ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ С САМОУСИЛЕНИЕМ
HYDRAULIC BRAKE WITH SELF-AMPLIFICATION

Изобретение относится к устройству для торможения подвижной массы, содержащему подвижный связующий орган для прижатия тормозной колодки к тормозной поверхности и наполненный гидравлической жидкостью, соединенный со связующим органом тормозной исполнительный механизм для создания прижимного усилия, вводимого через связующий орган в тормозную колодку, причем тормозная колодка через соединительные средства соединена с закрепляемым на шасси затормаживаемой массы датчиком давления, содержащим наполненный гидравлической жидкостью опорный цилиндр и взаимодействующий с ним опорный поршень, причем опорный цилиндр через гидропроводы сообщен с тормозным цилиндром.
Такое устройство уже известно из DE 3441128 А1. Оно содержит тормозной исполнительный механизм, включающий в себя наполненный гидравлической жидкостью тормозной цилиндр, причем предусмотрена направленная в цилиндр подвижная часть с тормозным срабатывателем для прижатия тормозной колодки к тормозному диску. Тормозной исполнительный механизм является частью суппорта, движущегося на части окружности. По касательной к части окружности выполнена цилиндрическая расточка в качестве опорного цилиндра, причем в опорный цилиндр направлен опорный поршень, опирающийся на шасси затормаживаемой массы. Когда в тормозном цилиндре повышается давление гидравлической жидкости, тормозные колодки прижимаются к вращающемуся в направлении движения тормозному диску. Возникает фрикционное замыкание, и, тем самым, происходит движение суппорта по касательной к направлению движения тормозного диска, причем опирающийся на шасси и направленный в тормозной цилиндр опорный поршень входит дальше в него. Опорный цилиндр наполнен гидравлической жидкостью, давление которой повышается. Опорный цилиндр через гидропровод соединен с тормозным цилиндром, так что происходит твердо заданное усиление.
В GB 1019982 описано устройство с расположенным внутри тормозного диска разжимным органом в качестве тормозного исполнительного механизма. При этом разжимной орган установлен с возможностью поворота. Вследствие возникающей в случае торможения силы замедления он поворачивается в зависимости от направления вращения тормозного диска. При этом разжимной орган и, тем самым, тормозная колодка соединены через гидропроводы с закрепленным на шасси затормаживаемой массы датчиком давления, содержащим опорный цилиндр и направленный в него опорный поршень. За счет поворота разжимного органа опорный поршень входит в опорный цилиндр, в результате чего гидравлическая жидкость в нем сжимается. Опорный цилиндр через гидропроводы соединен с дополнительным разжимным органом.
В DE 4304905 А1 описан тормоз с самоусилением, основанный на чисто механических принципах.
В DE 1530869 описана гидравлическая тормозная система с тормозным исполнительным механизмом, который через тормозной срабатыватель соединен с тормозной колодкой. Кроме того, предусмотрен дополнительный датчик давления в виде цилиндрической расточки, причем цилиндрическая расточка наполнена гидравлической жидкостью, которая после фрикционного замыкания между тормозным диском и тормозной колодкой сжимается толкателем. За счет этого сжатия повышается тормозная сила в тормозном исполнительном механизме, в результате чего происходит усиление торможения.
Родовое устройство имеет тот недостаток, что регулирование тормозной силы или силы замедления возможно только с помощью педали тормоза. Собственно регулирование происходит поэтому совершающим торможение пользователем. Однако такое регулирование процесса торможения является недостаточным, в частности, в случае рельсовых транспортных средств.
Задачей изобретения является создание устройства описанного выше рода, которое обеспечивало бы контролируемое торможение независимо от исполнительного усилия.
Эта задача решается за счет того, что регулирующие средства регулируют тормозную силу в зависимости от заданного значения.
В рамках изобретения предусмотрены регулирующие средства, которые, несмотря на самоусиление, обеспечивают точное регулирование торможения. Согласно изобретению предусмотрено задание заданного значения, с помощью которого определяется, например, тормозная сила. Поэтому торможение больше не происходит в зависимости от мышечной силы пользователя. Вместо этого в рамках изобретения задание заданного значения возможно, например, с использованием электрических вспомогательных средств. Заданное значение может, например, изменяться и зависит от веса затормаживаемой массы. Таким образом, это позволяет осуществлять предсказуемое и точное торможение. Затормаживаемой массой является, например, автомобиль, рельсовое транспортное средство, машина и т.п.
Предпочтительным образом регулирующие средства предназначены для регулирования силы замедления. При этом сила замедления на радиусе трения равна силе трения, которая действует при фрикционном замыкании между тормозной поверхностью, например вращающимся тормозным диском, и тормозной колодкой и является поэтому параметром, с помощью которого можно точно предсказать возникающее отрицательное ускорение массы. Так, в частности, в случае транспортного средства регулирование силы замедления обеспечивает предельно точную настройку его замедления. В рамках изобретения силу замедления можно регистрировать в качестве фактического значения посредством любых датчиков, например акселерометров или динамометров, тензометров и т.п.
Однако предпочтительным образом сила замедления регулируется посредством регулирования опорного давления гидравлической жидкости в опорном цилиндре, причем для этого предназначены регулирующие средства. Вследствие соединения между тормозной колодкой и датчиком давления давление гидравлической жидкости в опорном цилиндре можно использовать в качестве меры силы замедления. Регистрация опорного давления и, тем самым, силы замедления происходит при этом, например, посредством калиброванных датчиков давления, которые вырабатывают пропорциональный давлению в опорном цилиндре электрический сигнал, например, электрическое напряжение. Это напряжение служит тогда при дальнейшем регулировании в качестве фактического значения и, тем самым, в качестве меры опорного давления.
Целесообразно тормозная накладка через соединительные средства соединена с опорным цилиндром, причем опорный поршень закреплен на шасси. Этот вариант осуществления изобретения обеспечивает особенно компактное изготовление предложенного устройства, поскольку все наполненные гидравлической жидкостью цилиндры и магистрали могут быть объединены в один конструктивный элемент. В частности, это обеспечивает общее изготовление этих конструктивных элементов. На шасси затормаживаемой массы закрепляется лишь опорный поршень или своим свободным, обращенным от опорного цилиндра концом выступающий от него из опорного цилиндра опорный шток.
В одном отличающемся от этого варианте осуществления изобретения тормозная колодка через соединительные средства соединена с опорным поршнем, причем опорный цилиндр закреплен на шасси.
В одном целесообразном варианте осуществления изобретения опорный цилиндр датчика давления разделен опорным поршнем на опорную и опорную отводящую камеры, причем регулирующие средства предназначены для регулирования разности между давлением гидравлической жидкости в опорной камере и давлением гидравлической жидкости в опорной отводящей камере. В этом варианте возможны самоусиление торможения и его одновременное регулирование в обоих направлениях движения. Это преимущество имеет значение, в частности, в транспортных средствах в качестве затормаживаемой массы, которые движутся, как правило, в обоих направлениях. Предпочтительным образом, опорная и опорная отводящая камеры сообщены через обратные клапаны с магистралью высокого или низкого давления.
Предпочтительным образом в опорном цилиндре расположены пружины сжатия. При падении давления они вызывают перемещение опорного поршня обратно в нормальное положение. Если бы опорный поршень в начале торможения находился вблизи замыкающей стенки опорного цилиндра, то возникла бы опасность отказа тормоза, поскольку опорный поршень мог бы быть прижат тормозной колодкой к замыкающей стенке.
Целесообразно в опорной и опорной отводящей камерах расположены пружины сжатия, причем предусмотрен возвратный клапан датчика давления для уравнивания давлений между опорной и опорной отводящей камерами, которое осуществляется блоком управления посредством возвратного клапана датчика давления и пружин сжатия. В этом предпочтительном варианте перевод датчика давления в его нормальное положение возможен также тогда, когда опорный цилиндр представляет собой цилиндр с двумя камерами. При этом возвратный клапан датчика давления обеспечивает уравнивание давлений между опорной и опорной отводящей камерами, причем расположенные в них пружины сжатия обеспечивают соответствующее перемещение опорного поршня внутри опорного цилиндра. Если опорный поршень снова находится в своем исходном положении, которое является предпочтительно средним положением, то может быть начат новый процесс торможения без опасности того, что опорный поршень упрется в ограничительную стенку опорного цилиндра, и возникнет чреватая последствиями ошибка торможения.
Предпочтительным образом регулирующие средства включают в себя средства для регистрации значения давления или дифференциального значения давления, компаратор, который сравнивает заданное и фактическое значения с образованием дифференциального значения, регулирующий блок и тормозной клапан для установления давления гидравлической жидкости в тормозном исполнительном механизме, причем регулирующий блок воздействует на тормозной клапан так, что дифференциальное значение уменьшается. Как уже сказано, средства для регистрации давления реализованы, например, в виде преобразователя давления в напряжение или давления в ток, причем, например, калиброванный преобразователь давления в напряжение формирует соответствующее давлению в опорном цилиндре или в тормозном исполнительном механизме калиброванное значение напряжения, которое затем используется при регулировании в качестве регулируемого фактического значения. При использовании цилиндров, имеющих две камеры по разные стороны поршня внутри цилиндра, для формирования дифференциального значения давления служат два преобразователя давления в напряжение или в ток, причем каждый преобразователь расположен в своей камере. Дифференциальное значение преобразователей или, другими словами, фактическое значение подается затем на компаратор, который сравнивает его с заданным значением. Заданное значение задается, например, водителем транспортного средства, предохранительным устройством или вышестоящей системой управления. Компаратор формирует дифференциальное значение из фактического и заданного значений, причем подключенный к компаратору регулирующий блок предназначен для минимизации дифференциального значения. При этом регулирующий блок включает в себя целесообразно регулятор, воздействующий на тормозной клапан. Последний предназначен для установления давления гидравлической жидкости преимущественно в тормозном исполнительном механизме. Давление гидравлической жидкости в тормозном исполнительном механизме определяет прижимное усилие, вводимое через связующий орган в тормозную колодку. При этом введенное прижимное усилие, с которым тормозная колодка прижимается к тормозному диску, ориентировано, в основном, под прямым углом к нему.
В одном целесообразном в этом отношении варианте тормозной клапан взаимодействует с гидравлическим контуром высокого давления или с гидравлическим контуром низкого давления.
Тормозной клапан может быть, например, единственным аналоговым тормозным клапаном или включать в себя несколько аналоговых тормозных клапанов. В отличие от этого тормозной клапан включает в себя большое число цифровых тормозных клапанов, причем каждый тормозной клапан имеет два положения переключения.
В одном предпочтительном варианте тормозной клапан является аналоговым золотниковым клапаном, причем регулирующий блок является аналоговым регулятором или цифровым регулятором с аналоговым или импульсно-модулированным выходом. Золотниковый клапан имеет, например, два выхода, которые могут быть приложены к обеим камерам цилиндра. Со стороны входа золотниковый клапан соединен с гидропроводами и предпочтительно с контурами высокого и низкого давлений. Разность давлений в цилиндре определяется механическим положением механически перемещающегося подвижного элемента. При этом могут быть созданы любые разности давлений, лежащие в пределах разности давлений со стороны входа, например, между гидравлическими контурами высокого и низкого давлений. Кроме того, в рамках изобретения также возможно, чтобы аналоговый золотниковый клапан имел только один выход, причем тормозной исполнительный механизм располагает лишь одной камерой. На выходе золотникового клапана могут быть установлены любые давления в пределах разности давлений между контурами высокого и низкого давлений со стороны входа. Золотниковый клапан выполнен с возможностью срабатывания, например, за счет созданных электромагнитом усилий. Предпочтительным образом золотниковый клапан является пропорциональным клапаном.
В одном отличающемся от этого варианте тормозной клапан включает в себя ряд переключающих клапанов с двумя положениями переключения, причем регулирующий блок является цифровым регулирующим блоком или аналоговым регулирующим блоком с цифровым преобразователем. В этом варианте тормозной клапан состоит из ряда двухпозиционных переключающих клапанов, причем каждый из них со стороны входа соединен или, другими словами, сообщен с гидравлическими контурами высокого и низкого давлений. Со стороны выхода каждый переключающий клапан соединен с тормозным исполнительным механизмом. Поэтому давление в последнем устанавливается цифровым путем. При этом двухпозиционные переключающие клапаны переключаются блоком управления, например, с миллисекундным тактом.
Предпочтительно связующий орган включает в себя рычажный механизм. В этом целесообразном варианте тормозная колодка не соединена с тормозным поршнем тормозного исполнительного механизма простым толкающим штоком. Напротив, созданное тормозным исполнительным механизмом тормозное давление вводится рычажным механизмом в тормозную колодку, пока не произойдет ее зацепления с тормозным диском и, тем самым, фрикционное замыкание между этими обоими конструктивными элементами.
В одном предпочтительном варианте тормозной исполнительный механизм включает в себя наполненный гидравлической жидкостью тормозной цилиндр и тормозной поршень, подвижные по отношению друг к другу. В отличие от этого обычного выполнения тормозного исполнительного механизма в рамках изобретения возможно, однако, использование и других тормозных исполнительных механизмов, известных специалисту как таковые.
Целесообразно тормозной поршень прочно соединен со связующим органом.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения тормозной цилиндр разделен тормозным поршнем на тормозную и тормозную отводящую камеры. Другими словами, тормозной цилиндр выполнен в виде дифференциального цилиндра. Поэтому устанавливающаяся тормозная сила зависит, в основном, от разности давлений между тормозной и тормозной отводящей камерами.
В одном предпочтительном варианте связующий орган включает в себя тормозную тягу, проходящую через тормозную отводящую камеру. В этом варианте при равенстве давлений между тормозной и тормозной отводящей камерами из-за большей площади тормозного поршня в тормозной камере вырабатывается большее усилие в ней, так что при равенстве давлений тормозной поршень перемещается из своего среднего положения. Это предпочтительно, например, для безопасного торможения при отсутствии давления. В этом случае может также помочь действие натяжной пружины.
Предпочтительно тормозной исполнительный механизм включает в себя тормозной цилиндр и тормозной поршень, который делит тормозной цилиндр на тормозную и тормозную отводящую камеры, причем обе камеры посредством тормозного клапана могут быть связаны с гидравлическими контурами высокого и низкого давлений.
В одном предпочтительном варианте для прижатия тормозной колодки к тормозному диску предусмотрена натяжная пружина. В рамках изобретения она может быть расположена, в принципе, произвольно. Если давление в гиропроводах отсутствует, то тормозная колодка остается прижатой к тормозному диску усилием натяжной пружины.
Предпочтительно для подачи гидравлической жидкости предусмотрены резервуар высокого давления, являющийся частью контура высокого давления, и резервуар низкого давления, являющийся частью контура низкого давления, причем оба контура соединены с тормозным клапаном.
Целесообразно тормозной клапан предусмотрен для создания любых давлений в тормозном исполнительном механизме, причем создаваемые давления лежат в диапазоне разности давлений между контурами высокого и низкого давлений.
В одном целесообразном в этом отношении варианте каждый резервуар высокого давления и каждый резервуар низкого давления снабжен обратным клапаном и дросселем. Когда давление в резервуаре высокого давления или резервуаре низкого давления превышает давление соответственно в контуре высокого давления или контуре низкого давления, гидравлическая жидкость посредством дросселя переводится из соответствующего напорного резервуара в гидравлический контур, так что в распоряжении всегда имеется достаточное количество гидравлической жидкости. Загрузка накопителей может осуществляться через обратный клапан быстро и с небольшой потерей давления. За счет подходящего выбора дросселя и обратного клапана можно оптимизировать для применения динамику процесса загрузки/разгрузки.
Другие целесообразные варианты и преимущества изобретения являются объектом нижеследующего описания примеров его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых одинаково действующие конструктивные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями и на которых изображают:
фиг.1 - первый пример выполнения устройства;
фиг.2 - второй пример выполнения устройства.
На фиг.1 схематично изображен первый пример выполнения устройства 1. Оно включает в себя контур 2 высокого давления и контур 3 низкого давления, сообщенные соответственно с резервуаром 4 высокого давления и резервуаром 5 низкого давления. Оба резервуара 4, 5 снабжены комбинациями из дросселя и обратного клапана 6, через которые они соединены с гидропроводами 2, 3. Если давление в гидропроводе 2, 3 ниже, чем в соответствующем резервуаре 4, 5, то гидравлическая жидкость вытекает из него и подается в систему. Это противодействует нехватке гидравлической жидкости. Оба контура 2, 3 через аналоговый золотниковый регулирующий клапан 7 в качестве тормозного клапана соединены с тормозным исполнительным механизмом 8, содержащим тормозной цилиндр 9. Последний разделен тормозным поршнем 10 на тормозную 11 и тормозную отводящую 12 камеры. От нажимного поршня 10 связующий шток 13 в качестве связующего органа проходит к тормозной колодке 14, предусмотренной для прижатия к тормозному диску 15. На фиг.1 тормозной диск 15 и тормозная колодка 14 изображены при виде сверху и сбоку.
При виде сверху на фиг.1 можно хорошо различить, что тормозная колодка 14 через опорные средства, например, простую тягу или любой другой рычажный механизм, соединена с опорным поршнем 17 датчика 18 давления. Последний содержит также опорный цилиндр 19. Опорный поршень 18 делит опорный цилиндр 19 на опорную 20 и опорную отводящую 21 камеры. В обеих камерах 20, 21 расположено по одной пружине 22 сжатия.
Тормозная колодка 14 установлена с возможностью движения по касательной к направлению вращения тормозного диска 15 и поэтому опирается на датчик давления, закрепленный на тележке рельсового транспортного средства.
Камеры 20, 21 через гидропроводы 23, 24 соединены с контурами 2, 3. При этом гидропроводы 23, 24 сообщены с обратными клапанами 25-28. Расположенные в гидропроводе 24 опорной отводящей камеры 21 обратные клапаны 25, 26 ориентированы навстречу друг другу. Если давление в камере 21 выше, чем в контуре 3 низкого давления, то обратный клапан 25 перекрывает соединение между гидропроводом 24 и контуром 3 низкого давления. Если же давление в опорной отводящей камере 21 выше, чем в контуре 2 высокого давления, то открывается обратный клапан 26, в результате чего текучая среда, например подходящая гидравлическая жидкость, вытесняется из камеры 21 и переводится в резервуар 4 высокого давления. Если же давление в камере 21 ниже, чем в контуре 3 низкого давления, открывается клапан 25, что обеспечивает приток гидравлической жидкости из резервуара 5 низкого давления в камеру 21. То же относится к взаимодействию опорной камеры 20 и обратных клапанов 27, 28 через гидропровод 23.
На фиг.1 виден также возвратный клапан 29 датчика давления, который через гидропроводы 30, 31 сообщен с камерами 20, 21. Клапан 29 содержит ползун 32, который при срабатывании вызывает уравнивание давлений между камерами 20, 21. В случае уравнивания давлений пружины 22 перемещают опорный поршень 17 снова в среднее положение на фиг.1. Это препятствует перемещению опорного поршня к ограничению опорного цилиндра 19 и, тем самым, прерыванию усиления торможения. Для срабатывания клапана 29 служит блок 33 управления уравниванием давлений. Срабатывание происходит, например, посредством электромагнитных сил.
Блок 33 воздействует также на клапан 34, который обеспечивает намеренное отсоединение накопителя 4 от контура 2 низкого давления, например, для уменьшения хода опорного поршня или для обслуживания. Клапан 34 в нормальном режиме открыт.
soll
soll
soll
Гидропроводы 23, 24 снабжены калиброванными преобразователями давления в напряжение (не показаны). Каждый из них вырабатывает на своем выходе напряжение, пропорциональное давлению в камере 20 или 21. Выход каждого преобразователя подключен к входу дифференциального формирователя 35. Последний соединен со стороны выхода с формирователем 36 величины, который по сформированной дифференциальным формирователем 35 разности Δр давлений вычисляет величину |Δр|. Эта величина подается на вход компаратора 37. На втором входе компаратора 37 в качестве заданного значения имеется заданная разность Δp давлений, которая вычисляется на основе заданной силы F и в зависимости от заданного коэффициента 38 площади. Заданная сила F вводится пользователем устройства посредством блока 39 управления. Компаратор 37 формирует на своем выходе дифференциальное значение ΔF, которое подается на вход регулирующего блока 40, перемещающего затем подвижный элемент 41 тормозного клапана 7 так, что дифференциальное значение ΔF минимизируется. Тормозной клапан 7 является, например, пропорциональным клапаном.
Для прижатия тормозной колодки 14 к тормозному диску 15 служит натяжная пружина 45. Она прижимает тормозную колодку к тормозному диску, если гидравлическим путем прижимное усилие не создается.
soll
N
ist
Принцип действия устройства 1 следующий. Для осуществления процесса торможения требуется заданная сила F через регулирующие средства 42. Последние включают в себя блок 39 управления, измерительные датчики (не показаны), дифференциальный формирователь 35, формирователь 36 величины, формирователь 38 коэффициента площади, компаратор 37, регулирующий блок 40 и тормозной клапан 7. Разность Δр давлений между камерами 20, 21 в начале торможения равна нулю, так что компаратор 37 формирует большое дифференциальное значение ΔF. Регулирующий блок 40 перемещает подвижный элемент 41 влево, в результате чего создается большая разность давлений между тормозной 11 и тормозной отводящей 12 камерами. При этом давление в камере 11 выше, чем в камере 12. Происходит перемещение тормозного поршня 10 и, тем самым, ввод прижимного усилия F в обозначенном стрелками направлении вращения тормозного диска 15. За счет фрикционного замыкания между тормозной накладкой и тормозным диском создается направленная по касательной к направлению вращения тормозного диска сила трения или, другими словами, сила Fзамедления. Последняя вследствие подвижной установки тормозной колодки 14 вводится через соединительные средства 16, т.е. рычажный механизм, в опорный поршень 17. Тот при вращении тормозного диска 15 по часовой стрелке смещается из положения на фиг.1 вправо. Поэтому в опорной камере 20 давление гидравлической жидкости повышается по сравнению с ее давлением в опорной отводящей камере 21. Давления регистрируются преобразователями давления в напряжение и подаются к входу дифференциального формирователя 35. Это приводит на его выходе к разности Δр давлений и, тем самым, к соответствующей величине |Δр| или абсолютному значению на выходе формирователя 36. Дифференциальное значение ΔF уменьшается, причем регулирующий блок 40 в дальнейшем процессе регулирования обеспечивает минимизацию дифференциального значения ΔF. Другими словами, гарантируются самоусиление и одновременное регулирование тормозной силы.
Пример на фиг.2 отличается от примера на фиг.1, в основном, выполнением тормозного клапана 7. На фиг.2 он имеет большое число переключающих клапанов 43а, 43b, 43c, 43d, располагающих каждый только двумя положениями переключения. При этом подвижный элемент 44 каждого переключающего клапана служит для выбора соответствующего положения переключения. В первом положении переключения соединение между входом и выходом клапана 43 прервано. Во втором положении переключения давление на входе каждого клапана имеется также на выходе. Клапаны 43а, 43с соединены с контуром 2 высокого давления, а клапаны 43b, 43d - с контуром 3 низкого давления. Когда клапан 43а переводится, например, в свое проходное положение, на его выходе имеется давление контура 2. Другими словами, тормозная камера 11 сообщена с контуром 2 высокого давления. Если за счет перемещения подвижного элемента 44 клапана 43d в его проходное положение в тормозной отводящей камере 12 возникает давление контура 3 низкого давления, то созданная тормозным исполнительным механизмом 8 разность давлений и, тем самым, тормозная сила наибольшие.
Остальные регулирующие средства 42 отличаются от регулирующих средств 42 на фиг.1 только цифровым регулятором 46, который как таковой известен специалисту, так что здесь подробно останавливаться на нем нет необходимости. Регулятор 46 предназначен для перемещения подвижного элемента 44 каждого переключающего клапана с миллисекундным тактом. При этом соответствующая логика, хранящаяся в цифровом блоке управления, служит для желаемого регулирования торможения. За счет кратковременного включения в тормозном цилиндре 9 могут создаваться почти любые разности давлений.