一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器及其控制方法
阅读说明：本技术 一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器及其控制方法 (Electromagnetic brake with brake clearance self-adjusting function and control method thereof ) 是由 刘晓强 王春燕 王展 赵万忠 吴刚 张自宇 孟琦康 曹铭纯 刘利锋 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器及其控制方法,包括：制动力驱动装置、间隙自调节装置、自锁装置和制动执行装置；在制动发生阶段,所述第一电磁铁通电产生磁性,磁极方向与所述永磁体磁极方向相反,利用磁铁同级互斥原理,催动永磁体向左滑动,以实现制动间隙的消除；在制动结束阶段,断开第一励磁线圈内电流,利用永磁体对铁芯的吸附作用,实现永磁体带动右制动器摩擦片的归位。本发明取消了电机在制动过程中的应用,避免了电机出现堵转的现象。取缔了复杂且占用空间大的传动机构,使得整车布置更加方便容易。(The invention discloses an electromagnetic brake with a brake clearance self-adjusting function and a control method thereof, wherein the electromagnetic brake comprises the following steps: the braking force driving device, the clearance self-adjusting device, the self-locking device and the braking executing device are arranged on the braking device; in the braking generation stage, the first electromagnet is electrified to generate magnetism, the direction of the magnetic pole is opposite to that of the permanent magnet, and the permanent magnet is urged to slide leftwards by utilizing the principle that magnets mutually repel at the same level so as to eliminate the braking gap; and at the braking ending stage, the current in the first magnet exciting coil is cut off, and the permanent magnet drives the right brake friction plate to return by utilizing the adsorption effect of the permanent magnet on the iron core. The invention cancels the application of the motor in the braking process and avoids the phenomenon of the motor locked rotor. Complex transmission mechanisms with large occupied space are eliminated, so that the whole vehicle is more convenient and easier to arrange.)
技术领域
本发明属于汽车制动系统技术领域，具体指代一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器及其控制方法。
背景技术
随着科技的不断发展，我国民用汽车拥有量逐年提升。到2019年，我国民用汽车保有量就达到了25376.38万辆。在汽车保有量不断提升的过程中，人民的日常出行与车辆息息相关。制动系统作为车辆中一个重要的执行机构，在车辆发展的过程中起着重要的推动作用。当前市面上常用的制动器包括鼓式制动器和盘式制动器，其中盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别在高负载工况下耐高温性能好,制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，能够在冬季和恶劣路况下行车。因此，盘式制动器为未来的发展方向。
此外，随着智能车的不断发展，制动系统的线控化成为必然趋势。当前的线控制动发展方向为利用电动助力器代替真空助力器推动主缸活塞，由于电机输出的为高速低扭转动运动，还需要一套高效的减速增扭装置，将电机的扭矩转换为强大的直线推力。然而由于底盘空间较小，电机与减速装置的体积必须很小，很难满足车辆制动力需求。此外，由电机驱动的线控制动方案还存在堵转问题。因此，需要采用新的技术方案和制动思路来实现线控制动。
例如，中国发明专利申请号CN201911009661.X，名称为“一种基于磁致伸缩材料的盘式制动器及其控制方法”，提到了磁致伸缩材料在盘式制动器中的应用，利用磁致伸缩材料在磁场中产生形变的特点，取代传统的液压油路来为制动器提供动力，简化了系统结构。然而，在结构设计上，其忽略了磁致伸缩材料在磁场中形变量较小、制动间隙导致制动力减小、摩擦损耗导致制动间隙变大和杠杆结构造成制动力损失等问题。
中国发明专利申请号CN201611241247.8，名称为“一种电机联合磁致伸缩作用的线控制动器”，考虑了上述问题，利用电机和传动机构实现套筒的直线运动。利用套筒带动由磁致伸缩材料制作的活塞头，利用活塞头推动制动块实现制动。其中首先由电机和磁致伸缩材料共同作用，消除制动间隙并实现部分制动，当达到预设制动力后停止对电机供电，利用磁致伸缩材料和螺纹杆自锁实现制动，一定程度上消除了制动间隙对制动效果的影响。然而其结构在消除间隙上采用了电机和传动机构，使制动器结构复杂化，增加了制动器布置难度。此外，在电机工作模式上也不能完全避免堵转模式。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器及其控制方法，以解决现有技术中制动结构复杂、制动效果差、车辆布置空间占用大和电机堵转等问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器，包括：制动力驱动装置、间隙自调节装置、自锁装置和制动执行装置；
所述制动执行装置包括：制动器壳体、左制动衬块、右制动衬块、左制动器摩擦片、右制动器摩擦片、制动导块、导轨、导轨弹簧和制动盘；所述左制动摩擦片与左制动衬块、右制动摩擦片与右制动衬块分别固定连接；所述左制动衬块与制动器壳体固定连接；所述右制动衬块与制动导块固定连接；所述制动导块与制动器壳体间隙配合，可在制动器壳体内沿水平方向自由滑动；所述制动盘与左制动器摩擦片、右制动器摩擦片间设有制动间隙，当制动导块受压，沿水平方向给右制动器摩擦片施加压力，右制动器摩擦片压紧制动盘，在制动盘的反作用力下驱动制动器壳体沿导轨向右移动，带动左制动衬块和左制动摩擦片压紧制动盘，从而实现制动盘的制动；所述导轨的最左侧为左限位端，最右侧为右限位端，所述导轨弹簧安装于右限位端和制动器壳体之间；未进行制动时，在导轨弹簧压紧力作用下制动器壳体与左限位端直接接触，制动过程结束后利用导轨弹簧使制动器壳体、左制动衬块和左制动器摩擦片回位；
所述间隙自调装置包括：第一电磁铁、第一隔磁罩、压力传感器和永磁体；所述压力传感器与永磁体固定连接；所述第一隔磁罩固定于制动器壳体上，第一电磁铁设于第一隔磁罩内；所述第一电磁铁包括第一励磁线圈和第一铁芯；所述第一励磁线圈缠绕于第一铁芯上，电流通过第一励磁线圈产生磁场使第一铁芯磁化；所述第一铁芯的一端固定连接制动器壳体，另一端设置永磁体；
所述制动力驱动装置包括：第二励磁线圈、磁致伸缩杆、第二隔磁罩；所述第二励磁线圈缠绕于磁致伸缩杆上；所述磁致伸缩杆的一端与制动导块固定连接；所述第二隔磁罩与制动器壳体固定连接；所述第二励磁线圈与磁致伸缩杆设于第二隔磁罩内；
所述自锁装置包括：第二电磁铁、驱动弹簧、自锁滑块、锁止块和第三隔磁罩；所述第二电磁铁包括：第三励磁线圈和第二铁芯；所述第二铁芯的一端与制动器壳体固定连接；所述第三励磁线圈缠绕至第二铁芯上；所述第二铁芯与第二励磁线圈安装在第三隔磁罩内；所述锁止块与制动器壳体间隙配合，可在制动器壳体内沿水平方向自由滑动，锁止块右端与所述压力传感器固定连接，左端与所述磁致伸缩杆的另一端固定连接，锁止块与自锁滑块啮合连接；当锁止块受到向右的推力时会发生自锁；所述驱动弹簧安装于第二铁芯与自锁滑块之间，并有一定预紧力，对自锁滑块向下施压。
进一步地，所述自锁滑块、锁止块均呈楔形设计，所述锁止块上部开有楔形槽，自锁滑块的一端设于楔形槽内，二者配合后使得锁止块在制动过程中水平方向自锁。
进一步地，所述自锁滑块斜面及楔形槽斜面与竖直方向的夹角小于自锁滑块与楔形槽斜面之间的摩擦角。
进一步的，所述第二电磁铁在电流的作用下会产生磁性；在制动发生阶段，断开第三励磁线圈内的电流，使自锁滑块在驱动弹簧的作用下向下滑动，并利用自锁滑块与楔形槽斜面之间的自锁避免自锁滑块受压上滑；在制动结束阶段，第三励磁线圈通电，电流通过第三励磁线圈产生磁场，第二铁芯在磁场的作用下产生磁性，实现对自锁滑块的向上吸附，完成对自锁装置的解锁，从而使得右制动器摩擦片在永磁体和第一铁芯的吸附下向右移动。
进一步地，所述自锁滑块、锁止块均呈锯齿设计，二者间通过锯齿配合；使得锁止块在制动过程中水平方向自锁。
进一步的，在制动发生阶段，所述第一电磁铁通电产生磁性，磁极方向与所述永磁体磁极方向相反，利用磁铁同级互斥原理，催动永磁体向左滑动，以实现制动间隙的消除；在制动结束阶段，断开第一励磁线圈内电流，利用永磁体对铁芯的吸附作用，实现永磁体带动右制动器摩擦片的归位。
本发明的一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器的控制方法，步骤如下：
步骤1)：采集踏板信息与车辆行驶信息，并将采集到的信息传输至电子控制单元；
步骤2)：电子控制单元利用采集到的踏板信息和车辆行驶信息计算所需制动力；
步骤3)：利用间隙自调节装置与自锁装置完成间隙自调节、制动自锁与制动力预紧；
步骤4)：调节制动力驱动装置中第二励磁线圈电流的大小，驱动磁致伸缩杆产生伸长的变形趋势，并以此产生制动力；
步骤5)：制动过程结束后，断开第二励磁线圈电流，磁致伸缩杆恢复原长；自锁装置解锁，在永磁体对第一铁芯的吸附作用及导轨弹簧的回弹作用下，左、右制动力摩擦片回位，结束制动。
进一步的，所述步骤1)中踏板信息包括踏板位移信号与踏板速度信号，车辆行驶信息包括车速信号和车辆加速度信号。
进一步的，所述步骤3)中间隙自调节、制动自锁与制动预紧过程为：对第一电磁铁进行通电，通过永磁体与第一电磁铁间的斥力完成间隙自调节；利用压力传感器感知锁止块与永磁体间的压力，当锁止块与永磁体间压力达到预定阈值，即左、右制动器摩擦片与制动盘达到目标预紧力时，对第一电磁铁断电；自锁滑块在锁止块与驱动弹簧的共同作用下向下移动，完成自锁。
进一步的，所述步骤4)中所需的磁致伸缩杆的伸长量为：
式中，FC为目标制动力，F0为制动预紧力，L为磁致伸缩杆长度，E为杨氏模量，r为磁致伸缩杆半径，ε为磁致伸缩杆伸长量。
进一步的，所述步骤4)中线圈所需电流大小为：
式中，I为电流大小，λ为应变量，Le为磁致伸缩杆绕有励磁线圈部分的长度，N为线圈扎数，ε为磁致伸缩杆伸长量，L为磁致伸缩杆长度，H(λ)为达到应变量λ所需的磁场强度，其值由实验所得的磁场强度与应变量的关系曲线获得。
进一步的，所述步骤5)中自锁装置的解锁过程为：第三励磁线圈内通电，产生磁场，第二铁芯在磁场作用下产生磁性吸附自锁滑块，自锁滑块上移，解除自锁结构。
本发明的有益效果：
本发明相比于传统的制动系统，取缔了复杂的液压(气压)管路，使整体结构简单化。相比于当前采用电机的线控制动器，本发明取消了电机在制动过程中的应用，避免了电机出现堵转的现象。取缔了复杂且占用空间大的传动机构，使得整车布置更加方便容易。相比于当前基于磁致伸缩材料的线控制动，考虑了间隙自调节的问题，避免了因制动间隙而导致的制动力损耗，以及因磨损而导致制动间隙变大的制动力失效问题。除此之外，本发明避免采用杠杆结构，所有受力部件均受拉压力，极大的降低了在力传递过程中的损耗问题。
附图说明
图1为示例一制动器整体结构图；
图2a为示例二制动器整体结构图；
图2b为图2a的M部放大图；
图3为本发明制动器控制流程图；
图4为磁致伸缩杆应变与磁场强度关系曲线图；
图中，11-制动器壳体，12-左制动衬块，13-左制动器摩擦片，14-制动盘，15-右制动衬块，16-右制动器摩擦片，17-制动导块，18-导轨弹簧，19-导轨，21-第一铁芯，22-第一励磁线圈，23-第一隔磁罩，24-永磁体，25-压力传感器，31-第二隔磁罩，32-磁致伸缩杆，33-第二励磁线圈，401-第三隔磁罩，402-第三励磁线圈，403-第二铁芯，404-第一驱动弹簧，405-楔形自锁滑块，406-第一锁止块，411-第四隔磁罩，412-第四励磁线圈，413-第三铁芯，414-第二驱动弹簧，415-锯齿自锁滑块，416-第二锁止块。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器，包括：制动力驱动装置、间隙自调节装置、自锁装置和制动执行装置；
所述制动执行装置包括：制动器壳体11、左制动衬块12、右制动衬块15、左制动器摩擦片13、右制动器摩擦片16、制动导块17、导轨19、导轨弹簧18和制动盘14；所述左制动摩擦片13与左制动衬块12、右制动摩擦片16与右制动衬块15分别固定连接；所述左制动衬块12与制动器壳体11固定连接；所述右制动衬块15与制动导块17固定连接；所述制动导块17与制动器壳体11间隙配合，可在制动器壳体11内沿水平方向自由滑动；所述制动盘14与左制动器摩擦片13、右制动器摩擦片16间设有制动间隙，当制动导块17受压，沿水平方向给右制动器摩擦片16施加压力，右制动器摩擦片16压紧制动盘14，在制动盘14的反作用力下驱动制动器壳体11沿导轨19向右移动，带动左制动衬块12和左制动摩擦片13压紧制动盘14，从而实现制动盘14的制动；所述导轨19的最左侧为左限位端，最右侧为右限位端，所述导轨弹簧18安装于右限位端和制动器壳体11之间；未进行制动时，在导轨弹簧18压紧力作用下制动器壳体11与左限位端直接接触，制动过程结束后利用导轨弹簧18使制动器壳体11、左制动衬块12和左制动器摩擦片13回位；
所述间隙自调装置包括：第一电磁铁、第一隔磁罩23、压力传感器25和永磁体24；所述压力传感器25与永磁体24固定连接；所述第一隔磁罩23固定于制动器壳体11上，第一电磁铁设于第一隔磁罩23内，避免受到外部磁场干扰；所述第一电磁铁包括第一励磁线圈22和第一铁芯21；所述第一励磁线圈22缠绕于第一铁芯21上，电流通过第一励磁线圈产生磁场使第一铁芯磁化；所述第一铁芯21的一端固定连接制动器壳体11，另一端设置永磁体24；
所述制动力驱动装置包括：第二励磁线圈33、磁致伸缩杆32、第二隔磁罩31；所述第二励磁线圈33缠绕于磁致伸缩杆32上；所述磁致伸缩杆32的一端与制动导块17固定连接；所述第二隔磁罩31与制动器壳体11固定连接；所述第二励磁线圈33与磁致伸缩杆32设于第二隔磁罩31内，以避免受到外部磁场干扰；
示例一，所述自锁装置包括：第二电磁铁、第一驱动弹簧404、楔形自锁滑块405、第一锁止块406和第三隔磁罩401；所述第二电磁铁包括第三励磁线圈402和第二铁芯403；所述第二铁芯403的一端与制动器壳体11固定连接；所述第三励磁线圈402缠绕至第二铁芯403上；所述第二铁芯403与第三励磁线圈402安装在第三隔磁罩401内部，避免其受到外部磁场干扰；所述第一锁止块406与制动器壳体11间隙配合，可在制动器壳体11内沿水平方向自由滑动，第一锁止块406右端与所述压力传感器25固定连接，左端与所述磁致伸缩杆32固定连接，第一锁止块406上开有楔形槽，楔形自锁滑块405插在楔形槽中，楔形自锁滑块405斜面及楔形槽斜面与竖直方向的夹角小于楔形自锁滑块与楔形槽斜面之间的摩擦角，当第一锁止块406受到向右的推力时会发生自锁；所述第一驱动弹簧404安装于第二铁芯403与楔形自锁滑块405之间，并有一定预紧力，对楔形自锁滑块405向下施压。
所述第二电磁铁在电流的作用下会产生磁性；在制动发生阶段，断开第三励磁线圈内的电流，使楔形自锁滑块405在第一驱动弹簧404的作用下向下滑动，并利用楔形自锁滑块405与楔形槽斜面之间的自锁避免楔形自锁滑块405受压上滑；在制动结束阶段，第三励磁线圈402通电，电流通过第三励磁线圈产生磁场，第二铁芯在磁场的作用下产生磁性，实现对楔形自锁滑块405的向上吸附，完成对自锁装置的解锁，从而使得右制动器摩擦片在永磁体24和第一铁芯的吸附下向右移动。
参照图2a，图2b所示，示例二，所述自锁装置包括：第三电磁铁、第二驱动弹簧414、第四隔磁罩411、锯齿自锁滑块415和第二锁止块416；所述第三电磁铁包括第四励磁线圈412和第三铁芯413；所述第三铁芯413的一端与制动器壳体11固定连接；所述第四励磁线圈412缠绕至第三铁芯413上；所述第三铁芯413与第三励磁线圈412安装在第四隔磁罩411内部，避免其受到外部磁场干扰；所述第二锁止块416与制动器壳体11间隙配合，可在制动器壳体11内沿水平方向自由滑动，第二锁止块416右端与所述压力传感器25固定连接，左端与所述磁致伸缩杆32固定连接，第二锁止块416上开有锯齿形槽，锯齿自锁滑块415上的锯齿与锯齿形槽相配合，当第二锁止块416受到向右的推力时会发生自锁；所述第二驱动弹簧414安装于第三铁芯413与锯齿自锁滑块415之间，并有一定预紧力，对锯齿自锁滑块415向下施压。
在制动发生阶段，所述第一电磁铁通电产生磁性，磁极方向与所述永磁体24磁极方向相反，利用磁铁同级互斥原理，催动永磁体24向左滑动，以实现制动间隙的消除；在制动结束阶段，断开第一励磁线圈内电流，利用永磁体24对铁芯的吸附作用，实现永磁体24带动右制动器摩擦片16的归位。
参照图3所示，本发明的一种具有制动间隙自调节功能的电磁制动器的控制方法，步骤如下：
步骤1)：采集踏板信息与车辆行驶信息，并将采集到的信息传输至电子控制单元(ECU)；所述步骤1)中踏板信息包括踏板位移信号与踏板速度信号，车辆行驶信息包括车速信号和车辆加速度信号；
步骤2)：电子控制单元利用采集到的踏板信息和车辆行驶信息计算所需制动力；
步骤3)：利用间隙自调节装置与自锁装置完成间隙自调节、制动自锁与制动力预紧；
间隙自调节、制动自锁与制动预紧过程为：对第一电磁铁进行通电，通过永磁体与第一电磁铁间的斥力推动永磁体、压力传感器、锁止块、磁致伸缩杆、制动导块、右制动衬块、右制动器摩擦片向左移动，右制动器摩擦片压紧制动盘右侧制动平面，推动第一电磁铁、制动器壳体、左制动衬块、左制动器摩擦片向右移动，左制动器摩擦片压紧制动盘左侧制动平面，完成间隙自调节；同时，自锁滑块在锁止块与驱动弹簧的共同作用下向下移动，完成自锁；利用压力传感器感知锁止块与永磁体间的压力，当锁止块与永磁体间压力达到预定阈值，即左、右制动器摩擦片与制动盘达到目标预紧力时，对第一电磁铁断电，在自锁机构的作用下预紧力保持不变，实现制动力预紧；
步骤4)：调节制动力驱动装置中励磁线圈电流的大小，驱动磁致伸缩杆产生伸长的变形趋势，并以此产生制动力；参照图4所示，
所述步骤4)中所需的磁致伸缩杆的伸长量为：
式中，FC为目标制动力，F0为制动预紧力，L为磁致伸缩杆长度，E为杨氏模量，r为磁致伸缩杆半径，ε为磁致伸缩杆伸长量。
所述步骤4)中线圈所需电流大小为：
式中，I为电流大小，λ为应变量，Le为磁致伸缩杆绕有励磁线圈部分的长度，N为线圈扎数，ε为磁致伸缩杆伸长量，L为磁致伸缩杆长度，H(λ)为达到应变量λ所需的磁场强度，其值由实验所得的磁场强度与应变量的关系曲线获得；
步骤5)：制动过程结束后，断开第二励磁线圈电流，磁致伸缩杆恢复原长；自锁装置解锁，在永磁体对第一铁芯的吸附作用及导轨弹簧的回弹作用下，左、右制动力摩擦片回位，结束制动。
自锁装置的解锁过程为：第三励磁线圈内通电，产生磁场，第二铁芯在磁场作用下产生磁性吸附自锁滑块，自锁滑块上移，解除自锁结构。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：制动器及塔机