CN114992259B - 电磁联合式滑板底盘线控制动系统及其多目标优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统及其多目标优化方法，包括：车轮、制动底板、制动鼓、机械模块和驱动模块；本发明利用电子机械制动的高响应和大位移特性弥补磁致伸缩驱动的位移不足问题，采用两级制动方案，在制动时利用电机带动磁致伸缩驱动部分移动以消除制动间隙，在制动间隙消除后，利用磁致伸缩驱动部分提供大制动力以满足商用车需求。

Description

电磁联合式滑板底盘线控制动系统及其多目标优化方法
技术领域
本发明属于车辆底盘技术领域，具体涉及一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统及其多目标优化方法。
背景技术
模块化、平台化等概念的运用可以缩短新车型推出所需的时间，大大缩减研发周期和研发成本，进而帮助车企省下不少成本，现已经成为了汽车市场中常见的研发新车方式。而最近一种把座舱和底盘做成上、下分离式的设计理念，在汽车领域显露的频率越来越高，即滑板底盘。滑板底盘这一概念并不是在近两年才有的，通用汽车早在2002年的北美国际车展就推出这个超前的设计理念。在那次展会中，通用发布了一款氢燃料电池概念车—AUTOnomy，由此揭开了滑板底盘的发展序幕。
滑板底盘创新性的将转向、制动、悬架、电池包、电子控制单元、驱动系统等组件全部集成在底盘中，实现了上车身和下车体的完全解耦。但由于所有部件都需要以高度集成化的方式嵌在滑板底盘上，因此就要求更加精细化的设计和合理的布局，这也是滑板底盘发展道路上的难题，而恰巧目前智能驾驶技术衍生的线控技术能够进一步简化各零部件的空间结构，为滑板底盘的发展应用带来了破局契机。对于线控化水平很高的乘用车领域，目前滑板底盘已经得到了一定的应用。但相较于乘用车而言，商用车体积更大、质量更高，需要搭载更大体积的电池包才能满足续航需求。但由于大制动力需求，商用车采用气压制动方案导致底盘中存在大量的气压组件，极大影响着底盘空间，不利于底盘与电池包高度集成。这也导致了目前滑板底盘无法在商用车领域得到进一步推广应用，各大车企面对这一全新技术，只能望洋兴叹。因此急需一种空间较小且性能优越的线控制动系统以解决现有产业难题。
而最近关于线控制动技术的探索中一些基于磁致伸缩材料的制动方案被提出，这种方案中充分利用了磁致伸缩材料的高响应及大推力的优势，以磁致伸缩材料作为驱动部件核心驱动制动系统工作。但由于磁致伸缩材料的应变较小，在克服制动间隙方面具有极大的不足，虽然目前有一些方案提出采用杠杆等位移放大机构来弥补这一不足，但由此带来的力损失和效率损失是商用车无法接受的，也限制了这一方案的应用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统及其多目标优化方法，以解决现有商用车用线控气压制动系统无法满足滑板底盘技术的需求及线控磁致伸缩制动技术中磁致伸缩驱动位移过小无法应用的难题。本发明利用电子机械制动的高响应和大位移特性弥补磁致伸缩驱动的位移不足问题，采用两级制动方案，在制动时利用电机带动磁致伸缩驱动部分移动以消除制动间隙，在制动间隙消除后，利用磁致伸缩驱动部分提供大制动力以满足商用车需求。本发明取消了所有气压结构，可以大大简化系统结构，能够满足滑板底盘的设计需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统，包括：车轮、制动底板、制动鼓、机械模块和驱动模块；
所述制动底板固定在车轮内部，用于安装和固定零部件；
所述机械模块安装在所述制动底板上，其上套装所述制动鼓，具体包括：左摩擦片、左制动蹄、左回位弹簧、左回位弹簧安装孔、拉紧弹簧、顶杆总成、支撑销、右摩擦片、右制动蹄、右回位弹簧、右回位弹簧安装孔；
所述左制动蹄安装在所述制动底板上，其上端、下端分别顶靠在所述支撑销和所述顶杆总成上，外侧铆接有所述左摩擦片；
所述右制动蹄安装在所述制动底板上，其上端铰接在所述支撑销上，下端顶靠在所述顶杆总成上，外侧铆接有所述右摩擦片；
所述左回位弹簧两端分别挂装在所述支撑销和所述左回位弹簧安装孔上，用于拉动所述左制动蹄回位；
所述右回位弹簧两端分别挂装在所述支撑销和所述右回位弹簧安装孔上，用于拉动所述右制动蹄回位；
所述拉紧弹簧两端分别挂装在所述左制动蹄、右制动蹄下端，用于拉紧两个制动蹄压靠在所述顶杆总成上；
所述顶杆总成包括：顶杆套、调整螺母和可调顶杆体；
所述顶杆套的一端与左制动蹄下端相顶靠；所述可调顶杆体的一端与右制动蹄下端相顶靠；
所述调整螺母安装在所述顶杆总成中部，两端分别与所述顶杆套、可调顶杆体连接，用于调整制动蹄安装位置；
所述驱动模块包括：制动轮缸、左滚轮、右滚轮、制动楔、滚轮支撑架、磁致伸缩杆、励磁线圈、从动螺杆、驱动螺母、法兰盘、减速器轴、减速器和驱动电机；
所述制动轮缸安装在所述制动底板上，包括：制动轮缸壳体、左活塞、左导向销、右活塞和右导向销；
所述左活塞、右活塞均安装在所述制动轮缸壳体内部，二者的输出端分别顶靠在所述左制动蹄、右制动蹄上，用于驱动制动蹄与制动鼓接触以实现摩擦制动；
所述左导向销、右导向销分别安装在所述制动轮缸壳体两侧开的销孔上，并卡入所述左、右活塞上开的凹槽中，用于防止所述左活塞、右活塞运动时发生滚转；
所述滚轮支撑架嵌套在所述制动轮缸中部；
所述左滚轮、右滚轮均浮支在所述滚轮支撑架上，两者的输入端分别与所述制动楔浮靠，两者的输出端与分别所述左活塞、右活塞输入端浮靠，用于将制动楔的力传导至左活塞、右活塞上；
所述磁致伸缩杆的输入端与所述从动螺杆固定相连，输出端与所述制动楔固定相连；
所述励磁线圈绕装在所述磁致伸缩杆外侧，用于产生磁场驱动磁致伸缩杆工作；
所述驱动螺母输入端与所述法兰盘通过螺钉连接，输出端与所述从动螺杆通过螺纹连接；
所述减速器轴输入端与所述减速器输出端相连，输出端与所述法兰盘固定连接；
所述驱动电机的输出端与所述减速器输入端固定连接。
进一步地，所述磁致伸缩杆为圆柱形，根据实际需求选择与从动螺杆和制动楔的安装方式。
进一步地，所述制动楔的纵截面形状为上粗下细的梯形，相应的所述左、右活塞的输入端面分别于所述制动楔的两侧斜面平行。
进一步地，所述驱动螺母和从动螺杆在选型时需具有自锁。
本发明还提供了一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，基于上述系统，包含以下步骤：
(1)建立线控制动系统的动力学模型，并建立其有限元模型；
(2)选取制动效能、制动能耗和成本代价作为优化目标，初步选取线控制动系统中的结构参数，并进行灵敏度分析以从中筛选出与优化目标最相关的结构参数作为设计变量；
(3)基于所述步骤(1)中建立的动力学模型和步骤(2)中的选取的优化目标和设计变量，建立各个优化目标与设计变量之间的函数关系，即优化目标函数，并对选取的设计变量范围进行约束得到最终的优化模型；
(4)采用多目标布谷鸟搜索算法对所述步骤(3)中建立的最终的优化模型进行求解，得到设计变量的优化参数pareto解集；
(5)将所述步骤(4)中求解得到的优化参数pareto解集中的各组解输入到所述步骤(1)建立的有限元模型中，并进行多种工况下的制动分析，选取制动性能最优的一组解作为最终的优化结果。
进一步地，所述步骤(1)中的线控制动系统动力学模型为：
(11)定义制动鼓中心为坐标原点O，沿原点垂直向上为Y轴正方向，沿原点水平向左为X轴正方向，同时定义原点与左制动蹄下端点连线的反方向为Y1轴正方向，垂直于Y1轴且指向左制动蹄的方向为X1轴正方向；则左制动蹄动力学模型：
Figure GDA0004025191460000041
式中，Fl为左制动蹄制动力；μl为左摩擦片摩擦因数；Plmax为压力分布不均匀时左制动蹄上的最大压力；H为制动蹄片的宽度；R为制动鼓半径；α为左制动蹄下端点与其上任意点绕原点所夹的圆弧角；α0为Y轴与Y1轴的夹角；
Figure GDA0004025191460000042
为左制动蹄最大压力线与X1轴的夹角；α1和α2分别为左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；F0为活塞推力；l1为左活塞推力作用点与原点的距离；l2为原点与左制动蹄下端点的距离；
(12)在上述坐标系下，右制动蹄动力学模型为：
Figure GDA0004025191460000043
式中，Fr为右制动蹄制动力；μr为右摩擦片摩擦因数；Prmax为压力分布不均匀时右制动蹄上的最大压力；α3和α4分别为右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；Fs为右制动蹄下端来自左制动蹄的促动力；
(13)驱动电机至左活塞的动力学模型为：
Figure GDA0004025191460000044
式中，π为圆周率；Tm为驱动电机输出转矩；Gm为减速器减速比；P为驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程；E为磁致伸缩杆的杨氏模量；r为磁致伸缩杆的半径；I为励磁线圈电流；L为磁致伸缩杆长度；ρ为特性常数；γ为真空磁导率；N为线圈匝数；θ为制动楔的顶端夹角。
进一步地，所述步骤(1)中的线控制动系统有限元模型建立步骤如下：
(14)建立包含制动底板、制动蹄和活塞零部件的线控制动系统三维模型；
(15)对所述步骤(14)中建立的三维模型进行简化，删除各部分倒角，简化支撑销、导向销和制动蹄，并改用约束力来代替简化后的零部件；
(16)采用四面体三维单元对所述步骤(15)中简化后的三维模型进行有限元网格划分；
(17)根据线控制动系统中各零部件实际制造材料从材料库中选择所述步骤(15)中简化后的三维模型各零部件的对应材料属性；
(18)根据线控制动系统的工作条件和设计目标定义所述步骤(15)中简化后的三维模型的边界条件；
(19)根据线控制动系统的传动特性和驱动力施加方式对所述步骤(15)中简化后的三维模型进行运动约束和加力约束，完成有限元模型的建立。
进一步地，所述步骤(2)中初步选取的结构参数为：制动蹄片的宽度H，制动鼓半径R，左活塞推力作用点与原点的距离l1，原点与左制动蹄下端点的距离l2，左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α1和α2，右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α3和α4，减速器减速比Gm，驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程P，磁致伸缩杆的半径r，磁致伸缩杆长度L，制动楔的顶端夹角θ。
进一步地，所述步骤(2)中灵敏度分析的具体步骤如下：
(21)分别将13个结构参数对制动效能指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动效能指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动效能优化目标的设计变量参数；
(22)分别将13个结构参数对制动能耗指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动能耗指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动能耗优化目标的设计变量参数；
(23)分别将13个结构参数对成本代价指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对成本代价指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应成本代价优化目标的设计变量参数；
(24)根据所述步骤(21)-(23)中确定的设计变量，选取三组设计变量共有的设计变量作为最终的设计变量。
进一步地，所述步骤(21)-(23)中的极差分析步骤如下：
(25)对不同型号和尺寸的制动系统进行数据统计，并记录不同制动系统的指标；
(26)在同一指标水平下计算各结构参数的数据极差值，即同一参数的最大值和最小值；
(27)根据极差值确定不同结构参数对该指标的灵敏度，定义极差值大的结构参数对该指标的灵敏度大，极差值小的结构参数对该指标的灵敏度小。
进一步地，所述步骤(3)中的优化目标函数表示为：
(31)制动效能BEP目标函数：
Figure GDA0004025191460000061
式中，BEPl和BEPr分别为左、右制动蹄的制动效能；
(32)制动能耗BE目标函数：
Figure GDA0004025191460000062
式中，BEm和BEc分别为驱动电机和磁致伸缩杆能耗；xb为制动间隙；Pc为磁致伸缩杆所需预压力；Fd为目标制动力；Rc为励磁线圈内阻；
(33)成本代价C目标函数：
C＝PmCm+GmCg+πr2LCc+Ce(H,R,l1,l2,P,θ) (6)
式中，Pm为驱动电机额定功率；Cm为驱动电机单位功率成本；Cg为减速度单位减速比成本；Cc为磁致伸缩杆单位体积成本；Ce为其他零部件不同型号组合下的成本函数。
进一步地，所述步骤(3)中最终的优化模型为：
Figure GDA0004025191460000063
式中，U为设计变量集合；Umin和Umax分别为设计变量集合的下限和上限。
进一步地，所述步骤(4)中多目标布谷鸟搜索算法的求解步骤如下：
(41)在Umin和Umax间随机选取一组设计变量初始值以初始化设计变量，产生9个初始布谷鸟鸟巢，即U0＝[H0,R0,l10,l20,Gm0,P0,r0,L0,θ0]；
(42)判断停止准则，满足则跳转至步骤(49)，否则执行步骤(43)，其中停止准则设为已存储解的数量或迭代运算次数；
(43)根据Levy飞行随机产生新的解Ui，产生公式如下：
Figure GDA0004025191460000064
式中，Ut+1为更新后产生的新解；Ut为上一次产生的解；σ为步长缩放因子；Levy(β)为服从分布Levy～u＝t-β,1≤β≤3的随机步长，
Figure GDA0004025191460000065
为点乘运算；
(44)计算新产生的解Ui的适应度，即将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算得到对应的目标函数值Fi＝[BEPi,BEi,Ci]；
(45)随机选择一个初始解Uj，并将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算其适应度Fj＝[BEPj,BEj,Cj]；
(46)比较Fi和Fj的结果，保留两者间最优适应度的解至优质解空间HS，同时存储另一个解至劣解空间LS；
(47)以概率Pa从劣解空间中选择出LS×Pa个解作为可接受候选解集，并使用随机产生的解进行替代；
(48)根据适应度保留可接受候选解集中四分之一的解添加至优质解空间，此时HS＝HS+(1/4)×LS×Pa，跳转到步骤(42)继续迭代直至满足停止条件，跳转至步骤(49)；
(49)将优质解空间中保存的解作为pareto解集输出。
进一步地，所述步骤(5)的具体步骤如下：
(51)从所述步骤(4)求解得到的优化参数pareto解集中选取一组解；
(52)根据所述步骤(51)中选取的解中各结构参数值，修改有限元模型中对应零部件参数；
(53)提取不同制动工况下的制动系统加力特征；如轻微制动、一般制动和紧急制动等；
(54)将所述步骤(53)提取的不同制动工况下的制动系统加力特征施加在修改后的有限元模型上，并记录最终的制动性能指标；
(55)循环所述步骤(51)-(54)，直至Pareto解集中的所有解均被选取，并根据记录的不同解下的制动性能，选取各制动工况下制动性能均最优的解作为最终的优化结果。
本发明的有益效果：
本发明充分利用电子机械制动的高响应和大位移特性和磁致伸缩驱动的大推力特性，采用两级制动方案，可实现对制动力和制动响应的兼顾，能够满足商用车使用需求。
本发明仅采用体积较小的电机和磁致伸缩杆及相关组件，在较小的空间中就可安装使用，同时取消了所有气压结构，可大大简化系统结构，能够满足滑板底盘的设计需求。
本发明通过多目标布谷鸟搜索算法对线控制动系统参数进行优化，保证了结构设计的合理性，同时最大化了线控制动系统的制动性能。
附图说明
图1为本发明的电磁联合式线控制动系统主视图；
图2为本发明的电磁联合式线控制动系统俯视图；
图3为本发明的多目标优化方法流程图；
图4为本发明的动力学建模过程中定义的坐标示意图；
图中，1-制动底板，2-制动鼓，3-左回位弹簧，4-左摩擦片，5-左回位弹簧安装孔，6-左制动蹄，7-拉紧弹簧，8-顶杆套，9-支撑销，10-制动轮缸，11-右回位弹簧，12-右回位弹簧安装孔，13-右摩擦片，14-右制动蹄，15-调整螺母，16-可调顶杆体，17-车轮，18-驱动螺母，19-法兰盘，20-减速器轴，21-驱动电机，22-减速器，23-从动螺杆，24-磁致伸缩杆，25-滚轮支撑架，26-右滚轮，27-右活塞，28-制动轮缸壳体，29-左导向销，30-左活塞，31-左滚轮，32-励磁线圈，33-制动楔，34-右导向销。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1-2所示，本发明的一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统，包括：车轮17、制动底板1、制动鼓2、机械模块和驱动模块；
所述制动底板1固定在车轮17内部，用于安装和固定零部件；
所述机械模块安装在所述制动底板上，其上套装所述制动鼓2，具体包括：左摩擦片4、左制动蹄6、左回位弹簧3、左回位弹簧安装孔5、拉紧弹簧7、顶杆总成、支撑销9、右摩擦片13、右制动蹄14、右回位弹簧11、右回位弹簧安装孔12；
所述左制动蹄6安装在所述制动底板上，其上端、下端分别顶靠在所述支撑销9和所述顶杆总成上，外侧铆接有所述左摩擦片4；
所述右制动蹄14安装在所述制动底板上，其上端铰接在所述支撑销9上，下端顶靠在所述顶杆总成上，外侧铆接有所述右摩擦片13；
所述左回位弹簧3两端分别挂装在所述支撑销9和所述左回位弹簧安装孔5上，用于拉动所述左制动蹄6回位；
所述右回位弹簧11两端分别挂装在所述支撑销9和所述右回位弹簧安装孔12上，用于拉动所述右制动蹄14回位；
所述拉紧弹簧7两端分别挂装在所述左制动蹄6、右制动蹄14的下端，用于拉紧两个制动蹄压靠在所述顶杆总成上；
所述顶杆总成包括：顶杆套8、调整螺母15和可调顶杆体16；
所述顶杆套8的一端与左制动蹄6下端相顶靠；所述可调顶杆体16的一端与右制动蹄下端相顶靠；
所述调整螺母15安装在所述顶杆总成中部，两端分别与所述顶杆套、可调顶杆体连接，用于调整制动蹄安装位置；
所述驱动模块包括：制动轮缸、左滚轮31、右滚轮26、制动楔33、滚轮支撑架25、磁致伸缩杆24、励磁线圈32、从动螺杆23、驱动螺母18、法兰盘19、减速器轴20、减速器22和驱动电机21；
所述制动轮缸安装在所述制动底板上，包括：制动轮缸壳体28、左活塞30、左导向销29、右活塞27和右导向销34；
所述左活塞30、右活塞27均安装在所述制动轮缸壳体28内部，二者的输出端分别顶靠在所述左制动蹄6、右制动蹄14上，用于驱动制动蹄与制动鼓接触以实现摩擦制动；
所述左导向销29、右导向销34分别安装在所述制动轮缸壳体28两侧开的销孔上，并卡入所述左、右活塞上开的凹槽中，用于防止所述左活塞30、右活塞27运动时发生滚转；
所述滚轮支撑架25嵌套在所述制动轮缸中部；
所述左滚轮31、右滚轮26均浮支在所述滚轮支撑架25上，两者的输入端分别与所述制动楔33浮靠，两者的输出端与分别所述左活塞30、右活塞27输入端浮靠，用于将制动楔33的力传导至左活塞、右活塞上；
所述磁致伸缩杆24的输入端与所述从动螺杆23固定相连，输出端与所述制动楔33固定相连；
所述励磁线圈32绕装在所述磁致伸缩杆24外侧，用于产生磁场驱动磁致伸缩杆工作；
所述驱动螺母18输入端与所述法兰盘19通过螺钉连接，输出端与所述从动螺杆23通过螺纹连接；
所述减速器轴20输入端与所述减速器22输出端相连，输出端与所述法兰盘19固定连接；
所述驱动电机21的输出端与所述减速器22输入端固定连接。
优选示例中，所述磁致伸缩杆为圆柱形，可根据实际需求选择与从动螺杆和制动楔的安装方式，如固定焊接或螺纹连接。
优选示例中，所述制动楔的纵截面形状为上粗下细的梯形，相应的所述左、右活塞的输入端面分别于所述制动楔的两侧斜面平行。
优选示例中，所述驱动螺母和从动螺杆在选型时需具有自锁能力。
参照图3-4所示，本发明还提供了一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，基于上述系统，包含以下步骤：
(1)建立线控制动系统的动力学模型，并基于ISIGHT软件建立其有限元模型；
其中，所述步骤(1)中的线控制动系统动力学模型为：
(11)定义制动鼓中心为坐标原点O，沿原点垂直向上为Y轴正方向，沿原点水平向左为X轴正方向，同时定义原点与左制动蹄下端点连线的反方向为Y1轴正方向，垂直于Y1轴且指向左制动蹄的方向为X1轴正方向；则左制动蹄动力学模型：
Figure GDA0004025191460000101
式中，Fl为左制动蹄制动力；μl为左摩擦片摩擦因数；Plmax为压力分布不均匀时左制动蹄上的最大压力；H为制动蹄片的宽度；R为制动鼓半径；α为左制动蹄下端点与其上任意点绕原点所夹的圆弧角；α0为Y轴与Y1轴的夹角；
Figure GDA0004025191460000102
为左制动蹄最大压力线与X1轴的夹角；α1和α2分别为左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；F0为活塞推力；l1为左活塞推力作用点与原点的距离；l2为原点与左制动蹄下端点的距离；
(12)在上述坐标系下，右制动蹄动力学模型为：
Figure GDA0004025191460000103
式中，Fr为右制动蹄制动力；μr为右摩擦片摩擦因数；Prmax为压力分布不均匀时右制动蹄上的最大压力；α3和α4分别为右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；Fs为右制动蹄下端来自左制动蹄的促动力；
(13)驱动电机至左活塞的动力学模型为：
Figure GDA0004025191460000104
式中，π为圆周率；Tm为驱动电机输出转矩；Gm为减速器减速比；P为驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程；E为磁致伸缩杆的杨氏模量；r为磁致伸缩杆的半径；I为励磁线圈电流；L为磁致伸缩杆长度；ρ为特性常数；γ为真空磁导率；N为线圈匝数；θ为制动楔的顶端夹角。
其中，所述步骤(1)中的线控制动系统有限元模型建立步骤如下：
(14)建立包含制动底板、制动蹄和活塞零部件的线控制动系统三维模型；
(15)对所述步骤(14)中建立的三维模型进行简化，删除各部分倒角，简化支撑销、导向销和制动蹄，并改用约束力来代替简化后的零部件；
(16)采用四面体三维单元对所述步骤(15)中简化后的三维模型进行有限元网格划分；
(17)根据线控制动系统中各零部件实际制造材料从材料库中选择所述步骤(15)中简化后的三维模型各零部件的对应材料属性；
(18)根据线控制动系统的工作条件和设计目标定义所述步骤(15)中简化后的三维模型的边界条件；
(19)根据线控制动系统的传动特性和驱动力施加方式对所述步骤(15)中简化后的三维模型进行运动约束和加力约束，完成有限元模型的建立。
(2)选取制动效能、制动能耗和成本代价作为优化目标，初步选取线控制动系统中的结构参数，并进行灵敏度分析以从中筛选出与优化目标最相关的结构参数作为设计变量；
其中，所述步骤(2)中初步选取的结构参数为：制动蹄片的宽度H，制动鼓半径R，左活塞推力作用点与原点的距离l1，原点与左制动蹄下端点的距离l2，左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α1和α2，右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α3和α4，减速器减速比Gm，驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程P，磁致伸缩杆的半径r，磁致伸缩杆长度L，制动楔的顶端夹角θ。
所述灵敏度分析的具体步骤如下：
(21)分别将13个结构参数对制动效能指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动效能指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动效能优化目标的设计变量参数；
(22)分别将13个结构参数对制动能耗指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动能耗指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动能耗优化目标的设计变量参数；
(23)分别将13个结构参数对成本代价指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对成本代价指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应成本代价优化目标的设计变量参数；
(24)根据所述步骤(21)-(23)中确定的设计变量，选取三组设计变量共有的设计变量作为最终的设计变量。
所述极差分析步骤如下：
(25)对不同型号和尺寸的制动系统进行数据统计，并记录不同制动系统的指标；
(26)在同一指标水平下计算各结构参数的数据极差值，即同一参数的最大值和最小值；
(27)根据极差值确定不同结构参数对该指标的灵敏度，定义极差值大的结构参数对该指标的灵敏度大，极差值小的结构参数对该指标的灵敏度小。
(3)基于所述步骤(1)中建立的动力学模型和步骤(2)中的选取的优化目标和设计变量，建立各个优化目标与设计变量之间的函数关系，即优化目标函数，并对选取的设计变量范围进行约束得到最终的优化模型；
所述优化目标函数表示为：
(31)制动效能BEP目标函数：
Figure GDA0004025191460000121
式中，BEPl和BEPr分别为左、右制动蹄的制动效能；
(32)制动能耗BE目标函数：
Figure GDA0004025191460000122
式中，BEm和BEc分别为驱动电机和磁致伸缩杆能耗；xb为制动间隙；Pc为磁致伸缩杆所需预压力；Fd为目标制动力；Rc为励磁线圈内阻；
(33)成本代价C目标函数：
C＝PmCm+GmCg+πr2LCc+Ce(H,R,l1,l2,P,θ) (6)
式中，Pm为驱动电机额定功率；Cm为驱动电机单位功率成本；Cg为减速度单位减速比成本；Cc为磁致伸缩杆单位体积成本；Ce为其他零部件不同型号组合下的成本函数。
其中，所述步骤(3)中最终的优化模型为：
Figure GDA0004025191460000123
式中，U为设计变量集合；Umin和Umax分别为设计变量集合的下限和上限。
(4)采用多目标布谷鸟搜索算法对所述步骤(3)中建立的最终的优化模型进行求解，得到设计变量的优化参数pareto解集；
其中，所述步骤(4)中多目标布谷鸟搜索算法的求解步骤如下：
(41)在Umin和Umax间随机选取一组设计变量初始值以初始化设计变量，产生9个初始布谷鸟鸟巢，即U0＝[H0,R0,l10,l20,Gm0,P0,r0,L0,θ0]；
(42)判断停止准则，满足则跳转至步骤(49)，否则执行步骤(43)，其中停止准则设为已存储解的数量或迭代运算次数；
(43)根据Levy飞行随机产生新的解Ui，产生公式如下：
Figure GDA0004025191460000124
式中，Ut+1为更新后产生的新解；Ut为上一次产生的解；σ为步长缩放因子；Levy(β)为服从分布Levy～u＝t-β,1≤β≤3的随机步长，
Figure GDA0004025191460000131
为点乘运算；
(44)计算新产生的解Ui的适应度，即将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算得到对应的目标函数值Fi＝[BEPi,BEi,Ci]；
(45)随机选择一个初始解Uj，并将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算其适应度Fj＝[BEPj,BEj,Cj]；
(46)比较Fi和Fj的结果，保留两者间最优适应度的解至优质解空间HS，同时存储另一个解至劣解空间LS；
(47)以概率Pa从劣解空间中选择出LS×Pa个解作为可接受候选解集，并使用随机产生的解进行替代；
(48)根据适应度保留可接受候选解集中四分之一的解添加至优质解空间，此时HS＝HS+(1/4)×LS×Pa，跳转到步骤(42)继续迭代直至满足停止条件，跳转至步骤(49)；
(49)将优质解空间中保存的解作为pareto解集输出。
(5)将所述步骤(4)中求解得到的优化参数pareto解集中的各组解输入到所述步骤(1)建立的有限元模型中，并进行多种工况下的制动分析，选取制动性能最优的一组解作为最终的优化结果；具体步骤如下：
(51)从所述步骤(4)求解得到的优化参数pareto解集中选取一组解；
(52)根据所述步骤(51)中选取的解中各结构参数值，修改有限元模型中对应零部件参数；
(53)提取不同制动工况下的制动系统加力特征；如轻微制动、一般制动和紧急制动等；
(54)将所述步骤(53)提取的不同制动工况下的制动系统加力特征施加在修改后的有限元模型上，并记录最终的制动性能指标；
(55)循环所述步骤(51)-(54)，直至Pareto解集中的所有解均被选取，并根据记录的不同解下的制动性能，选取各制动工况下制动性能均最优的解作为最终的优化结果。
尽管以上本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统，其特征在于，包括：车轮、制动底板、制动鼓、机械模块和驱动模块；
所述制动底板固定在车轮内部，用于安装和固定零部件；
所述机械模块安装在所述制动底板上，其上套装所述制动鼓，具体包括：左摩擦片、左制动蹄、左回位弹簧、左回位弹簧安装孔、拉紧弹簧、顶杆总成、支撑销、右摩擦片、右制动蹄、右回位弹簧、右回位弹簧安装孔；
所述左制动蹄安装在所述制动底板上，其上端、下端分别顶靠在所述支撑销和所述顶杆总成上，外侧铆接有所述左摩擦片；
所述右制动蹄安装在所述制动底板上，其上端铰接在所述支撑销上，下端顶靠在所述顶杆总成上，外侧铆接有所述右摩擦片；
所述左回位弹簧两端分别挂装在所述支撑销和所述左回位弹簧安装孔上，用于拉动所述左制动蹄回位；
所述右回位弹簧两端分别挂装在所述支撑销和所述右回位弹簧安装孔上，用于拉动所述右制动蹄回位；
所述拉紧弹簧两端分别挂装在所述左制动蹄、右制动蹄下端，用于拉紧两个制动蹄压靠在所述顶杆总成上；
所述顶杆总成包括：顶杆套、调整螺母和可调顶杆体；
所述顶杆套的一端与左制动蹄下端相顶靠；所述可调顶杆体的一端与右制动蹄下端相顶靠；
所述调整螺母安装在所述顶杆总成中部，两端分别与所述顶杆套、可调顶杆体连接，用于调整制动蹄安装位置；
所述驱动模块包括：制动轮缸、左滚轮、右滚轮、制动楔、滚轮支撑架、磁致伸缩杆、励磁线圈、从动螺杆、驱动螺母、法兰盘、减速器轴、减速器和驱动电机；
所述制动轮缸安装在所述制动底板上，包括：制动轮缸壳体、左活塞、左导向销、右活塞和右导向销；
所述左活塞、右活塞均安装在所述制动轮缸壳体内部，二者的输出端分别顶靠在所述左制动蹄、右制动蹄上，用于驱动制动蹄与制动鼓接触以实现摩擦制动；
所述左导向销、右导向销分别安装在所述制动轮缸壳体两侧开的销孔上，并卡入所述左、右活塞上开的凹槽中，用于防止所述左活塞、右活塞运动时发生滚转；
所述滚轮支撑架嵌套在所述制动轮缸中部；
所述左滚轮、右滚轮均浮支在所述滚轮支撑架上，两者的输入端分别与所述制动楔浮靠，两者的输出端与分别所述左活塞、右活塞输入端浮靠，用于将制动楔的力传导至左活塞、右活塞上；
所述磁致伸缩杆的输入端与所述从动螺杆固定相连，输出端与所述制动楔固定相连；
所述励磁线圈绕装在所述磁致伸缩杆外侧，用于产生磁场驱动磁致伸缩杆工作；
所述驱动螺母输入端与所述法兰盘通过螺钉连接，输出端与所述从动螺杆通过螺纹连接；
所述减速器轴输入端与所述减速器输出端相连，输出端与所述法兰盘固定连接；
所述驱动电机的输出端与所述减速器输入端固定连接。
2.根据权利要求1所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统，其特征在于，所述磁致伸缩杆为圆柱形，根据实际需求选择与从动螺杆和制动楔的安装方式。
3.根据权利要求1所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统，其特征在于，所述制动楔的纵截面形状为上粗下细的梯形，相应的所述左、右活塞的输入端面分别于所述制动楔的两侧斜面平行。
4.一种电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，基于权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于，包含以下步骤：
(1)建立线控制动系统的动力学模型，并建立其有限元模型；
(2)选取制动效能、制动能耗和成本代价作为优化目标，初步选取线控制动系统中的结构参数，并进行灵敏度分析以从中筛选出与优化目标最相关的结构参数作为设计变量；
(3)基于所述步骤(1)中建立的动力学模型和步骤(2)中的选取的优化目标和设计变量，建立各个优化目标与设计变量之间的函数关系，即优化目标函数，并对选取的设计变量范围进行约束得到最终的优化模型；
(4)采用多目标布谷鸟搜索算法对所述步骤(3)中建立的最终的优化模型进行求解，得到设计变量的优化参数pareto解集；
(5)将所述步骤(4)中求解得到的优化参数pareto解集中的各组解输入到所述步骤(1)建立的有限元模型中，并进行多种工况下的制动分析，选取制动性能最优的一组解作为最终的优化结果。
5.根据权利要求4所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的线控制动系统动力学模型为：
(11)定义制动鼓中心为坐标原点O，沿原点垂直向上为Y轴正方向，沿原点水平向左为X轴正方向，同时定义原点与左制动蹄下端点连线的反方向为Y1轴正方向，垂直于Y1轴且指向左制动蹄的方向为X1轴正方向；则左制动蹄动力学模型：
Figure FDA0004025191450000031
式中，Fl为左制动蹄制动力；μl为左摩擦片摩擦因数；Plmax为压力分布不均匀时左制动蹄上的最大压力；H为制动蹄片的宽度；R为制动鼓半径；α为左制动蹄下端点与其上任意点绕原点所夹的圆弧角；α0为Y轴与Y1轴的夹角；
Figure FDA0004025191450000032
为左制动蹄最大压力线与X1轴的夹角；α1和α2分别为左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；F0为活塞推力；l1为左活塞推力作用点与原点的距离；l2为原点与左制动蹄下端点的距离；
(12)在上述坐标系下，右制动蹄动力学模型为：
Figure FDA0004025191450000033
式中，Fr为右制动蹄制动力；μr为右摩擦片摩擦因数；Prmax为压力分布不均匀时右制动蹄上的最大压力；α3和α4分别为右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角；Fs为右制动蹄下端来自左制动蹄的促动力；
(13)驱动电机至左活塞的动力学模型为：
Figure FDA0004025191450000034
式中，π为圆周率；Tm为驱动电机输出转矩；Gm为减速器减速比；P为驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程；E为磁致伸缩杆的杨氏模量；r为磁致伸缩杆的半径；I为励磁线圈电流；L为磁致伸缩杆长度；ρ为特性常数；γ为真空磁导率；N为线圈匝数；θ为制动楔的顶端夹角。
6.根据权利要求5所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中初步选取的结构参数为：制动蹄片的宽度H，制动鼓半径R，左活塞推力作用点与原点的距离l1，原点与左制动蹄下端点的距离l2，左摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α1和α2，右摩擦片包角起始点与终止点和Y1轴的夹角α3和α4，减速器减速比Gm，驱动螺母和从动螺杆的螺纹导程P，磁致伸缩杆的半径r，磁致伸缩杆长度L，制动楔的顶端夹角θ。
7.根据权利要求6所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中灵敏度分析的具体步骤如下：
(21)分别将13个结构参数对制动效能指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动效能指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动效能优化目标的设计变量参数；
(22)分别将13个结构参数对制动能耗指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对制动能耗指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应制动能耗优化目标的设计变量参数；
(23)分别将13个结构参数对成本代价指标进行极差分析，得到所选取的13个结构参数对成本代价指标灵敏度大小的顺序，选取前十个结构参数作为对应成本代价优化目标的设计变量参数；
(24)根据所述步骤(21)-(23)中确定的设计变量，选取三组设计变量共有的设计变量作为最终的设计变量。
8.根据权利要求7所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(21)-(23)中的极差分析步骤如下：
(25)对不同型号和尺寸的制动系统进行数据统计，并记录不同制动系统的指标；
(26)在同一指标水平下计算各结构参数的数据极差值，即同一参数的最大值和最小值；
(27)根据极差值确定不同结构参数对该指标的灵敏度，定义极差值大的结构参数对该指标的灵敏度大，极差值小的结构参数对该指标的灵敏度小。
9.根据权利要求8所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中的优化目标函数表示为：
(31)制动效能BEP目标函数：
Figure FDA0004025191450000041
式中，BEPl和BEPr分别为左、右制动蹄的制动效能；
(32)制动能耗BE目标函数：
Figure FDA0004025191450000042
式中，BEm和BEc分别为驱动电机和磁致伸缩杆能耗；xb为制动间隙；Pc为磁致伸缩杆所需预压力；Fd为目标制动力；Rc为励磁线圈内阻；
(33)成本代价C目标函数：
C＝PmCm+GmCg+πr2LCc+Ce(H,R,l1,l2,P,θ) (6)
式中，Pm为驱动电机额定功率；Cm为驱动电机单位功率成本；Cg为减速度单位减速比成本；Cc为磁致伸缩杆单位体积成本；Ce为其他零部件不同型号组合下的成本函数；
其中，所述步骤(3)中最终的优化模型为：
Figure FDA0004025191450000051
式中，U为设计变量集合；Umin和Umax分别为设计变量集合的下限和上限。
10.根据权利要求9所述的电磁联合式滑板底盘线控制动系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中多目标布谷鸟搜索算法的求解步骤如下：
(41)在Umin和Umax间随机选取一组设计变量初始值以初始化设计变量，产生9个初始布谷鸟鸟巢，即U0＝[H0,R0,l10,l20,Gm0,P0,r0,L0,θ0]；
(42)判断停止准则，满足则跳转至步骤(49)，否则执行步骤(43)，其中停止准则设为已存储解的数量或迭代运算次数；
(43)根据Levy飞行随机产生新的解Ui，产生公式如下：
Figure FDA0004025191450000052
式中，Ut+1为更新后产生的新解；Ut为上一次产生的解；σ为步长缩放因子；Levy(β)为服从分布Levy～u＝t-β,1≤β≤3的随机步长，
Figure FDA0004025191450000053
为点乘运算；
(44)计算新产生的解Ui的适应度，即将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算得到对应的目标函数值Fi＝[BEPi,BEi,Ci]；
(45)随机选择一个初始解Uj，并将其代入制动效能、制动能耗和成本代价目标函数中计算其适应度Fj＝[BEPj,BEj,Cj]；
(46)比较Fi和Fj的结果，保留两者间最优适应度的解至优质解空间HS，同时存储另一个解至劣解空间LS；
(47)以概率Pa从劣解空间中选择出LS×Pa个解作为可接受候选解集，并使用随机产生的解进行替代；
(48)根据适应度保留可接受候选解集中四分之一的解添加至优质解空间，此时HS＝HS+(1/4)×LS×Pa，跳转到步骤(42)继续迭代直至满足停止条件，跳转至步骤(49)；
(49)将优质解空间中保存的解作为pareto解集输出。
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