CN105835857B

CN105835857B - 具有柔性冗余机构的车用线控制动装置

Info

Publication number: CN105835857B
Application number: CN201610224450.8A
Authority: CN
Inventors: 李贵远; 宗长富; 麦莉; 何磊; 郑宏宇; 陈国迎; 王慧文
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: CN105835857A

Abstract

本发明公开了一种具有柔性冗余机构的线控制动装置，包括一制动输入部分，一制动输出部分、一制动控制部分，一柔性传动部分，柔性传动部分包括一施动轮、一中间传动机构和两个双向可控离合机构，在线控制动系统故障状态下能实现冗余制动助力模式，最大程度保持制动操纵轻便性；在系统电源故障等极端情况下，装置可切换为柔性传动，实现脚踏制动模式，不依靠电力、液压，从根本上确保安全性。

Description

具有柔性冗余机构的车用线控制动装置

技术领域

本发明涉及一种线控制动装置，尤其涉及一种具有可实现多模式柔性冗余的汽车线控制动装置。

背景技术

汽车线控制动(BBW)集电子驻车制动(EPB)、电子稳定控制(ESP)、电子制动力分配(EBD)、电子制动辅助(EBA)、制动防抱死(ABS)、自动紧急制动(AEB)等与制动有关的技术于一身，与传统液压制动系统相比具有响应速度快、踏板力可调等优点，极大程度上提高了制动轻便性、操纵稳定性和主动安全性，代表了汽车安全、智能的发展方向。

但随之而来的问题是如何保证系统自身的可靠性，即当机电系统、电源系统等发生故障时如何保证驾驶员通过制动踏板实现制动控制。目前比较常用的做法是采用：1、电控系统冗余；2、传统液压系统冗余。方法1采用备用电源、双电机、双ECU、双传感器等两套或以上数量的电子装置，不能从根本上解决电子系统本身故障带来的安全隐患，而且整个系统体积大、控制复杂、成本高、不易维护等；方法2一般在原有的液压制动系统上增加电控制动执行器，利用液压制动系统作为备用，空间布置上仍与液压制动系统一样，无法体现线控系统布置灵活的特点，而且液压冗余自身也存在油路泄露的潜在故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题，提供一种具有柔性冗余的车用线控制动装置，以提高可靠性为前提，旨在实现故障状态下能保持脚踏制动与非故障制动器同时提供制动力矩，实现冗余制动助力模式，最大程度保持制动操纵轻便性；在机电系统发生故障无法工作或电源断电的极端情况下，装置可切换为柔性传动，实现脚踏制动模式，从根本上确保安全性；

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：提供一种具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其包括：

一制动输入部分，其包括一带有踏板感觉模拟器和传感器的电子踏板，制动输入被施加到该电子踏板上；

一制动输出部分，其包括带有作动器、传动机构、间隙调整机构和传感器的制动器，制动器分别与车轮保持工作连接，由制动输入确定的制动力矩被直接或间接的施加到车轮上；

一制动控制部分，其包括一控制单元和一故障诊断单元，控制单元与故障诊断单元通过车载总线通信，根据接收到的状态指令控制实现不同的制动工作模式；

一柔性传动部分，其包括一施动轮、一中间传动机构和两个双向可控离合机构，中间传动机构包括中间轴，以及通过轴承安装于中间轴的左传动轮、中间传动轮、右传动轮，三者同轴，以中间传动轮轴向中心左右对称，左传动轮与中间传动轮、右传动轮与中间传动轮通过键连接，两个双向可控离合机构结构相同，均包括离合外传动轮、离合内星轮、离合拨动轮，离合外传动轮与离合内星轮同轴，离合外传动轮内侧与离合内星轮外侧形成若干对周向均布的楔形空间对，每一楔形空间对中的两个楔形狭窄空间相对，内安装一对滚柱，滚柱经弹簧预紧使其与离合外传动轮内侧工作面和离合内星轮外侧工作面接触，每对滚柱由离合拨动轮的拨叉隔开，离合拨动轮与离合内星轮间隙配合，与制动器传动系统传动件键连接；

施动轮中心孔与电子踏板转轴固接，施动轮与中间传动机构的中间传动轮直接或间接通过柔性元件连接，左传动轮与一个双向可控离合机构的离合外传动轮直接或间接通过柔性元件连接，右传动轮与另一个双向可控离合机构的离合外传动轮直接或间接通过柔性元件连接，双向可控离合机构安装于作动器与制动器传动机构一对旋转传动副之间，其离合拨动轮与主动副元件固接，其离合内星轮与从动副元件固接。

其中双向可控离合机构的离合拨动轮拨叉在自由状态下与其相邻滚柱具有一定单向间隙，滚柱在楔形空间内楔合时产生的摩擦力，大于直接或间接拖动断电作动器空转所受阻力，小于作动器直接作用或间接传递的堵转力矩。

其中电子踏板其角度行程经施动轮、中间传动机构、双向可控离合机构的离合外传动轮传递后的值，大于作动器驱动双向可控离合机构的离合外传动轮完全消除制动器制动间隙所转过的角度值。

其中，双向可控离合机构安装于非转向轮制动器中，对于四轮转向的车辆则安装于后轮制动器中。

其中控制单元设有制动切换开关，连接电源与作动器，该开关置于方向盘或转向柱或主控板上，仪表盘上设有对应的指示灯。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

冗余传动不依靠电力、液压，可实现线控制动、冗余制动助力、脚踏制动3种工作模式，具有可靠性高、制动轻便的优点。

可与现有的线控制动器经简单改造后组装，构成具有上述功能的柔性冗余线控制动系统，具有结构简单、方便灵活的特点；

附图说明

参照下面附图的优选实施形式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于限定本发明的范围，本发明的范围由权利要求书确定。

图1为本发明的整体结构分解示意图，用于说明系统各总成主要部件间的连接关系及系统的基本功能。

图2为本发明中间传动机构结构示意图，用于说明其基本结构及工作原理。

图3为本发明双向可控离合机构结构示意图，用于说明其基本机构及工作原理。

图4为本发明柔性传动机构工作原理示意图，用于解释系统的工作原理。

具体实施方式

根据图1～图4对本发明的优选实施方式进行说明。

图1表示本发明的整体结构分解示意图。带有踏板感觉模拟器和传感器的电子踏板10固装于汽车驾驶室内金属车身适当位置处，其转轴与施动轮1键连接，施动轮1外有保护罩11，通过螺栓安装于电子踏板10本体之上；中间传动机构2通过轴承安装在壳体9中，壳体9根据汽车底盘的空间情况，选择适当位置固装于汽车金属车身上；双向可控离合机构3、4分别安装于非转向轮制动器传动系两传动副之间，所构成的传动机构总成分别安装于箱体7、8之内，箱体7、8通过螺栓分别固装于制动执行元件上，对于本实施例，执行元件为制动卡钳5、6；施动轮1与中间传动机构2、中间传动机构2与双向可控离合器3、4之间柔性连接，可采用软轴或钢丝拉索，本实施例中为车用钢丝拉索12、13、14，图中以双点划线表示。

正常工作情况下，系统处于线控制动模式，通过脚踩电子踏板10给定目标转角，控制系统控制作动器将制动力矩通过双向可控离合机构3、4经传动机构传递给制动卡钳5、6；同时，电子踏板10带动施轮动1经钢丝拉索12带动中间传动机构2，中间传动机构2通过钢丝拉索13、14带动双向可控离合机构3、4，此处，双向可控离合机构3、4实现脚踏目标输入与作动器实际输出分离，两路传动互不干涉，电子踏板10承受的负载由踏板感觉模拟器提供，实现踏板感觉可调，制动的实际负载由系统控制作动器输出动力克服，实现在强制动、高速转向、制动转向等非常规工况下ABS、ESP等功能。

在任何由作动器非正常堵转而系统自身无法纠正导致的制动失效状态下，可通过驾驶员手动点击制动切换开关，切断制动器的作动器供电电源，此时柔性冗余机构处于工作状态；除上述情况外，柔性冗余机构可自动介入工作状态，包括在系统电源故障的极端条件。在柔性冗余机构工作时，脚踩电子踏板10，带动施轮动1经钢丝拉索12带动中间传动机构2，中间传动机构2通过钢丝拉索13、14带动双向可控离合机构3、4，此时，电机断电处于自由状态，双向可控离合机构3、4可将制动力矩经传动机构传递到制动卡钳5、6，实现脚踏制动。

在上述过程中，如果一侧非转向轮制动器故障，则脚踏制动力矩由中间传动机构2经钢丝拉索13或14带动双向可控离合机构3或4传递到制动卡钳5或6；如果非转向轮两侧制动器全部故障，则脚踏制动力矩由中间传动机构2经钢丝拉索13、14带动双向可控离合机构3、4传递到制动卡钳5、6。上述两种情况下，脚踏制动与其他正常制动器的运动互不干涉，脚踏制动和电动制动同时工作，可实现故障状态下的冗余制动助力。

图2为本发明中间传动机构结构示意图。中间传动机构整体结构以中间传动轮20轴向中心左右对称，以对称轴左侧部分为例详细说明其构造及工作原理，其右侧的右传动轮23与之相同，此处不赘述。中间传动轮20、左传动轮21通过轴承安装于中间轴22，中间传动轮20与左传动轮21过渡配合，保证一定的同轴度，并通过键连接。这种左、右传动轮与中间传动轮分体式结构的优点在于：通过更换不同半径的左、右传动轮即可实现不同传动比，满足不同车辆的需要。

作为优选，本实施例采用车用钢丝拉索作为柔性传动元件，钢丝拉索包括钢丝绳、套管、套管帽、护套、接头等，结构可参考行业标准或其他供应商的产品说明。钢丝拉索的钢丝绳12a、12b缠绕在中间传动轮20外表面的螺旋导向槽上，末端分别通过接头12c、12d固定在中间传动轮20端面外侧的凹槽内，钢丝拉索单层布置，所缠绕的圈数满足设定传动比下实现制动所需最大角度行程，左传动轮21、右传动轮23以及图1中施动轮1的钢丝绳布置、安装与上述结构相同。

为保证柔性传动下脚踏制动力矩在左、右传动轮的协调，避免一侧车轮制动间隙先行消除后，另一侧不能继续施加制动力矩，同时也为自动补偿冬夏温度变化造成的钢丝绳伸缩变形，在左、右传动轮的钢丝拉索上设有调整装置。以图2中左传动轮21上的钢丝绳12a为例说明，右传动轮23与其结构相同，不赘述。调整弹簧12f套在调整螺管12e上，一端固定于壳体9，一端顶住调整螺管12e，调整螺管12e一端与壳体9安装孔间隙配合，另一端加工螺纹，装有调整螺母12h和锁死螺母12g，调整螺母抵住钢丝拉索套管帽12i，通过旋转调整螺母12h调节预紧力，并通过锁死螺母12g锁死。调整好后，在柔性传动机构左、右传动轮同时参与工作时，如果右传动轮由于车轮制动间隙消除而先行止动，这时，脚踏制动力矩继续施加，迫使钢丝绳12a压迫钢丝拉索套管12j，并带动套管帽12i挤压调整螺母12h，使其推动调整螺管12e压缩调整弹簧12f，则钢丝绳12a可进一步微量运动，实现左传动轮继续施加制动力矩，完成左、右传动轮的制动力矩协调，左传动轮先止动的调整过程同理。此外由于冬夏温差造成的钢丝绳微小变形量，亦可由此自动补偿。

图3为本发明双向可控离合机构结构示意图。本实施例所述左、右双向可控离合机构结构相同，此处以左双向可控离合机构为例详细说明其构造及工作原理，右双向可控离合机构与之相同，此处不赘述。左离合外传动轮31a与左离合内星轮31c同轴，其内侧与左离合内星轮31c外侧形成若干对周向均布的楔形空间对，每一楔形空间对中的两个楔形狭窄空间相对，内安装一对滚柱，滚柱经弹簧预紧使其与左离合外传动轮31a内侧工作面和左离合内星轮31c外侧工作面接触，每对滚柱由左离合拨动轮31b的拨叉隔开，为减轻工作摩损，弹簧与滚柱接触端可设有顶帽，顶帽与滚柱接触面呈内柱面形，与圆柱滚柱贴合，顶帽材料硬度低于滚柱表面硬度，滚柱表面硬度低于左离合外传动轮31a内侧和左离合内星轮31c外侧工作面硬度。左离合拨动轮31b与左离合内星轮31c间隙配合，均设有键槽，可与制动器传动系统传动件键连接。作为优选，本实施例中左离合拨动轮31b与作动器50键连接，左离合内星轮31c与传动件51键连接，传动件51与制动器传动机构其他传动件保持传动连接。左离合外传动轮31a的钢丝绳的布置、安装形式与图2中间传动轮20的机构形式相同，此处不赘述。

当左双向可控离合机构的左离合外传动轮31a主动时，如果此时左离合拨动轮31b处于空载自由状态，左离合外传动轮31a带动一侧滚柱滚向楔形空间狭窄侧，使滚柱楔合，则左离合外传动轮31a通过楔合滚柱带动左离合内星轮31c顺时针或逆时针旋转，楔合的滚柱推动处于空载自由状态的左离合拨动轮31b的拨叉，带动左离合拨动轮31b一起顺时针或逆时针旋转；如果此时左离合拨动轮31b堵转，其拨叉阻挡已在楔形空间楔合的滚柱，使其解楔，则左离合外传动轮31b空转；如果此时左离合拨动轮31b顺时针或逆时针旋转，则其拨叉都可推动已在楔形空间楔合的滚柱，使其解楔，左离合外传动轮31a与左离合拨动轮31b各自运转，互不干涉。

为实现上述功能，在双向可控离合机构的设计上要具备一定的条件：

其一，双向可控离合机构的离合拨动轮拨叉在自由状态下与其相邻滚柱具有一定单向间隙，滚柱在楔形空间内楔合时产生的摩擦力，大于直接或间接拖动断电作动器空转所受阻力，小于作动器直接作用或间接传递的堵转力矩；

其二、在上述条件限制下，所述的双向可控离合机构滚柱数、楔形空间的楔角等结构参数可参考机械设计手册设计选取。

图4为本发明柔性传动机构工作原理示意图。该图仅表示部件间的运动传递关系，并不表示其实际比例和位置。图4中间部分表示中间传动机构示意图，图4右侧部分表示左双向可控离合机构半剖示意图，上述机构对应的右侧部分工作原理与左侧相同，此处仅以左侧部分为例阐述其工作原理，右侧部分不赘述。

在正常工作情况下，驾驶员踩下电子踏板10，带动施动轮1以一定角速度旋转一定角度，同时，电子踏板传感器测量到相应信号传递给控制器，控制器结合其他传感器信息以一定的控制规律控制作动器带动制动器传动机构部件以一定角速度旋转一定角度，由于电子踏板10在踩下的过程中需要克服一定的系统间隙、摩擦、阻尼以及系统变形等，导致其有微小的空行程，而传感器的分辨率确保可以测量到该空行程并传递给控制器，控制器就可以先于电子踏板10的有效动作之前使作动器运行，并通过补偿算法来弥补由作动器到制动执行元件间的系统间隙、摩擦等，其结果是：作动器的实际有效运动后动先发，系统存在两个传动回路，一路：由作动器输出轴50a通过键带动左离合拨动轮31b转动，同时左离合拨动轮31b推动滚柱带动左离合内星轮31c，左离合内星轮31c通过键带动传动元件如齿轮或同步带轮等最终带动制动执行机构实现制动，此时左离合外星轮31a处于自由状态；一路：由电子踏板10带动施动轮1，施动轮1通过钢丝拉索12带动中间传动轮20，中间传动轮20通过键带动左传动轮21与之同步运动，左传动轮21通过钢丝拉索13带动左离合外传动轮31a使之由自由状态转为空转状态。此处，双向可控离合机构实现脚踏给定目标输入与作动器实际输出分离，只要系统正常状态下，两路传动互不干涉，电子踏板10承受的负载由踏板感觉模拟器提供，实现踏板感觉可调，制动的实际负载由系统控制作动器输出动力克服，在强制动、高速转向、制动转向等非常规工况下，需要对四轮单独制动控制，执行ABS、ESP等功能，而此时脚踏输入与作动器输出运动互不干涉，保证了线控制动正常功能的实现。

在故障状态下，当系统故障诊断单元检测出左侧非转向车轮或右侧非转向车轮制动器出现故障时，可通过控制单元将故障侧作动器切断供电，使其处于自由状态；当系统故障诊断单元无法诊断出故障时，可通过制动切换开关人工强制退出线控制动状态，所有制动器的作动器电源切断，均处于自由状态；当系统电源出现故障无法供电时，所有制动器的作动器失电处于自由状态。

当左侧非转向车轮的作动器处于自由状态时，经电子踏板10最终带动的左离合外传动轮31a继续运动，并带动一侧滚柱滚向楔形空间狭窄侧，使滚柱楔合，则左离合外传动轮31a通过楔合滚柱带动左离合内星轮31c旋转，而此时由于作动器输出轴50a处于自由状态，与其键连接的左离合拨动轮31b的拨叉无法将楔合的滚柱解楔，被带动空转，左离合内星轮31c将脚踏制动力矩经与其键连接的传动件传递到制动卡钳，此时两转向车轮及右侧非转向车轮制动力矩仍由控制系统控制作动器输出，实现故障状态下的冗余制动助力；同理，当左、右两侧非转向车轮的作动器均处于自由状态时，经电子踏板最终带动左、右双向可控离合机构的左、右离合内星轮，二者带动各自连接的传动件将制动力矩传递到对应的制动卡钳，如果一侧先行止动，在左、右传动轮的钢丝拉索上设置的调整装置工作，实现两侧均制动。此时两非转向车轮制动力矩仍由制动系统控制作动器输出，仍能保证实现故障状态下的冗余制动助力；

当处于非线控制动状态时，所有制动器的作动器处于断电自由状态，此时，转向轮失去制动能力，制动力矩仅由电子踏板通过钢丝拉索经中间传动机构带动非转向车轮的左、右离合内星轮，二者带动各自连接的传动件将制动力矩传递到对应的制动卡钳，实现脚踏制动。

作为本优选实施例，其系统主要参数的确定可参考如下：

根据车辆参数及我国汽车制动规范的要求，可计算确定出制动器执行元件输出最大制动压力设为N_max，结合制动器及其传动系具体结构，可进一步计算出最大制动力矩设为M_max，在静态理想状态下，设制动器传动系的传动比为i₀，则作动器的堵转力矩M_d≥M_max/i₀，左双向可控离合机构许用转矩M₃≥M_max/i₀，右双向可控离合机构许用转矩M₄＝M₃；中间传动机构左传动轮与左双向可控离合机构左离合外传动轮的传动比设为i₂₃，中间传动机构右传动轮与右双向可控离合机构外传动轮的传动比设为i₂₄，由于结构对称，此处i₂₃＝i₂₄，则中间传动机构的转矩M₂＝2×M₃/i₂₃；施动轮与中间传动机构中间传动轮的传动比设为i₁₂，则施动轮作用力矩为M₁＝M₂/i₁₂，设电子踏板的力臂长度为l，则最大踏板力F_max＝M₁/l。考虑动态情况及系统效率，上述计算可进一步理论分析计算，也可采用工程上常用的经验方法，在上述计算的基础上乘一定的安全系数，具体可参考机械设计手册等相关通用设计资料或标准。

Claims

1.一种具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其包括：

其特征在于还包括：

2.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其特征在于：所述的双向可控离合机构的离合拨动轮拨叉在自由状态下与其相邻滚柱具有一定单向间隙，滚柱在楔形空间内楔合时产生的摩擦力，大于直接或间接拖动断电作动器空转所受阻力，小于作动器直接作用或间接传递的堵转力矩。

3.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其特征在于：所述的电子踏板其角度行程经施动轮、中间传动机构、双向可控离合机构的离合外传动轮传递后的值，大于作动器驱动双向可控离合机构的离合外传动轮完全消除制动器制动间隙所转过的角度值。

4.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其特征在于：所述的双向可控离合机构安装于非转向轮制动器中，对于四轮转向的车辆则安装于后轮制动器中。

5.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控制动装置，其特征在于：所述的控制单元设有制动切换开关，连接电源与作动器，该开关置于方向盘或转向柱或主控板上，仪表盘上设有对应的指示灯。