CLYX01-034@车用盘式电磁制动器设计Ansys分析Matlab仿真
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机械毕业设计车辆工程全套
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CLYX01-034@车用盘式电磁制动器设计Ansys分析Matlab仿真,机械毕业设计车辆工程全套
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黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 车用盘式 电磁制动器的仿真分析 叶春晖 （黑龙江工程学院） 摘 要： 本文 利用 Matlab 软件中的 Simulink 模块对所设计的车用盘式电磁制动器建立了数学仿真模型，并进行仿真分析，为这种技术的设计和实现提供了理论依据。 关键词： 电磁制动器； 建模与 仿真； Abstract: this paper use of Matlab software to design the Simulink module of automotive disc electromagnetic brakes establishes the mathematical simulation model and simulation analysis for this technology, provides the design and implementation of the theoretical basis. Keywords: electromagnetic brakes； Modeling and simulation； 当今 很多汽车公司在概念车的设计中都采用了线控技术， 线传操控技术的核心是智能机电 传动装置 ， 这些装置将原先操控车辆的机械手段改由线传电子控制。一切的命令都通过电子信号进行传递，最终转变为机械动作。另一方面，车辆的反馈信息也通过电子信号反映给驾驶者，使得其可以对车辆状况了如指掌 。线控将是未来汽车的核心内容，这将要求汽车的各个组成部分发生革命性的变化，在汽车的制动系统部分就得到了充分的体现，如电磁制动器 就是制动系统的一个发展方向。本文 对所设计的车用盘式电磁制动器 进行仿真分析。 1 电磁制动器的 结构 汽车电磁制动器是一种新型非接触式制动器，它利用电磁阻力的原理将汽车的动能转化为热能耗散在空气中，使汽车获得 减速度。其制动效能和工作可靠性、持久性都高于其他传统的汽车制动系统，是国际上汽车制动系统的发展方向。 汽车电磁制动器是根据电磁铁原理，利用电磁吸力将电能转化为机械能，然后使制动盘两侧的制动块夹紧制动盘，从而使车轮制动。 设计的电磁制动器如图 1 所示。 此汽车制动器的结构与传统液压浮动钳盘式制动器的结构基本相同：制动盘以螺栓固定在轮毂上，带有摩擦衬块的制动块装在制动钳体内，制动块只可以沿轴向滑动，但不能转动；汽车制动时，给电磁线圈供电，使其通一定量的电流，电磁铁产生电磁吸力。电磁铁产生的电磁力比较小，不足以使汽 车制动，利用增力机构将力放大，利nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 用液压缸使制动力同时均匀地作用在两侧的摩擦衬块上，与制动盘摩擦，产生所需的制动效果。 电磁 制动系统中，电磁体的电磁力与电磁体线圈中的通电电流和匝数有关，基本上与安匝数成线性关系。当线圈的匝数一定时，改变线圈中的通电电流，电磁体的磁力随之改变。不同于普通的摩擦制动器，电磁制动器不需要压力调节器，而直接控制电流。由于使用电流调节器代替了压力调节器，所以减少了系统的非线性。 图 1 电磁制动器 2 汽车系统模型的建立 汽车的整车模型，可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学模型。在对电 磁制动器进行仿真时，采用单轮汽车模型如图 2 所示，为使模型简化，为使制动器制动性能的研究更容易且不受其他条件干扰。对控对象做如下假设： （ 1） 汽车的的质量分布均匀； （ 2） 汽车在平坦的路面上行驶，忽略空气阻力和车轮的滚动阻力； （ 3）忽略侧向力； （ 4）不考虑制动过程的震动和由此引起的法向载荷的变化； （ 5）不考虑汽车由于绕直线旋转或其他车轮 不均匀制动而造成的运动动力学。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 图 2 单轮汽车模型 车轮运动方程： 221 mRIT （ 1） 式中 I 车轮转动惯量； 车轮角速度； T 制动力矩； R 车轮滚动半径 定义滑移率为： vR 1（ 2） 式中 滑移率 v 车身速度 3 电磁体子系统仿真模块 的 建立 电磁体 中电磁线圈 缠绕在电磁铁上，可以将看做电感元件。通电时，电感元件中的电流不能发生跃变 。其电流变化公式为： )1( teIi （ 3） 式中 时间常数 ，RL； I 最大电流； AI 75.15 L 电感元件参数，INL N 线圈匝数， 378N 磁通， Wb00186.0 电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消失，衔铁即被释放。 电磁吸力可根据吸力近似计算公式计算： nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 kgSIWF 822 10)(4.6 （ 4） 式中 S 空气隙截面积， 200186.0 mS ； 空气隙长度； mm8.6 。 代入计算数据，建立电磁体子系统仿真模块 ，如图 3 所示。 图 3 电磁体子系统仿真模块 4 增力机构子系统仿真模块 的 建立 增力机构 的增力系数 与衔铁位置相关， 汽 车电磁制动器开始制动时，气隙长度会随之变化，变化的电磁吸力： 2 028 SWF （ 5） 式中 0 磁路中材料的磁导率 ， mH /102.4 40 建模时，需要注意，气隙长度不能大于 0.01652m。 增力机构的 增力比在一定程度上与角度成线性关系。 增力机构 的增力系数为 ： tan2 1i(6) 代入计算数据，建立电磁体子系统仿真模块，如图 4 所示。 图 4 增力机构系统仿真模块 5 单轮汽车子系统仿真模块 的 建立 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 单轮 汽车自系统模型以制动器制动力矩和纵向附着系数为输入， 得到 车身速度和车轮角速度， 并将车身速度和车轮轮速送入滑移率计算模块中 ，以滑移率为输出。 221 mRIT 式中 ， 车轮滚动半径 mR 286.0 ,建立 车轮轮速计算仿真模块 ，如图 5。 图 5 车轮轮速计算仿真模块 根据加速度、速度、位移关系 公式 ，可建立 车速位移计算仿真模块 ，如图 6。 ga (7) dtdva(8) dtdsv(9) 图 6 车 速 、 位移 计算仿真模块 根据公式 （ 2） 可以建立滑移率计算仿真模块，如图 7。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 图 7 滑移率 计算仿真模块 联立车轮轮速计算仿真模块、车速、位移计算仿真模块和滑移率计算仿真模块 ，即可获得 单轮汽车子系统仿真模块 。如图 8。 图 8 单轮汽车子系统 仿真模块 6 轮胎子系统仿真模块的建立 汽车行驶路面为沥青路面。轮胎的 SIMULINK 仿真子系统是根据轮胎力学模型建立的，它以滑移率为输入，经过轮胎模型块后，输出纵向附着系数，并在汽车制动系统中作为单轮汽车模型的输入。 222SSSScch （ 10） 式中 附着系数 ； cS 最佳滑移率， 2.0cS； h 峰值附着系数， 9.0h； nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 S 车轮滑移率 。 建立 轮胎子系统仿真模块 ，如图 9。 图 9 轮胎 子系统 仿真模块 7 电磁制动器仿真模块的建立 图 10 电磁制动器仿真 模型 （一） 联立电磁体子系统仿真模块、增力机构系统仿真模块、单轮汽车子系统仿真模块和轮胎子系统仿真模块 ，便可建立最终的电磁制动器仿真模型 。 仿真模型如图 10，图11 所示。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 图 11 电磁制动器仿真 模型 （二） 设置系统仿真时间为 5s， 运 行 仿真系统模型， 得到 仿真结果 电流变化曲线 、 制动力矩变化曲线 、 汽车车轮轮速曲线 、 滑移率曲线 、 汽车速度变化曲线 以及 制动位移曲线 。仿真结果 如图 12 图 17 所示。 图 12 电流变化曲线 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图 13 制动力矩变化曲线 图 14 汽车车轮轮速曲线 图 15 滑移率变化曲线 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 16 汽车速度变化曲线 图 17 制动位移曲线 由图 12、图 13 可知， 在汽车开始制动大约 s3.0 时，电磁铁电流达到最大值，此时电磁吸力最大，得到所需制动力矩。 由图 14、图 15 可知，在大 约 s8.0 时，汽车车轮线速度降为 0。此时汽车滑移率为1，会出现车轮抱死现象，可使用 ABS 装置在汽车制动过程中通过控制电流大小来控制和调节汽车的制动力，使车轮轮速与车身速度一起缓慢下降，防止车轮抱死的现象发生，以获得最佳制动效能。 由图 16 可知，汽车从速度 hkm/50 至 停止运动，共用时 s5.3 。汽车减速过程，减速度近似恒定。 由图 17 可知，汽车制动位移约为 m5.20 ， 符合 GB7258-2004机动车运行安全技术条件中所规定的，乘用车制动规范对制动器制动性的要求。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 所得仿真数据与计算数据略有不同，分析原因在于参数的选取以及计算设计过程中所产生的误差所造成。 8 结论 本 文基于 Matlab/Simulink 对所设计的电磁盘式制动器建立了仿真模型，并进行仿真分析，得到了 制动器的性能 仿真分析曲线。 此仿真模型具有很好的可移植性，可作为车辆系统动态仿真的子系统；并可进一步与控制系统相结合，形成完整的仿真系统，用于测试控制算法。 参考文献 1王中鲜主编 .MATLAB 建 模与仿真应用 M. 北京：机械工业出版社， 2010.8 2姚俊，马松辉 .Simulink 建模与仿真 M.西安：西安电子科
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