磁流變與液壓復(fù)合盤式制動器的設(shè)計與分析＊

路國平，劉玉璽，張振珠

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磁流變與液壓復(fù)合盤式制動器的設(shè)計與分析＊

路國平，劉玉璽，張振珠

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，重慶 402260）

得益于磁流變效應(yīng)響應(yīng)迅速、能耗低、易控制等優(yōu)點，在傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了磁流變制動器，以彌補傳統(tǒng)制動器液壓滯后的缺點，并利用其制動力矩迅速可調(diào)的特點，實現(xiàn)與ABS防抱死制動系統(tǒng)的配合使用。闡明了復(fù)合盤式制動器的工作方式，進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁路設(shè)計，用ANSYS軟件進行了磁路仿真分析。結(jié)果表明，磁路設(shè)計合理可行，制動力矩實時可控，且滿足車輛制動力矩調(diào)節(jié)的需求。

磁流變制動器；復(fù)合式制動器；制動調(diào)節(jié)；磁路仿真

傳統(tǒng)的汽車液壓制動系統(tǒng)由液壓制動系統(tǒng)、ABS液壓控制單元、盤式或鼓式制動器等部件組成，其制動器技術(shù)成熟、安全、可靠，但也存在管路復(fù)雜、液壓滯后等問題，會出現(xiàn)制動壓力傳遞慢和制動滯后等現(xiàn)象。磁流變液是一種新型的智能材料，有著液相固相連續(xù)可調(diào)且響應(yīng)速度極快的優(yōu)點，是近些年研究的熱門材料。用磁流變液做成的制動器有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)靈敏、制動延遲時間短、易于控制、能耗低等優(yōu)點，但局限于結(jié)構(gòu)尺寸，其產(chǎn)生的制動力矩相對較小，還不能單獨滿足汽車制動的需求。本文在傳統(tǒng)鉗盤式液壓制動器的基礎(chǔ)上增加了磁流變制動結(jié)構(gòu)，可以起到輔助制動和調(diào)節(jié)制動效能的作用。

1 磁流變與液壓復(fù)合盤式制動器的結(jié)構(gòu)與原理

磁流變與液壓復(fù)合盤式制動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在傳統(tǒng)鉗盤式液壓制動器的基礎(chǔ)上增加了磁流變制動器。其中，制動盤與輪轂（圖中未示出）聯(lián)接，隨車輪旋轉(zhuǎn)。磁流變制動器部分由勵磁線圈、磁流變液、固定盤和制動盤組成，其中，固定盤通過平鍵固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，通過磁流變效應(yīng)，在制動盤內(nèi)緣產(chǎn)生阻礙達到制動的目的。

汽車制動時，制動盤外緣是由制動踏板產(chǎn)生的液壓力驅(qū)動起到制動作用，內(nèi)緣由電控磁流變制動器借助磁流變效應(yīng)達到制動作用，兩者是串聯(lián)的關(guān)系，前者提供主制動力矩，后者起到輔助制動和調(diào)節(jié)制動效能的作用。

一旦前者制動效能下降，后者可以彌補制動力矩的缺失，而后者發(fā)生故障，也不影響制動作用和防抱死功能。磁流變制動的作用原理主要體現(xiàn)在行車制動時，它與ABS系統(tǒng)配合使用。

圖1 磁流變與液壓復(fù)合制動器的機械結(jié)構(gòu)簡圖

ABS未起作用時，起到增大制動力矩的作用。分3種情況：①下長坡制動時，液壓盤式制動器的制動效能穩(wěn)定性會減弱，電控單元依據(jù)制動踏板位置和車速信號判斷后，通過電流控制磁流變制動器起輔助制動的作用；②緊急制動時，當(dāng)電控單元依據(jù)制動踏板踩踏速度判斷是緊急制動時，會立即控制磁流變制動器工作，迅速提升制動力矩，減小制動距離和制動時間；③在低附著路面起步或單側(cè)驅(qū)動輪打滑的時候，可以不踩制動踏板，電控單元控制磁流變制動器，對驅(qū)動輪提供適度的制動力，以提高發(fā)動機驅(qū)動力的利用率。ABS起作用時，即車輪趨于抱死，制動系統(tǒng)首先處于保壓狀態(tài)，磁流變制動器保持控制電流大小不變。當(dāng)車輛繼續(xù)趨向抱死，則勵磁電流減小，迅速降低制動力，以彌補液壓制動力降低的滯后性。當(dāng)后續(xù)抱死傾向減弱，持續(xù)調(diào)節(jié)磁流變控制電流，使輪胎滑移始終在最佳滑移率（10%）左右波動。

2 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.1 制動盤尺寸參數(shù)的確定

按微型轎車的適用標(biāo)準(zhǔn)范圍，選取規(guī)格為165/60R14的輪胎，其輪輞直徑約為355 mm，為保證其與盤式制動器有充裕的裝配間隙，盤式制動器制動盤直徑應(yīng)為輪輞直徑的70%～79%，如圖2所示，制動盤1的直徑取為270 mm。為保證制動質(zhì)量和避免溫升對制動效能的影響，選擇通風(fēng)式實心雙盤制動盤，單面厚度即圖2中的制動盤1，厚度5為10 mm。

由相關(guān)文獻計算可知，微型車后橋單輪制動器的總制動力最大達到800 Nm就可以滿足制動要求，選取的傳統(tǒng)制動器產(chǎn)生的制動力矩就可以達到，磁流變產(chǎn)生的最大制動力矩占到總制動力矩的10%～20%即可滿足制動調(diào)節(jié)的裕度要求，即磁流變制動產(chǎn)生的制動力矩最大能達到約160 Nm就可以滿足。

根據(jù)參考文獻[2]，可得到復(fù)合制動器中磁流變部分產(chǎn)生的制動力矩為：

在式（1）中，前一項為磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切力矩，后一項為流體黏性阻力矩，后一項相對于前一項較小，在此忽略不計。根據(jù)圖3，選用的磁流變液在磁場強度為200 kAmp/m時達到飽和，此時剪切屈服應(yīng)力達到45 kPa。根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)與制動器的裝配尺寸要求，可確定圖2中7為30 mm，根據(jù)式（1）則可算出6為86 mm。另外，為滿足制動鉗盤的尺寸安裝要求以及其他要求，可分別確定圖2中的各個尺寸參數(shù)，見表1.

圖2 磁流變與液壓復(fù)合制動器部分尺寸參數(shù)

表1 尺寸參數(shù)表（單位：mm）

R1R2R3R4R5R6R7R8L1L2L3L4L5 1351051009088863027582610

2.2 磁流變液和主體結(jié)構(gòu)材料的選取

磁流變液是實現(xiàn)調(diào)節(jié)制動力矩大小的關(guān)鍵材料，選取lord公司常用的MRF-132DG型號，其屈服特性和導(dǎo)磁特性分別見圖3和圖4.

制動器的主體結(jié)構(gòu)如圖2中的制動盤1、制動盤2和固定盤，要充分考慮其結(jié)構(gòu)強度以及導(dǎo)磁性能，因此選用45鋼，其結(jié)構(gòu)強度在此不做分析，其導(dǎo)磁特性見圖5.

2.3 磁路設(shè)計

由于磁流變液的工作區(qū)域需要磁通量進入，而磁通量與勵磁線圈和磁流變液區(qū)域結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)系，因此需要對其磁路進行計算以確定是否合理。基于安培環(huán)路定律和磁路歐姆定律，需要首先計算磁阻。如圖2所示，可將其分成5段 磁路，磁阻分別如下：

本文設(shè)計的最大輸入電流為3 A，則可得線圈匝數(shù)是561.7匝，取為560匝。線圈的有效截面積=80 mm2，則可得最大電流對應(yīng)的電流密度為：

根據(jù)計算結(jié)果，它符合短時工作制13～30 A/mm2的電流密度范圍值要求。

3 磁路仿真分析

磁路設(shè)計完成后，需要進行仿真驗證。本文采用二維靜態(tài)仿真方法，根據(jù)磁路設(shè)計和磁導(dǎo)率確定來定義材料屬性，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖3 MRF-132DG屈服應(yīng)力特性曲線圖

圖4 MRF-132DG磁流變液的B-H曲線圖

圖5 45#鋼B-H圖

圖6 復(fù)合制動器1/2模型網(wǎng)格

圖7 磁回路磁力線分布圖

網(wǎng)格模型建立之后，對勵磁線圈施加21.1 A/mm2的電流密度并施加磁力線平行條件，使用磁矢量位分析法進行磁路計算，利用ANSYS后處理項General Postproc查看計算結(jié)果。圖7為磁力線分布圖?？梢钥闯觯帕€穿過制動盤1、制動盤2、磁流變液區(qū)域、固定盤，形成了一個封閉的磁回路，且磁力線大部分都通過了磁流變液的工作區(qū)域，說明勵磁線圈的位置合理，磁路設(shè)計符合要求。

圖8 磁場強度分布云圖

圖9 磁場強度矢量分布圖

圖8和圖9分別為磁場強度分布云圖和矢量分布圖，可以看出，磁場強度矢量垂直分布于磁流變液受剪方向，且在磁流變液工作區(qū)域的磁場強度大小在162～250 kAmp/m范圍內(nèi)，能滿足MRF-132DG型號的磁流變液的工作需要。

4 結(jié)論

提出了一種在傳統(tǒng)盤式制動器基礎(chǔ)上增加了制動力矩調(diào)節(jié)快速的單盤式磁流變制動器的復(fù)合式制動器，進行了結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計，并進行了磁路仿真，結(jié)果表明磁流變液工作區(qū)域的磁場強度滿足工作要求，磁路設(shè)計可行。但本文的設(shè)計和分析是首次進行，未經(jīng)過試驗驗證，后續(xù)的研究將圍繞著相關(guān)試驗和結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開，并將磁流變制動器與鼓式制動器結(jié)合，進行結(jié)構(gòu)、磁路和試驗研究。

［1］徐斐.淺談磁流變和液壓聯(lián)合制動控制策略［J］.科技與創(chuàng)新，2017（5）：81-85.

［2］張玉魯，李兆松，梁彬.圓盤式磁流變液制動器的設(shè)計與磁場仿真［J］.汽車工程學(xué)報，2018（1）：54-60.

［3］沙樹靜，張賀，張和權(quán).雙盤式磁流變制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究［J］.機械設(shè)計與制造，2015（11）：100-107.

［4］徐斐.磁流變-液壓復(fù)合制動系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

2095－6835（2018）20－0015－03

U463.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.015

路國平（1986—），男，主要研究方向為汽車底盤技術(shù)。

重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目“汽車用磁流變液制動器的研究”（項目編號：KJB201522）；重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目“基于牛角多級結(jié)構(gòu)的耐撞性汽車保險杠仿生研究”（項目編號：KJA201807）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕