CN109910854A - 一种利用真空助力器的汽车自动制动机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用真空助力器的汽车自动制动机构，包括：壳体，其一端连通有真空管；主缸，其穿过所述壳体一端并支撑在所述壳体上；主缸推杆，其一端设置在所述主缸内部；连杆机构，其一端套设在所述主缸推杆的另一端上，并能沿着所述主缸推杆往复运动；弹簧膜片，其固套在所述连杆机构外部，并且同时与所述壳体固定连接；后推杆，其一端连接所述连杆机构的另一端；前推杆，其与所述后推杆间隙同轴相对设置；高压气缸，其设置在所述后推杆和所述前推杆之间；控制单元，其与所述高压气缸电连接。通过启动进气机构，推动后推杆向前移动启动制动机构，实现汽车主动制动。本发明还提供一种利用真空助力器的汽车自动制动机构的控制方法。

Description

一种利用真空助力器的汽车自动制动机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种利用真空助力器的汽车自动制动机构及其控制方法，属于汽车领域。

背景技术

随着交通事故逐年增加，汽车安全技术成为了研究热点。被动安全技术(例如安全气囊、安全带等)虽然一定程度上减轻了事故的伤害，但没有从根本上解决事故的产生。因此汽车安全技术的发展重心逐渐由被动安全向主动安全转移。

目前汽车主动安全技术已经日渐成熟，传统的汽车主动安全技术以制动防抱死系统(ABS)和电子稳定控制系统(ESP)等车辆稳定性控制系统为代表,新型的汽车主动安全技术高级辅助驾驶系统(ADAS)受到越来越广泛的关注和应用。车辆自动制动机构作为ADAS的执行机构，也因此成为了国内外机构的重点研究方向。目前车辆自动制动控制的执行机构有电子稳定控制系统(ESP)和电子液压制动系统(IBS)。

以上两种先进的技术虽然可行性已经验证，但是深究可以发现，这两个系统虽然都是可以实现车辆自动制动控制的新方法，但电子稳定控制系统(ESP)存在增压较慢，电子液压制动系统(IBS)对车辆改装较大，使汽车存在安全隐患。

发明内容

本发明设计开发了一种利用真空助力器的自动制动机构，在高压气缸中，通过进气机构与后推杆的配合实现汽车主动制动，制动迅速，效果好，汽车制动机构结构改动小。

本发明还设计开发了一种利用真空助力器的自动制动机构的控制方法，通过计算目标压力，控制进气机构和出气机构的通断，实现汽车的自动制动。

本发明提供的技术方案为：

一种利用真空助力器的自动制动机构，包括：

壳体，其一端连通有真空管；

主缸，其穿过所述壳体一端并支撑在所述壳体上；

主缸推杆，其一端设置在所述主缸内部；

连杆机构，其一端套设在所述主缸推杆的另一端上，并能沿着所述主缸推杆往复运动；

弹簧膜片，其固套在所述连杆机构外部，并且同时与所述壳体固定连接；

后推杆，其一端连接所述连杆机构的另一端；

前推杆，其与所述后推杆间隙同轴相对设置；

高压气缸，其设置在所述后推杆和所述前推杆之间；

其中，所述后推杆另一端穿过所述高压气缸一端并支撑在所述高压气缸上，所述前推杆一端穿过所述高压气缸另一端并支撑在所述高压气缸上；

控制单元，其与所述高压气缸电连接。

优选的是，所述高压气缸还包括：

进气机构，其连通设置在所述高压气缸的顶部；

出气机构，其连通设置在所述高压气缸的底部；

第一圆盘，其套设在所述后推杆的另一端；

第二圆盘，其套设在所述前推杆的一端；

其中，所述控制单元同时与所述进气机构和所述出气机构电连接。

优选的是，所述壳体包括：

前壳体，其设上连通有真空管；

后壳体，其与所述前壳体可拆卸连接；

其中，所述弹簧膜片一端固定在所述前壳体上。

优选的是，所述后推杆上设置有圆环形凸起。

优选的是，还包括弹簧机构，其套设在所述后推杆上，并位于所述连杆机构和所述凸起之间。

优选的是，所述连杆机构包括：

顶杆，其一端套设在所述主缸推杆的外部；

衬块，其一端设置在所述顶杆另一端内部。

优选的是，还包括：衬套，其设置在所述连杆机构外部，所述衬块另一端固定在所述衬套内部；

其中，所述衬套外部对称设置有卡槽，用于固定所述弹簧膜片。

优选的是，所述弹簧机构包括：

第一弹簧，其一端抵靠在所述环形凸起上；

隔挡片，其套设在所述后推杆上，并与所述第一弹簧相抵靠；

第二弹簧，其一端抵靠在所述隔挡片上，另一端抵靠在所述衬块的另一端上。

一种利用真空助力器的汽车自动制动机构的控制方法，使用所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，具体包括：

步骤1、监测汽车行驶数据，计算目标压力；

步骤2、当汽车有减速度请求时，汽车进行自动制动，通过控制进气机构和出气机构的通断电，使高压气缸内的气体压力满足目标压力，具体如下：

当P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行增压，此时，进气机构通电，出气机构通电；

当P_Auto＞(P_AutoSo+P_Thre)时，需要对高压气缸进行减压，此时，进气机构断电，出气机构断电；

当(P_AutoSo+P_Thre)＜P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行保压，此时，进气机构断电，出气机构通电。

优选的是，所述步骤1中目标压力p_so满足：

使汽车目标减速度与高压气缸内额目标压力之间的函数关系满足：

其中，p_so为实际目标轮缸压力，p_soi为理论目标轮缸压力，P_cor为修正轮缸压力；P_AutoSo为高压气缸内目标压力，a_so为汽车目标减速度，F_PedalD为驾驶员施加的踏板力，A为第一圆盘的横截面积，t为制动时间，t₀为修正介入时间。

本发明所述的有益效果：在自动制系统中，通过启动进气机构，推动后推杆向前移动启动制动机构，实现汽车的主动制动，并能够根据需要改变制动力大小，对制动机构的结构改动小，同时不影响汽车进行正常制动，并且可以进行混合制动，制动速度快，制动效果好，效率高。

本自动制动机构可配合ADAS，对车辆进行制动；紧急情况时，按照要求对汽车进行制动，避免了安全事故的发生；可自动对车辆进行制动，减小了驾驶员的驾驶负担。

附图说明

图1是本发明所述的汽车自动制动机构总成图。

图2是本发明所述的真空助力器推杆及高压气缸剖面图。

图3是本发明所述的真空助力器总成局部剖面图。

图4是本发明所述的传统的真空助力器总成局部剖面图。

图5是本发明所述的传统的真空助力器推杆图。

图6位本发明所述的利用真空助力器的自动制动机构的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-5所示，本发明提供一种利用真空助力器的自动制动机构，包括：前壳体311、后壳体309、主缸推杆304、弹簧膜片310、复位弹簧314、推杆机构、弹簧机构、后推杆202、前推杆201、进气阀104、排气阀105、自动制动控制单元102。

真空助力器的壳体106包括前壳体311和后壳体309，前壳体311和后壳体309之间可拆卸连接，在前壳体311上，位于前壳体一端，连通有真空管313，前壳体311通过真空管与真空泵连接，为前壳体内部提供真空度。后壳体309的一端沿轴线方向连接有防尘罩308。

主缸107的一端穿过前壳体311并支撑在前壳体311上，使主缸的一端位于壳体内部，一端位于壳体外部，主缸107为制动主缸，内部设置有制动液，同时，制动主缸分别与驱动轮连接。其中，主缸107与前壳体311同轴设置。

主缸推杆304的一端设置在主缸107的内部，并能在主缸107内沿轴线方向往复运动，主缸推杆304的另一端套设有衬块303，衬块303的一端套设在主缸推杆304上，另一端内设置有顶杆302，顶杆302的一端设置在衬块303的另一端内部。

衬套307外部对称设置有卡槽，内部具有容纳腔，衬套307套设在衬块303和顶杆302的外部，并且衬块303的另一端固定在衬套307的内部，使衬套307和衬块303能够同步运动。

在壳体内部还设置有弹簧膜片310，弹簧膜片310固套在衬套307外部的卡槽中，并且同时与壳体固定连接；复位弹簧314设置在前壳体311和弹簧膜片310之间，并套设在主缸107和主缸推杆304的外部。

后推杆203的一端连接设置在衬块303另一端的内部，后推杆203上设置有环形凸起，在环形凸起和衬块303之间设置有弹簧机构，弹簧机构套设在后推杆203上，并包括：第一弹簧305、隔挡片和第二弹簧306，其中，第一弹簧305的一端抵靠在环形凸起上，另一端抵靠在隔挡片上，隔挡片套设在后推杆203上，第二弹簧306的一端抵靠在隔挡片上，另一端抵靠在衬块303的另一端上，其中，第一弹簧305的刚度要大于第二弹簧306

高压气缸202设置在衬套307的一端，后推杆203的另一端穿过高压气缸202并支撑在高压气缸202的一端端面上，前推杆201的一端穿过高压气缸并支撑在高压气缸202另一端的端面上，另一端通过连接片315与制动踏板铰接；高压气缸202的顶部连通有进气机构，底部连通有出气机构，其中，前推杆201、后推杆203以及高压气缸202形成密闭腔体。

在密闭腔体中，后推杆203的另一端上套设有环绕后推杆203一周的第一圆盘，前推杆201的一端上套设有第二圆盘；第一圆盘和第二圆盘的圆周与高压气缸的内壁紧密接触，使高压气缸202、后推杆203、第一圆盘、前推杆201以及第二圆盘之间形成气室，通过控制进气机构和排气机构的开闭，可以控制气室内的气体量，进而控制气室内的气体压力。

进气机构包括：进气阀104、储气罐103、空压机101，进气阀104的一端与高压气缸的顶部连通，另一端与空压机连通，在进气阀104和高压气缸202之间还连接有压力传感器109，出气机构105为排气阀，其连通在高压气缸202的底部，自动制动控制单元(ECU)102分别与空压机101、储气罐103、进气阀104以及排气阀105电连接，通过自动控制单元(ECU)向进气机构和出气机构发送指令，控制进气阀和出气阀的关闭。

空压机101通过软管与储气罐103连接，空压机101信号端通过电线与控制器102连接，当储气罐103中储存的气体压力低于阈值时空压机101工作，向储气罐103注入高压气体；进气阀104为常闭阀，上端通过软管与储气罐103连接，下端通过软管与高压气缸202进气口连接，信号端通过电线与控制器102连接。压力传感器109接在进气阀104与高压气缸202之间，信号端通过电线与控制器102连接。排气阀105为常开阀，上端通过软管与高压气缸202排气口连接，下端与大气相通，信号端通过电线与控制器102连接。

工作模式：

传统制动机构工作模式：

如图4所示，驾驶员踩下制动踏板110时：制动踏板110通过连接片315推动制动推杆301，依次经一级弹簧305、二级弹簧306、衬块302、顶杆303和膜片弹簧310，最终作用在主缸推杆304上，同时膜片弹簧310与前壳体311之间腔体有较大真空度，膜片弹簧310与后壳体309之间腔体与大气相通，两腔体之间存在压力差，此压力差产生向左的压力作用在膜片弹簧310上，最终也作用在主缸推杆304上，主缸推杆304将制动液从制动主缸推向制动轮缸，车辆制动；驾驶员松开制动踏板110时：主缸推杆304、膜片弹簧310、顶杆303、衬块302、二级弹簧306、一级弹簧305、制动推杆301和制动踏板110在反作用力的作用下回到初始位置，制动液从制动轮缸流回制动主缸，车辆解除制动。

本汽车自动制动机构的工作模式：

如图2和3所示汽车正常制动时，驾驶员踩下制动踏板110，制动踏板110通过连接片315推动推动前推杆201，前推杆201推动后推杆203，依次经一级弹簧305、二级弹簧306、衬块302、顶杆303和膜片弹簧310，最终作用在主缸推杆304上，同时膜片弹簧310与前壳体311之间腔体有较大真空度，膜片弹簧310与后壳体309之间腔体与大气相通，两腔体之间存在压力差，此压力差产生向左的压力作用在膜片弹簧310上，最终也作用在主缸推杆304上，主缸推杆304将制动液从制动主缸推向制动轮缸，车辆制动；驾驶员松开制动踏板110时：主缸推杆304、膜片弹簧310、顶杆303、衬块302、二级弹簧306、一级弹簧305、后推杆203、前推杆201和制动踏板110在反作用力的作用下回到初始位置，制动液从制动轮流回制动主缸，车辆解除制动。

当汽车需要进行自动制动时，如图2和3所示，自动控制单元102接收到制动指令，进气阀104打开，排气阀105关闭，高压气体由储气罐103经软管进入由前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的密闭腔体，前推杆201尾部与制动踏板铰接不能向后移动，故随着密闭腔体内压力的升高，推动后推杆203向前运动，依次经一级弹簧305、二级弹簧306、衬块302、顶杆303和膜片弹簧310，最终作用在主缸推杆304上，同时膜片弹簧310与前壳体311之间腔体有较大真空度，膜片弹簧310与后壳体309之间腔体与大气相通，两腔体之间存在压力差，此压力差产生向左的压力作用在膜片弹簧310上，最终也作用在主缸推杆304上，主缸推杆304将制动液从制动主缸推向制动轮缸，车辆制动。

通过控制进气阀104和排气阀105的开闭，可以控制进入前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的密闭腔体内的气体量，即可以控制此密闭腔体内的压力，也就是说可以控制后推杆203向左的推力，最终实现自动制动控制；当自动制动控制单元102接收到撤销制动指令时，进气阀104和排气阀105回到最初状态，即：进气阀104关闭，排气阀105打开，由前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的腔体与大气相通，主缸推杆304、膜片弹簧310、顶杆303、衬块302、二级弹簧306、一级弹簧305和后推杆203在反作用力的作用下回到初始位置，制动液从制动轮缸流回制动主缸，车辆解除制动。

当汽车需要进行混合制动模式时，驾驶员踩下制动踏板的同时自动控制单元102接收到制动指令，进气阀104打开，排气阀105关闭，高压气体由储气罐103经软管进入由前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的密闭腔体，高压气体推动前推杆201和后推杆203向两端运动，与此同时驾驶员踩下制动踏板101，制动踏板110通过连接片315推动推动前推杆201，前推杆201进一步压缩密闭腔体进而推动后推杆203，依次经一级弹簧305、二级弹簧306、衬块302、顶杆303和膜片弹簧310，最终作用在主缸推杆304上，同时膜片弹簧310与前壳体311之间腔体有较大真空度，膜片弹簧310与后壳体309之间腔体与大气相通，两腔体之间存在压力差，此压力差产生向左的压力作用在膜片弹簧310上，最终也作用在主缸推杆304上，主缸推杆304将制动液从制动主缸推向制动轮缸，车辆制动。

当自动制动控制单元102接收到撤销制动指令时，进气阀104和排气阀105回到最初状态，即：进气阀104关闭，排气阀105打开，由前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的腔体与大气相通，前推杆201和后推杆203接触；与此同时，驾驶员松开制动踏板110时，前推杆201和制动踏板110在反作用力的作用下回到初始位置；

当自动制动控制单元102接收到撤销制动指令且驾驶员松开制动踏板110时，进气阀104和排气阀105回到最初状态，即：进气阀104关闭，排气阀105打开，由前推杆201和后推杆203及高压气缸202构成的腔体与大气相通，主缸推杆304、膜片弹簧310、顶杆303、衬块302、二级弹簧306、一级弹簧305、后推杆203、前推杆201和制动踏板110在反作用力的作用下回到初始位置，制动液从制动轮缸流回制动主缸，车辆解除制动。

如图6所示，本发明还提供一种利用真空助力器的自动制动机构的控制方法，当汽车有减速度请求时，通过控制进气机构和出气机构的通断电，使高压气缸内的气体压力满足目标压力，实现汽车自动制动。

其中，减速度请求具体包括：

1)、车辆行驶过程中，ADAS检测到前方有障碍物而驾驶员未采取任何避障措施时；

2)、车辆自适应巡航过程中，ADAS检测到车辆间距过小或前车突然减速时；

3)、自动泊车过程中，ADAS需要车辆制动时；

4)、其它车载控制器向自动制动机构发出制动请求，要求车辆按照目标减速度制动等。

具体控制步骤如下：

步骤1、在汽车行驶过程中，通过汽车CAN网络读取行驶数据，计算目标压力，具体如下：

汽车在行驶过程中，由车辆动力学可知:m*a＝F_t-F_b-F_f-F_w-F_i，即制动力为:F_b＝F_t-F_f-F_w-F_i-m*a；

驱动力是整车驱动力矩的函数，滚动阻力和坡道阻力是道路坡度的函数，空气阻力是车速的函数，车辆的制动力矩与轮缸压力比值是常数；驱动力矩、道路坡度、车速可由整车CAN网络得到，即F_t、F_f、F_w、F_i都是已知量；故达到目标加速度a_so需要的理论目标轮缸压力：p_sol＝(F_t-F_f-F_w-F_i-m*a_so)*r/C_p

又实际实践过程中存在各种误差，使得实际减速度与目标减速度之间存在较大误差，故需要对理论目标轮缸压力进行修正，这里采用PID控制方法进行修正，修正公式为：其中e＝a_so-a_sen，a_sen可由整车CAN网络得到；

因此得到目标压力：令使设踏板力与液压输出关系为：p＝f(F_Pedal)：F_Pedal＝f^-1(p)；又：F_Pedal＝F_PedalD+F_PedalB,其中驾驶员施加的踏板力F_PedalD,可由踏板力传感器测得；故达到目标压力p_so自动制动机构所需的等效踏板力:F_PedalB＝f^-1(p_so)-F_PedalD；

此时高压气缸202内需要高压气体压力：P_AutoSo＝(f^-1(p_so)-F_PedalD)/A即：

综上，车辆目标减速度a_so与高压气缸202内目标压力P_AutoSo存在确定的函数关系；

其中，m为汽车质量，a为汽车减速度，a_so为汽车目标减速度，a_sen为汽车实际减速度，r为轮胎半径，F_t为驱动力，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_i为坡道阻力，F_b为制动力，C_p为汽车的制动力矩与轮缸压力比值，p_sol为理论目标轮缸压力，p_so为实际目标轮缸压力，p_cor为修正轮缸压力，F_PedalD为驾驶员施加的踏板力，F_PedalB为自动制动机构的等效踏板力，A为第一圆盘横截面积；P_AutoSo为高压气缸202内需要的高压气体压力；

步骤2、当汽车有减速度请求时，汽车进行自动制动，通过控制进气机构和出气机构的通断电，使高压气缸内的气体压力满足目标压力，具体如下：

当P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行增压，此时，进气机构通电，出气机构通电；

当P_Auto＞(P_AutoSo+P_Thre)时，需要对高压气缸进行减压，此时，进气机构断电，出气机构断电；

当(P_AutoSo+P_Thre)＜P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行保压，此时，进气机构断电，出气机构通电。

其中，P_AutoSo为高压气缸内目标压力，a_so为汽车目标减速度，F_PedalD为驾驶员施加的踏板力，A为第一圆盘的横截面积，t为制动时间，t₀为修正介入时间。

当汽车有减速度请求时，通过控制进气机构和出气机构的通断电，使高压气缸内的气体压力满足目标压力，实现汽车自动制动。不仅可以避免发生安全事故，而且可以减轻驾驶员的驾驶负担。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，包括：

壳体，其一端连通有真空管；

主缸，其穿过所述壳体一端并支撑在所述壳体上；

主缸推杆，其一端设置在所述主缸内部；

连杆机构，其一端套设在所述主缸推杆的另一端上，并能沿着所述主缸推杆往复运动；

弹簧膜片，其固套在所述连杆机构外部，并且同时与所述壳体固定连接；

后推杆，其一端连接所述连杆机构的另一端；

前推杆，其与所述后推杆间隙同轴相对设置；

高压气缸，其设置在所述后推杆和所述前推杆之间；

其中，所述后推杆另一端穿过所述高压气缸一端并支撑在所述高压气缸上，所述前推杆一端穿过所述高压气缸另一端并支撑在所述高压气缸上；

控制单元，其与所述高压气缸电连接。

2.根据权利要求1所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，所述高压气缸还包括：

进气机构，其连通设置在所述高压气缸的顶部；

出气机构，其连通设置在所述高压气缸的底部；

第一圆盘，其套设在所述后推杆的另一端；

第二圆盘，其套设在所述前推杆的一端；

其中，所述控制单元同时与所述进气机构和所述出气机构电连接。

3.根据权利要求2所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，所述壳体包括：

前壳体，其设上连通有真空管；

后壳体，其与所述前壳体可拆卸连接；

其中，所述弹簧膜片一端固定在所述前壳体上。

4.根据权利要求1所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，所述后推杆上设置有圆环形凸起。

5.根据权利要求4所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，还包括弹簧机构，其套设在所述后推杆上，并位于所述连杆机构和所述凸起之间。

6.根据权利要求5所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，所述连杆机构包括：

顶杆，其一端套设在所述主缸推杆的外部；

衬块，其一端设置在所述顶杆另一端内部。

7.根据权利要求6所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，还包括：衬套，其设置在所述连杆机构外部，所述衬块另一端固定在所述衬套内部；

其中，所述衬套外部对称设置有卡槽，用于固定所述弹簧膜片。

8.根据权利要求7所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，其特征在于，所述弹簧机构包括：

第一弹簧，其一端抵靠在所述环形凸起上；

隔挡片，其套设在所述后推杆上，并与所述第一弹簧相抵靠；

第二弹簧，其一端抵靠在所述隔挡片上，另一端抵靠在所述衬块的另一端上。

9.一种利用真空助力器的汽车自动制动机构的控制方法，使用权利要求1-8任意一项所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构，具体包括：

步骤1、监测汽车行驶数据，计算目标压力；

步骤2、当汽车有减速度请求时，汽车进行自动制动，通过控制进气机构和出气机构的通断电，使高压气缸内的气体压力满足目标压力，具体如下：

当P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行增压，此时，进气机构通电，出气机构通电；

当P_Auto＞(P_AutoSo+P_Thre)时，需要对高压气缸进行减压，此时，进气机构断电，出气机构断电；

当(P_AutoSo+P_Thre)＜P_Auto＜(P_AutoSo-P_Thre)时，需要对高压气缸进行保压，此时，进气机构断电，出气机构通电。

10.根据权利要求9所述的利用真空助力器的汽车自动制动机构的控制方法，其特征在于，所述步骤1中目标压力p_so满足：使汽车目标减速度与高压气缸内额目标压力之间的函数关系满足：

其中，p_so为实际目标轮缸压力，p_soi为理论目标轮缸压力，P_cor为修正轮缸压力；P_AutoSo为高压气缸内目标压力，a_so为汽车目标减速度，F_PedalD为驾驶员施加的踏板力，A为第一圆盘的横截面积，t为制动时间，t₀为修正介入时间。