汽车制动系统股份有限公司策划案.doc

南昌工程学院第八届“挑战杯”创业计划大赛2011年目 录第一章 执行总结 . 51.1 公司简介 51.2 市场状况 51.3 投资与财务 71.4 组织与人力资源 7第二章 技术分析(项目背景) 82.1线控制动的研究现状分析.92.2线控制动系统的关键技术. 122.3稀土超磁致伸缩材料的发展及应用. 152.4基于GMM的汽车线控制动系统研究与开发 172.5 制动模块结构设计. 182.6线控制动模块的制作. 262.7 控制系统设计与制作.282.8总结与展望322.9、作品的应用前景. 342.10、工作展望. 342.11、 产品专利 362.12 研究与开发 382.13 未来产品与服务规划 39第三章 市场分析403.1市场调查403.2市场开发与定位(目标市场)413.3市场趋势分析 433.4竞争分析 433.5市场变化分析 443.6市场预测(估计销售量) 453.7市场份额预测 46第四章 公司战略 474.1 公司概述 474.2 公司理念 494.3 公司口号 504.4 公司价值观 504.5 公司精神 514.6 公司作风 514.7 公司发展战略规划 514.8 销售目标确定 524.9 公司后期发展潜在风险威胁分析 544.10 公司品牌的建立 54第五章 市场营销 555.1销售目标 555.2定价策略575.3分销渠道575.4促销595.5公关595.6销售管理60第六章 生产管理 646.1 环境选择(厂址选择与布局)646.2 生产工艺流程696.3 产品包装与储运70第七章 投资预算717.1 股本结构与规模727.2 资金来源727.3 资金运用737.4 财务数据预测747.5投资收益与风险分析76第八章 效益概算(财务分析)818.1会计报表及附表818.2.会计报表分析 88第九章 管理体系.899.1 公司名称899.2 公司性质909.3 组织形式909.4公司管理层主要负责人 959.5 创新机制959.6 公司管理95第十章 机遇与风险.9810.1 机遇9810.2外部风险9810.3内部风险9810.4 解决方案99第十一章 资本扩张与退出.9911.1 资本扩张 9911.2 风险资本的退出100第十二章 团队介绍.10112.1 团队成员简介102附件一 指导老师简介104附件二 项目信息106第一章 执行总结 本公司正在申请专利，产品符合党的十七大的有关要求，市场前景广阔；盈利多，获利指数高，资金回收期短，且有一流的管理团队。1.1 公司简介南昌市汽车制动系统股份有限公司是一个提议中的公司，它拥有GMM的汽车线控制动系统技术和高素质的管理团队，为汽车提供高品质、环保的刹车制动系统，为社会节约宝贵的汽油资源，为构建资源节约型、环境友好型社会作贡献。公司研发和生产的系列汽车刹车制动系统产品，符合党的十七大提出的“开发和推广节约、替代、循环利用和治理污染的先进适用技术，加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力，建设资源节约型、环境友好型社会”的要求。这与党的十七大要求的“必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭。” 的精神相匹配。公司成立初期生产相同材料的汽车刹车制动产品，以满足迅速发展的汽车市场的需求，使用投资建厂解决方案。公司注重短期目标与长远战略的结合，中长期目标将逐步拓宽产品领域。 1.2 市场状况汽车刹车制动系统的市场是专业市场，购买过程属成批采购行为。比如汽车组装公司、维修公司等购买。当前，我国市场上没有自主研发生产的刹车系统产品，全部是借鉴与国外技术或者直接采购国外产品进行组装！传统液压制动系统油路传输管路长，阀类元件多，存在着运动惯量和间隙，控制指令从发出到执行会有一定的延迟。与传统制动系统不同，线控制动系统以电子元件代替部分机械元件，省去真空助力装置、制动主缸、压力调节装置、比例分配阀、油路管道等结构。使车辆结构发生根本简化，腾出大量空间，减轻重量并简化了维护工作，安装测试更简单快捷，消除了液压回路渗透，使得汽车更为环保。通过电控单元控制制动模块，实现电子控制，减少响应时间，提高了汽车主动安全性。在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及制动力的分配，可方便地实现制动防抱死及驱动防滑等功能。目前市场上大部分汽车用的都是ABS防抱死制动系统，而且这套系统市场价一般在12000-39000元。而我们的GMM汽车防抱死制动系统市场价在8333元，相对于传统的刹车系统，价格上就占优势。GMM汽车制动系统采用成本加价法进入市场。因为我制造这个产品的成本价不高，但它的技术远远高于传统的刹车产品。制作单个GMM汽车制动系统的原材料价格是： 单位： 元原材料GMM材料电子踏板线圈弹簧钢控制系统导线刹车片价格420125401003002060数量4141111合计168012516010030020601.3 投资与财务公司设在南昌市高新区，享受“二免三减半”的税收优惠政策。公司成立初期共筹集资近1200万元，其中风险投资700万元，汽车制动系统创业团队自筹50万元，技术入股300万元，短期借款150万元（金融机构一年期借款利率为7.47%），其中用于固定资产702万元，流动资金498万元. 股本规模及结构定为：公司注册资本1200万元。外来风险投资入股700万元（58.33%）;GMM汽车制动系统创业团队自筹50万元（4.16%）；技术入股300万元（25%）；短期借款150万元（12.5%）。1.4 组织与人力资源本公司的性质是有限责任公司，组织结构采取倒金字塔型组织结构。由总经理直接向董事会负责，公司所有权与经营权分离，总经理下设副总经理，市场营销部经理、质检部经理、行政部经理、人力资源部经理、技术研发部经理、生产运营部经理、财务部经理、公共关系部经理。GMM创业团队发起人是南昌工程学院09级机械与动力工程学院的学生王全星，团队由09级机械与动力学院的王全星，09级工商管理学院的彭思梅和陈晓慧，08级经济与贸易学院的杨细海和肖海斌，五个人组成的。我们这支队伍结构是非常合理，而且团结上进、年轻、富有激情、知识结构交叉、专业互补、勇于创新的团队。团队成员将参与公司的日常管理、技术研发、市场营销与财务管理工作。公司聘请了南昌工程学院副院长吴泽俊教授担任公司营销管理顾问；机械与动力工程学院的初长宝老师保担任公司技术研发顾问；工商管理学院郭晓红老师担任公司人力资源及战略管理顾问；经济与贸易学院管静老师担任公司财务及法律顾问。第二章 技术分析(项目背景) 汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控转向（steer by wire）、线控制动（brake by wire）、线控油门（drive by wire或者throttle by wire）和线控悬架（suspension by wire）等，采用这些线控系统将部分取代现有系统中的液压和机械控制。传统液压制动系统油路传输管路长，阀类元件多，存在着运动惯量和间隙，控制指令从发出到执行会有一定的延迟。与传统制动系统不同，线控制动系统以电子元件代替部分机械元件，省去真空助力装置、制动主缸、压力调节装置、比例分配阀、油路管道等结构。使车辆结构发生根本简化，腾出大量空间，减轻质量并简化了维护工作，安装测试更简单快捷，消除了液压回路渗透，使得汽车更为环保。通过电控单元控制制动模块，实现电子控制，减少响应时间，提高了汽车主动安全性。在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及制动力的分配，可方便地实现制动防抱死及驱动防滑等功能。线控技术最先应用于航空领域。经过了安全性、可靠性和操控性等方面的严酷考验，线控飞行控制技术已在军事和商用飞机上成功运行10多年。航空和军事上的运用已证明线控技术是可靠和高效的，将该先进技术应用于汽车领域，给汽车制动控制系统带来了巨大的变革，为将来车辆的智能控制提供了条件。2.1线控制动的研究现状分析目前，线控制动系统分为两种类型：一种电液制动系统EHB （Electro-hydraulic Brake）； 另一种为电子机械制动系统EMB（Electro-mechanicalBrake）。电液制动系统1、液压调节装置 2、制动轮缸 3、动力源 4、泵 5、电机 6、高压蓄能器 7、主供油管路 8、主供油管路压力传感器 9、轮缸进油阀10、液压隔离活塞 11、储液灌 12、前后轴平衡器 13、轮缸压力传感器 14、轮缸出油阀 15、回油管 16、制动踏板 17、制动主缸 18、制动灯开关 19、踏板行程传感器 20、隔离阀 21、模拟器泄油阀 22、模拟器进油阀 23、踏板感觉模拟器 24、气源 25、ECU 26、回油管压力传感器图 1 博士公司EHB系统如图1所示：EHB由传感器、ECU（电子控制单元）及执行器（液压制动单元）等构成。制动踏板与制动器间无直接动力传递。制动时，踏板行程传感器将信息传给ECU，ECU汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号，根据车辆行驶状态计算出每个车轮的所需制动力，并发出指令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。高压蓄能器能快速而精确地提供轮缸所需的制动压力。电液制动系统的优点是能够改善系统的性能和操作人员的舒适性。制动阀可安装在远离驾驶室更接近于制动器的位置，以减少管路的消耗。无需采用更多的液压阀及管路就能使远程操作更容易。将电液技术引入全动力系统，需要安装带有踏板角度传感器的电子踏板、电控单元、阀驱动器及电液制动阀以取代原有的连接和压力制动阀。保留原系统中的带有安全阀的泵、蓄能器充液阀、蓄能器及制动器。电子踏板可以提供与踏板转角成比例的反馈力。踏板角度传感器将踏板角度转换为电信号，输入电子控制单元。可编程控制单元将控制电流输入到比例电磁阀的电磁线圈。阀芯移动到所输出的制动压力与电磁线圈力按比例保持平衡的位置。尽管看起来从踏板转换到制动压力更复杂，但可编程的控制单元使系统设计者能够实现机械系统无法达到的更柔性的传递功能。当用于比例系统时，该阀能够为线控制动系统、防抱制动系统及牵引控制系统提供无动力常规制动和紧急制动所需要的液压动力。电子机械制动系统电子机械制动系统(EMB)主要包含以下部分：（1）电制动器，其结构和液压制动器基本类似，动作器是电动机；（2）电制动控制单元（ECU），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并兼顾其他系统的控制；（3）轮速传感器，准确、可靠、及时地获得车轮的速度；（4）电源，为整个电制动系统提供能源，与其他系统共享。此外，在电制动系统中增加了力矩传感器。 德国 Continental Teves 公司研发的电子机械制动系统(EMB)如图2所示: 图 2 Continental Teves 公司第三代EMB样机此概念样机EMB由电机、制动卡钳、减速机构、运动转换机构等组成。作为制动系统执行机构的传动机构，减速机构、运动转换机构将电机的旋转运动转换为速度合适的直线运动。传动机构显著增加了执行机构的复杂程度和装配成本，同时，由于传动机构的存在，增加了制动系统的响应时间。在电子机械制动装置中，其中一种是通过一个大直径的滚珠螺杆机构将电动机的旋转运动转变成压头的直线运动。制动调节器用来控制电动机的运转。制动调节器接收制动防滑控制盒指令和车轮力矩传感器的信号，可以自动调节电动机的电流和电压，从而调节制动力矩。电动制动装置中除了采用电动机外， 还可以使用电磁离合器，使制动盘压紧或松开。新型电磁制动器由电磁体、制动蹄、销轴、制动杠杆、回位弹簧等组成。其工作原理为：电磁体可视为一E型电磁铁，采用车载电瓶供电，制动鼓相当于衔铁，这样经过气隙形成闭合回路。当需要制动时，接通电磁体上电源，电磁体产生吸力，被吸到制动鼓上并被其带动旋转，从而带动制动杠杆从动端将制动蹄顶开，直至制动蹄上的摩擦片与制动鼓的内圆柱面接触产生摩擦，并被制动鼓带动转动，此时制动杠杆继续被电磁体带动转动，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。制动完成后，断开电磁体的电源，电磁体失去磁力而脱离制动鼓端面，回位弹簧将制动蹄拉回原位，摩擦片与制动鼓脱离，制动消除。2.2线控制动系统的关键技术由于线控制动系统取代了传统的气动、液压及部分机械连接装置，因而传感器的精度，ECU硬件的可靠性、抗干扰性，控制算法的可靠性、容错性，执行机构的快速性、可靠性及不同系统ECU之间通信的实时性，总线的容错性和仲裁能力及动力电源等都制约着线控制动技术的广泛应用。线控制动系统的关键技术包括以下几方面： (1)传感器技术 传感器是组成线控系统的基本且重要单元，无论是EHB、EMB，还是SBW等都是由许多传感器构成，例如SBW系统由角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等组成，它们构成了SBW的主要部分。而汽车电子控制系统的控制效果却紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度，因而传感器的科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。如何制造出体积小、成本底、可靠性高而且测量精度高的传感器就成为线控系统的关键技术之一。(2)总线技术汽车各电子系统的ECU如何进行信息通讯及各系统如何进行集成，在很大程度上依赖于总线技术。目前存在着多种汽车总线标准，未来会使用具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议。这一类总线标准主要有时间触发协议（TTP）、Byteflight和FlexRay。TTP是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，能够支持多种容错策略，具有节点恢复和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽车线控系统的网络通信，其特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理的要求;FlexRay是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。(3)动力电源技术 在EHB系统中，由于制动力矩由液压提供，所以良好设计的14V电压可以满足要求;而在EMB系统中，由于制动力矩直接由电机提供，使得所需电源功率增大，而提高电压是增大功率的好方法，所以传统的14V系统不再能很好地满足要求;在SBW系统中，ECU、2个冗余转矩反馈电动机和2个冗余转向电动机，其总功率大约在550880W，所需电源能量相当大。如何提供足够的电能保证系统的稳定运行成为解决问题的关键，42V电压系统的研究和电动汽车的深入研究为此技术的解决提供了平台，为线控技术的广泛应用打下了基础。(4)容错控制技术为了满足汽车可靠性与安全性要求，线控系统必须采用容错控制技术，容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法两种。硬件冗余方法主要是通过对重要部件及易发生故障部件提供备份，以提高系统的容错性能;解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。在SBW系统中，相对于ECU来说，传感器和执行机构更易发生故障，一些传感器和执行机构间存在着冗余，冗余是实现容错控制的基础，一旦某部件发生故障，利用冗余关系可用其他部件代替故障部件，以消除故障。相对传感器和执行机构来说，ECU的可靠性较高，但一旦ECU出现故障时，后果更为严重，系统不能进行任何操作。基于容错控制技术的SBW系统，在不影响系统控制功能的情况下，容错控制技术提高了转向系统的可靠性，保证了车辆的正常行驶及安全性。而可靠性和安全性是制约SBW系统应用的主要瓶颈之一。当SBW系统的可靠性和安全性能够达到普通动力转向系统水平时，其产业化也就指日可待了。2.3稀土超磁致伸缩材料的发展及应用磁致伸缩研究1842年，物理学家焦耳发现，铁磁性晶体在外磁场中被磁化时，其长度尺寸及体积大小均发生变化，去掉外磁场后，其又恢复原来长度与体积的现象被称为磁致伸缩或磁致伸缩效应。它是由原子或粒子自旋与轨道耦合能和物质的弹性能平衡而产生的，是所要达到能量最小原则的必然结果 。从1842年焦耳发现了磁致伸缩现象开始，人们对磁致伸缩材料的研究一直没有停止过。20世纪40年代，发现镍和钴具有较大磁致伸缩（约10-5量级）；60年代，发现铁氧体也具有较大磁致伸缩（约10-5量级）；1965年，Legvold等发现稀土金属铽和镝在0K附近的磁致伸缩达10-3量级；1969年，Callen提出稀土过渡金属形成的化合物具有较高的居里温度；1971年，Koon发现Rfe2在室温下具有10-3量级磁致伸缩性，但其磁晶各向异性过大，要求驱动磁场高；1973年，Clark发现Tb0.27Dy0.73Fe2在室温下具有10-3量级磁致伸缩性，而且磁晶各向异性也低；20世纪80年代中期，商品化的超磁致伸缩材料（GMM）在国外出现，典型牌号Terfenol-D由镧系的Tb、Dy和过渡系的Fe构成。1989年全世界Terfenol-D合金产量仅为100kg，1993年约1 000kg，1995年达到10 000kg，而到1999年已达到70 000kg。近年来，Terfenol-D的市场年增长率为100%。目前，国际上经营GMM业务的企业主要有美国ETREMA公司、英国稀土制品公司、日本住友轻金属公司等。目前，世界上仅有少数几个国家可生产这种材料，美国政府把它列为政府控制出口的先进材料。国内在80年代后期开始进行材料性能与制备研究。北京钢铁研究总院对GMM制备技术的研究起步较早，1991年在国内率先制备出GMM棒材，并获得了国家专利。北京科技大学研制的GMM材料在国内外20家单位试用，效果良好。兰州天星公司已开发了年产吨级的生产线，在国内外具有很高的知名度。另外，2004年经全国稀土标准技术委员会审定，由甘肃天星稀土功能材料有限公司制定的“铽镝铁大磁致伸缩材料”标准为国家标准，该种材料国家标准的建立，对保护国家知识产权，在国际上占据制造该种材料的技术制高点有重要意义。超磁致伸缩材料的应用该材料可以适用于汽车的制动系统、平面扬声器、焊接装置、喷油嘴等领域，并且在微型马达、精密阀体及振动控制等工程领域有较好的应用前景。作品研究的意义现代汽车制动控制技术正朝着线控技术方向发展。全电制动控制具有巨大的优越性，将取代以液压为主的传统制动控制系统。随着汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降，电子信息处理技术的高速发展，将使汽车制动控制技术的发展迎来线传电控时代.2.4基于GMM的汽车线控制动系统研究与开发 2.4.1基于GMM的汽车线控制动系统结构和工作原理 基于超磁致伸缩材料（简称GMM）磁致伸缩系数高、磁致伸缩变形的线性范围大、输出应力大、响应时间达到微秒级、频率特性好、频带宽、耐高温、稳定性好、可靠性高等特性，设计出以GMM材料为驱动源的汽车线控制动系统。2.4.2基于GMM线控制动系统结构基于GMM线控制动系统主要由车轮转速传感器、踏板传感器、电子控制单元（ECU）、GMM制动模块（H型结构）、电源等组成。其系统如图3所示： 1、转速传感器 2、踏板传感器 3、电子控制单元 4、GMM制动模块 5、电源 6、通信 图 3 线控制动系统2.4.3工作原理踏板传感器用来接收驾驶员的制动意图，制动过程中，踏板转角传感器不断地将踏板转角信号转化为电信号，并将其输入到电控单元，ECU根据轮速传感器、踏板传感器输入的信号及其他各种信号进行分析计算，将控制信号输入到GMM制动模块，GMM模块根据电流大小输出所需制动力，实现防抱死、驱动防滑等功能。2.5 制动模块结构设计为满足装配紧凑、结构简单、制动精确、反应速度快、控制方便等要求，线控制动系统制动模块的结构设计采用如下方案：以GMM棒作驱动源，采用H型柔顺机构，GMM棒放置在H型柔顺机构上端，电磁线圈在电流作用下产生磁场使GMM棒产生轴向位移，推动H型柔顺机构向两侧扩张并通过柔顺铰链对GMM棒产生的轴向位移进行放大，致使H型柔顺机构下端夹紧制动盘达到制动效果。设计方案原理如图4所示： 图 4 设计方案2.5.1柔性铰链的计算 （a） 柔性铰链结构示意图 （b） 微元的几何尺寸图 5 柔性铰链计算分析图为了计算柔性铰链的偏转角与所施加外力矩之间的关系，我们查阅相关文献，文献对柔性铰链的转角与刚度的计算过程简单，精度也比较高。柔性铰链的结构如图（5（a）所示，其中柔性铰链的最小厚度为t，圆弧半径为R，宽度为b，高度为h，绕z轴施加的力矩为Mz。在圆心角处截取微元，如图（5 ( b）所示，其中微元厚度a=t+2R-2Rcos，长度为du=d(Rsin)，绕z轴的惯性矩Iz， Iz=ba3/12。假设柔性铰链在力矩作用下的变形为纯弯曲，忽略柔性铰链圆弧以外的角位移。如图6所示，Mz=FL 图 6 柔性铰链GMM的最大输出力F约为2000N，L=80mm；Mz=160Nm ；绕z轴的偏转角为：令s=R/t有 弓形柔性铰链转动刚度为：把h=19mm，t=5mm，R=7.5mm，b=25mm ，=32，Mz=160Nm 代入得：计算结果为z=0.46； k=347.83 ;2.5.2超磁致伸缩棒的选购目前，世界上生产直动型GMM的厂家不多。国外公司主要有美国边缘技术公司(ETREMA)、瑞典菲罗公司(FEREDUN-AB)、英国稀土制品公司(PabnsonMatthcy)、日本 TDK 公司；国内主要有包头稀土研究院、台州市椒光稀土材料有限公司、甘肃天星稀土功能材料有限公司、有研稀土新材料股份有限公司、北京磁伸稀土技术发展有限公司等。国内GMM产品主要性能指标(磁致伸缩系数、磁机耦合系数)均接近国外产品，而价格仅是国外公司的20-30%，选择国内GMM产品更符合技术经济性原则。另一方面，GMM在美国、日本都属于禁止出口材料，直接从国外购买比较困难。表 1 国内主要GMM品牌产品性能比较参数甘肃天星台州椒光有研稀土磁致伸缩率（10-6）1 000 (80kOe,10MPa)8001 200 (0.5kOe,10MPa)1 500(3kOe,10MPa)杨氏模量1010N/m22.5 6.52.5-4.06.5抗拉强度MPa2525抗压强度MPa260 250热膨胀系数10-6/8 12812居里温度380380380磁机耦合系数0.65 0.750.70.90.60.75声速m/s1 700 2 6001 7002 7001 6002 500能量密度kJ/m314 251425电阻率10-8.m(60 130)6060140相对磁导率3 1540100315比热kJ/kg.k0.350.35作品选用甘肃天星稀土功能材料有限公司提供的GMM棒，几何参数为2050mm。2.5.3磁场范围的确定GMM棒通过磁场驱动，磁场范围的确定依据材料的特性，下图为天星公司所提供的GMM产品的-H关系。图7中，OA段随H上升非常缓慢，称为“死区”，AB段随H上升很快，且线性度良好，这是驱动磁场最为理想的区域。B点之后，随H上升明显变缓，且线性也差。因此，我们取所需磁场H的范围为：050kA/m。图 7 GMM的关系 2.5.4驱动线圈的参数设计计算磁致伸缩材料在外磁场作用下发生形变，产生磁机转换效应，可用以下方程描术,文献21：S=S(,H)式中：为磁致伸缩材料的磁致伸缩应变；为外加压力；为外加磁场强度，由于几乎不变，所以应变仅与有关，而磁场强度的大小取决于驱动线圈的匝数和长度，即线圈的尺寸。由于棒的几何参数已经确定，为2050mm，那么线圈内径和长度也已基本上确定。空心线圈中心线上磁场强度分布为：式中，n1和n2分别为线圈单位长度上和单位高度上的匝数，Hx为线圈轴线上至中心距离为x的点的磁场强度。如图8所示：图 8 多层螺线管示意图GMM棒的半径为10mm，考虑到线圈骨架的影响，线圈的内径a1确定为16.05mm，根据H型柔顺机构与线圈骨架，线圈长度为39mm。驱动线圈磁动势主要加载在GMM棒上，根据H型柔顺机构，线圈以外有很大的空气系，漏磁比较大，根据安培环路定理，同时考虑漏磁的影响，磁路可表达为：NI=kcH l式中，kc为考虑漏磁时驱动线圈的补偿系数，取值为1.92。按线圈电流密度J的定义： 式中，ac为线圈截面积。实际工作中，线圈的电流密度有一定的要求，各种工作制下电流密度J取值如下：长期工作制： J=2A/mm2反复短时工作制： J=512A/mm2短时工作制： J=1330A/mm2本作品中的线圈按长期工作制取值，则有：通过优化，确定线圈外径a2，也就是在满足上式约束下，使线圈的电-磁转换效率最高。线圈电磁转换效率高也就意味着在产生相同磁场强度时所损耗的功率最小，线圈所损耗的功率可表示为：式中，为绕线的电阻率，c为绕线形状因子（圆形取4/，方形取1），G是一个只与线圈形状有关的因子。式中：=a2/a1，=l/2a1经计算，外径a2为38mm。线径和匝数的确定：最大磁动势NI确定后，线圈的发热功率也就确定了，原则上可以自由的选择N和I的值，我们选择的恒流电源的电流为04A，因此最大电流I为4A，代入安培环路定理得N为857匝。 表 2 线径的排绕系数和叠绕系数线径d（mm）排绕系数kl叠绕系数kr0.51.11.150.50.81.051.151.22.41.051.20表2线径的排绕系数和叠绕系数，那么则有：经计算，d为0.89mm，我们查了常用的漆包线规格尺寸，选取线径为1.1mm ，它的主要参数如表3所示：表 3 漆包线规格导线直径d（mm）漆包线最大外径dm（mm）单位长度电阻Rl（/m）1.11.120.0324驱动线圈电阻为15。2.6线控制动模块的制作通过上节的设计与计算，得到了制动器的参数，如表4所示：表 4 制动器的设计参数柔性铰链（mm）驱动线圈（mm）板材最小厚度t圆弧半径R宽度b高度h线圈匝数N线径d线圈长度l线圈内径a1线圈外径a265Mn57.525198571.13916.05382.6.1 制动模块结构特点 线控制动模块结构主要包括H型柔顺结构、刹车片、超磁致伸缩材料（GMM棒），磁致线圈，其三维建模图及实物图如图9所示: 图 9 制动模块图该线控制动模结构特点：、H型结构左摇臂、右摇臂、连接臂与柔性铰链连为一体，使结构简单，阻磁少。、柔性铰链包括四个切口和两个柔性轴两个一对切口之间最薄弱的部分，其中两个切口为左摇臂和连接臂之间的开口，另两个切口将右摇臂和连接臂的开口。该柔性铰链易于加工制造，无间隙和摩擦，可实现高精度运动，免于润滑，无污染，免于磨损，稳定性好，可提高机构使用寿命；另外，该柔性铰链结构简单，可以采用线切割加工工艺一次成型。、切口的末端为圆形通孔，可防止应力集中对机构的损伤。、电磁线圈可缠绕在超磁致伸缩材料上，节省空间。、H型柔顺机构左摇臂、右摇臂、连接臂与柔性铰链由一块弹簧钢切割而成，整体性好，制造工艺简单。2.7 控制系统设计与制作2.7.1控制系统硬件电路设计图 10 硬件电路控制核心 atmega8控制系统采用Atmel公司的基于精简指令级的8位MCU Atmega8L芯片作为控制核心如图10所示，此款单片机最高工作频率可达到8M完全能够满足控制系统的快速响应要求。MEGA8单片机接收和监控踏板传感器及车轮转速传感器电信号，根据传感器信号，通过改变脉宽调制器（PWM）占空比，调节直流电源控制输出电流和输出电压， 达到控制GMM线圈，实现刹车制动的目的。下面对硬件电路的各主要功能进行简单的介绍：图 11 电流信号检测电路如图11所示，电流检测电路主要用于检测GMM线圈上的电流信号，实现电流的闭环调节。电路采用高性能运放LM358,基于汽车蓄电池电压的级别，采用12V单电源供电模式。图 12 过流过压保护电路如图12所示，过流过压电流保护电路，用来实现直流电源的输出电流和输出电压的限制保护，当GMM线圈上流过大的电流，或直流电源输出电压超过安全限度时将会产生过流和过压信号，传给控制单元以进行故障处理，以提高系统安全性。电路采用高性能比较器LM393实现，结构同样使用12V供电，与车载供电系统完全兼容。 图 13 PWM驱动保护电路如图13所示，PWM驱动保护电路采用高速光藕荷器TLP250实现隔离驱动，提高驱动电路的安全性能，光藕采用12V供电。图 14 Sepic变换器结构如图14所示，直流电源主电路采用Sepic变换器，由于所设计GMM线圈的控制电压需要在030V范围内调节，而车载蓄电池的电压只有12 V ,所以采用新颖的Sepic变换器，以实现直流电压的升降压调节。 2.7.2 控制系统软件设计为简化控制系统软件设计，以踏板传感器信号作为主控制变量，采用查表法对基于GMM的汽车线控制动系统进行控制。将踏板传感器信号划分成如表5所示区间，并对晶闸管输出电压进行控制。表 5 控制信号与输入信号对应关系序号传感器电信号区间（V）直流电源输出电压（V）100.50320.5135311.55841.52812522.5121662.531620733.5202583.542530944.53032104.553234软件设计的流程图如下所，示首先对MEGA 8单片机进行初始化，通过踏板传感器的分压电路检测到踏板位移和车轮转速信号，对信号进行调理。MEGA 8通过计算产生脉宽调制信号（PWM），对PWM产生的电流信号是否满足要求进行判断，若不满足要求继续写入MEGA 8重新得到PWM，若满足要求则固定直流电源的输出电压，进而控制刹车片，达到制动目的。程序流程图如图15所示：开始初始化 检测踏板位置和车轮转度 计算GMM控制电流NOOYes结束等待制动结果看电流是否满足要求写入PWM图 15 程序流程图通过控制系统的设计，完全满足了GMM线空制动系统的技术要求，能够实现汽车的快速可靠制动，较传统的制动方式取得了很大改进。2.8总结与展望2.8.1、作品的创新点、制动系统结构简单：采用线控技术取代了液压管路系统。、驱动源采用新型材：基于GMM的磁致伸缩线性变形范围大、输出应力大等特性，取代了现行以油压或气压为驱动源的制动系统。、执行器为H型柔顺机构：采用H型柔顺机构无摩擦、无间隙、无润滑，能够提高传动效率。、环保 ：采用线传电控无需制动液大大提高了制动系统的环保性。2.8.2、作品的优点与不足2.8.3、作品的优点线控制动与传统制动系统相比：、系统更加环保：采用线传技术， 取代液压油路。、主动安全性更高：制动响应速度快（达到1微秒，液压系统响应时间约为0.2秒），缩短了制动距离。、满足汽车轻量化：由于取消真空助力装置、制动主缸、比例分配阀、压力调节装置、管路等，使结构更简单，从而减轻了整车质量。、传动效率更高:液压制动系统的管路长，在液压传递过程中，能量损耗大，使传动效率相对较低。2.8.4、作品的不足、GMM材料需要磁场驱动，而磁场是由线圈产生的，由于受线圈尺寸的限制使得线控制动系统结构的驱动源不能做的很大。、汽车制动时，给线圈加载电流，线圈会产生热量，需要对线圈进行散热。、由于时间限制，控制策略较为简单（采用查表法） ，在控制系统设计方面还需完善。2.9、作品的应用前景2.9.1、作品的适应范围本项目研究的线控制动系统可以应用于轿车中、矿山机械、工程机械、航空等领域。2.9.2、作品的推广前景基于GMM线控制动系统结构简单、反应速度快、环保、易实现远程控制 ，可广泛应用于矿井提升机制动、电梯制动、机械设备制动、汽车制动等领域。2.10、工作展望2.10.1、线控制动系统完善1、线控制动系统的优化 根据制动系统性能及结构对GMM材料的要求，影响线控制动系统设计主要有两方面原因： 、线圈发热对GMM棒磁致伸缩系数的影响； 、GMM棒产生的线性位移相对较小，对系统的装配精度要求较高;针对上述两方面原因，在后期将给出如下解决方案： 、对于线圈发热可以采用水冷、风冷等方式进行降温，防止线圈受到破坏。、对H型柔顺机构进行进一步优化设计，将GMM棒产生的较小位移进行放大，并提高零件的加工精度。2、控制系统的完善作品对控制系统做了初步设计，但并不完善，需要进一步优化，要实现精确的控制还需要进一步的研究。2.10.2、超磁致伸缩微型电焊机超磁致伸缩材料(GMM)是自20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料,目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。GMM器件的性能已被证明优于压电陶瓷换能材料,在军民两用高科技领域具有难以估量的应用前景。本小组在超磁致伸缩材料的新型材料上进行积极探索，在微型零件上的进行研究。基于GMM材料的频率高与伸缩性，可以运用在自动生产车间，对微型元件进行焊接。根据生产的需要，我们对超磁致伸缩微型电焊机进行研究，原理图如图16所示： 图 16 超磁致伸缩微型电焊机 由机械手将微型元件运送到超磁致伸缩微型电焊机后，驱动线圈中通入电流，产生磁场，GMM伸缩产生形变。当电流改变，磁场强度变化，引起GMM伸缩产生形变的伸缩量发生改变，调节需要焊接的深度，使焊接牢固。基于GMM材料频率高的特性，可以使焊缝均匀、紧密。将GMM材料运用在微型电焊机上，可以精准稳定的定位微型元件的焊接接头，将接头焊接的更加牢固。这是本小组在研究之余，所设计出的微型电焊机，是希望通过自己的努力为超磁致伸缩材料应用发展做一点力所能及的事情。2.11 产品专利目前本公司正在申请专利，公司正式成立以后，将对我们的产品申请一系列的专利，具体包括: 汽车刹车制动系统名称、外形、可调式技术等。对我们的产品进行全方位的专利保护。2.11.1、 产品的适用范围我们的产品可以应用于轿车中、矿山机械、工程机械、航空等领域。2.11.2 、成本估计汽车制动系统的生产和加工工艺较为简单，成本主要集中在原材料上，原材料不同其生产成本也明显不一样，根据技术，公司生产只生产核心技术产品（制动系统）。(详细请见第七章)2.11.2、 费用估算人员工资：技术工（公司20人）3000元/月，普通员工（公司18人）1700元/月，厂部管理人员（4人）2500元/月。总共=20*3000+18*1700+4*2500=10600元/月，其中，直接人工为90600元/月，管理费用为10000元/月。每月电费=115200*0.627=72230.4元，每批产品所需电费为18057.6元, 每月水费=400*1.35=540元。 以GMM材料作为主要原料，每月可生产100件：直接材料244500元/月，61125元/批；直接人工90600元/月，22650元/批；制造费用101400元/月，每批产品制造费用25350元；管理费用60652.09元/月,15163.225元/批。每批产品生产成本为109125元。2.11.3、 产品生产成本估算生产成本=固定成本+单位变动成本*产量，每批产品数量为25件，生产一批产品需7天。固定成本：固定资产折旧按机器设备使用寿命为5年计算，每年折旧86.00万元，每月折旧7.17万元，生产一批产品所需时间为7个工作日，每月可生产4批，则每批产品的固定成本为2640.17元。厂房购买，厂房支出477万元。表2-1 GMM材料生产成本（100件计算） 单位：元GMM材料168000工资90600弹簧钢10000线圈16000动力（电费）72230.4折旧71700修理100管理费用10000水费540废品支出100厂房支出4770000其他（包装等）500运输200总计5058770.4 根据原材料市价、人工、以及其他费用估计，生产汽车制动系统每件成本为4365元，随着生产规模的不断扩大，具有明显的规模效应。2.12 研究与开发2.12.1 产品层次2.12.1.1 核心利益汽车刹车准时到位，时间少，反应速度快，而且环保它也是汽车的核心设备。2.12.1.2 有形产品现有市场上有汽车刹车制动系统：、ABS制动系统（电子式气压）2、半挂车ABS防抱死制动系统3、汽车ABS防抱死制动系统系列产品2.12.1.3 期望产品未来生产出汽车刹车制动系统并且含有核心棒产品。2.12.1.4 潜在产品可以应用于各种车型和档次的汽车刹车制动系统产品。2.12.2 短期目标目前世界技术研发部已开发出汽车刹车制动系统，已经入一个成熟期，在不久将来将被汽车刹车制动系统所取代。等市场进一步打开，获得充分反馈后，拟将本公司的产品替换现有产品。2.12.3 中长期目标本公司技术研发部还在进一步研究汽车刹车制动系统，如果获得阶段性成功还将继续进行汽车刹车制动系统项目完善