CN115507141A - 一种带传动制动钳、制动系统、汽车和设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带传动制动钳、制动系统、汽车和设计方法，带传动制动钳包括外壳、制动盘、制动片和致动组件，致动组件包括转换机构、减速机构、两个电机和两个带传动机构，两个电机的动力输出端分别通过两个带传动机构与减速机构的动力输入端连接，减速机构的动力输出端与转换机构的动力输入端连接，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，以驱动制动片抵紧制动盘。制动系统包括上述的带传动制动钳。汽车包括上述的带传动制动钳。设计方法用于设计上述的带传动制动钳。本发明能够提升电子机械式制动钳的可靠性，能够提高电子机械制动系统的制动安全性，能够减轻或消除致动组件因设置两个电机而产生拖滞力的问题。

Description

一种带传动制动钳、制动系统、汽车和设计方法
技术领域
本发明涉及汽车，具体涉及一种带传动制动钳、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，因此无法利用传统制动系统的冗余结构，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。
发明内容
本发明的目的是提出一种带传动制动钳、制动系统、汽车和设计方法，有利于提升制动安全性。
本发明所述的一种带传动制动钳，包括外壳、制动盘和制动片，还包括设置在所述外壳中的致动组件，所述致动组件包括转换机构、减速机构、至少两个电机和至少两个带传动机构，
至少两个所述电机的动力输出端分别通过至少两个所述带传动机构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，所述带传动制动钳为驻车制动钳，所述带传动制动钳中设置有驻车机构。
可选的，每个所述电机的电机轴和所述外壳之间均设置有所述驻车机构。
可选的，所述驻车机构包括固定端离合片、活动端离合片和电磁体，所述固定端离合片与所述外壳固定连接，所述活动端离合片与所述电机的电机轴周向固定且轴向滑动连接，所述活动端离合片沿所述电机轴的轴向滑动能够与所述固定端离合片耦合或分离，所述电磁体设置成通电时驱动所述活动端离合片沿所述电机轴的轴向滑动。
可选的，所述驻车机构还包括用于在所述活动端离合片分离过程中提供助力的弹性元件。
可选的，至少两个所述带传动机构均包括第一带轮、第二带轮和套装在所述第一带轮和所述第二带轮上的传动带，至少两个所述第一带轮分别与至少两个所述电机的动力输出端传动连接，至少两个所述第二带轮均与所述减速机构的动力输入端传动连接。
可选的，所述制动盘的两侧各设置有一个所述制动片，所述外壳中设置有两个所述致动组件，一个所述致动组件能够驱动一个所述制动片抵紧所述制动盘，另一个所述致动组件能够驱动另一个所述制动片抵紧所述制动盘。
可选的，所述带传动制动钳为固定式制动钳。
可选的，至少两个所述电机分别设置在所述转换机构的外围，至少两个所述电机的中心轴线均与所述转换机构的中心轴线平行。
可选的，所述转换机构为行星滚柱丝杠。
可选的，所述减速机构为行星齿轮减速机构。
可选的，至少两个所述电机均为无刷直流电机。
可选的，所述无刷直流电机的定子环绕在所述无刷直流电机的转子的外围，所述无刷直流电机的永磁体设置在所述无刷直流电机的转子上，所述无刷直流电机的定子与所述外壳上的电机安装孔配合。
可选的，所述外壳包括制动钳壳体和固定连接在所述制动钳壳体上的减速箱壳体，所述转换机构和至少两个所述电机均设置在所述制动钳壳体中，至少两个所述带传动机构和所述减速机构均设置在所述减速箱壳体中。
可选的，所述致动组件还包括以能够沿一条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转换机构的动力输出端和所述制动片之间，所述转换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。
本发明提出的一种制动系统，包括上述任一项所述的带传动制动钳。
本发明提出的一种汽车，包括上述任一项所述的带传动制动钳。
本发明提出的一种设计方法，用于设计上述任一项所述的带传动制动钳，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；包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算带传动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、根据法规要求校核带传动制动钳的制动能力；
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、确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸，基于S1-S10的设计结果，从带传动制动钳的最大夹紧力反推确定带传动制动钳减速比和电机的输出特性，确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸；
S12、制作带传动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带传动制动钳的结构，能够提升电子机械式制动钳的可靠性，能够提高电子机械制动系统的制动安全性，能够减轻或消除致动组件因设置两个电机而产生拖滞力的问题，本发明采用带传动机构，具有重量轻、成本低和易于布置的优点。
附图说明
图1为具体实施方式中所述的带传动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为图1中B部分的放大视图；
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—制动钳壳体；2—制动盘；3—制动片；4—电机；5—带传动机构；6—传动轴；7—减速机构；8—行星滚柱丝杠；9—活塞；10—减速箱壳体；11—导向孔；12—驻车机构；13—制动控制器；
41—电机轴；
51—传动带；52—第一带轮；53—第二带轮；
71—太阳轮；72—内齿圈；73—行星轮；74—行星架；
81—丝杠；82—滚柱；83—螺母；84—滚柱齿轮；85—滚柱行星架；
121—电磁体；122—固定端离合片；123—活动端离合片；124—弹性元件。
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和图2所示的一种带传动制动钳，包括外壳、制动盘2和制动片3，还包括设置在外壳中的致动组件，致动组件包括转换机构、减速机构7、两个电机4和两个带传动机构5，两个电机4的动力输出端分别通过两个带传动机构5与减速机构7的动力输入端传动连接，减速机构7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，以实现制动。
采用上述的技术方案，通过两个电机4驱动一个制动片3来实现制动，两个电机4互为安全备份，能够提升带传动制动钳的可靠性，能够提高电子机械制动系统的制动安全性；
两个电机4通过同一个减速机构7进行减速增矩，一方面具有结构简单和零部件少的优点，有利于控制成本和减少故障率；另一方面，如果每个电机各设置一个减速机构进行减速增矩，再通过传动机构将两个减速机构输出的转矩传递至转换机构的话，由于两个电机难以保证同步转动，而后转的电机对应的减速机构会阻碍先转的电机带后转的电机，因此会出现较大的拖滞力，尤其是两个减速机构均采用行星齿轮减速机构时，非常容易产生较大的拖滞力；因此每个电机各设置一个减速机构，再通过传动机构将两个减速机构输出的转矩传递至转换机构的方案难以实际实施，难以满足实车使用需求；而采用两个电机4通过同一个减速机构7进行减速增矩的方案，能够减轻或消除致动组件因为设置两个电机4而产生拖滞力的问题，在实现安全备份、提升冗余度的同时还能够减轻或消除出现拖滞力的问题，能够满足实车的使用要求，能够实际运用在实车上。
在上述的技术方案中，采用两个带传动机构5在两个电机4和减速机构7之间传动，具有重量轻、成本低和易于布置的优点，尤其适用于重量较轻的车型。
在一些实施例中，如图1和图2所示，带传动制动钳为驻车制动钳，带传动制动钳中设置有驻车机构12。在具体实施时，为了保证驻车效果，每个电机4的电机轴41和外壳之间均设置有驻车机构12。
在一些实施例中，如图3所示，驻车机构12包括固定端离合片122、活动端离合片123和电磁体121，固定端离合片122与外壳固定连接，活动端离合片123与电机4的电机轴41周向固定且轴向滑动连接，活动端离合片123沿电机轴41的轴向滑动能够与固定端离合片122耦合或分离，电磁体121设置成通电时驱动活动端离合片123沿电机轴41的轴向滑动。在具体实施时，电磁体121可以采用通电线圈的方式实现，通过改变电流的方向能够转换电磁体121的磁极，在活动端离合片123上设置磁体，对电磁体121通电能够产生磁力，以吸附和排斥活动端离合片123上的磁体，从而驱动活动端离合片123运动。
作为一种优选示例，电磁体121和活动端离合片123可以设置成：当触发驻车开关或汽车掉电，电磁体121和活动端离合片123上的磁体产生相排斥的力，推动活动端离合片123以使得活动端离合片123和固定端离合片122耦合，从而产生摩擦力矩，抱紧电机轴41；当汽车需要实现解驻功能时，触发解驻开关，电磁体121和活动端离合片123上的磁体产生相吸的力，驱动活动端离合片123运动以解开耦合释放电机轴41的抱死力矩，从而实现解驻功能。
在一些实施例中，驻车机构12还包括用于在活动端离合片123分离过程中提供助力的弹性元件124。弹性元件124可以为连接在电磁体121和活动端离合片123之间的弹簧。在解驻过程中，电磁体121和弹性元件124均提供驱动活动端离合片123解开耦合的力。
在具体实施时，固定端离合片122和电磁体121可以与电机4的壳体固定连接或者与外壳上的电机安装孔的孔壁固定连接，活动端离合片123与电机轴41之间可以通过花键连接。
在一些实施例中，两个带传动机构5均包括第一带轮52、第二带轮53和套装在第一带轮52和第二带轮53上的传动带51，传动带51在第一带轮52和第二带轮53之间传动，使得第一带轮52和第二带轮53能够同步转动，两个第一带轮52分别与两个电机4的动力输出端传动连接，两个第二带轮53均与减速机构7的动力输入端传动连接。在具体实施时，两个第二带轮53均可以固定连接在一根传动轴6上，利用一根传动轴6与减速机构7的动力输入端连接。采用上述方案，具有结构简单、易于实现、重量轻和易于布置的优点。
在一些实施例中，制动盘2的两侧各设置有一个制动片3，外壳中设置有两个致动组件，一个致动组件能够驱动一个制动片3抵紧制动盘2，另一个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。通过设置两个制动片3，并利用两个致动组件分别作用于两个制动片3，一方面，能够提升带传动制动钳的制动力，提升带传动制动钳的制动性能，另一方面，两个致动组件互为安全备份，能够提升带传动制动钳的可靠性，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，两个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，带传动制动钳为固定式制动钳，可以作为驻车制动卡钳使用。在固定式制动钳中，外壳与车身固定连接，制动盘2的两侧各设置有一个制动片3，外壳中设置有两个致动组件，一个致动组件能够驱动一个制动片3抵紧制动盘2，另一个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，每个致动组件的两个电机4分别设置在转换机构的外围，两个电机4的中心轴线均与转换机构的中心轴线平行。通过合理设置电机4的位置，能够减小带传动制动钳的体积，降低带传动机构5和减速机构7的布置难度。显然，在其他实施例中，可以根据实际需求设置电机4的个数。
可选的，转换机构为行星滚柱丝杠8。行星滚柱丝杠8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8包括丝杠81、螺母83和多根滚柱82，多根滚柱82分别与丝杠81和螺母83螺纹配合，且滚柱82的两端设置有滚柱齿轮84，螺母83的内圆面上设置有与各个滚柱齿轮84相啮合的内齿圈72或者丝杠81的外圆面上设置有与各个滚柱齿轮84相啮合的外齿圈，螺母83与外壳内的导向孔11滑动配合且周向固定，丝杠81与减速机构7的动力输出端连接且同步转动，行星滚柱丝杠8用于保持各个滚柱82位置的滚柱行星架85。当丝杠81旋转时，滚柱82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81的回转运动转换为螺母83的直线往复运动。通过在滚柱82的两端设置滚柱齿轮84，利用滚柱齿轮84来保证滚柱82与丝杠81、螺母83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82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。
在一些实施例中，减速机构7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。在具体实施时，行星齿轮减速机构包括太阳轮71、内齿圈72、行星架74和多个行星轮73，内齿圈72固定连接在外壳中，太阳轮71与带传动机构5的动力输出端连接且同步转动，多个行星轮73可旋转的安装在行星架74上，多个行星轮73啮合在内齿圈72和太阳轮71之间，行星架74与行星滚柱丝杠8的动力输入端连接且同步转动，太阳轮71作为减速机构7的动力输入件，行星架74作为减速机构7的动力输出件。在具体实施时，太阳轮71与传动轴6键连接，以使得太阳轮71与传动轴6同步转动，两个第二带轮53也可以通过键连接的方式连接在传动轴6上。
在一些实施例中，两个电机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，无刷直流电机的定子环绕在无刷直流电机的转子的外围，无刷直流电机的永磁体设置在无刷直流电机的转子上，无刷直流电机的定子与外壳上的电机安装孔配合，无刷直流电机的电机轴与无刷直流电机的定子固定连接。采用上述的方案，将永磁体装在无刷直流电机的转子上，使无刷直流电机的转子不产生热量，从而减少了无刷直流电机的损耗，提高了效率。无刷直流电机的定子可通过外壳散热，散热条件有所改善。
在一些实施例中，外壳包括制动钳壳体1和固定连接在制动钳壳体1上的减速箱壳体10，转换机构和两个电机4均设置在制动钳壳体1中，两个带传动机构5和减速机构7均设置在减速箱壳体10中，两个电机4的电机轴41伸入减速箱壳体10中，减速机构7的行星架74伸入制动钳壳体1中或者转换机构的丝杠81伸入减速箱壳体10中。通过设置减速箱壳体10，利用减速箱壳体10来为带传动机构5和减速机构7提供支撑，能够降低带传动机构5和减速机构7的布置难度，具有便于装配和拆卸的优点，在具体实施时，带传动机构5和减速机构7的各轴件可以采用旋转连接的方式设置在减速箱壳体10内，旋转连接的方式可以通过在轴件和减速箱壳体10之间设置轴承来实现，减速机构7的内齿圈72可以通过过盈配合的方式固定连接在减速箱壳体10内。制动钳壳体1能够在制动时传递力，支撑活塞9产生制动力，提供与整车羊角固定安装的硬点或接口。在制动钳壳体1内设置有导向孔11和电机安装孔，无刷直流电机的定子与电机安装孔过盈配合，行星滚柱丝杠8的螺母83与制动钳壳体1中的导向孔11滑动配合且周向固定。作为一种优选方案，行星滚柱丝杠8的丝杠81和制动钳壳体1之间设置有减少摩擦的铜套。
在一些实施例中，致动组件还包括以能够沿一条直线运动的方式设置在外壳中的活塞9，活塞9设置在转换机构的动力输出端和制动片3之间，活塞9的一端用于与转换机构的动力输出端接触，活塞9的另一端用于与制动片3接触，转换机构的动力输出端通过推动活塞9来驱动制动片3抵紧制动盘2。在具体实施时，活塞9可以设置成与制动钳壳体1中的导向孔11滑动配合。
在一些实施例中，外壳、制动盘2和制动片3的设置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滑动连接，利用活塞9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和外壳之间和/或活塞9与外壳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9复位。
在一些实施例中，为了提升集成度，制动控制器13固定连接在外壳上，在具体实施时，可以将制动控制器13固定连接在一个减速箱壳体10的外侧。
采用上述的带传动制动钳，通电后电机4产生转矩和转速输出，通过带传动机构5传动和减速机构7减速增距后，驱动行星滚柱丝杠8的丝杠81旋转，从而推动螺母83直线移动，将活塞9推出产生制动力，制动力的大小和方向可以通过电机4的输入电流的大小和方向来控制。
本发明提出的一种制动系统，包括上述任一项的带传动制动钳。作为一种优选示例，制动系统包括制动四个带传动制动钳、制动踏板、中央控制器和ABS控制模块，四个带传动制动钳、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。
本发明提出的一种汽车，包括上述的制动系统。在具体实施时，可以在汽车的四个车轮处均设置带传动制动钳。
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带传动制动钳的制动控制器13，实时控制各带传动制动钳的制动力，当制动控制器13收到来至中央控制器的制动力命令后，制动控制器13通过对带传动制动钳的电机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、带传动制动钳和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13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。
带传动制动钳，通过制动控制器13控制带传动制动钳的电机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13可根据驾驶意图或中央控制器的信号输入精确控制电机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，制动系统对带传动制动钳的电机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13接收到控制信号后完成扭矩和转速响应，带传动制动钳的四个电机4的驱动力矩经过带传动机构5和减速机构7传递放大后，通过行星架74驱动行星滚柱丝杠8的丝杠81旋转，将行星滚柱丝杠8的螺母83旋出，推动活塞9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带传动制动钳、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，制动系统对带传动制动钳的电机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。
本发明提出的带传动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，本发明提出的带传动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，本发明所述的带传动制动钳采用两侧双电机4安全备份，带传动制动钳的可靠性更高。
本发明提出的带传动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；带传动制动钳由电机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；电机4配合带传动机构5控制精度高，输出的制动力精确性和稳定性好；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，本发明提出的一种设计方法，用于设计上述任一项的带传动制动钳，转换机构为行星滚柱丝杠，减速机构为行星齿轮减速机构；包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算带传动制动钳的最大夹紧力以及盘片间隙消除时间，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、轮胎滚动半径和带传动制动钳有效制动半径，带传动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，本发明的带传动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。故本发明初步设计带传动制动钳的盘片间隙(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。而本发明设计的带传动制动钳，通过电机驱动制动片压紧制动盘实现车轮制动。故带传动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的直径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，从而确定带传动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 BDA0003885681630000131
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 BDA0003885681630000132
S2、根据法规要求校核带传动制动钳的制动能力；
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 BDA0003885681630000141
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制动法规要求和带传动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 BDA0003885681630000142
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，然后便可根据带传动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；
具体的，根据行星齿轮减速机构的传动比，以及带传动制动钳产品结构、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、确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸，基于S1-S10的设计结果，从带传动制动钳的最大夹紧力反推确定带传动制动钳减速比和电机的输出特性，确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸；
具体的，执行S1-S10后，从带传动制动钳的最大夹紧力可以确定活塞的目标制动力矩，进而反推确定带传动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，确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸，形成带传动制动钳设计方案。
S12、制作带传动制动钳样件进行强度校核和试验验证；
具体的，基于带传动制动钳设计方案制作带传动制动钳样件，利用带传动制动钳样件进行产品台架和/或Demo车试验，对带传动制动钳样件进行强度校核和功能检验，判断带传动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带传动制动钳设计，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，直至带传动制动钳样件满足设计要求，完成带传动制动钳设计。
本发明提出的设计方法通过先计算带传动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带传动制动钳的技术参数及结构尺寸，能够提升带传动制动钳的设计效率。
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 (18)

1.一种带传动制动钳，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中的致动组件，所述致动组件包括转换机构、减速机构、至少两个电机和至少两个带传动机构，
至少两个所述电机的动力输出端分别通过至少两个所述带传动机构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。
2.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述带传动制动钳为驻车制动钳，所述带传动制动钳中设置有驻车机构。
3.根据权利要求2所述的带传动制动钳，其特征在于，每个所述电机的电机轴和所述外壳之间均设置有所述驻车机构。
4.根据权利要求2所述的带传动制动钳，其特征在于，所述驻车机构包括固定端离合片、活动端离合片和电磁体，所述固定端离合片与所述外壳固定连接，所述活动端离合片与所述电机的电机轴周向固定且轴向滑动连接，所述活动端离合片沿所述电机轴的轴向滑动能够与所述固定端离合片耦合或分离，所述电磁体设置成通电时驱动所述活动端离合片沿所述电机轴的轴向滑动。
5.根据权利要求4所述的带传动制动钳，其特征在于，所述驻车机构还包括用于在所述活动端离合片分离过程中提供助力的弹性元件。
6.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，至少两个所述带传动机构均包括第一带轮、第二带轮和套装在所述第一带轮和所述第二带轮上的传动带，至少两个所述第一带轮分别与至少两个所述电机的动力输出端传动连接，至少两个所述第二带轮均与所述减速机构的动力输入端传动连接。
7.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述制动盘的两侧各设置有一个所述制动片，所述外壳中设置有两个所述致动组件，一个所述致动组件能够驱动一个所述制动片抵紧所述制动盘，另一个所述致动组件能够驱动另一个所述制动片抵紧所述制动盘。
8.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述带传动制动钳为固定式制动钳。
9.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，至少两个所述电机分别设置在所述转换机构的外围，至少两个所述电机的中心轴线均与所述转换机构的中心轴线平行。
10.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述转换机构为行星滚柱丝杠。
11.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述减速机构为行星齿轮减速机构。
12.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，至少两个所述电机均为无刷直流电机。
13.根据权利要求12所述的带传动制动钳，其特征在于，所述无刷直流电机的定子环绕在所述无刷直流电机的转子的外围，所述无刷直流电机的永磁体设置在所述无刷直流电机的转子上，所述无刷直流电机的定子与所述外壳上的电机安装孔配合。
14.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述外壳包括制动钳壳体和固定连接在所述制动钳壳体上的减速箱壳体，所述转换机构和至少两个所述电机均设置在所述制动钳壳体中，至少两个所述带传动机构和所述减速机构均设置在所述减速箱壳体中。
15.根据权利要求1所述的带传动制动钳，其特征在于，所述致动组件还包括以能够沿一条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转换机构的动力输出端和所述制动片之间，所述转换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。
16.一种制动系统，其特征在于，包括权利要求1-15任一项所述的带传动制动钳。
17.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-15任一项所述的带传动制动钳。
18.一种设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-15任一项所述的带传动制动钳，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；包括以下步骤：
S1、根据整车参数计算带传动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、根据法规要求校核带传动制动钳的制动能力；
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、确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸，基于S1-S10的设计结果，从带传动制动钳的最大夹紧力反推确定带传动制动钳减速比和电机的输出特性，确定带传动制动钳的技术参数及结构尺寸；
S12、制作带传动制动钳样件进行强度校核和试验验证。
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