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2010-01-06 17:50:25
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使用蜗轮蜗杆的汽车刹车装置
2010-01-05 16:09:09
在2006年初我看了<科技新时代>1月份的刊物，里面29页提到西门子公司的Eletrconic Wedge Brake装置可以大于度提升汽车的刹车能力，
现在搜索有关情况可以得到更多一些相关文章，如下面有三篇文章:
http://inventorspot.com/electronic_wedge_brake
http://www.physorg.com/news6781.html
http://horsepowersports.com/electronic-wedge-brakes-outperform-hydraulics/
在2006年1月份我曾经提出使用一个电动机，一副丝杆机构和一个双活塞液压缸(TwoPiCylinder)组成一个汽车刹车器(Brake1)，在原理上，这
个机构当然可以
正常工作，但是否真的可以用在汽车上，成本是否足够低廉，我就不知道了。
Brake1的工作原理是通过两级减速装置达到目的的，{dy}级减速机构是丝杆机构，丝杆和丝杆外壳把电机的旋转运动转化成直线运动，
同时把电机的小扭矩放大成一个很大的推力(Force)。一个活塞杆体(Piston)在Force的推动下，在液压缸(Cylinder)内产生高压，
推动Cylinder另一个大面积(BigPiston)活塞运动，直到BigPiston紧紧地压在车轮的刹车盘上。由于BigPiston的面积远大于
Piston的面积，所以TwoPiCylinder实际上也是一个直线减速器，把Force放大多倍后压在刹车盘上，让汽车实现刹车的功能。
我称这个设计为Design1。
这个刹车机构在理论上肯定可行，但有可能需要较大功率的电机和加工成本较高的丝杆机构。
今天考虑是否可以使用一个体积和功率更小的电机和一副蜗杆蜗轮和一副齿轮齿条机构代替丝杆机构，这种设计可能成本更低，
功耗更低。
蜗杆蜗轮有很大的减速比，如1:30等，虽然它的传动效率比不上一对齿轮的传动的效率高，但由于刹车操作不过是一个时间很短的
操作，根本不需要考虑任何传动效率问题。与涡轮固定在一起的还有一个小齿轮(Gear)，它与一个齿条(LinearGear)啮合。
LinearGear的另一端是一个小面积活塞(Piston2)，Piston2在一个液压缸(Cylinder2)内运动，产生高压，推动Cylinder2另一端的
一个大面积活塞(Piston3)运动，直到Piston3紧紧地压在车轮的刹车盘上，让汽车完成刹车功能。
电动机(Motor2)驱动蜗杆旋转，通过蜗杆蜗轮进行{dy}次减速。蜗轮的旋转带动与它固定在一起的一个小直径齿轮(Gear2)，
由于蜗轮的直径远大于Gear2，所以这是第二次减速。当LinearGear被Gear2推动时，产生一个推力Force2，Force2推动LinearGear
另一端的Piston2在Cylinder2运动，挤压里面的液压油，继而推动另一个大面积活塞Piston3运动，由于Piston3的面积远大于
Pistion2的面积，而液压缸内的液压油体积不变，所以这是第三次减速。由于蜗杆蜗轮具有自锁功能，所以电动机工作的时间很短，一旦
Piston3压在刹车盘上的压力达到某个值，电动机就可以停止。我称这个设计为WormGearDesign。
为了让在液压缸内产生的压力波动小，不容易因为震动等原因导致很大的压力波动甚至消失，所以在Cylinder2液压油里面
放入一个弹性物体，如聚氨酯球等，它能像弹簧一样有保持压力不容易消失的功能。
Gear和LinearGear组成的齿轮齿条机构可以用一个丝杠等螺旋机构代替，即蜗轮带动一个螺杆(如丝杠)，在螺套的作用下，
让螺杆的另一端的Piston2作直线运动，通过液压油驱动Piston3与刹车盘作用。
当然电动机也可以通过一个减速装置( 如一对减速齿轮)降低速度后再驱动蜗杆运动，上面只是说出核心原理，具体设计可以
根据需要增加或减少某一部分，如蜗轮可以使用一个减速装置如一对减速齿轮把速度进一步降低后再驱动螺杆或者齿条机构，
在实际设计中都是可以的。
我称这个设计为Design2。
由于上面所提及的三次减速传动，一个小功率电动机就有可能完成一辆大质量高速度的汽车的刹车操作。
如果这个设计的体积不大，工作可靠，成本更低，那么就有可能取代上面提及的电动机-丝杆-液压缸刹车机构。
现在的汽车刹车装置好像是由一个液压马达(BrakePump)产生高压液压油，通过长长的铜管路传到刹车盘附近推动刹车
机构实现刹车功能的。
因为不知道驾驶者什么时候刹车，所以BrakePump必须连续长时间运转，这无疑是一种低效率的操作方式，同时也带来了噪音。
为了避免这个问题，可以使用一个高压液压罐储存一定量的高压油，当发现高压罐里的压力减低到某个程度时启动重新启动
油泵向高压罐泵送压力油。这种方法可以大幅减少油泵的工作时间，延长了油泵的寿命。驱动油泵的动力可以是靠近发动机
的机械输出装置，也可以是一个电动机和一个小型变速箱(或者一副齿轮)。考虑到有一些汽车的长度很长，可以考虑前后轮
使用不同油泵产生的高压油制动系统制动，这可能可以减少过长的液压油路，很方便油泵和压力油管路的安装布置。
WormGearDesign最有可能的问题是反应时间慢，即从驾驶者下令刹车开始，到Pistion3接触到刹车盘为止这一段时间太长，造成
汽车的刹车反应时间太慢。
-------------
现在我对西门子公司的Electronic Wedge Brake(EWB)装置做一些分析和评价:
这个发明的创意很好，但可惜在机械方面的设计却很差。这个设计在理论上非常好，而且事实上EWB的prototype也真的可以
工作，但是如果把更多的机械效应考虑进去，这个设计却有严重缺陷。学习过机械原理的人都知道，有一种自锁现象，
有一个物体(Object)放在一个水平面(Surface)上，当一个人用力(Force)从水平方向推动这个物体时，Force只需要克服Object
与Surface之间产生的摩擦力G*u就可以推动Object运动，其中u是Object与Surface的摩擦系数，这里假定它总是个常数。
如果改变Force与Surface的夹角(Angle)，如Angle为30度，Force
还是可以推动Object前进，但是它只可以使用Force*(Cos Angle)的力量推动Object前进，同时还必须克服Object
与Surface之间的摩擦力(Force*(Sin Angle) + G)*u，可见Force推动Object的难度大了。继续增大Angle，Force必须随着增大
才能推动Object。Angle越大，刚好能够推动Object的Force就越大。当Angle增大到达到某个临界值时，不管Force多大，都不可能
推动Objects，这时可以发现有这种关系: (Tan Angle)=u，我们叫这个临界角度为自锁角。
在EWB里面，虽然找不到自锁现象，但摩擦力对一个机械结构有很大的影响，如果在设计时没有充分考虑摩擦力的影响
很容易出现设计错误。
在EWB，螺旋起重机构(Spinner)里的螺杆与螺套之间是面与面的摩擦关系；外侧钢板(Plane)在与它接触的平面(PlaneFix)滑动时，它们之间的
摩擦是
平面与平面的摩擦关系。当刹车盘通过小辊子把巨大的垂直压力(Press)传导到Plane时，Plane做任何方向的移动都需要克服Plane
与PlaneFix之间的巨大的滑动摩擦力(Friction1)。同样，当Press很大时，Spinner里面的两个平面接触面之间也是存在着巨大的
滑动摩擦力(Friction2)的。
当电动机通过这个机构产生巨大的Press在刹车盘上把汽车刹住，当电动机想松开刹车盘时，就不得不克服Friction1和Friction2带来的
巨大阻力，特别是当刹车盘由于存在旋转误差时，刹车盘返回的Press可能会大幅上升，以至于电动机根本无法松开刹车盘，于是
这个刹车装置就被卡死了。要克服这种问题，一方面可以使用精度更高的机械零件制造精度和更平滑的表面，以减低机械零件之间的
摩擦力，另一方面，就是使用功率和扭力更大的电动机。
如果动态地看这个机构，由于小辊(Rod)与内侧钢板(PlaneSlot)上的沟槽存在制造误差，理论上很多根Rod同时接触的情况往往很少发生，
更多的是只有少数Rod承受大部分Press压力，加上刹车盘的旋转误差和汽车振动，Rod与PlaneSlot接触的细小面积可能出现
压力过大导致材料崩溃的现象，一旦Rod表面出现损坏现象，就如齿轮表面出现崩溃点一样，它会不断地恶化这个传动机构，噪音增大，
摩擦力迅速上升等现象，使用了一段时间后机构的传动能力大幅下降，直到不能使用位置。
仔细看这个机构，可以看到Rod的位置并非xx确定，它在两个凹槽里面有一个只有摆放空间，当PlaneFix移动时，
有一根位置不是处于理想摆放位置的Rod(SingleRod)可能过早地单独承受巨大的Press，这时SingleRod可能发生突然滑动，回到它理想的
位置上，或者没有发生滑动现象，被巨大的Press压伤，出现表面材料崩溃现象。这两种现象，都容易给SingleRod的表面造成损伤。为了
降低Rod与PlaneFix和PlaneSlot之间的滑动摩擦力，{zh0}在它们之间有润滑油帮助降低摩擦损伤，但是在这样一个结构简单的机构里，
难以让他们之间保持足够的润滑，所以使用一段时间后就容易出现各种机械损伤，这或许是一个严重缺点。
在Design1和Design2中，由于液压缸的作用，他把巨大的刹车盘传递出来的Press降低了很多倍才传递到齿轮齿条或者螺旋机构，
降低了摩擦力。如果螺旋机构是有滚珠的丝杠机构，由于承受的巨大的轴向作用力施加在很多个滚珠上，而滚珠与丝杠外套之间是
滚动摩擦关系，Press传递过来引起的摩擦力变得非常小。如果蜗轮是与丝杠同轴心旋转的，丝杠传递给蜗轮引起的轴向力全部被
蜗轮的轴承承受，产生的摩擦力极小，甚至小到可以忽略不计。
虽然蜗杆与蜗轮之间是面接触，但由于丝杠传递给蜗轮的扭矩非常小，所以即使产生了很大的Press，由于Press反向作用在这个机构，
在蜗杆蜗轮之间产生的的摩擦力也是很小的，一个功率不大的电动机也可以克服，所以在任何时候电动机都可以顺利正向反向驱动这个机构。
2010-01-05 16:09:09
在2006年初我看了<科技新时代>1月份的刊物，里面29页提到西门子公司的Eletrconic Wedge Brake装置可以大于度提升汽车的刹车能力，
现在搜索有关情况可以得到更多一些相关文章，如下面有三篇文章:
http://inventorspot.com/electronic_wedge_brake
http://www.physorg.com/news6781.html
http://horsepowersports.com/electronic-wedge-brakes-outperform-hydraulics/
在2006年1月份我曾经提出使用一个电动机，一副丝杆机构和一个双活塞液压缸(TwoPiCylinder)组成一个汽车刹车器(Brake1)，在原理上，这
个机构当然可以
正常工作，但是否真的可以用在汽车上，成本是否足够低廉，我就不知道了。
Brake1的工作原理是通过两级减速装置达到目的的，{dy}级减速机构是丝杆机构，丝杆和丝杆外壳把电机的旋转运动转化成直线运动，
同时把电机的小扭矩放大成一个很大的推力(Force)。一个活塞杆体(Piston)在Force的推动下，在液压缸(Cylinder)内产生高压，
推动Cylinder另一个大面积(BigPiston)活塞运动，直到BigPiston紧紧地压在车轮的刹车盘上。由于BigPiston的面积远大于
Piston的面积，所以TwoPiCylinder实际上也是一个直线减速器，把Force放大多倍后压在刹车盘上，让汽车实现刹车的功能。
我称这个设计为Design1。
这个刹车机构在理论上肯定可行，但有可能需要较大功率的电机和加工成本较高的丝杆机构。
今天考虑是否可以使用一个体积和功率更小的电机和一副蜗杆蜗轮和一副齿轮齿条机构代替丝杆机构，这种设计可能成本更低，
功耗更低。
蜗杆蜗轮有很大的减速比，如1:30等，虽然它的传动效率比不上一对齿轮的传动的效率高，但由于刹车操作不过是一个时间很短的
操作，根本不需要考虑任何传动效率问题。与涡轮固定在一起的还有一个小齿轮(Gear)，它与一个齿条(LinearGear)啮合。
LinearGear的另一端是一个小面积活塞(Piston2)，Piston2在一个液压缸(Cylinder2)内运动，产生高压，推动Cylinder2另一端的
一个大面积活塞(Piston3)运动，直到Piston3紧紧地压在车轮的刹车盘上，让汽车完成刹车功能。
电动机(Motor2)驱动蜗杆旋转，通过蜗杆蜗轮进行{dy}次减速。蜗轮的旋转带动与它固定在一起的一个小直径齿轮(Gear2)，
由于蜗轮的直径远大于Gear2，所以这是第二次减速。当LinearGear被Gear2推动时，产生一个推力Force2，Force2推动LinearGear
另一端的Piston2在Cylinder2运动，挤压里面的液压油，继而推动另一个大面积活塞Piston3运动，由于Piston3的面积远大于
Pistion2的面积，而液压缸内的液压油体积不变，所以这是第三次减速。由于蜗杆蜗轮具有自锁功能，所以电动机工作的时间很短，一旦
Piston3压在刹车盘上的压力达到某个值，电动机就可以停止。我称这个设计为WormGearDesign。
为了让在液压缸内产生的压力波动小，不容易因为震动等原因导致很大的压力波动甚至消失，所以在Cylinder2液压油里面
放入一个弹性物体，如聚氨酯球等，它能像弹簧一样有保持压力不容易消失的功能。
Gear和LinearGear组成的齿轮齿条机构可以用一个丝杠等螺旋机构代替，即蜗轮带动一个螺杆(如丝杠)，在螺套的作用下，
让螺杆的另一端的Piston2作直线运动，通过液压油驱动Piston3与刹车盘作用。
当然电动机也可以通过一个减速装置( 如一对减速齿轮)降低速度后再驱动蜗杆运动，上面只是说出核心原理，具体设计可以
根据需要增加或减少某一部分，如蜗轮可以使用一个减速装置如一对减速齿轮把速度进一步降低后再驱动螺杆或者齿条机构，
在实际设计中都是可以的。
我称这个设计为Design2。
由于上面所提及的三次减速传动，一个小功率电动机就有可能完成一辆大质量高速度的汽车的刹车操作。
如果这个设计的体积不大，工作可靠，成本更低，那么就有可能取代上面提及的电动机-丝杆-液压缸刹车机构。
现在的汽车刹车装置好像是由一个液压马达(BrakePump)产生高压液压油，通过长长的铜管路传到刹车盘附近推动刹车
机构实现刹车功能的。
因为不知道驾驶者什么时候刹车，所以BrakePump必须连续长时间运转，这无疑是一种低效率的操作方式，同时也带来了噪音。
为了避免这个问题，可以使用一个高压液压罐储存一定量的高压油，当发现高压罐里的压力减低到某个程度时启动重新启动
油泵向高压罐泵送压力油。这种方法可以大幅减少油泵的工作时间，延长了油泵的寿命。驱动油泵的动力可以是靠近发动机
的机械输出装置，也可以是一个电动机和一个小型变速箱(或者一副齿轮)。考虑到有一些汽车的长度很长，可以考虑前后轮
使用不同油泵产生的高压油制动系统制动，这可能可以减少过长的液压油路，很方便油泵和压力油管路的安装布置。
WormGearDesign最有可能的问题是反应时间慢，即从驾驶者下令刹车开始，到Pistion3接触到刹车盘为止这一段时间太长，造成
汽车的刹车反应时间太慢。
-------------
现在我对西门子公司的Electronic Wedge Brake(EWB)装置做一些分析和评价:
这个发明的创意很好，但可惜在机械方面的设计却很差。这个设计在理论上非常好，而且事实上EWB的prototype也真的可以
工作，但是如果把更多的机械效应考虑进去，这个设计却有严重缺陷。学习过机械原理的人都知道，有一种自锁现象，
有一个物体(Object)放在一个水平面(Surface)上，当一个人用力(Force)从水平方向推动这个物体时，Force只需要克服Object
与Surface之间产生的摩擦力G*u就可以推动Object运动，其中u是Object与Surface的摩擦系数，这里假定它总是个常数。
如果改变Force与Surface的夹角(Angle)，如Angle为30度，Force
还是可以推动Object前进，但是它只可以使用Force*(Cos Angle)的力量推动Object前进，同时还必须克服Object
与Surface之间的摩擦力(Force*(Sin Angle) + G)*u，可见Force推动Object的难度大了。继续增大Angle，Force必须随着增大
才能推动Object。Angle越大，刚好能够推动Object的Force就越大。当Angle增大到达到某个临界值时，不管Force多大，都不可能
推动Objects，这时可以发现有这种关系: (Tan Angle)=u，我们叫这个临界角度为自锁角。
在EWB里面，虽然找不到自锁现象，但摩擦力对一个机械结构有很大的影响，如果在设计时没有充分考虑摩擦力的影响
很容易出现设计错误。
在EWB，螺旋起重机构(Spinner)里的螺杆与螺套之间是面与面的摩擦关系；外侧钢板(Plane)在与它接触的平面(PlaneFix)滑动时，它们之间的
摩擦是
平面与平面的摩擦关系。当刹车盘通过小辊子把巨大的垂直压力(Press)传导到Plane时，Plane做任何方向的移动都需要克服Plane
与PlaneFix之间的巨大的滑动摩擦力(Friction1)。同样，当Press很大时，Spinner里面的两个平面接触面之间也是存在着巨大的
滑动摩擦力(Friction2)的。
当电动机通过这个机构产生巨大的Press在刹车盘上把汽车刹住，当电动机想松开刹车盘时，就不得不克服Friction1和Friction2带来的
巨大阻力，特别是当刹车盘由于存在旋转误差时，刹车盘返回的Press可能会大幅上升，以至于电动机根本无法松开刹车盘，于是
这个刹车装置就被卡死了。要克服这种问题，一方面可以使用精度更高的机械零件制造精度和更平滑的表面，以减低机械零件之间的
摩擦力，另一方面，就是使用功率和扭力更大的电动机。
如果动态地看这个机构，由于小辊(Rod)与内侧钢板(PlaneSlot)上的沟槽存在制造误差，理论上很多根Rod同时接触的情况往往很少发生，
更多的是只有少数Rod承受大部分Press压力，加上刹车盘的旋转误差和汽车振动，Rod与PlaneSlot接触的细小面积可能出现
压力过大导致材料崩溃的现象，一旦Rod表面出现损坏现象，就如齿轮表面出现崩溃点一样，它会不断地恶化这个传动机构，噪音增大，
摩擦力迅速上升等现象，使用了一段时间后机构的传动能力大幅下降，直到不能使用位置。
仔细看这个机构，可以看到Rod的位置并非xx确定，它在两个凹槽里面有一个只有摆放空间，当PlaneFix移动时，
有一根位置不是处于理想摆放位置的Rod(SingleRod)可能过早地单独承受巨大的Press，这时SingleRod可能发生突然滑动，回到它理想的
位置上，或者没有发生滑动现象，被巨大的Press压伤，出现表面材料崩溃现象。这两种现象，都容易给SingleRod的表面造成损伤。为了
降低Rod与PlaneFix和PlaneSlot之间的滑动摩擦力，{zh0}在它们之间有润滑油帮助降低摩擦损伤，但是在这样一个结构简单的机构里，
难以让他们之间保持足够的润滑，所以使用一段时间后就容易出现各种机械损伤，这或许是一个严重缺点。
在Design1和Design2中，由于液压缸的作用，他把巨大的刹车盘传递出来的Press降低了很多倍才传递到齿轮齿条或者螺旋机构，
降低了摩擦力。如果螺旋机构是有滚珠的丝杠机构，由于承受的巨大的轴向作用力施加在很多个滚珠上，而滚珠与丝杠外套之间是
滚动摩擦关系，Press传递过来引起的摩擦力变得非常小。如果蜗轮是与丝杠同轴心旋转的，丝杠传递给蜗轮引起的轴向力全部被
蜗轮的轴承承受，产生的摩擦力极小，甚至小到可以忽略不计。
虽然蜗杆与蜗轮之间是面接触，但由于丝杠传递给蜗轮的扭矩非常小，所以即使产生了很大的Press，由于Press反向作用在这个机构，
在蜗杆蜗轮之间产生的的摩擦力也是很小的，一个功率不大的电动机也可以克服，所以在任何时候电动机都可以顺利正向反向驱动这个机构。
与EWB机构相比，Design1和Design2更容易得到润滑油的润滑，因此工作更可靠更稳定，寿命更长。
Design1和Design2有可能xx不使用蜗杆蜗轮，而使用一对减速齿轮代替，加上后面还有的螺旋机构和双活塞液压缸的减速，一个不大的
电动机或许已经足够产生足够大的刹车制动力，这种设计有可能是{zh0}的。
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