CN115076264A - 一种导程可变的运动转换机构及电子机械制动器 - Google Patents

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潘亚敏
胡捷
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Abstract

本发明提供了一种导程可变的运动转换机构及机械制动器，解决现有电子机械制动器外形尺寸大、结构空间利用率低、安装不便、成本高，采用滚珠丝杠副作为执行输出，耐冲击性、传力等级无法满足汽车制动要求的问题。转换机构包括丝杠、螺母组件、导向筒和导向柱组件；螺母组件设在导向筒内，其外侧壁设至少一个导向槽组件；导向槽组件包括沿螺母组件轴向设的直线槽和与直线槽连通的至少一个螺旋槽，螺旋槽旋向与丝杠旋向相同或相反；导向柱组件数量与导向槽组件数量相同，导向柱组件包括与螺旋槽相适配的导向柱；导向柱固定端与导向筒内壁固定，导向端伸入导向槽；在螺母组件向前运动时，导向柱导向端自直线槽向螺旋槽移动或自螺旋槽向直线槽移动。

Description

一种导程可变的运动转换机构及电子机械制动器
技术领域
本发明涉及电子机械制动器，具体涉及一种导程可变的运动转换机构及电子机械制动器。
背景技术
随着汽车技术飞速发展，特别是新能源汽车及自动驾驶的发展，人们对汽车的安全性、可靠性要求越来越高。而传统的液压制动系统存在系统复杂，以及制动力通过真空助力器、液压管路等，导致反应速度慢、体积大，在整车上布置装配难度大、ABS电控系统复杂、制造和维修成本高等诸多缺陷。而电子机械制动系统(EMB)不仅克服了液压制动的固有缺陷，同时还具有系统简单、制动反应速度快、效率高等突出优点。随着无刷直流电机技术和汽车电子控制技术的发展，EMB电子机械制动系统作为新一代汽车制动器，具有取代目前传统液压和气动制动系统的趋势，成为未来汽车制动的主流。
目前，EMB子机械制动器采用行车制动和驻车制动两套机构实现，外形尺寸大、结构空间利用率低、安装不便、成本高。也有一些电子机械制动器将行车制动和驻车制动通过单向离合器进行了整合，但采用的执行输出机构为滚珠丝杠副，其耐冲击性、传力等级都无法满足汽车制动冲击大、制动频繁、工况恶劣等要求。因此，设计一种取代液压制动且同时能够满足行车制动、驻车制动、制动力保持等功能的电子机械式车辆制动器显得非常重要。
发明内容
为了解决现有电子机械制动器外形尺寸大、结构空间利用率低、安装不便、成本高，以及采用滚珠丝杠副作为执行输出机构，存在耐冲击性、传力等级无法满足汽车制动要求的技术问题，本发明提供了一种导程可变的运动转换机构及电子机械制动器。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种导程可变的运动转换机构，其特殊之处在于：
包括丝杠、螺母组件、导向筒和导向柱组件；
所述螺母组件套装在丝杠上，并与丝杠配合；
所述螺母组件设置在导向筒内，螺母组件外侧壁设置至少一个导向槽组件；
所述导向槽组件包括沿螺母组件轴向设置的直线槽，以及与直线槽连通的至少一个螺旋槽，螺旋槽的旋向与丝杠的旋向相同或相反；
所述导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括与螺旋槽数量相适配的导向柱，且每个导向柱的导向端均与直线槽及螺旋槽相适配；
所述导向柱的固定端与导向筒内壁固定，其导向端伸入导向槽组件；
在螺母组件向前运动时，导向柱的导向端自直线槽向螺旋槽移动或自螺旋槽向直线槽移动。
进一步地，所述螺母组件为螺纹螺母。
进一步地，所述螺母组件包括套设在丝杠上的滚柱行星架以及至少2个沿滚柱行星架圆周分布的滚柱当量螺母；
每个滚柱当量螺母包括滚柱和滚柱芯轴，滚柱芯轴平行于丝杠设置在滚柱行星架上，滚柱套设在滚柱芯轴上，且滚柱外表面设置有与丝杠配合的螺纹；
所述导向槽组件设置在滚柱行星架外侧面上。
进一步地，所述导向槽组件为圆周分布的多个；相邻导向槽组件互不相通。
进一步地，所述直线槽与螺旋槽之间为平滑螺线连接；所述丝杠为梯形或矩形或三角形丝杠。
进一步地，每个导向槽组件设置多个螺旋槽，多个螺旋槽的中心线轨迹相同。
进一步地，所述螺旋槽的螺旋升角小于或大于丝杠的螺旋升角。
同时，本发明提供了一种导程可变的电子机械制动器，包括驱动电机、运动转换机构和车辆制动机构，其特殊之处在于：
所述运动转换机构包括丝杠、螺母组件、导向筒和导向柱组件；
所述驱动电机驱动丝杠转动；
所述螺母组件套装在丝杠上，并与丝杠配合；
所述螺母组件设置在导向筒内，螺母组件外侧壁设置至少一个导向槽组件；
所述导向槽组件包括沿螺母组件轴向设置的直线槽，以及与直线槽连通的至少一个螺旋槽，螺旋槽的旋向与丝杠的旋向相同；
所述导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括与螺旋槽数量相适配的导向柱，且每个导向柱的导向端均与直线槽及螺旋槽相适配；
所述导向柱的固定端与导向筒内壁固定，其导向端伸入导向槽组件；
在驱动电机驱动螺母组件向前运动时，导向柱的导向端自直线槽向螺旋槽移动；
所述螺母组件驱动车辆制动机构运动。
进一步地，所述螺母组件为螺纹螺母。
进一步地，所述螺母组件包括套设在丝杠上的滚柱行星架以及至少2个沿滚柱行星架圆周分布的滚柱当量螺母；每个滚柱当量螺母包括滚柱和滚柱芯轴；
所述滚柱芯轴平行于丝杠设置在滚柱行星架上，滚柱套设在滚柱芯轴上，且滚柱外表面设置有与丝杠配合的螺纹；
所述导向槽组件设置在滚柱行星架外侧面上。
进一步地，所述导向槽组件为圆周分布的多个；相邻导向槽组件互不相通；
每个导向槽组件设置多个螺旋槽，多个螺旋槽的中心线轨迹相同。
进一步地，所述螺旋槽的螺旋升角小于丝杠的螺旋升角。
进一步地，所述导向筒位于驱动电机的转子内，且导向筒的一端固定于驱动电机的壳体上，另一端通过轴承支撑于丝杠上。
进一步地，所述驱动电机的转子通过行星减速机构与丝杠传动配合。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明运动转换机构将螺母组件上的导向槽组件设计为分段式，其前段为沿轴向设置的直线槽，后段为螺旋型的螺旋槽，在螺母组件向前运动时，若导向柱的导向端自直线槽向螺旋槽移动，在导向柱到达螺旋槽位置时，螺母组件沿丝杠轴向移动的同时又可沿着螺旋槽的轨迹螺旋运动，可改变螺母组件的运动导程；若导向柱的导向端自螺旋槽向直线槽移动，螺母组件沿着螺旋槽的轨迹螺旋运动的同时又可沿丝杠轴向移动，也可改变螺母组件的运动导程。因此本发明螺母组件具有双自由度运动，当螺母组件用于推动制动力输出元件运动时，就可实现车辆行车制动，尤其可以实现制动前半程快速、后半程力矩大的效果。
2、本发明运动转换机构将传统丝杠结构变为可变导程的丝杠副结构，使得制动器件的耐冲击性更强，末端传力等级更高。
3、本发明螺母组件可选用螺纹螺母，也可以是滚柱行星架和多个滚柱当量螺母配合的结构，此时滚柱当量螺母的滚柱与丝杠配合，丝杠带动滚柱转动，多个滚柱进而推动滚柱行星架沿丝杠轴向运动，提高动力传递的效率，传动效率可达80％以上。
4、本发明运动转换机构的导向槽组件为圆周分布的多个及单个导向槽组件上布置多个螺旋槽，配合于多个导向柱，可提高螺母组件移动的稳定性和力的大承载能力。
5、本发明运动转换机构中螺旋槽螺旋升角小于丝杠螺旋升角时，具有减速作用；螺旋槽螺旋升角大于丝杠螺旋升角时，具有增速作用。
6、本发明电子机械制动器的螺母组件采用分段设计，其前段为沿螺母轴向设置的直线槽，后段为螺旋型的螺旋槽，故可实现螺母在丝杠轴向上双自由度滑动配合，使得制动器可具有自锁功能，且末端输出制动力可更大。本发明通过双自由度运动的机械结构，实现机械力的放大及自锁，从而达到结构紧凑、质量轻、成本低、可靠性高的特点。
7、本发明电子机械制动器将传统制动器中的滚柱丝杠变为可变导程的丝杠副结构，使得制动器的耐冲击性更强，末端传力等级更高，实现大制动力的输出以及机构自锁达到驻车功能。
8、本发明电子机械制动器采用行星减速机构实现小尺寸大速比的结构，制动力的输出单元采用变自由度螺母组件，从而获得大的制动力以及驻车的自锁功能。
9、本发明电子机械制动器将运动转换机构内置于驱动电机转子的中空部分，充分利用了有限空间，减小了制动器体积。
附图说明
图1是本发明导程可变的电子机械制动器实施例一的结构示意图；
图2是本发明导程可变的电子机械制动器实施例一中螺母的结构示意图；
图3是本发明导程可变的电子机械制动器实施例二和实施例三中螺母的结构示意图；
图4是本发明导程可变的电子机械制动器实施例四的结构示意图；
图5是图4的A-A向剖视图；
图6是图5的B-B向剖视图(轴向)；
图7是本发明导程可变的电子机械制动器实施例四中丝杠与螺母组件配合示意图；
图8是图7的C-C向剖视图；
图9a是本发明导程可变的电子机械制动器实施例四中滚柱行星架结构示意图；
图9b是本发明导程可变的电子机械制动器实施例四中滚柱行星架与滚柱芯轴装配示意图；
图9c是本发明导程可变的电子机械制动器实施例四中滚柱行星架上安装有滚柱的结构示意图；
图10a是本发明导程可变的电子机械制动器实施例五中滚柱行星架结构示意图；
图10b是本发明导程可变的电子机械制动器实施例五中滚柱行星架与滚柱芯轴装配示意图；
图10c是本发明导程可变的电子机械制动器实施例五中滚柱行星架上安装有滚柱的结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-导向筒，2-导向柱，3-丝杠，4-螺纹螺母，5-转子，6-壳体，7-行星减速机构，41-直线槽，42-螺旋槽，8-滚柱行星架，81-缺口，9-滚柱当量螺母，91-滚柱，92-滚柱芯轴。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
实施例一
如图1所示，一种导程可变的电子机械制动器，包括驱动电机、运动转换机构和车辆制动(行车制动、驻车制动、制动力保持)机构。
运动转换机构包括固定设置的导向筒1、设置于导向筒1内的丝杠3、与丝杠3配合的螺纹螺母4以及设置在导向筒1和螺纹螺母4之间的导向柱组件；本实施例中丝杠3为梯形丝杠，在其他实施例中，丝杠3可为矩形或三角形丝杠等。
螺纹螺母4外侧壁开设一个导向槽组件。如图2所示，导向槽组件可分为两段，其前段为沿螺纹螺母4轴向设置的直线槽41，后端为与直线槽41连通的螺旋槽42，直线槽41与螺旋槽42之间为平滑螺线连接，螺旋槽42的旋向与丝杠3的旋向相同，螺旋槽42的螺旋升角为小于丝杠的螺旋升角；直线槽41的长度或者说是螺旋槽42的起始位置可根据实际需要具体设置，依据于控制和调节制动时间、行程以及制动力大小。
导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括1个导向柱2，导向柱2的固定端与导向筒1内壁固定，其导向端伸入导向槽，并可沿导向槽的路径滑动，导向柱2与螺旋槽42的配合可设计为自锁形式或者非自锁形式。
本实施例中将导向筒1位于驱动电机的转子5内，且导向筒1的一端通过丝母固定于驱动电机的壳体上，另一端通过轴承支撑于丝杠3上，驱动电机的转子5通过行星减速机构7与丝杠3传动配合。
驱动电机驱动丝杠3转动，当螺纹螺母4向远离驱动电机一侧运动时，导向柱2的导向端自直线槽41向螺旋槽42移动，可实现螺纹螺母4与导向筒1在丝杠3轴向上直线和/或旋转的双自由度滑动配合，螺纹螺母4进而驱动车辆制动机构运动。
本实施例电子机械制动器将行车制动、驻车制动等功能融合为一体，通过运动转换机构实现大制动力的输出以及机构自锁达到驻车功能，并采用行星减速机构7实现小尺寸大速比，制动力的输出单元采用变自由度螺母，从而获得大的制动力以及驻车的自锁功能。本实施例整体设计结构紧凑、安装方便、可靠性高。
本实施例制动器的制动动作过程为：
行车制动时，驱动电机启动，其转子5输出的动力经行星减速机构7传递至丝杠3，丝杠3旋转驱动螺纹螺母4移动，螺纹螺母4前段沿丝杠轴向直线移动，后段沿梯形丝杠轴向移动的同时又可沿着螺旋槽42的轨迹螺旋运动，螺纹螺母4再推动制动力输出元件运动，实现车辆行车制动。
实施例二
与实施例一不同之处在于：如图3所示，每个导向槽组件上，螺旋槽42为沿螺纹螺母4轴向均布3个，3个螺旋槽42的中心线轨迹相同，相应的，每个导向柱组件包括与3个螺旋槽42配合的3个导向柱2。在其它实施例中，螺旋槽42和导向柱2的数量可根据实际需要进行合理设计。
实施例三
与实施例一、二不同之处在于：为了提高螺纹螺母4移动的稳定性，导向槽组件为圆周布置的多个，优选为圆周均布，且相邻导向槽组件互不相通。
实施例四
如图4至图6所示，一种导程可变的电子机械制动器，包括驱动电机、运动转换机构和车辆制动(行车制动、驻车制动、制动力保持)机构。
运动转换机构包括固定设置的导向筒1、设置于导向筒1内的丝杠3、与丝杠3配合的螺母组件以及设置在导向筒1和螺母组件之间的导向柱组件；本实施例中丝杠3为梯形丝杠，在其他实施例中，丝杠3可为矩形或三角形丝杠等。
螺母组件包括滚柱行星架8和至少2个滚柱当量螺母9，滚柱行星架8为套筒结构，其套设在丝杠3上，至少2个滚柱当量螺母9沿滚柱行星架8圆周布置，优选圆周均布，并位于滚柱行星架8轴向的中部。
如图7和图8所示，本实施例滚柱当量螺母9为5个，在其它实施例中，滚柱当量螺母9的数量可根据传动载荷进行合理设计即可。每个滚柱当量螺母9包括滚柱91和滚柱芯轴92；滚柱芯轴92的两端固定穿设在滚柱行星架8上，且滚柱芯轴92的轴线与丝杠3的轴线平行，滚柱91套设在滚柱芯轴92中部，滚柱91能够绕滚柱芯轴92自转，滚柱91外表面设置有丝杠3配合的螺纹；相应的，滚柱行星架8的中部设有用于安装滚柱91的缺口81，缺口81两端的滚柱行星架8上设有用于固定滚柱芯轴92的安装孔。
滚柱行星架8外侧壁开设一个导向槽组件。如图9a、9b和9c所示，导向槽组件可分为两段，其前段为沿滚柱行星架8轴向设置的直线槽41，后端为与直线槽41连通的螺旋槽42，直线槽41与螺旋槽42之间为平滑螺线连接，螺旋槽42的旋向与丝杠3的旋向相同，螺旋槽的螺旋升角为小于丝杠的螺旋升角；直线槽41的长度或者说是螺旋槽42的起始位置可根据实际需要具体设置，依据于控制和调节制动时间、行程以及制动力大小。
导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括1个导向柱2，导向柱2的固定端与导向筒1内壁固定，其导向端伸入导向槽，并可沿导向槽的路径滑动，导向柱2与螺旋槽42的配合可设计为自锁形式或者非自锁形式。
本实施例中将导向筒1位于驱动电机的转子5内，且导向筒1的一端通过丝母固定于驱动电机的壳体上，另一端通过轴承支撑于丝杠3上，驱动电机的转子5通过行星减速机构7与丝杠3传动配合。
驱动电机驱动丝杠3转动，丝杠3带动滚柱行星架8向远离驱动电机一侧运动时，导向柱2的导向端自直线槽41向螺旋槽42移动，可实现滚柱行星架8与导向筒1在丝杠3轴向上直线和/或旋转的双自由度滑动配合，滚柱行星架8进而驱动车辆制动机构运动。
本实施例电子机械制动器将行车制动、驻车制动等功能融合为一体，通过运动转换机构实现大制动力的输出以及机构自锁达到驻车功能，并采用行星减速机构7实现小尺寸大速比，制动力的输出单元采用变自由度螺母组件，从而获得大的制动力以及驻车的自锁功能。本实施例整体设计结构紧凑、安装方便、可靠性高。
本实施例制动器的制动动作过程为：
行车制动时，驱动电机启动，其转子5输出的动力经行星减速机构7传递至丝杠3，丝杠3旋转驱动滚柱91转动，滚柱91推动滚柱行星架8沿丝杠3轴向移动，滚柱行星架8前段沿丝杠3轴向直线移动，后段沿丝杠3轴向移动的同时又可沿着螺旋槽42的轨迹螺旋运动，滚柱行星架8再推动制动力输出元件运动，实现车辆行车制动。
实施例五
与实施例四不同之处在于：如图10a、10b和10c所示，滚柱行星架8的每个导向槽组件上，螺旋槽42为沿滚柱行星架8轴向均布3个，3个螺旋槽42的中心线轨迹相同，相应的，每个导向柱组件包括与3个螺旋槽42配合的3个导向柱2。在其它实施例中，螺旋槽42和导向柱2的数量可根据实际需要进行合理设计。
实施例六
与实施例五、六不同之处在于：为了提高滚柱行星架8移动的稳定性，导向槽组件为圆周布置的多个，优选为圆周均布，且相邻导向槽组件互不相通。
实施例七
与实施例一、四不同之处在于：运动转换机构在用于其它传动机构中，运动转换机构中螺旋槽42的旋向与丝杠3的旋向相反。
实施例八
与实施例一、四不同之处在于：运动转换机构在用于其它传动机构中，当螺母组件向前运动时，导向柱2的导向端自螺旋槽42向直线槽41移动。
实施例九
与实施例一、四不同之处在于：运动转换机构在用于其它传动机构中，螺旋槽42的螺旋升角大于丝杠3的螺旋升角，具有增速作用。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (14)

1.一种导程可变的运动转换机构，其特征在于：
包括丝杠(3)、螺母组件、导向筒(1)和导向柱组件；
所述螺母组件套装在丝杠(3)上，并与丝杠(3)配合；
所述螺母组件设置在导向筒(1)内，螺母组件外侧壁设置至少一个导向槽组件；
所述导向槽组件包括沿螺母组件轴向设置的直线槽(41)，以及与直线槽(41)连通的至少一个螺旋槽(42)，螺旋槽(42)的旋向与丝杠(3)的旋向相同或相反；
所述导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括与螺旋槽(42)数量相适配的导向柱(2)，且每个导向柱(2)的导向端均与直线槽(41)及螺旋槽(42)相适配；
所述导向柱(2)的固定端与导向筒(1)内壁固定，其导向端伸入导向槽组件；
在螺母组件向前运动时，导向柱(2)的导向端自直线槽(41)向螺旋槽(42)移动或自螺旋槽(42)向直线槽(41)移动。
2.根据权利要求1所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：
所述螺母组件为螺纹螺母(4)。
3.根据权利要求1所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：
所述螺母组件包括套设在丝杠(3)上的滚柱行星架(8)以及至少2个沿滚柱行星架(8)圆周分布的滚柱当量螺母(9)；
每个滚柱当量螺母(9)包括滚柱(91)和滚柱芯轴(92)，滚柱芯轴(92)平行于丝杠(3)设置在滚柱行星架(8)上，滚柱(91)套设在滚柱芯轴(92)上，且滚柱(91)外表面设置有与丝杠(3)配合的螺纹；
所述导向槽组件设置在滚柱行星架(8)外侧面上。
4.根据权利要求1或2或3所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：
所述导向槽组件为圆周分布的多个；相邻导向槽组件互不相通。
5.根据权利要求4所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：所述直线槽(41)与螺旋槽(42)之间为平滑螺线连接；所述丝杠(3)为梯形或矩形或三角形丝杠。
6.根据权利要求5所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：每个导向槽组件设置多个螺旋槽(42)，多个螺旋槽(42)的中心线轨迹相同。
7.根据权利要求6所述导程可变的运动转换机构，其特征在于：所述螺旋槽(42)的螺旋升角小于或大于丝杠(3)的螺旋升角。
8.一种导程可变的电子机械制动器，包括驱动电机、运动转换机构和车辆制动机构，其特征在于：
所述运动转换机构包括丝杠(3)、螺母组件、导向筒(1)和导向柱组件；
所述驱动电机驱动丝杠(3)转动；
所述螺母组件套装在丝杠(3)上，并与丝杠(3)配合；
所述螺母组件设置在导向筒(1)内，螺母组件外侧壁设置至少一个导向槽组件；
所述导向槽组件包括沿螺母组件轴向设置的直线槽(41)，以及与直线槽(41)连通的至少一个螺旋槽(42)，螺旋槽(42)的旋向与丝杠(3)的旋向相同；
所述导向柱组件的数量与导向槽组件的数量相同，每个导向柱组件包括与螺旋槽(42)数量相适配的导向柱(2)，且每个导向柱(2)的导向端均与直线槽(41)及螺旋槽(42)相适配；
所述导向柱(2)的固定端与导向筒(1)内壁固定，其导向端伸入导向槽组件；
在驱动电机驱动螺母组件向前运动时，导向柱(2)的导向端自直线槽(41)向螺旋槽(42)移动；
所述螺母组件驱动车辆制动机构运动。
9.根据权利要求8所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：
所述螺母组件为螺纹螺母(4)。
10.根据权利要求8所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：所述螺母组件包括套设在丝杠(3)上的滚柱行星架(8)以及至少2个沿滚柱行星架(8)圆周分布的滚柱当量螺母(9)；每个滚柱当量螺母(9)包括滚柱(91)和滚柱芯轴(92)；
所述滚柱芯轴(92)平行于丝杠(3)设置在滚柱行星架(8)上，滚柱(91)套设在滚柱芯轴(92)上，且滚柱(91)外表面设置有与丝杠(3)配合的螺纹；
所述导向槽组件设置在滚柱行星架(8)外侧面上。
11.根据权利要求8或9或10所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：
所述导向槽组件为圆周分布的多个；相邻导向槽组件互不相通；
每个导向槽组件设置多个螺旋槽(42)，多个螺旋槽(42)的中心线轨迹相同。
12.根据权利要求11所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：所述螺旋槽(42)的螺旋升角小于丝杠(3)的螺旋升角。
13.根据权利要求12所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：所述导向筒(1)位于驱动电机的转子(5)内，且导向筒(1)的一端固定于驱动电机的壳体(6)上，另一端通过轴承支撑于丝杠(3)上。
14.根据权利要求13所述导程可变的电子机械制动器，其特征在于：所述驱动电机的转子(5)通过行星减速机构(7)与丝杠(3)传动配合。
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