（光学工程专业论文）车用永磁式缓速器设计方法及其试验研究.pdf

江苏+ 大学硕士学位论文 摘要 永磁式缓速器是利用永久磁场的作用来获得车辆缓速效果的装 置，是一种新型辅助制动装置。本学位论文主要目的是对永磁式缓速 器产品的设计方法和试验方法进行研究，以期为国内开发具有自主知 识产权的车用永磁式缓速器提供理论方法支持。 首先，本文详细介绍了车用永磁式缓速器的结构和工作原理，以 及技术发展趋势。提出了一种新型的制动力矩可分级控制的永磁式缓 速器结构方案。 其次，运用源和场理论方法和向量磁位方法分别理论推导了永磁 式缓速器制动力矩的计算公式。该公式反映了永磁式缓速器各设计参 数之间的关系。根据这些公式，结合企业实际，提出了永磁式缓速器 设计方法：首先根据汽车的最高车速和后轴最大附着力来确定其所能 达到的最大制动力矩，其次选取和确定其应具有的气隙、磁路中软磁 体和永磁体的工作点。再根据最大制动力矩、实际车型的安装位置和 所需空间体积确定转子鼓的直径和宽度，然后以此为基础完成对定子 各结构的材料选择与参数设计计算。 最后，通过对研制的永磁式缓速器样机进行台架试验研究，提出 了永磁式缓速器台架试验方法及其性能评价指标。推导了装用永磁式 缓速器制动时汽车动力学方程。对装用永磁式缓速器的车辆制动过程 和制动感觉进行了分析，在此基础提出了制动驾驶策略和改进制动感 觉的方法。 关键词：永磁式缓速器：设计方法；试验；评价指标；制动；制 动感觉 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tr e t a r d e rf p m r ) i st h ed e v i c e m a k i n gu s eo ff u n c t i o no f t h ep e r m a n e n tm a g n e t i cf i e l dt oo b t a i nt h es l o w s p e e dr e s u l to f a u t o m o b i l e ，i ti san e wa u x i l i a r yb r a k i n gd e v i c e t 1 1 em a i n p u r p o s eo fa c a d e m i cd i s s e r t a t i o ni st os t u d ya b o u td e s i g nm e t h o da n d t e s t m e t h o do fp m r , i nt h eh o p eo fg i v i n gas u p p o r ti nb o t ht h e o r ya n d t e c h n o l o g yf o rd o m e s t i ce n t e r p r i s e st od e v e l o pt h ep m r t h a tm e yh a v e i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e ds t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l e - u s e d p m ra n do p e r a t i o np r i n c i p l ei nd e t a i l ，a n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t t r e n d an e wt y p eo fp m rs t r u c t u r es c h e m ei si n v e n t e d ，i nw h i c hb r a k e t o r q u ec a nb ed i v i d e da n dc o n t r o l l e di ng r a d e s s e c o n d l y , t h ef o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n g i t sb r a k et o r q u ea r ed e r i v e d t h r o u g ht h e o r e t i c a ld e d u c t i o nb yu s i n gs o u r c ea n df i e l dt h e o r ym e t h o d a n dc o m p l e xv e c t o rm a g n e t i s ml o c a t i o nm e t h o d t h ef o r m u l a sr e f l e c tt h e r e l a t i o no ft h ed e s i g np a r a m e t e r so fp m & a c c o r d i n gt ot h e s ef o r m u l a s ， c o m b i n i n ge n t e r p r i s e sr e a l i t y , p 吸d e s i g nm e t h o di sp r o p o s e d ：f i r s t l y t h em a x i m u mb r a k et o r q u eo fp m ri sc o n c l u d e db yt h em a x i m u m v e l o c i t yo fa u t o m o b i l ea n dt h em a x i m u ma d h e s i o no fr e a ra x l e ；t h e nt h e a i rg a p ，m a g n e t i ci n d u c t i o no ff e r r o m a g n e t i ca n dp e r m a n e n tm a g n e ta l e g i v e n ；f i n a l l ya c c o r d i n g t ot h em a x i m u mb r a k et o r q u e ，a c t u a le r e c t i o ns i t e a n dn e c e s s a r ys p a c ev o l u m eo fv e h i c l e ，t h ed i a m e t e ra n dw i d t ho fr o t o r a r eo b t a i n e d t h e nb a s e do nt h e s e ，t h ep a r a m e t e ra n dt h em a t e r i a lo f e v e r ys t r u c t u r eo ft h es t a t o ra r ec o n c l u d e d ： f i n a l l y , t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y i n go nt h ep m r t h a ti sd e v e l o p e d ， t e s tm e t h o da n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e xo fp m ra r ep r o p o s e d t h e d y n a m i c sf o r m u l a so fa u t o m o b i l ee q u i p p e dw i mp m r a r eg i v e ni nt h i s p a p e r t h eb r a k i n gc o u r s eo f a u t o m o b i l ee q u i p p e dw i 廿lp m ri sd i s c u s s e d ， a n dt h eb r a k i n gs e n s ei sa l s oa n a l y z e d b a s e do nt h ed i s c u s s i o n ，t h e b r a k i n gs t r a t e g ya n dm e t h o do fi m p r o v i n gb r a k i n gs e n s ea r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tr e t a r d e r , d e s i g nm e t h o d ， t e s t ，e v a l u a t i o ni n d e x ，b r a k e ，b r a k i n gs e n s e i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在1 年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名多晡讪7 指导教师签名：彳百二 2 0 0 5 年z 月钼2 0 0 5 年1 月厂日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 5 年月 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着现代汽车技术的发展，人们在追求汽车动力性和舒适性的同时，对汽车 安全性的关注程度也越来越高。其中，对汽车的制动安全尤其重视。因为良好的 制动性能是汽车安全行驶的基本保障。传统汽车制动方式是在车轮上安装机械式 摩擦制动器，但频繁或长时间制动会造成制动鼓( 盘) 和摩擦片( 制动衬片) 过热， 导致制动效能衰退，甚至制动失效，从而引起重大交通事故【l - 5 】。这个问题对城 市公共车辆和长年行驶在山区的载重汽车和长途大客车尤为突出。另外制动器过 热，不仅使摩擦片磨损加剧，使用寿命减短，而且也易造成轮胎早期爆裂，从而 使运营成本增加。要解决这些问题，比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置。 现在许多国家的交通法规已将辅助制动装置作为商用车的必备系统。如德国 的交通法规就明文规定：总质量在5 5 吨以上的客车和9 吨以上的载重汽车，必 须装有辅助制动装置。瑞士也有类似的法规：总质量超过3 5 吨的牵引车以及总 质量8 吨以上的载重汽车必须安装辅助制动系统【6 】。2 0 0 2 年6 月1 日我国交通部 已颁布实施中华人民共和国交通行业标准y r t 3 2 5 - 2 0 0 2 营运客车类型划分及 等级评定。该标准规定中型客车中高二级，大型客车中高一级、高二级和高三 级客车都必须装置缓速器。建设部2 0 0 2 年1 0 月1 日公布执行的c j t 1 6 2 - 2 0 0 2 城市客车分等级技术要求与配置也规定超二级、超一级、高级的市区和城郊 城市客车规定必须装备缓速器。 辅助制动系统是用以使行驶中的车辆( 特别是下长坡的车辆) ，速度减低或 稳定在一定速度范围内，但不是用以使车辆停驶的机构。与主制动系统相比较， 辅助制动系统虽然在短时间内可以吸收的功率比较小，但是，它吸收的功率在很 长时间内可以保持不变( 或基本保持不变) ，而汽车连续下坡时虽然需要的制动功 率与紧急制动相比很小，但是在整个下坡过程中，都需要这样大的功率，这样的要 求辅助制动系统可以满足。辅助制动器的工作原理与传统制动方式不同，有延长 传动系和制动系寿命的功效。目前技术比较成熟，适合装车的辅助制动装置有： 发动机制动和排气制动、电涡流缓速器、液力缓速器和永磁式缓速器等。 发动机制动和排气制动的制动功率比较小，制动力随变速器档位的增加而减 小。在坡度较大的道路上，无法满足汽车以正常车速连续下坡时的制动要求。随 江苏大学硕士学位论文 着发动机技术的发展，有许多车辆采用了涡轮增压式中冷小排量发动机和高速比 驱动系统，发动机制动和排气制动的效率会进一步降低。此外它还存在以下不足： 由于压缩比及其它技术原因，适用于柴油机，而不适用于汽油机；只能提供制动 和不制动两种选择，且制动力不能随汽车载荷和运行工况进行相应调整；排气控 制阀片易出现烧烛和卡死故障：工作时造成汽缸压力和发动机温度升高，易导致 气门卡死和汽缸垫损坏。 现代汽车车载电器电子设备越来越多，对汽车的供电量要求也越来越大，电 涡流缓速器工作会进一步加大对电池组容量的要求，这样势必会使得汽车增大发 动机和发电机的容量，增加了燃油消耗；同时，由于定子本身的发热和受转子温 升的影响，其制动能力和使用时间都受到一定的限制；另外，它的体积较大，重 量也很重，这与现代汽车设计中尽量减轻汽车整备质量的要求相背。 液力缓速器结构复杂( 特别是用于机械传动汽车和挂车时) ，最大制动功率 受发动机冷却系统散热能力的限制，接合和分离有时间滞后，不工作时消耗功率 【7 1 。同时也有体积和重量较大的缺点，制动响应较慢，而且制动力受车速的影响 很大。 为了消除、减小上述辅助制动装置的缺点，科技人员利用永磁制动技术开发 出了一种新型缓速器永磁式缓速器。永磁制动技术最早应用在铁路机车车辆 制动装置上，永磁式缓速器的开发使得该技术在汽车制动领域得到了新的应用与 发展。 1 1 永磁式缓速器的发展概况 永磁式缓速器是随着电涡流缓速器的发展而产生的。电涡流缓速器是在十九 世纪利欧傅科( l e o nf o u c a u l t ) 发现的电磁感应理论的基础上发展起来的。1 9 0 3 年，斯特克勒( s t e c k e l ) 首先申请了一种电磁制动装置的专利。1 9 3 6 年，鲁尔塞 瑞真( r a o u ls a r a z i n ) 首次将电磁制动技术应用到汽车上。1 9 6 5 年泰乐马( t e l m a ) 公司设计出现了首台没有中心轴，直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速 器。1 9 9 3 年出现了将电涡流缓速器与传动轴做成一体的产品。1 9 9 6 年，世界上 出现了用发动机冷却液进行冷却的电涡流缓速器，该缓速器中还安装有- 4 , 型发 电机0 1 。经过几十年的不断研制、改进和多种车型上的装用，电涡流缓速器的 江苏大学硕士学位论文 生产和使用逐渐成熟起来。但是电涡流缓速器自身存在一些无法避免的缺点，于 是人们开始研究使用永久磁铁励磁的缓速器永磁式缓速器。在上世纪九十年 代日本的公司率先开发出永磁式缓速器【1 1 】【1 2 】。 现在欧、美、日等发达国家汽车界已经把缓速器作为标准件在多种级别的客 车和中型、重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。永磁式缓 速器以其无可比拟的优点逐渐得到各缓速器生产厂家和用户的重视和亲睐。目前 国际上，生产永磁式缓速器的著名厂商有：日本的泽藤电机株式会社和五十铃 住友( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其产品已发展成多系列，可适合各种型式的车辆。 另外，国外正在研究永磁式缓速器与其它辅助制动系统( 主要是发动机排气 制动) 协同工作的规律f 1 4 1 。随着汽车控制系统的发展，永磁式缓速器的控制系 统的发展与电涡流缓速器的控制系统一样，也将与汽车的车轮防抱死系统( a b s ) 和驱动防滑系统( a s r ) 联系起来，由a b s 、a s r 的计算机系统根据汽车行驶工况 对缓速器的控制器进行控制，从而使得装有永磁式缓速器的汽车获得更安全、更 可靠的制动性能。 通过调研发现，目前国内装用永磁式缓速器的客车及厂家有：广州五十铃客 车有限公司的g a l a 客车、苏州金龙客车有限公司的部分客车和沈阳沈飞日野汽 车制造有限公司生产的s f q 6 1 2 5 客车。其中前二者是选装日本五十铃住友公司 的进口件，中通客车控股股份有限公司生产的l c k 6 9 6 0 h 客车装用日本泽腾永磁 式缓速器。目前国内还没有厂商生产永磁式缓速器，永磁式缓速器在我国应用尚 处在起步阶段。此外，江苏大学在国内率先开始永磁式缓速器相关技术的研究工 作。 1 2 本论文研究的目的和意义 随着我国汽车工业的蓬勃发展，市场对永磁式缓速器的装车需求也急剧增 加。目前国内已有汽车厂家装用国外永磁式缓速器产品，而永磁式缓速器在我国 研制、生产基本处于空白。由于技术上的原因，国内许多缓速器生产厂家眼睁睁 的看着国外永磁式缓速器产品抢占国内市场而毫无办法。开发和研制具有自主知 识产权且性能优良的永磁式缓速器产品已迫在眉睫。 因涉及到知识产权保护和对市场的垄断需要，国外生产永磁式缓速器的厂家 3 江苏大学硕士学位论文 不公开自己的关键技术。调研发现，目前国内公开发表在刊物上的有关永磁式缓 速器的论文很少，仅有的几篇也是介绍永磁式缓速器的结构、原理、维护和使用 效果的，如文献 1 1 1 2 1 3 等。文献检索尚未见国内有过学位论文对汽车用永 磁式缓速器作过专题研究。本课题组硕士论文车用电涡流缓速器的设计方法及 其性能分析研究了电涡流缓速器理论设计方法和性能分析。从2 0 0 4 年1 1 月开 始，作者参加了指导教师主持的“车用永磁式缓速器开发及产业化”( 企业攻关 项目) 科研项目，目前己研制出了永磁式缓速器样机，为进一步产业化做准备。 本文的研究目的是在广泛收集国内外相关研究资料的基础上，对永磁式缓速 器的设计方法、试验方法、性能评价方法及永磁式缓速器对汽车制动性能的影响 等方面做系统探讨研究，为国内开发和研制具有自主知识产权且性能优良的永磁 式缓速器产品提供理论参考依据，为永磁式缓速器的设计提供具体的指导方法， 对于打破国外永磁式缓速器产品在国内的垄断地位，增强国产汽车的技术和市场 竞争力意义重大。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 研究永磁式缓速器的工作机理、结构、性能特性，总结永磁式缓速器 的特点及其市场前景。提出了一种新型的制动力矩可分级的永磁式缓速器结构方 案。 ( 2 ) 通过分析永磁式缓速器产生制动力矩的形成机理，建立了永磁式缓速 器制动力矩的数学模型，推导出了制动力矩与车速( 转速) 、磁极数、材料性质 等的关系，为产品设计奠定理论基础。 ( 3 ) 结合汽车的特点和产品开发实践，提出车用永磁式缓速器的设计方法。 ( 4 ) 提出了永磁式缓速器性能台架试验方法，对设计制造的永磁式缓速器 样机进行台架试验，建立了永磁式缓速器性能评价指标。 ( 5 ) 对装用永磁式缓速器的车辆制动过程和制动感觉进行了分析，在此基 础上提出了制动驾驶策略和改进制动感觉的方法。 4 江苏大学硕士学位论文 第2 章永磁式缓速器的结构及其工作原理 21永磁式缓速器的结构 永磁式缓速器按照不同的控制机理有多种不同的结构类型。归纳起来，其基 本结构主要是由机械装置、控制装置和辅助装置三部分组成。下面以磁铁周向转 动式永磁缓速器为例，介绍其具体的结构。 剀2i 一种永碰式缓速器的结构剖视图 211 永磁式缓速器的机械装置 成 永磁式缓速器的机械装置般由定于和转于等部件组成，如图2i 。 1 定于 定予一般由定于铸体、磁铁支架、永久磁铁块、磁铁保持架和气缸组件等组 定子锦体；2 一活动磁銎i i 澡；鬟? 雾i 羔芸，銎霪；块；5 _ 固定磁铁支架；6 一磁铁保持架：7 一法兰盘：8 一转子 图22 一种永碰式缓速器结构示意凹 江苏大擘硕士学位论文 如图22 所示，永磁式缓速器定子铸体上，磁铁保持架内有两排磁铁，每排 磁铁一般有1 2 到1 6 块( 偶数) 。磁铁呈圆周分布，均匀地安装在磁铁支架上。 每排磁铁其磁极交替反向排列( 即相邻两个磁极均为n 、s 相间) ，各自安装在磁 铁支架上。 磁铁支架包括固定磁铁支架和活动磁铁支架，二者都套装在定子铸体上。固 定磁铁支架通过销钉与保持架连接。活动磁铁支架连同固定在上面的磁铁通过轴 承( 滑片) 在定子壳体与保持架组成的环行空腔内沿圆周方向运动。磁铁正上方 对应的部分磁铁保持架的材料是铁磁性的( 如低碳钢) ，其他部分是非磁性材料 ( 如铝) 。气缸组件通过螺栓固定在定子壳体上，定子壳体一般由铝铸成。气缸 中的活塞通过一个连杆机构与活动磁铁支架相连。定子上一般沿中心对称布置两 个气缸，如果缓速器设计制动力矩较小，也可只用一个气缸。 水磁式缓速器的定子一般是通过固定架安装在车架上( 或变速器的后端外 壳或驱动桥的主减速器外壳上) ，两者呈刚性连接，即相对车架而言定子是 固定不动的。 2 转子 转了通常由转子鼓、转子臂和支撑架构成。 卜鼓；2 支撑架：3 一转子臂 图23 转子结构图 转子鼓为圆环状，一般用导磁性能高且剩磁率低的铁磁材料制成。实际生产 中常选用电磁纯铁或低碳钢等材料。为了及时将涡电流产生的热量散发掉，通常 转子鼓上加工有散热叶片。转子通过连接法兰与传动轴相连，并随传动轴自由转 动。转子鼓内表面和定子问保持有极小的、均匀的气隙，以使转子盘旋转时不会 刮擦到定子上。 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 永磁式缓速器的控制装置 永磁式缓速器的控制装置部分，一般是由手( 脚) 控制开关、仪表指示灯、 定子温度传感器、电磁换向阀等装置组成。 永磁式缓速器的控制执行机构主要是气缸组件来自储气罐的高压气体是气 缸活塞运动的动力源。一个或两个电磁阀控制气缸的左、右气室交替进、排气， 从而控制磁铁进出( 或活动磁铁支架相对固定磁铁支架转动) ，即控制缓速器的 接通和关闭。 永碰缓速罂 图2 4 磁铁轴向滑动式永磁式缓速器控制系统 图2 4 所示为永磁式缓速器的一种典型控制方式f i i 】： 手控开关一般有两个档位( o ，1 ) 。开关处于o 档位时，电磁换向阀i 通电， 气缸右气室进气，推动活塞向左运动，如图2 4 中所示位置。此时，缓速器不工 作。开关处于1 档位时，电磁换向阀i i 通电，气缸左气室进气，推动活塞向右运 动，使永久磁铁进入工作位置，缓速器工作。 脚控开关是为方便驾驶员的操纵而增加的一个让缓速器能自动工作的开关， 它受制动气压控制。当驾驶员踩下制动踏板时，缓速器自动起作用，其作用与手 控开关一样。 2 1 3 永磁式缓速器的辅助装置 等。 辅助装置主要有储气罐( 可以和气制动用的储气罐合用) 、气管、密封装置 江苏大学硕士学位论文 2 2 缓速器的工作原理 简单地讲，其工作原理是：利用磁场原理把汽车行驶的动能转化为热能而散 发掉，从而实现汽车的减速和制动【1 5 】。 图2 5 永磁式缓速器的磁场 _ + 一 旋转方向 i 制动力矩 图2 6 永磁式缓速器的制动力矩 以鼓式永磁式缓速器为例，其制动力矩的产生过程是：当驾驶员接通缓速器 的控制手柄( 或踩下制动踏板) 开关进行减速或制动时，气缸通过推动活塞使永 久磁铁进入工作位置，产生的磁场在永久磁铁块、气隙、转子鼓和磁铁保持架之 间构成回路，如图2 5 所示。磁极磁通量的大小与永久磁铁本身的材料和形状有 关。这时在旋转的转子鼓上，其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就 发生变化( 或者说其内部无数个闭合导线就切割励磁绕组所产生的磁力线) ，从 而在转子鼓内部产生无数涡旋状的感应电流，即涡电流( 简称涡流) 。以磁极的 正下方为界，在转子鼓内就会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡 流，其方向相反。一旦涡电流产生后，磁场就会对带电的转子鼓产生阻止其转动 的阻力( 即产生制动力) ，阻力的方向可由弗莱明( f l e m i n ) 左手法则来判断。 阻力的合力沿转子鼓周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图2 6 所示。同 8 江苏大学硕士学位论文 时涡流在具有一定电阻的转子鼓内部流动时，会产生热效应而导致转子发热。这 样，车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子鼓上的叶片产生的 风力将热量迅速散发出去。 缓速器制动力矩的大小是衡量缓速器性能的重要指标。图2 7 给出了三种永 磁式缓速器在试验台上试验得到的制动力矩( 转矩) 与速度关系曲线【1 4 1 。从中 可以看出，永磁式缓速器的转矩是随速度的增大而增大的，并且在开始阶段( 0 1 0 0 0 转分) 增加明显，几乎成线性增长。随着转速的继续增加，缓速器的制 动力矩增加比较缓慢，甚至出现下降( 但相比电涡流缓速器的速度一转矩曲线， 如图2 8 f 1 5 1 ，下降不明显) 。这主要是由于在高速时，涡流去磁效应和转子鼓温 升导致电导率下降共同影响的结果。比较图2 7 和图2 8 可以看出，在高速范围 内永磁式缓速器制动力矩基本不会降低( 或下降很少) ，与电涡流缓速器相比这 是一个明显的优点 z o o 0 5 0 01 0 0 01 5 z 0 0 0 转速( 转分) 图2 7 永磁式缓速器制动力矩速度与 转速关系曲线 2 3 永磁式缓速器的分类 2 2 0 0 名1 4 0 0 盔 、1 2 0 0 卜 8 0 0 4 0 0 0 7 5 0 1 5 0 0 2 2 5 03 0 0 0 转速i t ( r z i d 图2 8电涡流缓速器各档制动力矩 与转速的特性曲线 永磁式缓速器按转子形状分为鼓式和盘式两种类型，盘式永磁缓速器的结构和 普通电涡流缓速器基本相似，由于这种结构存在体积大，难以控制等缺点，现在基 本不采用这种结构。鼓式永磁缓速器结构紧凑，不受轴向窜动的影响，便于布置和 控制，现在应用较为广泛，通常所说的永磁式缓速器就是指鼓式永磁缓速器。 鼓式永磁缓速器按解除制动的运动部件和运动方向可分为：磁铁轴向滑动 式、磁铁保持架周向转动式和磁铁周向转动式。 9 毁r 臀藜 5 4 ) 3 制动力矩咀n( 江苏大学硕士学位论文 2 3 。1 磁铁轴向滑动式 这种结构的缓速器如图2 9 所示：永久磁铁安装在磁铁支架上，这些磁铁的 极性交替反向排列。即，当一块磁铁的n 极对着转子鼓的内壁时，相邻两块磁铁 的s 极对着转子鼓内壁。磁铁支架可在磁铁保持架内作轴向运动。 缓速器产生制动时，通过操纵机构( 气缸) 把磁铁支架连同固定在上面的永 久磁铁一起移到磁铁保持架的右面，如图中所示的实线永久磁铁。在磁铁支架和 相邻永久磁铁以及转子鼓的内壁之间形成磁路，当转子转动时，在转子鼓内产生 涡电流，从而产生制动力。 图2 9 磁铁轴向运动式永磁缓速器 轴 解除制动时，通过气缸推动磁铁支架到图2 9 所示的虚线位置。从而使磁铁 离开转子鼓，两者之间的磁场断开。此时，转子鼓中无涡流，不产生制动力。 2 3 2 磁铁保持架周向转动式 磁铁保持架周向转动式的结构原理如图2 1 0 所示。在这种结构中，永久磁 铁磁极交互排列，固定在磁铁支架上。磁铁支架安装在固定元件上( 图中未标明) 。 磁铁保持架在一定范围内沿传动轴转动。磁铁保持架中有铁磁性材料部分和非磁 性材料部分，两者交替排列。 缓速器制动时，磁铁保持架旋转到图2 1 0 所示位置。铁磁性材料对应着永 久磁铁。从而在相邻永久磁铁、相邻铁磁性材料以及转子鼓中形成磁路。当转子 转动时，转子鼓内产生电涡流，从而产生制动力。 1 0 江苏大学硕士学位论文 解除制动时，磁铁保持架旋转到如图2 1 l 所示位置。此时，由于铁磁性材 料部分比相邻永久磁铁间距长，从而在相邻永久磁铁、铁磁性材料以及磁铁支架 间形成磁路，而不经过转子鼓：并且由于非磁性材料的阻磁作用，穿过转子鼓的 磁力线很少，从而使制动解除。 转r 数 铁磁性材料 非磁性饼树 碰力线 永久磁铁 磁铁支架 融铁缫持架 变速衔输 i 轴 缓速器外壳 图2 1 0 保持架周向转动式永磁缓速器结构原理图图2 1l 制动解除时的磁路 2 3 3 磁铁周向转动式 这种结构的缓速器如图2 1 2 所示，磁铁保持架内有两排磁铁，每排磁铁的 磁极交替反向t - - u ；n ，各自固定在磁铁支架上。磁铁保持架是一个中空的圆环，与 传动轴同轴，如图2 1 3 所示。固定磁铁支架通过螺钉与保持架连接。活动磁铁 支架连同固定在其上面的磁铁通过轴承可在保持架内沿圆周方向运动。即活动磁 铁相对固定磁铁转动。磁铁正上方对应的部分保持架的材料是铁磁性的( 如低碳 钢) ，其他部分是非磁性材料( 如铝) 。 驻 图2 1 2 磁铁周向转动式永磁缓速器结构原理图 江苏大学硕士学位论文 铁 非磁性材料 图2 1 3 磁铁保持架局部视图 制动时，活动磁铁支架活动磁铁在气缸活塞作用下转动到图2 1 4 ( a ) 所示位 置。此时，每块活动磁铁与相邻固定磁铁的极性相同，相邻两块磁铁相当于一块。 在相邻永久磁铁、磁铁支架、磁铁保持架的铁磁性材料部分以及转子鼓内壁产生 闭合磁路。磁场回路如图2 1 4 ( b ) 所示。当转子转动时，在转子鼓内产生涡电流， 从而产生制动作用。 久 铁 非磁性材料转子鼓 ( a )( b ) 图2 1 4 制动时固定和活动磁铁的局部视图 解除制动时，活动磁铁支架在气缸活塞作用下转动到图2 1 5 ( a ) 所示位置。 此时，每块活动磁铁与相邻固定磁铁的极性相反。磁场回路由于保持架非磁性材 料的阻断，不经过转子鼓，其磁力线回路为：相邻永久磁铁、保持架的铁磁性材 料部分和磁铁支架，其回路如图2 1 5 ( b ) 所示。 图2 1 5 制动解除时固定和活动磁铁的局部视图 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 。3 4 各种结构的比较 在磁铁轴向滑动式永磁缓速器结构中，如图2 9 所示，由于磁铁要做轴向运 动，因而需要的空间较大，这些空间用于磁铁的轴向运动和轴向操纵机构的运动。 这种结构显得不够紧凑。它的优点是结构简单，操纵方便，无漏磁。 磁铁保持架周向转动式相比磁铁轴向滑动式动作时所需要的空间较小，结构 比较紧凑。但是在解除制动时，如图2 1 1 中的虚线所示，由于非磁性材料相对 较少，因而在解除制动时，仍然存在漏磁，也就是说没有完全解除制动。 磁铁周向转动式的结构，由前面介绍可知，相比前两者结构也比较紧凑，在 解除制动时，漏磁很少，目前这种结构的永磁式缓速器比较流行。日本五十铃公 司生产的永磁式缓速器就是采用这种结构。 2 3 5 新型永磁式缓速器的结构方案 上述永磁式缓速器都存在一个共同的缺点，即不论哪种结构的永磁式缓速器 都只有两种工作状态：制动状态和非制动状态。也就是说上述永磁式缓速器由于 不能像电磁铁那样可以通过改变电流大小和磁极组数来控制磁场强弱的产生，因 此不能根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩。为此，在磁铁周向转 动式永磁缓速器结构的基础上提出了一种新型永磁式缓速器的结构方案：定子上 磁铁保持架内有两列磁铁，其特征在于每排磁铁有若干组永久磁铁，每一组磁铁 由两块( 或多块) 极性排列相同的磁铁组成，各组磁铁之间的磁极交替反向排列， 各自固定在磁铁支架上。通过改变永久磁铁工作的磁极组数，设置若干制动档位， 从而使永磁式缓速器能够根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩。 制动时，如图2 1 6 和2 1 7 所示，活动磁铁支架连同固定在上面的永久磁铁 在气缸活塞作用下转动一定角度，使活动磁铁支架上的磁铁与固定磁铁支架相对 转动一个磁铁块的位置，即转动到第一个位置。此时，每组磁铁中有一半永久磁 铁的磁力线，由于磁铁保持架中非磁性材料的阻隔而不经过转子鼓内壁，其磁力 线回路为：相邻两永久磁铁( 极性排列相反) 、保持架的铁磁性材料部分和磁铁 支架。而另一半磁铁的磁力线经过转子鼓内壁形成闭合回路。其磁力线回路为： 相邻两永久磁铁( 极性排列相反) 、磁铁支架、磁铁保持架的铁磁性材料部分以 及转子鼓内壁。当转子转动时，在转子鼓内产生电涡流，从而产生制动。由于此 1 3 江苏大学硕士学位论文 时参与产生制动力的永久磁铁数只有一半，故产生的制动力是缓速器最大制动力 的一半。 磁力线 、 。、。= d ：二i ：f 图2 1 6 缓速器在1 2 档时制动的局部视图 图2 1 7 缓速器在1 2 档时制动的剖视图 如图2 1 8 和2 1 9 所示，当活动磁铁支架转动两个磁铁的位置，即第二位置 时，相邻两组磁铁有四块磁铁的极性都相同，可看成是一块磁铁。此时每组磁铁 中全部磁铁的磁力线都经过转子鼓内壁形成闭合回路。其磁力线回路为：相邻两 永久磁铁( 极性排列相反) 、磁铁支架、磁铁保持架的铁磁性材料部分以及转子 鼓内壁。此时当转子转动时，缓速器产生的制动力是最大的。 磁力线一 永久磁铁 固定磁铁支架 活动磁铁支架 = 丈j 。 图2 1 8 缓速器在1 档时制动的局部视图 江苏大学硕士学位论文 图2 1 9 缓远器在l 档制动时的剖视图 解除制动时，如图2 2 0 所示。活动磁铁支架在气缸活塞作用下转动到初始 位置。此时，每组活动磁铁与相邻固定磁铁的极性相反。磁场回路由于保持架非 磁性材料的阻断，不经过转子鼓，其磁力线回路为：相邻两永久磁铁( 极性排列 相反) 、保持架的铁磁性材料部分和磁铁支架。 按照上述方案的思想，每组磁铁也可以采用二块、三块或者多块永久磁铁， 来实现所需要的档位数。 图2 2 0 缓速器在解除制动时的局部视图 2 4 永磁式缓速器的操纵方式m 1 永磁式缓速器有三种操纵方式：手动操纵方式、脚动操纵方式和连动操纵方 式。具体操纵方法如下： ( 1 ) 手动操纵方式 手柄控制开关安装在转向柱上。永磁式缓速器一般与发动机排气制动配合使 用，因此该手柄一般有三个档位，分别是：空挡( 无缓速作用) 、永久磁铁缓速 器起作用档以及排气制动器和永磁缓速器同时起作用档。如图2 2 1 所示。正常行 驶或停车后，手柄应置于“空挡 位置。该操纵方式主要用于在公路上行驶的车 辆。当汽车在平直路面上高速行驶中需做减速时，也可以用这种控制方式，而无 1 5 江苏大学硕士学位论文 需使用行车制动系统。 图2 2 1 永磁式缓速器手柄控制的位置 在使用不同档位缓速器时，相应的指示灯就会亮。注意：当停车或不使用缓 速器时请不要忘记将手柄推回空挡。( 此时仪表盘上指示灯应熄灭) 。 ( 2 ) 脚动操纵方式 当踩下制动踏板，由于连动作用，缓速器也同时工作。该操纵方式主要用于 在城镇行驶的车辆上，以适应车辆频繁起步、停车的工作特点。 ( 动 基蘧 图2 2 2 永磁式缓速器的连动操纵方式 ( 3 ) 连动操纵方式 这种方式为驾驶员同时提供上述两种操纵方式，驾驶员可通过一个选择开关 来选择工作方式。在城镇行驶时，选择脚动操纵控制。在公路行驶时，选择手动 操纵控制，也可以让这两种方式同时工作。对于既在城镇运行又在公路上行驶的 车辆，这种控制方式较好地兼顾了不同的工作情况。连动开关安装在仪表板的开 1 6 江苏大学硕士学位论文 关面板上，通过手动操作，可接通断开缓速器连动开关。连动开关接通，当踩 下制动踏板，由于连动作用，缓速器也同时工作。制动踏扳复位时，缓速器制动 作用解除。当踩下油门踏板或离合器踏板，排气制动器和缓速器就解除制动，从 踏板把脚一离开排气制动器和缓速器就再次工作。其工作示意图如图22 2 。 25 永磁式缓速器的安装方式 永磁式缓速器一般安装在变速箱输出端，也可根据不同车型的结构特点安装 在传动轴中和主减速器上。安装在变速箱输出端的永磁式缓速器，其定子安装在 变速箱壳体上，转子与变速箱输出轴相连与驱动轴一起转动，如图22 3 所示。 囝22 3 永磁式缓速器的安装方式 26 永磁式缓速器的特点和使用效果 261 永磁式缓速器的特点 与其他辅助制动装置相比，永磁式缓速器具有以下显著的优点： 可实现较大幅度的轻量化、小型化；耗能较小；连续使用自身不会产生过热， 能持续不断保持制动力的稳定性和持久性；在高速范围内制动力矩也不会降低， 且传动轴转速越高制动力矩越大。保养简单，只需定期检查空气间隙即可【1 ”。 磁铁周向转动式永磁缓速器结构紧凑、体积小、重量轻，是目前国外市场开发的 主流产品。 其缺点是：永久磁铁产生的磁场有限。故所产生的制动力矩较小：不能提供 大小不同的制动力矩；采用永磁稀土材料，目前价格较贵。 江苏大学硕士学位论文 2 6 2 永磁式缓速器的使用效果m 1 3 ， 加装永磁式缓速器的汽车制动效果显著，主要表现如下： 一、安全：( 1 ) 完全独立的制动系统，提高制动的多元化。能缓解传统制动 突然失效形成的危险；( 2 ) 能够承担汽车行驶中绝大部分制动负荷，从而保护车 轮制动器；( 3 ) 制动转矩直接作用于传动轴上，杜绝制动跑偏现象；( 4 ) 可减少 驾驶员的工作疲劳度，制动过程柔和、平稳。 二、经济：( 1 ) 能大大减少车轮制动系统的保养费用和附带的车辆停驶待修 时间损失；( 2 ) 能延长车轮制动摩擦片和轮胎使用寿命，可节省材料费：( 3 ) 可 节省汽车维修间接费用。 三、环保：( 1 ) 减少了制动摩擦片在摩擦过程中产生的粉尘；( 2 ) 减少了因 制动器维修产生的维修废弃物；( 3 ) 减少了制动噪声污染。 四、舒适：( 1 ) 在下长坡路段，使用缓速器可以使汽车保持匀速行驶，大大 减轻了驾驶员在下坡路段的精神压力：( 2 ) 缓速器制动效果柔和均匀，使车辆驾 乘更容易、更舒适。 2 7 永磁式缓速器的发展趋势 当前广泛在车辆上使用的各类制动器和辅助制动装置都有着各自显著的优 点，但同时也有一些难以克服的缺陷。为了充分发挥各类制动装置的优点以进一 步提高整车的制动性能，目前国外正在研究缓速器与车轮主制动器和其它辅助制 动系统( 特别是发动机制动、发动机排气制动) 协同工作的规律和控制装置的研 s l i t 6 1 4 】【1 8 】【1 9 】。随着汽车控制系统的发展，永磁式缓速器的控制系统已开始与车 轮防抱死系统( a b s ) 和驱动防滑系统( a s r ) 联系起来，由a b s 、a s r 的计算机 系统根据汽车行驶工况对缓速器进行控制，从而使得装有永磁式缓速器的汽车获 得更安全、更可靠的制动性能【1 9 圳】。 2 8 本章小结 本章介绍了永磁式缓速器的结构、工作原理和特点，以及发展趋势： ( 1 ) 介绍了永磁式缓速器常见的结构形式和工作原理。 1 8 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 概要地介绍了永磁式缓速器的分类、操纵方式。 ( 3 ) 提出了一种新型永磁式缓速器的结构方案，申请了国家方面专利。该 方案通过改变永久磁铁工作的磁极组数，设置若干制动档位，从而使永磁式缓速 器能够根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩。 ( 4 ) 简要介绍了永磁式缓速器的特点和使用效果。 ( 5 ) 展望了永磁式缓速器的发展趋势：联合制动。 1 9 江苏大学硕士学位论文 第3 章永磁式缓速器制动力矩的计算方法 永磁式缓速器有几种不同的结构类型，因此其制动功率和制动力矩的计算公 式也会有一些差异。本章只对目前使用广泛的磁铁周向转动式永磁缓速器进行制 动功率和力矩的理论推导。本章运用两种不同的方法推导永磁式缓速器制动力矩 的计算公式，然后对涡流分布的深度和磁路磁阻分别进行了理论分析与计算。 3 1缓速器制动力矩的理论推导 永磁式缓速器制动力矩的计算公式可以从不同的分析角度进行推导，以下给 出了两种不同的理论推导方法。 3 1 。1 应用源和场理论计算制动功率和力矩 3 1 1 1 制动功率 将转子鼓内表面上与永久磁铁块相对应的矩形区域i 看作一个平板，由无数 个长度为b 的钢杆组成。设垂直穿过转子鼓的磁通密度为b ，转子鼓的旋转角速 度为彩。当转子鼓转动时，这些钢杆切割磁力线而产生电动势，于是在转子鼓 表面产生了涡电流，如图3 1 所示口2 】【2 3 1 。为了简化计算过程，假设：( 1 ) 转子 鼓中的电涡流仅沿宽度方向，且在整个转子鼓上的涡电流密度相同；( 2 ) 忽略转 子鼓材料电导率的温度效应，认为电导率盯为常数；( 3 ) 忽略转子鼓材料的磁滞 效应，认为材料物质均匀且各向同性，其磁导率为常数。 v = ：一r l l 溪，j少眦1j b ， ，7b 一t 一岁h ， ， l 名7 扩“ ，；7 ： ， 广 ， ；， ： d x a 图3 1 计算模型示意图 2 0 江苏大学硕士学位论文 式中 转子鼓的旋转角速度，r a d s ，= 等； d r = p 上 (33)ahd x 、。7 ， 占2b 2 v 2 8 2 a h b v 2 8 2 ， 妒一d r = 互b = _ - 出 ( 3 4 ) 乃出 p = r 咖= 又1 ，= ，所以 p = a h a b v 2 8 2 p 。 a h a b c o 2 ，2 8 2 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 在转子鼓上这样矩形区域为2xn u = 2 n u 个，其中，n u 为一个磁铁支架上 的永久磁铁块数，为偶数。忽略磁极间的相互影响，则永磁式缓速器的制动功率 即等于涡流耗损的功率。 p = 2 n u p = 2 n m a h a b c 0 2 , ，2 8 2 2 i ( 3 7 ) 江苏大学硕士学位论文 式中尸制动功率，w 。 3 1 1 2 制动力矩 如图3 1 的计算模型所示，钢杆的速度v 、磁通密度b 、电动势g 三者的方 向相互垂直，所以钢杆所受到的电磁力矩为： d t = b t - b - 厂 ( 3 8 ) 通过钢杆的电流为： 占 b v b a h v b ， 铲磊= 互b = 了出 3 9 a h d x 整理式( 3 2 ) 和式( 3 8 ) ，代入上式，整理得： d t = a h c o b 2 6 ，2 p 这部分矩形区域所受到的力矩为： t ，= 盯 m = a h 改。 b 2 b r 2 d x = a h c o a b r 2 8 2 ( 3 1 0 ) w pp 整个转子