（机械电子工程专业论文）城市客车电磁缓速制动器的制动性能分析与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 城市客车是城市公共交通的主体，是城市生活的重要组成部分。随着生活 水平的提高，民众对城市客车的要求日渐提高。城市客车在营运过程中由于乘 客量大、制动频繁，制动力不足一直是车辆普遍存在的问题，电磁缓速制动器 的应用不仅是目前解决这个问题的有效方法，而且能提高城市客车的安全性、 环保性、舒适性，经济性，满足乘客的要求。因此，针对城市客车的特殊性， 研究城市客车电磁缓速制动器的特殊功能及其制动性能，使电磁缓速制动器更 适应城市客车的发展需求是很有必要的。 本文首先综合讨论了城市客车电磁缓速制动器的工作原理、基本结构和安 装方式等基本问题，根据城市客车的运营工况和发展趋势，提出了城市客车电 磁缓速制动器的功能要求和设计要求，重点介绍了课题组设计的d h z l 0 0 型城 市客车电磁缓速制动器及其应用效果：推导得出了城市客车电磁缓速制动器制 动力矩和温升的理论计算公式，并通过分析安装电磁缓速制动器后城市客车的 制动过程，得到了制动性能指标制动距离、制动减速度与制动时间的计算 公式；通过建立城市客车传动系的键合图模型，并采用基于键合图模型的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真方法，建立了城市客车电磁缓速制动器制动性能仿真模型， 采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件进行了d h z l 0 0 型城市客车电磁缓速制动器的制 动性能仿真分析，得到了电磁缓速制动器对城市客车制动性能的影响；通过比 较安装电磁缓速制动器前后城市客车制动性能的仿真结果，验证了本文对城市 客车电磁缓速制动器制动性能理论分析的正确性，为城市客车电磁缓速制动器 的优化设计和选型设计提供了方便可行的方法。 本文的主要研究成果，已应用于实际产品，经实验检验是正确实用的。 关键词：城市客车；电磁缓速制动器；制动性能；键合图；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i t yb u si sn o to n l yt h em a i nb o d yo fc i t yp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n , b u ta l s o a l l i m p o r t a n tp a r to fc i t yl i f e w i t ht h ei m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g , p e o p l e s d e m a n d sf o rc i t yb u sa r ei n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y w h e nt h ec i t yb u sr u u s 。t h e r ei sa c o i l l r l o np r o b l e mf o rc i t yb u sw i t h o u ts u f f i c i e n tb r a k ep o w e rw h i c hi sc a u s e db yl a r g e n u m b e ro fp a s s e n g e r sa n df r e q u e n t l yb r a k i n g t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t m m a g n e t i c b r a k ec a l ln o to n l ys o l v et h i s p r o b l e me f f e c t i v e l y , b u ta l s oi m p r o v es e c u r i t y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，c o m f o r ta n do d s t - e f f e c t i v e n e s so f c i t y b u st om e e t p a s s e n g e r s d e m a n d s t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd t yb u s ，i ti s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e s p e c i a l f u n c t i o na n dt h e b r a k i n gp e r f o r m a n c e o f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u st om a k ed e c t r o m a g n e t i cb r a k em o r es u i t a b l ef o rt h e r e q u e s to fc i t yb u sd e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ns y n t h e t i c a l l yd i s c u s s e dt h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m so f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u s , s u c ha sw o r k i n gp r i n c i p l c b a s i cs t r u c t u r ea n d i n s t a l l a t i o nm o d e s a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fc i t y b u s ，t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h ef u n c t i o na n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rt h e e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u s ，a n dt h e nf o c u s e do ni n t r o d u c i n gat y p eo f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u sd h z l 0 0 ，w h i c hi sd e s i g n e db yt h ew o r k - t e a m ，a n d i t sa p p l i c a t i o ne f f e c t t h ed i s s e r t a t i o nd e d u c t e dt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gb r a k i n g t o r q u ea n dt e m p e r a t u r e - r i s eo fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u s ，a n db ya n a l y z i n g t h eb r a k i n gp r o c e s so fc i t yb u sw i t he l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，t h ed i s s e r t a t i o na l s o o b t a i n e dt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ei n d e x e s - - b r a k i n g d i s t a n c e ，b r a k i n gd e c e l e r a t i o na n db r a k i n gt i m e b ye s t a b l i s h i n gt h eb o n dg r a p ho f c i t yb u s sp o w e rt r a n s m i s s i o na n du s i n gt h em a t l a b s h n u l i n kb a s e do nt h eb o n d g r a p h ，t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fb r a k i n gp e r f o r m a n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e t h r o u g hs i m u l a t i n gt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fd h z l 0 0 ，t h e i n f l u e n c eo ft h i sb r a k eo l lc i t yb u sh a db e e no b t a i n e d a n dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fc i t yb u se q u i p p e dw i t h e l e c t r o m a g n e t i cb r a k ew i t hc i t yb u sn o te q u i p p e dw i t he l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，i tw a s p r o v e dt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fb r a k i n gp e r f o r m a n c ew a sc o r r e c t ，a n dp r o p o s e d as i m p l ea n df e a s i b l em e t h o df o ro p t i m i z e dd e s i g na n dm a t c h i n gd e s i g no f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo fc i t yb u s t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e na p p l i e di nt h ed e s i g no f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k eo nc i t yb u s a n dh a v eb e e np r o v e dt ob cp r a c t i c a la n d c o r r e c t b ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：c i t yb u s ；e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ；b r a k i n gp e r f o r m a n c e ；b o n dg r a p h ； s i m u l a t i o n 此页若属实请申请人及导师签名o 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：錾三重。日期盈2 ：f f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全都内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名： 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 客车作为提供公共运输服务的车辆，分为运营客车、城市客车和旅游客车 三大类。其中城市客车作为城市公共交通的主体，人们对其要求日渐高涨，尤 其是运用新科技产品。电磁缓速制动器是一种新型的辅助制动装置，减轻主制 动系统的负担的同时，提高了车辆的舒适性、环保性、经济性和安全性，是一 种日渐普及的新科技产品。电磁缓速制动器适用于各种车辆，但针对不同类型 车辆的运营工况又有其特殊的设计要求。城市客车电磁缓速制动器是针对城市 客车的特殊运营工况而设计的城市客车辅助制动器。本文便是对其进行研究与 分析。 1 1 城市客车电磁缓速制动器的应用前景 1 1 1 城市客车辅助制动器的有关法规 国家交通部于2 0 0 2 年5 月1 7 曰颁布了中华人民共和国交通行业标准 j t r 3 2 5 2 0 0 2 “营运城市客车类型划分及等级评定”，规定高二级以上客车必须 安装缓速制动器i l j 。同时，国家建设部也于2 0 0 2 年6 月3 日颁布了中华人民共 和国交通行业标准c i t 1 6 2 2 0 0 2 “城市客车分等级技术要求与配置”，规定中型 以上客车必须配备缓速制动器。随着以上行业标准的颁布，国内一些客车厂家 和公共汽车、长途客运公司才逐渐开始配置电磁缓速制动器。 法德等西方国家很早就制定了关于要求安装缓速器的法规：2 0 世纪7 0 年代， 法国就以立法的形式要求重量超过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。德国交通法规中规定 【2 1 l ：总质量在5 5 吨以上的客车和9 吨以上的载货汽车，必须装有第三制动系统。 瑞士交通法规定：总质量不超过3 5 吨的牵引车以及总质量8 吨以上的载重车必 须安装缓速器。2 0 世纪年代，欧盟也出台相关法规，对缓速器的使用作了明 确规定。 1 1 ，2 城市客车电磁缓速制动器的应用前景 建设部科技委员会城市车辆专家委员会在推广新技术方面，专家委员会在 2 0 0 3 年1 1 月，举办了“缓速器国际技术应用研讨会”，对推动缓速器在公交客 车的应用起到了积极的作用；2 0 0 5 年7 月，举办了“中国客车新技术应用国际 研讨会”，为中国客车新技术应用提出了发展趋势和应用要求【4 i 。2 0 0 5 年3 月 武汉理工大学硕士学位论文 底北京公交集团举办了车辆招标展示会，就此次展示会来说，此次展示车辆的 科技含量与以往公交产品相比有了明显的提高。几乎全部的车辆都安装了缓速 器。随着交通密度日渐增加，制动失灵引起的交通事故越来越频繁，传统制动 方式的局限性越来越明显，缓速器的应用已成为交通安全的迫切需求。缓速器 是近年来的新型技术，主要有液力缓速器及电磁缓速制动器。这2 种缓速器虽 然结构型式、安装方式，工作原理不同，但其作用效果是相似的，都是辅助制 动、减缓车速，减缓或增进制动器及各零部件的相关性能。随着新的自动控制 配件的面世，使用缓速器己成为一种趋势，因为缓速器所具备的瞬间快速反应 作用能更好地发挥其效力。消除和减少由摩擦式制动器所产生的噪声和粉尘， 这也适应了城市客车的环保性，使乘客乘坐更舒适，也适应城市客车的舒适性。 按照陕西省交通厅运输管理局维管科编写，j t 3 2 5 2 0 0 2 标准规定大型高 三、高二级和中型高二级客车必须装置缓行器中的缓行器又称缓速器，是利用 电磁感应理论和楞次定律，使安装在传动轴上的转予产生电涡流，给传动轴的 转动旋加一个制动阻力矩而实现车辆平稳减速，提高车辆行驶安全性、舒适性 的装置，也即电磁缓速制动器。 就目前来说，电磁缓速制动器的使用还仅限于高档客车，但可以预见，随 着进口关税的逐年下降和进口电磁缓速制动器价格的进一步降低及国产电磁缓 速制动器质量的提高，电磁缓速制动器的使用将逐渐从高档客车向中档客车过 渡，并在中档客车中普及，中高档客车行车制动的安全性将会大大的提高。 1 2 本文相关的国内外研究现状 1 2 1 电磁缓速制动器的发展过程及其研究现状 在国外，电磁缓速制动器从发明到完善也经历了一个较长的历史时期，1 9 世纪中叶法国物理学家利昂发现了电磁感应并对此进行了一系列探索，为电磁 缓速制动器的问世奠定了基础。1 9 0 3 年，s t e c k e l 发明了世界上第一台电磁缓速 制动器；1 9 3 6 年，法国人r a o u ls a r a z i n 将第一台电磁缓速制动器应用在汽车上， 从此揭开了电磁缓速制动器实际应用的序幕【6 】。电磁缓速制动器的生产历史可以 追溯到2 0 世纪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。2 0 世纪6 0 、7 0 年代电磁缓 速制动器在少量大型载货汽车上装车使用，8 0 年代中期开始较广泛地在大中型 货车、客车等运输车辆上采用。1 9 9 7 年已有1 5 万台电磁缓速制动器应用在德国、 英国、美国、意大利、捷克、荷兰、西班牙、韩国、日本及瑞典等国的载货汽 车上和大客车上。 2 武汉理工大学硕士学位论文 国外知名的电磁缓速制动器制造公司有：法国的泰尔马o x l m a ) 公司、德 国的克罗伏特( k i o v r ) 公司、西班牙的弗雷拉萨( f r e n e l s a ) 公司等，其产品已发展 成熟、形成系列。目前，电磁缓速制动器己成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚、依 维柯等世界知名汽车的标准配备，广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车 辆上。由于装置电磁缓速制动器提高了安全性得到汽车界的普遍认可，现在欧、 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、 重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。由于技术壁垒，有 关电磁缓速制动器的设计技术未能引入国内。 目前，国内生产研究电磁缓速制动器的厂家和单位较少，主要生产厂家和 研究单位有深圳特尔佳公司和江苏大学。仍然处于对国外产品进行仿制阶段， 在电磁缓速制动器技术方面仍然不成熟，对电磁缓速制动器的一些关键设计理 论( 如温度场的分布、对传动系的影响) 没有深入掌握。 在所查到的文献中，文献【2 】1 6 】针对现代城市公共交通问题，肯定了电磁缓 速制动器的应用前景，通过比较几种常见的缓速器，认为电磁缓速制动器是最 符合城市客车特殊要求的辅助制动器；文献【7 卜【1 6 】是国内外针对城市客车的发 展趋势并结合电磁缓速制动器的方展现状，肯定了城市客车电磁缓速制动器应 用的必然趋势与大好前景；文献【1 8 卜 1 9 i j c 究了应用电磁缓速制动器对城市客车 制动系统的影响，得到电磁缓速制动器不仅提高了城市客车的安全性与舒适性， 而且降低了城市客车维修成本；文献1 2 0 一 2 4 1 描述了电磁缓速制动器工作原理， 基本结构、辅助制动效果；文献【2 5 卜1 2 7 着重介绍了电磁缓速制动器的电子控制 单元；文献1 2 9 一1 3 1 采用有限元方法为理论基础，对电磁缓速制动器的电磁场问 题进行了研究；文献f 3 2 卜1 3 4 对电磁缓速制动器的动态磁感应强度进行了研究， 并且介绍了测得电涡流密度的方法，试图用实验的方法描绘出转子盘中的电涡 流；文献1 3 5 1 一h o 介绍了电磁缓速制动器制动力矩的计算方法，总体归纳起来有 四种计算方法，文献 3 6 1 q 。w o u t e r s e 方法在高转速和低转速时必须分别用两种不 同的表达式，文献1 3 5 得到的公式只适用于低转速区域，文献【3 7 】先介绍了 s m y t h e 方法，其得到的计算公式制动力矩与转速的关系曲线在低速时与实际曲 线非常吻合，但当转速很高时转据衰减的趋势要快于角速度的倒数，这与试验 结果相矛盾，然后在比较了w o u t e r s e 方法和s y m t h e 方法后，提出了自己的计算 方法，其制动力矩和转速的关系曲线在整个高速和低速区域都与试验曲线相似， 但其最大制动力矩误差高达1 1 ，临界转速误差更是高达6 6 7 ；文献1 4 3 1 介绍 了一种电磁缓速制动器转子盘温度场计算方法，文献h 4 介绍叉车制动鼓的温升 计算方法，给本文计算温升提供了一定的思路与帮助；文献 4 5 1 4 9 1 对在车辆 上安装电磁缓速制动器后在各种运行情况下的车辆制动性能进行了研究；文献 3 武汉理工大学硕士学位论文 f 5 1 】f 5 8 】主要研究了键合图理论在汽车动力系统建模中的应用，并结合 m a f l a b s i m u l i n k 仿真分析方法进行汽车相关部件的仿真分析；文献【5 9 a d a m s v i e w 下建立了整车仿真模型，对电磁缓速制动器在平路上的减速制动 性能进行了仿真研究，但其建模与仿真方法对一般a d a m s 不熟练的人很难领会： 文献 6 2 1 一 6 4 1 讲述了车辆传动系扭转振动的仿真分析方法和数学建模方法，而 电磁缓速制动器转子盘的热分析以及对传动系的影响方面没有查到相关文献。 1 2 2 城市客车电磁缓速制动器技术的发展趋势 综合相关资料，城市客车电磁缓速制动器发展趋势如下： ( 1 ) 轻量化 为了克服城市客车电磁缓速制动器质量大的缺点，近年来各厂家除了优化 城市客车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( 1 【i d f t ) 公司的城市客车电磁缓速 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 ) 集成化 集成化是指将城市客车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 i 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 嗍l ) 。 ( 3 ) 电子控制 城市客车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 装置调节励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 种电子控制式城市客车电磁缓速制动器，其控制原理是通过对传统电磁缓速制 动器励磁线圈的电流迸行控制，使得电磁缓速制动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，以使温度保持在电磁缓速制动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主制动器以及其它辅助制动系统 伪】发动机制动、发动机排气制动) 协同工作的规律。随着城市客车控制系统的发 展，电磁缓速制动器的控制系统已开始与城市客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 的电子控制单元根据汽车行驶工况 对电磁缓速制动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。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 基于键合图理论的m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析方法 1 键合图理论 系统数学模型建立方法经历了从古典控制理论中传递函数分析法到频率特 性分析法再到现代控制理论状态空间分析法的发展历程，也是从研究系统端部 特性发展到研究系统内部特性的过程。状态空间分析法关键是要得到系统的状 态方程，键合图理论就提供了这样一种获得系统状态方程的简便方法。 键合图理论是美国密歇根大学的h m p a y n t e r 在1 9 5 9 年首先提出的，继而 由美国的d c k a r n o p p 和r c r o s e n b e r g 为代表的一批学者作了大量的工作而不 断完善起来的。现在，美国，荷兰、澳大利亚、德国以及包括我国在内的许多 国家的高等院校和研究机构，都开展了键合图理论及其应用的研究。 键合图还是一个发展中的理论。直到现在，每年都有一次关于键合图研究领 域的国际会议i c b g m ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nb o n dg r a p hm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n ) 。目前发表的论文除了关于基础理论的研究，主要集中于机械、液压、 流体及电力等工程领域。随着研究的深入，键合图理论已经开始应用于经济学 和管理学等非应用工程学科。 2 m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析方法 m a t l a b 语言的首创者c l e v em o l e r 教授在数值分析，特别是使之线性代数的 领域中很有影响。1 9 8 0 年前后，当他在讲授线性代数课程时，发现了用其它高 级语言编程极为不便，便构思并开发了m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 。c l e v em o l e r 和j o l l n l i t t l e 等人成立了m a t h w o r k 公司，c l e v e m o l e r 一直任公司的首席科学家， 该公司于1 9 8 4 年推出了第一个m a t l a b 商业版本，后来相继推出多个版本的软件。 每一次版本的推出都使m a t l a b 有很大的进步，界面越来越友好，内容越来越丰 富，功能越来越强大。尤其是1 9 9 0 年为m a t l a b 提供的一个新的控制系统模型图 输入与仿真工具s i m u l i n k 更是收到广泛的应用。近几年，随着s i m u l i n k 功能模 块的不断扩充，在学术界和工业领域，作为m a a b 扩展的s i m u l i n k 已经成为动 态系统建模、分析、仿真物理系统和数学系统的重要工具，也是应用最广泛的 软件包。 3 基于键合图模型的m a t l a b s i m u l n k 仿真分析方法 在使用键合图理论对系统的性能进行仿真时，可以手工推导系统输入输出 的关系式或系统的状态方程，再使用计算工具进行仿真计算。但是对于复杂的 系统，推导过程比较复杂，容易出错，特别是遇到含有不确定因果关系或具有 微分因果关系的键合图时，会出现代数环，解耦相当繁琐，有的甚至无法得出 5 武汉理工大学硕士学位论文 解析解。一些商业软件如e n p o r t 、c a m p g 、2 0 - s i m 、v i s s i m 等，大多利用了 m a u a b 及m a t l a b s i m u l i n k 的仿真计算模块。这一些软件只需以“绘图的方式” 输入键合图，无需系统分析人员自行编制程序和推导系统的状态方程，从而可 以大大地节省人力和时间，减少出错的机会。但这些软件的价格比较昂贵。 江苏大学的何仁1 5 9 】等人对车用电磁缓速制动器制动性能进行了虚拟仿真， 他们在a d a m s v i e w 下建立了整车仿真模型，对电磁缓速制动器在平路上的减 速制动性能进行了仿真分析，但这种方法建模比较复杂，而且仿真需要编写程 序。大连理工大学的黄洪钟睁8 】等人对基于键合图的m a t l a b s i m u l n k 仿真分析方 法进行了研究。他们利用键合图模型可以方便地转化为在控制工程领域中用来 表示信号流的方框图，而对于方框图可以使用s i m u l i n k 工具去仿真，这样就省 去了人工推导系统方程的繁琐步骤和解耦的麻烦，使用方便且不易出错，同时 还可以利用m a t l a b 强大的可视化功能以及控制工具箱、优化工具箱等其他工具 箱，实现对仿真系统的设计。本文着重讨论如何将键合图模型转化为方块图， 并在此基础上利用s i m u l i n k 工具箱去实现对键合图模型的仿真。采用他们的这 种方法可以使键合图元件与s i m u l i n k 模块具有一一对应关系，在此基础上可以 实现基于键合图的计算机自动建模仿真。武汉理工大学的肖志勤 5 7 1 利用这种仿 真方法对越野汽车进行了性能仿真，并在此基础上提出并研究了一种由传统差 速器组成的纯机械式的新型差速器，以达到改善四轮驱动越野汽车通过性能的 目的，效果非常显著而且准确度很高。 1 3 本文研究的目的和意义 目前，城市客车频繁停车所带来的制动负荷过大的问题日渐突出，若这些 制动全部由城市客车的行车制动系统来承担，制动效能将会下降，制动成本也 日益增大。因此，在城市客车上安装缓速器己成为交通安全的迫切需要。缓速 器是一种辅助制动系统，可以不需使用主制动器就能减缓车辆行驶速度，增强 车辆的安全性。缓速器主要有液力缓速器和电磁缓速制动器两种。电磁缓速制 动器结合了电子控制技术响应快于液力缓速器，而且电磁缓速制动器结构简单、 安装方便，越来越受青睐。然而城市客车电磁缓速制动器在我国的研制、生产、 和应用处于起步阶段，缺乏系统、完整、准确的设计和分析手段。针对这一技 术在研究中的问题和国内应用的现状，本文的研究将达到如下目的： ( 1 ) 了解并总结近年来我国城市客车电磁缓速制动器的应用前景与发展趋 势，分析城市客车特殊功能要求，为城市客车电磁缓速制动器的设计与开发提 供需求分析。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 进一步掌握电磁缓速制动器的设计理论，得到制动过程中电磁缓速制 动器的关键制动性能、温升及其影响，指导城市客车电磁缓速制动器的结构设 计、性能分析和实际生产为企业提供一套实用的技术，以指导电磁缓速制动器 的，并能够提高设计效率，缩短产品的开发周期，提高产品质量，增加企业竞 争力。 ( 3 ) 采用基于键合图的的m a t l a b s i m u l i n k 仿真方法对城市客车进行制动性 能仿真分析和传动系扭转振动分析，并验证其正确性，为城市客车电磁缓速制 动器系统、完整、准确的设计和分析提供简单易行的方法研究手段。 本文的主要内容是安装电磁缓速制动器的城市客车制动性能研究及其仿真 分析、转子盘温升计算及其影响，其意义主要在于： ( 1 ) 弥补目前国内电磁缓速制动器结构设计的关键技术转子盘热分析和安 装电磁缓速制动器对传动系的影响领域的贫乏，可以为电磁缓速制动器的整体 参数设计和转子盘的参数设计提供理论基础。 ( 2 ) 综合目前的仿真分析方法提出采用基于键合图的m a t l a b s i m u l i n k 仿真 方法，进行安装电磁缓速制动器的城市客车仿真分析，一方面可以在设计阶段 预测城市客车的制动性能及安装电磁缓速制动器对传动系的影响，为改进设计 提供依据，另一方面用计算机模拟取代一些道路试验，减少开发成本，缩短开 发周期。 1 4 本文的研究目标、研究内容与课题支撑 1 研究目标 通过分析城市客车特殊制动需求，分析城市客车电磁缓速制动器的制动 性能，得到城市客车电磁缓速制动器的制动力矩和温升的计算公式，以及加 装电磁缓速制动器对城市客车制动性能和传动系的影响，用于指导城市客车 电磁缓速制动器的结构设计和产品开发。 2 研究内容 ( 1 ) 城市客车电磁缓速制动器的功能分析 城市客车作为城市公共交通的主体，相比公路客车、旅游客车和团体客车， 城市客车具有特殊的用途和更高的要求，国内城市客车的工况也相对恶劣，如 超载、低速运行、制动频繁等情况是很常见的。城市客车这些特殊的营运情况， 尤其是对制动方面的特殊要求必然对辅助制动器电磁缓速制动器有一些特 殊的功能要求，因而进行城市客车电磁缓速制动器的功能分析是本文的首要任 务。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 城市客车电磁缓速制动器的制动性能分析 城市客车装用电磁缓速制动器后，频繁停车时可以在客车的行车制动系统 每次起作用前先自动启动电磁缓速制动器，减少了行车制动器的工作负荷，对 城市客车的制动性能有所改善，既保证了城市客车的制动安全，又延长了制动 器的使用寿命，减少了停车制动的萧叫声和粉尘，提高了城市客车的安全性、 经济性、环保性和舒适性。本文以安装电磁缓速制动器的城市客车为研究对象， 主要研究电磁缓速制动器制动力矩、制动距离、制动减速度和制动时间等性能 指标。 ( 3 ) 城市客车屯磁缓速制动器的温升计算 电磁缓速制动器的工作原理就是利用电磁感应理论，通过磁场对带电的转 子盘作用产生制动力矩，将车辆的动能转化为转子盘的热能从而使车辆缓速， 达到辅助制动的目的。因此转子盘的温升计算是电磁缓速制动器的关键设计技 术，研究城市客车电磁缓速制动器的温升对提高其制动性能稳定性、改进设计 具有现实意义。 ( 4 ) 采用基于键合图模型的m a t l a b s i n u l i n k 仿真方法的城市客车制动性 能的仿真与传动系扭转振动仿真 电磁缓速制动器有三种安装方式，无论哪种安装方式都是在给城市客车的 传动系中加入了一个旋转体，当其工作时还在传动系中加入一个扭矩，给城市 客车制动性能及其传动系带来了一定的影响，尤其是对客车传动系的扭转振动 的影响时最显著的。因此，本文主要以在传动系中问安装电磁缓速制动器前后 城市客车的制动性能和传动系扭转振动进行仿真分析。 3 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 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市客车电磁缓速制动器的基本问题 随着国家对城市公共交通的大力发展，推动了城市客车的发展和繁荣，目 前我国城市客车发展越来越趋向国际化，安装电磁缓速制动器也成为一种必然 趋势。城市客车因为其特殊的营运条件与工况，对应用于其上的电磁缓速制动 器也必然有其特殊的要求。因此，研究适合于城市客车的电磁缓速制动器具有 一定的意义。了解分析城市客车电磁缓速制动器的基本问题，是对其进行设计 研究和分析的基础。 2 1 城市客车电磁缓速制动器的工作原理和基本结构 2 1 1 城市客车电磁缓速制动器的工作原理 城市客车电磁缓速制动器是利用电磁感应原理把动能转化为电场能，电场能 再转化为磁场能，磁场能再转化为热能蒸发掉，从而实现汽车的减速和制动。 转子与城市客车传动轴联接，定子固定在车架上，需要减速时接通电源， 定子与转子之间形成电磁涡流，产生相反的扭矩而达到减速的作用，因此可以 达到辅助制动，减少制动器制动时能量负荷的目的。其具体工作过程是：当驾 驶员接通电磁缓速制动器的控制手柄开关( 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，从而在转子盘内部产生涡电流( 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 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 城市客车电磁缓速制动器工作原理图 目前，应用于城市客车上的缓速制动装置还有内燃机缓速器( 包括发动机 制动和发动机排气制动) 、牵引电机缓速器、液力缓速器。 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，行驶的汽车 带动发动机曲轴旋转，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；发动机排气制动通常是在发动机排气管的出口 处安装一个蝶形阀，当排气制动起作用时，阀片关闭，切断发动机的供油，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。由此看来，内燃机缓速器不能符 合电动城市客车的需求，而牵引电机缓速器只能应用于电动城市客车，因此其 在城市客车上的应用并不广泛。 液力缓速器主体结构是由动轮和定轮组成。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。 与液力缓速器相比，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。 综上所述，电磁缓速制动器是最适合于城市客车的缓速制动装置。因此， l o 武汉理工大学硕士学位论文 城市客车电磁缓速制动器是目前应用最为广泛，最有市场的辅助制动装置。 2 1 2 城市客车电磁缓速制动器的基本结构 城市客车电磁缓速制动器是一种新型的辅助制动装置，由电控装置和机械 装置两部分组成。 城市客车电磁缓速制动器的电控装置部分m 是由手( 脚) 控制开关、电磁缓 速制动器工作指示灯、制动气压信号传感器、继电器等装置组成，还有车速信 号传感器和a b s 联接器等，如图2 - 2 所示。 d +a b $ 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 线柬 电源主开关 图2 - 2 电磁缓速制动器电子控制系统 手控开关分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i 号继电器吸合，则第一组励磁线圈通电，这时电 磁缓速制动器产生的制动力矩约为最大力矩的四分之一；第2 档位时，1 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，这时电磁缓速制动器产生的制动力矩约为最大力矩的二分之 一；第3 ，4 档位类推。脚控开关是为方便驾驶员的操纵而增加的一个让电磁缓 速制动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， 电磁缓速制动器自动起作用，并根据制动踏板的行程，气压制动开关上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，其上有电磁缓速制动器当前励磁电 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。 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 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 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变化大小，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l 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电磁缓速制动器的定子固定支架、转予 等部件组成，如图2 3 所示 前转予盘 图2 - 3 电磁缓速翩动器的机械装置部分 电磁缓速制动器定子一般是通过固定架安装于城市客车底盘上( 车架或变速 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，星 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；转子由前转予盘、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 子磁轭回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 2 2 城市客车电磁缓速制动器的安装方式 电磁缓速制动器一般有三种安装方式：装在变速器上、装在传动轴中间、 装在主减速器上，如图2 _ 4 虏示 武汉理工大学硕士学位论文 ( 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 ( 1 ) 装在传动轴中间 这种安装方式适合于传动轴较长、发动机前置的城市客车，电磁缓速制动 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城市客车，将电磁缓速制动器定予固定 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城市客车，电磁缓速制动器定子固 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。 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 3 城市客车电磁缓速制动器的功能要求 2 3 1 城市客车的发展趋势 1 城市客车分类 按照2 0 0 2 年1 0 月1 日我国开始正式实施的城市客车分等级技术要求与 配置行业标准规定，我国城市客车按运行特点可分为嗍： 市区城市客车( 市内公共汽车) ：一种为城市内运输而设计和装备的客车。 这种车辆设有座椅及站立乘客的位