（机械电子工程专业论文）汽车电磁缓速制动器的基础理论研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 高速、安全、环保、舒适是现代汽车的发展方向，汽车装备辅助制动器是 必不可少的标准配置，作为辅助制动器的一种，电磁缓速制动器由于其自身的 优点必将有广阔的市场目前，我国在电磁缓速制动器的生产方面刚刚起步， 在技术和质量方面与国外产品相比还有较大的差距，有必要对电磁缓速制动器 作基础理论和性能分析方面的研究。 本文首先介绍了主制动器的使用现状和研制电磁缓速制动器的必要性；介 绍了电磁缓速制动器的结构、工作原理、安装方式、特点和发展趋势；建立了 电磁缓速制动器制动力矩的数学模型，设计了关键参数，确定了选配规则；从 制动减速度、制动距离、下坡能力、制动稳定性四方面研究了电磁缓速制动器 的制动性能，推导出相应的计算公式；按照分布一集中模拟( d l m t ) 技术，用 s i m u l i n k 动态仿真工具分析了电磁缓速制动器对传动系扭振的影响；通过对仿真 结果的分析，确定了电磁缓速制动器对传动系振动的影响。 本文的主要研究结果，已应用于实际产品设计，经实践检验是实用正确的。 关键词：电磁缓速制动器，制动力矩，制动性能，仿真，扭转振动 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a s ts p e e d ，m o r es e c u r i t y , l e s st h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n dc o m f o r ta _ r e t h ea i m so ft h ev e h i c l ei nt h ef u t u r e a u x i l i a r yb r a k e sw i l lb ei n d i s p e n s a b l ye q u i p p e d o nt h ev e h i c l e h a v i n gm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e ra u x i l i a r yb r a k e s ，t h ee d d yc u r r e n t b r a k ew i l lb ew i l d l ye q u i p p e do nv e h i c l e s a tp r e s e n t ，t h em a n u f a c t u r eo ft h ee d d y c u r r e n tr e t a r d e ri nc h i n ah a sj - , s tb e g u n n l ed i f f e r e n c e so ft e c h n o l o g ya n dq u a l i t y a r es i g n i f i c a n tc o m p a r e dw i t ha b r o a d s ot h er e s e a r c ho nt h e o r ya n db r a k ea b i l i t vo f e d d yc u r r e n tr e t a r d e ri ss i g n i f i c a n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts t a t u so fm a i nb r a k ea n dt h en e c e s s i t yo f e d d y c u r r e n tr e t a r d e r , t h e ni n t r o d u c e ds o m ec h a r a c t e r i s t i c so f e d d yc u r r e n tr e t a r d e rs u c ha s s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，i n s t a l lt y p e s ，t r a i t sa n dd e v e l o pt r e n d am a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h eb r a k i n gt o r q u ew a sb u i l t ，s o m ek e yp a r a m e t e r sw a sd e s i g n e d ，ar u l et o m a t c ht h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e rt ov e h i c l e sw a sc h o s e t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h e b r a k i n ga b i l i t yf r o mf o u ra s p e c t s ( b r a k i n gd e c e l e r a t i o n ，b r a k i n gd i s t a n c e ，a b i l i t yo f d e c l i v i t y , b r a k es t a b i l i t y ) a n dd e d u c e df o r m u l a so ft h ef o u ra s p e c t s a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t e d - l u m p e dm o d e lt e c h n o l o g y , t h ei n f l u e n c e so nt h et o r s i o n a lo s c i l l a t i o no f d r i v e l i n eo nv e h i c l eb ye d d yc u r r e n tr e t a r d e rw e r em o d e l e dw i t hs i m u l i n k a n a l y z i n g t h em o d e l i n gr e s u l t s ，t h ed e g r e eo fi n f l u e n c ew a sc o n f i r m e d t h em a i nr e s u l t so f r e s e a r c hi np a p e rh a v eb e e na p p l i e dt ot h ed e s i g no f t h ee d d y c u r r e n tr e t a r d e r , p r o v e dt ob ep r a c t i c a la n dc o r r e c ti np r a c t i c e k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n tr e t a r d e r , b r a k i n gt o r q u e ，b r a k i n ga b i l i t y , s i m u l a t i o n ， t o f s i o n a lo s c i l l a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车配置辅助制动器的必要性 我国是个多山国家，约7 5 的国土面积为山区或丘陵地形，公路等级较低。 根据2 0 0 3 年的统计资料，全国公路总里程为1 8 0 9 8 万公里，其中高速公路2 9 7 4 5 公里，二级以上公路仅占总里程的1 3 4 ，低等级公路和等级外公路占绝大部分 【i 】。这些低等级公路多分布于山区，技术等级低，施工质量差，而且落差大，坡 长且陡。车辆在这些道路上行驶时，需要频繁制动，图1 1 为汽车在山区行驶时 不同大小的制动力出现频率。强度比较小的制动占的比例非常大，而强度大的 制动占的比例比较小。这些小强度高频率的制动会导致主制动器温度上升，制 动热衰退现象突出，严重时会使制动能力完全丧失，酿成交通事故。 粮率m ，7 2 ；0父 - - 4 02 00+ 2 0 + 4 0 + 6 0 + + 1 0 0 + 1 2 0 驱动与制动力a t , 图卜1驱动力和制动力使用频率 在山区道路，制动热衰退原因导致的交通事故占有很大的比重，图1 2 为 3 1 2 国道陕西省蓝小公路k 1 3 9 2 - - k 1 4 4 0 段交通事故原因分布【2 j ，该路段全长 4 8 k m ，是典型的山区公路，从1 9 9 9 年7 月建成通车到2 0 0 1 年1 2 月，短短两年 半的时间，共发生交通事故5 6 0 起，死亡8 1 人，伤3 6 3 人，直接经济损失8 8 1 3 8 4 万元。根据图示统计数据，制动失效原因造成的事故数占总数的3 2 ，是造成 该路段交通安全低下的主要原因之一；其中因为机械故障导致的制动失效所占 比例极小，绝大部分是由于制动系统出现热衰退现象，事故地点基本都在坡道 上；所以对于中型、重型货车和客车来说，在连续下坡时仅采用主制动器是难 以满足制动要求的。 武汉理工大学硕士学位论文 目前我国山区客车常采用淋水法来降低制动器发热，即在客车上另加装一 个水箱，各车轮的轮毂外面安装喷头，将水引到轮毂上，在下坡行驶时转动开 关，将水通过喷头淋到车轮制动毂上，使制动毂温度保持在具有有效制动力的 范围内，保证连续下坡时的制动安全性。但是淋水法有明显的弊端：在喷水冷 却不均匀时，轮毂会由于局部应力过大而破裂，使制动毂损坏。在冬季山路行 驶时冷却水流到地面上，影响到后续车辆的行驶安全。 随着道路建设的飞速发展，城市车辆平均行驶速度大幅度提高。在道路通 行情况好的城市，现在城市车辆的平均行驶速度一般都能达到原来的两倍或更 多，这就意味着在同样的制动条件下、同样的时间内，现在城市车辆的制动器 要产生更多的热量，要承受更大的热负荷。通过对城市公交车辆在行驶中运用 制动的强度和次数进行统计分析1 3 j ，发现使用最为频繁的制动方式也是低强度制 动，常称为“点刹”( 见图1 3 ) 。城市车辆在行驶中“点刹”的频率达8 5 以上， 越是繁华的闹市，这一比例就越高，车轮制动器的温升也越高。在北京、上海、 广州等城市，因为交通堵塞现象严重，车辆的行驶速度没有很大提高反而有所 下降，但是车辆制动器的“点刹”更加频繁，制动器发热更严重。 图卜23 1 2 国道陕西省蓝小公路k 1 3 9 2 - - k 1 4 4 0 段 交通事故原因分布 图卜3 车辆减速度与刹车次数关系图 武汉理工大学硕士学位论文 城市公共交通的特殊使用工况使得公交车辆的制动器的制动热衰退、制动片快 速磨损、制动轮彀损坏等现象严重。 综上所述，主制动器已难以满足城市车辆、山区行使的车辆的特殊工况需 求，也难以满足人们对乘坐汽车的安全性和舒适性的要求。 对于车辆制动性能的改进，研究人员大多是围绕车轮制动器来进行的，如 加宽制动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦材料配方等，但这些都不能从根本上解 决问题。 配置辅助制动器就可以弥补在山区公路上行驶的车辆和城市公交车主制动 器存在的不足。从提高制动系统的稳定性、可靠性、维修性等因素考虑，配备 辅助制动器都是最佳选择。辅助制动器有很多种类，其工作原理与传统制动也 不同。它将车轮制动器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围内， 它可以在不使用主制动器的情况下减缓车辆行驶速度，增强车辆的安全性，减 少产生热衰退等现象，并有延长传动系和制动系寿命的功效。 1 2 汽车辅助制动器的分类 常用的汽车辅助制动器有：内燃机缓速器、液力缓速器、电磁缓速器、牵 引电机缓速器、空气动力缓速器和再生式制动缓速器等1 4 - q l 】。 1 2 1 内燃机缓速器 内燃机缓速器包括发动机制动和发动机排气制动。 发动机制动的原理是对行驶中的汽车的发动机停止供给燃料，并将变速器 挂人某一前进挡，使汽车得以通过驱动轮和传动系带动发动机曲轴继续旋转。 这样，本来是汽车动力源的发动机就变成消耗汽车动能从而对汽车起缓速作用 的空气压缩机。发动机的水泵、油泵、空压机等附件阻碍瞌轴旋转的力矩即为 制动力矩，将通过传动系放大后传给驱动轴。 发动机排气制动是在发动机制动的基础上发展起来的，通常是在发动机排 气管的出口处安装一个蝶形阀，当排气制动不起作用时，阀片处在张开的位置， 不影响发动机的正常工作；当排气制动起作用时，阀片关闭，同时断油机构强 制性切断发动机的供油，行驶的汽车带动发动机曲轴旋转，发动机活塞在排气 行程中，排出的气体因制动阀片关闭而被压缩，产生压力，使发动机如同压气 机一样工作，被压缩的气体使排气时活塞上行产生阻力，加大了发动机的压气 损失，从而起到了制动效果。 当前装在国内汽车的辅助制动装置多采用发动机排气辅助制动系统。发动 武汉理工大学硕士学位论文 机排气制动具有以下特点： ( 1 ) 结构简单，性能可靠，操作方便，在结构上较其它形式缓速器简单，制 动效能良好： ( 2 ) 由于使用排气辅助制动时，必须切断发动机燃料供给，因此可以产生一 定的节油效果； ( 3 ) 保证汽车在不使用或少使用主制动器的情况下，能够在坡道上保持一定 的速度稳定下坡行驶，实现安全减速，减少主制动器的工作次数，提高其使用 寿命； ( 4 ) 排气制动是由压缩气体产生的，因此制动柔和，不象车轮制动器制动那 样带有冲击性，故减少了零部件所承受的冲击载荷，延长了有关零部件的使用 寿命，减少了维修保养次数； ( 5 ) 由于压缩比及其它技术原因，该装置适用于柴油机，而不适应于汽油机； ( 6 ) 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； ( 7 ) 排气控制阀片易出现烧蚀和卡死故障，也会出现气门卡死和汽缸垫损坏 的故障。 1 2 2 液力缓速器 液力缓速器，也称液力减速器，液力缓速器主体结构是由两个工作轮组成 的，此两轮分别称为动轮和定轮。动轮与传动系统的旋转部件相连，定轮与固 定部件相连工作时动轮由传动系统带动，动轮叶片给缓速器内部的工作液体 提供动能和势能。工作液体流入定轮后，冲击定轮叶片，工作液体的冲击和摩 擦损失变为液体的热能，其温度不断升高。工作液体产生的热量将通过循环液 体的流动而被散热器带走。在动轮与工作液体相互作用中，工作液体施加反作 用力于动轮，产生制动力矩。液力缓速器基于能量转化原理与其他的制动方式 一样，都是将车辆的动宾转变为热能，然后散耗到太气中 液力缓速器具有以下特点： ( 1 ) 适用于高速、大功率车辆液力缓速器的制动力矩与车辆传动轴转速的 乎方或减速器工作腔有效直径的5 次方成正比，因而在车辆高速行驶且制动器 直径较大时，液力缓速器能比其它辅助制动方式提供更大的制动力矩。 ( 2 ) 适用于长时间的连续制动。液力缓速器采用液力制动方式，无机械磨损， 且有循环冷却装置可以将油液产生的热量带走，因此能长时间连续为车辆提供 制动能力。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 提高下坡行驶速度，减少车轮制动器磨损。 ( 4 ) 低速制动能力差由液力缓速器的特性所决定，当车速下降时其制动力 矩下降很快在传动轴转速低于5 0 0 f fmi n 时，制动力矩有波动，在转速为零时 完全失去制动能力，故需与其它制动配合使用 ( 5 ) 空转损失大由于液力缓速器的动轮是与车辆传动系统相连，被驱动而 旋转时，动轮和定轮内的空气产生循环流动，从而产生一定的能量损失，该损 失值约为所传递功率的4 左右。因此，必须尽量降低空转损失。 ( 6 ) 控制要求高。液力缓速器是依靠改变充液量来控制制动力矩的。在部分 充液时，为了维持制动力矩稳定，就必须保持液力减速器内油液量的动态平衡。 其次，车辆在高速行驶条件下进行紧急制动的时间很短。而在这段时间内，液 力缓速器必须从无油到充满油，这就要求液压系统的流量大、动态响应快。这 就给控制系统带来相当的难度。 1 2 3 电缓速器 电缓速器包括电磁缓速制动器和永磁缓速制动器两种。 电磁缓速制动器是由通过传动系带动的盘状的转子和固定不动的电磁铁组 成的定子组成。线圈在通电后产生磁场，由于圆盘在磁场中转动，因此有电涡 流流过，电涡流和磁场间因相互作用而产生制动力矩。 与发动机排气制动和液力缓速器相比，电磁缓速制动器具有以下显著的优 点：结构简单，生产制造成本也不高；制动力矩范围广，适合于各种型式的车 辆；响应时间短( 仅有4 0 m s ，比液力缓速器的响应快2 0 倍) ，无明显时间滞后； 车辆在低速运行时，也可产生较高的制动力矩；制动力矩的大小可以通过控制 励磁电流来调节，易实现自动控制；故障率低，维修方便，可靠性高其缺点 是：体积较大，重量较重；制动减速能力和使用时间长短受转子温升、缓速器 周围气流条件和环境温度的影响。 1 2 4 牵引电机缓速器 牵引电机缓速器也称为发电制动或能耗制动。对于采用电传动系的汽车， 可以对电动驱动轮中的牵引电动机停止供电，使之受驱动轮驱动而成为发电机， 将汽车的部分动能转变成电能，再使之通过电阻转变为热能而耗散。这时电动 机对驱动轮的阻力矩即是制动力矩。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 5 空气动力缓速器 空气动力缓速器，又称空气阻力制动，依靠突然增大的车身空气阻力或装 于车辆尾部的可弹出的空气阻力伞产生制动力这种制动方式制动平稳，安全 可靠且无冲击，一般应用于赛车。 1 2 6 再生式制动缓速器 再生式制动缓速器是通过产生的制动力矩以回收车辆动能并将其存储在 车轮能量储存器中的任何形式的缓速器。目前处于研究阶段，在国内已经有再 生式制动器的相关研究，但在与缓速器的结合利用上尚无研究。 1 3 汽车辅助制动器的有关法规 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p 1 ：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。在瑞士也有类似德国的法规：总质量超过3 5 吨的牵引车 以及总质量8 吨以上的载重车必须安装辅助制动系统。法国交通法规要求重量 超过8 吨的车辆、经常在路况较差的道路上行驶的车辆、装载易燃易爆物品的 车辆等都必须安装缓速器。在北欧、美国西部、日本等多山地丘陵地区，许多 公共汽车、工程用车、重型运输汽车上都装备了液力缓速制动器。 2 0 0 2 年6 月，我国交通部颁布了实施中华人民共和国交通行业标准 j t t 3 2 5 2 0 0 2 “营运客车类型划分及等级评定”【i “，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。建设部颁布了实施 中华人民共和国交通行业标准c j t 1 6 2 - - 2 0 0 2 “城市客车分等级技术要求与配 置”，规定超二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车都必须装置缓速器即 使达不到高二级的客车，也把缓速器列为选装件。 1 4 汽车电磁缓速制动器的国内外研究现状 汽车电磁缓速制动器的安全性已经得到汽车界的普遍认可，欧、美、日等 发达国家已经把电磁缓速制动器作为标准件在多种级别的客车和中型、重型货 车上装用，作为汽车制动系统的必要补充装置。国外知名的电磁缓速制动器生 产厂商有：法国的泰乐马( t e l m a ) 公司、德国的克罗伏特( k l o f t ) 公司、西班 牙的弗雷拉萨( f r e n e l s a ) 公司、西班牙的k l e m 公司、日本的t b k 公司等，其产 6 武汉理工大学硕士学位论文 品己发展成熟、形成系列，可适合各种型式的车辆。电磁缓速制动器的的生产 历史可以追溯到3 0 年代。当时，德国、法国等西欧一些国家为了解决火车列车 下长坡制动问题，首先在火车上使用了这种装置。1 9 3 6 年，法国人r a o u ls a r a z i n 首次将电磁制动技术应用在汽车上；6 0 、7 0 年代( 1 9 6 5 年) t e l m a 公司设计出了 首台安装到变速器和驱动桥上的电磁缓速制动器，电磁缓速制动器开始在少量 大型载货汽车上装车使用；8 0 、9 0 年代( 1 9 9 3 年) 出现了将电磁缓速制动器与传 动轴做成一体的产品，较广泛地在大中型货车、客车等运输车辆上应用。1 9 9 6 年，缓速器使用了电子控制。至1 9 9 7 年已有1 5 万台电磁缓速制动器器应用在 德、英、美、意、日本等国的载货汽车上和大客车上。 在我国，电磁缓速制动器研制、生产和应用处于起步阶段。随着汽车的驱 动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大，加之人们对 汽车的安全性、使用经济性、舒适性的重视，电磁缓速制动器在国内汽车界也 日益受到重视深圳的特尔佳( t l c ) 、浙江温州的中国瑞立公司与一汽合作、无 锡三生科技公司、江苏大学和长安大学等一些企业和高校在汽车电磁缓速制动 器的理论、设计和制造等方面已经进行研究，取得了一定的成果。但对汽车电 磁缓速制动器的基础理论缺乏深入、系统地研究，如电磁缓速制动器的制动力 矩、电磁缓速制动器的制动性能及电磁缓速制动嚣对汽车传动系的影响等方面。 因汽车电磁缓速制动器涉及到电磁理论、传热现象及多种能量的转换，故 其制动力矩的计算较为复杂，故国内外对于制动力矩的计算都不准确，不能反 映电磁缓速制动器的制动过程的制动力矩的变化。有些文献中采用了些方法 研究了刺用涡电流产生制动力矩的设备( 类似电磁缓速制动器) ：文献f 1 3 】中详 细叙述了涡流测功机制动功率、制动力矩的计算以及涡流测功机的设计；文献 1 4 1 导出了列车旋转涡流制动器涡流制动功率计算的实用公式；文献 1 5 1 计算了列车 轨道涡流制动的制动力。此外，也有一些计算电磁缓速制动器制动力矩的文献 和方法：文献 1 6 】将电磁缓速制动器简化为磁路推导了缓速器的制动力矩；文献 【1 7 t 9 研究了电磁缓速制动器的电流密度和制动力矩；文献【2 0 】计算了因涡流而 损耗的功率，根据理论分析和实验研究了几个方面参数变化对转子盘制动力矩 的影响；文献 2 1 2 3 以有限元法为理论基础，对电磁缓速制动器的电磁场问题 进行了研究；文献 2 4 1 详细说明了一个与涡流盘在低速区产生制动扭矩较为的近 似的理论模型；文献【2 5 】模拟了制动器，并估计了制动功率，先在静态模型的基 础上以有限元方法计算出电流密度，在动态模型的基础上进行比较。 对安装电磁缓速制动器汽车的制动性能的研究也较少，研究内容较浅，对 于评定电磁缓速制动器的制动性能的一些重要指标，如制动减速度、制动距离 武汉理工大学硕士学位论文 等缺乏研究。文献【2 6 】【2 7 】研究了客车发动机制动、排气制动与缓速制动器联合 作用的制动能力，文献【2 8 】对缓速器在汽车高速行驶状态下制动距离控制方面进 行了研究，文献 2 9 】【3 0 】分析了装用电磁缓速制动器汽车的制动性能( 主要是制 动稳定性) ，文献【3 1 】研究了缓速器在汽车下坡行驶中应用效果。 从查阅国内外相关文猷情况看，没有关于电磁缓速制动器对汽车传动系影 响的研究。 1 5 本文研究的目的和意义 现代汽车的发展方向是高速、安全、环保、舒适，辅助制动器将会是行车 安全必不可少的标准配置。电磁缓速制动器作为辅助制动器的一种，安装在山 区和城市的运行车辆上有显著的制动效果。国家交通部和建设部颁布的交通法 规中对汽车安装电磁缓速制动器作了明确要求，建设部还将此作为推广应用技 术，然而电磁缓速制动器在我国研制、生产和应用处于起步阶段。针对这一新 技术在研究中的问题和国内应用的现状，本文的研究具有以下目的： ( 1 ) 确定产品设计的理论依据。该产品涉及机械、电子、磁场等领域的知 识，目前在国内相关产品和技术还是参照国外的样品进行仿制。通过对理论和 设计方法的进一步掌握可以促进此产品的开发 ( 2 ) 确定该产品对汽车制动性能影响的评价方法。通过对客车在平路和下 坡工况下安装电磁缓速制动器制动性能的分析，从理论上得到制动减速度、制 动距离的计算公式以及汽车下坡制动能力和制动稳定性的评价方法。本文的工 作为进一步研究和改进电磁缓速制动器的制动效能以及改进汽车的制动性能提 供理论基础。 ( 3 ) 确定该产品对汽车传动系扭振的影响。电磁缓速制动器安装到汽车传 动系中有三种方式，都要对传动系做一定的改动。实际应用时主要从安装成本 和可操作性来考虑电磁缓速制动器的安装位置，没有考虑到对汽车传动系振动 的影响，而传动系的振动与汽车整体振动以及乘坐舒适性有着直接联系。 本文的主要内容是电磁缓速制动器的设计理论、制动性能研究以及电磁缓 速制动器对传动系的影响分析，其意义主要在于： ( 1 ) 理论创新。目前国内外对电磁缓速制动器的制动性能的研究较少，缺 乏对电磁缓速制动器对传动系影响的研究。本文的工作可弥补这个领域的不足。 ( 2 ) 为实际应用提供了理论基础和实验技术我国多山地丘陵，上下坡道 多，为了行车的安全可靠，提高行车的速度，在车辆上装用电磁缓速制动器非 常必要。现代城市的公交车和豪华大客车也都需要安装电磁缓速制动器。因此， 武汉理工大学硕士学位论文 本文的研究有助于知识向产品的转化 ( 3 ) 工程应用。本文的研究是出于实际需求，解决了产品设计中的重要问 题，可作为该产品研究和设计的参考 1 6 本文的课题支撑与主要研究内容 1 6 1 课题支撑 武汉市中小型科技企业创新基金项目：汽车电磁缓速制动器 1 6 2 主要研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 电磁缓速制动器的制动力矩研究。在前人研究的基础上根据电磁场理 论得出电磁缓速制动器的制动力矩随转速变化的公式，分析制动力矩的影响因 素，研究电磁缓速制动器的匹配规则。 ( 2 ) 电磁缓速制动器的制动性能研究。从制动减速度、制动距离、下坡性 能、制动稳定性等方面研究安装电磁缓速制动器后汽车的制动性能。 ( 3 ) 电磁缓速制动器对传动系的影响分析。建立传动系各部件的数学模型， 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，对安装电磁缓速制动器前后的传动系进行仿真， 研究电磁缓速制动器对传动系的影响 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车电磁缓速制动器的基本问题 2 1 汽车电磁缓速制动器的基本结构 从功能来分，汽车电磁缓速制动器由电控装置和机械装置两部分组成。 汽车电磁缓速制动器的电控装置部分1 3 2 】【3 3 j 【4 9 】一般是由手( 脚) 控制开关、 缓速器工作指示灯、制动气压信号传感器、继电器等装置组成，有的还有车速 信号传感器和a b s 联接器等。见图2 1 。 手控开关一般分4 个档位。开关处于0 档位时，5 条线全部断开；第1 档位 时，1 号线接通搭铁，继电器盒内l 号继电器吸合，则第一组励磁线圈通电，这 时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的四分之一；第2 档位时，l 号线与2 号 线同时接通搭铁，继电器盒内1 号与2 号继电器吸合，则第一组和第二组励磁 线圈同时通电，这时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的二分之；第3 ，4 档位类推。脚控开关是为方便驾驶员的操纵使用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 用并根据制动踏板的行程，气压制动丌关上4 个压力传感器将依次接通，其 作用与手控开关一样。 工作指示灯安装于驾驶室仪表板上的，其上有缓速器当前励磁电流工作状 态的显示，还有按钮可进行手动励磁或自动励磁的切换操作。 制动 缓速器主体 控制e c u 手( 脚) 控制开关 a b s 联接器 制动继电器 。车速信号传感器 工作指示灯 线束 电源主开关 图2 - 1 电磁缓速制动器电子控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 车速传感信号产生零速开关信号，当车辆被制动静止时，驱动控制器自动 切断电磁缓速制动器的励磁电流，避免在车停后因驾驶员仍踩住制动踏板向电 磁缓速制动器励磁线圈供电，造成供电浪费及损坏线圈。 制动压力传感器有开关型和线性型可供选择。线性型传感器产生的电信号 反映了制动压力的线性交化大小，并向驱动器传输，以控制电磁缓速制动器的 励磁电流量值的大小，实现电磁缓速制动器的减速制动力矩随制动压力值作比 例变化：驾驶员重踩制动踏板则制动压力高，电磁缓速制动器的产生的制动力 矩也大，轻踩则制动力矩小。 电磁缓速制动器的机械装置部分由缓速器的定子、转子及固定支架等部件 组成，如图2 - 2 所示。 缓速器定子一般是通过固定架安装于汽车车架上( 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。定子上有8 个由高导磁材料制成的磁极作为磁轭，呈圆周分布形式，均 匀地安装在高强度的优质铝板上。8 个励磁线圈套于磁极上，圆周上对面2 个磁 极的励磁线圈为串联连接而形成1 对磁极，而且相邻2 个磁极均为n 、s 相间， 这样就形成相互独立的4 对磁极；转子由前转子盘、后转子盘和转动轴构成， 前后转子均为圆环状，用导磁性能良好的铁磁材料制成。转子通过法兰盘装置 在传动轴突缘上，可随传动轴自由转动，前后转子盘和定子磁轭间保持有极小 的均匀的气隙，以使转子旋转时不会刮擦到定子磁轭上。 图2 - 2 电磁缓速制动器的机械装置部分 墓坚里三查堂堡主堂垡鲨奎 2 2 汽车电磁缓速制动器的工作原理【3 4 3 8 1 汽车电磁缓速制动器通过电涡流产生制动力矩使车辆缓速，从而达到辅助 制动的目的；其具体工作过程是：当驾驶员接通缓速器的控制手柄开关( 或踩下 制动踏板) 进行减速或制动时，电磁缓速制动器的励磁线圈通以直流电流而励磁， 产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路。这时在旋转的转子 盘上，其内部多个闭合导线所包围的面积内的磁通量发生变化，从而在转予盘 内部产生涡电流( 简称涡流) 。涡流产生后，磁场就会对带电的转子盘产生转动阻 力，阻力的方向可根据弗莱明左手法则判断。阻力的合力沿转子盘周向形成与 其旋转方向相反的制动力矩，使传动轴减速，如图2 - 3 所示。表2 一l 为电磁缓速 制动器的工作情况。涡电流的作用有两个方面：一是涡电流在具有一定的电阻 的转子内部流动时会产生热效应而导致转子发热。车辆的动能就通过感应电流 转化为热能，并通过转予盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去；二 是涡电流会产生新的磁场，根据楞次定律，闭合导线回路中所产生的感应电流 总是使它自己所产生的磁场反抗任何引起电磁感应的变化，阻止、反抗转予的 转动，这样就形成了迫使车辆降低速度的制动力矩。 图2 3 电磁缓速制动器的制动力矩和涡电流 表2 1 电磁缓速制动器的工作情况 挡位工作电流制动力矩工作线圈组数一转内磁场变化 12 52 02o 25 04 04 0 37 57 064 41 0 01 0 088 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 汽车电磁缓速制动器的安装方式 电磁缓速制动器有三种安装方式：装在变速器上、装在传动轴中间、装在 主减速器上，如图2 - 4 所示。 1 装在传动轴中间 这种安装方式适合于传动轴较长的车型，缓速器定子固定在车架大梁上， 转子通过连接凸缘与前后传动轴相连。特点是电磁缓速制动器安装在前后两根 传动轴中间，只改变传动轴的长短，安装比较方便。 2 装在变速器上 这种安装方式适合于发动机后置的客车和短轴距牵引车。将缓速器定子固 定在变速器后端盖上，转子通过过渡法兰与变速器的输出端和传动轴的前端相 连。特点是结构紧凑，对整车的结构布局影响小，但对变速器的后端结构改动 较大，同时对其后端轴承承载能力和油封的密封性要求较高。 3 装在主减速器上 这种安装方式也是适合于发动机后置的客车和短轴距牵引车，缓速器定予 固定在主减速器外壳上，转子通过连接环与主减速器的输入端相连。特点是结 构比较紧凑，但对主减速器前端的密封圈和输入轴轴承的使用寿命以及使用效 果影响较大。图2 5 为该安装方式的实车安装。 ( a ) 装在主减速器上 ( b ) 装在传动轴中间( c ) 装在变速器上 图2 4 电磁缓速制动器的三种安装方式 图2 - 5 电磁缓速制动器的实车安装 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 汽车电磁缓速制动器的特点 从现代汽车的应用前景来看，发动机制动、发动机排气制动、缓速器是最 常用的辅助制动方式，其它的辅助制动方式则只出现在特殊场合。 对缓速器、发动机制动和发动机排气制动的下坡能力进行对比试验j ：当 车速为最高速度的6 0 时，发动机制动的稳定下坡坡度为2 6 ，排气制动可达 到4 ，而利用不同的缓速器可达到7 。反之，如果下坡坡度为7 ，则利用发 动机制动，稳定下坡的车速为最高车速的7 ，发动机排气制动的稳定车速为 1 9 ，而缓速器可以达到6 0 。这是因为发动机制动和发动机排气制动可吸收的 功率比较小，在7 的坡道上，如果采用发动机制动和发动机排气制动，为了保 证足够的制动扭矩，变速器的档位必须很低，这样就使得汽车的稳定车速过低， 无法满足正常行驶的要求。 图2 - 6 表示了加装缓速器对汽车平均车速的影响情况。从图中可以看到，加 装缓速器后汽车平均车速可以明显地提高。这主要是由于加装缓速器提高了汽 车下坡时的稳定车速。 平均车速女m h 图2 6 辅助制动器对平均车速的影响 电磁缓速制动器利用电磁场原理工作，没有机械磨损，使用效果较好，相 比于其他辅助制动器有很多优点： 2 。- 3 3 1 1 提高行车安全性 在通常车速下制动，电磁缓速制动器可承担车辆减速时8 0 以上的制动能 量，大大减轻主制动器的工作负荷。由于电磁缓速制动器制动转矩的叠加作用， 车辆制动距离和制动时间可缩短1 5 1 9 ，制动器温度降低3 8 5 0 ，摩擦片 因热衰退而失效的危险可以得到消除。从机电特性来看，电信号传递远快于机 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 械传递。因此，电磁缓速制动器的制动响应时间大为缩短，车辆制动灵敏度提 高。从制动转矩作用方式看，电磁缓速制动器的制动转矩作用于传动轴，经后 桥放大后叠加到后轮。这样，后轮受力均匀，缓解了因制动器调整不当或磨损 不均匀造成的制动跑偏，从而提高车辆行车的安全性。 2 提高制动效能 安装电磁缓速制动器后，制动功率为励磁功率的5 0 8 0 倍，最大制动转矩 可达3 0 0 0 n m 。在常用速度范围内，电磁缓速制动器的制动力矩比例达5 0 左右1 5 1 】。图2 7 是汽车安装电磁缓速制动器后的t v 曲线( 制动力矩一车速) 。 图中t 1 、t 2 、t 3 分别为制动器、电磁缓速制动器以及两者合成的制动扭矩。 02 55 07 51 0 0 1 2 5k m h 图2 7 电磁缓速制动器制动扭矩 3 经济性实用性较高 虽然电磁缓速制动器的市场一般在一万元以上，但安装电磁缓速制动器后 能减少车辆制动系的维修工作量，减少制动蹄片和制动毂的磨损，延长轮胎的 使用寿命，提高车辆的出勤率，从而弥补其投入经费。从装电磁缓速制动器车 辆运行显示结果初略估算一下【5 2 】：车辆制动蹄片寿命延长4 8 倍，轮胎的使用 寿命可以延长2 0 。如果计入全年车辆节约的材料费、维修费以及增加的运营 车时间等因素，使用电磁缓速制动器的用户可以从减少车轮制动器日常维护和 维修成本上得到的经济效益可达1 4 万元( 人民币) ，即使按电磁缓速制动器2 万元台的市场价格计算，在一年半内就可收回配置缓速制动器的全部投资。如 以武汉市的公交车计算其经济效益：武汉市现有公交车约5 7 0 0 辆，如按3 0 0 0 辆车安装电磁缓速制动器计算经济效益，武汉市公交集团公司全年可节省人民 币4 2 0 0 万元。 武汉理工大学硕士学位论文 4 提高操作和乘坐舒适性 电磁缓速制动器的操作简单、反应灵敏等优点是其他辅助制动装置无法比 拟的。驾驶员只需要轻踩制动踏板就能获得所需的制动力矩，减轻了驾驶员的 劳动强度，使驾驶更安全、更容易。安装了电磁缓速制动器的汽车，对手动操 纵方式的缓速器而言可以减少制动踏板的使用频率，对脚动操纵方式的缓速器 而言可以减少制动所需的踏板力。另外，电磁缓速制动器在车辆减速的全过程 中都起作用，能够提供平滑、渐进、安静的减速制动力，从而使车辆制动更加 平缓，大大提高了乘坐舒适性。 5 提高环保性能 电磁缓速制动器提高环保性能主要表现在消除制动器的制动尖啸声和减少 有害于环境的制动器粉尘。制动器温度过高时，摩擦片表层焦化，与制动毂接 触摩擦时会产生刺耳的尖啸声。电磁缓速制动器分担制动能量后，制动器温度 有效降低，摩擦片表层基本不会焦化，从而消除了制动尖啸声。同理，制动器 工作负荷减轻，直接减少摩擦片和制动毂的磨损。从磨损量推论，两者磨损产 生的粉尘可减少3 0 一5 0 。 2 5 电磁缓速制动器的发展趋势 2 5 1 轻量化 为了克服电磁缓速制动器质量大的缺点，近年来各厂家除了优化电磁缓速 制动器结构外，还在选用材料上下功夫，即选用既满足性能要求同时质量又较 轻的材料。如克罗伏特( k l o f t ) 公司的电磁缓速制动器的质量和体积近年来 都有减小，特别是其转子质量较其他公司减小3 5 。 2 5 2 集成化 集成化是指将电磁缓速制动器与车桥集成一体。如西班牙的弗瑞纳萨 ( f r e n l e l s a ) 公司设计和生产的一种内置于车桥中的电磁缓速制动器( 其型 号为e t - 4 0 0 l ) 。这种内置式缓速器整体车桥由一根中心车桥、一组差速系统、 一个两半片式电磁缓速制动器和两个标准空气制动系统组成，专为半挂车而设 计的，安装在拖架上，替换半挂车的一根车桥，这样产生的制动力直接作用在 半挂车的尾部，可避免半挂车在制动时产生“折叠”的危险情况，提高了半挂 武汉理工大学硕士学位论文 车的行驶安全性能。这种内置式缓速器可产生最大制动力矩达3 1 0 0 n m ，适合于 总质量为4 4 吨左右的半挂车 2 5 3 电子控制 电磁缓速制动器现多采用继电器分级控制，这样所产生的制动力矩是分级 阶梯状不连续的。其发展方向是采用无级调节技术，即通过电子控制装置调节 激磁线圈中的电流大小来控制磁场的产生，从而使得所产生的制动力矩连续变 化，以更好适应车辆的制动要求。 在控制策略中考虑转子盘温升过高的问题。近年来日本一些公司设计了一 种电子控制式电磁缓速制动器。其控制的原理是通过对传统电磁缓速制动器励 磁线圈的电流进行控制，使得缓速器本体不产生过热现象。当控制系统通过监 控转子温度超过一定值时，就减少工作励磁线圈的数量或短暂切断供电电源， 阻使温度保持在缓速器工作允许的范围内。 另外，国内外正在研究电磁缓速制动器与车轮主制动器以及其它辅助制动 系统( 如发动机制动、发动机排气制动) 协同工作的规律2 6 1 2 7 1 。随着汽车控制系统 的发展，电磁缓速制动器的控制系统已开始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 缓速器控制继电器进行控制，从而使得装有电磁缓速制动器的汽车获得更安全、 更可靠的制动性能 2 6 本章小结 本章详细叙述了电磁缓速制动器的机械结构和电气结构，在此基础上，介 绍了电磁缓速制动器的工作原理、安装方式和特点，表述了电磁缓速制动器的 发展趋势 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章汽车电磁缓速制动器的制动力矩 汽车电磁缓速制动器从机械结构来看并不十分复杂，但是它涉及到了电磁 理论、传热现象以及多种能量的转换。因此，制动功率和制动力矩的计算是一 个很复杂的工作本章在总结前入研究的基础上，建立了电磁缓速制动器制动 力矩计算的实用数学模型，并提出了电磁缓速制动器的关键参数确定和型号匹 配规则。 3 1 汽车电磁缓速制动器制动力矩计算的数学模型 汽车电磁缓速制动器的制动力矩的精确数学计算非常烦琐，有时甚至不可 能求解。在建立数学模型前，结合工程实际，对电磁缓速制动器做如下的假设： 转子盘中的涡流仅沿径向，并且在整个转子盘半径方向上的电流密度相同； 忽略转子盘的电导率的温度效应，假设电导率仃为常数；忽略转子盘的磁 滞现象，假设磁导率“为常数，认为铁磁物质均匀和各向同性；沿转子盘内圆 分布的磁通量曲线及涡流曲线均为正弦波。 按照上述假设可确定电磁缓速制动器沿转子盘轴向电流密度的分布规律 时，选用直角坐标系，并使坐标系的z 轴沿转子盘轴向，x 轴沿转予盘径向， 如图3 - 1 所示。 图3 - 1 直角坐标系的选择 3 1 1 电磁缓速制动器转子盘的电流密度 电磁缓速制动器的相关参数定义如下： “，：转子盘的相对磁导率，h m ，低碳钢通常可取1 0 0 5 0 0 ，本文取1 8 0 “。：真空的磁导率，蚝= 4 7 r 1 0 。h m d ：转子盘的电导率，低碳钢通常可取口= o 6 1 0 6 s m “ p ：电阻率，p = l 仃 n ：磁励线圈匝数 武汉理工大学硕士学位论文 ，：励磁电流强度，a n p ：磁极对数，虬2 4 ”：转子盘的转速，r m i n 、r 2 ：转子盘的内、外径，m m d ：铁心直径，m m 占：气隙，m n l 品：转子盘面积，m m 2 电磁缓速制动器属于似稳交变电磁场，所以可忽略自由电荷与位移电流， 由麦克斯韦方程可得到电流密度，、磁场强度h 和电场强度e 之间的关系： v h = ， ( 3 - 1 ) v e ：一“型( 3 - 2 ) j = 葩 ( 3 - 3 ) 则其涡流方程( 集肤效应方程) 1 5 3 1 为： f 日1 锥 0 4 ) 从所选坐标系和假设可知，磁场强度仅沿y 轴方向变化，电场强度仅沿x 轴方向变化，则 v ，= 一瓦a h y v t = 鲁 c v 2 争= 。 由假设场量随时间按正弦变化， 复数形式为： e 。= e , j i “ h y = h 。p p ( “+ 妒 ( 3 - 6 ) 则把电场强度分量与磁场强度分量写成 式中为磁场变化的角频率= 2 z r n p n 6 0 式( 3 - 8 ) 、( 3 9 ) 代人式( 3 - 7 ) 得： 1 9 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 伊为e ，与h ，之间的相角差。 武汉理工大学硕士学位论文 等= 牙 ( 3 - 1 0 ) 可0 2 h m y = 牙日w ( 3 1 1 ) 令u a e a j = 刀，式( 3 - 1 0 ) 和( 3 - 1 1 )