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南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 摘要 本文提出一种新型汽车电制动器方案，通过分析论证，该制动系统将比液压制动 系统控制信号传递迅速、硬件简单以及更易于集成化。主要工作是首先确定总体方案 为：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； 接下来分别设计机械增力机构和电磁体部分。通过理论分析并借助p r o e 、a d a m s 、 a n s y s 等机械建模、动力学分析、有限元分析软件辅助设计，完成初步设计。然后 按照设计参数制作了该制动器的原理样机，重点做了关于电磁铁电磁力和温升的试 验。试验结果表明： 1 ) 所设计电磁铁的电磁力在设计点均小于理论电磁力，在气隙小于1 7 m m 后的 电磁力能够达到并超过设计要求； 2 ) 线圈在进行了2 个小时的间断试验后温度为6 0 左右，小于所用的聚酯漆包 线的温升要求，电磁体散热状况良好。 将电磁制动器装配完成后又做了整体试验。结果表明本文的总体设计方案可行， 增力机构能够完成预定运动。其中也存在一定的问题： 1 ) 机构运动不够灵活，阻力较大： 2 ) 杆件铰接处间隙较大，导致增力机构运动间隙较大，损失了有效运动行程。 关键诃】电制动器电磁铁制动系统样机试验 ， 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动器的设计研究 a b s t r a c t t h ep a p e ri sa b o u tan e wt y p ea u t oe l e c t r o - b r a k e t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e c o n t r o l l i n gs i g n a lw i l lt r a n s f e rm o r eq u i c k l y ；t h eh a r d w a r ew i l lb es i m p l e r , a n da j lt h ep a r t s w i l lb eu n i t e dm o r ee a s i l yi nt h i sk i n do fb r a k i n gs y s t e m f i r s to fa 1 1 t h eo v e r a l ls c h e m e h a db e e nb u i l tw h i c hi su f i n ge l e c t r o m a g n e t i ci r o np o w e ra st h eb r a k i n gf o r c e ，w h i c hh a s b e e na m p l i f i e db yt h ef o r c e i n c r e a s i n gm e c h a n i s mt op u s ht h ef r i c t i o np a d s s e c o n d l y , t h e f o r c e - i n c r e a s i n gm e c h a n i s ma n de l e c t r o m a g n e t i cb o d yh a db e e nd e s i g n e dw i t ht h eh a o f s o m ed e s i g ns o f tw a r e s ，s u c ha s p r o e ，a d a m s ，a n s y s ，e t c t h i r d l y , t h ep r i n c i p l e p r o t o t y p em a c h i n eh a db e e nm a d ea c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n t a b o u te l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n db o d yt e m p e r a t u r eh a db e e nd o n ew i t h i n2h o u r s t h e r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ed e s i g n e de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a sl e s st h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u ei nt h e - d e s i g n p o i n t , b u tt h el a r g e s tf o r c ec o u l dr e a c ha n de x c e e dt h er e q u i r e m e n tw h e nt h eg a pb e t w e e n a r m a t u r ea n di r o nb a s ei sl e s st h a n1 7 r a m ； 2 ) t h et e m p e r a t u r co ft h ee l e c t r o m a g n e t i cb o d yw a sa b o u t6 0 。c t h a tw a sl e s st h a nt h e l i m i tv a l u e1 3 0 。co f p o l y e s t e rl e a d s o ，t h eh e a tc o u l dg i v eo u tn o r m a l l y t h el a s te x p e r i m e n tw a so nt h ew h o l eb r a k e ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ed e s i g ns c h e m e w a sp r o p e r , a n dt h ef o r c e - i n c r e a s i n gp a r tc o u l dr u na st h ee x p e c t a t i o n b u tt h e r ew e r ea l s o s o m ep r o b l e m s ： 1 ) t h em a c h i n ec o u l dn o tw o r kf r e e l y - b e c a u s et h ef r i c t i o nr e s i s t a n c ei sal i t t l eb i g ； 2 ) t h ec l e a r a n c eo ft h es y s t e mi sr i o ta p p r o p r i a t eb u tab i to fl a r g es ot h e r ei ss o m el o s s o f 血ee f f e c t i v em o v e m e n t k e y w o r d s e l e c t r o - b r a k e e l e c t r o m a g n e t i ci r o n b r a k i n gs y s t e mp r o t o t y p e m a c h i n e e x p e r i m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做m 的舌斛恂 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：莩需一唧耐年g 月知日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存才哗位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 巫运御f 年6 月弓0 臼 ， 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 1 绪论 1 1 制动系统的历史 车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。随着车辆技术的进步 和汽车行驶速度的提高，这种重要性日渐突出，众多的汽车工程师在改进汽车铝4 动性 能的研究中倾注了大量的心血。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面， 包括卷4 动控制的理论和方法，以及采用新的技术。 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，那 时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车 自身质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空 助力装置。1 9 3 2 年生产的质量为2 8 6 0 k g 的凯迪拉克v 1 6 车四轮采用直径4 1 9 1 m m 的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1 9 3 2 年推出v 1 2 轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。 随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车 辆制动有了新的突破，液压制动( 图1 1 ) 是继机械制动后的又一重大革新。d u e s e n b e r g e j 功车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于1 9 2 4 年问世。通 用和福特分别于1 9 3 4 年和1 9 3 9 年采用了液压制动技术。到2 0 世纪5 0 年代，液压助 力制动器才成为现实。 7 1 前轮制动器2 玮0 动轮缸3 、6 、8 油管4 制动踏板机构 5 制动主缸7 后轮制动器 图1 1 液压助力制动器示意图 在液压鼓式制动器出现的若干年之后，人们又发明了液压钳盘式制动器，盘式制 动器又称为碟式制动器( 如图i 2 所示) ，顾名思义，是取其形状丽得名。由液压控制， 主要零部件有制动盘、分泵、铝4 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 在制动盘的两侧。 l 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 图1 2 盘式制动器 2 0 世纪8 0 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就 是防抱制动系统( a b s ) 的实用和推广。a b s 集微电子技术、精密加工技术、液压控制 技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装丈大提高了汽车的主动安全性和 操纵性。防抱装置一般包括三部分：传感器、控制器( 电子计算机) 与压力调节器。传 感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，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。 随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的 高速发展，a b s 已成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。 1 9 9 2 年a b s 的世界年产量已超过1 0 0 0 万辆份，世晃汽车a b s 的装有率已超过2 0 h l 。 些国家和地区( 如欧洲、日本、美国等j 己制汀法规，使a b s 成为汽车的标准配置。 1 2 制动系统的现状与发展 目前液压操纵仍然是最可靠、经济的方法，即使增加了防抱制动( a b s ) 功能后， 传统的油液制动系统仍然占有优势地位【i l 。传统的制动控制系统只做一样事情，即均 匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管 路，并通过一个比例阀使前后制动力平衡。而a b s 或其他一种制动干预系统则按照每 个制动器的需要对油液压力进行调节。传统的液压制动系统发展至今，已是非常成熟 的技术。随着人们对制动性能要求的不断提高，防抱死制动系统( a b s ) 、牵引力控制 系统( t c s ) 、电子稳定性控制程序( e s p ) 、主动避撞技术( a c c ) 等功能逐渐融入到制动 系统中，越来越多的附加机构安装于制动线路上，这使得制动系统结构更加复杂，也 增加了液压回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 制动系统呼之欲出。 随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将 发生变化。线控制动( b b w ) 是未来制动控制系统的发展方向，它不同于传统的制 2 向发展。电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种 制动系统。但这种混合制动系统也只是全电制动系统的过渡方案。由于两套制动系统 共存，使结掏复杂，成本偏高。而线控制动控制因其巨大的优越性，必将取代传统的 以液压为主的传统制动控制系统。 线控制动系统的结构如图1 3 所示： ，奉缝，_ 蠢b s 控制 9。 图1 3 线控制动系统结构框图 其主要包含以下部分； ( 1 ) 电制动器一其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种； ( 2 ) 电制动控制单元( e c u ) 一接收制动踏板发出的信号，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，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与青动控制系统高度集成，所 以e c u 还得兼顾这些系统的控制； ( 3 ) 轮速传感器一准确，可靠、及时地获得车轮的速度； ( 4 ) 线束一给系统传递能源和电控制信号； ( 5 ) 电源一为整个电制动系统提供能源，可与其他系统共用。 从结构上可以看出这种电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优 点： 3 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 ( 1 ) 整个制动系统结构简单，省去了传统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，系统耐久性能良好； ( 6 ) 易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。 电制动是一个新生事物，要想全面推广还有不少同题需要解决； 首先是驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制 动器大约需要l k w 的驱动能量。目前车辆1 2 v 电力系统提供不了这么大的能量，因 此，将来车辆动力系统采用高压电，加大能源供应。 其次是控制系统失效处理。电制动控制系统面l 盗的一个难题是制动失效的处理。 因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个各用系统保证制动安全，不论是 e c u 元件失效，传感器失效还是制动器本身、线柬失效，都能保证制动韵基本性能。 第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信 号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统。 相信随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，线控制动系统也会以其 巨大的优越性取代以液压为主的传统制动系统。 1 3 电制动器的研究与发展概况 电制动器并不是一个新鲜的事物，它在其它领域如起重机绞盘制动、电梯制动等 方面有广泛的应用。关于车辆“b r a k e - - b y w i r e ”技术目前已有多种实现方式，本文 仅列举两种最有代表的类型。 1 3 1e m b 技术 e m b ( 电子机械式制动器) 是飞机上使用的一种制动器，后来才开始在汽车上 应用口1 1 4 1 。飞机的全电刹车系统的基本工作原理与液压刹车系统类似，但是有自身独 特的特点，运作流程为；机轮速度信号和刹车力矩信号经速度传感器和力矩传感器送 入刹车控制盒，产生相应的控制信号输入到机电作动控制器，再由机电作动控制器产 生相应的控制信号控制电作动机构，输出刹车压力到刹车盘，产生相应的刹车力矩。 全电刹车系统形成了以机轮速度和刹车力矩双层负反馈的闭环控制系统。其原理框图 如图1 4 所示： 4 其控制部分要求能精确控制电动机的转速和转角从丽防止制动抱死。最近几年一些国 际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些对于e m b 制动系统的研究工作，也申请 了一部分专利。主要参与竞争的公司有c o n t i n e n t a lt e v e s 、s i e m e n s 、b o s c h 、e a t o n 、 a l l i e d s i g n a l 、d e l p h i 、v a r i t yl u c a s 、h a y e s ，等等，而国内在此项目上的研究基本为 空白，仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相关的初步研究工作嘲。 1 3 2 电磁铁式制动器 利用电磁铁的制动器也正处于积极的研制状态同川，现在已经有电磁鼓式制动器 设计申请国家专利嘲，其结构如图1 5 所示： 图1 5 电磁鼓式制动器 该电磁制动系统是指使用电子装置的电磁制动机构，通过控制电流等相关参数 来改制动力。由于代替了传统的液压制动机构，电磁制动系统不再使用液压油，从而 5 南京理工大学硕士学位论文 汽车电罐制动器的设计研究 减少了液压油燃烧的危险提高了安全性，也减轻了车辆自身的重量。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田l 。江苏大学也曾研究过一种新型电磁 制动器，类似于上面的制动器。它是应用于挂车上的鼓式摩擦型电磁制动器，它将车 辆本身动能的一部分转化为制动能量，采用电路控制代替传统气路、油路控制，是国 内外挂车制动的发展方向。通过改变控制输入量，该制动器也适合于主车或一般车辆 的制动。目前，电制动技术国外仍在试验研究阴，郧古德里奇、a b s 、霍尼韦尔等公 司对汽车电制动技术均取得了自己的专利口o j 1 4 研究内容及项目可行性分析 1 4 1 研究内容 汽车电磁鼓式制动器已有研究，但电磁盘式制动器几乎处于空白状态。本文尝试 在这一领域进行初步研究，所提出的总体方案( 图1 6 ) 为利用直流电磁铁代替气缸、 油缸作为制动动力源，通过一定的机械增力机构来加以放大，用以推动摩擦衬块。采 用多种工具软件辅助设计，并做出一个较为合理的电制动器结构设计，使之能满足制 动要求。遵循这一设计方案，要研究的内容主要包括三部分： ( 1 ) 制动器机械结构设计研究，包括机构整体构造，关键零件的设计。 ( 2 ) 电磁铁组件的设计和理论分析，根据所需的制动力矩确定出电磁铁的相关 参数( 如线圈的匝数、线圈的励磁电流、铁心的尺寸等) 。 ( 3 ) 制动性能分析与研究，对设计好的制动器研究其制动时间响应，制动能力， 噪音，发热与散热等问题。 图1 6 设计总体方案框图 6 南京理工大学硕士学位论文汽车电磴制动器的设计研究 1 4 2 可行性分析 电制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注。针对目前对电制动系统研究的加强 趋势，并综合研究了电制动领域的相关知识，提出一种思路和实篪方案。 ( 1 ) 项目实施的理论基础。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得 到越来越广泛的应用。电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装 置。对电磁铁的研究前人已经积累了丰富的经验，这可以作为研究的理论基础。 ( 2 ) 研究目标在现有的技术条件下的可实现性。从制动器发展历史上看，在1 8 9 8 年，克里夫兰的埃安斯佩里设计的一辆电动汽车就采用前轮电磁盘式制动器【l ”。斯 佩里用圆盘分别与各个车轮的轮毂连成一体，另有一个镶有摩擦片的小圆盘。制动时， 通过电磁铁的作用，使它紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后。弹簧 又把摩擦盘缩回，车轮又可以自由转动。由此可见，用电磁铁做制动器的执行部分前 人也曾做过，而且早于当前占居统治地位的液压制动器。此外，电磁抱闸制动器在电 梯和起重机绞盘用的电磁盘式制动中已得到成熟应用【l2 1 ，如图1 7 所示。综上所述， 以电磁铁作为制动器作动机构在技术上可行。 1 轭铁2 弹簧3 衔铁4 、7 摩擦片5 盘 6 桥8 夹具9 、1 0 棘轮机构1 1 励磁线匿 图1 7 电梯电磁制动器示意图 ( 3 ) 本单位现有技术设备实验材科条件。本教研室有完备的电测量仪器，如万用 表，示波器，信号发生仪，压力传感器等诸多机、电仪器，校内又有完善的机加工设 备，可以方便地加工零件。根据本次研究的内容及完成进度，预筹一定的研究经费。 这在设备上保证了项目实施的物质条件。 7 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 2 制动器增力机构的设计研究 2 1 制动系统的分析 2 1 1 已知参数 本次设计针对的是某微型轿车，参数如表2 1 所示。 表2 1 该微型轿车的相关设计数据 盟何p 静 整车质量 2 7 3 m m 1 1 0 0 k g 半径( r ，) ( m ) 1 6 5 ，7 0 轮胎滚动半径 r 1 4 2 8 6 m m制动初速度( v )1 0 0 m s 规格 ( r r ) 铝圈 外直径制动距离 5 6 9 m m5 3 2 加【1 7 1 ( d )侣) 2 1 2 制动力矩的计算 车轮滚动周长： l = 2 履。 在制动距离内车轮转过的圈数 ：羔 l 则转过总的角度为： 口= 2 m v 车子的总动能为： e ：三胁： 2 制动力分配系数： 声= 每= 惫 式中。一前轴车轮的制动器制动力： 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动器的设计研究 乃：一后轴军轮的制动器制动力； 乃一汽车总制动器制动力。 通常，轿车的值取o 5 6 5 - 0 6 1 5 ，货车取o 3 3 3 , 、, 0 4 1 2 e 埘，本文取为0 6 。 每个前轮要分担的动能为： 易= 吾6 0 每个后轮要分担的动能为： e ：曼4 0 2 则每个前轮所需总制动力矩为： l ：垒 。 口 每个后轮所需总制动力矩为： t ：兰 “ 相应每侧摩擦衬块应提供的制动力矩为 巧= 后轮制动器制动负荷较小，相应每侧摩擦衬块应提供的制动力矩为： 巧= 本文以制动负荷较大的前制动器设计为例。 2 1 3 制动盘直径的确定 制动盘的直径通常选择为轮辋直径的7 0 7 9 。轮辋的尺寸为1 4 i n ( 1 m m - - - o 0 3 9 3 7 i n c h ) ，直径蔓j 3 5 5 6 m 札则根据 汽车标准汇编( 1 蜘取制动盘直径为： 玩= 3 5 5 6 x 7 9 ( 2 1 2 ) 制动盘直径越大则所需制动力越小，有利于减小电磁铁的尺寸，故尽量取较大的盘径， 本文取3 0 0 r a m 。 9 d m 舶 舯 d 眨 q q q “ 扒 ( ( 南京理工大学硕士学位论文汽车电融制动器的设计研究 2 1 4 摩擦块参数的确定 根据文献“9 1 ，取摩擦村块的外半径r 2 = 1 5 0 糯，由其外内半径比为生r l = 1 5 ， 则内半径为墨= 鲁= 西1 5 0 = l o 沏l ，l 。而衬块的圆心角取值范围3 0 5 0 ，取4 0 。 2 1 5 摩擦块e 压紧力的计算 单侧每个摩擦块施加于制动盘上的制动力矩为： 巧= 乓e 5 艘2 积却= 了2 彦( 砭一r i 3 ，：可2 r e 由文献2 0 j ，= o 3 0 3 5 ，取瓷大值o 3 5 。 由上式可得： 舻蔬 3 f 2 ，( 磁一碍) 詈 扇形的摩擦衬块面积为； & ；竺万( o 1 5 2 - - 0 1 2 ) ：0 0 0 4 3 6 ( m 2 )。 3 6 0 则压力为 p = ps c = 3 8 0 6 n 取安全系数为1 1 ，则需要的制动压力3 8 0 6 x i 1 = 4 1 8 7 n 将已知数据代入式( 2 1 2 1 4 ) 计算，所得数据见表2 2 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动器的设计研究 表2 2 计算结果 周长l 每后轮分担动能e 1 7 卯 8 4 8 6 0 ( r a m ) ( j ) 前轮所需制动力矩( 乃) 圈数n3 06 7 6 ( n m ) 转过角度g 后轮所需制动力矩( ) 1 8 94 5 0 ( r a d ) ( n m ) 总动能e前摩擦衬块需提供制动力矩巧 4 2 4 4 5 13 3 8 ( j ) ( n m ) 制动盘径d 分配系数 0 63 0 0 ( m m ) 每前轮分担动能 制动压力p 1 2 7 3 3 54 1 8 7 ( n ) ( j ) 2 1 6 摩擦块与制动盘的间隙 摩擦衬块与制动盘之间的间隙为o 0 5 0 1 5 m m 1 9 1 ，考虑到以后摩擦衬块的磨损， 系统间隙，再加上摩擦衬块的压缩变形，为使电磁铁衔铁的行程有一定的余地，设计 中不妨取0 2 5 r a m ，则两片摩擦块总行程为o 5 m m 。 2 2 机械增力机构的设计 对依靠电磁力制动的制动器而言，最简单的做法就是用电磁铁去直接推动摩擦衬 块，从而达到制动的目的，但是计算的结果表明制动过程中需要大的电磁力来推动摩 擦衬块。电磁铁产生的电磁力大小与其尺寸正相关，这样会使设计出的电磁铁尺寸过 大，可能导致无法安装使用，而且增加材耗，自身质量过大，导线耗电功率增大。所 以，为尽量减小其尺寸要采取使用增力传动机构的措施。常见的直线传动机构有连杆 机构和凸轮机构。连杆机构是由刚性连杆或杆件通过刚性运动副相互连接而成的机械 传动装置；凸轮机构是由凸轮、从动件或从动系统、机架等组成，凸轮通过直接接触 将预定的运动传给从动件。在很多情况下，凸轮机构所实现的运动也可以由连杆机构 1 1 南京理工大学硕士学位论文 汽车电碰制动器的设计研究 来实现。对二者的比较见表2 3 。 表2 3 凸轮机构与连杆机构的比较l 凸轮机构连杆机构 能实现所要求的大量输入、输出运动只能实现要求的有限输入、输出运动 设计相对简单设计相对困难 体积小、结构紧凑占据的空问较大 凸轮廓线的制造精度对输出动态响应的影响较 轻微的箭逢误差对输出动态响应的影响很小 大 制造费用较昂贵 制造费用较便宜 易于达到动平衡 动平衡的分析困难而复杂 易发生表面磨损铰链的磨损较轻 比较二者的优缺点，采用连杆力传动机构。 2 2 1 铰杆增力机构设计 本文设计使用的是一种铰秆增力机构圆跚 矧阐。如图2 1 所示： 图2 1 铰杆机构简图 它的主体部分是一个曲柄滑块机构，曲柄的一端与机架铰接，另一端连接连杆。 f 1 为施加的源动力，作用在曲柄和连杆的铰接点上；f 2 为增力机构的输出力。 2 2 2 机构自由度分析 任一作平面运动的构件具有三个自由度，当与另一构件组成运动副后，它们之间 的相对运动就受到了约束，相应地自由度也随之减少。在平面运动链中，每个低副将 引入两个约束而减少两个自由度；每个高副则引入一个约束而失去一个自由度。若机 构中的构件数目为n ( 包括机架) ，低副数目为p l ，高副数目为p h ，则机构的自由度为： f = 3 ( n 1 ) 一2 p l p h ( 2 1 5 ) 1 2 南京理工大学硕士学位论文 汽车电碰制动器的设计研究 3 ( 4 ) 图2 2 方案一 在方案一中，构件数n - - - - - 5 ，由于全部为低副，则p l = 6 ，p h - - - - 0 ，则有 f = 3 ( n - - 1 ) - - 2 p l = 3 x ( 5 一n 一2 x 6 = 0 ( 2 1 6 ) 由于自由度为零，方案一的机构将不能自由运动。 1 囱 3 ( 4 ) 图2 3 方案二 在方案二中，在旖力点和衔铁之间添加一个连杆，则构件数n = 6 ，仍全部为低 副，p l = 7 ，p h = o ，则 f - - 3 ( n 一1 ) - - 2 p l = 3 x ( 6 - - 1 ) 一2 x 7 = l ( 2 1 7 ) 说明此时该机构运动规律唯一，即方案二可彳亍，设计正确合理。 2 2 3 受力分析计算 图2 4 受力分析图 图2 4 是增力机构受力分析图，其中 f 毖 f 2 ， 的设计研究 e 一电磁铁电磁力 只一连杆2 的支反力，由于两铰杆等臂对称，得f 2 = f 3 岛一连杆3 的支反力 f 2 一二力杆上f 2 的平衡力 口一连杆1 和连杆2 分别与水平方向的最小夹角 对三杆铰接点处进行受力分析，作用在此点的力有三个：e ，巴，e 列出此 点的力平衡方程，有 x 方向：一最c o s 口+ 玛c o s 口= o ( 2 1 8 ) y 方向： f 2s i n 口+ f 2s i n 口- e = 0 。 ( 2 1 9 ) 由方程( 2 1 9 ) 及f 2 = e 得 疋= 志e ( 2 2 0 ) 易= 一，2 ，疋，的分力疋。是顶杆对侧壁的作用力，分力是顶杆对摩擦衬块 的推力。 f 2 2 = c o s 口 f 2 = 悉= 去， ( 2 _ 2 1 ) 2 2 4 滑柱力学模型的简化与计算 滑柱力学模塑的建立应当考虑滑柱与其导向孔之问的配合状态。二者之间的配合 间隙较小时，滑柱所受到的由其导向孔施加的载荷，可抽象为线性分布载荷；当滑柱 与其导向孔之间的配合间隙较大时，滑柱所受的载荷可抽象为其导向孔两端孔缘处承 受集中载荷。如图2 5 所示： 致 图2 5 曲柄滑块机构 1 4 簪 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动器的设计研究 根据图2 5 ，由静力平衡方程= o 及力偶矩平衡方程z m ( ，) = o 得： 拿+ l 一2 ；o ( 2 2 2 ) 孚( l + 鲁) _ 2 厶= o ( 2 2 3 ) 解以上二式得： 。= 拿c 詈一争 c 2 “， 以= 导c 寺+ 争 包z s ， 滑柱与其导向孔之间的摩擦力为： ( l + n 2 ) f = 等， ( 2 2 6 ) 式中f 一滑柱上的摩擦系数，= 增9 ，妒为滑柱上的摩擦角。 相应的增力系数 去e 一( l + n 2 ) 厂 五 为简化计算，可取 i z = 一 2 培口 f 一口的关系如图2 6 所示。 l工 2 t g o r r 馏妒 厶 图2 6i - 口关系曲线 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动嚣的设计研究 由图2 6 可见，在一定程度上增力比与角度成线性关系。 2 2 5 增力机构主要构件尺寸的确定 由前面的计算可知，增力比在小范围内与角度成线性关系。为了既获得较大的增 力比，又使滑块达到要求的最大位移，取口= 1 0 0 ，则i = 2 8 4 。经试算和核算，确定 构件与尺寸。 采用作图法，可以获得两个运动端的位移情况，如图2 7 所示 二鲜羹耄圣藩 ff 1 ，0 6 卜坞| “ l 寸 峄 督兰 一，l 图2 7 初始与制动末位移角度关系 图2 7 中，铰杆长度为3 5 m m ，夹角口从1 0 。减小到0 相应衔铁的行程空间为 6 0 7 r a m ，滑块最大行程为1 0 6 t o n i 。为了消除衔铁在制动末与磁轭的撞击，应使铰杆 工作在极限位置( 口= o ) 之前。即当滑块达到工作位移0 5 r a m 时，衔铁距铁芯的距 离为6 0 7 1 6 4 ：4 4 3 ( 姗) ，取4 5 r a m ，可以保证衔铁最终与磁轭不会接触。 则分别按初始和制动末的增力比，所需电磁力如表2 4 所示。 表2 4 增力比与电磁力 增力比所需电磁力( n )平均电磁力( n ) 制动初始2 8 41 4 7 4 1 2 5 0 制动末 4 0 71 0 2 6 2 3 零件的c a i e 分析 有限元分析技术已经发展成为计算机辅助分析c a e 的核心闭。用c a e 方法可以减 少或避免物理测试过程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情 况，准确地计算其应力应变，使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行 评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短设计开发周期。 采用有限元分析技术及其优化技术，能够改进结构设计参数，使其在满足强度和 刚度的情况下具有最合理的结构。在应用于新产品开发和老产品改造方面，能够提供 对其强度、应力分布状况的分析，利用优化设计方法对其进行形状和结构优化设计， 从而在设计上提供技术支持和理论指导。下面对增力机构的主要件进行分析。 1 6 2 3 1 长臂连杆有限元分析 ( 1 ) 原构型的静力分析 1 ) 建模。杆件厚度为6 m m ，两端内孔径8 m m ，外圆半径为1 8 r a m ，两圆孔的中心 距为3 5 r a m 。 2 ) 定义单元类型 在结构分析中，常用的三维实体单元有 s o l i m 5 ，s o l i d 9 2 ，s o l i d 9 5 ，s o l i d l 8 5 ，s o l i d l 8 6 ，s o l i d l 8 7 。在此分析中采用b r i c k 8 n o d e l 8 5 单元。 3 ) 定义材料属性。指定钢材的弹性模量为2 0 0 e 3 ，泊松比取0 3 4 ) 划分网格。采用s m a r t s i z e 中的l e v e l 2 来智能划分。 图2 8 模型的网格划分 5 ) 定义约束和施加载荷。因为受力后的连杆为二力杆件，承受的压力为4 2 5 2 n ， 故将与支座孔铰接的受压力侧孔面完全( a l ld o f ) 约束，施加载荷 ( 7 7 3 4 n i m m 2 ) 在另一个圆孔的受力面上。 6 ) 求解后可得到构件的变形图( d e f o r m e ds h a p e ) ： 图2 9 构件变形图 由分析知该构件最大变形为1 0 9 6 r a m 。根据此特性，在使用中采用两个相同的构 件，并且使之变形方向相反，可以抵消二者的变形。 节点等效应力等值线图： t 7 _ _ 一一一 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动器的设计研究 图2 1 0 构件应力图 由分析知构件上最大应力值为o r 眦= 1 9 7 5 m p a ，远大于材料的许用应力 【仃】= 8 5 m p a 可见强度不够。 ( 2 ) 改进措施 观察应力最大部位，确定是由于杆件弯折所致，经计算验证，采用两片厚度为6 m m 的直杆代替原来的弯折杆件可以保证满足刚度和强度要求。如图2 1 1 所示。、 对应的变形图如图2 1 2 所示： 图2 1 1 直板连杆 图2 ，1 2 变形图 由图2 1 2 可知杆件上的最大形变为0 咄2 7 m m 。 相应的应力分布如图2 1 3 所示。 【车电磁制动器的设计研究 力图 小于材料的许用应 t r = 8 5 m p a 。由此 月 短臂连杆中心距离为2 1 m m ，其它参数同长臂连杆。所承受的是1 2 6 0 n 的拉力。 采用的单元同样为s o l i d l 8 5 ，将载荷( 1 6 7 n r a m 2 ) 施加在短臂连杆承受力一侧的孔 面上，将另一侧的相应受力面完全约束。求解后得到以下分析结果： 图2 1 4 变形图 由图2 1 4 知短臂连杆的最大形变为0 0 0 2 2 m a 。 图2 1 5 应力分布图 1 9 由图2 1 5 知杆件的最大应力值为口赢= 5 0 m p a ，也小于材料的许用应力值 【盯 = 8 5 m p a 。 2 4 增力机构运动学仿真 2 4 1 关于a d a m s 软件 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i s o f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 是美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i ci n c ) 开发的著名的虚拟样机 分析软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械 系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系 统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运行范围、 碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。本文主要使用其核心模块之一 a d a m s v i e w ( 界面模块) 。它是以用户为中心的交互式图形环境，提供丰富的零件 几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式 图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x - y 曲线图处理和结果分析功能集成 在一起。 2 4 2 机械系统建模 ( 1 ) 几何建模及施加运动副和运动约束 对平面增力铰杆机构进行建模。按照计算确定的杆件尺寸和角度关系，首先在设 计界面内按坐标创建出设计点( p o i n t ) ，然后在设计点的基础上创建曲柄、连杆、拉 杆( l i n k ) 以及滑块( e x t r u s i o n ) 并创建运动参考体( b o x ) 。几何建模完成后在铰接 处施加旋转副( r e v o l u t ej o i n t ) ，在滑块与参考固定体之间创建点一面( i n - p l a n e p r i 面r i v ej o i n t ) 。 ( 2 ) 创建弹簧 为了能获得推动摩擦衬块和克服系统阻力的推力，需要在从动滑块与参考体之闻 人为地创建一个两个一定刚度系数的弹簧。其刚度系数( k ) 要根据衬块位移和所需 推力来确定。因为系统是一个未知系统，所以有大量的结构参数需要作多种估计。在 确定电磁力时按照平均值来取，即1 2 5 0 n ，不妨取1 2 6 0 n ，留有一定的余量。 第一种情况按照平均电磁力来仿真，即在衔铁初始位置时在其上施加为 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 1 2 6 0 n 的力。在仿真中衬块位移取为0 5 m m ，则所设弹簧刚度系数为 k l ：业：8 3 7 4 n r a m 0 5 这种情况保证电磁制动系统在增力机构增力比最小的条件下可以可靠地工作。 第二种情况正常工作时，衬块刚被压紧消除其与制动盘的间隙时所需的推力 为4 1 8 7 n 。当间隙消除时，由以下仿真测量结果可得0 = 7 2 7 9 0 ( 和作图分析有一定 误差) ，增力比为3 9 1 ，根据增力比所需的电磁力为1 0 7 0 n 。 本文预估滑块运动时所受到的系统阻力( 主要是弹簧弹力) 为1 0 0 n ，则模拟阻 力的弹簧刚度可设为： k 2 = 磊1 0 0 = 2 0 0 n r a m u 3 然后可以在仿真中观察在给定的电磁力作用下主要运动部件的速度、加速麦等运动状 况，为计算运动件的惯性力创造条件。 ( 3 ) 施加力 根据以上分析分两种情况在主动滑块铰接点上旅加负y 方向的恒力，大小分别 为1 2 6 0 n 和1 0 7 0 n 。 创建结果如图2 1 6 所示。 2 4 3 仿真分析及结果显示 图2 1 6 机构仿真模型 ( 1 ) 电磁力为1 2 6 0 n 的仿真分析 1 ) 仿真设置 模型设置的仿真时间为3 8 6 5 x 1 0 - ( s ) ，仿真工作步为1 0 ，进行仿真。 2 ) 测量弹簧力及弹簧变形量 南京理工大学硕士学位论文 汽车电磁制动罂的设计研究 模拟阻力的弹簧力如图2 1 7 。 图2 1 7 阻力弹簧力 模拟负载弹簧力如图2 1 8 。 。 图2 1 8 负载弹簧力 由弹簧弹力变化曲线可以看出，由于增力机构的增力比的变化，弹簧压缩的初 始阶段弹力曲线平缓，然后接近于直线。这种力的变化有利于制动器平稳制动，消除 电磁铁制动时的冲击。 3 ) 测量角度 创建曲柄与x 轴的夹角，进行角度测量，在仿真中生成角度变化曲线。 图2 1 9 曲柄与x 轴的夹角变化曲线 由图2 1 9 可以知道，在制动末从动滑块位移为0 ，5 m m 时曲柄与水平方向的夹角 为7 2 7 9 0 ，而作图法计算的为7 0 ，二者有一定误差。 4 ) 测量位移 创建从动滑块的位移( p o i n t - p o i n t ) ，进行位移测量，其变化曲线如图2 2 0 所示： 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动嚣的设计研究 图2 2 0 从动滑块位移变化曲线 5 ) 测量主动滑块的速度如图2 2 1 所示。 = 图2 2 1 主动滑块速度变化曲线 6 ) 测量从动滑块的速度如图2 2 2 所示。 图2 2 2 从动滑块速度变化曲线 从主动和从动滑块的速度曲线中可以看到，由于增力机的存在使从动滑块的速度 在运动开始时较快的运动，而在运动末速度变化平缓，趋于匀速运动，起到良好的减 速作用，二者的速比为3 9 2 。 ( 2 ) 电磁力为1 0 7 0 n 的仿真分析 1 ) 仿真设置 模型设置的仿真时间为4 3 2 8 5 1 0 4 ( s ) ，仿真工作步为l o ，进行仿真。主要取 弹簧力的曲线图。 2 ) 测量弹簧力及弹簧变形量 模拟阻力的弹簧力曲线图： 南京理工大学硕士学位论文汽车电磁制动器的设计研究 雨m 藓硅d o b- - o a x a n t 饲噍疆 一 图2 2 3 阻力弹簧力 模拟负载弹簧力曲线图： t n r , a ：8 0 0 0 它哪r 饼t4 1 贸， _ p 一_ _ _ 图2 2 4 负载弹簧力交化曲线 由( 2 ) 的分析可知，使机构运动起来所需的动力可以低于1 2 6 0 n ，1 0 7 0 n 的主 动力一样可以使弹簧力达到4 1 8 7 n ，只是所用时间比情况( 1