数字制动与防抱死装置的制作方法

专利名称：数字制动与防抱死装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使运动、转动物体停止运动、转动的控制装置，尤其是用于汽车、摩托车车轮的制动和防抱死的装置。
背景技术：
现在使用的制动系统都是采用模拟方式工作的，即制动力和控制力都是连续变化的，不易实现自动控制。其自动控制系统有两大类——防抱死制动系统(ABS)和电子控制制动系统(EBS)，其共同特点是压力调节机构工作于模拟状态，力是连续变化，结构复杂，要求加工精度较高。
中国专利02122371.8提出了调制式防抱死制动系统，中国专利02141761.x提出了调制式制动系统，这两项发明的基本原理都是脉冲宽度调制，即使制动器只产生一个或几个固定大小的制动力，在控制器的控制下，制动器不断在有制动力F和无制动力(或大制动力F1、小制动力F2)状态变换，有制动力(大制动力)的时间为T1，无制动力(小制动力)的时间为T2，T1、T2都很小，制动器的平均制动力就是F*T1/(T1+T2)，(大、小制动力时平均制动力为F2+(F1-F2)*T1/(T1+T2))，通常将T1/(T1+T2)称为占空比，F、F1、F2称为脉冲幅度，控制器通过改变占空比和脉冲幅度调节制动力的大小，因而控制器能计算出制动器制动力的大小。该系统实际上实现了制动器的数字化，具有一定的先进性。但其中的制动力调制器比较简单。
本发明即是用于该系统的制动力调制器的改进。
制动力调制的一种实现方法，是通过改变液压回路的容积，实现实现油压改变，进而改变制动力，即变容法。前述发明是通过电磁铁的向油缸的活塞施加拉力(或压力)，改变电磁力以达到变容的目的。变容量的大小实际上由电磁力、油对活塞的压力、弹簧力等的合力为零条件决定的。另一种实现方法，是通过推杆、拉杆、杠杆等机构，将电磁铁的电磁力传递到制动器上，实现制动力的改变。具体结构上，调制式制动系统采用加力方式，即电磁力增大，制动力也增大；调制式防抱死制动系统采用减力方式，即电磁力增大，制动力减小。运动方式上，有直线型的，也有转动型的。但都有一个共同的特点制动器的控制力(或油压)的大小，与电磁力呈线性关系。
这里有几个问题一是大电流条件下，电流的快速切换困难，特别是希望实现大、小制动力时，在两个大电流间快速切换尤为困难。二是电磁铁的吸力与铁心位置是非线性关系，吸力对铁心位置很敏感，不太稳定，难于准确控制。三是数字制动与数字防抱死分别实现，未能在一个系统中完成。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的制动系统，其控制制动力的油压或压力及制动力能在多组大、小值上的快速改变，具有快速切换的电流小的特点，也能解决制动控制力的非线性、不太稳定问题，同时还能实现数字制动与数字防抱死共存于一个系统中，其结构相对简单。
本发明提供的、减小快速切换电流的方法是将制动器控制力(促动力)调制装置的控制力，分解为调制力Fm和偏置力Foff两部分，分别实现。调制力是快速变化的脉冲型力，偏置力是不变或慢速变化的，两力通过某种机构叠加，形成控制力，以控制调制装置的活塞或传力机构，产生脉冲型制动器控制力(促动力)，进而控制制动器的制动力。偏置力因是不变的或慢速变化的，可以用其他“慢速”的方法实现。这样，快速变化的调制力可以有效的减小，相应的快速变化的驱动电流也减小，发明的目的之一得以实现。
与已知技术相比，本发明增加了偏置力机构以产生偏置力，偏置力与原有的调制力都作用于一个机构，形成合力作为控制力。这个机构可能就是原有的活塞、活塞压块或拉杆、压杆等，也可能是新增的杠杆、活塞压块或拉杆、压杆等，甚至是电磁铁铁心，具体形式依不同的实现方法而异，统称控制力合成部件。偏置力Foff和调制力Fm的布置可以是同轴的、平行的、垂直的或其他能与机构配合形成合力的位置。图3提供了一种利用L形杠杆[5]进行垂直布置的方案，实施例1、2、3、4、5提供了同轴布置的方案，实施例6、10、11则提供了利用杠杆进行平行布置的方案。
下面为偏置力机构可以提供F1、F2、F3(F1＜F2＜F3)三个不同大小的偏置力为例，作进一步说明。设调制机构产生的调制力为Fm，可以形成以下四种情况1、偏置机构不产生偏置力，这时，大制动控制力为Fm，小制动控制力为0，通过调节调制力占空比，平均制动控制力可以在0～Fm间变化；2、偏置机构产生偏置力Foff为F1，这时，大制动控制力为(F1+Fm)，小制动控制力为F1，平均制动控制力可以在F1～(F1+Fm)间变化；3、偏置力Foff为F2，平均控制力可以在F2～(F2+Fm)间变化；4、偏置力Foff为F3，平均控制力可以在F3～(F3+Fm)间变化。通过合理选择Fm、F1、F2、F3和占空比，可以实现0～(F3+Fm)间的连续调节。很显然，Fm＜(F3+Fm)，这样，就以较小的调制力，得到较大的调节范围，快变电流减小的目的得以实现。
具体形式分为减力(压)式结构和加力(压)式结构，减力式结构用于数字防抱死系统，加力式结构用于数字制动系统。减力式的基本结构如图1，偏置力Foff和调制力Fm都作用于压杆机构[1]，压杆机构[1]还受到预紧弹簧[2]的弹力Fs和活塞[3]的油压力Fo。工作时，这四力平衡，有关系式Fo＝Fs-Fm-Foff，通过改变偏置力Foff，就可以改变油压力Fo的变化范围。油压通过管道[4]传递到制动缸，从而改变制动力的大小。加力式的基本结构如图2，偏置力Foff和调制力Fm直接作用于活塞[3]。工作时，三力平衡，有关系式Fo＝Fm+Foff，通过改变偏置力Foff，也可以改变油压力Fo的变化范围。对于直接调制制动器控制力的结构，将油压力Fo换成制动器促动力即可。
为了产生可变化的偏置力，本发明提供的具体措施之一是电磁铁的线圈由两个或两个以上的绕组构成，其中一个(或几个)用于产生调制力，其余用于产生偏置力，各线圈独立控制。调制时，调制线圈总工作，偏置线圈则根据需要工作，通过组合产生不同的控制力范围。以三个绕组为例，其中两个为偏置线圈，一个为调制线圈，第一偏置线圈单独通电提供F1，第二偏置线圈单独通电提供F2，两偏置线圈同时通电提供F3，前述方案得以实现。
用改变线圈中电流的方法，实现偏置力的改变也是可行的，但可能使线圈驱动电路结构复杂化或增加能耗，不如多线圈绕组方案经济。多线圈绕组方案中，调制线圈与偏置线圈共磁路，相互间有互感，调制线圈中电流改变时会受偏置线圈电流的影响。但互感系数肯定小于1，因此，它比不用偏置线圈效果好，不失为一种简单经济的方案。
本发明提供的具体措施之二是由两个(或多个)电磁铁分别产生调制力和偏置力。偏置力电磁铁可以用单个线圈绕组，也可以采用多个线圈绕组。显然，这能有效克服上述互感的影响，但结构稍复杂。
本发明提供的具体措施之三是偏置力由电动螺旋、弹簧(称偏置力弹簧)等构成的机构提供。其结构为电机与螺旋的旋转部分(螺母或丝杆)机械连接，可驱动其旋转；螺旋的平动部分(丝杆或螺母)与偏置力弹簧机械连接；偏置力弹簧另一端与控制力合成部件连接。如果螺旋是自锁的，还应增加一个由扭转弹簧或蜗卷弹簧构成的复位装置，以保证不工作时或故障时偏置力弹簧不提供偏置力。其工作过程为电机驱动螺旋的旋转部分旋转，使螺旋的平动部分产生直线方向的移动，压缩(或拉伸)偏置力弹簧，使偏置力弹簧产生形变，改变其弹力，该弹力即为偏置力，作用到控制力合成部件上，与调制力合成为控制力，并传递到制动器或活塞。不工作时，复位装置能使螺旋回到弹簧放松的位置。
电机可采用步进电机或力矩电机等，以步进电机为好，因为步进电机是数字化的，距离、偏置力也就数字化了，更易于控制。电机转子和螺旋的螺母(或丝杆)还可以合为一体，使结构更加紧凑。电机转子和螺旋的螺母结合可见图15A。
采用螺旋机构的优点是偏置力的调节更加细致，调制力可以更小。缺点是结构复杂。
另外，偏置力还可以由液压、气压等其他装置提供。
本发明提供的、解决调制力或偏置力的非线性、不稳定问题的方法是将调制力或偏置力变化转化为固定的位置变化，再用一个弹簧将位置变化转化为弹力变化，即进行力-位置-力变换。因为位置变化是固定的，弹簧的伸缩量也就固定，弹力也就固定了。变换前的调制力或偏置力称原始调制力或原始偏置力。原始调制力或原始偏置力可以用电磁铁吸力，也可以用油缸、气缸的活塞或螺旋等其他部件产生，都有降低原始调制力或原始偏置力控制难度的功效。以下为叙述方便，以电磁铁吸力为例，其含义就是原始调制力或原始偏置力。
本发明实现上述方案的具体结构之一是设置一个限位装置，限制电磁铁铁心的运动范围，同时铁心的尾部连接弹簧，弹簧上有一定的预紧力，弹簧另一端输出调制力或偏置力。限位装置、弹簧等就构成了单级力-位置-力变换装置。具体结构如图4，铁心[6]受限位装置[7]的约束，其左端连接弹簧[8]，弹簧[8]另一端连接压杆机构[1]。未通电时，由于预紧力的作用，铁心处于完全伸出的状态；通电时，电磁吸力足够强，使铁心处于完全缩进的位置。这样，铁心只能处于完全伸出的或完全缩进的位置，弹簧上也就只有两个大小固定的弹力，从而消除电磁铁的不稳定性。该结构可用于调制力的产生，也可用于偏置力的产生。图4所示为减压式调制力产生的结构，依此原理，可以构造加压式或偏置力的结构。
本发明实现上述方案的具体结构之二是铁心的尾部连接一个多级力-位置变换装置，该装置上再连接输出弹簧，构成多级力-位置力变换装置。多级力-位置变换装置是一个具有阶梯状力-形变特性的装置，所谓阶梯状是指在某些区间，力变化时形变量不变，在其他区间，力变化时形变量相应变化，其典型的力-形变关系如图6。如图6所示，在x1、x2、x3处，力在一定范围内变化是，位置不变。多级力-位置变换装置的典型实施方案是弹簧组，如图5，弹簧组由数个套筒[12]、[14]、[16]和数个弹簧[13]、[15]、[17]构成，每个弹簧都加了大小不同的预紧力，使弹簧组有图6中折线[A]的压力-形变关系。弹簧组与输出弹簧合成的弹力-形变关系如图6中折线[B]。电磁铁产生的拉力虽不太稳定，只要使电磁铁的几个拉力处于阶梯上(图6中阴影区域，阶梯是指竖线部分)，对每个力就能得到固定的形变，这样输出弹簧[9]在压杆机构[1]上就能得到固定的弹力，从而消除电磁铁的非线性、不稳定性影响。本结构主要用于偏置力的产生，也可用于调制力与偏置力共用一个电磁铁的结构中。
下面结合图5、图6作进一步说明弹簧[13]、[15]、[17]有依次增大的预紧力。电磁铁未通电时，拉杠[11]靠压在套筒[12]的左内侧，套筒[12]、[14]分别靠压在套筒[14]、[16]的左内侧，处于图5中的位置。第一线圈通电时，铁心[6]产生拉力F1，拉杠[11]向右运动，由于无法克服弹簧[15]的预紧力，压到套筒[12]的右内侧时停止，运动距离为x1，弹簧[9]的形变量为x1；第二线圈通电时，铁心[6]产生拉力F2，可以克服弹簧[15]的预紧力，拉杠[11]带动套筒[12]一起继续向右运动，由于无法克服弹簧[17]的预紧力，套筒[12]压到套筒[14]的右内侧时停止，运动距离为x2，弹簧[9]的形变量为x2；两线圈都通电时，铁心[6]产生拉力F3，可以克服弹簧[17]的预紧力，拉杠[11]带动套筒[12]、[14]一起继续向右运动，套筒[14]压到套筒[16]的右内侧时停止，运动距离为x3，弹簧[9]的形变量为x3。只需合理选择弹簧[13]、[15]、[17]的预紧力，使整个弹簧组具有图6中折线[A]的关系，弹簧组与输出弹簧[9]合成的弹力-形变关系如图6中折线[B]，使拉力F1、F2、F3处于图6中阴影区域内，对应的形变量就分别为x1、x2、x3，弹簧[9]的弹力也就固定了，从而降低拉力F1、F2、F3的控制精度。另外也可看出，如果弹簧[9]加上合适的预紧力，弹簧[13]可以省掉，不过这将减少一个设计的自由度，可能增加设计难度。
显而易见，单级力-位置-力变换装置是多级力-位置-力变换装置的特例。
数字制动与数字防抱死形式上有区别，本质上是相同的。形式上实现数字制动为加力方式，数字防抱死为减力方式，本质上都是利用脉冲宽度调制原理改变制动控制力大小。从另一个角度看，数字防抱死是被动方式，它是在人力制动产生抱死时才动作；数字制动是主动方式，它由控制器完全控制，无需人力。从这个角度出发，只需让数字防抱死装置也能以主动方式工作，就能实现数字制动与数字防抱死共存于一个系统中，本发明的第三个目的就得以实现。而调制力、偏置力则不必一定需要是加力方式。
为此，本发明提供的方法之一是在数字防抱死装置中，使偏置力装置可以提供双向的偏置力，使控制力合成部件[1]可以双向运动；防抱死时，偏置力产生减力效果；数字制动时，产生加力效果。
具体方案为在数字防抱死装置基础上，设置一个可沿偏置力方向运动的支撑台[24]，该支撑台受一个限位装置[27]限制，有一个带预紧力的支撑弹簧[26]，将支撑台[24]紧压在限位装置[27]上，压紧方向为减力方向；原有预紧弹簧[2]将控制力合成部件[1]紧压在支撑台[24]上，预紧弹簧[2]与支撑弹簧[26]呈对抗状，支撑弹簧[26]的预紧力大于预紧弹簧[2]；偏置力装置[22]可以分别产生减力效果和加力效果两个方向的的偏置力，减力偏置力通过输出弹簧[9]施加到控制力合成部件[1]上，加力偏置力通过弹簧[25]施加到支撑台[24]或控制力合成部件[1]上，如图7。图中所示是加力偏置力通过弹簧[25]施加到支撑台[24]上的结构，由于产生加力偏置力时，支撑台[24]与控制力合成部件[1]可视为一体，加力偏置力作用到控制力合成部件[1]的效果是相同。因此，弹簧[25]与弹簧[9]甚至可以合而为一，只需要将弹簧[9]设计成双向传力的。
下面结合图7，进一步说明上述方案。如图7预紧弹簧[2]产生预紧力，铁心[6]、限位装置[7]、弹簧[8]构成调制力产生装置。步进电机[21]、螺旋[22]、丝杆[23]、弹簧[9]构成减力偏置力产生装置。以上部件构成数字防抱死装置。支撑套筒[24](即支撑台)、弹簧[25]、支撑弹簧[26]、限位装置[27]与电机、螺旋一起构成加力偏置力产生装置。工作原理如下初始时，支撑弹簧[26]的预紧力大于预紧弹簧[2]，弹簧[25]、弹簧[9]的预紧力很小(或没有)，支撑套筒[24]压在限位装置[27]上，控制力合成部件[1]则压在支撑套筒[24]上。制动时，活塞[3]的油压力由预紧弹簧[2]的预紧力抵抗，由于预紧弹簧[2]的预紧力大于最大油压力，活塞[3]不动，制动情况与未安装本装置是相同。出现抱死时，控制器发出指令，开关阀关闭，电机、丝杆带动螺旋[22]右移，压缩弹簧[9]，在控制力合成部件[1]上产生减压作用的偏置力，同时电磁铁产生减压作用的调制力，两力抵消预紧弹簧[2]的部分预紧力，降低油压，实现防抱死。该过程的力平衡关系前文已详细叙述，不再重复。进行数字制动时，控制器发出指令，开关阀关闭，电机、丝杆带动螺旋[22]左移，压缩弹簧[25]和支撑弹簧[26]，使支撑套筒[24]左移离开限位装置[27]；在预紧弹簧[2]的预紧力作用下，在控制力合成部件[1]也向左移动，压缩活塞，产生加压作用的偏置力，同时电磁铁产生减压作用的调制力，诸力合成，实现数字制动。
将电动螺旋偏置力装置换为双向出力的油缸、气缸或其他能提供双向出力的装置，也同样是可行的技术方案，只是偏置力难于数字化。
下面详细分析数字制动过程中的力平衡关系。以套筒[24]刚刚离开限位装置[27]为基点，设此时油压力也为零，弹簧[9]弹力为零，可以将套筒[24]与控制力合成部件[1]视为一体，先不考虑调制力，设螺旋[22]再向左移动Δx，套筒向左移动Δy，预紧弹簧[2]的弹力变化为ΔF2＝k2Δy，弹簧[25]的弹力变化ΔF25＝k25(Δx-Δy)，支撑弹簧[26]的弹力变化ΔF26＝k26Δy，根据套筒的力平衡关系，油压力Fo就为Fo＝ΔF25-ΔF26-ΔF2。再者，油压力Fo本身与活塞移动量Δy也有函数关系，从两方程中消去Δy，即可得到油压力Fo与螺旋位移量Δx的关系。例如，设油压力Fo与活塞移动量Δy的关系是正比关系Fo＝koΔy，消去Δy后有Fo＝kok25Δx/(ko+k2+k25+k26)。因此，通过调节螺旋位移量Δx，就可以改变偏置力的大小。如果以压力为自变量(油缸、气缸等装置)，有Fo＝ΔF25ko/(ko+k2+k26)的关系。考虑调制力时，从偏置力中减去调制力即是油压力。
本发明提供的另一个技术方案是增加辅助制动力装置，模拟制动主缸产生制动油压，再以减压方式对油压进行调制，获得所需制动力。辅助制动力装置由控制器操纵时，即可进行主动方式制动，从而实现数字制动。辅助制动力装置与原有制动主缸装置从力传递关系看是并联关系，既能分别工作，也能同时工作。
具体方案为设置一个辅助制动油缸[31]，辅助制动缸[31]经开关阀与调制油缸连接，调制油缸经油管[4]与轮缸连接；主制动力Fz与辅助制动力Fa可分别或同时作用到辅助制动缸[31]的活塞[33]上，如图8。主制动力Fz可以由油缸、气缸或拉索等产生，它压缩辅助制动缸[31]的油腔[32]产生制动油压。辅助制动力装置可由电磁铁、其他油缸、气缸、电动螺旋机构或拉索等构成，它可以产生辅助制动力Fa，压缩辅助制动缸[31]的油腔[32]产生制动油压。
该装置有两种工作模式主制动模式和辅助制动模式。主制动模式时，辅助制动力装置不工作(Fa＝0)，主制动力Fz压缩辅助制动缸[31]的油腔[32]产生制动油压，经开关阀、调制油缸、油管[4]传递到轮缸产生制动。车轮产生抱死时，在控制器控制下，开关阀关闭，调制机构动作，产生调制力Fm和偏置力Foff，使调制油缸活塞移动，对制动力进行调制，消除抱死。辅助制动模式时，辅助制动力装置工作产生Fa，通过活塞[33]在油腔[32]中产生油压，通过开关阀、调制油缸、油管[4]传递到轮缸，进行制动。同样，在控制器控制下，开关阀关闭，调制机构动作，产生调制力Fm和偏置力Foff，使调制油缸活塞移动，可对制动力进行调制。由此可知，辅助制动力Fa的大小不必是可调的，可以是固定的，制动力的大小可以由调制油缸控制，这可简化辅助制动力装置的结构。当然，辅助制动力Fa必须大于所需制动力的最大值，只是由减压调制原理决定的。
如果主制动力Fz与辅助制动力Fa之一由液压产生，可以将两油缸合而为一，形成双作用液压缸的结构，但其用法与双作用液压缸有所不同。图9显示了主制动力Fz为液压时的结构。如图9，辅助制动缸[31]由活塞[33]分为两个油腔，右边的第一油腔[32]通过开关阀与调制缸连接，作用同前。左边的第二油腔[34]通过油管[35]与制动主缸连接，提供主制动力Fz。主制动模式时，制动主缸的油压在第二油腔[34]中通过活塞[33]压缩第一油腔[32]产生油压，活塞[33]起到传力的作用。辅助制动模式与前面相同。辅助制动力Fa为液压的情况与主制动力Fz为液压的情况类似。
如果主制动力Fz与辅助制动力Fa都由液压产生，可以将三油缸合而为一，形成双活塞液压缸的结构。如图10，辅助制动缸[31]由活塞[33]、活塞[37]分为三个油腔中间的第一油腔[32]通过开关阀与调制缸连接，作用同前；左边的第二油腔[34]通过油管[35]与制动主缸连接，提供主制动力Fz；右边的第三油腔[36]通过油管[38]与辅助制动油压源连接，提供辅助制动力Fa。主制动模式时，制动主缸的油压在第二油腔[34]中通过活塞[33]压缩第一油腔[32]产生油压，活塞[33]起到传力的作用。辅助制动模式，辅助制动油压源的油压在第三油腔[36]中通过活塞[37]压缩第一油腔[32]产生油压，活塞[37]起到传力的作用。
另外，两油腔和三油腔的结构中，第一油腔[32]内设有一个带较小预紧力的弹簧，使第一油腔[32]容积趋于最大，同时，活塞[33]、活塞[37]不必严格密封，保持微量渗漏，就可以使第一油腔[32]的制动液损失得到补充。由于渗漏量很小，制动时间一般较短，对制动影响不大。
对于气压制动系统，只需将制动气缸的输出力作为主制动力Fz，作用到辅助制动油缸[31]的活塞[33]上即可。当然这已在末端进行了气-液转换，可能需要另设液压轮缸。由于气压制动系统通常是动力制动，用于提供主动方式的辅助制动力不一定直接施加到活塞[33]上，在气路中增设由控制器控制的气阀提供主动制动力可能是更好的选择。当然，在此处提供辅助制动力同样也是可行的。
辅助制动力装置还可以有另一种用法，用于实现摩托车前后轮的联合制动。将前轮的辅助制动力装置通过拉索、油管等连接到后轮制动装置上，后轮制动时，通过前轮的辅助制动力装置，前轮也制动，从而实现联合制动。反之亦然。
另外，用换向阀将高压油直接送入防抱死装置，让数字防抱死装置能以主动方式工作，实现数字制动，也是可行的技术方案。此方案中，换向阀[81]平时将防抱死装置、轮缸与制动主缸连通，与辅助高压油源断开；进行主动方式的数字制动时，换向阀断开制动主缸，将辅助高压油源直接与防抱死装置、轮缸连通，防抱死装置以减压方式进行油压调制，实现数字制动。
本发明的有益效果是，采用偏置力装置，以较小的调制力，实现较大范围的调制，使调制易于实现；采用力-位置-力变换的方法，降低了控制力大小的控制难度；以偏置力反向、辅助制动油缸、油路切换等技术，将数字制动与数字防抱死合而为一，从而，使制动力的控制与调节变得随心所欲。与其他技术相结合，还可方便地实现防滑转(ASR)、前后制动力动态分配、左右制动力平衡控制等高级功能，使制动的安全性提高到新的水平。


下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是具有偏置力和调制力的数字防抱死装置基本结构示意图。
图2是具有偏置力和调制力的数字制动装置基本结构示意图。
图3是偏置力和调制力垂直布置的数字防抱死装置基本结构示意图。
图4是单级力-位置-力变换装置基本结构示意图。
图5是多级力-位置-力变换装置基本结构示意图。
图6是多级力-位置-力变换装置的力-位置关系示意图。
图7是具有双向偏置力的数字制动和防抱死装置基本结构示意图。
图8是具有辅助制动部件的数字制动和防抱死装置基本结构示意图。
图9是双油腔型辅助制动部件的数字制动和防抱死装置基本结构示意图。
图10是三油腔型辅助制动部件的数字制动和防抱死装置基本结构示意图。
图11是根据本发明提出的实施例1示意图。
图12是根据本发明提出的实施例2示意图。
图12A是图12局部放大图。
图13是根据本发明提出的实施例3示意图。
图14是根据本发明提出的实施例4示意图。
图15是根据本发明提出的实施例5示意图。
图15A是螺旋螺母制作于步进电机转子上的示意图。
图16是根据本发明提出的实施例6示意图。
图17是根据本发明提出的实施例7示意图。
图18是根据本发明提出的实施例8示意图。
图19是根据本发明提出的实施例9示意图。
图20是根据本发明提出的实施例10示意图。
图21是根据本发明提出的实施例11示意图。
图22是根据本发明提出的实施例12示意图。
图23是根据本发明提出的实施例13示意图。
图中1.控制力合成部件，2.预紧弹簧，3.调制油缸活塞，4.轮缸油管，5.L形杠杆，6.铁心，7.限位装置，8.输出弹簧，9.力-位置变换装置输出弹簧，11.拉杆，12.14.16.力-位置变换装置套筒，13.15.17.力-位置变换装置弹簧21.步进电机，22.螺旋，23.丝杆，24.支撑台，25.弹簧，26.支撑弹簧，27.限位装置，28.蜗卷弹簧，29.齿轮，30.电磁阀31.辅助制动缸，32.第一油腔，33.第一活塞，34.第二油腔，35.制动主缸连接油路，36.第三油腔，37.第二活塞，38.第二制动油压源连接油路，39.开关阀，40.挡圈，41.调制力电磁铁铁心，42.偏置力电磁铁铁心，43.拉杆，44.开关阀开阀弹簧，45.开关阀顶针，46.开关阀小球，47.开关阀关阀弹簧，48.弹簧，49.储油室，51.杠杆，52.转轴，53.踏板拉杆，54.制动器拉杆，55.手柄拉索，56.踏板拉索，57.手刹油管，61.偏置力油缸，62.偏置力油缸进油阀，63.偏置力油缸出油阀，64.辅助制动力油缸进油阀，65.辅助制动力油缸出油阀，66.注油孔71.气缸，72.储气筒，73.人工控制的气制动阀，74.控制器控制的气制动阀，75.放气阀，81.换向阀，82.油泵，83.储油筒，84.溢流阀具体实施方式
下面结合

本发明提出的数字制动和防抱死装置的实施例。
图11是根据本发明提出的实施例1，是用多个线圈绕组实现调制力与偏置力的事例，也是图1的直接实体化，是用于摩托车的数字防抱死装置。如图11，电磁铁线圈包含三个绕组，一个用于产生调制力，其余两个产生偏置力。通过偏置力绕组通电组合的控制，可以实现四种大小的偏置力，从而减小调制力。此例中，铁心[6]为控制力合成部件，调制力线圈绕组与偏置力线圈绕组产生的磁力，直接在铁心中合成为控制力，作用于压杆机构[1]，压杆机构[1]还受预紧弹簧[2]的弹力、活塞[3]的油压力作用，诸力平衡实现油压调制。
如图11，油管[35]连接制动主缸，油管[4]连接轮缸，开关阀[39]控制油路的通断。防抱死装置不工作时，开关阀[39]打开，主缸的油压可以直接通到轮缸，与不安装防抱死装置时相同。防抱死装置工作时，控制器给调制力线圈绕组与偏置力线圈绕组通电产生的磁力，活塞[3]右移，开关阀[39]关闭，轮缸的油压就由活塞控制，最终由压杆机构[1]的平衡条件决定。调制力线圈绕组中的电流快速变化，轮缸的油压也就快速变化，实现制动力调制；通过控制偏置力线圈绕组通断组合，制动力的调制范围得以控制。
图中挡圈[40]是外圈为螺纹、中间为内六角通孔的挡圈，通孔的一侧还加工为圆锥形，以配合开关阀[39]工作。普通的液压ABS此处挡圈与外壳为一体，本实施例单独设置挡圈[40]，是为了使油缸变为通孔，便于油缸内壁的加工。
图12是根据本发明提出的实施例2，是用两个电磁铁分别实现调制力与偏置力的事例，也是电磁铁中力-位置-力变换的事例，是图1、图4、图5综合的事例。如图12，第一电磁铁产生调制力，其铁心[41]通过弹簧[8]将调制力作用到控制力合成部件[1]上，销钉[7]用于限制铁心[41]的运动范围，形成图4的结构。第二电磁铁产生偏置力，其铁心[42]产生的拉力作用于拉杆套筒[11]，经由套筒[11]、[12]、[14]、[16]、弹簧[13]、[15]、[17]构成的多级力-位置变换装置变换为位置变化，输出弹簧[9]再将位置变化变换为不同的拉力，通过拉杆[43]将偏置力作用到控制力合成部件[1]上，这些部件形成图5的结构。套筒[12]、[14]、[16]的限位由套筒、外壳上的键槽和销钉实现。另外，第二电磁铁还采用了双线圈绕组技术。
图12A是图12的局部放大图，展示了开关阀的结构。开关阀由弹簧[47]、小球[46]、顶针[45]、弹簧[44]、拉杆[43]等构成。防抱死装置不工作时，弹簧[44]的弹力通过拉杆[43]、顶针[45]将小球[46]顶开，开关阀打开，制动主缸的油压通过油管[35]、开关阀、油管[4]进入轮缸，与不安装防抱死装置时工作情况相同。防抱死装置工作时，第二电磁铁产生拉力(即使是偏置力为零时也产生较小的拉力)，拉杆[43]右移压紧弹簧[44]，小球[46]在弹簧[47]的推动下关阀，制动主缸与轮缸间的油路断开，轮缸的油压就由活塞控制。调制过程及偏置力、调制力、油压的关系前面已多次描述，此处不再复述。
图13是根据本发明提出的实施例3，是数字制动装置(加压式)的事例。其电磁铁部分实施例2极为相似，不同之处在于油缸的构造。如图13，不制动时，调制油缸活塞[3]被弹簧[48]顶至左端，油缸容积最大；制动时，电磁铁通电，产生调制力和偏置力，通过活塞[3]压缩油缸容积，产生调制油压，经油管[4]送到轮缸，进行制动。调制过程及偏置力、调制力、油压的关系前面已多次描述，此处不再复述。另外，调制油缸活塞[3]左端设有一推杆，可用于手动制动；储油室[49]的油可通过小孔流入调制油缸，以补充损失。其余部分同前例，不再复述。
图14是根据本发明提出的实施例4，是用电磁铁实现调制力，电动螺旋实现偏置力的事例。本实施例结构与实施例2基本相同，不同之处在于用电动螺旋取代了实施例2中的偏置力电磁铁和力-位置变换装置。如图14，步进电机[21]带动丝杆[23]旋转，丝杆[23]拉动螺母套筒[22]向右移动，压缩弹簧[9]产生偏置力。蜗卷弹簧[28]用于电机故障时螺母套筒[22]回到左端，滑杆[20]防止螺母套筒[22]转动。由于步进电机能提供较小的步进角，螺母套筒每步的步进量较小，偏置力的调节较细致。如果螺旋是不自锁的，利用弹簧[9]的弹力可以自行回到左端(可适当加预紧力)，蜗卷弹簧[28]可以省略。其余部分同前，不再复述。
图15是根据本发明提出的实施例5，是用电磁铁实现调制力，电动螺旋实现双向偏置力的事例，是图7的直接实体化，各部件的要求与图7相同，不再重复。与实施例4相比本例中，电动螺旋布置的位置不同。如图15，电动螺旋布置在控制力合成部件[1]的左端，步进电机[21]布置在外部。步进电机[21]通过齿轮[29]驱动螺母[22]转动，螺母[22]拉动丝杆[23]左右移动。丝杆[23]向右移动时，压缩弹簧[9]产生减压偏置力。丝杆[23]向左移动时，压缩弹簧[25]、弹簧[26]，套筒[24]向左移动，在弹簧[2]的作用下，控制力合成部件[1]也向左移动，产生加压偏置力。其余部分同前例，不再复述。本实施例中单独设置电磁开关阀[30]，以控制油路通断。
本实施例中，将螺母直接制作在步进电机转子中心，形成图15A的装置，放置在图15中螺母[22]的位置，取代螺母[22]、电机等，将具有更加紧凑的结构。
图16是根据本发明提出的实施例6，是用电磁铁实现调制力，电动螺旋实现偏置力，直接进行拉力调制的事例，可用于摩托后轮的鼓式制动器。如图16，外壳和杠杆[51]可绕转轴[52]转动，两者由预紧弹簧[2]撑开，拉杆[53]与踏板连接，拉杆[54]与鼓式制动器连接。制动时，拉杆[53]拉动外壳绕转轴[52]转动，由弹簧[2]传力给杠杆[51]，带动拉杆[54]，实现制动。发生抱死时，由步进电机[21]、丝杆[23]、螺旋[22]、弹簧[9]产生偏置力，电磁铁、弹簧[8]产生调制力，诸力在杠杆[51]上合成，使杠杆[51]逆时针旋转，放松拉杆[54]，消除抱死。
图17是根据本发明提出的实施例7，是辅助制动油缸应用于摩托前轮碟刹进行联动制动的事例。如图17，手刹通过拉索[55]连接辅助制动油缸[31]，脚刹通过拉索[56]也连接辅助制动油缸[31]。这样，脚踩踏板时，前后轮同时刹车，实现了联动制动。制动时，数字防抱死装置同时起作用。
图18是根据本发明提出的实施例8，是辅助制动油缸应用于摩托前轮碟刹进行联动制动的事例。与前例不同，本例中，手刹为制动主缸，辅助制动油缸为图9的双腔型。如图18，手刹通过油管[55]连接辅助制动油缸[31]的第二油腔，脚刹通过拉索[56]连接辅助制动油缸[31]。这样，脚踩踏板时，前后轮同时刹车，实现了联动制动。制动时，数字防抱死装置同时起作用。
图19是根据本发明提出的实施例9，是三腔型辅助制动油缸应用于摩托前、后轮碟刹进行联动制动的事例。本例中，手刹为制动主缸，前轮辅助制动油缸为图10的三腔型；后轮辅助制动油缸为图10的三腔型的变形使用，因为后轮刹车踏板离车轮较近，这样更简单。当然，后轮也可以象前轮一样，采用制动主缸加三腔型辅助制动油缸的结构，只是较图19复杂。如图19，前、后轮辅助制动油缸的第三油腔直接连通，互为辅助制动油压源，一个车轮刹车时，通过第三油腔的传力，另一车轮也刹车，从而实现了前、后轮联动制动。制动时，各轮的数字防抱死装置分别起作用。
图20是根据本发明提出的实施例10，是用电磁铁实现调制力，电动螺旋实现双向偏置力的事例。本例与实施例5基本相同，只是电磁铁、电动螺旋、调制活塞之间平行布置。如图20，杠杆[51]是控制力合成部件，可绕轴[52]转动；电磁铁及弹簧[8]产生调制力；步进电机[21]、螺母[22]、丝杆[23]、套筒[24]、弹簧[25]、弹簧[26]、限位装置[27]、弹簧[9]等产生双向偏置力；活塞[3]调制油压，弹簧[2]产生预紧力；油孔[4]连接轮缸，油孔[35]连接主缸。初始时，弹簧[26]的预紧力大于弹簧[2]，弹簧[25]、弹簧[9]的预紧力很小(或没有)，套筒[24]压在限位装置[27]上，杠杆[51]则压在套筒[24]上。制动时，活塞[3]的油压力由弹簧[2]的预紧力对抗，由于弹簧[2]的预紧力大于最大油压力，活塞[3]不动，制动情况与未安装本装置是相同。出现抱死时，控制器发出指令，开关阀[30]关闭，电机、丝杆带动螺旋[22]左移，压缩弹簧[9]，在杠杆[51]上产生减压作用的偏置力，同时电磁铁产生减压作用的调制力，两力抵消弹簧[2]的部分预紧力，降低油压，实现防抱死。进行数字制动时，控制器发出指令，开关阀[30]关闭，电机、丝杆带动螺旋[22]右移，压缩弹簧[25]和弹簧[26]，使套筒[24]右移离开限位装置[27]；在弹簧[2]的预紧力作用下，在杠杆[51]也顺时针旋转，压缩活塞[3]，产生加压作用的偏置力，同时电磁铁产生减压作用的调制力，诸力合成，实现数字制动。
本例中为清楚表示油孔[4]、油孔[35]，将活塞[3]等放在边上，电机螺旋等放在中间。其实可以将两者(两轴线上的全部元件)位置交换，将油孔[4]、油孔[35]开在侧面(类似图21中的油孔[4])，这样，活塞[3]离转轴[52]近，偏置力离转轴[52]远，更符合杠杆原理省力原则，减小步进电机力矩。
图21是根据本发明提出的实施例11，是用电磁铁实现调制力，用油缸实现偏置力，用三腔辅助油缸提供辅助制动力的事例。如图21，油缸[61]、进油阀[62]、出油阀[63]、弹簧[9]等构成偏置力产生机构；油缸[36]、活塞[37]、进油阀[64]、出油阀[65]等构成辅助制动力产生机构。进油阀[62]打开、出油阀[63]关闭时，高压油进入油缸[61]，推动活塞压缩弹簧[9]产生偏置力；进油阀[62]关闭、出油阀[63]打开时，油缸[61]中的油流回油箱，偏置力减小。通过控制两油阀，可以控制活塞位置，进而控制偏置力的大小。同样，进油阀[64]打开、出油阀[65]关闭时，高压油进入油缸[36]，推动活塞[37]压缩油缸[32]产生辅助制动力；进油阀[64]关闭，出油阀[65]打开时，油缸[36]中的油流回油箱，辅助制动力减小。通过控制两油阀，可以控制辅助制动力的大小。
图中油孔[66]为注油孔，用于维修时注油，工作时关闭。油孔[35]连接主缸，油孔[4]连接轮缸。其余部件工作原理参见前文，不再复述。类似上例，调制油缸与偏置力机构的位置也可以互换。
图22是根据本发明提出的实施例12，是气压制动系统中应用本发明的事例。如图22所示，气缸[71]的输出直接驱动辅助制动油缸[31]，实现气-液转换。液压部分的结构可采用前述的各种结构，工作原理与前文相同。气压部分，人工控制的气制动阀[73]与控制器控制的气制动阀[74]呈并联关系，都可将储气筒[72]的高压空气送到气缸[71]，提供制动力。放气阀[75]用于快速放气。其他气动装置，如压气机等，与本发明关系不大，未画出。人工时，可实现数字防抱死，控制器控制气制动阀[74]打开时，即可实现数字制动。
图23是根据本发明提出的实施例13，是用换向阀[81]将高压油直接送入防抱死装置，实现数字制动的事例。如图23，高压油源由油泵[82]、储油筒[83]、溢流阀[84]、油箱等构成，压力油储藏于储油筒[83]中。换向阀[81]平时将防抱死装置、轮缸与制动主缸连通，与高压油源断开，为数字防抱死系统。进行主动方式的数字制动时，换向阀[81]切换到中间档位，将防抱死装置、轮缸与制动主缸断开，而与储油筒[83]中的高压油直接连通，防抱死装置以减压方式进行油压调制，实现数字制动。数字制动完成后，换向阀[81]切换到右边档位，让多余的压力油流回油箱。
权利要求
1.一种车辆制动装置，由制动器、操作装置、调制装置等构成，其特征在于调制装置中还包括调制力装置、偏置力装置、控制力合成部件等偏置力装置产生偏置力，调制力装置产生调制力，偏置力是不变或慢速变化的，调制力是快速变化的，两力通过控制力合成部件叠加，形成控制力，以控制调制装置的活塞或其他传力机构，对制动器控制力进行调制，进而控制制动器的制动力大小
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于产生控制力的电磁铁的线圈，由两个或两个以上的绕组构成，其中一个(或几个)用于产生调制力，其余用于产生偏置力；工作时，调制线圈产生调制力，偏置线圈根据需要全部、部分工作或不工作，通过组合产生不同的偏置力，以改变控制力范围
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于由两个(或多个)电磁铁分别产生调制力和偏置力，偏置力电磁铁可以用单个线圈绕组，也可以采用多个线圈绕组；工作时，调制电磁铁产生调制力，偏置电磁铁根据需要全部、部分工作或不工作，通过组合产生不同的偏置力，以改变控制力范围
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于偏置力由螺旋、电机、弹簧[9]等构成的机构提供，其结构为电机与螺旋的旋转部分(螺母或丝杆)机械连接，可驱动其旋转；螺旋的平动部分(丝杆或螺母)与弹簧[9]机械连接；弹簧另一端与控制力合成部件连接；通过电机驱动螺旋旋转、伸缩，改变弹簧[9]的形变量，从而改变偏置力的大小
5.根据权利要求1、2、3、4所述装置，其特征在于还包括力-位置-力变换装置，力-位置-力变换装置由力-位置变换装置与输出弹簧构成，力-位置变换装置是具有阶梯状的力-形变关系的装置原始偏置力或原始调制力，作用在力-位置变换装置上；输出弹簧一端与力-位置变换装置连接，另一端与控制力合成部件连接使原始偏置力或原始调制力，处于阶梯状的力-形变关系的阶梯范围内原始偏置力或原始调制力，经力-位置变换装置变换为几个固定的位置变化，这几个固定的位置变化成为输出弹簧几个固定的形变量，产生几个固定的弹力，该弹力作用于控制力合成部件，成为几个固定的偏置力或调制力
6.根据权利要求1、4所述装置，其特征在于还包括支撑台[24]、支撑弹簧[26]、弹簧[25]、限位装置[27]、弹簧[9]及预紧弹簧[2]支撑台[24]可沿偏置力方向运动，限位装置[27]限制支撑台[24]的运动范围，支撑弹簧[26]有预紧力，将支撑台[24]紧压在限位装置[27]上，压紧方向为减力方向预紧弹簧[2]将控制力合成部件[1]紧压在支撑台[24]上，预紧弹簧[2]与支撑弹簧[26]呈对抗状，预紧弹簧[2]的预紧力小于支撑弹簧[26]偏置力装置[22]可以分别产生减力效果和加力效果两个方向的偏置力，减力偏置力通过弹簧[9]施加到控制力合成部件[1]上，加力偏置力通过弹簧[25]施加到支撑台[24]或控制力合成部件[1]上
7.根据权利要求1、2、3、4所述装置，其特征在于还包括辅助制动油缸[31]，辅助制动力Fa辅助制动缸[31]经开关阀与调制油缸油路连接；主制动力Fz与辅助制动力Fa可分别或同时作用到辅助制动缸[31]的活塞[33]上，压缩辅助制动缸[31]的油腔[32]，产生制动油压
8.根据权利要求7所述装置，其特征在于主制动力与辅助制动力其中之一采用液压方式辅助制动油缸[31]由活塞[33]分为两个油腔——第一油腔[32]与第二油腔[34]，第一油腔[32]经开关阀与调制油缸油路连接，第二油腔[34]通过油管[35]与制动主缸或辅助油压源连接；第二油腔[34]有油压时，直接通过活塞[33]压缩第一油腔[32]，产生制动油压
9.根据权利要求7所述装置，其特征在于主制动力与辅助制动力都采用液压方式辅助制动油缸[31]由活塞[33]、活塞[37]分为三个油腔中间的第一油腔[32]通过开关阀与调制缸连接，一边的第二油腔[34]通过油管[35]与制动主缸连接，另一边的第三油腔[36]通过油管[38]与辅助制动油压源连接第二油腔[34]有油压时，通过活塞[33]压缩第一油腔[32]，产生制动油压第三油腔[36]有油压时，通过活塞[37]压缩第一油腔[32]，产生制动油压
10.根据权利要求1、2、3、4所述装置，其特征在于还包括换向阀[81]，辅助制动高压油源换向阀[81]平时将防抱死装置、轮缸与制动主缸连通，与辅助高压油源断开；进行主动方式的数字制动时，换向阀断开制动主缸，将辅助高压油源直接与防抱死装置、轮缸连通，防抱死装置以减压方式进行油压调制，实现数字制动。
全文摘要
本发明提供了一种用于汽车、摩托车的制动系统，它以脉冲宽度调制方式调节制动力大小。通过采用偏置力装置，以较小的调制力，实现较大范围的调制，使调制易于实现；采用力－位置－力变换的方法，降低了控制力的控制难度；以偏置力反向、辅助制动油缸、油路切换等技术，将主动的数字制动与被动的数字防抱死合而为一，从而，使制动力的控制与调节变得随心所欲。与模拟ABS系统相比，本发明可以简化制动器结构，降低机械加工精度，节约成本。同时，还可以采用更先进的智能控制方法，完善制动性能。在此基础上，还可方便地实现防滑转(ASR)、前后制动力动态分配、左右制动力平衡控制等高级功能，使制动的安全性提高到新的水平。
文档编号B60T8/00GK1603181SQ0312725
公开日2005年4月6日 申请日期2003年9月30日 优先权日2003年9月30日
发明者朱筱杰 申请人:朱筱杰