CN115217871A - 一种电子机械制动钳、制动系统、汽车和设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子机械制动钳、制动系统、汽车和设计方法，电子机械制动钳包括外壳、制动盘、制动片和致动组件，致动组件包括电机和传动机构，电机包括定子和转子，转子环绕在传动机构的外围，转子与传动机构的动力输入端传动连接，传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动制动片抵紧制动盘。制动系统包括电子机械制动钳。汽车包括电子机械制动钳。设计方法用于设计电子机械制动钳。本发明通过合理设置电子机械制动钳的结构，能够提升电子机械制动钳的可靠性，使得电子机械制动钳具有结构紧凑和占用空间小的优点，能够提高电子机械制动系统的制动安全性。

Description

一种电子机械制动钳、制动系统、汽车和设计方法
技术领域
本发明涉及汽车，具体涉及一种电子机械制动钳、制动系统、汽车和设计方法。
背景技术
在社会经济和科学技术飞速发展的今天，人们在追求汽车动力性和舒适性的同时，对汽车安全性的关注程度也越来越高。这其中对汽车的制动性能尤其重视，因为汽车的制动性直接关系到生命和财产的安全，良好的制动性能是汽车安全行驶的基本保障。
现有的汽车上得到广泛应用的液压制动系统，主要由制动踏板、制动主缸、真空助力器、液压管路、制动轮缸、制动器等几部分组成。需要汽车制动时，驾驶员踩下制动踏板，在一系列机械结构及真空助力器的作用下，制动主缸内的油液以一定压力通过制动管路流入各轮缸，最终驱动盘式或鼓式制动器完成制动动作，从而实现车轮的制动。液压制动经过漫长的发展，已经成为了一项非常成熟的技术，现有的轿车基本全部采用液压制动系统。
虽然液压制动系统得到了广泛的应用，但液压制动系统存在如下的一些问题：液压制动系统的机械部件及液压管路较多，真空助力器体积较大，尤其是在集成ABS、TCS、ESP等电控功能后，液压制动系统更加复杂，布置装配难度大；液压制动系统的液压油需要进行定期更换，并且在使用过程中存在液压油泄露的隐患，容易造成环境污染；对于具有制动能量回收系统并且缺少助力真空源的新能源汽车来说，液压制动系统的使用受到限制，匹配难度大。
随着科学技术的发展，结构更加紧凑、输出制动力更大、运行更可靠的电子机械制动系统应运而生。由于可以解决上述困扰液压制动系统多年的问题，电子机械制动系统已经成为制动技术研究的趋势之一。电子机械制动系统与传统液压制动系统对比，电子机械制动系统以电能作为能量来源，电机驱动制动片压紧制动盘实现制动功能，由电线传递能量，数据线传递信号。电子机械制动系统简洁的结构、高效的性能极大地提高了汽车的制动安全性。
为保证制动安全，汽车制动系统需要一定的冗余度，电子机械制动系统由于取消了制动踏板与制动器间的机械液压连接，因此存在无法利用传统制动系统的冗余结构的问题，这就要求从结构和控制上重新考虑电子机械制动统冗余度的设计，来保证电子机械制动系统的可靠性，进而保证制动安全性。
为了提升制动能力，可以将电子机械制动钳设置成固定式制动钳，而固定式制动钳在制动盘的两侧均设置有制动结构，所以固定式制动钳在车轮轴向上的尺寸较大，导致固定式制动钳存在的布置难度较大的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种电子机械制动钳、制动系统、汽车和设计方法，以减轻或消除至少一个上述的技术问题。
本发明所述的一种电子机械制动钳，包括外壳、制动盘和制动片，还包括设置在所述外壳内的致动组件，所述致动组件包括电机和传动机构，所述电机包括定子和转子，所述转子环绕在所述传动机构的外围，所述转子与所述传动机构的动力输入端传动连接，所述传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
可选的，所述制动盘的两侧各设置有一个所述制动片，对应每个所述制动片设置有两个所述致动组件。
可选的，所述电子机械制动钳为固定式制动钳。
可选的，所述传动机构包括传动组件、减速机构和转换机构，所述转子通过所述传动组件与所述减速机构的动力输入端传动连接，所述减速机构的动力输出端与所述转换机构的动力输入端传动连接，所述转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
可选的，所述减速机构设置在所述转子的内腔中。
可选的，所述转换机构设置在所述转子的内腔中。
可选的，所述减速机构为行星齿轮减速机构。
可选的，所述转换机构为行星滚柱丝杠。
可选的，所述传动组件包括传动内齿圈、与所述传动内齿圈啮合的传动齿轮以及与所述传动齿轮连接的传动轴，所述内齿圈与所述转子传动连接，所述传动轴与所述减速机构的动力输入端传动连接。
可选的，所述外壳包括壳体和壳盖，所述壳体中设置有电机安装孔以及供所述电机装入所述电机安装孔的安装口，所述电机安装在所述电机安装孔中，所述壳盖封闭所述安装口。
可选的，所述壳体上设置有伸入所述转子的内腔中的支撑部，所述减速机构安装在所述支撑部上。
可选的，所述壳体内设置有导向孔，所述导向孔的至少一部分设置在所述支撑部内，所述转换机构安装在所述导向孔内。
可选的，所述致动组件还包括以能够沿一直线运动的方式设置在所述外壳中的活塞，所述活塞设置在所述传动机构的动力输出端和所述制动片之间，所述传动机构的动力输出端通过推动所述活塞来驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
可选的，所述传动机构包括丝杠和多根滚柱，所述转子的内壁设置有内螺纹，多根所述滚柱设置在所述转子和所述丝杠之间，多根滚柱分别与所述丝杠和所述转子螺纹配合，所述丝杠、多根所述滚柱和所述转子构成反向式行星滚柱丝杠。
可选的，所述丝杠通过周向固定且轴向滑动连接的方式与所述外壳连接。
可选的，所述电机为无刷直流电机
本发明所述的一种制动系统，包括上述任一项所述的电子机械制动钳。
本发明所述的一种汽车，包括上述任一项所述的电子机械制动钳。
本发明所述的一种设计方法，用于设计电子机械制动钳，所述电子机械制动钳包括外壳、制动盘和制动片，还包括设置在所述外壳内的致动组件，所述致动组件包括电机和传动机构，所述电机包括定子和转子，所述转子环绕在所述传动机构的外围，所述转子与所述传动机构的动力输入端传动连接，所述传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘；所述传动机构包括传动组件、减速机构和转换机构，所述转子通过所述传动组件与所述减速机构的动力输入端传动连接，所述减速机构的动力输出端与所述转换机构的动力输入端传动连接，所述转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘；所述转换机构为行星滚柱丝杠，所述减速机构为行星齿轮减速机构；设计方法包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算电子机械制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，所述盘片间隙为制动盘和制动片之间的间隙；
S2、根据法规要求校核电子机械制动钳的制动能力；
S3、初选行星滚柱丝杠的传动比和导程，计算行星滚柱丝杠的额定动载荷；
S4、确定行星滚柱丝杠的结构造型，选择的行星滚柱丝杠；
S5、计算行星滚柱丝杠的驱动转矩、传动效率和传动比；
S6、对行星滚柱丝杠进行强度校核，根据整车参数校核行星滚柱丝杠强度；
S7、判断行星滚柱丝杠强度是否满足要求，若不满足要求则返回S3调整行星滚柱丝杠的传动比和导程，直至行星滚柱丝杠强度满足要求，计算出行星滚柱丝杠最大驱动力矩，选出行星齿轮减速机构的传动比；
S8、行星轮减速机构选型及强度校核；
S9、计算电机的输出功率、转速和转矩；
S10、电机选型；
S11、确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸，基于S1-S10的设计结果，从电子机械制动钳的最大夹紧力反推确定电子机械制动钳减速比和电机的输出特性，确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸；
S12、制作电子机械制动钳样件进行强度校核和试验验证。
本发明通过合理设置电子机械制动钳的结构，使得电子机械制动钳具有结构紧凑和占用空间小的优点，还能够提升电子机械制动钳的可靠性，能够提高电子机械制动系统的制动安全性。
附图说明
图1为具体实施方式中所述的电子机械制动钳的结构示意图；
图2为图1中A部分的放大视图；
图3为具体实施方式中所述的两级行星齿轮减速机构的结构示意图；
图4为具体实施方式中所述的设计方法的流程图；
图5为具体实施方式中所述的制动系统的功能逻辑图；
图6为具体实施方式中所述的附加功能模块的信息表；
图7为具体实施方式中所述的行星滚柱丝杠的结构示意图；
图8为具体实施方式中所述的行星滚柱丝杠的原理图。
图中：1—外壳；101—壳体；102—盖体；103—电机安装孔；104—导向孔；105—支撑部；2—制动盘；3—制动片；4—电机；401—定子；402—转子；5—传动组件；501—传动内齿圈；502—传动齿轮；503—传动轴；6—减速机构；601—箱体；602—第一太阳轮；603—第一内齿圈；604—第一行星轮；605—第一行星架；606—第二太阳轮；607—第二内齿圈；608—第二行星轮；609—第二行星架；7—行星滚柱丝杠；701—丝杠；702—滚柱；703—螺母；704—滚柱齿轮；705—滚柱行星架；8—活塞；9—第一轴承；10—第二轴承；11—铜套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的一种电子机械制动钳，包括外壳1、制动盘2和制动片3，还包括设置在外壳1内的致动组件，致动组件包括电机4和传动机构，电机4包括定子401和转子402，转子402环绕在传动机构的外围，转子402与传动机构的动力输入端传动连接，传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动制动片3抵紧制动盘2。
采用上述的技术方案，通过电机4驱动传动机构，利用传动机构推动制动片3来实现制动，实现了线控制动，并且将电机4环绕在传动机构的外围，也就是将传动机构集成在转子402的内腔中，能够节省空间，有利于减小电子机械制动钳的尺寸；并且在上述的电子机械制动钳中，将致动组件集成在外壳1内，使得电子机械制动钳的结构十分紧凑，可节约整车底盘的安装空间。
在一些实施例中，制动盘2的两侧各设置有一个制动片3，对应每个制动片3设置有两个致动组件。通过设置两个制动片3，并利用两对致动组件分别作用于两个制动片3，一方面，能够提升电子机械制动钳的制动力，提升电子机械制动钳的制动性能，另一方面，每个制动片3通过两个致动组件推动，两个制动组件互为安全备份，能够提升电子机械制动钳的可靠性，能够提高电子机械制动系统的制动安全性。在具体实施时，两个制动片3分别相对于制动盘2设置在靠车外方向的一侧和靠车内方向的一侧，两对致动组件分别相对于制动盘2设置在靠车外方向的一侧和靠车内方向的一侧。
在一些实施例中，电子机械制动钳为固定式制动钳。电子机械制动钳可以作为行车制动钳使用。在固定式制动钳中，外壳1与车身固定连接，制动盘2的两侧各设置有一个制动片3，外壳1中设置有两对致动组件，一对致动组件能够驱动一个制动片3抵紧制动盘2，另一对致动组件能够驱动另一个制动片3抵紧制动盘2，利用两个制动片3夹紧制动盘2来实现制动。
在一些实施例中，如图2所示，传动机构包括传动组件5、减速机构6和转换机构，转子402通过传动组件5与减速机构6的动力输入端传动连接，减速机构6的动力输出端与转换机构的动力输入端传动连接，转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动制动片3抵紧制动盘2。设置减速机构6能够起到减速增矩的作用，有利于提升制动力，有利于提升制动性能。
在一些实施例中，为了使致动组件的结构紧凑，减速机构6设置在转子402的内腔中。
在一些实施例中，为了使致动组件的结构紧凑，转换机构设置在转子402的内腔中。在具体实施时，可以将转换机构和减速机构6均集成在转子402的内腔中。
在一些实施例中，减速机构6为行星齿轮减速机构。行星齿轮减速机构能够起到减速增矩的作用，行星齿轮减速机构的传动比一般较大，相同传动比的前提下行星齿轮减速机构的体积要远远小于普通圆柱齿轮减速器；并且行星齿轮减速机构的动力输入端与动力输出端具有同轴的特点，行星齿轮减速机构运动平稳、抗冲击能力强和抗振动能力强。行星齿轮减速机构具有以下优点：传动比范围大，承载能力强，体积小，重量轻，传动平稳，效率高，工作可靠，使用寿命长。作为一种优选方案，为了实现更大的传动比，减速机构6可以采用两级行星齿轮减速机构。在具体实施时，如图3所示，两级行星齿轮减速机构包括箱体601、第一太阳轮602、第一内齿圈603、第一行星架605、多个第一行星轮604、第二太阳轮606、第二内齿圈607、第二行星架609和多个第二行星轮608，第一内齿圈603和第二内齿圈607固定连接在箱体601中，第一太阳轮602与传动组件5的动力输出端连接且同步转动，多个第一行星轮604可旋转的安装在第一行星架605上，多个第一行星轮604啮合在第一内齿圈603和第一太阳轮602之间，第二太阳轮606与第一行星架605连接且同步转动，多个第二行星轮608可旋转的安装在第二行星架609上，多个第二行星轮608啮合在第二内齿圈607和第二太阳轮606之间，第二行星架609与行星滚柱丝杠7的动力输入端连接且同步转动，第一太阳轮602作为减速机构6的动力输入件，第二行星架609作为减速机构6的动力输出件。
在一些实施例中，转换机构为行星滚柱丝杠7。行星滚柱丝杠7能够将旋转运动转化为直线运动。作为一种具体示例，如图7和图8所示，行星滚柱丝杠7包括丝杠701、螺母703和多根滚柱702，多根滚柱702分别与丝杠701和螺母703螺纹配合，且滚柱702的两端设置有滚柱齿轮704，螺母703的内圆面上设置有与各个滚柱齿轮704相啮合的内齿圈或者丝杠701的外圆面上设置有与各个滚柱齿轮704相啮合的外齿圈，螺母703与外壳1内的导向孔104滑动配合且周向固定，丝杠701与减速机构6的动力输出端连接且同步转动，行星滚柱丝杠7用于保持各个滚柱702位置的滚柱行星架705。当丝杠701旋转时，滚柱702在圆周方向做类似行星运动，既能公转又能自转，同时通过螺旋传动将丝杠701的回转运动转换为螺母703的直线往复运动。通过在滚柱702的两端设置滚柱齿轮704，利用滚柱齿轮704来保证滚柱702与丝杠701、螺母703间啮合传动的同步性和在节圆处为纯滚动，可以避免由于个别滚柱702打滑所造成的干涉现象。螺旋传动是利用螺杆和的啮合来传递动力和运动的一种机械传动方式，按照工作特点螺旋传动可以分为传力螺旋传动、传导螺旋传动和调整螺旋传动，传力螺旋传动适合间歇工作、工作速度不高的场合，可以由较小的输入转矩产生较大的轴向推力，且传动平稳，满足电子机械执行机构的设计要求。螺旋传动机构按螺杆和螺母之间摩擦形式的不同还可分为滑动丝杠机构和滚柱丝杠机构。滑动丝杠副传动效率低、易产生自锁、易磨损、而且往返运动时有轴向窜动，传动精度低。滚柱丝杠机构是在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适当的滚柱作为中间传动体，借助滚柱返回通道，构成滚柱可在闭合回路中反复循环运动的螺旋传动机构，借助于滚柱链的作用，丝杠与螺母相对运动过程中的滑动接触变成了滚动接触，即用滚动摩擦代替了滑动摩擦。行星滚柱丝杠7主要有以下优点：行星滚柱丝杠传动效率高，行星滚柱丝杠的传动效率高达90％～98％，为传统的滑动丝杠系统的2-4倍，所以能以较小的力矩得到较大的推力，并且运动可逆，即可由直线运动转化为旋转运动；行星滚柱丝杠运动平稳，行星滚柱丝杠为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高，启动时无振颤，低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给；行星滚柱丝杠高精度，行星滚柱丝杠运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度；行星滚柱丝杠高耐用性，滚柱滚动接触处均经硬化(HRC58～63)处理及精密磨削，循环运动过程属纯滚动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性；行星滚柱丝杠可靠性高，与其它机械或液压传动相比，行星滚柱丝杠故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘，并且在特殊场合可在无润滑状态下工作。行星滚柱丝杠无背隙与高刚性，行星滚柱丝杠使滚柱与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除背隙，可使滚柱有更佳的刚性，减少滚柱和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。作为一种优选方案，丝杠701和外壳1之间设置有减少摩擦的铜套11。
在一些实施例中，传动组件5包括传动内齿圈501、与传动内齿圈501啮合的传动齿轮502以及与传动齿轮502连接的传动轴503，内齿圈与转子402传动连接，传动轴503与减速机构6的动力输入端传动连接，具体实施时，传动轴503与第一太阳轮602连接。传动内齿圈501可以直接或间接的与转子402固定连接，使得传动内齿圈501和转子402能够同步转动，传动齿轮502通过传动轴503与减速机构6的动力输入端连接，在装配时，将传动内齿圈501固定连接在转子402上，将传动齿轮502和传动轴503安装在减速机构6上，先将减速机构6装配至外壳1中，再将电机4装配至外壳1中，使得传动齿轮502和传动内齿圈501啮合，即可实现将减速机构6集成在转子402的内腔中，且具有装配方便的优点。
在一些实施例中，外壳1包括壳体101和盖体102，壳体101中设置有电机安装孔103以及供电机4装入电机安装孔103的安装口，电机4安装在电机安装孔103中，盖体102封闭安装口。采用该结构，便于实现电机4的安装和维修。
在一些实施例中，壳体101上设置有伸入转子402的内腔中的支撑部105，减速机构6安装在支撑部105上。设置支撑部105便于实现对减速机构6的支撑和安装，在具体实施时，可以将减速机构6的箱体601固定连接在支撑部105上。
在一些实施例中，壳体101内设置有导向孔104，导向孔104的至少一部分设置在支撑部105内，转换机构安装在导向孔104内。采用上述的方案，能够实现转换机构的安装，能够将转换机构集成在转子402的内腔中，也就是说通过设置支撑部105，能够对减速机构6和转换机构起到支撑的作用，还有利于将减速机构6和转换机构集成在转子402的内腔中。
在具体实施时，在支撑部105上设置有连通导向孔104和电机安装孔103的过孔，减速机构6和转换机构之间的连接结构穿过过孔实现传动连接。
在一些实施例中，致动组件还包括以能够沿一直线运动的方式设置在外壳1中的活塞8，活塞8设置在传动机构的动力输出端和制动片3之间，传动机构的动力输出端通过推动活塞8来驱动制动片3抵紧制动盘2。在具体实施时，导向孔104为开口端面向对应的制动片3的盲孔，活塞8与导向孔104滑动配合，利用转换机构的动力输出端来推动活塞8。
在一些实施例中，外壳1、制动盘2和制动片3之间的连接方式可以参考现有技术中的方案，制动片3可以通过直线运动结构与外壳1滑动连接，利用活塞8推动制动片3来使得制动片3抵紧制动盘2，从而实现制动。在制动片3和外壳1之间和/或活塞8与外壳1之间可以设置弹性复位件，在解除制动的时候可以利用弹性复位件来驱动制动片3和/或活塞8复位。
在一些实施例中，传动机构包括丝杠和多根滚柱，转子的内壁设置有内螺纹，多根滚柱设置在转子和丝杠之间，多根滚柱分别与丝杠和转子螺纹配合，丝杠、多根滚柱和转子成反向式行星滚柱丝杠。在具体实施时，为了保证丝杠做直线运动，丝杠通过周向固定且轴向滑动连接的方式与外壳连接。采用上述的技术方案，利用转子代替行星滚柱丝杠的螺母，形成反向式行星滚柱丝杠，实现电机和星滚滚柱丝杠一体化，使得结构减小，传动紧凑。
在一些实施例中，电机4均为无刷直流电机。无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，不产生火花和磨损，因而可靠性高、寿命长。无刷直流电机在重量和尺寸上要比有刷直流电机小得多，大约减重70％，而转动惯量可减少约40％～50％。此外，无刷直流电机也具有与普通直流电机类似的直线转矩速度特性。无刷直流电机根据所采用的永磁材料不同又可分为多种，其中，稀土永磁无刷直流电机具有启动转矩大、过载能力强、调速方便、运转平稳、噪音低、工作可靠等优点，是理想的节能、降噪、环保型产品；作为一种优选示例，两个电机4均为稀土永磁无刷直流电机。
在一些实施例中，电机4的定子401环绕在的转子402的外围，电机4的永磁体设置在转子402上，定子401与外壳1上的电机安装孔103配合。采用上述的方案，将永磁体装在转子402上，使的转子402不产生热量，从而减少了电机4的损耗，提高了效率。定子401可通过外壳1散热，散热条件有所改善。
在一些实施例中，转子402呈筒状，转子402的第一端通过第一轴承9安装在壳体101中，转子402的第二端通过第二轴承10安装在壳体101中，支撑部105与转子402的内腔间隙配合，第二轴承10套在支撑部105的外围，通过支撑部105对第二轴承10起到一定的支撑作用，能够提升转子402的安装精度和稳固程度。
采用上述的制动钳，通电后四个电机4产生转矩和转速输出，通过传动组件5传动和减速机构6减速增距后，驱动行星滚柱丝杠7的丝杠701旋转，从而推动螺母703做直线移动，将活塞8推出产生制动力，制动力的大小和方向可以通过四个电机4的输入电流的大小和方向来控制。
本发明的一种制动系统，包括上述任一项所述的电子机械制动钳。作为一种优选示例，制动系统包括制动四个电子机械制动钳、制动踏板、中央控制器和ABS控制模块，四个电子机械制动钳、制动踏板、中央控制器和ABS控制模块通过通讯线路连接。制动踏板可以采用电子机械踏板模拟器。
本发明提出的制动系统为电子机械制动系统，与传统液压制动系统对比，电子机械制动系统以电能作为能量来源，电机4驱动制动片3压紧制动盘2实现制动功能，由电线传递能量，数据线传递信号。电子机械制动系统简洁的结构、高效的性能极大地提高了汽车的制动安全性。相对传统液压制动系统，电子机械制动系统具有以下优点：机械连接少，没有液压制动管路，可有效降低整车质量；结构简洁，体积小，易于布置；采用机械和电气连接，信号传递迅速，制动响应快，反应灵敏；传动效率高，节省能源；电子智能控制功能强大，可以通过修改ECU中的软件程序，配置相关的参数来实现ABS、TCS、ESP、ACC等复杂的电控功能，并且易于和具有制动能量回收系统的新能源汽车进行匹配；电子机械制动系统采用模块化结构，装配简单，维修方便；采用电子踏板，取消了制动踏板与制动执行机构的机械和液压连接，一方面，在执行ABS等动作时制动踏板不会有回弹振动，提高了制动舒适性；另一方面，在车辆发生碰撞时冲击力也不会通过制动系统传到驾驶室内，提高了汽车的被动安全性；没有液压制动管路和制动液，不存在更换液压油及液压油泄漏的问题，利于环保，电子机械制动系统没有不可回收部件对环境几乎没有污染；可拓展更多的通讯接口，提升了制动系统与整车智能网联的集成度，车辆四轮制动可以独立控制，从而实现更高级别的无人驾驶。
本发明的一种汽车，包括上述任一项所述的制动系统。在具体实施时，可以在汽车的四个车轮处均设置电子机械制动钳。
在具体实施时，在汽车在制动时，驾驶员踩踏制动踏板，制动踏板上的踏板传感器的信号发送给中央控制器，中央控制器对踏板传感器的信号进行制动意图的分析，并通过车辆CAN信号结合当前车速、车身运动姿态、路面实时场景等信息制定合理的制动力输出给各电子机械制动钳的制动控制器，实时控制各电子机械制动钳的制动力，当制动控制器收到来至中央控制器的制动力命令后，制动控制器通过对电子机械制动钳的四个电机4的转速和转矩的控制，来实现行车制动及ABS防抱死功能，如图5所示，制动工作场景中主要分为三个模块：制动意图识别模块、电子机械制动钳和ABS控制模块。
制动意图识别模块，制动意图识别模块包括踏板传感器和中央控制器，驾驶员制动时踩踏制动踏板，而踏板传感器的信号变化间接地体现了驾驶员的制动意图，对传感信号分析的过程就是制动意图识别的过程。在汽车运行时，一方面，中央控制器或制动控制器可以进行踏板传感器的信号采集，并进行踏板传感器的信号分析、决策并分配制动力，另一方面，中央控制器可以采集车身上各传感器的信号，分析得出车身姿态信息，分析车身姿态信息来进行制动意图识别，在具体实施时，也可以结合车身姿态信息和踏板传感器的信号来进行动意图识别。
电子机械制动钳，通过制动控制器控制电子机械制动钳的四个电机4，实现制动力的精确输出和制动开始、结束时的制动间隙调整。为了实现制动力的精确输出，需要采用闭环控制，而制动力是闭环反馈中的关键环节控制物理量，制动控制器可根据驾驶意图或中央控制器的信号输入精确控制四个电机4的转速和输出转矩，实时精准产生相应的制动力及四轮制动力分配。
ABS控制模块，在制动过程中，ABS控制模块的作用是让汽车轮胎处于最大附着系数，实现最短的制动距离。ABS控制模块启用时，制动系统对电子机械制动钳的四个电机4输出的制动力进行偏正修复，将轮胎滑移率作为目标控制量，通过控制算法使轮胎处于当前路面下的最佳滑移率，使轮胎尽可能处于最大附着系数状态。
驾驶员踩下制动踏板后，通过踏板传感器检测出踏板加速度、位移以及踏板力的大小等制动信号，汽车的中央控制器通过车载网络接收制动指令信号，且综合当前汽车行驶状态下的其他传感器信号计算出每个车轮各自实时所需的最佳制动力矩，制动控制器接收到控制信号后完成扭矩和转速响应，电子机械制动钳的四个电机4的驱动力矩经过减速机构6传递放大后，通过第二行星架609驱动行星滚柱丝杠7的丝杠701旋转，将行星滚柱丝杠7的螺母703旋出，推动活塞8使得两片制动片3夹紧制动盘2，从而产生制动力矩，为了保证汽车制动平稳可靠，中央控制器将实时监测各电子机械制动钳、各传感器的反馈信息，及时调整制动力的大小，另外，在制动过程中，通过控制四个电机4的输入电流的大小或方向使车辆产生ABS功能，从而让汽车的轮胎处于最大附着系数，实现最短的制动距离。ABS启用时，制动系统对电子机械制动钳的四个电机4输出的制动力进行偏正修复，将轮胎滑移率作为目标控制量，通过控制算法使轮胎处于当前路面下的最佳滑移率，使轮胎尽可能处于最大附着系数状态。
进一步的，如图5所示，制动系统还可以与其他附加功能模块配合使用，以实现多种附加功能，在具体实施时，可与制动系统配合使用的附加功能模块的类型以及功能如附图6中的表格所示。
本发明提出的电子机械制动钳作为汽车产生制动力矩的执行器，取消了传统制动系统中的制动液/气体等中间介质，将驾驶员制动意图或中央控制器分配给制动系统的通讯信号转换为模拟电信号，可拓展更多的通讯接口，提升了制动系统与整车智能网联的集成度，汽车四轮制动可以独立控制，从而实现更高级别的无人驾驶，为底盘线控制动提供零部件解决方案，另外，本发明提出的电子机械制动钳以电能作为能量来源，并用导线来替代传统制动系统中复杂的管路，实现汽车四轮制动冗余控制，提高汽车安全性能及响应速度，本发明所述的电子机械制动钳采用两侧双电机4安全备份，电子机械制动钳的可靠性更高。
本发明通过电子机械制动钳来构成制动系统，取消了传统制动系统中的制动液/气体等中间介质，便于维护保养；制动系统中没中间介质，全为模拟电信号，无泄漏问题；制动系统为通信网络，没有管路和气路，便于维修；结构紧凑，所需布局空间比较灵活；电子机械制动钳由电机4驱动，响应速度快，控制精度高，可调范围较广，可满足各种舒适性风格要求；制动系统以电流为传导介质，响应快、效率高；提高了制动系统的故障诊断能力；便于与其他系统集成，例如防抱死系统、电子稳定性程序等，只需要通过软件集成操作。
如图4所示，本发明还提出了一种设计方法，用于设计电子机械制动钳，电子机械制动钳包括外壳1、制动盘2和制动片3，还包括设置在外壳1内的致动组件，致动组件包括电机4和传动机构，电机4包括定子401和转子402，转子402环绕在传动机构的外围，转子402与传动机构的动力输入端传动连接，传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动制动片3抵紧制动盘2；传动机构包括传动组件5、减速机构6和转换机构，转子402通过传动组件5与减速机构6的动力输入端传动连接，减速机构6的动力输出端与转换机构的动力输入端传动连接，转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动制动片3抵紧制动盘2；转换机构为行星滚柱丝杠7，减速机构6为行星齿轮减速机构；设计方法包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算电子机械制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，所述盘片间隙为制动盘和制动片之间的间隙。
具体的，整车参数包括整车重量、质心高度、轮胎滚动半径和制动钳有效制动半径，制动钳的反映时间由盘片间隙消除时间和制动力增长时间两部分组成，本发明所述的电子机械制动钳的电机即要有较高的空转转速和良好的响应性能，尽快消除盘片间隙，又要能在堵转状态下迅速地输出所需要的电机转矩，以减小制动力增长时间。另外，传统液压盘式制动钳盘片间隙一般为0.1mm-0.3mm(单侧为0.05mm-0.15mm)，消除盘片间隙的时间为0.05s-0.15s。故本发明初步设计电子机械制动钳的盘片间隙(制动间隙)为0.2mm(双侧)，消除盘片间隙的时间为≤0.1s。
具体的，传统液压盘式制动器是通过液体压力推动活塞，将位于制动盘两侧的制动垫块压紧到制动盘上，在摩擦力的作用下实现车轮制动。而本发明设计的电子机械制动钳，通过电机驱动制动片压紧制动盘实现车轮制动。故电子机械制动钳设计时必须保证制动片与制动盘之间至少可以产生与传统液压制动系统液压力相当的夹紧力，以满足车辆的制动需求。传统液压盘式制动器制动管路内最大液压力通常为8-20MPa,传统液压盘式制动器的活塞直径通常在20-50mm。故根据整车参数算出传统液压盘式制动器的液压力Pmax，选定传统液压盘式制动器的活塞直径Ф，估算传统液压盘式制动器的制动垫块与制动盘之间的最大正压力Fmax，从而确定电子机械制动钳的最大夹紧力；传统液压盘式制动器的最大正压力
Figure BDA0003772598080000131
传统液压盘式制动器的制动盘上制动力矩Ff＝umFmax；传统液压盘式制动器的制动力矩Tu＝2FfRb；传统液压盘式制动器的制动力FU＝Tu/Rt；
Figure BDA0003772598080000132
Figure BDA0003772598080000143
S2、根据法规要求校核电子机械制动钳的制动能力；
法规要求如下表所示
表2.3轿车制动规范对行车制动器制动性能的部分要求
Figure BDA0003772598080000141
具体的，按照我国ZBT24007-89制动法规要求，轿车在满载状态80km/h速度下实施制动，制动距离应不大于50.7m，验证S1中确定的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间是否满足要求。若最大夹紧力以及盘片间隙消除时间满足要求，则可以基于ZBT24007-89制动法规要求和电子机械制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，可以计算出车辆最小减速度a，有助于选择适当的电机额定功率。
车辆最小减速度a的计算公式为：
Figure BDA0003772598080000142
其中v0为制动初速度，vt制动2秒后的速度，2s为2秒。
假设在汽车制动过程中，制动减速度完全由路面制动力提供，计算满足法规要求所需要的最小路面制动力Fmin：Fmin＝M满载a。
S3、初选行星滚柱丝杠的传动比和导程，计算行星滚柱丝杠的额定动载荷；
具体的，由盘片间隙0.2mm，盘片间隙消除时间0.1s，可知消除制动间隙阶段螺母轴向移动平均速度为2mm/s，进而选择行星滚柱丝杠的传动比及导程，计算出行星滚柱丝杠的额定动载荷。
S4、确定行星滚柱丝杠的结构造型，选择的行星滚柱丝杠；
根据行星滚柱丝杠的传动比和导程以及行星滚柱丝杠的额定动载荷，选择合适的行星滚柱丝杠的结构造型，实现对行星滚柱丝杠的选型。
S5、计算行星滚柱丝杠的驱动转矩、传动效率和传动比；对S4中选择的行星滚柱丝杠进行计算分析，获得行星滚柱丝杠的驱动转矩、传动效率和传动比。
S6、对行星滚柱丝杠进行强度校核，根据整车参数校核行星滚柱丝杠强度；
具体的，行星滚柱丝杠在力矩和轴向载荷作用下，行星滚柱丝杠危险剖面上受有剪应力和压应力，根据整车参数校核行星滚柱丝杠强度。
S7、判断行星滚柱丝杠强度是否满足要求，若不满足要求则返回S3调整行星滚柱丝杠的传动比和导程，直至行星滚柱丝杠强度满足要求，然后便可根据电子机械制动钳的减速比和行星滚柱丝杠的技术参数，计算出的行星滚柱丝杠的最大驱动力矩，选出行星齿轮减速机构的传动比，可得电机最大连续堵转转矩；考虑到电机采用车载12V蓄电池供电，故连续堵转电压不能大于12V；根据盘片间隙及其消除时间，通过计算可知电机转速应大于288r/min。
S8、行星轮减速机构选型及强度校核；根据行星齿轮减速机构的传动比，以及电子机械制动钳产品结构、底盘安装硬点、整车制动载荷需求、轮辋包络等要求，进行行星轮减速机构选型，判行行星轮减速机构强度是否满足要求，若不满足要求则返回前面步骤调整行星滚柱丝杠的技术参数或调整行星轮减速机构的技术参数后重新进行行星轮减速机构选型，直至行星轮减速机构强度满足要求；
S9、计算电机的输出功率、转速和转矩；
具体的，基于整车制动载荷需求、选定的行星轮减速机构、选定的行星滚柱丝杠，计算电机的输出特性，进而选定电机的额定功率。
S10、电机选型；基于电机的输出特性和电机的额定功率，选择合适的无刷直流电机，若没有满足需求的无刷直流电机，则返回前面S9调整调整行星滚柱丝杠的技术参数并重新进行行星滚柱丝杠选型和/或调整行星轮减速机构的技术参数并重新进行行星轮减速机构选型，直至选出合适的无刷直流电机。
S11、确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸，执行S1-S10后，从电子机械制动钳的最大夹紧力可以确定活塞的目标制动力矩，进而反推确定电子机械制动钳减速比和电机的输出特性，基于整车制动载荷需求、选定的行星轮减速机构、选定的行星滚柱丝杠和选定的无刷直流电机，确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸，形成电子机械制动钳设计方案；
S12、制作电子机械制动钳样件进行试验验证；基于电子机械制动钳设计方案制作电子机械制动钳样件，利用电子机械制动钳样件进行产品台架和/或Demo车试验，对电子机械制动钳样件进行强度校核和功能检验，判断电子机械制动钳样件是否满足设计要求，若不满足，则返回前面步骤调整设计参数从新进行电子机械制动钳设计，例如可以返回S9调整调整行星滚柱丝杠的技术参数并重新进行行星滚柱丝杠选型和/或调整行星轮减速机构的技术参数并重新进行行星轮减速机构选型，直至电子机械制动钳样件满足设计要求，完成电子机械制动钳设计。
本发明提出的电子机械制动钳的设计方法通过先计算电子机械制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，然后依次反推行星滚柱丝杠、行星轮减速机构和电机的设计参数，依次进行行星滚柱丝杠、行星轮减速机构和电机的选型，再基于选型结果确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸，能够提升电子机械制动钳的设计效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

Claims (19)

1.一种电子机械制动钳，包括外壳、制动盘和制动片，其特征在于，还包括设置在所述外壳内的致动组件，所述致动组件包括电机和传动机构，所述电机包括定子和转子，所述转子环绕在所述传动机构的外围，所述转子与所述传动机构的动力输入端传动连接，所述传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
2.根据权利要求1所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述制动盘的两侧各设置有一个所述制动片，对应每个所述制动片设置有两个所述致动组件。
3.根据权利要求1所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述电子机械制动钳为固定式制动钳。
4.根据权利要求1所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述传动机构包括传动组件、减速机构和转换机构，所述转子通过所述传动组件与所述减速机构的动力输入端传动连接，所述减速机构的动力输出端与所述转换机构的动力输入端传动连接，所述转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
5.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述减速机构设置在所述转子的内腔中。
6.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述转换机构设置在所述转子的内腔中。
7.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述减速机构为行星齿轮减速机构。
8.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述转换机构为行星滚柱丝杠。
9.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述传动组件包括传动内齿圈、与所述传动内齿圈啮合的传动齿轮以及与所述传动齿轮连接的传动轴，所述内齿圈与所述转子传动连接，所述传动轴与所述减速机构的动力输入端传动连接。
10.根据权利要求4所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述外壳包括壳体和壳盖，所述壳体中设置有电机安装孔以及供所述电机装入所述电机安装孔的安装口，所述电机安装在所述电机安装孔中，所述壳盖封闭所述安装口。
11.根据权利要求10所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述壳体上设置有伸入所述转子的内腔中的支撑部，所述减速机构安装在所述支撑部上。
12.根据权利要求11所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述壳体内设置有导向孔，所述导向孔的至少一部分设置在所述支撑部内，所述转换机构安装在所述导向孔内。
13.根据权利要求1所述的制动钳，其特征在于，所述致动组件还包括以能够沿一直线运动的方式设置在所述外壳中的活塞，所述活塞设置在所述传动机构的动力输出端和所述制动片之间，所述传动机构的动力输出端通过推动所述活塞来驱动所述制动片抵紧所述制动盘。
14.根据权利要求1所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述电机为无刷直流电机。
15.根据权利要求1所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述传动机构包括丝杠和多根滚柱，所述转子的内壁设置有内螺纹，多根所述滚柱设置在所述转子和所述丝杠之间，多根滚柱分别与所述丝杠和所述转子螺纹配合，所述丝杠、多根所述滚柱和所述转子构成反向式行星滚柱丝杠。
16.根据权利要求15所述的电子机械制动钳，其特征在于，所述丝杠通过周向固定且轴向滑动连接的方式与所述外壳连接。
17.一种制动系统，其特征在于，包括权利要求1-16任一项所述的电子机械制动钳。
18.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-16任一项所述的电子机械制动钳。
19.一种设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-14任一项所述的电子机械制动钳，所述电子机械制动钳包括外壳、制动盘和制动片，其特征在于，还包括设置在所述外壳内的致动组件，所述致动组件包括电机和传动机构，所述电机包括定子和转子，所述转子环绕在所述传动机构的外围，所述转子与所述传动机构的动力输入端传动连接，所述传动机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述传动机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘；所述传动机构包括传动组件、减速机构和转换机构，所述转子通过所述传动组件与所述减速机构的动力输入端传动连接，所述减速机构的动力输出端与所述转换机构的动力输入端传动连接，所述转换机构能够将其动力输入端的旋转运动转化成其动力输出端的直线运动，所述转换机构的动力输出端做直线运动能够驱动所述制动片抵紧所述制动盘；所述转换机构为行星滚柱丝杠，所述减速机构为行星齿轮减速机构；设计方法包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算电子机械制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，所述盘片间隙为制动盘和制动片之间的间隙；
S2、根据法规要求校核电子机械制动钳的制动能力；
S3、初选行星滚柱丝杠的传动比和导程，计算行星滚柱丝杠的额定动载荷；
S4、确定行星滚柱丝杠的结构造型，选择的行星滚柱丝杠；
S5、计算行星滚柱丝杠的驱动转矩、传动效率和传动比；
S6、对行星滚柱丝杠进行强度校核，根据整车参数校核行星滚柱丝杠强度；
S7、判断行星滚柱丝杠强度是否满足要求，若不满足要求则返回S3调整行星滚柱丝杠的传动比和导程，直至行星滚柱丝杠强度满足要求，计算出行星滚柱丝杠最大驱动力矩，选出行星齿轮减速机构的传动比；
S8、行星轮减速机构选型及强度校核；
S9、计算电机的输出功率、转速和转矩；
S10、电机选型；
S11、确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸，基于S1-S10的设计结果，从电子机械制动钳的最大夹紧力反推确定电子机械制动钳减速比和电机的输出特性，确定电子机械制动钳的技术参数及结构尺寸；
S12、制作电子机械制动钳样件进行强度校核和试验验证。
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