基于可控变刚度液压缸的制动踏板感觉模拟装置及方法与流程

本发明涉及一种汽车制动技术领域，特别是关于一种基于可控变刚度液压缸的制动踏板感觉模拟装置及方法。

背景技术：

汽车技术的电动化和智能化对制动系统提出了更高水平的要求，尤其是在线控化底盘系统集成开发的背景下，如何通过现有技术手段实现线控化制动系统更加舒适、安全、高效的性能水平，是制动系统开发人员需要深入考虑的关键。

基于助力电机、高压蓄能器、新型主缸等线控制动系统的技术方案成为设计和开发的主流路线。不同于传统机械液压制动系统的主缸与轮缸直连的特点，上述线控化系统方案不可避免的通过“解耦”方式部分或完全隔离了主缸与轮缸之间制动力的直接传递，即通过电气化的制动控制系统取代了原有机械液压制动的耦合关系。然而，解耦式线控制动系统在提高了制动可控性和自由度的同时，车辆制动表现与驾驶员操作制动踏板之间的对应关系(制动踏板感觉特性)与传统制动系统相比显著不同，这一变化直接影响驾驶者的操作习惯和驾驶体验，主观舒适性变差。因此，需要设计用于模拟制动踏板感觉的装置，实现驾驶员预期的制动感受。

现有公开的制动踏板感觉模拟装置一般通过设置弹性阻尼元件配合液压系统，或者直接使用助力电机控制的踏板反馈作用。从原理上可将制动踏板模拟装置分为被动式和主动式，前者在设计完成后即具有确定的制动踏板感觉特性，后者可以通过设计控制器算法控制踏板模拟装置实现对制动踏板感觉的主动调整。虽然主动式模拟装置具有更好的模拟性能，但现有的设计方案一般只能实现静态条件下踏板感觉标定，没有考虑到制动踏板模拟装置液压力动态变化问题，因此仍有明显局限性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于可控变刚度液压缸的制动踏板感觉模拟装置及方法，其可以克服踏板感觉模拟技术在动态过程模拟准确性方面的不足。本发明的装置可以主动模拟驾驶员对于制动踏板的主观感觉，具有踏板感觉分级调节、精细控制的特点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于可控变刚度液压缸的制动踏板感觉模拟装置，其包括：三通接头、模拟缸油管、模拟缸压力传感器、模拟缸总成、减速机构总成、调节电机和模拟装置控制器；所述模拟缸总成、模拟缸压力传感器与所述三通接头的一端通过所述模拟缸油管依次连接，所述三通接头的另外两端分别通过主缸油管连接到上游的制动主缸和下游的液压调节单元，实现制动踏板感觉模拟装置在线控液压制动系统中的接入；所述模拟缸总成和调节电机分别与所述减速机构总成机械连接；所述模拟缸总成内部等效为一个串联弹簧活塞系统，用作调节踏板感觉液压力的执行机构；所述调节电机作为动力源为调节所述模拟缸总成的串联弹簧活塞系统提供等效刚度的动力；所述减速机构总成用于减速增矩，将所述调节电机输出的模拟缸总成的调节驱动力传输至所述模拟缸总成。

进一步，所述模拟缸总成包括模拟缸缸体、一级活塞、一级弹簧、二级活塞、二级弹簧、橡胶体、三级活塞、三级弹簧、模拟缸缸盖、以及调节机构；所述模拟缸缸体采用开口式结构，位于所述模拟缸缸体的端部中心位置处设置有模拟缸油孔，所述模拟缸总成经过所述模拟缸油孔与所述模拟缸油管螺纹连通；所述模拟缸缸体的开口处设置有所述模拟缸缸盖；所述模拟缸缸体内从左至右依次设置有所述一级活塞、二级活塞和三级活塞，所述模拟缸缸体的端部与所述一级活塞之间形成模拟缸液压腔，所述一级活塞与所述二级活塞之间形成第一容腔，所述二级活塞与所述三级活塞之间形成第二容腔，所述三级活塞与所述模拟缸缸盖之间形成第三容腔；所述第一容腔内设置有所述一级弹簧；所述第二容腔内设置有所述二级弹簧和橡胶体，所述橡胶体一端固定在所述三级活塞上，且所述二级弹簧位于所述橡胶体外部；所述第三容腔内设置有所述三级弹簧；

所述模拟缸液压腔通过所述模拟缸油管、三通接头和主缸油管直接接通所述制动主缸以及储液器；

所述模拟缸缸盖的中部设置有所述调节机构，经所述调节机构与所述减速机构总成的减速齿轮连接。

进一步，所述调节机构包括连接螺栓、空心螺杆、滚珠和外齿轮螺套；所述空心螺杆设置在所述模拟缸缸盖的中部，所述空心螺杆的底部位于所述第三容腔内，所述连接螺栓穿过所述空心螺杆的底部与所述三级活塞连接，所述连接螺栓和空心螺杆均位于所述三级弹簧内部；所述空心螺杆的另一端位于所述模拟缸缸体的外部；位于外部的所述空心螺杆的外周设置有所述外齿轮螺套，位于所述外齿轮螺套与所述空心螺杆设置有所述滚珠；所述模拟缸缸盖经过所述外齿轮螺套的外齿轮连接到所述减速机构总成的减速齿轮。

进一步，所述一级活塞与所述模拟缸缸体之间设置有一级密封环，所述二级活塞与所述模拟缸缸体之间设置有二级密封环，所述三级活塞与所述模拟缸缸体之间设置有三级密封环。

进一步，所述拟缸缸盖与模拟缸缸体之间为螺纹连接。

进一步，所述空心螺杆底部设有圆孔，所述连接螺栓通过该圆孔穿设在所述空心螺杆的底部，所述连接螺栓能在所述空心螺杆内部沿纵向自由运动。

进一步，所述一级弹簧、二级弹簧选择变螺距弹簧；所述橡胶体选择圆顶柱形或圆锥形；所述三级弹簧选择刚度变化更加线性的锥形弹簧。

进一步，所述一级弹簧、二级弹簧、三级弹簧和橡胶体刚度依次增加。

一种制动踏板感觉模拟装置的闭环控制方法，用于控制上述制动踏板感觉模拟装置的方法，包括以下步骤：

11)初始化后，驾驶员踩下制动踏板，通过制动杠杆传至制动推杆，推动一级制动活塞和二级制动活塞，在制动主缸内部压缩制动液；

12)制动主缸内部压缩的制动液，通过主缸油管经由三通接头流入踏板感觉模拟装置的模拟缸总成的模拟缸液压腔，制动液压缩液压缸内的一级活塞向后移动，进而压缩一级弹簧，推动二级活塞向后移动，继而压缩二级弹簧，随之压缩橡胶体；由于三级活塞此时紧贴空心螺杆的端部，因此三级活塞保持位置不变；

13)按照步骤12)中的模拟缸总成中串联弹簧活塞的运动情况，以及一级弹簧、二级弹簧和橡胶体的刚度大小依次变大，模拟缸液压腔内部的液压力数值随着踏板位移的变大最终呈现分段的变化曲线形式，实现了对踏板感觉特性的模拟；

14)驾驶者如果手动选择更为激进或者柔和的制动踏板感觉，控制调节电机通过正转或者反转预先设定的转角或圈数，通过减速机构经过滚珠丝杆总成实现空心螺杆在模拟缸总成轴向位置的变化设置，从而静态设置串联弹簧活塞的等效刚度，实现不同制动踏板风格。

一种制动踏板感觉模拟装置的踏板感觉动态调节和精细控制方法，其用于控制上述制动踏板感觉模拟装置的方法，包括以下步骤：

21)制动控制器通过制动推杆位移传感器获取制动推杆位移信号spushrod，并根据该信号进行处理获得制动推杆速度信号vpushrod；

22)模拟装置控制器通过车载网络总线获取制动控制器发出的制动推杆位移信号spushrod和制动推杆速度信号vpushrod，结合内部存储的不同踏板速度下的“液压力-推杆位移”踏板感觉特性标定map数据，通过查表、插值、拟合的方法，获得当前推杆位移和推杆速度下驾驶者期望的踏板力或主缸液压力数值ptgt；

23)模拟装置控制器通过模拟缸压力传感器获得当前时刻的主缸液压力或模拟缸液压腔液压力信号pact，与主缸压力ptgt经过作差得到此时的液压力偏差值ep；

24)模拟装置控制器使用液压力偏差值ep，利用反馈控制算法计算出调节电机所需的pwm控制信号，用于对调节电机的运动控制；

25)调节电机在pwm控制信号的作用下驱动减速机构总成实现减速增矩的功能，通过外齿轮传递至滚珠丝杆总成；

26)滚珠丝杆总成驱动丝杆在模拟缸总成轴向的运动控制；空心螺杆向右侧运动时，空心螺杆拉动连接螺栓，从而带动三级活塞向右运动，压缩三级弹簧，使得踏板感觉模拟装置的液压缸的串联弹簧活塞的等效刚度变大，调节了模拟缸液压腔内部的制动液压力，使反馈至制动主缸内部的液压力变大；对于空心螺杆向左运动的情况，与上述过程类似，串联弹簧活塞的等效刚度变小，反馈至制动主缸内部的液压力变小。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用的电控可调的变刚度液压缸(模拟缸总成)，不仅可以静态设置自定义的踏板感觉特性，而且可随着驾驶员踩下制动踏板的不同速度，动态地调节实时踏板感觉，从而实现对期望制动踏板感觉的自动、准确的模拟。2、本发明的制动踏板感觉模拟装置仅需要通过液压管路的简单连接，即可广泛地应用于线控液压制动系统中，并通过后期参数调校，即可完成对不同线控液压制动系统的适配。3、本发明根据相关传感器信号和预先标定的期望踏板感觉特性map数据，结合反馈控制算法计算pwm命令对调节电机进行运动控制，实现简单，条件成熟，成本较低，适应性强。

综上，本发明可应用于电动汽车或智能汽车等平台上的线控液压制动系统，可根据驾驶者操作习惯和风格实现踏板感觉特性的主动准确可控，提升踏板感觉的主观舒适性。

附图说明

图1为本发明制动踏板感觉模拟装置安装在线控液压制动系统上的布置示意图。

图2为本发明制动踏板感觉模拟装置的模拟缸总成结构示意图。

图3为本发明制动踏板感觉模拟装置的控制器内部存储的不同制动踏板速度下“液压力-推杆位移”特性曲线示意图。

附图标记：图中：101制动踏板；102制动杠杆；103制动推杆位移传感器；104制动推杆；105二级制动活塞；106一级制动活塞；107制动回位弹簧；108制动主缸；109储液器；2模拟缸总成；301三通接头；302模拟缸油管；303模拟缸压力传感器；401主缸油管；402液压调节单元；403液压控制器；404液压单元；405制动钳盘总成；501调节电机；502减速机构总成；503电机控制器；

200模拟缸油孔；201模拟缸缸体；202一级活塞；203一级密封环；204一级弹簧；205二级活塞；206二级密封环；207二级弹簧；208橡胶体；209三级活塞；210三级密封环；211连接螺栓；212三级弹簧；213模拟缸缸盖；221模拟缸液压腔；222第一容腔；223第二容腔；224第三容腔；231外齿轮；232外齿轮螺套；233滚珠；234空心螺杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的第一实施方式中，如图1所示，本发明提供一种基于可控变刚度液压缸的制动踏板感觉模拟装置，其包括三通接头301、模拟缸油管302、模拟缸压力传感器303、模拟缸总成2、减速机构总成502、调节电机501和模拟装置控制器503。

模拟缸总成2、模拟缸压力传感器303与三通接头301的一端通过模拟缸油管302依次连接，三通接头301的另外两端分别通过主缸油管401连接到上游的制动主缸108和下游的液压调节单元402，实现制动踏板感觉模拟装置在线控液压制动系统中的接入，该制动油路用于构成踏板感觉模拟的液压力的产生、传递和调节、控制。

模拟缸总成2和调节电机501分别与减速机构总成502机械连接。其中，模拟缸总成2本质上是可变刚度液压缸，内部可等效为一个串联弹簧活塞系统，用作调节踏板感觉液压力的执行机构；调节电机501作为动力源为调节模拟缸总成2的串联弹簧活塞系统提供等效刚度的动力；减速机构总成502用于减速增矩，将调节电机501输出的模拟缸总成的调节驱动力传输至模拟缸总成2。

如图2所示，模拟缸总成2包括模拟缸缸体201、一级活塞202、一级弹簧204、二级活塞205、二级弹簧207、橡胶体208、三级活塞209、三级弹簧212、模拟缸缸盖213以及调节机构。

模拟缸缸体201采用开口式结构，位于模拟缸缸体201的端部中心位置处设置有模拟缸油孔200，模拟缸总成2经过模拟缸油孔200与模拟缸油管302螺纹连通；模拟缸缸体201的开口处设置有模拟缸缸盖213。模拟缸缸体201内从左至右依次设置有一级活塞202、二级活塞205和三级活塞209，模拟缸缸体201的端部与一级活塞202之间形成模拟缸液压腔221，一级活塞202与二级活塞205之间形成第一容腔222，二级活塞205与三级活塞209之间形成第二容腔223，三级活塞209与模拟缸缸盖213之间形成第三容腔224。第一容腔222内设置有一级弹簧204；第二容腔223内设置有二级弹簧207和橡胶体208，橡胶体208一端固定在三级活塞209上，且二级弹簧207位于橡胶体208外部；第三容腔224内设置有三级弹簧212。一级弹簧204、二级弹簧207和三级弹簧212位于同一轴线上。

模拟缸液压腔221通过模拟缸油管302、三通接头301和主缸油管401直接接通制动主缸108以及储液器109，因此，制动主缸108与模拟缸液压腔221的液压力一致，从而通过制动推杆104和制动踏板101反馈作用于驾驶者的制动脚。

模拟缸缸盖213的中部设置有调节机构，经调节机构与减速机构总成502的减速齿轮连接。

上述实施例中，调节机构包括连接螺栓211、空心螺杆234、滚珠233和外齿轮螺套232。空心螺杆234设置在模拟缸缸盖213的中部，空心螺杆234的底部位于第三容腔224内，连接螺栓211穿过空心螺杆234的底部与三级活塞209连接，连接螺栓211和空心螺杆234均位于三级弹簧212内部；空心螺杆234的另一端位于模拟缸缸体201的外部。位于外部的空心螺杆234的外周设置有外齿轮螺套232，位于外齿轮螺套232与空心螺杆234设置有滚珠233。模拟缸缸盖213经过外齿轮螺套232的外齿轮231连接到减速机构总成502的减速齿轮，获得调节电机501的调节动力，改变三级活塞209在模拟缸缸体内部的位置或三级弹簧212的刚度，从而实现踏板感觉的调节和控制。

使用时，空心螺杆234通过旋转可以前后运动，向前推动三级活塞209使之前移，调整一、二级弹簧活塞部分的等效刚度，实现踏板感觉的“准静态”调节功能，若向后运动可拉动三级活塞209后移压缩三级弹簧212从而调整其刚度，进一步实现对一、二、三级弹簧活塞系统整体等效刚度的控制，最终实现踏板感觉的动态调节和精细控制。

上述各实施例中，一级活塞202与模拟缸缸体201之间设置有一级密封环203，二级活塞205与模拟缸缸体201之间设置有二级密封环206，三级活塞209与模拟缸缸体201之间设置有三级密封环210。

上述各实施例中，各弹簧、活塞、密封圈和橡胶体208构成串联弹簧活塞系统，用于分级调节所述模拟缸液压腔221内的液压力，从而直接模拟踏板感觉的分级特性。

上述各实施例中，模拟缸缸盖213与模拟缸缸体201之间为螺纹连接。空心螺杆234底部设有圆孔，连接螺栓211通过该圆孔穿设在空心螺杆234的底部，使得空心螺杆234与连接螺栓211为无配合关系，即连接螺栓211可以在空心螺杆234内部沿纵向自由运动。

上述各实施例中，一级弹簧204、二级弹簧207、橡胶体208和三级弹簧212的选型和刚度参数需要优选考虑。其中，一、二级弹簧204、207可选择变螺距弹簧；橡胶体208可选择圆顶柱形或圆锥形；三级弹簧212可选择刚度变化更加线性的锥形弹簧，便于刚度调节的线性控制，使本发明的可控变刚度液压缸的可控性更高，从而提高液压力控制的准确度。一级弹簧(204)、二级弹簧207、三级弹簧212和橡胶体208刚度依次增加，从而形成分级或分段的踏板特性。

在本发明的第二实施方式中，本发明的制动踏板感觉模拟装置，需要根据制动控制器hcu403和模拟装置控制器mcu503的协调配合来实现制动踏板感觉的模拟。故在本实施方式中，本发明提供一种制动踏板感觉模拟装置的闭环控制方法，具体包括以下步骤：

11)初始化后，驾驶员踩下制动踏板101，通过制动杠杆102传至制动推杆104，推动一级制动活塞105和二级制动活塞106，在制动主缸108内部压缩制动液。

初始化：线控制动系统和制动踏板模拟装置系统上电，均处于待机状态。液压管路中充满制动液，一级活塞202、二级活塞205均处于平衡位置，此时空心螺杆234的端部与三级活塞209紧贴，即三级活塞209无法向后移动压缩三级弹簧212。驾驶员可通过手动选择踏板特性风格，如舒适风格、普通风格和运动风格，即可以通过调整空心螺杆234的端部位置实现制动风格的改变，这里仅以普通风格为例进行介绍，其他情况下的工作原理相同。

12)步骤11)中制动主缸108内部压缩的制动液，通过主缸油管401经由三通接头301流入踏板感觉模拟装置的模拟缸总成2的模拟缸液压腔221，制动液压缩液压缸内的一级活塞202向后移动，进而压缩一级弹簧204，推动二级活塞205向后移动，继而压缩二级弹簧207，随之压缩橡胶体208；由于三级活塞209此时紧贴空心螺杆234的端部，因此三级活塞209保持位置不变。

13)按照步骤12)中的模拟缸总成2中串联弹簧活塞的运动情况，以及一级弹簧204、二级弹簧207和橡胶体208的刚度大小依次变大，可知模拟缸液压腔221内部的液压力数值随着踏板位移的变大最终呈现分段(分级)的变化曲线形式，此特点与传统液压制动系统的踏板特性一致，从而基本实现了对踏板感觉特性的模拟。

14)驾驶者如果手动选择更为激进或者柔和的制动踏板感觉，模拟装置控制器503在初始化时，即控制调节电机501通过正转或者反转预先设定的转角或圈数，通过减速机构502经过滚珠丝杆总成实现空心螺杆234在模拟缸总成2轴向位置的变化设置，从而静态设置串联弹簧活塞的等效刚度，实现不同制动踏板风格。

在本发明的第二实施方式中介绍了常规情况下的踏板感觉模拟功能实现的原理，故本发明在第三实施方式中提供一种制动踏板感觉模拟装置的踏板感觉动态调节和精细控制方法。由于驾驶者操纵制动踏板的过程是一个复杂的动态过程，因此静态标定出来的制动踏板感觉数据曲线并不符合驾驶者真实的制动踏板感觉预期，并且由于液压力在动态过程中往往出现波动的现象，进一步的影响驾驶者的制动踏板主缸感受，因此需要考虑在动态制动过程中的踏板感觉准确模拟。在本实施例中，踏板感觉动态调节和精细控制方法包括以下步骤：

21)制动控制器403通过制动推杆位移传感器103获取制动推杆位移信号spushrod，并根据该信号进行滤波、求导、限幅等处理获得制动推杆速度信号vpushrod。

22)模拟装置控制器503通过车载网络总线获取制动控制器403发出的制动推杆位移信号spushrod和制动推杆速度信号vpushrod，结合内部存储的不同踏板速度下的“液压力-推杆位移”踏板感觉特性标定map数据(如图3所示，图3中：踏板力与主缸液压力(模拟缸液压力)在数值上近似为正比关系，踏板位移与推杆位移在数值上近似为正比关系；未明确标定的其他踏板/推杆速度下的踏板特性曲线数据，可通过与之相邻两个踏板速度的试验数据进行线性拟合获得)，通过查表、插值、拟合的方法，获得当前推杆位移和推杆速度下驾驶者期望的踏板力或主缸液压力数值ptgt。

23)模拟装置控制器503通过模拟缸压力传感器303获得当前时刻的主缸液压力或模拟缸液压腔液压力信号pact，与主缸压力ptgt经过作差得到此时的液压力偏差值ep。

24)模拟装置控制器503使用液压力偏差值ep，利用反馈控制算法(如pid控制、滑模控制等)计算得出调节电机501所需的pwm控制信号，用于对调节电机501的运动控制。

25)调节电机501在pwm控制信号的作用下驱动减速机构总成实现减速增矩的功能，通过外齿轮231传递至滚珠丝杆总成。

26)滚珠丝杆总成驱动丝杆在模拟缸总成2轴向的运动控制。以空心螺杆234向图2中的右侧运动为例，此时空心螺杆234拉动连接螺栓211，从而带动三级活塞209向右运动，压缩三级弹簧212。由于三级弹簧212为锥形弹簧，在压缩后弹簧的刚度变大，从而使得踏板感觉模拟装置的液压缸的串联弹簧活塞的等效刚度发生变化(变大)，从而调节了模拟缸液压腔内部的制动液压力，使反馈至制动主缸108内部的液压力变大；对于空心螺杆234向左运动的情况，与上述过程类似，串联弹簧活塞的等效刚度变小，反馈至制动主缸108内部的液压力变小。经过上述制动踏板模拟装置变刚度液压缸的液压力闭环反馈控制，最终使制动踏板的感觉更准确。

上述运行原理充分介绍了本发明的踏板感觉模拟转置的可控变刚度特征。需要说明，本发明的模拟装置控制器503内部存储的不同踏板速度下的“液压力-推杆位移”踏板感觉特性map数据需要预先通过试验标定获得。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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