（控制理论与控制工程专业论文）电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路.pdf

摘要 电磁制动器是一种鼓式摩擦型制动器，主要应用于拖车上尤其是房车制动 上，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，目前国内研究仍 处于起步阶段。本文从研究电磁制动器的工作机理出发，分析了电磁体制动时的 工作姿态及其表面磨损的情况，为了实现电磁体摩擦表面均匀磨损和抗旋转趋 势，提出了非轴对称的电磁吸力要求。通过内侧磁路开槽的方法，理论计算了开 槽面积并设计了非对称磁路。由于磁路形状复杂，文中利用三维电磁场分析软件 m a x w e l l - - 3 d 进行了仿真分析，以仿真结果对理论分析及设计作了合理修正，从 而得到了最佳的非轴对称结构。以此制作非对称结构的样品做整车试验，结果表 明电磁体工作姿态平稳，未发现因卡死而出现摩擦力的大幅度波动；另外通过把 对称结构和自制非对称结构的电磁体做耐久性磨损试验对比，从大量的试验数据 中发现非对称结构电磁体摩擦表面的均匀磨损性明显优于对称结构的电磁体，从 而提高了制动器的寿命和可靠性，同时对研制不同系列电磁制动器的电磁体具有 指导意义。 在对电磁体优化设计的基础上以及制动器的整车试验中发现，电磁体一旦工 作将使得制动器的蹄片紧紧抱住车轮，直至车轮抱死而拖车在道路上滑行，这大 大地增强了行车的非安全性，因此需要对电磁制动器进行有效地制动控制，文中 提出了p w m 控制技术驱动电磁体，通过改变p w m 信号的占空比来改变制动力 的输出实现有效制动。以汽车的制动踏板为整个控制系统的开关信号、主车的减 速度为输入信号，完成了基于l m 5 5 6 的整车制动控制电路设计最后通过 m u l t i s m8 的电路仿真，设计的p w m 电路能够有效地实现不同占空比p w m 信 号的输出，满足拖车制动控制系统的要求。 关键词：电磁制动器，电磁体，非轴对称，均匀磨损，p w m 控制，双定时器 项目基金：浙江省重大科技攻关项目( 项目编号：2 0 0 3 c 1 1 0 1 8 ) i a b s t r a c t 1 r i 幢e l e c t r o m a g n e t i cb r a k ei sad r u mb l l | l 【c sb yf r i c t i o n , w h i c hm - em a i n l yu s e d0 1 1 t h et r a i l e rb r a k ee s p e c i a l l ys a l o o nc a r s ，a n da c h i e v e sv e h i c l eb r a k i n gb yt r a n s l a t i n gt h e k i n e t i ce n e r g yi n t ot h eh e a te n e r g yo ft h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cr e s i s t a n c e a t p r e s e n t , t h er e s e a r c ho ft h ee l e e t r o m a g n e t i ci ss t i l li ni t si n f a n c ys t a g e b a s e do nt h e b r a k em e c h a n i s m , t h ew o r kp o s t u r ea n dw e a rp e r f o r m a n o ft h ee l e c t r o m a g n e t 雠 a n a l y z e d , a n dt h eu n s y m m e t r i c a le l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sp r o p o s e dt or e a l i z et h ee v c n w e a r o ft h ee l e c t r o m a g n e ts u r f a c ea n dd e c r e a s et h er e v o l v i n gt e n d e n c y 1 k u n s y m m e t r i c a lm a g n e t i cc i r c u i ti sd e s i g n e db ym c a l l so fs l o t t i n g a st h ec o m p l e x s h a p eo ft h em a g n e t i cc i r c u i t , b yu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s s o f t w a r e m a x w e l l 3 df o rt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa m e n dt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i st oa c h i e v et h eb e s tu n s y m m e t r i c a ls t l x l c t u r e s p r o d u c e db yt h i ss a m p l ef o rt h e v e h i c l et e s t , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew o r k i n gp o s t u r ei ss t e a d y , a n dc a r dd i dn o td i e a n dt h e r ed i dn o tf m dl a r g ef l u c t u a t i o n si nf i i c t i o n b yw e a r i n gc o m p a r i s o no ft h e s y m m e t r i c a la n d 吼s v m m e n i c a le l e c t r o m a g n e t 。t h et e s t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e u n s y m m e t r i c a le l e c t r o m a g n e to b v i o u s l ys u r p a s s e st h es y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ，w h i c h c o u l de n h a n c et h el i f ea n dt h es e c u r i t yo f t h eb r a k e a n dm e a n w h i l ei ti si n s t m e t i v ef o r d e v e l o p i n gt h ee l e c t r o m a g n e to f d i f f e r e n ts e r i e so f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e o nt h eb a s i so fo p t i m a ld e s i g no ft h ee l e c t r o m a g n e t , t h et e s tr e s u l t so fw h o l e v e h i c l es h o wt h a to n c et h ee l e c t r o m a g n e t sw o r k , t h eb r a k i n gs h o e sw o u l dt i g h t l yc l i n g t ot h ew h e e l su n t i lt h ew h e e l sw e l el o c k e da n ds l i d i n go nt h er o a d , w h i c hw o u l d s i g n i f i c a n t l ye n h a n o gt h en o n - s e c u r i t yo f t r a v e l ，s oi ti sn e c e s s a r yf o re f f e c t i v eb r a k i n g c o n 仃o lo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k e n 圮t e c h n o l o g yo f p w mc o n t r o ii sp r o p o s e dt h a t t h eb r a k i n gt o r q u eo u t p u tw o u l db ec h a n g e db yt h ec h a n g i n go ft h ep w ms i g r l a ld u t y c y c l e a c c o r d i n gt ot h eb r a k ep 酣a lf o rt h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h i n gs i g n a l s a n dt h e 缸a c t o fd e c e l e r a t i o na si n p u ts i g n a l s , t h eb r a k i n gc o n t r o ic i r c u i to ft h ew h o l e v e h i c l ew i l lb ec o m p l e t e di n c l u d i n gl m 5 5 6d u a lc h i pu s e dt og e n e r a t ep w ms i g n a l t i m i n g a n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t s t h r o u g ht h ec i r c u i ts i r a u l a t i o nw i t ht h eh e l po f t h ee d as o f t w a r em u l t i s m ，t h ed e s i g n e dp w mc i r c u i tc o u l de f f e c t i v e l yi m p l e m e n t d i f f e r e n td u t yc y c l eo f t h ep w ms i g n a lo u t p u t , a n ds a t i s f yt h eb r a k i n gr e q u i r e m e n t so f t r a c t o r - s e m it r a i l e r k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，e l e c t r o m a g n e t ，u n s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ， e v e nw e a r i n g ，p w mc o n t r o l ，d u a lt i m e r 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 内容或部分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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密谥 学位论文作者签名：徐兴 2 0 0 6 年1 1 月1 5 日 指导教师签名：陈照章 2 0 0 6 年1 1 月1 5 日 独创性声明 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，均已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；徐兴 日期：2 0 0 6 年1 1 月1 5 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 车辆制动系统性能好坏直接关系到人身安全，国内外汽车生产企业和科研部 门都非常重视汽车新型制动系统的研发。电磁制动器是一种新型制动器，国外已 用到拖车尤其是房车的制动上，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。和传统 的气压式、液压式制动器相比，电磁制动器有其突出的优点，正受到越来越多的 重视【l 碉首先用电缆代替管路，提高了制动器的灵敏度，冗余电路的加入也很 方便，可靠性高，安装方便，尤其是主、挂车的制动系统连接更简单可靠，并永 远避免了泄漏和气阻现象；其次，控制器设计方便，易于实现a b s ，因此代表 了制动器的发展趋势，为汽车线控操纵( x b y - w i r e ) 实现车辆自动化、智能化提 供了必备部件。 i i 国内外发展的现状 i i 1 国外电磁制动器及其控制系统的研究 早在1 9 4 2 年，美国的e m p i r e 公司就申请了主要用于拖车的电磁制动器结 构专利【3 1 。国外大的汽车制造商和著名的专业制动器生产企业在这方面表现得十 分活跃，例如美国的k e l s e y 公司、d e x ，r e r 公司等长期从事拖车电子制动系 统的生产。随后的半个多世纪中，国外电气制动系统研发工作开展已经非常深入， 其中采用电磁力驱动的电磁制动器已经进入实用状态，这种制动器大部分应用于 拖车制动系统中。同时各国都对电磁制动器不断地进行改进，主要表现在电磁体 和控制器两个部分。 电磁体总体上变化不大，主要改进工作集中在以下两个方面展开： ( 1 ) 提高电磁体磨损的均匀性和耐磨性 1 9 7 7 年，l e r o yk g r o v e 在美国专利中提出一种摩擦片材料的分布方法朋。 考虑电磁体工作时，由于倾覆力矩致使摩擦接触面两侧所受正压力和磨损不均匀 性。在倾覆力矩使正压力和磨损增大的一侧增加摩擦材料的填涂面积，由于摩擦 材料是不导磁的，导致摩擦材料填涂较少的一侧电磁吸引力变大。通过合理设计， 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 可以实现工作中两侧正压力平衡。从而提高磨损均匀性和耐磨性。9 0 年代，d e x t e r 公司将电磁体外形由圆形变化为椭圆形( 图1 1 ，图1 2 ) ，并从两方面对性能进 行优化。其一，椭圆形的设计减小了工作表面上下两侧的线速度差异，增加了磨 损的均匀性；其二，水平方向结构尺寸变大，在工作时，相同的倾覆力矩作用下， 由于力臂增大，使左右两侧压力差减小，磨损均匀，提高耐磨性。本文将致力于 电磁体均匀磨损性的研究。 图1 19 0 年代前圆形电磁体结构图1 29 0 年代后椭圆形电磁体结构 c 2 ) 电磁体结构及密封摩擦材料的改进 上世纪七十年代美国人提出了将摩擦表面加工成阶梯槽，并在槽内浸渍环氧 树脂等研磨剂，以提高电磁体和摩擦环的摩擦系数。1 9 8 3 年，美国专利提出在 电磁体的外侧添加一个杯形的金属外壳，杠杆凸销和电磁体连接外侧采用导磁垫 圈，提高电磁体和摩擦环的吸力【卯。 而电磁制动器控制系统的改进变化较大，研究主要致力于主车与挂车间的制 动力匹配问题上。1 9 7 5 年，美国人提出根据挂车和主车的减速度比产生一定频 率和脉宽的电脉冲信号来控制拖车。1 9 7 7 年，美国专利提出了一种可靠和高效 的电子控制系统，驾驶员能感受到制动时的作用力( 路感) 。第一控制信号服从 于拖车制动力，在超出其范围之后，还有第二控制信号直接联接制动器能源和制 动器执行元件，以保证有效制动嘲。1 9 8 1 年，美国专利用一个脉冲宽度调节器控 制制动信号，可以根据主车和拖车的重量关系调节两者的制动力比，制动器受拖 车制动力或踏板力控制，有效提供线性关系的拖挂车制动力，这样驾驶员踩下或 松开制动踏板都会感觉比较平稳1 7 1 。 近几年来，国外电磁制动器的发展较缓慢，基本上保持了上世纪的形式。国 外都在此基础上不断完善，努力使电磁制动器能够适应普通车辆的行车制动。其 研究方向主要集中在电磁制动器的控制器上，拖车电磁制动系统性能的好坏，与 2 江苏大学硕士学位论文 制动过程中各车之间制动力的匹配以及拖车电磁制动控制器的控制策略有非常 大的关系，而不仅仅决定于制动器的性能。所以性能良好的电磁制动器控制器对 整体的制动效果将有较大的改善。国外厂商在近几年内开始研制具有a b s 功能 或能够与汽车a b s 相匹配的拖车电磁制动器控件。 1 1 2 国内电磁制动器的发展 近几年国内也有部分汽车配件企业和一些中外合资企业涉及到了拖车电磁 制动器及其零配件的制造。桂林市汽车配件总厂生产1 0 英寸和1 2 英寸两种规格 的电磁制动器，基本上采用国外的商业成品技术，产品绝大多数销往美国。虽然 2 0 0 2 年该厂在我国申请了实用新型专利z l 0 1 2 6 9 7 1 0 9 ，其保护内容基本与国外 5 0 年前的一样，但与目前国际同类产品相比还有很大的差距嘲。 此外，电磁制动器控制器基本上完全依赖购买国外产品，国内电磁制动器制 动系统的研究工作也才f lj j n 起步。 1 2 电磁制动器存在的问题 电磁制动系统，除了具有一般电气式制动系统的优点外，还有与现有汽车制 动系统兼容性好，且安装、拆卸方便等特点。所以，它非常适合作为拖车的行车 制动系统，但是其自身的结构也决定了它不可避免的缺陷，主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 制动器驱动力有待于提高受结构的限制，电磁制动器电磁体吸力的大 小有限，经摩擦副传动后，制动器的驱动力大幅度衰减。假设电磁体与 摩擦盘之间的摩擦系数为o 3 5 ，使杠杆转动的摩擦力就只有电磁体吸力 的三分之一左右( 3 5 ) 。实际上，为了闭合电磁铁的磁路和减小损耗， 需要两摩擦面的铁磁体材料直接相接触，而铁对铁的摩擦系数还要小 ( 2 ) 制动器蹄片张开力控制困难由于接触式控制张开力的方式，该力取决 于电磁力与电磁体和摩擦盘的摩擦系数的乘积，而摩擦系数受速度、温 度、正压力等变化的影响，使其控制难度加大。 ( 3 ) 电磁体工作温度高电磁体与摩擦盘保持常接触状态，会产生大量的热 量，使电磁体温度升高( 接近2 2 0 c ) 。这既降低电磁体的工作可靠性， 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 缩短使用寿命，也给电磁体的制造材料提出了苛刻要求，同时增加了制 造成本。 ( 4 ) 电磁体的磨损严重电磁体的工作原理要求摩擦接触面分为两种摩擦 材料的接触区域，必然产生磨损不均匀，使接触质量降低，造成电磁体 工作不稳定，摩擦力波动大，车轮制动力不容易控制。 ( 5 ) 密封性能差电磁体密封材料不容易同时满足耐高温、耐磨损、摩擦系 数大的要求，所以，电磁体抗腐蚀能力低，使用寿命不长。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题的研究成果有着广阔韵市场应用前景。自上世纪九十年代，尤其是加 入w t o 后，我国汽车工业得到了突飞猛进的发展，人们生活水平随着经济建设 的发展不断得到提高，对生活质量的要求也在不断提高。2 0 0 2 年底我国小型客 车的保有量在1 0 0 0 万辆以上，而且在今后若干年内还会以较高的增长速度增加， 人们利用节假日出门旅游休闲正在成为时尚，如同目前发达国家的旅游业一样， 不少旅游休闲人员要享受大自然( 海边或山岭区域) 的乐趣，出门时，自己驾车 拖上房车。今后我国的房车将会出现、并得到很大的发展，而解决房车的制动问 题正是本项目研究成果的用武之地之一；其次，现在汽车工业是全球化采购的模 式，只要我们生产的电磁制动器性能优越、可靠，成本低，在国际市场上是很有 竞争力的；再次，利用本项目的研究成果，提高制动器的制动效能，也就是说， 是可以运用到小型车辆的行车制动系统的。另外，电磁制动器便于实现制动系统 的实时控制，市场前景极为广阔。 然而，我国汽车工业远落后于发达国家，特别是在加入w t o 以后，我国的 汽车工业在“与狼共舞”时立于不败之地出路所在一技术创新和发展具有独立知 识产权的汽车产品。具有自主知识产权的电磁制动器的研制，一方面可以填补国 内的空白，另一方面符合汽车工业发展趋势的要求。 电磁制动器的研制，可以促进汽车产品设计方法的发展、完善制动器评价体 系和制动器性能的检测方法。可以提高迸企业的自主开发能力、创新能力和竞争 能力，同时也推动汽车行业的技术进步。 电磁制动器用于汽车或汽车列车的行车制动，可以显著地缩短制动时间和制 江苏大学硕士学位论文 动距离，从而可以避免许多交通事故。另外，随着车辆线控操作和汽车电子化的 发展，电磁制动器代替传统的行车制动器也是一种必然。 因此研究开发具有自主知识产权的电磁制动器，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。同时也将会带来巨大的经济和 社会效益。 1 4 本文研究的主要内容 本课题来自浙江省科技厅，属浙江省重大攻关项目，其名称：汽车电磁制动 器开发与关键技术研究( 编号2 0 0 3 c 1 1 0 1 8 ) 。 到目前为止我国还没有研究开发电磁制动器方面的经验可循，仅有的资料是 一些国外已经公开的，时间较久的专利。除此以外，现有拖车电磁制动器还存在 许多问题。所以，应该在参照国外产品的基础上，吸收其优点、改善其性能，开 发出具有自主知识产权的且满足实际使用条件的新型电磁制动器。 汽车电磁制动系统中，除电磁体和控制装置外，机械结构部分与常规蹄式制 动器无太大差别，我国制动器企业生产这些结构应无技术难题。因此电磁体和相 应的控制器是电磁制动器国产化过程中的关键。这部分的工作涉及到汽车、电气、 材料、机械等众多学科，由我校多个院系合作完成。本文具体内容如下： ( 1 ) 以电磁制动器电磁体的运动机理为依据，对电磁体姿态稳定性进行分析 并提出了内侧磁路开槽的非轴对称设计。按优化设计的要求进行了理论 分析并计算需要的开槽面积。 ( 2 ) 对电磁体抗旋转抗倾覆进行分析研究，来设计的电磁体外形及其尺寸。 ( 3 ) 利用a n s o f i 公司的电磁场分析软件m a x w e l l - - 3 d 对电磁体进行有限元分 析，并通过仿真来修正理论的计算开槽面积，从而褥到最佳的开槽面积 比、最优的槽数、槽宽以及槽深。 ( 4 ) 通过自制非对称结构与对称结构的电磁体在试验台上做耐久性磨损试 验，来验证非轴对称设计的效果。 ( 5 ) 对拖车电磁制动器制动系统进行了初步探讨和理论研究。 ( 6 ) 采用p w m 控制技术，利用占空比的变化来设计一种拖车制动控制电路， 最后对设计的电路进行仿真分析。 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 第2 章电磁制动器电磁体非轴对称的优化设计 在研究和分析电磁体的实际工作情况之后，发现对称结构的电磁体存在着严 重的磨损不均匀性，大大地影响制动器的制动性能。在此基础上提出了非对称结 构电磁体的优化设计，并从理论上推导了计算公式。 2 1 电磁制动器的结构及工作原理 电磁制动器是一种新型的鼓式制动器，国外已用于拖车上尤其是房车制动 上，是在原来的鼓式制动器基础上研究开发的。与传统的制动器相比，它以电磁 体杠杠系统代替油缸，以杠杠短臂的位移代替油缸活塞的位移，使蹄片张开，达 到制动目的。其结构如图2 1 所示，它由1 电磁体、2 制动鼓、3 制动蹄、4 制动 杠杆、5 回位弹簧、6 轴销等组成。 i 俸z 酬li 4 l 珥开t i 刖z w l r - 图2 1 电磁制动器的结构 电磁制动器在工作时，可以把电磁体看成e 型电磁铁，由车载蓄电池供电 制动开始时，由控制器发出的制动信号以电流的形式通过电磁体，电磁体在非制 动期间与制动鼓靠弹簧保持轻微接触，电磁体产生吸力后。两者相互吸合。制动 时，电磁体与旋转中的制动鼓吸合而产生相对摩擦。作用在电磁体上的摩擦力带 6 江苏大学硕士学位论文 动与之相连的驱动杠杆绕支点转动，杠杆的从动端就将制动器的两个摩擦蹄片张 开并压向制动鼓，因此产生的摩擦力矩使车轮减速，制动鼓在与电磁体、制动蹄 的摩擦力的作用下不断减速，直至停止转动。结束制动时，电流被切断，电磁体 吸力消失，作用在驱动杠杆上的力也消失，在回位弹簧拉力的作用下，摩擦蹄片 离开制动鼓，制动解除。 2 2 电磁体的力学分析 2 2 1 电磁体的结构 图2 2 为电磁体的组成示意图，电磁体包括磁钢、摩擦材料以及线圈等。从 电磁制动器的工作原理可知，电磁体的表面( 包括摩阻材料和内外磁钢) 与制动 鼓内端面接触的，工作时两者相对运动产生摩擦力。 2 2 2 接触力学 图2 2 电磁体的组成示意图 接触力学是研究两物体因受压相触后产生的局部应力和应变分布规律的学 科，它一类非线性问题，但非材料也非几何非线性，而是属于边界条件非线性问 题。1 8 8 1 年h 赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的 弹性变形阻1 4 】。他假设：接触区发生小变形。接触面呈椭圆形。相接触的 物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡是满足以上 假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且 接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际 相符的结果。在赫兹接触问题中，由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束， 7 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离 的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性 模量和泊松比有关。 在实际工程中的很多接触问题并不满足赫兹理论的条件。例如，接触面间存 在摩擦时的滑动接触，两物体间存在局部打滑的滚动接触，因表面轮廓接近而导 致较大接触面尺寸的协调接触，各向异性或非均质材料闻的接触，弹塑性或粘弹 性材料间的接触，物体间的弹性或非弹性撞击，受摩擦加热或在非均匀温度场中 的两物体的接触等，所以接触问题是相当复杂的。 摩擦接触的应力、温度分析属于非线性问题1 1 5 - 1 6 1 ，接触界面非线性来源于两个 方面： ( 1 ) 接触界面的区域大小、相互位置以及接触状态事先未知，而且随着时间 变化，需要在求解过程中确定。 ( 2 ) 接触条件的非线性。包括：接触物体不可相互侵入；接触力的法 向分量只能是压力；切向接触符合摩擦条件。 这些条件具有强烈的非线性，使接触问题的研究难度加大。 通常把非线性问题分成两大类：几何非线性和材料非线性，几何非线性又可 分为以下两种情况； ( 1 ) 大位移、大转动、大应变，处理这一类大应变问题时除了采用非线性的 平衡方程和几何关系外，还需要引入相应的应力一应变关系。在几何非 线性问题的有限元法中，通常都采用增量分析方法，如全l a g r a n g e 法和 修正l a g r a n g e 法。 ( 2 ) 大位移、大转动、小应变，也就是结构有大位移和大转动，但结构除了 刚体运动外没有改变形状，应力与应变的关系仍为线性的。如：板、壳 等薄壁结构在一定载荷作用下，尽管应变很小，甚至未超过弹性极限， 但是位移较大，材料元素有较大的转动。这时平衡条件应建立在变形后 的位形上，同时应变表达式也应包括位移的二次项。这样一来，平衡方 程和几何关系都将是非线性的。 i 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 电磁体与制动鼓之间的接触分析 电磁体与制动鼓端面的接触过程属于大转动，大位移，弹性小应变的几何非 线性问题，即应变与位移之间的关系是非线性的；而在材料处于弹性状态下，其 应力和应变之间一一对应的关系是线性的。 图2 3 为电磁体和制动鼓端面接触示意图，彳点为电磁体在驱动杠杆上的等 效支撑点( 认为是铰点) ，制动鼓以图示方向旋转。电磁体由于受到彳点的约束 与制动鼓端面产生相对滑动，电磁体所受的摩擦力e 方向从右向左，对a 点产 生力矩弓。为平衡力矩弓，设计电磁体结构使电磁吸力合力对彳点产生力矩 乙，希望l = 乙。因此，电磁体上各点电磁吸力合力的作用点不在电磁体的安 装孔中心a 位置，而是偏向电磁体磁钢未开口端一侧，电磁吸力在摩擦面上不是 均匀分布。 图2 3电磁体与制动鼓端面接触示意图 要求电磁体姿态稳定，理论上必然需要电磁体在空间内受力及各轴的合力矩 均平衡。但是在分析制动器工作原理发现，电磁体并非处于制动鼓端面的中心位 置( 偏离于制动鼓的中心) ，再加上电磁体表面是由不同材料组成( 摩阻材料、 磁钢材料) 的，与制动鼓( 摩擦副) 之间的摩擦系数也不是统一的，诸多因数使 得制动鼓内端面与电磁体经常出现异常磨损，电磁体摩擦表面容易出现局部烧 蚀、粘着或划伤( 图2 4 、图2 5 所示) ，尤其当汽车在下长坡进行连续制动或在 较高车速下紧急制动时，此现象更为突出。下文中将具体分析电磁体磨损情况， 并由此提出对电磁体优化设计的方法。 9 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 圈2 4 制动鼓磨损情况 2 3 电磁体非x 轴对称的设计 2 3 1 问题提出 图2 5 电磁体磨损情况 如图2 6 所示，传统电磁体的结构都是关于x 轴方向对称的。在美国专利中 提出：在制动时，这样的设计将会沿着引导边缘方向倾覆，电磁体磨损沿着末端 方向逐步减少，形成一个从引导边缘到末端边缘的锥形摩擦平面，即导致电磁体 前后磨损不均匀。瞬问的倾覆使得电磁体表面产生不均衡压力，由此产生高压、 高温的摩擦表面会大大地降低了电磁体的制动性能和使用寿命。 图2 6x 轴对称结构的电磁体图2 7x 轴非对称结构的电磁体 i o 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电 2 3 2 理论分析 制动时，假设电磁体产生均匀电磁力，则摩擦力可等效于在z = 】，= o 处的一 个力，由于摩擦力与十字杠杆联结处对电磁体的作用力平衡，但不在同一平面上， 等效距离为电磁体高度的l 2 处，设电磁总吸力为，则产生的力矩为 1 m = 矽 ( 2 1 ) 式中，声摩擦表面处的等效摩擦系数； l j l 电磁体的高度，m 所； 吖倾覆力矩，n 所。 其中，倾覆力矩吖造成上述不均衡压力的问题，进而导致电磁体表面前后磨损 不均匀。 为了克服倾覆力矩肘，可采用非x 轴对称磁路，如图2 7 所示，即电磁体引 导边缘部分用非磁性、高强度、耐摩擦的材料代替，通过改变非磁性摩擦区域的 面积，把引导边缘的吸力转移到其他磁钢表面，这样利用其它表面的电磁吸力有 效地平衡了引导边缘的吸力，达到均衡电磁体表面压力的目的。这里分析，假设 磁路不饱和条件下，则电磁吸力与磁路截面成正比，中心磁路产生的电磁合力作 用在x = y = 0 点，不产生倾覆力，而四周的磁路的合力作用在摩擦表面处铁磁 面的形心z f 上，非l ，轴对称磁路产生j = 0 ，而非x 轴对称磁路使得矿o 而 前后侧的作用力不等。为了简化问题又不失正确性，可只考虑，以电磁体摩擦 表面上关于z 轴对称的导磁面来确定，。此时 。 f l 脚l l y 蚴 = 脚d 2 厂脚d ；土磁_ _ 卸彳 ( 2 2 ) 式中，d 摩擦表面上所见四周的导磁面区域； 厂单位面积的受力； f 不计中心磁路后、摩擦表面上四周导磁面上的电磁吸力。 要使得m 与肘平衡，则可完全补偿倾覆力，因此也就完全补偿了电磁体前后磨 损的不均匀性。由于摩擦材料比铁磁材料更易磨损，为了达到均匀磨损的目的， 要根据两材料的磨损易难不同( 摩擦系数不同) 来修正f 的大小，使得m m ， 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 从而进一步克服了不均匀磨损。由于产生倾覆的方向性，m m 不会影响工作 的稳定性而产生倾覆。 2 4 电磁体非y 轴对称的设计 2 4 1 理论分析 如图2 8 所示，d 为制动鼓端面的旋转圆心，电磁体的内侧和外侧离d 的距 离是不同的。如果磁路关于】r 轴对称，则电磁体内侧和外侧的等效摩擦力是相同 的，制动时，由于制动鼓端面旋转，内、外侧部分的线速度是不同的，因此磨损 也就不同。除了电磁体内外侧不均匀磨损之外，从电磁体摩擦面上各面积元来看， 其受力方向与制动鼓端面在该处运动的切线方向相同，因此电磁体受到使之与制 动鼓转动方向相同的旋转力矩( 在2 5 节中作详细分析) ，w a h i n e ! 电磁制动器公 司给出了防止电磁体本身转动倾向的机械结构，或者采用活动十字联结【1 7 1 来防止 电磁体旋转，但是过大的旋转力矩，在制动过程中容易卡住联结处，影响电磁制 动器制动的可靠性。 6 f 1 r i 皇 压 l 、2 片煳搭 f 一lr 1 _ i 黾奢 一 图2 8 电磁体运动机理分析 江苏大学硕士学位论文 假设使电磁体内侧摩擦力大于外侧摩擦力( 即内侧电磁吸力大于外侧电磁吸 力) ，就达到了均匀磨损的目的。除此之外，内侧电磁吸力大于外侧吸力还使得 制动时其对应摩擦力内侧大于外侧，就使电磁体产生一个逆制动鼓转向的旋转力 矩，从而与上述的制动鼓转动作用于电磁体的旋转力矩相反，减少或补偿了电磁 体旋转的倾向，避免因旋转力矩过大而卡死，使车辆制动更安全。所以，通过内 侧开槽的方法，可以达到电磁体均匀磨损的要求，同时又有抗旋转的趋势。 以前通过磁钢内侧贴片加厚的方式( 如图2 9 ) 来解决0 8 - 1 9 ，但是分析发现 这种方法存在以下缺陷： ( 1 ) 内侧加厚磁路使得电磁体绕线空间变小，安匝数受到限制； ( 2 ) 电磁体和制动鼓端面间制动时的气隙使得这种设计非对称的效果减弱； ( 3 ) 电磁体重心不再通过支撑电磁体的十字联接处，引起新的不平衡，对工 作姿态稳定性带来不利的影响。 图2 9 磁钢贴片的设计模型 而在本文中提出非y 轴对称结构( 图2 8 、图2 1 0 和图2 i i ) 是采用内侧磁 路开槽的方法，可避免上述缺陷同时又能达到均匀磨损和抗倾覆趋势的要求。 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电 图2 1 0y 轴对称结构的电磁体 圈2 1 ly 轴非对称结构的电磁体 为了方便理论研究对电磁体的磁路进行了简化，取等效磁路来分析1 2 0 - 2 2 1 ，图 2 1 2 即为开槽后电磁体的等效磁路简图。磁路中箭头方向表示磁感应强度曰的方 向，h 为开槽深度，艿为等效气隙硼( 在实际工作中，电磁体与旋转中的制动 鼓端面存在的空气气隙，即等效气隙万) 。开槽侧减少了接触面积，由于槽开的 很浅，所以近似认为两侧磁路是对称的( 磁阻近似相等) ，两侧磁通。也近似相 等，整个磁路中磁场强度凰近似等于哦，但是到达接触面( 即电磁体与制动鼓 端面) 时，由于有h 深度的开槽，空气中磁阻比另一侧的要大，则有内侧( 开槽 的一侧) 的磁场强度灯，大于外侧磁场强度凰，即对应的磁感应强度马大于岛， 内侧的电磁吸力增大。 图2 1 2 电磁体等效磁路简图 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 非y 轴对称结构电磁俸的理论计算 在理论分析之后需要计算满足条件下的开槽面积，这里提出开槽面积比的概 念，即开槽面积占内侧磁面积的百分比。由于摩擦是一个非线性的、远离平衡态 的热学过程嘲，其机理相当复杂，这里取等效摩擦集中力来分析，设凰为制动 鼓端面旋转中心到电磁体内侧边的距离，e 为内侧的等效摩擦力，墨为外侧的 等效摩擦力，且内外侧面积相等均为4 ，则均匀磨损条件嘲为 盟：墨生( 2 3 ) 一 式中，k ，对应的线速度。 再根据，k = 咄，= 碣 ( 2 4 ) 式中，制动鼓的角速度； r 1 、丑2 分别为曩、f 2 集中力作用点到d 的距离 把式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，则均匀磨损条件为， e 置= 易胄2 ( 2 5 ) 因有磁铁两侧在气隙中电磁吸力计算式可知鲫： 中2 2 a o s l m 2 2 p o s l ( 2 6 ) 式中，墨、岛开槽后内外侧面积。 由式( 2 5 ) 、( 2 6 ) ，则有， 蔓：置：旦( 2 7 ) es 2r 2 由于内侧电磁吸力大予外侧吸力，其相应的摩擦力集中到短轴上形成下边 ( 内侧) 为口、上边( 外侧) 为6 的梯形分布( 图2 1 3 ) ，建立如图所示x - y 坐 标系，其中d 为短轴宽度，即电磁体的宽度。则有， 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 局；詈竿，+ l b d 只：旦b + a + 2 b ：三6 d + ! 扣 。 2 2 88 了 ji 矗 忙羚 焉 一l 厂 图2 1 3 等效摩擦力的梯形分布 设兄、豇为e 、e 集中力的纵坐标，则有， 尺l = r o + 兄，r 2 = 震o + 兄 兄：毕da - b 髦宰 可，一y(a-y等)dy l _ _ a d + 7 b d 儿2 r 再 把式( 2 9 ) 代入均匀磨损条件式( 2 5 ) ，即 a ：= r o + d b 再把式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入式( 2 7 ) ，则有， 1 6 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 江苏大学硕士学位论文 旦：量；( 1 a + 3 - b ) d ：a + 3 b ：兰；垫皇 岛e ( ；口+ ；6 ) d 3 口+ 6 3 詈+ l 4 r o + 3 d 由式( 2 1 1 ) 得到内侧边开槽面积百分比为 丝1 0 0 4 r o + 3 d 即为电磁体优化设计的理论计算公式。 2 5 电磁体抗旋转趋势的研究 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 在前面的分析研究中发现，图2 1 4 为电磁体旋转趋势分析示意图，电磁体工 作时受到与制动鼓转动方向相同的旋转力矩，这种旋转趋势大大地影响了电磁体 的姿态稳定性，在设计中一般采用十字联接的方式来防止其旋转，此外y 轴非对 称设计的结构也能减少这种旋转趋势的发生。本文中将对旋转趋势作进一步地分 析和理论解释。 d 图2 1 4 电磁体旋转趋势示意图 1 7 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 在示意图2 1 4 中设有f 2 i l0 + d ( 2 1 3 ) 这时，电磁体工作时逆时针的力矩为， 枣y c 字一y 书砂= 字孚一百a - b 7 l 3 害。2 晓川 其中等效到，轴上的c 线段上力的线密度为考，且处处相等，那么x 处的形成顺 时针方向旋黝矩的舶吾鲫= 吾焘删顺时针的旋转力觚 2 睡奄拈等奇7 13 卜参 眨1 6 ) 所以由两者力矩平衡有 丧蠡+ 钞一o ，即掣蠡+ 钞- o ， 2 ( 口一6 ) d 。( r o + ：d ) c 2 = 上 ( 2 1 7 ) 当磨损平黼可以导出詈= 警_ l + 詈俾= 刍 c ：坚! 半望d ：竺竺：至d ! 趔 晓。 1 + 旦+ l 2 蜀+ d 。 艺上要求的a 、b 差难以满足，故有椭圆形出现。 由于正方形、长方形的四角对运动部件的运动时可能引起的冲击会产生应力 集中，损坏部件，故要有圆形形状过渡，由于边长太短，难以产生a 、b 相差较 1 3 江苏大学硕士学位论文 一黼船酷奄出= 台嚣撇一 力矩。 椭圆形设计减少了工作表面内外侧线速度的差异，改善了磨损的均匀性。 长轴方向结构尺寸变大，抗倾覆能力增大，易满足运动前后侧摩擦面的磨损均匀。 2 6 本章小结 ( 1 ) 从电磁制动器的制动机理出发，引入接触压力学来分析了电磁体的姿态 稳定性，并提出了电磁体工作时存在的问题。 ( 2 ) 针对上述问题，提出了电磁体优化设计的方案，并推导了一般理论计算 公式。 ( 3 ) 对电磁体的抗倾覆抗旋转趋势进行了初步探索和理论研究，提出了电磁 体设计形状。 1 9 电磁制动器电磁体优化设计及其制动控制电路 第3 章基于m a x w e l l 3 d 的电磁体仿真计算 利用三维电磁场仿真软件来分析优化设计后的电磁体，并修正第2 章中理论 计算值，从而使得非对称设计的电磁体更能满足实际要求。 3 1 三维电磁场仿真软件m a x w e l l - 3 d 3 1 1 虚功原理 磁场仿真软件m a x w e l l 3 d 是电磁场数值计算的有力工具。电磁制动系统中 的电磁吸力表现为磁场力。在电磁场中计算电磁吸力( 磁场力) 时，主要运用了 虚功原理1 2 s l 。其原理如下： 有行个载流回路组成一个载流回路系统，第j i 个回路中的电流为如，磁链为， 其中第i 个回路在某一广义坐标上发生了一个虚位移d ，其它回路不动。这时， 由于磁场发生变化，载流回路系统将发生如下的功和能的转换过程；电源输入回 路系统的净电能棚：，应等于磁场储能的变化d 既加上机械能的变化d 阡r n ，即 d 呒= a v , + d 黟么 ( 3 1 ) ( 电源作功) = ( 磁场能量改变) + ( 磁场力作功) 式中，d 睨= i t d y t ( 3 2 ) t - l 设作用于第i 个回路上的磁场力为z ，则系统内机械能的变化即为磁场力作 功，即 d = z 出 ( 3 3 ) 于是，磁场储能的变化应为 d 睨= i k d 矿k - f , a k ( 3 4 ) t - l 上式表明，磁场储能是独立变量缈和j 的函数。 而磁储能的表达式为 江苏大学硕士学位论文 既= 。- f i k d 虮= 既缈，力 ( 3 5 ) 式中，妒= ( ，“，n ，) 。将畋表示为全微分的形式，则有 识= 杰k - i 玛o 矿k + 等出 ( 3 6 ) 将式( 3 4 ) 与式( 3 6 ) 比较，可得 ：婴 ( 3 7 ) 口妒t z ：一孚 ( 3 8 ) 其中式( 3 6 ) 就是用少和x 作为独立变量表示磁场储能时，磁场力的表达式。 磁场力也可以由磁共能求出，栉个回路的磁共能为 吃= 以= 缸一 ( 3 9 ) 碱= d 帆+ 以一d 睨 ( 3 1 0 ) 将式( 3 - 4 ) 代入上式可得 d 吃= 如+ z 出 ( 3 i i ) 上式表明，磁共能是独立变量j = ( ，如