一种汽车电子制动模拟系统的制作方法

本发明属于一种实验模拟设备，特别涉及一种汽车电子制动系统踏板模拟器及制动模拟系统。

背景技术：

随着汽车智能化的飞速发展，汽车线控技术应运而生，并且在整车上具有广泛应用，它是基于信息交互系统和实时控制的新型控制系统。汽车电子机械制动系统作为汽车线控技术的一个分支，用以取代传统的液压和气压制动系统，其结构原理和控制算法上都与传统制动系统有很大的区别，是一种全新的汽车制动理念。汽车电子机械制动系统凭借其节能、环保和制动响应快速等优点而优先在国外汽车企业得到广泛研究，其理论研究、试验测试平台和样机制造在国内起步较晚，但是经过近些年的发展也有了相当的突破。伴随着高速公路的快速发展以及车速的不断提高，现代车辆要求具有更高的舒适性、安全性以及稳定性，这也对汽车电子机械制动控制技术提出了更高的要求。

汽车电子机械制动系统作为一种新型的制动方法，传统的制动系统实验台基础结构与其不一致，且功能单一，已不能满足使用要求，故需要一种实验台以真实的汽车电子机械制动系统为基础，充分展示汽车电子机械制动系统的组成结构和工作过程，方便测量电子机械制动系统制动力及其响应效能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车电子机械制动系统实验台，以克服上述不足。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种汽车电子制动模拟系统，其特征在于，包括踏板模拟器和执行模拟器，

所述踏板模拟器是将踏板的角度变化转化为电压信号，用于向制动系统中执行模拟器输入可变电压；

所述执行模拟器包括与动力输出轴转动连接的制动盘以及一个可移动支撑平台，所述制动盘内外两侧分别设置内制动块、外制动块，所述内制动块和外制动块均可沿转制动盘轴向往复滑动，所述外制动块通过连杆组件与支撑平台连接，所述可移动支撑平台可沿制动盘轴向做往复运动，在所述可移动支撑平台上设有推力机构，所述推力机构用于推动内制动块向制动盘靠近；所述推力机构的输入电压由踏板模拟器输出的电压信号控制。

进一步，所述踏板模拟器包括传动部分和传感部分，

所述传动部分包括制动踏板、制动连杆、回位弹簧、弹簧卡扣和踏板旋转轴心；所述制动踏板和制动连杆固定连接，接收踏板制动力；所述回位弹簧和制动连杆通过弹簧卡扣连接，支撑制动连杆，并提供制动反力；所述制动连杆可围绕踏板旋转轴心在一定角度内运动；

所述传感部分包括转臂、摇臂、驱动臂和行程传感器；所述转臂踏板旋转轴心，所述转臂、摇臂和驱动臂采用铰链顺序连接，所述驱动臂连接行程传感器；所述行程传感器另一端固定在踏板底上；所述踏板模拟器将制动踏板围绕踏板旋转轴心的角度变化转化为行程传感器的电压变化；将踏板的角度变化转化为电压信号，用于向制动系统中执行模拟器输入可变电压。

进一步，所述踏板模拟器输出电压与踏板转角的关系公式如下：

式中，u为行程传感器的输出电压，θ为转臂初始位置与竖直方向夹角，a为转臂长度，u0为行程传感器的输入电压，l为行程传感器的电阻总长度，为制动踏板转动角度。

进一步，所述推力机构包括固定在可移动支撑平台上的力矩电机，所述力矩电机的输出轴与减速器输入轴连接，所述减速器输出轴通过挠性联轴器与滚珠丝杠副的滚珠丝杠连接，滚珠丝杠副螺母与正对于内制动块的压盘固定连接；所述支撑平台在实验台架上可沿滚珠丝杠副轴向往复移动；所述力矩电机输入电压为可变电压，由踏板模拟器输出的电压信号控制。

进一步，所述制动盘上方设有钳体，所述钳体包括一对与制动盘轴向平行的滑梁，所述内制动块和外制动块分别设有吊耳，所述吊耳滑动搭接在钳体的滑梁上。

进一步，所述连杆组件包括与可移动支撑平台固定的固定座和“l”形间隙配合体，所述间隙配合体竖向板嵌入外制动块与钳体边梁之间，用于拨动外制动块。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明踏板模拟器将制动踏板围绕踏板旋转轴心的角度变化转化为行程传感器的电压变化，用于控制制动系统中执行模拟器的输入电压；通过踏板模拟器输出电压实现汽车制动力可变。

附图说明

图1是本发明制动踏板模拟器的结构示意图。

图1中(a)为立体结构示意图，(b)为原理图。

图2为本发明汽车电子机械制动系统实验台结构示意图。

图3、图4为本发明的汽车电子机械制动系统执行器局部放大图。

图5是本发明附有质量块的制动盘结构示意图。

图6是本发明制动盘与制动块配合处结构示意图。

图7是制动盘与制动块配合处设有压力传感器和位移传感器的示意图。

图7中(a)为制动盘与制动块配合处整体结构示意图，(b)为压力传感器示意图，(c)为压力传感器固定板示意图。

图8是本发明制动块结构示意图。

图9是本发明动连杆组件结构示意图。

其中：1.万向轮2.台架3.变频器4.三相异步电动机5.电磁离合器6.轴承座7.质量块8.边梁9.连杆组件10.联轴器11.行星齿轮减速器12.永磁直流无刷力矩电机13.滑块14.导轨15.数字显示仪16.控制系统17.模拟控制电源18.制动盘19.滚珠丝杠20.支撑座一21.丝杠螺母22.压盘23.支撑座二盖24.支撑座二25.内制动块26.支撑平台27.制动盘配重块28.制动盘配重块定位螺钉29.钳体30.外制动块31.吊耳32.支撑座一固定座33.连杆34.间隙配合体35.固定组件36.位移传感器37.压力传感器38.压力传感器固定板39.压力传感器固定板吊耳40.制动踏板41.制动连杆42.回位弹簧43.弹簧卡扣44.踏板旋转轴心45.转臂46.摇臂47.驱动臂48.行程传感器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，为本发明所应用的汽车电子机械制动系统实验台，包括实验台台架2，该实验台台架上设有电子机械制动系统执行器模块、模拟汽车行驶模块、制动信号采集模块和踏板模拟器模块，实验台台架底部设有万向轮1，万向轮上设置脚轮自锁装置。

其中，参见图1，踏板模拟器主要有传动部分和传感部分组成，将制动踏板40围绕踏板旋转轴心44的角度变化转化为行程传感器48的电压变化。

传动部分包括制动踏板40、制动连杆41、回位弹簧42、弹簧卡扣43和踏板旋转轴心44。制动踏板40和制动连杆41固定连接，接收踏板制动力；回位弹簧42和制动连杆41通过弹簧卡扣43连接，支撑制动连杆41，并提供制动反力；制动连杆41可围绕踏板旋转轴心44在一定角度内运动。传感部分包括转臂45、摇臂46、驱动臂47和行程传感器48；转臂与踏板旋转轴心固定连接；转臂45、摇臂46和驱动臂47采用铰链连接，驱动臂连接行程传感器；行程传感器另一端固定在踏板底上行程传感器48采用电阻传感器原理，由驱动臂47驱动改变电阻值。试验中，制动踏板40围绕踏板旋转轴心44角度成比例变化，行程传感器48的电压呈计算方式如下：

踏板模拟器输出电压与踏板转角的关系由如下公式表示：

式中，u为行程传感器(48)的输出电压，θ为转臂(45)初始位置与竖直方向夹角，a为转臂(45)长度，u0为行程传感器(48)的输入电压，l为行程传感器(48)的电阻总长度，为制动踏板(40)转动角度。

参见图2，图3，电子机械制动系统执行器模块包括设置在制动盘18外侧的内制动块25以及永磁直流无刷力矩电机12、行星齿轮减速器11、滚珠丝杠19、丝杠螺母21、压盘22。

制动盘18上方设有钳体29，钳体29包括一对与制动盘轴向平行的滑梁，内制动块25和外制动块30分别设有吊耳31，吊耳31滑动搭接在钳体29的滑梁上。

永磁直流无刷力矩电机12由踏板模拟器输出控制电压驱动，永磁直流无刷力矩电机12输出轴与行星齿轮减速器11输入轴连接，行星齿轮减速器11输出轴与滚珠丝杠副连接，其中滚珠丝杠副包括滚珠丝杠19、丝杠螺母21，滚珠丝杠副螺母21与压盘22固定连接，压盘22制动时与内制动块25接触制动。永磁直流无刷力矩电机12、行星齿轮减速器11和滚珠丝杠副由支撑座一20和支撑座二23支撑，固定在支撑平台26上，整个支撑平台26固定在固定组件35上，固定组件35的底部设有滑块13，试验台台架2上设有与滑块13滑动配合的滑轨14，支撑平台26在试验台台架2上可沿滑轨水平移动，该水平移动方向与制动盘轴向方向一致。

踏板模拟器输出控制电压驱动，即前述踏板模拟器的行程传感器48输出的原始电压，经控制系统处理后控制电机驱动。

参见图2，图3，图4，图9，连杆组件9包括固定座32、连杆33和间隙配合体34，固定座32通过螺栓固连于支撑座一20上，支撑座二包括可拆卸安装的支撑座二本体和支撑座二盖23，支撑座二本体和支撑座二盖23之间形成限位孔；连杆组件的连杆33贯穿该限位孔，间隙配合体34为l形结构，其竖板嵌入钳体29的边梁8和外制动块30之间的间隙中。

联动时，执行器模块带动支撑座一20向右移动，通过支撑座一固定座32带动连杆组件移动，驱动外制动块30移动实现外制动块与制动盘18的接触。

参见图2，图5，模拟汽车行驶模块包括三相异步电动机4、电磁离合器5和附有制动盘配重块27的制动盘18，制动盘配重块27和制动盘18由制动盘配重块定位螺钉28固定,制动盘配重块27数量的变化实现制动盘惯性质量的变化，模拟控制电源17由控制系统16可实时调节三相异步电动机4的控制电压，模拟车轮转速的变化。制动盘18通过所述三相异步电动机4输入端连接有调速用变频器3，输出轴与电磁离合器5电磁端通过连接键连接，三相异步电动机4和制动盘18通过两端附有轴承座6的轴承支撑在实验台上，电磁离合器5法兰端与制动盘中心轴通过连接键连接。

为准确模拟汽车在任意行驶速度下的状态，对三相异步电动机设置1.5kw-220ac变频调速器3，由控制系统16调节变频调速器的频率值与车轮转速之间关系公式如下：

式(2)中，n为电机转速，转/分钟，f为频率，s为转差率，一般取0.01-0.02；p为电机的电磁极对数，两极电机p为1，四极电机为2，这里取2。

频率f正常情况下为50hz，模拟正常车轮转速，可根据试验工况对象的要求，调节频率值实现车轮转速的变化。

参见图2，图6，图7，制动信号采集模块包括数字显示仪15、位移传感器36(ksc-8mm位移传感器)和压力传感器37，位移传感器36对称安装在制动块一25和制动块二30的制动块吊耳31间，位移感应端子紧靠制动块一25背板，底部端子紧靠制动块二30；限位支架8和压盘22共同作用于制动块一25和制动块二30，在水平上保证位移传感器36预紧，位移传感器36的弹簧作用于四个制动块吊耳31，保证制动回位，数字显示仪可同时显示同一时刻的压力及位移数值变化。

参见图2，图7，所述压力传感器37侧面开有螺纹孔，通过螺纹连接固定在对应的压力传感器固定板38上，固定板38结构等同制动块一25，且具有摩擦制动功能，通过吊耳39挂在钳体上，但厚度较小，实验时，代替制动块一25布置于制动盘18的内侧，感应压头紧贴固定板外侧，所述数字显示仪可同时显示同一时刻的压力及位移数值变化。

本发明方案的工作原理如下：

实验时，移动固定组件35到限位位置，压盘22与内制动块相距0.1mm左右，接通电磁离合器5电源，电磁离合器5闭合，使制动盘18在设计转速和设计负载情况下运行，调节变频器3输出频率改变三相异步电动机4的转速模拟试验工况下车轮行驶转速，改变制动盘18上质量块27的数量实现转动惯量可变模拟设计负载变化，数字显示仪15实时显示单个车轮的转速。

通过更换执行器制动力矩电机12和减速器11，可实现执行器连续堵转的力矩和传动比的参数变化，模拟小型汽车和迷你suv的制动车型变化。当力矩电机12的型号为j110lyx04a的永磁直流无刷电机、减速器11的型号为ngw行星齿轮减速机构且传动比为4.3时，模拟的是小型汽车，此时连续堵转的力矩为3.2n.m，传动比为4.3；当力矩电机12的连续堵转的力矩大于3.2n.m，且传动比在4.3-7.9时，模拟的迷你suv车型。

制动时，断开电磁离合器5，切断制动盘18与三相异步电动机4的动力连接。踏板模拟器将制动踏板40围绕踏板旋转轴心44的角度变化转化为行程传感器48的电压变化，电压与角度呈式(1)所示变化。

本实施例中：θ为30°，a长度为3cm，u0为12v，行程传感器的电阻总长度l为12cm，通过角度尺测量得到。

踏板模拟器根据踏板转动角度的变化，由行程传感器48输出一个可变电压给控制系统16，控制系统16输出控制电压驱动永磁直流无刷力矩电机，永磁直流无刷力矩电机12在可变电压下输出可变转矩，经行星齿轮减速器11减速增矩后，滚珠丝杠副作为运动转换装置将行星齿轮减速器11传递的大扭矩转化成丝杠螺母21的可变轴向推力，推动内制动块25向制动盘18移动，当内侧制动块25与制动盘18接触产生接触力时，此接触力作用于滚珠丝杠副产生反作用力，永磁直流无刷力矩电机12、行星齿轮减速器11和滚珠丝杠副安装在支撑平台26上，支撑平台26在反作用力下沿导轨14向远离制动盘18方向移动，由于制动连杆组件与支撑座一20固定连接，制动连杆组件的间隙配合体带动外侧制动块30向制动盘18移动，当内制动块一25和制动块二30均与制动盘18接触时，从而产生可变的制动压力，直至制动完成。

数字显示仪15上实时监测踏板输出电压，踏板转角变化、制动压力值、位移传感器变化值及其时间信息，据此计算制动夹紧力和制动间隙消除时间，与制动法规对比反映制动执行器的制动效果。

以下进一步给出本发明系统实验台试验方法及试验结果分析

(1)试验方法

通过三相异步交流电机4带动附有配重块27的汽车制动盘18运转模拟整车实际行驶过程，三相异步交流电机4与汽车制动盘18通过电磁离合器5连接，通过对电磁离合器5电流的通断控制，实现三相异步交流电机4与汽车制动盘18的连接与断开。通过改变踏板模拟器的制动踏板40角度实现对力矩电机12的控制，其输出电压与制动踏板40角度的关系参见式(1)。数字显示仪实时显示制动踏板模拟器输出的电压值、压力传感器和位移传感器值，

(2)制动压力测试试验

试验中支撑平台固定在导轨14上，则系统执行器与试验台支架无相对滑动。制动时，压盘22直接作用于压力传感器37的压头。

分别控制制动踏板40角度，对力矩电机施加2v、4v、6v、8v、10v和12v的电压值，记录压力传感器37显示数值，如表1所示。

表1制动夹紧力实验值与理论值、仿真值比较

制动夹紧力实验值与理论值和仿真值相差不大，说明试验设计完全满足制动力测试使用要求。在三种条件下制动夹紧力均随堵转电压的增大而增大，近似呈正比例变化，这也是电子机械制动系统调节电压即可调节制动力的优点所在。实验值略小，主要受试验过程中的安装误差、电机本身的机械特性以及外界的复杂环境条件等因素的影响。

表1中的理论值是按照如图2所示的力矩电机、减速器和丝杠螺母结构通过机械力学知识计算得来；仿真值是通过adams仿真建模分析得来。

(3)制动间隙消除时间测试试验

系统执行器模块在消除制动间隙阶段分为电机从启动到最大空载转速以及电机匀速运转两个过程。由于消除制动间隙时间很短，汽车制动块与制动盘一侧间隙为0.1mm，总制动间隙为0.2mm，精确的在制动盘两侧设置0.1mm很难，故设定原始间隙为2.5mm，则内外侧间隙共5mm。

试验步骤如下：

1)按照小型汽车的制动需要，安装固定好力矩电机12和减速器11；

2)将滑块13固定在导轨14上，确保执行器与试验台支架可相对滑动；

3)布置两个位移传感器36于内制动块25和外制动块30间，将安装有压力传感器37的压力传感器固定板38代替内制动块25，通过其吊耳39挂在嵌体29上，安装固定好连杆组件9；

4)根据试验工况要求，增减制动盘配重块27于制动盘18内；

5)接通电源，调节变频器3，控制电动机4旋转，接通电磁离合器5的电源，电磁离合器5闭合，带动制动盘18转动；

6)改变踏板模拟器踏板40的角度，力矩电机12驱动工作，实现制动。观察数字显示仪上的行程传感器48输出电压值，在电压值为2v、4v、6v、8v、10v和12v时，用角度尺测量踏板40的角度变化，读取压力传感器37输出值，记录在表1中；

7)观察数字显示仪上的行程传感器48输出电压值、位移传感器36的位移变化量以及制动块时间变化，当压盘22接触压力传感器37时，开始记录时间；当位移传感器36显示为2mm、3mm、4mm和5mm时，记录时间于表2中，根据时间-位移公式，计算制动块运行速度，记录在表2中。

8)切断电源，试验结束。

表2位移传感器测量数据

根据上述实验结果可以得出制动块在消除制动间隙阶段匀速运行的最大速度为2.53mm/s，满足制动法规2mm/s的使用要求。根据力矩电机厂家提供的检验报告，此型号力矩电机运转至最大空载转速响应时间0.04s，此响应时间段制动块移动距离约为0.05mm，则此emb系统执行器消除制动间隙时间约为0.10s，满足制动法规间隙消除时间0.05-0.15s的使用要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。