CN102211574A - 机电式acbs汽车缓速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电式ACBS（Anti-lockCentralBrakingSystem）汽车缓速器及其控制方法。该缓速器包括四部分：外束式齿轮传动制动器、气源与控制阀、水循环冷却系统、中央缓速器控制系统（ECU）及外围电气部分。支架固定在汽车变速箱输出端盖连接端面上，摩擦鼓(8)安装在汽车变速箱输出轴法兰盘上(传动轴或主减速器主动齿轮法兰盘上)，制动时摩擦片挤压摩擦鼓（8），形成制动力以达到汽车缓速或辅助制动的目的。控制部分采用气动控制，由驻车储气筒供气，通过多个气动控制阀调整缓速器制动气室内的压力来控制缓速器工作。本发明可实现制动功率恒定、车速恒定、温升受控等功能，具有制动灵敏、整体质量轻、性价比高的特点，提高了车辆制动系统的性能和行车安全性。

Description

机电式ACBS汽车缓速器

技术领域

本发明涉及一种机电式ACBS汽车缓速器，由外束式齿轮传动制动器、气源和控制阀、水循环冷却系统、中央缓速器控制系统（ECU）及外围电气部分组成，特别适用于客车、重型车辆制动系统的缓速装置。

更具体而言是指：一种新型可自动间隙调整的外束式齿轮传动制动器、气制动阀门控制技术、水冷技术及辅助制动控制技术的系统。

背景技术

近年来，随着国家车辆行车和制动安全的相关法律先后出台，汽车缓速器市场的需求量增长迅速，电涡流缓速器占有很大的市场，电涡流缓速器的主要缺点在于尺寸庞大、机体沉重、消耗电能且受周围环境温度影响较大，目前只适用于大型商用车辆。目前国产的电涡流缓速器存在加工工艺粗糙，转子热变形厉害、缓速器寿命短、存在磁场涡流热散热不足，线圈易烧断，档位易产生误操作以及与整车的匹配电气等问题。

现有的汽车主制动器内张式鼓式刹车装置，多为定心凸轮式外张领从蹄式制动器，缺点是驱动凸轮的力要大而效率却相对较低，其效率约为0.6～0.8，且内张式鼓式制动器的制动效能和散热性不是很好，制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控，而且由于散热性不好，鼓式制动器长时间制动热衰退现象很明显，制动功率不断下降，影响行车安全，所以它不满足山区公路上连续下坡行驶时的制动要求。

所以，有必要研制一种新型机电式ACBS缓速器，采取最有效的控制技术，实现制动功率恒定、制动车速恒定、制动器摩擦温升受控，散热迅速、并具有点刹、恒功率和恒速等功能。

发明内容

本发明专利的目的是为了克服现有的技术不足，提供一种刹车功率恒定、平稳性与刹车效果明显增强，采用循环水冷却系统，明显降低制动产生的摩擦鼓温升，提高制动系统使用寿命和行车安全性的缓速器及其控制方法。较其它缓速器，其质量轻、体积小、价格低廉、反应灵敏、制动效果好、能长时间持续下坡。此缓速器控制技术涉及到了对车辆原有气制动系统的改进，在不影响整车原有制动性能的情况下，充分利用气室和气路来完成缓速器的供气。在电路方面，涉及到了车速、温度、气制动压力、驾驶员操作的判断和防误操作功能，能够实现速度、温度、压力的实时监控以及与ABS的匹配， CAN总线的通信等功能。 采用ISP编程技术、电源管理、硬件看门狗等技术，保证了控制器更好的稳定性。

如图1、图2、图3所示，本发明的机电式ACBS汽车缓速器的结构设计技术方案是：支架（1）安装在汽车变速箱输出端的后盖上（变速箱输出轴法兰）或固定在车辆底盘上，摩擦鼓（8）安装在变速箱输出轴法兰盘上(传动轴上或主减速器主动齿轮法兰盘上)，需要制动时，通过控制气室内气压大小，推动自动调整臂（10）绕主齿轮轴（11）转动，主齿轮轴（11）上的主动齿轮（13）带动左右驱动齿轮（12）、（15），通过周轮系统，使得左右齿条带动左右蹄铁以支承销（9）为轴心，同时向摩擦鼓（8）的中心抱紧，使车辆减速，达到制动效果。

如图4、图5所示，本发明的机电ACBS缓速器的控制方法采用的技术方案是：一套独立的控制气路，其包括，驻车/中央缓速器储气筒（17）、差动继动阀（27）、常闭电磁阀（30）以及PCV调节阀（25）。其中驻车/中央缓速器储气筒（17）通过差动继动阀（27）与中央缓速器制动气室（31）相连接，常闭电磁阀（30）和PCV调节阀（25）也通过差动继动阀（27）相连接，提供缓速器气室另一条气路。

如图4所示，水循环冷却系统采用电动水泵（36）来驱动，管路接到发动机水冷系统形成回路，带走热量，在缓速器不工作的情况下，电动水泵（36）不工作，断开接到缓速器的管路，充分利用了车辆现有的设备来实现了缓速器的降温，成本低，散热效率高。

轮速传感器（19）采用霍尔式接近开关，通过传动轴上安装的小块永磁铁来实现轮速的监控，安装简单，反应速度快，能够在恶劣的工况下长期工作，程序动态的对得到的轮速进行计算，能自动的实现缓速器抱死放气，实现防抱死功能，还能与ABS共同工作。

采用精度较高，测温范围大的K型安装式薄膜热电偶鼓温传感器（23）来监控摩擦鼓工作表面的温度，通过程序设定的温度极限值来保证缓速器正常工作。

该控制电路板利用大功率N沟道增强型VMOS场效应管来进行功率放大，完成电磁阀的驱动。使用DC隔离稳压模块来实现24V蓄电池到控制器电源的隔离，抗干扰性强，数字地和模拟地可隔离。采用MAXIM公司的MAX813L芯片来实现电源管理和看门狗功能。

利用程序判断驾驶员在操作端的意图，防止驾驶员出现误操作。采用AT89S52单片机来实现ISP编程，能够在线修改控制器的程序。采用Philips公司的独立CAN控制器SJA1000及CAN总线驱动器TJA1050，支持CAN 2.0B协议。

本发明提供一种机电式ACBS汽车缓速器控制技术，利用车辆上已有的驻车储气筒作为气源，安装较少的控制阀门就可以实现缓速器独立的气路，另外，电路板采用AT89S52新型16位单片机及其MAXIM、Philips、Atmel系列外围应用芯片，提高了控制系统的稳定性、可靠性、多功能性，VMOS场效应管驱动电路可作为通用车载器件的驱动电路。

附图说明：

图1 外束式齿轮传动制动器装配图主视图；

图2 外束式齿轮传动制动器装配左视图；

图3 外束式齿轮传动制动器齿轮传动原理图；

图4 机电式ACBS汽车缓速器原理图；

图5 本发明的中央缓速器控制系统电气部分示意图；

图6 本发明的中央缓速器控制系统硬件框图；

图7 本发明的中央缓速器控制系软件流程图。

附图中：1-支架  2-摩擦片  3-左蹄铁  4-左齿条  5-齿轮传动箱  6-右齿条 7-右蹄铁 8-摩擦鼓 9-支承销10-自动调整臂11-主齿轮轴  12-右驱动齿轮13-主齿轮14-过渡齿轮15-左驱动齿轮 16-串列双腔制动阀 17-驻车/中央缓速器储气筒 18-后制动继动阀 19-轮速传感器 20-CAN总线 21-点火开关 22-缓速器操作手柄 23-鼓温传感器 24-压力传感器 25-PCV调节阀 26-快放阀 27-差动继动阀 28-感载比例阀 29-三通管 30-常闭电磁阀 31-中央缓速器制动气室 32-中央缓速器控制系统 33-温度报警灯 34-压力信号灯 35-汽车电瓶 36-电动水泵。

具体实施方案

如图4、图5所示，串列双腔气制动阀（16）往后制动气室去的气经感载比例阀（28）分作两路，一路送往后制动继动阀（18）执行后轮制动功能，另一路用于控制气路以送往差动继动阀（27）的控制气路口A，驻车/中央缓速器储气筒（17）过来的气经过三通管（29）分为两路，一路作为缓速器气室的气源送到差动继动阀（27）进气口，另一路则经过常闭电磁阀（30）作为控制气路送到差动继动阀（27）的控制气路口B，差动继动阀（27）的出气口经快放阀（26）直接连接到PCV调节阀（25），PCV调节阀（25）连接到中央缓速器制动气室（31），以实现制动功能。当踩下制动踏板时，串列双腔气制动阀（16）的输出气压经感载比例阀（28）的分压后作为差动继动阀（27）的控制压力输入，在控制压力作用下，将进气阀推开，于是压缩空气便由驻车/中央缓速器储气筒（17）直接通过进气口进入中央缓速器制动气室（31），不流经制动阀，这大大缩短了制动气室的充气管路，加速了气室的充气过程，提高了制动反应速度。当驾驶员控制缓速器操作手柄（22）将常闭电磁阀（30）通电时，驻车/中央缓速器储气筒（17）经三通管（29）的另一气路，由于常闭电磁阀（30）的导通而作为控制气路输入到差动继动阀（27），从而使压缩空气由驻车/中央缓速器储气筒（17）进入中央缓速器制动气室（31）。制动器开始工作，制动力由制动气室经自动调整臂（10）传到齿轮主轴（11），主动轴带动主齿轮（13）旋转，对于右边：主齿轮（13）把转矩传到右驱动齿轮（12）,由右驱动齿轮带动右齿条(6)，进而带动右蹄铁(7)。对于左边：主齿轮（13）把力传到过渡齿轮(14)，改变旋转方向后，再传给左边的驱动齿轮(15)，由左边驱动齿轮传到左边的齿条(4)，进而带动左边的蹄铁(3)。左右两蹄铁共用一个支承销(9)，两蹄铁同时绕蹄铁轴（9）为轴心转动，同时与外轮鼓（8）表面同时接触，产生摩擦力，形成制动力距，车辆速度就会逐渐减少，从而实现了制动器对车辆的制动功能。另外制动过程中产生的摩擦热，制动时轴流风扇叶片产生的风场能带走一部分热量。

车辆松刹车时，中央缓速器制动气室中的制动气体可通过快放阀（26）放入大气，制动气室内压力下降，制动气室中回位弹簧在回位力的作用下带动调整臂，进而使领蹄和从蹄向两边松开，摩擦片与制动鼓分离，从而实现制动器的松刹功能。

车辆正常行驶时，本发明缓速器不工作，轴流风扇式制动轮鼓随车辆传动轴转动，车速越高，风速越大，对流换热增大，有利于降低轮鼓温度。

控制过程1：辅助制动形式，常闭电磁阀（30）和PCV调节阀（25）不通电，缓速器靠制动踏板起作用：

如图5所示,踩下制动踏板时，通过拉杆机构操纵串列双腔气制动阀（16），后轮制动储气筒的压缩空气通过制动阀上腔，经过感载比例阀（28）的分压，一路作为控制气路控制差动继动阀（27）的进气，使驻车/中央缓速器储气筒（17）的压缩气体直接通过差动继动阀（27）、快放阀（26）及PCV调节阀（25），进入中央缓速器制动气室（31），使缓速器制动启动，缓速器会承受汽车超载部分的制动并分担车轮制动器部分制动减轻其制动压力，提高车辆主制动系统寿命。

控制过程2：缓速器靠电控单元起作用：

如图5所示,在下长坡过程中，采用缓速器单独制动来保持汽车的行驶速度，当驾驶员拨动缓速器操作手柄（22）时，压力信号灯（34）亮，常闭电磁阀（30）通电，驻车/中央缓速器储气筒（17）的压缩气体，通过常闭电磁阀（30）、差动继动阀（27）、快放阀（26）、PCV调节阀（25）进入中央缓速器制动气室（31），在此过程中，选好设定的档位后，中央缓速器控制（32）系以驾驶员设定下坡速度为目标，通过接受传动轴轮速传感器（19）的转速信号，得到汽车的车速，再根据压力传感器（24）的信号，从而发出相应的电信号驱动PCV调节阀（25）来控制中央缓速器制动气室（31）制动压力，保证制动力矩，使车速在设定的车速范围内变化。并保证在此过程中，传动轴不会被抱死，不会引起车轮的滑移。在此过程中，电动水泵（36）开始工作，缓速器水循环冷却系统源源不断的带走缓速器产生的制动热量，鼓温传感器（23）会监控中央缓速器制动轮鼓的温度高低，若长时间制动导致缓速器温度过高，缓速器中央控制系统会在制动器失效的温度临界点，温度报警灯（33）闪烁，关闭电动水泵（36），表明缓速器温度过高，此时将自动停止缓速器工作，提醒驾驶员必须采用主制动器才能保证汽车以希望的车速行驶。

在图6所示实施例中，所述的硬件框架（1），虚线内为控制电路总成，集成控制器盒内，虚线外部为传感器、电磁阀、电动水泵、操作手柄外围。具体表现为传感器信号作为控制器输入，电磁阀、电动水泵驱动信号作为控制器输出，控制器电路包含光电隔离、信号处理电路、大功率驱动模块、电源模块、看门狗电路、电源管理模块、CAN总线控制器及ISP编程输出接口。

如图7所述的软件流程图,程序指令按如下步骤执行

（1） 单片机初始化步骤521后进入I/O口初始化步骤522；

（2） 设置中断入口步骤523与堆栈、看门狗指针设置步骤524；

（3） 设置片内寄存器初始状态步骤（525）；

（4） 设置定时器寄存器初值与限定速度初值步骤（526）与关定时器，设置计数初值步骤（527）；

（5） 循环监视P3口输入步骤（528）与水泵驱动、防误操作子程序（529）；

（6） 判断P3口的值是否等于0EH（530），结果为是，则初始化电磁阀状态（531），然后进入FMOD（532），随后进入开启定时器（533）以及读取T1计数（534）、计算速度（534），计算完速度后进入判断速度是否大于5Km/h，结果为是，则关闭定时器、重设初值（537）后返回（527）后继续执行，结果为否，则设置电磁阀放气（538）后执行（537）并随后返回(527)后继续执行；

（7） 若（6）中判断P3口的值是否等于0EH（530）结果为否，则继续判断P3的值是否等于0CH(539),结果为是,则设定S2（540）后进入（545）开启定时器，P3不等于0CH，则继续判断P3是否等于08H（541），结果为是则设定S2（542）后进入（545）开启定时器，P3不等于08H，再继续判断P3是否等于00H（543），结果为是,则设定S2（544）后进入（545）开启定时器；

（8） 开启定时器（545）后，读取T1的计数值（546）并随即计算速度（547）。然后将得到的速度进行计算，首先判断是否大于5Km/h，结果为是则继续判断得到的速度是否大于设定的速度S2（549），若小于5Km/h则设置电磁阀放气(552)后进入关定时器，重设初值步骤（551），然后返回（527）后继续执行，（549）之后若结果为是，设定电磁阀进气后（550）进入（551）返回（527）继续执行。

车辆持续下长坡制动时，按照国家相关长坡实验标准，即在坡度7%、坡长6Km的坡道上，不采用主制动而保证汽车以30Km/h的速度正常行驶至坡底。本发明专利通过控制气室内的气压，从而控制气室推动的自动调整臂（10）运动情况，保证汽车在30±5Km的速度范围行驶，当速度增大超过设定的范围时，本发明的制动器就开始工作，通过不断的制动、松刹的不断循环过程来实现车辆的减速。

Claims (10)

1. 机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：由外束式齿轮传动制动器、气源和控制阀、水循环冷却系统、中央缓速器控制系统（ECU）及电外围电气部分等三部分组成；具有温升受控，具有点刹、恒功率和恒速等特点，可实现制动功率恒定、制动车速恒定、制动器摩擦散热迅速功能。

2. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：所述的外束式齿轮传动制动器，由支架（1）、蹄铁总成（左蹄铁(3)和右蹄铁(7)）、摩擦片(2)（左右各两片或多片且具有互换性）、左齿条（4）、齿轮传动箱（5）右齿条(6)，摩擦鼓(8)、支承销（9）、周轮组（包括主齿轮(13)、左驱动齿轮(15)、右驱动齿轮(12)以及过渡齿轮(14)）、间隙自动调整臂(10)、主齿轮轴(11)等组成。

3. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：支架（1）安装在汽车变速箱输出端的后盖上（变速箱输出轴法兰）或固定在车辆底盘上，摩擦鼓（8）安装在变速箱输出轴法兰盘上(传动轴上或主减速器主动齿轮法兰盘上)，支承销（9）安装在支架下端的蹄铁支座上，左右制动蹄铁同时绕支承销（9）向内旋转紧束摩擦鼓，使得与安装在制动蹄铁内表面的摩擦片（2）与摩擦鼓（8）外表面接触摩擦产生制动。

4. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：所述的气源和控制阀，包括串列双腔制动器阀（16），驻车储气筒（17），PCV调节阀（25），快放阀（26），差动继动阀（27），感载比例阀（28），三通管（29），常闭电磁阀（30）。

5. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：所述的水循环冷却系统，缓速器的进水口经电动水泵（36）接管路连接到发动机水冷系统水箱的出水口，出水口经管路连接到发动机水冷系统水箱的进水口，相当于将缓速器的水循环管路与发动机水循环管路并联到了一起。

6. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：所述的中央缓速器控制系统（ECU）及外围电气部分，包括AT89S52新型低功耗单片机及电源和信号处理模块，外围电气部分，轮速传感器（19）、鼓温传感器（23）、压力传感器（24）及缓速器操作手柄（22）作为ECU的输入信号，常闭电磁阀（30）、PCV调节阀（25）、报警和显示电路（33、34）作为ECU及相关驱动模块的输出信号。

7. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征是：可以通过所述的中央缓速器控制系统（ECU），设定缓速器操作手柄（22）各档位下的速度范围及制动气室压力值、摩擦鼓（8）刹车工作面的温度极限；启用所述的中央缓速器控制系统(32)后，当汽车速度大于设定的速度时，启用缓速器，使转速控制在恒定的范围内；压力传感器（24）可根据不同的车速要求设定缓速器的制动压力；当鼓温传感器（23）监测到摩擦鼓工作表面工作温度大于设定温度时，缓速器停止工作。

8. 根据权利要求1所述的机电式ACBS汽车缓速器，其特征在于：驾驶员可以通过制动脚踏板控制串列双腔制动器阀（16）向差动继动阀（27）供气，差动继动阀（27）的控制气路导通，使得驻车储气筒（17）的气从差动继动阀（27）的进气口到出气口后，经快放阀（26）、PCV调节阀（25）进入中央缓速器制动气室（31）；驾驶员采用缓速器操作手柄（22）控制时，常闭电磁阀(30)单独导通了驻车储气筒（17）到中央缓速器制动气室（31）的控制气路，不需要通过串列双腔制动器阀(16)。

9. 根据权利要求3所述的一种机电式ACBS汽车缓速器控制技术，其特征在于：驾驶员通过缓速器操作手柄（22）控制缓速器工作时，中央缓速器控制系统（32）接受缓速器操作手柄（22）的档位信号和轮速传感器（19）反馈的车速信号，通过中央缓速器控制系统（32）的大功率驱动电路控制电磁阀进放气，并通过压力传感器（24）的反馈信号来控制中央缓速器制动气室（31）压使得缓速器保持一定的压力来保持一定的制动力；压力过大容易导致缓速器抱死，中央缓速器控制系统（32）能够及时识别压力大小并通过PCV调节阀（25）放气，以减少压力；长时间工作时，中央缓速器控制系统（32）实时监控鼓温传感器（23）信号并在达到设定的温度极限值之前通过PCV调节阀（25）放气。

10. 根据权利3所述的一种机电式ACBS汽车缓速器控制技术，其特征在于：程序能够通过I/O端口的输入信号，通过存储在ECU的逻辑表来判断驾驶员是否产生了误操作或者是否操作手柄出现了问题，并且当车速低于5Km/h时，控制缓速器速不会启动；通过硬件看门狗芯片，定时的向ECU发送信号来判断ECU是否陷入死循环，若陷入死循环则将其复位，轮速计算采用M/T测速法，在高速和低速段均可获得较高的分辨。

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