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专利:盘式双重制动机构与制动系统
作者: 强海胜 来源: 汽车制动网 日期: 2017年04月25日

摘要:
本文提出一种可突破车轮与路面最大静摩擦力瓶颈限制的汽车制动方法,基于该方法提出一种盘式制动器及制动系统发明设计,可承接现有汽车ABS/EBD/ESP电子主动安全技术。该发明技术,同比现有技术,热车制动性能提高4倍、刹车距离缩减4/5,可大幅提升汽车安全性能、降低车祸发生率,亦适用于其它轮式机动交通运输工具。
 
关键词:
牛顿定律;发明;汽车制动方法;盘式制动器;制动系统;主动安全技术;δ函数
 

盘式双重制动器及系统发明
 
前言
车轮的发明,曾创造了人类文明。但是,在汽车发明之后,随着汽车数量的增多和车速的提高,道路交通已成为严重威胁社会安全的重大问题之一。究其根本原因,主要是因为现有汽车制动力学理论130年停滞不前,一直无法突破车轮与路面的最大静摩擦力瓶颈限制,致使行车突遇险情时,因制动力过小、刹车距离和时间太长,极易发生碰撞事故而导致车祸。
 
据联合国世卫组织报道,2010年以来,全球每年车祸约造成125万人死亡、2000-5000万人受伤或致残、经济损失高达全球GDP的3-5%,且有逐年递增趋势。预测2030年,全球每年车祸死亡人数将达240万,成为人类第七大死亡原因,是全球15-29岁年轻人群死亡主因。权威数据触目惊心,对迄今汽车制动技术之于社会安全构成必要性否定。目前,虽然全球列车和飞机的交通事故率相对较低,但由于它们都采用与汽车一样的车轮制动技术,所以,也都存在着制动安全问题。
 
针对车轮制动技术这一基础共性问题,在此以汽车为例进行简要概述。与车轮制动安全密切相关的现有汽车技术,主要有三类:
 
第一类是现有车轮机械摩擦式制动器技术。它们是确保汽车行驶安全的核心关键部件。按结构划分,主要分为盘式、鼓式制动器两种。盘式制动器为开放式结构,是通过制动盘两圆柱端面与制动片摩擦产生车轮制动力矩作用;鼓式制动器为封闭式结构,是通过制动鼓圆柱面与制动蹄片摩擦产生车轮制动力(偶)矩作用。两种制动器,在核心关键的刹车距离技术指标上,大同小异并无本质性差别,但在制动摩擦工作稳定性、可靠性、散热性等方面,盘式制动器优于鼓式制动器,因此,盘式制动器取代鼓式制动器已成为一种应用发展趋势。
 
第二类是车轮轮胎技术。通过改良轮胎合成橡胶、优化轮胎花纹或增加轮胎宽度等技术手段,虽能增加车轮与路面的附着力(即最大静摩擦力),使汽车行驶与制动的安全性有所提高,但也会增加汽车的动力损耗。
 
第三类是现有汽车电子主动安全技术。目前,主要有ABS、EBD、ESP三大典型技术应用,它们均是基于现有车轮制动器制动车轮或发动机驱动车轮与路面产生静摩擦力作用,以提高汽车行驶与制动稳定性为主要目的的电子主动安全控制方法,但并不能突破车轮与路面的最大静摩擦力瓶颈限制、缩短汽车的刹车距离。
 
近几十年来,尤其是在当今信息网络和人工智能等技术进步大潮的推波助澜之下,基于电子安全技术和无人自动驾驶技术破解车祸高发这一系统工程问题,已然成为全球汽车产学研界的研究热点。但是,针对车轮制动技术及其制动力学理论的应用基础研究,却成了鲜有人问津的一大冷门。
 
车轮制动技术革新,是一项特别有意义的创造性工作,因为它关乎人类的生命财产安全。本文是作者于2016年12月申请的“盘式双重制动机构与制动系统(PCT/CN2016/111691)”PCT专利说明书的改写版。该发明,基于牛顿定律提出一种车轮制动方法,基于该方法设计一种盘式制动器及制动系统,旨在大幅提高汽车安全制动性能、大幅降低车祸发生率,并能解决列车和飞机的制动安全问题。
 
1 制动器结构
为了便于论述,首先对本发明制动器结构进行简要介绍。
 
图1、2分别为本发明盘式制动器总体装配结构的轴向、俯向视图:
 
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1为制动盘,设有一盘齿轮。2为盘法兰,设有一盘法兰齿轮。3为弹性体,共有十个,当车轮顺时针旋转时,其中五个产生弹性压缩形变;当车轮逆时针旋转时,另五个产生弹性压缩形变;弹性体数量和几何体形状,根据需要可以改变,以满足制动器弹性缓冲作用要求;弹性体可用聚氨酯等高弹性有机材料加工,也可用高弹性金属材料加工。4为两等截面超薄壁深沟球滚动轴承。5为两单活塞浮动式制动钳,以车轴轴线中心对称方式固定安装在汽车底盘上。6为制动钳摩擦片。7为制动钳液压分泵。8为与车轴一体的轴法兰。9为盘法兰上的五个轴向通孔之一。11为盘齿轮凸齿。13为滚动轴承轴向定位挡圈。14为制动钳安装支架。15为轮毂法兰,以表示车轮轮毂部分。
 
因两制动钳同步工作,故可减小其分泵缸径,以满足小型化、轻量化要求。通过图1、2,可见由轴法兰、盘齿轮、盘法兰齿轮和轮毂法兰四面共同构成的弹力腔结构细节,以及十个弹性体的安装位置和轴向尺寸。当盘法兰齿轮与盘齿轮啮合传动时,所有弹性体都在其弹力腔内发生同步弹性形变。
 
图3、4分别为制动盘、盘法兰的轴向和左侧结构视图:
 
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图3中,1为制动盘,可采用合金铸铁材料、铸造方法加工。4为制动盘上的滚动轴承轴套,用于两滚动轴承外圈的同轴安装。11、10为制动盘上的盘齿轮,11为凸齿,10为齿凹,因其形似齿轮,功能与齿轮相似,故称其为“盘齿轮”。
 
为了提高制动盘的通风散热性能,除在其摩擦工作面轴向上均匀加工一定数目的小通孔外,还可在汽车前轮制动盘的径向上,再加工一些类似于目前汽车前轮通风式制动盘的散热通风通道。出于机械制图简化考虑,上述制动盘的通风散热结构在图中都没有表示。
 
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图4中,2为盘法兰,可采用钢质材料、铸造方法加工。4为盘法兰上的滚动轴承轴套,用于两滚动轴承内圈的同轴安装。12、10分别为盘法兰齿轮的凸齿、齿凹,与“盘齿轮”定义方法相同,将盘法兰上的12、10统称为“盘法兰齿轮”。8为盘法兰的轴向大圆通孔, 9为加工在盘法兰齿轮五个凸齿上的轴向螺栓通孔,用于盘法兰与车轴及轴法兰之间的同轴固定安装。
 
通过上述可知,本发明盘式制动器,仅由一个制动盘、一个盘法兰、十个弹性体、两个滚动轴承和两制动钳及摩擦片等部件组成,不仅结构简单紧凑,而且,在其生产加工、安装和维护使用方面,都有相应的工艺设计考虑。
 
2 制动器原理
图5为本发明盘式制动器工作原理的分析说明示意图;图6为本发明盘式制动器工作时,车轮在路面上的制动摩擦受力分析说明示意图。
 
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为了与现有汽车ABS/EBD/ESP技术区分,本发明将该系统中的ABS/EBD/ESP电子控制功能,分别定义为DABS双重制动防车轮抱死系统、DEBD双重制动电子制动力分配和DESP双重制动电子稳定程序。因本发明DABS/DEBD/DESP技术与现有汽车ABS/EBD/ESP技术,除车轮制动器不同外,在主要系统组成和工作原理上都相同,故在此不再赘述。
 
若两后轮盘式双重制动器上的两制动钳采用现有机械或直流电机混合驱动方式工作,则该系统同时可实现行车制动、机械或电子驻车制动以及辅助制动等全部汽车制动系功能。此外,参照现有车用后轮“盘式+鼓式制动器”的组合形式,还可以利用
 
本发明制动器盘法兰的内圆柱面,构成一鼓式制动器,以实现驻车和辅助制动功能应用。
 
另外,该系统结合目前汽车上标配的三点式安全带等被动式安全技术装置,还可为司机和乘员提供主动式安全技术保护,以防止汽车制动减速度过大而对人体产生伤害。人体所能承受的最大安全制动减速度,可根据有关人体生物力学数据确定。
 
总之,该汽车双重制动系统,既有原创发明,又有融合创新、技术经济性、科学完备性等。因此说,经过系统优化设计和实验研制之后,当具备产业化应用条件时,它完全可能对现有传统落后的汽车制动技术,实现根本性否定。
 
5 结论
形而下者谓之器,形而上者谓之道。本发明成功突破了汽车传统制动力学理论的百年束缚,提出了汽车道路交通安全的经济技术解决方案,创建了全新的汽车制动力学理论,为未来智能汽车奠定了坚实的安全技术基础。因此,本发明的问世,必将推动全球轮式机动交通运输工具安全技术的进步,给全人类带来交通平安!
 
本文为思想实验发明成果,若有论述错误或不准确之处,欢迎批评指正!

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