一种带应急制动的汽车线控机械式制动装置及控制方法
阅读说明：本技术 一种带应急制动的汽车线控机械式制动装置及控制方法 (Automobile line control mechanical braking device with emergency braking function and control method ) 是由 张旻 金智林 蒋嗣韬 高彦双 卢静 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带应急制动的汽车线控机械制动装置及控制方法,包括电子控制单元,线控机械制动执行系统,踏板感觉模拟系统,应急制动系统,及摩擦片和制动盘；电子控制单元采集踏板位移传感器和轮速传感器信号,进行系统故障自诊断和驾驶员制动意图识别,决定进入三种不同的工作模式,包括线控机械制动模式、应急制动模式、及制动力解除模式；不同工作模式时电子控制单元通过控制套筒电机的输出转矩,电磁离合器的断开与闭合,踏板感觉模拟器电磁阀及应急制动电磁阀的启闭,实现正常工作时线控制动,失效情况应急制动的效果；本发明结构简单,占用空间小,制动响应快,制动力可控性好,保障了汽车行驶安全性。(The invention discloses an automobile line-control mechanical brake device with emergency brake and a control method, comprising an electronic control unit, a line-control mechanical brake execution system, a pedal feeling simulation system, an emergency brake system, a friction plate and a brake disc; the electronic control unit acquires signals of a pedal displacement sensor and a wheel speed sensor, performs system fault self-diagnosis and driver braking intention identification, and determines to enter three different working modes, including a line control mechanical braking mode, an emergency braking mode and a braking force relieving mode; when the working modes are different, the electronic control unit controls the output torque of the sleeve motor, the electromagnetic clutch is opened and closed, and the pedal senses the opening and closing of the electromagnetic valve of the simulator and the emergency brake electromagnetic valve, so that the effects of brake-by-wire and emergency brake under the failure condition during normal working are realized; the invention has the advantages of simple structure, small occupied space, quick braking response and good controllability of braking force, and ensures the driving safety of the automobile.)
技术领域
本发明涉及智能汽车的主动安全领域，特别涉及一种带应急制动的汽车线控机械制动装置及控制方法。
背景技术
近年来智能汽车飞速发展，从样车到量产，从示范运行到实际道路行驶，智能汽车正逐步融入人们的生活。随着道路上行驶的智能汽车增加，对智能汽车安全的要求也不断提高，而汽车底盘是汽车行驶安全保障的最重要系统。因此，线控制动、线控转向及线控驱动等也将逐渐成为智能汽车的必须的配置。
线控制动是自动驾驶汽车“控制执行层”中关键的系统，也是技术难度最高的部分。线控制动可分为线控液压制动和线控机械制动两种，目前智能汽车中安装的电控液压制动(EHB) 和基于iBooster的制动系统都是依赖轮缸液压力促使制动器产生制动力，属于线控液压制动系统。而线控机械制动(EMB)以电能为能量来源，通过电机驱动制动垫块，由电线传递能量，数据线传递信号，制动响应速度更快，可减小制动距离，且易于实现ABS、TCS、ESP、 ACC等功能，有效提高智能汽车的安全。
线控机械制动系统的研究有很多，其中典型的有Continential Teves公司设计的两级减速机构及滚珠丝杆的EMB结构；Bosch公司设计两个电磁离合器、两组行星齿轮及滚珠丝杆的 EMB结构具有四种不同工作状态；Siemens公司采用自增力杠杆及压盘的EMB结构提高了传动机构的传动比；Haldex公司设计的EMB系统可最大限度地缩短汽车制动距离。这些线控机械制动系统为防止故障失效，通过需要每个车轮安装两套该装置，增加了成本且很难在乘用汽车中安装。王志伟等发明的汽车电子机械制动系统(公开号：CN109941265A)，包含了控制器及算法模块，未能给出相应的机械结构。陶凡等提出一种重型汽车电子机械制动控制系统及其控制方法(公开号：CN110406517A)给出了机械结构的框架及控制算法。贝绍轶等提出一种汽车电子机械制动系统自供电式双电机制动执行机构(公开号：CN106347339A)，采用两组电机、行星齿轮及四杆螺母机构进行一个车轮的制动，对安装空间及成本要求较高。傅云峰提出一种汽车电子机械制动器(公开号：CN207406664U)，通过蜗轮蜗杆及自增力楔块结构实现电机力矩放大，及双向自增力功能。陈齐平等人设计了一种汽车电子机械制动系统(公开号：CN209553172U)利用两个电磁铁吸引力作为制动力来源。靳华伟等设计了一种汽车电子机械制动系统(公开号：CN207178531U)进行制动台架试验。这些装置均不具备系统失效的冗余或应急制动功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有线控机械制动系统缺乏失效冗余，以及冗余成本高体积大难以在乘用车中安装等缺点，提出了一种带应急制动的汽车线控机械制动装置及控制方法，该装置结构简单，占用空间小，制动响应快，制动力可控性好，且应急制动与线控机械制动解耦，互不干涉，保障了汽车行驶安全性。
本发明为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种带应急制动的汽车线控机械制动装置，包括线控机械制动执行系统，踏板感觉模拟系统，应急制动系统，电子控制单元ECU，摩擦片，轮速传感器及制动盘；
所述线控机械制动执行系统包括行星齿轮机构，所述行星齿轮机构包括太阳轮、齿圈及行星架，所述太阳轮与套筒电机的转子连接，齿圈与电磁离合器的一端连接，所述电磁离合器的另一端固定；
所述踏板感觉模拟系统包括制动踏板，踏板位移传感器，推杆，制动主缸，油杯，踏板感觉模拟器电磁阀，制动踏板感觉模拟器及油管；所述推杆一端与制动踏板连接，另一端与制动主缸的活塞连接；所述制动主缸通过油管与踏板感觉模拟器电磁阀与制动踏板感觉模拟器连接；
所述应急制动系统包括液压缸和液压缸活塞，所述液压缸通过油管经应急制动电磁阀与制动主缸连接，所述液压缸活塞靠近丝杠的自由端设置；
所述踏板位移传感器用于检测制动踏板的位移，并将检测数据发给电子控制单元ECU；
所述轮速传感器用于检测车轮的转速，并将检测数据发给电子控制单元ECU。
作为优选的一种技术方案，所述滚柱丝杠机构包括行星滚柱，滚珠丝杠的外圈，及丝杠；所述滚珠丝杠的外圈与行星架连接，丝杠的一端与推力活塞连接，另一端为自由状态。
作为优选的一种技术方案，所述丝杠的一端连接有复位弹簧，所述复位弹簧的另一端固定。
作为优选的一种技术方案，所述控电子控制单元ECU分别与所述踏板位移传感器、应急制动电磁阀、踏板感觉模拟器电磁阀、套筒电机、电磁离合器、轮速传感器电连接。
作为优选的一种技术方案，所述应急制动电磁阀为常开式电磁阀，踏板感觉模拟器电磁阀为常闭式电磁阀。
另一方面，本发明提供一种带应急制动的汽车线控机械制动装置的控制方法，包含以下步骤：
步骤1)，电子控制单元ECU采集踏板位移传感器以及轮速传感器的信号；
步骤2)，电子控制单元ECU根据踏板位移传感器和轮速传感器的信号进行系统故障自诊断，并判断系统故障情况；
步骤3)，若线控机械制动系统存在故障，进入应急制动工作模式；
步骤4)，若线控机械制动系统不存在故障，电子控制单元ECU根据踏板位移传感器信号识别驾驶员制动意图，；
步骤5)，电子控制单元ECU根据驾驶员制动意图判断是否需要解除制动。
在上述控制方法中，作为优选的技术方案，所述步骤3)进一步包括：
步骤3.1.1)，若为电子控制单元ECU故障，则切断系统电源，套筒电机断电停止运行，电磁离合器断电开启，应急制动电磁阀断电开启，踏板感觉模拟器电磁阀断电关闭，进入应急制动工作模式；
步骤3.1.2)，若电子控制单元ECU无故障，系统其他部件故障，则电子控制单元ECU发出指令，控制套筒电机停止，电磁离合器开启，应急制动电磁阀开启，踏板感觉模拟器电磁阀关闭，进入应急制动工作模式。
在上述控制方法中，作为优选的技术方案，所述应急制动模式为：制动踏板通过推杆将制动主缸的制动液经油管及应急制动电磁阀输入液压缸，液压缸压力增加，推动液压缸活塞前移，液压缸活塞与丝杠自由端接触后推动丝杠、推力活塞和摩擦片挤压制动盘产生制动力矩；制动踏板松开，则液压缸压力减小，液压缸活塞复位，丝杠在复位弹簧作用下回到初始位置，制动力解除。
在上述控制方法中，作为优选的技术方案，所述步骤5)进一步包括：
步骤5.1.1)，若判断驾驶员意图解除制动，电子控制单元ECU发出指令，控制套筒电机停止，电磁离合器开启，应急制动电磁阀关闭，踏板感觉模拟器电磁阀开启，进入制动力解除工作模式；
步骤5.1.2)，制动力解除工作模式：套筒电机停止运行且电磁离合器开启，行星齿轮机构的行星架为自由运动状态，不会给滚柱丝杠机构施加负载，丝杠在复位弹簧作用下回到初始位置，解除制动力。
在上述控制方法中，作为优选的技术方案，所述步骤5)进一步包括：
步骤5.2.1)，若判断驾驶员意图不解除制动电子控制单元ECU根据踏板位移传感器信号计算所需制动力以及套筒电机需要输出的力矩；
步骤5.2.2)，电子控制单元ECU发出指令，控制套筒电机的电流产生需要输出的力矩，电磁离合器闭合，应急制动电磁阀关闭，踏板感觉模拟器电磁阀开启，进入线控制动工作模式；
步骤5.2.3)，线控制动工作模式：制动踏板感觉模拟器通过液压管经踏板感觉模拟器电磁阀，制动主缸及推杆将液压力反馈到制动踏板，获得制动踏板感觉。套筒电机输出力矩驱动太阳轮转动，齿圈固定，则太阳轮的转矩经行星轮后减速增矩输出到行星架，带动滚珠丝杠的外圈转动，经行星滚柱后转成丝杠平动，推动推力活塞和摩擦片挤压制动盘产生制动力矩。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)简单易安装：本发明结构简单，采用套筒电机驱动行星齿轮和滚柱丝杠组合，缩小制动器径向尺寸，应急制动也仅增加一个液压缸，占用空间小，易于在车轮附近安装；
(2)制动性能好：本发明正常制动为线控机械制动模式，制动响应快，制动力矩的可控性好，且易于集成ESP、AEB等控制策略；
(3)安全可靠：本发明采用液压机构提供线控机械制动失效时的应急制动力，可实现比传统的液压制动汽车的制动安全可靠性更高要求；
(4)良好的制动路感：本发明采用液压式制动踏板感觉模拟器，可模拟常规液压制动系统提供驾驶员良好的制动路感。
附图说明
图1是本发明的一种带应急制动的汽车线控机械式制动装置的原理示意图；
图2是本发明的一种带应急制动的汽车线控机械式制动控制方法的工作原理图；
图中，1-摩擦片，2-太阳轮，3-行星轮，4-齿圈，5-行星架，6-电磁离合器，7-套筒电机， 8-行星滚柱，9-滚珠丝杠的外圈，10-电子控制单元ECU，11-应急制动电磁阀，12-制动主缸， 13-油杯，14-推杆，15-踏板位移传感器，16-制动踏板，17-制动踏板感觉模拟器，18-踏板感觉模拟器电磁阀，19-油管，20-液压缸，21-液压缸活塞，22-复位弹簧，23-丝杠，24-推力活塞，25-轮速传感器，26-制动盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开的一种带应急制动的汽车线控机械制动装置，包括线控机械制动执行系统，踏板感觉模拟系统，应急制动系统，电子控制单元ECU10，及摩擦片1，轮速传感器25及制动盘26。
所述线控机械制动执行系统包括套筒电机7，行星齿轮机构，滚柱丝杠机构，电磁离合器6，推力活塞24，复位弹簧22。所述行星齿轮机构包括太阳轮2，行星轮3，齿圈4及行星架5。太阳轮2与套筒电机7的转子连接。齿圈4与电磁离合器6的一端连接，电磁离合器6的另一端固定。所述滚柱丝杠机构包括行星滚柱8，滚珠丝杠的外圈9，及丝杠23。滚珠丝杠的外圈9与行星架5连接，丝杠23的一端与推力活塞24连接，另一端为自由状态。复位弹簧22一端与丝杠23连接，另一端固定。
所述踏板感觉模拟系统包括制动踏板16，踏板位移传感器15，推杆14，制动主缸12，油杯13，踏板感觉模拟器电磁阀18，制动踏板感觉模拟器17及油管19。推杆14一端与制动踏板16连接，另一端与制动主缸12的活塞连接。制动主缸12通过油管19经常踏板感觉模拟器电磁阀18与制动踏板感觉模拟器17连接。
所述应急制动系统包括应急制动电磁阀11，油管19，液压缸20，及液压缸活塞21。液压缸20通过油管19经应急制动电磁阀11与制动主缸12连接。液压缸活塞21靠近丝杠23的自由端。
所述控电子控制单元ECU10通过电线连接踏板位移传感器15，应急制动电磁阀11，踏板感觉模拟器电磁阀18，套筒电机7，电磁离合器6及轮速传感器25。
所述应急制动电磁阀11为常开式电磁阀，踏板感觉模拟器电磁阀18为常闭式电磁阀。
所述踏板位移传感器15用于检测制动踏板16的位移，并将检测数据发给电子控制单元 ECU10。
所述轮速传感器25用于检测车轮的转速，并将检测数据发给电子控制单元ECU10。
该汽车线控机械制动装置桶盖电子控制单元采集踏板位移传感器和轮速传感器信号，进行系统故障自诊断和驾驶员制动意图识别，决定进入三种不同的工作模式，包括线控机械制动模式、应急制动模式、及制动力解除模式；不同工作模式时电子控制单元通过控制套筒电机的输出转矩，电磁离合器的断开与闭合，踏板感觉模拟器电磁阀及应急制动电磁阀的启闭，实现正常工作时线控制动，失效情况应急制动的效果。本发明结构简单，占用空间小，制动响应快，制动力可控性好，保障了汽车行驶安全性。
如图2所示，本发明公开的带应急制动的汽车线控机械制动装置的控制方法包含以下步骤和工作模式：
步骤1)，电子控制单元ECU10采集踏板位移传感器15以及轮速传感器25的信号。
步骤2)，电子控制单元ECU10根据踏板位移传感器15和轮速传感器25的信号进行系统故障自诊断，并判断系统故障情况。
步骤3.1)，若线控机械制动系统存在故障。
步骤3.1.1)，若为电子控制单元ECU10故障，则切断系统电源，套筒电机7断电停止运行，电磁离合器6断电开启，应急制动电磁阀11断电开启，踏板感觉模拟器电磁阀18断电关闭，进入应急制动工作模式。
步骤3.1.2)，若电子控制单元ECU10无故障，系统其他部件故障，则电子控制单元ECU10 发出指令，控制套筒电机7停止，电磁离合器6开启，应急制动电磁阀11开启，踏板感觉模拟器电磁阀18关闭，进入应急制动工作模式。
步骤3.1.3)，应急制动模式：制动踏板16通过推杆14将制动主缸12的制动液经油管 19及应急制动电磁阀11输入液压缸20，液压缸20压力增加，推动液压缸活塞21前移，液压缸活塞21与丝杠23自由端接触后推动丝杠23、推力活塞24和摩擦片1挤压制动盘26产生制动力矩；制动踏板16松开，则液压缸20压力减小，液压缸活塞21复位，丝杠23在复位弹簧22作用下回到初始位置，制动力解除。
步骤3.2)，若线控机械制动系统不存在故障，
步骤4)，电子控制单元ECU10根据踏板位移传感器15信号识别驾驶员制动意图，并判断是否需要解除制动。
步骤5.1)，若判断驾驶员意图解除制动。
步骤5.1.1)，电子控制单元ECU10发出指令，控制套筒电机7停止，电磁离合器6开启，应急制动电磁阀11关闭，踏板感觉模拟器电磁阀18开启，进入制动力解除工作模式。
步骤5.1.2)，制动力解除工作模式：套筒电机7停止运行且电磁离合器6开启，行星齿轮机构的行星架5为自由运动状态，不会给滚柱丝杠机构施加负载，丝杠23在复位弹簧22作用下回到初始位置，解除制动力。
步骤5.2)，若判断驾驶员意图不解除制动。
步骤5.2.1)，电子控制单元ECU10根据踏板位移传感器15信号计算所需制动力以及套筒电机7需要输出的力矩。
步骤5.2.2)，电子控制单元ECU10发出指令，控制套筒电机7的电流产生需要输出的力矩，电磁离合器6闭合，应急制动电磁阀11关闭，踏板感觉模拟器电磁阀18开启，进入线控制动工作模式。
步骤5.2.3)，线控制动工作模式：制动踏板感觉模拟器17通过液压管19经踏板感觉模拟器电磁阀18，制动主缸12及推杆14将液压力反馈到制动踏板16，获得制动踏板感觉。套筒电机7输出力矩驱动太阳轮2转动，齿圈4固定，则太阳轮2的转矩经行星轮3后减速增矩输出到行星架5，带动滚珠丝杠的外圈9转动，经行星滚柱8后转成丝杠23平动，推动推力活塞24和摩擦片1挤压制动盘26产生制动力矩。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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