汽車電磁制動機構(gòu)的設(shè)計及仿真

林京娜， 王 芳

(威海職業(yè)學院 機電工程系， 山東 威海 264209)

車輛的制動性是指汽車在行駛過程中能在較短的時間內(nèi)停車且維持汽車行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡的過程中能維持一定行駛車速的能力[1].汽車的制動性能是判斷汽車性能的主要方面之一，并且隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和汽車行駛速度的不斷提高，其重要性就愈發(fā)顯得突出.為了提高汽車在復(fù)雜行駛條件下的穩(wěn)定性和主動安全性，具有良好功能的電磁制動系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注[2].

汽車電磁制動是一種通過調(diào)節(jié)電流來控制電磁制動力的控制技術(shù)，由于其具有制動反應(yīng)速度快、易于控制、維修方便等特點，可以極大地提高汽車的制動性能，因此受到國內(nèi)外研究者和企業(yè)的普遍關(guān)注和深入研究[3-4]，在電磁制動機構(gòu)或電磁制動輔助器方面已取得了不少研究成果[5-6].汽車電磁制動通過控制電流來實現(xiàn)對制動力的控制，所以如何保證在車載電源所能提供的最大電流的情況下使得制動力達到最大值，滿足汽車制動所需的制動力是最主要的問題.目前隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，對于車輛的研究已經(jīng)從單純的理論和實驗轉(zhuǎn)入到模擬仿真和虛擬現(xiàn)實實驗?；谝陨蠁栴}，本文將在車載電源提供不同電流的情況下對設(shè)計的簡易電磁制動機構(gòu)進行電磁學仿真.

1 簡易電磁制動機構(gòu)的設(shè)計

1.1 制動計算

電磁制動機構(gòu)是一種將輸入的電能轉(zhuǎn)化成機械能的執(zhí)行機構(gòu)，本文電磁制動機構(gòu)的設(shè)計是采用靜態(tài)設(shè)計法確定電磁鐵的各具體參數(shù)．

1)根據(jù)初始時的電磁吸力公式

(1)

(式中Bδ為氣隙中的磁通密度(高斯))得鐵心的半徑

(2)

2)確定線圈的總磁動勢方程

(3)

式中：kct=1.2～1.55；FCT為導(dǎo)磁體中的磁動勢；Fδ為氣隙中磁動勢；FU為非工作氣隙中的磁動勢．試驗表明，導(dǎo)磁體內(nèi)磁動勢占電磁鐵總磁動勢的10%～25%，非工作氣隙中的磁動勢占總磁動勢的5%～10%時，材料選擇最經(jīng)濟[7]．

3)確定線圈的長度和高度

(1)長度

(4)

式中：ρθ為漆包線的電阻率；F為總磁勢；τ為工作制系數(shù)；K為散熱系數(shù)；θY為溫升；fK為填充系數(shù)，在此例中取fK=0.15，散熱系數(shù)K=1.16×10-3W/cm2·℃．

(2)高度

hx=R2-R1

(5)

式中：hx為線圈的高度，R2為線圈纏繞鐵芯后的半徑.

(3)外部半徑

(6)

(4)漆包線直徑

式中，U為工作電壓．

取電磁鐵的原料為A3鋼，質(zhì)量QH為68.25kg.長時工作制下的最優(yōu)磁通密度比短時工作制情況下要高10%～15%，由此確定短時工作制電磁鐵的氣隙磁通密度Bδ=10 010和比值(線圈的長高比)L/(R2-R1)=L/h=4.6．

根據(jù)電磁吸力的公式由式(1)帶入數(shù)據(jù)可以得到R1=2.3mm，取電磁鐵中的磁勢降為氣隙磁勢的12%,非工作氣隙中的磁勢降為氣隙中磁勢的10%,則KCT=1/(1-0.12-0.1)=1.28．由式(3)可以得到F∑=Bδδ·kct/(0.4π)=51006(安·匝)．得到總動勢后，需要確定線圈長度與高度，在本例中漆包線的電阻率可以通過查表得ρθ=6.7×10-3Ωcm2/m；溫升θY=70℃；工作制系數(shù)為0.1；在此例中取填充系數(shù)fK=0.15，由式(4)可得LK=189cm；R2=40.1cm；hx=37.8cm；外部半徑為R3=55.1cm，漆包線的直徑由式(7)得：d=1.45mm，其中U為汽車電池電壓，取24V.

1.2 機構(gòu)簡易模型

本文基于傳統(tǒng)液壓回路電磁制動的思想設(shè)計一種電磁制動簡化機構(gòu)，所提出的結(jié)構(gòu)基于鼓式制動器設(shè)計．將勵磁繞組等效至電磁靜鐵中心部位，利用Auto CAD軟件繪制出結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.等效勵磁繞組；2.電磁靜鐵；3.回位彈簧；4.電磁動鐵；5.固定螺母；6.導(dǎo)向桿； 7.液壓推力桿圖1 電磁制動機構(gòu)簡化模型

利用Ansoft12軟件分析電磁場的分布以及求解電磁力的大小時，只需對兩塊電磁鐵分析即可.因此，提取兩塊電磁鐵模型，忽略導(dǎo)向桿、液壓推力.根據(jù)計算以及實際問題，初步設(shè)計機構(gòu)的整體尺寸為300×275×60，繼而確定各部件的尺寸，其電磁動鐵尺寸為300×50×50，電磁靜鐵尺寸為300×175×50，激勵線圈為700匝，直徑為1.45mm．

在Ansoft12中建立一個三維工程文件，在理想情況下本文將電磁線圈等效至電磁靜鐵中間部位，檢測模型是否正確，簡化我們所設(shè)定的電磁機構(gòu)[8]．隱去導(dǎo)向桿、液壓推力桿后并對機構(gòu)的各部分進行網(wǎng)格劃分.

圖2 各部分剖分參數(shù)

從圖2中可以觀察到各個部件劃分出來的單元數(shù)、最小的邊長度、最大的邊長度等屬性。理論上講，各部件所劃分的單元數(shù)越多，計算越準確，現(xiàn)在依托實驗室現(xiàn)有的硬件設(shè)施劃分單元．

2 仿真求解

運動部件為電磁銜鐵，而所定義的運動求解域是Band，所以需將運動域設(shè)置成Band屬性，再對其中的運動部件進行機械屬性的設(shè)置.具體參數(shù)設(shè)置如下：

運動類型：直線運動；參考方向：沿Y軸正方向為正；初始位置設(shè)置：初始位置為0mm；運動范圍設(shè)置：因為電磁動鐵受電磁力后會向Y軸負方向運動，不允許電磁動鐵與靜鐵碰撞，所以運動范圍為-49.999mm.

機械屬性設(shè)置：運動初速度：0m/s；質(zhì)量：0.1kg；阻尼系數(shù)：設(shè)置為30*(-position)*1000，負載力為彈簧彈力，滿足F=k·X，k=30.

運動參照系設(shè)置：本列中電磁動鐵運動是以整體坐標系為參照物，在參照系中選擇Global．

根據(jù)實驗室硬件設(shè)備的硬件條件，參考實際銜鐵達到穩(wěn)態(tài)的時間，將仿真所需要的時間設(shè)置成0.16s，仿真步長設(shè)置成0.005s．完成模型參數(shù)設(shè)置、自檢無誤后，開始對模型求解運算，生成瞬態(tài)時間與各參數(shù)的曲線如圖3所示.

圖3 瞬態(tài)時間節(jié)點與各參數(shù)的關(guān)系曲線

對應(yīng)位移與時間關(guān)系曲線可以看出，位移隨時間的增加而變大.隨時間的增加、電磁銜鐵與電磁靜鐵之間的間隙減小，電磁吸力迅速增大，位移變化開始增大，隨后位移達到最大值．

對應(yīng)電磁力與時間關(guān)系曲線可知，在時間段0～0.08s內(nèi)，電磁靜鐵與電磁動鐵之間的間隙變化較小，產(chǎn)生的電磁力較小.隨著時間的增加，靜鐵與動鐵的間隙迅速減小，電磁力也隨之增加，伴隨著電磁動鐵與電磁靜鐵的吸合，彈簧的反作用力穩(wěn)定，產(chǎn)生的電磁力達到穩(wěn)定．

對應(yīng)電磁動鐵運動速度與時間的關(guān)系曲線可知，電磁力使得電磁動鐵向電磁靜鐵方向運動，運動速度隨著時間的增加而迅速增大．當電磁動鐵與電磁靜鐵之間的間隙無限小的時候，電磁動鐵的運動速度減小為0，即達到平衡．

基于車輛實際情況的考慮，外電路所加的電流分別設(shè)定為2A、3A、3.3A時，仿真分析應(yīng)對的電磁力近似取值得到動態(tài)情況下電磁制動機構(gòu)在運動過程中的電磁力大小見表1.

表1 電磁制動機構(gòu)運動過程中產(chǎn)生的電磁力

3 結(jié)束語

在動態(tài)情況下電磁制動機構(gòu)所能產(chǎn)生的制動力可以達到3 500N，安裝于車輛上的制動助力裝置對原始的電磁力有數(shù)倍的增幅，所以作用于制動盤上的制動力超過10 000N.在車輛為2t、制動距離為10m、車速為36km/h的情況下，經(jīng)過計算所需的制動力為10 000N，所以該實驗仿真符合實際需要．

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