车用盘式电磁制动器设计

摘 要车辆制动系统在车辆的安全方面就起着决定性作用。汽车的制动系统种类很多，传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气液混合式。液压制动技术是如今最成熟、最经济的制动技术，并应用在当前绝大多数乘用车上。目前，汽车所用制动器几乎都是摩擦式的，可分为鼓式和盘式两大类。盘式制动器的主要优点是在高速刹车时能迅速制动，散热效果优于鼓式刹车,制动效能的恒定性好,便于安装像式电磁制动器是一种以电控制的摩擦型制动器，目前主要应用于拖车尤其是房车制动上，但是随着汽车的发展，高动力性能的汽车技术的突破，汽车制动系统也将发生变化，而电磁制动器则是利用电磁阻力的原理将汽车动能转化为热量消耗实现制动，电磁制动器的安全性，灵活性，简单性，可操作性，将会是汽车制动系统的发展方向，由于盘式电磁制动器的控制原理，结构与技术成熟的液压盘式制动器相似，所以加工技术方便，通过对盘式电磁制动器的设计与计算可以得到满足汽车制动时候的制动效果，从而实现汽车的安全制动。但是目前国内研究仍处于起步阶段，对电磁制动器的设计与研究停留在房车和拖车上，对于微型汽车的电磁制动器的设计研究较少，本文提出一种微型汽车电磁制动器方案，以电磁铁作为动力源，通过机械增力机构将电磁力放大并推动摩擦衬块产生制动,以达到制动目的，并对设计的电磁制动器进行仿真分析。关键词：电磁制动器；电磁体；盘式制动器；制动系统；增力机构；in to a of of is to on be of at to is a on a s in is of to to be of be of in a as to in to 摘 要.课题背景及目的.国内外研究现状.设计应解决的难点.动器主要参数的设计计算.基本参数的确定.制动距离的计算.制动力矩的计算.盘式制动器的主要参数选择.制动衬块上压紧力的计算.液压缸的设计计算.本章小结.制动盘的结构设计.制动钳的结构设计.制动衬块的结构设计.摩擦材料的选择.盘式制动器工作间隙的调整.本章小结.机械增力机构的设计.增力机构的自由度分析.受力分析计算.增力机构主要构件尺寸的确定.增力机构的.本章小结.磁通势的计算.铁芯截面积的计算.电磁铁长度的计算.衔铁厚度的确定.确定线圈截面积.线圈导线直径的确定.线圈匝数的确定.本章小结.汽车系统模型的建立.仿真分析.本章小结. 下坡行驶的汽车车速保持稳定以及使停驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。汽车制动系统直接影响着汽车行驶的安全性和停车的可靠性，汽车制动系统的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好，制动系统工作可靠的汽车，才能充分发挥出其动力性能。汽车制动系统依操纵和驱动制动力源的不同，有四种基本组合的方式即：机械式、气压式、液压式和电气式。其中电气式汽车制动系统又可分为电磁式、电动式和电液式。气压式机构复杂，有气泵、气筒、制动阀、制动气室及管路等一整套设备，制动系统不论是否制动，气泵都要随发动机运转，消耗发动机的动力，若汽车停放的时间较长，管路密封不严，重新开动还要重启，这就增加了不必要的消耗。液压式所需的操纵力大，若要求制动力矩较大时，需要增力，不但要增加结构复杂程度，有的还消耗发动机的动力。机械式大多用在拖拉机及拖车上，它所需要的制动力大，制动强度低，左右制动不容易调整同步。这三种形式的制动机构都存在着不同程度的反应时间慢的缺点。机械式多用于汽车的驻车制动系统：气压式和液压式以及这两种方式的结合，目前在汽车行车制动中占主导地位，电气式的突出优点在于:（1）结构简单，使用、安装、维护方便。（2）可靠性高。用电缆代替管路，可方便地通过增加冗余电路来达到提高汽车制动系统可靠性的目的。用电气式取代液压式，防止液压的气阻现象，增加了汽车制动系统的可靠性。（3）集成方便。未来汽车上的电子装置将越来越多。电控转向、子驱动控制、主动悬架、电子稳定装置都非常容易与电气制动系统集成在一起。电子控制器可根据需要设计不同回路的控制器，对汽车实施单回路、双回路和多回路制动，也可对某个车轮单独制动。（4）易实现压，再液压机械的复杂转换，提高了控制动作的准确性和可靠性。（5）代表制动器的发展趋势。电磁制动系统出了具有一般电制动系统的优点外，还有其他的一些特点：与现有汽车制动系统兼容性好，安装、拆卸方便；没有液压油的污染问题，有利于环保。所以它适合作为汽车的制动系统。电磁制动器系统是一个全新的系统，为将来的汽车智能控制提供条件。汽车电磁制动系统取代了传统的液压制动机构，不再使用液压油，减少了液压燃油的危险，提高了安全性，也减轻了汽车的质量；电磁制动系统中采用了转速反馈控制系统，显著改善了制动力矩和防滑性能，缩短了制动距离，提高了轮胎和制动装置的使用寿命。而且，电磁制动系统的制动效率优于液压系统。电磁制动系统将是机动车制动系统发展的新方向。现在汽车工业已全球化，自主研发性能优越、可靠性高、成本低的汽车电磁制动器，将使我国的汽车电磁制动器产业抛弃高价购买国外技术，拥有自己的先进技术，大大提高中国汽车业在全球的市场竞争力。因此，研发具有自主知识产权的汽车电磁制动器，对赶超国际先进水平，提高我国汽车制动产品的市场竞争力具有现实意义。同时，汽车电磁制动器的普遍应用将会带来巨大的经济和社会效益。电磁制动器作为一种新型制动器。它主要通过控制器发出的制动信号以电流的形式通过电磁体，利用改变通入电磁体的电流来改变制动器的制动力。由于电磁制动器具有与传统制动器的不同特点和要求，它涉及到对电磁制动器的性能、环境及材料等诸多因素的综合分析和比较，本文根据电磁制动器的特点和要求，以制动器功能为目标，设计一种电磁制动器，为开发和研制电磁制动器提供理论基础。期的制动控制操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力,那时的汽车比较小，速度较低，机械制动虽已满足需要，但随着汽车自身质量的增加,开始出现真空助力装置。有制动踏板控制的真空助力装置。美国林肯汽车公司也于1932年推出车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。随着科学技术及汽车工业的发展，汽车制动有了新突破。液压制动是继机械制动的又一重大革新。莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世，美国通用和福特公司分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压动力制动器才成为现实。在液压鼓式制动器出现若干年后，人们又发现了液压钳盘式制动器。由液压控制，主要部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动卡钳上的两个摩擦片分别装在制动器两侧。20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就是密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱死装置一般包括三部分：传感器、控制器与压力调节器。传感器接受运动参数给控制装置。控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。规模集成电路和超大规模集成电路的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。随着人们对制动性能要求的不断提高，引力控制系统、电子稳定性控制程序、主动碰撞技术等功能融入制动系统中，越来越多的附加机构安装在制动系统上，使得制动系统更加复杂，也增加了液压管路泄漏的隐患以及装配维修的难度。因此结构更简捷，功能更可靠的汽车制动系统呼之欲出。电磁制动器系统是一个全新的系统，为将来的汽车智能控制提供条件。电磁制动控制因其巨大的优越性，必将取代传统的以液压为主的制动控制系统。其主要包括以下部分：（1）电磁制动器 其结构和液压制动器基本相似，有盘式和鼓式两种；电磁制动器是电磁制动系统的关键部分，正是由于它的加入，使得制动系统节省了很多液压管路和液压油，减少了污染漏油等。电磁制动器的控制单元（收制动器踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动变速系统，无极转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以2）车速传感器 准确、可靠、及时地获得车轮的速度。（3）线束 给系统传递能源和电控制信号。（4）电源 为整个电控制系统提供能源，也可以与其他系统共用。从结构上可以看出这种电磁制动系统具有其他传动制动系统无法比拟的优点：（1）整个汽车制动系统结构简单，省去了传统汽车制动系统中的制动油箱、制动主缸，助力装置、液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低。（2）制动响应时间短，提高了制动性能。（3）无制动液，维护简单。（4）系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构。（5）采用电线连接，系统耐久性能好。（6）易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。对于汽车电磁制动器的最早研究和应用都是拖挂车上的汽车电磁制动器。早在1942年，美国的外著名汽车制造商和专业制动器生产企业在这方面也表现得十分活跃。随后半个多世纪，国外的电气汽车制动系统研发工作开展迅速深入，其中用电磁力驱动的汽车电磁制动器已经进入实用状态，但这种汽车电磁制动器大部分都应用于拖车的制动系统中。同时各国都对汽车电磁制动器进行不断改进，主要表现在电磁体和控制器两部分。而对控制器的改进主要集中在拖挂车中主车与拖车的制动力匹配上。近几年，国外的汽车电磁制动器的发展较缓慢，基本保持了20世纪的形式，只是在此基础上不断完善，努力使汽车电磁制动器能够适应普遍汽车的行车制动。为使汽车电磁制动器能在汽车上广泛应用，需研究电磁体的特性、制动器的性能及电磁制动器控制器的控制策略。国外厂商在近几年内开始研制具有内汽车电磁制动器的研究起步远远落后于国外。近几年国内部分学者开始致力于这方面的研究，其中江苏大学在这方面的研究较为突出。另外，有些汽车配件企业和一些中外合资企业涉及汽车电磁制动器及其零部件的制造，但基本上都是采用国外的商业成品技术。国内关于汽车电磁制动器的专利申请保护内容，基本上跟国外50年前的技术相同，与目前国际同类技术相差甚远。所以自20世纪90年代，尤其是加入国汽车工业才得以突飞猛进的发展，人们生活水平随着经济建设的发展不断得到提高，人均拥有汽车量大大增加，而城市用汽车的数量更是与日俱增，为此研究适用于城市工况的汽车电磁制动器应运而生。其次，汽车电磁制动器的制动力是电磁铁的线圈通电后产生的，由于不再靠液压油产生制动力，因此不再适用液压油，也节省了液压制动管路，取而代之的是线束，这一变革使得电磁制动器更易于与相对于制动主缸、液压阀及制动管路，线束的维修与更换都要简单得多。另外，由于使用线束代替机械液压制动装置及制动管路，也减少了制动时的非线性和制动力矩相对于制动力的迟滞效应，因此汽车电磁制动器代替液压制动器将成为必然1 。）电磁制动器的结构设计；（2）制动器参数的设计计算；（3）增力机构的设计计算，实现制动力的放大与传递；（4）电磁体的设计计算；（5）电磁制动器的仿真分析。第2章 100轮滚动半径：286据258动车运行安全技术条件中所规定的，乘用车制动规范对制动器制动性的要求，汽车在制动过程中，制动初速度为50km/车制动距离不得大于22m。要对制动距离过程有一个全面的了解。动压力、汽车制动减速度与制动时间的关系曲线。没有立即行动,而要经过 1 后才意识到应进行紧急制动，并移动右脚，再经过 1 后才踩着制动踏板。从111 称为驾驶员反映时间。 1 着驾驶员踩踏板的动作，制动压力迅速增大，至过由于制动衬块与制动盘之间存在间隙，所以要经过 2 ，即至动力才起作用，使汽车开始产生减速度。由2 。 222 总称为制动器的作用时间。制动器作用时间一方面取决于驾驶员踩踏板的速度，另外更重要的是受制动系统结构形式的影响。 2 ，其减速度基本不变。到制动力的消除还需要一段时间 4 。从制动的全过程来看，总共包括驾驶员见到信号后作出行动反映、制动器起作用、持续制动和放松制动器四个阶段。一般所指制动距离是开始踩着制动踏板到完全停车的距离。故总的制动距离为： ( 20022 （中： 2 制动系统反应时间，取 ；2 制动作用时间，取 2 ；0u 制动初速度， 00 ；a制动加速度， 2/ 。故总的制动距离为 ）（因此设计满足258动车运行安全技术条件中关于制动器制动性能的规定。从式中可以看出，决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间、最大制动减速度、附着力以及起始制动车速。附着力越大、起始制动车速越低，制动距离越短 2 。 (制动距离内车轮转过的圈数： （动过程中车轮转过总的角度：= 子的总动能为：1000 （动力分配系数： 21 11 （中： 1F前轴车轮的制动器制动力；2F后轴车轮的制动器制动力汽车总制动器制动力。通常，轿车的 每个前轮要分担的动能为:02 （个后轮要分担的动能为: 02 （每个前轮所需总制动力矩为: （个后轮所需总制动力矩为: （轮制动器制动负荷较小，所以电磁盘式制动器的设计以制动负荷较大的前制动器设计为例 3 。样制动盘的有效半径增大，可以减小制动钳的夹紧力，降低衬块的单位压力和工作温度。制动盘直径受轮辋直径的限制。通常，制动盘的直径为轮辋直径的70%79%。查阅轮胎规格，滚动半径为286辋尺寸为 14mm ，则轮辋直径为 动盘直径，取 80 。使质量小些，厚度不宜太大，为了减少温升，厚度又不宜过小。通常实心制动盘厚度可取100有通风孔道的制动盘多采用200设计选用厚度为22摩擦衬块内半径者直接牢固地压嵌或粘合在一起，6比值偏大，摩擦衬块外缘内缘速度相差较大，磨损不均匀，接触面积将减小，导致制动力矩变化大。选取衬块内半径 01 ,外半径 2 ，选取衬块圆心角为80o 4 。92 （确定盘式制动器制动衬块的工作面积时，根据制动衬快单位面积占有的汽车质量，100 （得单位衬块面积占有汽车质量 2/34.2 ，符合设计要求。)(322 3132 （紧力： （中： q摩擦衬块与制动盘之间单位面积上的压力；f 摩擦片摩擦系数，取 35.0f 。 94)(4 3)(92 31322122 8 )(3 3132 2122 侧制动衬块与外侧制动衬块，同时压靠在制动盘两侧，使制动盘停止转动。在电磁制动器中，为了使经增力机构放大的电磁力，能够顺利地作用在制动盘两侧，在设计中，选用液压缸，液压缸两侧油压相等，在制动过程中液压缸只起到传力作用。汽车制动时，在油压的作用下，活塞推动内侧制动衬块压靠到制动盘上，而反作用力则推动制动钳体连同固定与其上的外侧制动衬块压想制动盘的另一侧，直到制动盘两侧的制动衬块受力均等为止。液压缸的工作容积： 32 （中： l制动间隙；d制动钳体中活塞的直径，取d=33压缸直径应在7标准规定的尺寸中选取，选取液压缸直径为16 先选取制动力分配系数，然后进一步确定制动器的制动力矩，确定了盘式制动器主要参数包括制动盘直径、制动盘厚度、摩擦衬块内半径外半径、摩擦块工作面积，制动间隙。用添加结构形状有平板形（用于全盘式制动器）和礼帽形（用于钳盘式制动器）两种。礼帽形制动盘的圆柱部分长度取决于布置尺寸。制动盘在工作时不仅承受着制动衬块作用的法向力和切向力，而且承受着热载荷。为了改善冷却效果，钳盘式制动器的制动盘有的铸成中间有径向通风槽的双层盘，这样可大大地增加散热面积，降低温升约20%30%，但盘的整体厚度较厚。国产引进车型奥迪、桑塔纳2000、富康（车和切诺基吉普车均采用带有通风槽的制动盘，其厚度在20一般不带通风槽的轿车制动盘，其厚度约在103动盘的工作表面应光洁平整，制造时应严格控制表面的跳动量、两侧表面的平行度（厚度差）及制动盘的不平衡量。有的文献认为：本设计中采用带有通风槽的礼帽形制动盘。分为固定钳式和浮动钳式两种。固定式制动钳体固定在转向节或桥壳上，在制动钳体上有两个液压油缸，其中各装有一个活塞。当压力油液进入两个油缸活塞外腔时，推动两个活塞向内将位于制动盘两侧的制动块总成压紧到制动盘上，从而将车轮制动。当放松制动踏板时，回位弹簧将两侧制动衬块总成及活塞推离制动盘。浮动钳式的制动钳体是浮动的。其浮动方式有两种，一种是制动钳体可作平行滑动，另一种的制动钳体可绕一支撑销摆动。故有滑动钳式与摆动钳式之分。但它们的制动油缸都是单侧的，且与油缸同侧的制动衬块总成为活动的，而另一侧的制动衬块总成则固定在钳体上。制动时在油液压力作用下，活塞推动该侧活动的制动衬块总成压靠到制动盘，而反作用力则推动制动钳体连同固定于其上的制动衬块总成压向制动盘的另一侧，直到两侧的制动衬块总成的受力均等为止。对摆动式制动钳来说，钳体不是滑动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。这就要求制动摩擦衬块为楔形的，摩擦表面对其背面的倾斜率为 06 左右。制动钳由可锻铸铁有用轻合金制造的，例如用铝合金压铸。可做成整体的，也可以做成两半并由螺栓连接。其外缘留有开口，以便不必拆下制动钳便可检查或更换制动衬块。制动钳体应有高的强度和刚度。一般多在钳体中加工出制动油缸，也有将单独制造的油缸装嵌入钳体中的。钳盘式制动器油缸直径比鼓式制动器中的轮缸大得多，缸）缸），缸）缸）。为了减少传给制动液的热量，多将杯形活塞的开口端顶靠制动衬块的背板。有的将活塞开口端部切成阶梯状，形成两个相对且在同一平面内的小半圆环形端面。活塞由铸铝合金制造或由钢制造。为了提高其耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。当制动钳体由铝合金制造时，减少传动给制动液的热量则成为必须解决的问题。为此，应减小活塞与制动衬块背板的接触面积，有时，也可采用非金属活塞。制动钳在汽车上的安装位置可在车轴的恰恰前方或后方。制动钳位于车方轴前可避免轮胎甩出来的泥、水进入制动钳，位于车轴后方则可减小制动时轮毂轴承的合成载荷。在设计中采用整体的单缸浮动式制动钳。者直接牢固地压嵌或铆接或粘接在一起。衬块多为扇形，也有举行、正方形或长圆形的。活塞应能压住尽量多的制动衬块面积，以免衬块发生卷角而一起尖叫声。制动块背板由钢板制成。为了避免制动时产生的热量传给制动钳而引起制动液气化和减小制动噪声，可在摩擦衬块与背板之间或在背板后粘（或喷涂）一层隔热减振垫（胶）。由于单位压力大和工作温度高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此其厚度较大。据统计，6、重型汽车的摩擦衬块的厚度在142些盘式制动器装有摩擦衬块磨损达到极限时的报警装置，以便能及时更换制动衬块。设计中的制动衬块厚度为15板与摩擦衬片粘接在一起。热衰退性能要好，不应在温升到某一数值后摩擦系数突然急剧下降，材料应有好的耐磨性，低的吸水（油、制动液）率，低的压缩率、低的热传导率（要求制动衬块在 加热板上作用30板的温度不超过 和低的热膨胀率，高的抗压、抗拉、抗剪切、抗弯曲性能和耐冲击性能；制动时应不产生噪声、不产生不良气味，应尽量采用污染小和对人体无害的摩擦材料。当前，在制动器中广泛采用这模压材料，它是以石棉纤维为主并与树脂粘结剂、调整摩擦性能的填充剂（由无机粉粒及橡胶、聚合树脂等配成）与噪声消除剂（主要成分为石墨）等混合后，在高温下模压成型的。模压材料的挠性较差，故应按衬片或衬块规格模压，其优点是可以选用各种不同的聚合树脂配料，使衬片或衬块具有不同的摩擦性能及其它性能。另一种为编织材料，它是用长纤维石棉与铜丝或锌丝的合丝编织的布，浸以树脂结合剂经干燥后辊压制成。其挠性好，剪切后可以直接铆到任何半径的制动蹄或制动带上。在 度下，它具有较高的摩擦系数（ 4.0f ），冲击强度比模压材料高45倍。但其耐热性差，在 上即不能承受较高的单位压力，磨损加快。因此，这种材料仅适