一種汽車盤式電磁制動器的研制

龍云梅，林秋逢，曾 競，何榮欣，彭馬保，曾文高，陳偉濤

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引 言

汽車盤式電磁制動器作為一種新型的制動裝置，電磁力以其迅速、可靠的潛在優(yōu)勢引起了汽車行業(yè)各研究人員的關(guān)注，是制動技術(shù)的一次新的革命。電磁制動系統(tǒng)是使用電子裝置的電磁制動機(jī)構(gòu)，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，電磁鐵的線圈通電，推動摩擦片工作，從而產(chǎn)生制動力。目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)成功研制了鼓式電磁制動器，但鼓式電磁制動器在制動過程中存在散熱困難等因素，研究人員逐漸趨向于盤式電磁制動器的研究[1]。

汽車盤式電磁制動器在基于傳統(tǒng)液壓盤式制動器的基礎(chǔ)上以全新的設(shè)計思想對增力機(jī)構(gòu)、電磁鐵內(nèi)外鐵芯和銜鐵等進(jìn)行設(shè)計，借助AutoCAD、Solidworks軟件建立模型，并進(jìn)行增力機(jī)構(gòu)應(yīng)力及制動力分析。本研究通過增力機(jī)構(gòu)將電磁力放大4倍來滿足汽車制動所需的制動力。在制動過程中，通過控制電磁線圈的電流來控制制動力，保證汽車在不同路況的制動可靠性。相對于鼓式電磁制動器，盤式電磁制動器有以下優(yōu)點：①盤式電磁制動器遠(yuǎn)比鼓式的散熱好，制動性能穩(wěn)定；②由于鼓式制動器電磁鐵芯的尺寸受到限制，產(chǎn)生的電磁力也會受到影響，而盤式制動器的空間相對寬松，電磁鐵尺寸可適當(dāng)增大以提高電磁力；③盤式制動器的增力效果好。

汽車盤式電磁制動器作為新的前沿制動技術(shù)，具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，沒有傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的液壓油燃燒和油路泄漏的危險，提高了制動安全性[2]。由于它采用電磁機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓制動機(jī)構(gòu)，減輕了車輛自身的重量。盤式電磁制動系統(tǒng)采用了反饋控制系統(tǒng)，縮短了制動反應(yīng)時間與制動距離，改善了制動力矩和防滑性能，提高了行駛安全性?；谝陨蟽?yōu)勢，盤式電磁制動器將廣泛用于汽車制動系統(tǒng)中[3]。

本研究開展盤式電磁制動器增力機(jī)構(gòu)建模和應(yīng)力仿真分析，提出一種以電磁鐵作為動力源，通過增力機(jī)構(gòu)把電磁力放大到預(yù)期制動力推動摩擦片工作而實現(xiàn)汽車制動的方法。

1 盤式電磁制動器結(jié)構(gòu)

盤式電磁制動器樣機(jī)如圖1所示。

圖1 電磁制動器樣機(jī)

該盤式電磁制動器的設(shè)計適用于小型車（發(fā)動機(jī)排量不大于1.5 L），以威志1.5 L三廂標(biāo)準(zhǔn)型版2009款作為設(shè)計依據(jù)，制動器安裝在原來液壓制動器的位置。電磁制動器主要由制動鉗、活塞、增力機(jī)構(gòu)、電磁鐵內(nèi)外鐵芯、銜鐵和勵磁線圈等組成。電磁線圈采用12 V直流車載電源供電，以電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力為動力源，通過增力機(jī)構(gòu)把電磁力放大后，再推動摩擦片工作以實現(xiàn)車輪制動。本研究根據(jù)使用需求和空間限制，采用短行程盤式電磁鐵，其特點是鐵芯柱特別大，可以在非常短的行程內(nèi)獲得極大的電磁吸力，而且充分利用了空間，具有節(jié)能、噪音小等特點。短行程盤式直流電磁鐵內(nèi)外鐵芯與銜鐵均采用20#鋼加工，保證最大磁導(dǎo)率并最大限度減小電磁鐵體積，電磁線圈采用線徑為1.16 mm的漆包線繞制1 290匝，其余工藝均按照標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵制造工藝[4]。

電磁鐵的銜鐵與增力機(jī)構(gòu)相連，增力機(jī)構(gòu)為杠桿增力機(jī)構(gòu)（如圖2所示），增力比為1∶4，增力前、后杠桿變化角度為2°，傳動效率較高。銜鐵頂端與增力機(jī)構(gòu)相連，通過活塞推動內(nèi)側(cè)摩擦塊，銜鐵的導(dǎo)向部分嵌入導(dǎo)向槽，制動時銜鐵向里運(yùn)動帶動鉗體向內(nèi)拉，使增力機(jī)構(gòu)向外頂出。同時，外摩擦片的鉗體與銜鐵外側(cè)固連同時向里運(yùn)動，使內(nèi)外摩擦片幾乎同時壓到制動盤上，并且兩側(cè)制動力相等。

圖2 增力機(jī)構(gòu)

摩擦襯塊與制動盤之間的間隙在0.05 mm～0.15 mm之間[5]。為彌補(bǔ)摩擦襯塊使用以后的磨損，筆者設(shè)計了一個間隙補(bǔ)償裝置。

2 盤式電磁制動器的控制原理

當(dāng)汽車需要制動的時候，駕駛員踩下制動踏板，踏板與電位器聯(lián)動，通過改變踏板行程來改變電位器的電阻，從而改變通過電磁線圈電流的大小。電磁鐵的吸力與通過電磁線圈電流的平方成正比關(guān)系，通過控制電磁線圈的電流從而可控制制動力的大小。在制動的過程中，為防止車輪抱死，系統(tǒng)還設(shè)置了防抱死控制電路。電磁制動控制單元監(jiān)測輪速傳感器傳來的車輪轉(zhuǎn)速信號并對其進(jìn)行分析對比，當(dāng)監(jiān)測到車輪將被抱死的時候，電磁制動系統(tǒng)將以脈沖電流的方式控制制動力的大小，防止車輪抱死，保證行駛安全[6]，其控制電路如圖3所示。

間隙補(bǔ)償裝置的工作原理：當(dāng)摩擦片磨損后導(dǎo)致制動工作時銜鐵與電磁鐵外鐵芯的距離不斷減少直至相碰，為了保證外鐵芯和銜鐵不相碰并且工作可靠，應(yīng)使其最小距離S0.03mm，當(dāng)S=0.03mm時控制外鐵芯后移。為實現(xiàn)摩擦片的磨損間隙補(bǔ)充，本研究將在外鐵芯和銜鐵之間安裝導(dǎo)電金屬塊（觸點），當(dāng)外鐵芯和銜鐵之間的距離為S=0.03mm時，兩導(dǎo)電金屬接觸并接通間隙補(bǔ)償控制電路，使伺服電機(jī)帶動螺栓齒輪固連體轉(zhuǎn)動，最終轉(zhuǎn)化為與螺栓齒輪固連體螺紋連接的外鐵芯的水平移動。當(dāng)外鐵芯與銜鐵的距離增加到0.08 mm時兩金屬塊再次分開，這樣使電磁鐵和銜鐵的距離總保持在0.03 mm～0.08 mm范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)摩擦片間隙補(bǔ)償。

圖3 電磁制動控制電路

間隙補(bǔ)償控制電路示意圖如圖4所示。

圖4 間隙補(bǔ)償控制電路示意圖

3 盤式電磁制動的特點

由于該盤式電磁制動器采用特殊的動力源，具有許多傳統(tǒng)液壓氣壓制動器沒有的新優(yōu)點：

（1）盤式電磁制動器具有響應(yīng)迅速的特點，省掉了大量液壓管路及液壓元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)只需要克服機(jī)構(gòu)阻力和線圈電感即可動作。吸合過程主要分兩個階段，從線圈得到電壓起到電流按指數(shù)曲線增至吸合電流為止的過程。在此過程中銜鐵尚未運(yùn)動，其經(jīng)歷時間稱為吸合觸動時間，記為tx c；進(jìn)入第2階段后，吸力大于反力，銜鐵開始運(yùn)動。

本研究將從銜鐵開始運(yùn)動到銜鐵止動所需要的時間定義為吸合運(yùn)動時間，記為tx y。兩個過程的計算公式為[7]：

式中：L—電感，H；Fz—釋放阻力，N；Iw—穩(wěn)態(tài)電流值，A。

吸合過程所用總的時間tx h=tx c+tx y=0.0157+0.0039=0.0196s。理論分析結(jié)果表明，吸合時間符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2004《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[8]中的規(guī)定，且制動協(xié)調(diào)時間對于液壓制動的汽車不應(yīng)大于0.35 s[9]。而電磁制動的制動響應(yīng)協(xié)調(diào)時間遠(yuǎn)小于液壓制動時間，具有明顯的優(yōu)勢。

（2）電磁制動的汽車易于實現(xiàn)集成化管理，制動力大小控制方便、可靠。電磁制動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能就是根據(jù)制動踏板位移傳感器的信號，控制制動器電磁線圈的電流，從而控制制動力的大小。制動器控制電路還應(yīng)該根據(jù)輪速傳感器的信號判別車輪制動時是否抱死，從而啟動脈沖防抱死系統(tǒng)控制車輪在峰值附著系數(shù)下制動。該設(shè)計采用制動踏板位置傳感器（電位計）、單片機(jī)、場效應(yīng)管、555時基集成電路等實現(xiàn)上述功能。

電磁制動由于具備響應(yīng)迅速和易于集成化控制的優(yōu)勢，可用于遠(yuǎn)距離控制制動，同時也易于各種輔助系統(tǒng)的集成。電磁制動器易于集成控制的特點也符合汽車電子化的發(fā)展方向。

（3）電磁制動系統(tǒng)成本比液壓制動系統(tǒng)低廉，省去了大量的液壓管路及液壓元件，減少了管路故障的風(fēng)險，便于維護(hù)；同時也大大減輕了汽車的重量，提高了安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 盤式電磁制動器的性能分析

（1）電磁制動器所產(chǎn)生的制動力大小是否滿足制動要求是衡量制動器性能的重要指標(biāo)。要達(dá)到預(yù)期制動效果，施加在摩擦片上的壓緊力應(yīng)達(dá)到2 400 N，通過增力機(jī)構(gòu)參數(shù)推算出電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力應(yīng)達(dá)到780 N。實驗證明在增力機(jī)構(gòu)正常工作情況下，只要保證電磁鐵吸力足夠（即達(dá)到780 N），便可以保證最后的制動力。本研究使用電子萬能力學(xué)試驗機(jī)對電磁鐵的吸力進(jìn)行測試試驗，測試時電磁鐵的電源為直流12 V，與車載電源一致。在實驗過程中，筆者動態(tài)改變銜鐵與鐵芯的距離從而測出一系列的電磁力數(shù)值。

實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 電磁力隨銜鐵與鐵芯之間距離的變化關(guān)系

如圖5所示，力與位移的關(guān)系基本符合盤式電磁鐵吸力特性隨間隙變化的規(guī)律，中間的突變點是由于實驗時銜鐵的支力點不平衡，在改變距離時沒有達(dá)到平穩(wěn)變化所致。

此外，還要分析其電流、踏板位移和制動力之間的關(guān)系：

式中：I—電磁鐵線圈電流，A；W—電磁鐵線圈有效匝數(shù)；μ0—真空磁導(dǎo)率，；Sz—鐵芯正對面積，m2；δz—總氣隙，m 。

根據(jù)上述公式計算得出它們的關(guān)系如圖6所示[10]。

圖6 電磁線圈通電電流與踏板行程之間的關(guān)系

由于電磁線圈纏繞工藝等原因，試驗電磁鐵在一定點的電磁力數(shù)值均小于理論值，變化趨勢符合電磁鐵的特性曲線。當(dāng)通入12 V的電壓時，再在増力機(jī)構(gòu)放大4倍的情況下，最大作用力在制動盤上達(dá)到3 206 N，平均值約為2 990 N，最大試驗數(shù)據(jù)基本能達(dá)到設(shè)計要求。

該設(shè)計要求在額定氣隙寬度下電磁鐵能得到與制動踏板行程基本成線性關(guān)系的電磁吸力：

式中：K—比例系數(shù)；I—線圈電流，A。

而在銜鐵初始位置則只要能產(chǎn)生足以克服阻力（主要是復(fù)位彈簧彈力及系統(tǒng)摩擦力，忽略摩擦力得k x0/2）的電磁力即可，初始力為：

進(jìn)入制動持續(xù)期，電磁力大小與踏板相對初始行程的增加值Δλ成正比（F=K1Δλ），由下式得：

式中：F0—電磁吸力，N；m—銜鐵和增力機(jī)構(gòu)歸算質(zhì)量；tx h—總時間，s；tx c—觸動時間，s；K1—比例系數(shù)。

電流大小Y和踏板行程相對于初值的增量X所呈現(xiàn)的關(guān)系為的近似線性關(guān)系（如圖6所示）。

（2）電磁制動器要滿足基本的零件強(qiáng)度要求。本研究通過軟件分析，整個制動過程中機(jī)械增力機(jī)構(gòu)中零件所承受的最大剪應(yīng)力為3 180 N，筆者使用Solidworks的COSMOSXpress插件對銷、撬桿、中心架、撬桿支架進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)各零件指定設(shè)計參數(shù)計算，零件材料采用45號鋼可以滿足要求，得到最低安全系數(shù)分別為：6.592 36、1.327 68、28.113 4、1.543 92（安全系數(shù)大于1.3，則零件強(qiáng)度合格），以上零件設(shè)計符合安全要求。

（3）電磁制動器制動時性能的熱效應(yīng)（熱穩(wěn)定性）的評定。電磁鐵在工作過程中，因電流流過線圈會產(chǎn)生損耗，轉(zhuǎn)化為熱能，一部分散失到周圍介質(zhì)中去，另一部分使線圈本身溫度升高。當(dāng)電磁鐵線圈的溫度上升到一定程度時，會加速絕緣老化，直接影響其使用壽命和相關(guān)設(shè)備的安全，因此預(yù)測電磁鐵的溫升具有重要意義。通過溫升預(yù)測也可以驗證電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否設(shè)計合理。實驗證明制動器連續(xù)工作0.5 h，制動器散熱良好，線圈溫升在允許范圍內(nèi)。在行車過程中的工況也不是連續(xù)制動，所以實際溫升應(yīng)該比實驗溫升低。

測試基本條件為：環(huán)境溫度22℃，通過持續(xù)電流為最大電流I=6.26A（達(dá)到最大電磁力的理論電流為6.5 A），線圈常溫電阻為3.24 Ω，總散熱面積為340.08c m2。

牛頓溫升公式為：

式中：P—輸入線圈的發(fā)熱功率，W；KT—綜合散熱系數(shù)，W/c m2·℃ ；S—線圈有效散熱面積，cm2；θ—線圈的溫升，℃；Δθ/Δt—線圈溫度的變化率；θn—線圈穩(wěn)定狀態(tài)下的溫升，℃。

另外，根據(jù)牛頓溫升公式算得最終的理論溫升為149.3℃。

制動器連續(xù)工作0.5 h，實驗測試電磁鐵溫升情況如表1所示。

表1 電磁鐵溫度隨通電時間的變化

5 結(jié)束語

本研究所設(shè)計電磁鐵的電磁力在設(shè)計點均小于理論電磁力，當(dāng)通入13 V左右的電壓（發(fā)動機(jī)工作時的電源電壓）時，在氣隙小于2 mm的情況下能獲得較為平穩(wěn)的制動力，作用在制動盤上的最大夾緊力為3 206 N，平均值約2 990 N。

實驗結(jié)果表明，銜鐵及增力機(jī)構(gòu)能夠完成預(yù)定運(yùn)動要求，能迅速制動車輪，實現(xiàn)制動功能。在555無穩(wěn)態(tài)工作模式下能完成防抱死制動功能，制動反應(yīng)時間明顯優(yōu)于液壓制動。

線圈在進(jìn)行了0.5 h的連續(xù)試驗后溫度為85℃左右，小于所用的聚酯漆包線的溫升要求，電磁體散熱狀況良好。

經(jīng)過對樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)試驗，實驗結(jié)果表明該電磁制動器的總體設(shè)計方案可行，電磁力及增力機(jī)構(gòu)能夠完成預(yù)定制動要求，滿足節(jié)能減排的環(huán)保要求。但是，在制動器防水方面還沒有考慮周全，此外，其尺寸還是偏大，制動力的大小還只能適應(yīng)小型汽車制動。將該電磁制動器實際應(yīng)用到車上還有一定距離，有待于進(jìn)一步完善研究。

致 謝

本文在撰寫過程中得到同事的幫助、部門領(lǐng)導(dǎo)的悉心指導(dǎo)并提出許多寶貴的意見和建議，同時也得到《機(jī)電工程》專家們的大力支持和幫助，提出有建設(shè)性的修改意見。在此，全體作者向以上幫助過我們的所有人員表示衷心地感謝。

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