CN114179761B - 一种应用于大学生方程式的制动系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于大学生方程式的制动系统及其工作方法；制动系统，包括调节基座和制动模块。调节基座安装在车架上；制动模块和加速模块并排安装在调节基座。所述的制动模块包括制动踏板、制动调节电机、传动软轴、螺纹杆、前制动油缸U型叉、制动踏板、后制动油缸U型叉和制动油缸。螺纹杆的中部转动连接在制动踏板的底端端部。螺纹杆的两端均旋接有螺母；该两个螺母的外侧与前制动油缸U型叉、后制动油缸U型叉分别构成转动副。前制动油缸U型叉、后制动油缸U型叉与两个制动油缸的活塞分别连接。本发明通过电机和软轴配合，驱动作为杠杆的螺纹杆旋转，利用螺纹杆的转动调节前后轮制动器的输入油压之比，实现了对前后轮制动力的灵活控制。

Description

一种应用于大学生方程式的制动系统及其工作方法

技术领域

本发明属于方程式赛车制动系统领域，具体涉及一种应用于大学生方程式赛车的制动系统。

背景技术

方程式赛车，即是以共同的方程式(规则限制)所造出来的赛车，赛车必须依照国际汽车联合组织制定颁发的车辆技术规则规定的程式制造，包括车体结构、长宽度等。大学生方程式赛车是方程式赛车的一种，是由在校大学生组队设计一款简化版一级方程式赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有较高水准并且足够稳定耐久，在比赛中能够完成一系列测试项目。大学生方程式赛车的种类包括燃油方程式赛车、纯电动方程式赛车和无人驾驶方程式赛车。

当前国内程式赛车的制动系统，其主要侧重点在于制动系统的可靠性，而在制动系统的人机关系、结构布局，以及对不同工况的适应性等方面有所欠缺。制动系统的首要要求必然是制动的可靠性，但若对制动系统进行人机关系优化或产品设计，则对于制动系统的生产及推广都有着不小的作用。本发明分别对：人机关系、对不同载荷分布的适应性以及自动校准拉线节气门开度三个方面进行研究创新，从而获得一套轻型高强度和适应性更强的制动系统总成来操纵赛车。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于大学生方程式的制动系统及其工作方法。

一种应用于大学生方程式的制动系统，包括调节基座和制动模块。调节基座安装在车架上；制动模块和加速模块并排安装在调节基座。所述的制动模块包括制动踏板、制动调节电机、传动软轴、螺纹杆、前制动油缸U型叉、后制动油缸U型叉和制动油缸。制动踏板与踏板连接件转动连接。螺纹杆的中部转动连接在制动踏板的底端端部。螺纹杆的两端均旋接有螺母；该两个螺母的外侧与前制动油缸U型叉、后制动油缸U型叉分别构成转动副。前制动油缸U型叉和后制动油缸U型叉上均固定有推杆。两个制动油缸均固定在调节基座上。两个制动油缸分别用于为车辆的前轮制动器、后轮制动器充压；制动油缸内滑动连接有活塞。塞朝外的侧面上设置有锥形凹槽。两根推杆分别抵住两个制动油缸的活塞上的锥形凹槽。螺纹杆与制动调节电机的输出轴通过传动软轴传动连接。

作为优选，该应用于大学生方程式的制动系统还包括滑轨和调节驱动组件；滑轨安装在车架上；所述的调节基座滑动连接在滑轨上，并由调节驱动组件驱动进行前后移动调节。调节驱动组件包括第一电机、第一联轴器、滚珠丝杠和滚珠支撑座。滚珠丝杠通过滚珠支撑座转动连接在车架上；第一电机固定在车架上。滚珠丝杠的端部与第一电机的输出轴通过第一联轴器连接。滚珠丝杠与固定在调节基座底部的螺母构成螺旋副。

作为优选，该应用于大学生方程式的制动系统还包括重心检测组件；重心检测组件包括四个第二线位移传感器；四个第二线位移传感器分别安装在四个车轮的悬架上。第二线位移传感器的两端与对应的悬架中的阻尼器的两端分别转动连接。

作为优选，该应用于大学生方程式的制动系统还包括加速模块；所述的加速模块包括油门踏板和节气门控制组件。所述的油门踏板与调节基座转动连接。油门踏板与调节基座之间设置有弹性元件。所述的节气门控制组件包括油门线位移传感器、油门拉线和校准电机。油门线位移传感器的一端与调节基座转动连接；油门线位移传感器的另一端与油门踏板转动连接。被节气门控制组件控制的节气门主体上设置有节气门开度传感器。绕线轮与节气门主体内的阀芯固定。校准电机固定在车架上，且输出轴与绕线轮固定。油门拉线的一端与油门踏板固定。油门拉线的另一端绕在绕线轮上。

作为优选，当节气门的开启滞后于油门踏板的转动，或节气门的开启程度与油门踏板的转动程度不匹配时，通过校准电机驱动节气门主体内的阀芯旋转，使得节气门的开启程度与油门踏板的转动程度匹配。

作为优选，初始状态下，前制动油缸U型叉、后制动油缸U型叉到制动踏板内端端部的距离相等。

该应用于大学生方程式的制动系统的工作方法，具体如下：

步骤一、当车手坐在车内，踩下制动踏板到自身习惯位置，线位移传感器检测制动踏板行程，调节驱动组件根据该行程调节制动踏板的前后位置。

步骤二、四个第二线位移传感器分别检测四个悬架的变形程度，判断车手坐入后车辆的重心位置；制动调节电机驱动螺纹杆转动，调整制动踏板踩下时输入前轮制动器与后轮制动器的油压比例发生变化，以适应当前的重心位置。

步骤三、驾驶过程中，通过油门线位移传感器检测油门踏板行程，若该行程与节气门开度不匹配，则由校准电机自动校准节气门到正确开度。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过电机和软轴配合，驱动作为杠杆的螺纹杆旋转，利用螺纹杆的转动调节前后轮制动器的输入油压之比，实现了对前后轮制动力的灵活控制。

2.由于车手之间存在身高差异，固定的人机关系并不适用于所有车手。为了解决这一问题，本发明所述的大学生方程式赛车拥有根据人机关系无级别可调式制动系统。运用电机驱动滚珠丝杠传动，优化了传统方法当中不可调节或者需要拆卸多个螺栓螺母来达到制动系统位置调节的繁琐过程，在更换车手时节省了大量时间，使人机关系更加合理。

3.由于车手的体重、坐姿差异，更换车手时将导致赛车的载荷分布发生变化，固定的制动分配系数可能导致制动系统性能的降低，甚至导致赛车在高速运动时的失控。为了解决这一问题，本发明用线位移传感器检测不同载荷下前后轴弹簧阻尼系统的压缩量，确定整车质心变化，然后由电机驱动螺纹杆，达到调节赛车前后轴制动力分配的目的，以此来保证车辆的制动稳定性。

4.赛车上为了能得到快速的油门响应，基本设计采用拉线式节气门，由于机械结构的疲劳形变，拉线式节气门有松动的风险，将会导致驾驶员的油门操控不精准。本发明添加了线位移传感器检测油门踏板行程，如果与节气门开度传感器数据不匹配，则由校准电机自动校准节气门到正确开度，在保证了快速响应的同时，拥有了电子节气门的精确性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中电动调节制动系统结构示意图。

图3为本发明中制动油缸示意图。

图4为本发明中节气门结构示意图。

图5为本发明中前悬挂弹簧阻尼系统结构示意图。

图6为本发明中后悬挂弹簧阻尼系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种应用于大学生方程式的制动系统，包括滑轨13、调节基座1、调节驱动组件、重心检测组件、制动模块和加速模块。并排设置的两根滑轨13的两端均与焊接在车架的吊耳上；调节基座1滑动连接在滑轨13上，并由调节驱动组件驱动进行前后移动调节，以便于适应不同身材的驾驶者。调节驱动组件包括第一电机18、第一联轴器19、滚珠丝杠20和滚珠支撑座21。滚珠丝杠20通过滚珠支撑座21转动连接在车架上；第一电机18固定在车架上。滚珠丝杠20的端部与第一电机18的输出轴通过第一联轴器19连接。滚珠丝杠20与固定在调节基座1底部的螺母构成螺旋副。制动模块和加速模块并排安装在调节基座1上，且能够沿垂直于滑轨13的水平方向调节位置。

制动模块包括制动踏板2、制动调节电机7、第二联轴器8、传动软轴9、踏板连接件10、主缸连接件12、螺纹杆26、前制动油缸U型叉25、制动踏板16、后制动油缸U型叉17和制动油缸24。踏板连接件10和主缸连接件12均与调节基座1固定。制动踏板2的中部靠近底端的位置与踏板连接件10转动连接。制动踏板2的顶端固定有制动踩踏面5。制动踏板2的底端端部与螺纹杆26的中部通过轴承转动连接。

螺纹杆26的两端均旋接有螺母；该两个螺母的外侧与前制动油缸U型叉25、后制动油缸U型叉17分别构成转动副。该转动副的公共轴线垂直于螺纹杆26的轴线。前制动油缸U型叉25、后制动油缸U型叉17上均固定有推杆。初始状态下，前制动油缸U型叉25、后制动油缸U型叉17到制动踏板2内端端部的距离相等。

如图1、2和3所示，间隔设置的两个制动油缸24均固定在主缸连接件12上。两个制动油缸24的内腔与车辆的前轮制动器、后轮制动器分别通过制动管路连接；制动油缸24内滑动连接有活塞。当活塞向制动油缸24的内部滑动时，能够将油液压入到制动器中，实现制动。活塞朝外的侧面上设置有锥形凹槽。两根推杆分别抵住活塞上的锥形凹槽的底部。

螺纹杆26的其中一端与传动软轴9的一端固定。传动软轴9的另一端与制动调节电机7的输出轴通过第二联轴器8固定；从而利用制动调节电机驱动螺纹杆26旋转；通过驱动螺纹杆26旋转，能够同步同向调整前制动油缸U型叉25、后制动油缸U型叉17在螺纹杆26的位置。进而在制动踏板2被踩下时，向两个制动油缸24分配不同的压力，使得两个制动油缸24向前轮和后轮分别施加不同的制动力，让制动效果达到最佳。

加速模块包括油门踏板3和节气门控制组件。油门踏板3的中部靠近底端的位置与调节基座1转动连接。制动踏板2的顶端固定有油门踩踏面4。油门踏板3与调节基座1之间安装有扭簧或弹簧，用以实现油门踏板3被踩下后的自动复位。

如图4所示，节气门控制组件包括油门线位移传感器22、油门拉线38和校准电机35。油门线位移传感器22的一端与调节基座1转动连接；油门踏板3的底端端部与油门线位移传感器22的另一端转动连接。被节气门控制组件控制的节气门主体36上设置有节气门开度传感器37，用以实时检测节气门的开度。节气门开度传感器37与节气门主体36内的阀芯连接。绕线轮转动连接在车架上，并与节气门主体36内的阀芯固定。校准电机35固定在车架上，且输出轴与绕线轮固定。油门拉线的一端与油门踏板3上的拉线螺栓15固定。油门拉线的另一端绕在绕线轮内。

重心检测组件包括四个第二线位移传感器34；四个第二线位移传感器34分别安装在四个车轮的悬架上。第二线位移传感器34的两端与对应的悬架中的阻尼器的两端分别转动连接。

如图5和6所示，悬架包括弹簧阻尼器33、摇臂27、第一螺栓28和铰接件29、第二螺栓30、第三螺栓31和吊耳32。吊耳32焊接于车架上，第一螺栓28与车架铰接形成转动副。铰接件29将摇臂27与悬架拉杆连接，摇臂27用于传递拉杆推力到弹簧阻尼器33，使弹簧阻尼器33受力压缩。

为了有更好的油门响应，在此方程式赛车油门节气门设计上，使用了拉线设计。拉线式节气门虽然比起电子节气门拥有更快的响应速度，但是由于是机械结构，容易产生疲劳、形变等，从而影响油门系统的稳定性。在这一创新中，通过油门踏板下端安装的线位移传感器来准确测量油门踏板开度，与节气门开度传感器进行比较。如果油门踏板行程与响应节气门开度存在偏差，则由校准电机35对节气门开度进行校准。如此一来，保证了油门系统拥有快速响应的同时，保证了油门系统的稳定性。

该应用于大学生方程式的制动系统的工作方法，具体如下：

步骤一、当车手坐在车内，踩下油门踏板到极限位置，线位移传感器检测油门踏板行程，判断车手身高尺寸，调节制动系统到适当位置。

步骤二、车手坐入车内，前后轴载荷发生变化。根据传感器压缩量计算前后轴载荷，根据载荷情况，对前后轴取力矩。由公式

计算得到制动时水平地面对前后轴车轮的法向反力，即可由此计算得到当前载荷分布下的前后轴制动力分配系数。校准电机根据所得分配系数，转动螺纹杆，调整杠杆比，使两个制动油缸在制动时受到的力发生改变。

步骤三、在赛车驾驶过程中，通过线位移传感器检测油门踏板行程，如果与节气门开度传感器数据不匹配，则由校准电机自动校准节气门到正确开度，在保证了快速响应的同时，拥有了电子节气门的精确性。

Claims (6)

1.一种应用于大学生方程式的制动系统，包括调节基座(1)和制动模块；其特征在于：调节基座(1)安装在车架上；制动模块和加速模块并排安装在调节基座(1)；所述的制动模块包括制动踏板(2)、制动调节电机(7)、传动软轴(9)、螺纹杆(26)、前制动油缸U型叉(25)、后制动油缸U型叉(17)和制动油缸(24)；制动踏板(2)与踏板连接件(10)转动连接；螺纹杆(26)的中部转动连接在制动踏板(2)上；螺纹杆(26)的两端均旋接有螺母；该两个螺母的外侧与前制动油缸U型叉(25)、后制动油缸U型叉(17)分别构成转动副；前制动油缸U型叉(25)和后制动油缸U型叉(17)上均固定有推杆；两个制动油缸(24)均固定在调节基座(1)上；两个制动油缸(24)分别用于为车辆的前轮制动器、后轮制动器充压；制动油缸(24)内滑动连接有活塞；塞朝外的侧面上设置有锥形凹槽；两根推杆分别抵住两个制动油缸(24)的活塞上的锥形凹槽；螺纹杆(26)与制动调节电机(7)的输出轴通过传动软轴(9)传动连接；

还包括了滑轨(13)和调节驱动组件；滑轨(13)安装在车架上；所述的调节基座(1)滑动连接在滑轨(13)上，并由调节驱动组件驱动进行前后移动调节；调节驱动组件包括第一电机(18)、第一联轴器(19)、滚珠丝杠(20)和滚珠支撑座(21)；滚珠丝杠(20)通过滚珠支撑座(21)转动连接在车架上；第一电机(18)固定在车架上；滚珠丝杠(20)的端部与第一电机(18)的输出轴通过第一联轴器(19)连接；滚珠丝杠(20)与固定在调节基座(1)底部的螺母构成螺旋副。

2.根据权利要求1所述的一种应用于大学生方程式的制动系统，其特征在于：还包括重心检测组件；重心检测组件包括四个第二线位移传感器(34)；四个第二线位移传感器(34)分别安装在四个车轮的悬架上；第二线位移传感器(34)的两端与对应的悬架中的阻尼器的两端分别转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于大学生方程式的制动系统，其特征在于：还包括加速模块；所述的加速模块包括油门踏板(3)和节气门控制组件；所述的油门踏板(3)与调节基座(1)转动连接；油门踏板(3)与调节基座(1)之间设置有弹性元件；所述的节气门控制组件包括油门线位移传感器(22)、油门拉线(38)和校准电机(35)；油门线位移传感器(22)的一端与调节基座(1)转动连接；油门线位移传感器(22)的另一端与油门踏板(3)转动连接；被节气门控制组件控制的节气门主体(36)上设置有节气门开度传感器(37)；绕线轮与节气门主体(36)内的阀芯固定；校准电机(35)固定在车架上，且输出轴与绕线轮固定；油门拉线的一端与油门踏板(3)固定；油门拉线的另一端绕在绕线轮上。

4.根据权利要求1所述的一种应用于大学生方程式的制动系统，其特征在于：当节气门的开启滞后于油门踏板(3)的转动，或节气门的开启程度与油门踏板(3)的转动程度不匹配时，通过校准电机(35)驱动节气门主体(36)内的阀芯旋转，使得节气门的开启程度与油门踏板(3)的转动程度匹配。

5.根据权利要求1所述的一种应用于大学生方程式的制动系统，其特征在于：初始状态下，前制动油缸U型叉(25)、后制动油缸U型叉(17)到制动踏板(2)内端端部的距离相等。

6.如权利要求1所述的一种应用于大学生方程式的制动系统的工作方法，其特征在于：

步骤一、当车手坐在车内，踩下制动踏板(2)到自身习惯位置，线位移传感器检测制动踏板行程，调节驱动组件根据该行程调节制动踏板(2)的前后位置；

步骤二、四个第二线位移传感器(34)分别检测四个悬架的变形程度，判断车手坐入后车辆的重心位置；制动调节电机(7)驱动螺纹杆(26)转动，调整制动踏板(2)踩下时输入前轮制动器与后轮制动器的油压比例发生变化，以适应当前的重心位置；

步骤三、驾驶过程中，通过油门线位移传感器(22)检测油门踏板行程，若该行程与节气门开度不匹配，则由校准电机自动校准节气门到正确开度。

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