专利名称：程控式汽车制动间隙自动调整臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车制动装置，特别是涉及一种程控式汽车制动间隙自动调整臂。
背景技术：
汽车制动系统的可靠性是汽车安全行驶的关键要素。当前的重型商用车及大型客 车一般使用包括气动推杆、调整臂、制动器(主要组成元件包括凸轮轴、凸轮、制动蹄组件、 制动鼓)的气制动装置。由于行驶过程中需要频繁制动，会使制动器发热，制动鼓、装有制 动衬片的制动蹄组件等膨胀会使制动间隙变小；而长期使用会因制动衬片磨损又会造成制 动间隙变大。如果不及时调整，会导致点刹、拖刹、制动鼓失圆、制动鼓龟裂等现象，给行车 造成不安全隐患。调整臂则就是为便于人工调整或自动调整这些制动器的制动间隙使其保 持在合理值范围内而设计的零部件总成；同时还是将气动推杆的直线运动转换为凸轮轴的 转动，是必不可少的动力传递、换向构件。调整臂的重要作用不言而喻。目前的调整按调节 方式可分为手动调整臂和自动调整臂。手动调整臂一般包含有由凸轮轴动力蜗轮和凸轮轴 动力蜗轮锁定、调整蜗杆组成的制动间隙调整机构；而自动调整臂则是在此基础上增加一 个自调装置。现存的调整臂还存在许多改进之处。如，采用手动调整臂的制动装置的制动 间隙的调整是专业修车人员间隔进行的，两次间隙的调整之间不是始终处在最佳间隙，而 是由最佳间隙变化到允许的最大间隙；采用自动调整臂的制动装置的制动间隙的调整可以 弥补手动调整臂的这一缺陷，但目前的自调装置大多采用纯机械结构，结构较为复杂，构件 变形、传动链间隙等对调节的可靠性影响较大，且只能实现单向调节，这也是造成制动鼓龟 裂或在车辆行驶过程出现爆胎等现象的主要原因之一。随着传感器技术和电子自动控制技术在汽车领域的应用和发展，早在上世纪90 年代，专利US4749063就提出了一种基于直接实时监测制动间隙量变化的机、电、气一体化 的汽车制动器制动间隙闭环自动控制系统的实现方法。该方法采用了一种气体流量传感 器，其不足之处在于压缩气体对环境的敏感性、滞后性等因素会影响了气体流量传感器的 灵敏度和可靠性等，且这类传感器的体积比较大；安装在制动蹄上，要求对现存的制动器内 部结构做较大改动。专利CN2849315Y和CN1967007也提出了一种智能高效程控全自动汽车 制动调整臂，采用是基于气动推杆感知原理。制动衬片的磨损必然会使活塞或气室的推杆 行程产生的增量，气动推杆感知原理是基于该增量的自动控制，但忽略了制动臂壳体产生 的超量间隙及弹性转角、制动蹄的弹性转角、凸轮驱动轴的弹性转角等对行程增量的影响。
发明内容
针对重型商用车及大型客车气制动装置配备的现有调整臂存在的问题，本发明的 目的是提供一种程控式汽车制动间隙自动调整臂的实现方法。包括采用安装在凸轮驱动轴 端部的角位移传感器来感知制动间隙的变化量；然后利用基于单片机的电子控制器对来自 角位移传感器的角位移信号进行处理，判断是否发送控制指令驱动步进电机进行制动器制 动间隙调节，还是驱动声、光报警元件进行制动器故障报警；同时使用人员可以在操作显示面板上进行制动器预设间隙的设定操作，以及观察制动器当前的工作制动间隙。本发明的目的可通过下列技术方案实现本发明在外壳的上端开有气动推杆连接孔，在外壳的下端安装与制动器的凸轮轴 连接的凸轮轴动力蜗轮，凸轮轴动力蜗轮与安装在调整锁定蜗杆轴上的调整锁定蜗杆相啮 合。在调整锁定蜗杆轴伸出外壳的一端上安装自调蜗轮，在外壳侧面装有电子控制器和步 进电机，安装在步进电机的驱动轴上的自调蜗杆与自调蜗轮相啮合；角位移传感器同轴安 装在制动器的凸轮轴的伸出端部，定位基准杆一端固定在角位移传感器转轴上，在角位移 传感器转轴伸出端面和定位基准杆之间设有扭簧，定位基准杆的另一端与机架连接；电子 控制器分别汽车电瓶，声、光报警元件，操作显示面板，步进电机和角位移传感器连接。所述电子控制器包括单片机、步进电机控制驱动电路、角位移信号处理电路、操作 显示电路、报警元件控制驱动电路和供电电路；单片机分别与步进电机控制驱动电路、角位 移信号处理电路、操作显示电路和报警元件控制驱动电路连接，供电电路对整个系统供电。所述单片机采用AT89C51芯片，其Pl和P2接口分别与角位移信号处理电路中 的芯片AD12XSZ，其中P2. 3、P2. 4和P2. 5分别与角位移信号处理电路中的芯片AD12XSZ 的BUSY、INH和EN连接；单片机的P2. 6和P2. 7与报警元件控制驱动电路相连；单片机的 P0. 0 P0. 7分别与步进电机控制驱动电路中的芯片74LS373和芯片8255A相连，单片机的 ALE脚与芯片74LS373的G脚相连，单片机的RD和WR脚分别与芯片8255A的RD和WR相 连；单片机的Pl. 0 Pl. 7与操作显示电路中的芯片8279相连。本发明具有的有益效果是可以在车辆行驶过程中自动对制动器制动间隙进行双向调节，使其始终工作在最 佳制动间隙状态；可通过累积调节量(磨损程度)判断制动衬片是否需要更换，提供故障 报警；在安装调整臂和更好制动器的制动衬片时，可通过操作显示面板设定预设制动间隙， 操作方便；采用安装在凸轮轴端的角位移传感器来获取制动间隙增量信号，与安装在制动 器内部的气体流量式制动间隙传感器的系统相比，结构简单、体积小、安装方便，更可靠，较 之采用基于推杆行程间隙感知原理的自动调整臂调节更精确；基于单片机的电子控制器控 制，控制电路简单，成本较低。
图1为程控式汽车制动间隙自动调整臂总体示意图；图2为机械传动机构主视图；图3为图2的H-H视图；图4为图1的G-G视图；图5为程控式汽车制动间隙自动调整臂工作原理框图；图6为程控式汽车制动间隙自动调整臂电气原理的主要部分框图。图中1、机械传动机构，2、电子控制器，3、步进电机，4、角位移传感器，5、操作显 示面板，6、声报警元件，7、光报警元件，8、汽车电瓶，9、外壳，10、气动推杆连接孔，11、封盖， 12、凸轮轴动力蜗轮，13、凸轮轴连接内花键，14、调整锁定蜗杆，15、调整锁定蜗杆轴，16、自 调蜗轮，17、自调蜗杆，18、步进电机的驱动轴，19、保护箱体，20、凸轮轴，21、角位移传感器 转轴，22、定位基准杆，23、扭簧，24、机架，25、通孔，26、人工调节按键(正向)，27、人工调节按键(逆向)，28、TO设定按键，29、Tl设定按键，30、数字显示装置，31、单片机，32、步进电 机控制驱动电路，33、角位移信号处理电路，34、操作显示电路，35、报警元件控制驱动电路， 36、供电电路。图中R1-R26为电阻，U1-U3为光电耦合器，V1-V7、功放三极管，A、B、C、D、E为导线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明的机械传动机构1是在外壳9的上 端开有气动推杆连接孔10，在外壳9的下端安装与制动器的凸轮轴20连接的凸轮轴动力蜗 轮12，凸轮轴动力蜗轮12上与制动器的凸轮轴20连接的花键13，凸轮轴动力蜗轮12与安 装在调整锁定蜗杆轴15上的调整锁定蜗杆14相啮合。凸轮轴动力蜗轮12，调整锁定蜗杆 14，封盖11在壳体9上的安装同现有技术。 在调整锁定蜗杆轴15伸出外壳9的一端上安装自调蜗轮16，在外壳9侧面装有电 子控制器2和步进电机3，安装在步进电机的驱动轴18上的自调蜗杆17与自调蜗轮16相 啮合。自调蜗杆17与自调蜗轮16安装在保护箱体19内，保护箱体19固定安装在壳体9 的调整锁定蜗杆轴15伸出端的侧面。步进电机3安装在保护箱体19的侧面，步进电机的 驱动轴18穿过保护箱体19上的通孔25与自调蜗杆17连接。角位移传感器4同轴安装在制动器的凸轮轴20的伸出端部，定位基准杆22 —端 固定在角位移传感器转轴21上，在角位移传感器转轴21伸出端面和定位基准杆22之间设 有扭簧23，定位基准杆22的另一端与机架24连接；其中扭簧23 —端固定在基准杆22上， 另一端固定在角位移传感器4的外壳上。电子控制器2安装在外壳9或保护箱19外侧或其它易于操作的位置，它分别汽车 电瓶8，声、光报警元件6、7，操作显示面板5，步进电机3和角位移传感器4之间采用导线 A、导线B、导线C、导线D和导线E连接。所述电子控制器2包括单片机31、步进电机控制驱动电路32、角位移信号处理电 路33、操作显示电路34、报警元件控制驱动电路35和供电电路36 ；单片机31分别与步进 电机控制驱动电路32、角位移信号处理电路33、操作显示电路34和报警元件控制驱动电路 35连接，供电电路35对整个系统供电。所述的声报警元件6和光报警元件7安装在驾驶室容易观察到的位置，它们和电 子控制器2之间采用导线B连接。所述操作显示面板5安装在外壳9或保护箱19外侧或其它易于操作的位置，包括 人工调节按键26 (正向)、27 (逆向)，TO设定按键28、Tl设定按键29，以及数字显示装置 30。所述单片机31采用AT89C51芯片，步进电机控制驱动电路32采用了 A/D转换芯 片74LS373芯片和可编程接口芯片8255A以及包括光电耦合器(U1-U3)晶体管(V1-V6)组 成的光电隔离功放大回路；操作显示电路34采用了通用键盘/显示接口芯片8279以及芯 片7407和7406，包括数字显示装置30采用4片共阴LED ；角位移传感器4采用XZ系列旋 转变压器；角位移信号处理电路33采用了 XSZ系列转换器模块；步进电机3采用了三相步进电机。AT89C51芯片的Pl和P2接口分别与角位移信号处理电路33中的芯片AD12XSZ， 其中P2. 3、Ρ2· 4和Ρ2. 5分别与角位移信号处理电路33中的芯片AD12XSZ的BUSY、INH和 EN连接；单片机31的P2. 6和P2. 7与报警元件控制驱动电路35相连；单片机31的P0. 0 P0. 7分别与步进电机控制驱动电路32中的芯片74LS373和芯片8255A相连，单片机31的 ALE脚与芯片74LS373的G脚相连，单片机31的RD和WR脚分别与芯片8255A的RD和WR 相连；单片机31的Pl. 0 Pl. 7与操作显示电路34中的芯片8279相连。本发明的工作过程使用人在安装程控式汽车制动间隙自动调整臂时，或在更换制动器制动衬片时， 可通过对操作显示面板5的操作方便调整臂安装及实现对调节制动器的制动间隙的调节 和预设。具体过程操作人工调节按键26 (正向)和27 (逆向)，基于通用键盘/显示芯片 8279的操作显示电路34可接受到人工调节按键26 (正向)和27 (逆向)的状态信号，经A/ D转换后在将信号输送到单片机(AT89C51)，单片机(AT89C51)判断是否发出控制指令驱动 步进电机控制驱动电路32，包括脉冲信号、方向信号和脱机信号等，使步进电机3工作，步 进电机驱动轴18带动自调蜗杆17同步旋转，自调蜗杆17和自调蜗轮16作啮合传动，通过 调整锁定蜗杆轴15带动调整锁定蜗杆14同步旋转，调整锁定蜗杆14和凸轮轴动力蜗轮12 作啮合传动，促使凸轮轴动力蜗轮12相对于外壳9转动一定角度达到调节的目的；与此过 程，单片机(AT89C51)逻辑处理调解量信号后传输给操作显示电路32，经其转换后在数字 显示装置30予以显示。当确定制动器制动间隙已符合预设间隙时，在汽车制动系统处于非 工作状态，按一次TO设定按键28，在汽车制动系统处于工作状态，按一次Tl设定按键29， 即可完成制动器预设间隙的设定操作，单片机(AT89C51)会将其存储到相应的内嵌存储器 中，以供在汽车行驶过程中对制动器制动间隙自动调整使用。其中，预设制动间隙是通过角 度Tl和角度TO的差值来反映的，TO是调整臂壳体1和定位基准杆22的角度(初始角)， Tl是制动器工作在预设间隙状态下外壳9应转过的角度和初始角之和，又称预设间隙角。在汽车行驶过程中，制动过程定义为一种从驾驶员踩下制动总阀的制动踏板至完 全松开制动踏板的过程。在制动过程中，外壳9实际转过的最大角度(同凸轮轴转动角度 一致)和初始角之和，这里称之为实际间隙角，用t表示。在汽车行驶过程中，每次制动过程角位移信号处理电路(AD12XSZ)33都将接受到 来自角位移传感器4监测到的实际间隙角t的信号，经角位移信号处理电路(AD12XSZ)33 转换后通过Pl 口和P2 口传输至单片机(AT89C51)，单片机(AT89C51)判断是否发出控制指 令，更新存储器中对应的TO和Tl的设定值，驱动步进电机控制驱动电路32启动制动间隙 调节过程，或驱动报警元件驱动电路35进行故障报警。具体步骤1.单片机从相应内嵌存储器中取出Tl和t进行比较，并发送控制指令驱动操作 显示电路34工作，数字显示实际间隙量(由t和Tl通过逻辑程序计算处理获得)，并判断
t-Tl I是否大于或等于最小可调量a(a由步进电机的步距角确定)，若是，进入步骤2 ；否 则，进入步骤5。2.判断S = S+(t-Tl)是否小于Smax，若是，进入步骤3，否则向报警元件驱动电路 35发生控制指令，驱动声报警元件6和光报警元件7工作。S为存储内嵌存储器中历次制动间隙调节累积角度值，反映了制动器制动衬片已 磨损量；Smax为固化在逻辑程序或对应存储器中以常量形式存放的当前制动间隙能够调节的极限角度值，与制动器制动衬片的极限磨损量有关。3.单片机(AT89C51)向步进电机控制驱动电路32发送控制驱动指令，使其工作。 利用N= I t-Tl I/a，N取整，确定发送脉冲数量；若(t-Tl)为正数，发送正方向信号，否则 发送负方向信号；该过程角位移传感器4反馈监测到的角度值信号，当达到对应的角度为 TO+(t-Tl)时，单片机(AT89C51)将向步进电机控制驱动电路32发出脱机信号，步进电机控 制驱动电路32停止工作。4.单片机(AT89C51)对相应的存储器重变量进行更新。更新S的值为S+(t_Tl)， TO 的值为 TO+(t-Tl)，Tl 的值为 Tl+(t-Tl)。5. 一次工作循环完成。
权利要求
一种程控式汽车制动间隙自动调整臂，在外壳(9)的上端开有气动推杆连接孔(10)，在外壳(9)的下端安装与制动器的凸轮轴(20)连接的凸轮轴动力蜗轮(12)，凸轮轴动力蜗轮(12)与安装在调整锁定蜗杆轴(15)上的调整锁定蜗杆(14)相啮合；其特征在于在调整锁定蜗杆轴(15)伸出外壳(9)的一端上安装自调蜗轮(16)，在外壳(9)侧面装有电子控制器(2)和步进电机(3)，安装在步进电机的驱动轴(18)上的自调蜗杆(17)与自调蜗轮(16)相啮合；角位移传感器(4)同轴安装在制动器的凸轮轴(20)的伸出端部，定位基准杆(22)一端固定在角位移传感器转轴(21)上，在角位移传感器转轴(21)伸出端面和定位基准杆(22)之间设有扭簧(23)，定位基准杆(22)的另一端与机架(24)连接；电子控制器(2)分别汽车电瓶(8)，声、光报警元件(6、7)，操作显示面板(5)，步进电机(3)和角位移传感器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种程控式汽车制动间隙自动调整臂，其特征在于所述电 子控制器(2)包括单片机(31)、步进电机控制驱动电路(32)、角位移信号处理电路(33)、操 作显示电路(34)、报警元件控制驱动电路(35)和供电电路(36)；单片机(31)分别与步进 电机控制驱动电路(32)、角位移信号处理电路(33)、操作显示电路(34)和报警元件控制驱 动电路(35)连接，供电电路(35)对整个系统供电。
3.根据权利要求2所述的一种程控式汽车制动间隙自动调整臂，其特征在于所述单 片机(31)采用AT89C51芯片，其Pl和P2接口分别与角位移信号处理电路(33)中的芯片 AD12XSZ，其中P2. 3、P2. 4和P2. 5分别与角位移信号处理电路(33)中的芯片AD12XSZ的 BUSY、INH和EN连接；单片机(31)的P2. 6和P2. 7与报警元件控制驱动电路(35)相连； 单片机(31)的P0. 0 P0. 7分别与步进电机控制驱动电路(32)中的芯片74LS373和芯片 8255A相连，单片机(31)的ALE脚与芯片74LS373的G脚相连，单片机(31)的RD和WR脚 分别与芯片8255A的RD和WR相连；单片机(31)的Pl. 0 Pl. 7与操作显示电路(34)中 的芯片8279相连。
全文摘要
本发明公开了一种程控式汽车制动间隙自动调整臂。包括机械传动机构、电子控制器、步进电机、安装在制动器凸轮轴端的角位移传感器、操作显示面板和声、光报警元件。机械传动机构包括制动调整臂的外壳，外壳上的气动推杆连接孔，安装在外壳内的凸轮轴动力蜗轮，与凸轮轴动力蜗轮啮合的调整锁定蜗杆，用于固定调整锁定蜗杆的调整锁定蜗杆轴，安装在调整锁定蜗杆轴的外壳伸出端的自调蜗轮，与自调蜗轮啮合的自调蜗杆，自调蜗轮和自调蜗杆都安装在位于固定在外壳侧面的保护箱内，同时自调蜗杆固定安装在穿过保护箱的步进电机的驱动轴上。本发明能够达到增强汽车制动灵敏性和可靠性的效果，具有结构简单、体积小、成本低、安装方便的特点。
文档编号F16D65/58GK101907143SQ201010235569
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者张勇为, 陈芨熙, 顾新建, 黄沈权 申请人:浙江大学