专利名称：调制式制动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机动车的制动系统，尤其是用于汽车、摩托车的具有优良的可控制性的制动装置。
中国专利02122371.8提出了调制式防抱死制动系统，该发明以防抱死为重点，提供的调制器都是减力式的，其他ABS系统也有相同特点，都以减力方式工作。本发明是该发明的继续深入，以全面改善制动性能为目的，调制器大都以增力方式工作。
本发明的基本思想是脉冲宽度调制技术(PWM，Pulse-Width Modulation)，基本技术方案是制动器只产生一种大小固定的制动力F，制动时，在控制器的控制下，制动器不断地快速在有制动力和无制动力状态切换，形成制动力脉冲串，有制动力状态的时间为T1，无制动力状态的时间为T2，则制动力的平均值就是Fξ＝FT1/(T1+T2)，其中ξ＝T1/(T1+T2)，称为占空比，有制动力状态固定制动力大小F称为制动力脉冲幅度。一般保持制动力脉冲幅度F不变，通过调节占空比ξ，调节平均制动力的大小。由于T1、T2易于控制，因而平均制动力的大小也就易于控制了。由于车辆的制动效果与平均制动力的大小有关，即平均制动力与现有系统的制动器制动力等价，因此，把平均制动力简称制动力。
上述基本技术方案有个缺点由于ξ≤1，F必须不小于所需的最大制动力，当需要较小的制动力时，占空比ξ可能很小，不易实现，需要改进。
本发明解决其技术问题所采用的一种改进技术方案是制动器可以产生几种大小固定的制动力，即有多个制动力脉冲幅度F1、F2…Fn，(F1＜F2…＜Fn)；当需要较小的制动力对，选用较小的脉冲幅度(如F1)，以产生较小的平均制动力(F1ξ)；当需要较大的制动力时，选用较大的脉冲幅度(如Fn)，以产生较大的平均制动力(Fnξ)；每个脉冲幅度对应一个制动力调节范围，在调节范围内脉冲幅度保持不变，通过调节ξ改变制动力，超出该范围时，由控制器改变脉冲幅度，选择新的范围。各固定力对应的范围一般有重叠，以避免频繁改变调节范围。采用多个制动力脉冲幅度后，就可以避免占空比ξ过小、过大的问题。
也可以有如下工作模式，需要的制动力为P，0＜F1＜P＜F2，制动器交替输出脉冲幅度为F1和脉冲幅度为F2的制动力，幅度为F1的时间长度T1，幅度为F2的制动力时间长度T2，控制T1、T2的长度，使(F1*T1+F2*T2)/(T1+T2)＝P。
为实现上述技术方案，调制式制动系统由操作器、控制器、调制器、制动器等构成。操作器是由驾驶员进行操作的装置，它把手柄或脚踏板的转角、位移、力度等，变为模拟或数字控制信号，送到控制器。控制器根据操作器的控制信号，及其他传感器的信号，产生PWM电压或电流信号，送调制器。调制器是把PWM电压或电流信号变为制动控制力的装置，根据制动器是液压式或机械式，有不同的形式。制动器是把制动控制力变为制动力的装置，基本上可以使用现有的盘式、鼓式制动器，在某些局部地方，为适应脉宽调制方式，充分发挥其优势，也可以进行改进。
操作器的原理是把制动踏板或手柄的转角、位移、力度等物理量变为模拟或数字电压电流信号，以表示制动强度，所需的技术、器件都很成熟，易于实现。转角型操作器由踏板或手柄、角度传感器(或变送器)等构成，踏板或手柄可以绕轴转动，角度传感器(或变送器)可以测量出转动的角度，以电压电流等形式输出。位移型操作器由踏板或手柄、位移元件、位移传感器(或变送器)等构成，踏板或手柄可以平动或转动，运动时使位移元件产生位移，位移传感器(或变送器)可以测量出位移的大小，以电压电流等形式输出。力度型操作器由踏板或手柄、弹性元件、力传递元件、力度传感器(或变送器)等构成，踏板或手柄可以平动或绕轴转动，弹性元件将该运动变换为力度的变化，由力传递元件传递到力度传感器(或变送器)，力度传感器(或变送器)可以测量出力度的大小，以电压电流等形式输出。另外，操作器还设置两个数字信号(开关信号)——制动信号和紧急制动信号制动信号表示正在进行制动操作，只要踩下制动踏板，制动信号一直有效；紧急制动信号是表示进行紧急制动操作，通常制动踏板踩到底时有效。这两个信号可以由位置检测开关实现。
控制器由信号输入电路、信号输出电路、信号处理电路等基本电路构成，也可以加入键盘、显示电路等附属电路。信号输入电路接收操作器送来的信号，也接收其他传感器的信号，如轮速、加速度、轮胎磨损量、温度等。信号输出电路输出PWM电压电流给调制器，也可以输出其他信号(如固定力大小选择信号)，或给其他系统(如发动机)。信号处理电路可以由单片机(MCU)、数字信号处理器(DSP)、存储器及相关电路构成，单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)内有控制程序，可以根据各输入信号，产生相应的输出，如根据操作器信号，选择固定力的大小和占空比。显示电路显示各种状态和参数。键盘用于输入各种系统配置和参数。
控制器内加入动态制动负荷分配等控制方法，可以改善制动性能。根据制动动力学原理，对于双轴车，分配系数β＝[b+hFμ/W]/L，式中L是轴距、h是质心高度、b是质心至后轴中心线的距离，Fμ是总制动力，W是车总重量。控制器根据总制动力Fμ，动态计算分配系数β，并以此为据，动态调节前后轮的脉冲宽度，就实现了动态制动负荷分配。车总重量W，可以由传感器测出，也可以由键盘输入。对于某些车辆(如摩托车、轿车等)，可在键盘上设置1人、2人、3人等按键，就可大体输入车总重量。对于某些重量变化不大的车辆(如单人摩托车等)，车总重量W还可以取固定值。
调制器是把控制器输出的PWM电压或电流信号变为制动控制力的装置，根据制动器的工作方式，有不同的形式。常用制动器有液压(油压)控制式、气动控制式、机械式等，也就对应有不同的调制器。另外，由于调制式制动系统是动力制动系统，按惯例通常还需考虑动力失效时，制动系统能用人力直接控制。一种简单的方法是单独设立人力制动系统，不过更经济的方法，是在一套系统中，实现两种操作方式。
对于液压控制的制动器，调制制动系与人力制动系共存，可以用一个二位三通电磁换向阀实现，该阀称为手自动选择阀[3]，如
图1、2、3。二位三通电磁换向阀有三个进出油口公共油口、常通油口、常断油口，阀线圈中无电流时公共油口与常通油口连通，有电流时公共油口与常断油口连通。系统油路连接为手自动选择阀[3]公共油口与轮缸[1]油路连接，常通油口与主缸[2]油路连接，常断油口与油压调制器油路连接。手自动选择阀[3]线圈与控制器电路连接，阀位由控制器控制。手自动选择阀[3]通电时，轮缸[1]与油压调制器连通，构成调制制动系；手自动选择阀[3]断电时，轮缸[1]与主缸[2]连通，构成人力制动系。
第一种液压制动器的调制器是密封加压式油压调制器，其核心是由调制油缸、加压活塞、电磁动力部件等构成的电磁加压缸[20]。加压活塞在调制油缸中，可以滑动，以改变调制油缸的容积，改变油压；电磁动力部件通常是电磁铁，也可以是各种电动机，如直线电机、摆动电机等，图1为电磁铁。电磁动力部件与加压活塞机械连接，可以在加压活塞上施加压力或拉力；电磁动力部件与控制器连接，能根据控制器输出的脉冲控制信号产生力脉冲，该力脉冲施加给加压活塞，能在调制油缸中产生油压脉冲；油压脉冲宽度由控制信号脉冲宽度决定，油压脉冲幅度由控制信号脉冲幅度决定。
图1是由该油压调制器构成的调制式制动系统。如图，调制油缸与手自动选择阀[3]常断油口油路连接。调制工作时，调制油缸与轮缸[1]连通，控制器输出电流作为控制信号电磁铁中无电流时，调制油缸与轮缸无压力，制动器无制动力；电磁铁中有电流时，铁心施加压力给加压活塞，在调制油缸中产生油压，使制动器有制动力。通过调节电磁铁中电流脉冲宽度，实现油压脉冲宽度调制，进而实现制动力脉冲宽度调制；通过调节电磁铁中电流强度的大小，实现油压、制动力脉冲幅度大小的改变。从而实现制动力调制。
第二种调制器是斩波式油压调制器，如图2，它由斩波阀[4]、储压器[5]、油泵[6]、单向阀[7]、溢流限压阀[8]、油箱等构成，斩波阀[4]是一个二位三通电磁换向阀。油泵[6]出油口与溢流限压阀[8]进油口、储压器[5]油路连接，构成高压油路；经单向阀[7]连接油箱的油管，构成回油油路。单向阀[7]的作用是防止空气进入制动油路，如果采用其它措施能达到此目的，也可以不用单向阀[7]，直接用连接油箱的油管构成回油油路。斩波阀[4]常通油口与回油油路连接、常断油口高压油路连接、公共油口与手自动选择阀[3]常断油口油路连接，构成斩波式油压调制器。另外，斩波阀[4]线圈与控制器电路连接，受控制器控制。
工作原理如下人力制动时，手自动选择阀[3]无电流，轮缸[1]与主缸[2]连通，由人力进行制动。调制制动时，油泵[6]把油增压后，经溢流限压阀[8]调压后储于储压器[5]中，使高压油路保持一定的油压。斩波阀中有电流时，高压油路经斩波阀[4]、手自动选择阀[3]与轮缸[1]连通，轮缸中有油压，制动器产生制动力；无电流时，轮缸[1]经手自动选择阀[3]与回油油路连通，轮缸中油压降到零，制动器不产生制动力。通过控制斩波阀电流脉冲宽度，就可以控制轮缸[1]与高压油路、回油油路连通的时间，从而实现油压调制。斩波阀在此充当斩波器，把高压油路中的高压油变成油压脉冲，故称为斩波阀。
为实现多个油压脉冲幅度，可使用多个压力不同的减压阀[9]、同样多个储压罐，构成多个压力不同的高压油路，用一个油压选通阀[10]选择其一进行制动。油压选通阀是一种特殊的多位多通换向阀，它有一个出油口和多个进油口，有与进油口数目相同的位置，在每个位置上一个出油口与一个进油口连通。油压选通阀[10]出油口与斩波阀[4]常断油口油路连接，进油口与一个高压油路连接，就构成油压选择油路。油压选通阀[10]线圈与控制器电路连接，调制制动时，控制器通过控制电流，选择不同的高压油路，以选择不同的油压，就实现油压脉冲幅度的改变，也就实现制动力脉冲幅度的改变。
在某些情况下(如高压油路较少)，斩波阀[4]与油压选通阀[10]、手自动选择阀[3]可以部分或全部合并为一个，但斩波阀需要频繁动作，易于磨损，合并不一定更加经济。
以上几种油压调制器，都可以用于液压控制的盘式、鼓式制动器。使用油压调制，调制频率一般较低，使用电磁式调制器可以提高调制频率，下面提供几种电磁式调制器，可用于鼓式制动器。
电磁式调制器由电磁动力部件和控制力传递部件构成。其结构与现有的液压式、气动式基本相同，控制力传递部件采用相同结构，只是用电磁动力部件代替轮缸、气缸，电磁动力部件可以是电磁铁、直线电机、摆动电机等。控制力传递部件可以是凸轮、楔块、杠杆等，控制力传递部件将电磁动力部件产生的控制力传递到制动蹄上，也可以让动力部件的动力直接作用到制动蹄上。通过调节电磁动力部件的电压或电流脉冲宽度，实现制动力脉冲宽度调制；通过调节电磁动力部件的电压或电流的大小，实现脉冲幅度(同定力大小)的改变。
电磁直动式调制器的结构如图4，它由电磁动力部件、调制部件[19]等构成。图中电磁动力部件是电磁铁，安装在制动鼓内，直接通过调制部件[19]推动制动蹄。调制部件[19]使用非铁磁材料。电磁杠杆式调制器的结构如图5，它由电磁动力部件、调制杠杆[11]等构成，电磁动力部件也是电磁铁，安装在轮毂外，通过调制杠杆[11]推动制动蹄。电磁凸轮式调制器的结构如图6，它由电磁动力部件、调制凸轮[12]、调制臂[13]等构成，电磁动力部件是电磁铁，安装在制动鼓外，通过调制臂[13]、调制凸轮[12]推动制动蹄。使用楔块作控制力传递部件，可以构成电磁楔式调制器。与现有的楔式制动器不同，楔块可以采用台阶状，以实现多种固定力，如图7，是有两种同定力的楔式调制器。通过调节电磁铁中电流脉冲宽度，可以实现制动力脉冲宽度调制；通过调节电磁铁中电流的大小，就可以实现制动力脉冲幅度(固定力大小)的改变。为实现与人力控制系共存，可另安装凸轮或楔块等人力制动部件，人力直接控制这个人力制动部件即可。同样，另安装凸轮或楔块等驻车制动部件，也可以实现驻车制动。
制动器是把制动控制力变为制动力的装置，可以使用现有的盘式、鼓式制动器。
整个系统工作时，控制器根据操作器的制动信号、紧急制动信号和制动强度信号等控制信号，产生相应的脉冲调制电压或电流信号，送调制器。电压或电流的占空比，代表制动强度，脉冲幅度的改变，可以用电压高低或电流大小的改变实现，也可以用另外的信号实现，这与调制器的种类有关。调制器把PWM电压或电流信号变为制动控制力，在制动器上产生所需的制动力。由于控制器只需改变脉冲的占空比即可改变制动力的大小，使制动力容易控制，也容易实现各车轮的动态制动负荷分配、防抱死等功能，改善制动系统的性能。
本发明的有益效果是，由于采用脉冲宽度调制方法控制制动力的大小，实际上实现了制动器的数字化，使制动力大小的控制变得方便、容易，可以使用各种先进的控制方法，制动性能好。
图1是密封加压式油压调制器原理图。
图2是斩波式油压调制器原理图。
图3是多油压斩波式油压调制器原理图。
图4是电磁直动式调制器原理图。
图5是电磁杠杆式调制器原理图。
图6是电磁凸轮式调制器原理图。
图7是电磁楔式调制器原理图。
图8是实施例的结构示意图。
图中1.轮缸，2.主缸，3.手自动换向阀，4.斩波阀，5.储压器，6.油泵，7.单向阀，8.溢流限压阀，9.减压阀，10.油压选通阀，20.电磁加压缸11.调制杠杆，12.调制凸轮，13.调制臂，14.制动蹄，15.人力制动凸轮，16.调制制动手柄，17.人力制动手柄，18.操作传感器，19.调制部件图8是根据本发明提出的实施例结构示意图，是调制式制动系统在摩托车上的使用。如图，摩托车前轮使用盘式制动器，后轮使用鼓式制动器。鼓式制动器上装有由调制凸轮[12]、调制臂[13]、电磁铁等构成的电磁凸轮式调制器，以实现调制式制动；鼓式制动器上还装有人力制动凸轮[15]、踏板等构成的人力制动系，以保证调制式制动系故障时的行车安全。前轮盘式制动器制动系采用密封加压式油压调制方式，也构成调制制动系和人力制动系两套制动系统，由手自动选择阀[3]切换选择阀[3]断电时，由主缸[2]、轮缸[1]等构成人力制动系(图中位置)；选择阀[3]通电时，由电磁加压缸[20]、轮缸[1]构成调制制动系。主缸[2]由人力制动手柄[17]控制操作。调制制动手柄[16]、操作传感器[18]等构成操作器，给控制器提供操作信号。
制动时，驾驶员操作调制制动手柄[16]，操作传感器[18]将操作信号送到控制器，控制器给手自动选择阀[3]通电，使前轮切换到调制制动系，控制器根据操作信号表示的制动强度，产生相应幅度和占空比的调制电流，加到电磁加压缸[20]和电磁凸轮式调制器的电磁铁上，实现制动。
调制制动系故障时，手自动选择阀[3]断电，主缸[2]、轮缸[1]连通，可以通过人力制动手柄[17]实现前轮制动；通过踏板、人力制动凸轮[15]可以实现后轮制动。
权利要求
1.一种车辆制动装置，由制动器、调制器、控制器、操作器等构成，其特征在于制动时，采用脉冲宽度调制方式控制制动力的大小，即制动器产生大小固定的制动力F，在控制器、调制器的作用下，制动器不断地快速在有制动力和无制动力状态切换，形成制动力脉冲串，有制动力状态的时间为T1，无制动力状态的时间为T2，制动力的平均值为Fξ＝FT1/(T1+T2)，通过调节占空比ξ，调节平均制动力的大小。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于制动器有多个制动力脉冲幅度，每个脉冲幅度对应一个制动力调节范围；在调节范围内调节制动力时，脉冲幅度保持不变，通过调节占空比改变制动力的大小；超出范围时，由控制器改变脉冲幅度，选择新的范围。
3.根据权利要求1、2所述装置，还包括轮缸[1]、主缸[2]等，其特征在于还包括油压调制器、手自动选择阀[3]；手自动选择阀[3]公共油口与轮缸[1]油路连接；手自动选择阀[3]常通油口与主缸[2]油路连接；手自动选择阀[3]常断油口与油压调制器油路连接；手自动选择阀[3]线圈与控制器电路连接；手自动选择阀[3]通电时，轮缸[1]与油压调制器连通，构成调制制动系；手自动选择阀[3]断电时，轮缸[1]与主缸[2]连通，构成人力制动系。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于油压调制器是电磁加压缸[20]，由调制油缸、加压活塞、电磁动力部件等构成；加压活塞在调制油缸中，可以滑动，改变调制油缸的容积；电磁动力部件与加压活塞机械连接，可以在加压活塞上施加压力或拉力；电磁动力部件与控制器连接，能根据控制器输出的脉冲控制信号产生力脉冲，该力脉冲施加给加压活塞，能在调制油缸中产生油压脉冲；油压脉冲宽度由控制信号脉冲宽度决定，油压脉冲幅度由控制信号脉冲幅度决定；调制油缸与手自动选择阀[3]常断油口油路连接；调制制动时，油压脉冲使制动器产生制动力脉冲；控制器通过调节控制信号脉冲宽度，实现油压脉冲宽度改变，进而实现制动力脉冲宽度改变；通过调节控制信号脉冲幅度，实现油压脉冲幅度改变，进而实现制动力脉冲幅度改变。
5.根据权利要求3所述装置，其特征在于油压调制器由斩波阀[4]、高压油路、回油油路等构成；斩波阀[4]常通油口与回油油路连接；斩波阀[4]常断油口与高压油路连接；斩波阀[4]公共油口与手自动选择阀[3]常断油口油路连接；斩波阀[4]线圈与控制器电路连接；调制制动方式下，斩波阀中有电流时，轮缸[1]与高压油路连通，轮缸中有油压，制动器产生制动力；斩波阀中无电流时，轮缸[1]与回油油路连通，轮缸中油压降到零，制动器不产生制动力；通过控制斩波阀电流脉冲宽度，调节轮缸[1]与高压油路、回油油路连通的时间，实现油压、制动力调制。
6.根据权利要求5所述装置，其特征在于还包括多个压力不同的高压油路、一个油压选通阀[10]；油压选通阀[10]各进油口与一个高压油路连接；油压选通阀[10]出油口与斩波阀[4]常断油口油路连接；油压选通阀[10]线圈与控制器电路连接；控制器通过控制油压选通阀[10]线圈电流，选择不同的高压油路与斩波阀[4]常断油口油路连通，以选择不同的油压，实现油压、制动力脉冲幅度。
7.根据权利要求1、2所述装置，其特征在于还包括电磁动力部件，电磁动力部件产生控制力，通过控制力传递部件作用在制动蹄上，产生制动力；通过调节电磁动力部件的电压或电流脉冲宽度，实现制动力脉冲宽度调制；通过调节电磁动力部件的电压或电流幅度的大小，实现制动力脉冲幅度的改变。
8.根据权利要求7所述装置，其特征在于控制力传递部件是楔块，楔块呈台阶状。
9.根据权利要求1、2所述装置，其特征在于控制器根据总制动力的大小，动态计算制动负荷分配系数，并通过改变脉冲占空比、脉冲幅度，动态分配、调节各车轮的制动器制动力。
10.根据权利要求9所述装置，其特征在于还包括键盘，通过键盘设置车总重量W。
全文摘要
本发明提供了一种新型制动系统，采用脉冲宽度调制技术(PWM)控制制动力的大小，即制动器只产生一种大小固定的制动力F，制动时，在控制器的控制下，制动器不断地快速在有制动力和无制动力状态切换，形成制动力脉冲串，通过调节占空比，调节制动力的大小。由于占空比易于控制，因而制动力的大小也就易于控制。本制动系统可以方便实现制动负荷动态分配。
文档编号B60T8/00GK1478686SQ0214176
公开日2004年3月3日 申请日期2002年8月28日 优先权日2002年8月28日
发明者朱筱杰 申请人:朱筱杰