式的感应装置长期使用产生的磨损影响感应精度。
当然，本发明的其它实施例中，感应件和行程传感器也可以采用现有已知的其它检知手段实现踏板行程检测，例如光敏传感器，超声传感器等。
在本发明的一个实施例中，制动踏板感觉模拟器还包括感应弹性件压力的压力传感器。参照图1，以前述的一个实施例为例，当弹性件320选择橡胶弹簧时，将一压力传感器安装在橡胶弹簧与壳体100底部之间，或者安装在壳体100内其他能直接或者间接感知到橡胶弹簧压力的部位。当制动踏板感觉模拟器进入第三压缩阶段，橡胶弹簧受二级顶杆310作用力而压缩，橡胶弹簧压缩产生的反作用力施加在压力传感器上，压力传感器传递出的压力信号即反应了橡胶弹簧的反作用力，从而能根据这个压力信号检测到踏板力，同样能为制动系统提供踏板行程信号。
可以想到，制动踏板感觉模拟器可以同时设置压力传感器和行程传感器，踏板行程检测和踏板力检测可以相互校准，并且在其中一种传感器出现故障时，由另外一个传感器继续完成检测，提高制动踏板感觉模拟器的可靠性。
在本发明的一个实施例中，提出一种制动系统，包括上述任一实施例中所述的制动踏板感觉模拟器、以及控制单元、设置在车辆轮边的由电机驱动的电子制动装置。驾驶员踩下踏板实施制动，制动踏板感觉模拟器产生非线性触觉反馈的同时检测踏板行程和/或踏板力，同步发送踏板行程信号给控制单元，控制单元解析踏板行程信号，识别驾驶员的制动意图并控制电子制动装置产生相应的制动力，从而实现制动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (16)

1.制动踏板感觉模拟器，其特征在于，包括：
壳体(100)；以及，
相对所述壳体(100)位置固定的限位机构(400)；以及，
安装于所述壳体(100)内的一级压缩机构(200)和二级压缩机构(300)；
其中，所述一级压缩机构(200)包括一级顶杆(210)、预紧件(230)和并联设置的第一螺旋弹簧(250)及第二螺旋弹簧(240)，所述一级顶杆(210)包括法兰(211)；
无踏板操作时，所述一级顶杆(210)被所述限位机构(400)轴向限位或者所述一级顶杆(210)和所述预紧件(230)被所述限位机构(400)轴向限位，所述第一螺旋弹簧(250)被所述一级顶杆(210)和所述二级压缩机构(300)预紧，所述第二螺旋弹簧(240)被所述预紧件(230)和所述二级压缩机构(300)预紧；
所述法兰(211)与所述预紧件(230)的止挡部(232，235)轴向间隔预设间距；所述一级顶杆(210)响应踏板操作而先压缩所述第一螺旋弹簧(250)，后消除所述预设间距，从而压缩所述第二螺旋弹簧(240)。
2.如权利要求1所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述法兰(211)被所述限位机构(400)直接或间接地止挡。
3.如权利要求2所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述法兰(211)具有突起部，所述突起部与所述第二螺旋弹簧(240)轴向间隔预设间距，所述一级顶杆(210)响应踏板操作进行轴向运动时消除所述预设间距，所述突起部穿过所述预紧件(230)的镂空部抵靠并压缩所述第二螺旋弹簧(240)。
4.如权利要求1至3之一所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述限位机构(400)包括直接或间接止挡所述一级顶杆(210)或所述一级顶杆(210)和所述预紧件(230)的限位环(410)。
5.如权利要求4所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述限位环(410)为所述壳体(100)内的台阶；
或者，所述限位环(410)与所述壳体(100)卡接或螺纹连接。
6.如权利要求4所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述预紧件(230)分别抵靠所述限位环(410)和所述第二螺旋弹簧(240)；
或者，所述预紧件(230)抵靠所述第二螺旋弹簧(240)，所述预紧件(230)和所述限位环(410)之间设置间隔件(220)。
7.如权利要求1所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述二级压缩机构(300)包括被所述一级顶杆(210)推动的二级顶杆(310)和相对所述壳体(100)位置固定的基座(330)，以及被所述二级顶杆(310)和所述基座(330)预紧的弹性件(320)。
8.如权利要求7所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述二级顶杆(310)的行程小于所述弹性件(320)的许用行程。
9.如权利要求7或8所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述基座(330)被所述二级顶杆(310)上的定位件(340)止挡，所述定位件(340)为所述二级顶杆(310)的法兰，或所述定位件(340)与所述二级顶杆(310)卡接或螺纹连接。
10.如权利要求7所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述基座(330)为所述壳体(100)的底部；
或者，所述基座(330)支承于所述壳体(100)内的台阶(110)上。
11.如权利要求7所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述二级顶杆(310)具有接收所述一级顶杆(210)的凹腔(311)，所述一级顶杆(210)响应踏板操作进行轴向运动时消除所述凹腔(311)，抵靠并推动所述二级顶杆(310)，从而压缩所述弹性件(320)。
12.如权利要求7所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述弹性件(320)为碟形弹簧、螺旋弹簧、宝塔弹簧、橡胶弹簧之一或其组合。
13.如权利要求7所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述弹性件(320)包括橡胶弹簧，所述制动踏板感觉模拟器还包括感应所述橡胶弹簧压力的压力传感器。
14.如权利要求1所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述制动踏板感觉模拟器还包括相对所述壳体(100)位置固定的行程传感器(700)和随所述一级顶杆(210)运动的感应件(600)。
15.如权利要求14所述的制动踏板感觉模拟器，其特征在于，所述一级顶杆(210)上固定有支架(500)，所述感应件(600)安装在所述支架(500)上，所述壳体(100)上设置供所述感应件(600)运动的导向槽(121)。
16.制动系统，其特征在于，包括权利要求1至15之一所述的制动踏板感觉模拟器。
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