龍?jiān)泼?，林秋逢，?競，何榮欣，彭馬保，曾文高，陳偉濤

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引 言

汽車盤式電磁制動(dòng)器作為一種新型的制動(dòng)裝置，電磁力以其迅速、可靠的潛在優(yōu)勢引起了汽車行業(yè)各研究人員的關(guān)注，是制動(dòng)技術(shù)的一次新的革命。電磁制動(dòng)系統(tǒng)是使用電子裝置的電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，電磁鐵的線圈通電，推動(dòng)摩擦片工作，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)成功研制了鼓式電磁制動(dòng)器，但鼓式電磁制動(dòng)器在制動(dòng)過程中存在散熱困難等因素，研究人員逐漸趨向于盤式電磁制動(dòng)器的研究[1]。

汽車盤式電磁制動(dòng)器在基于傳統(tǒng)液壓盤式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上以全新的設(shè)計(jì)思想對增力機(jī)構(gòu)、電磁鐵內(nèi)外鐵芯和銜鐵等進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助AutoCAD、Solidworks軟件建立模型，并進(jìn)行增力機(jī)構(gòu)應(yīng)力及制動(dòng)力分析。本研究通過增力機(jī)構(gòu)將電磁力放大4倍來滿足汽車制動(dòng)所需的制動(dòng)力。在制動(dòng)過程中，通過控制電磁線圈的電流來控制制動(dòng)力，保證汽車在不同路況的制動(dòng)可靠性。相對于鼓式電磁制動(dòng)器，盤式電磁制動(dòng)器有以下優(yōu)點(diǎn)：①盤式電磁制動(dòng)器遠(yuǎn)比鼓式的散熱好，制動(dòng)性能穩(wěn)定；②由于鼓式制動(dòng)器電磁鐵芯的尺寸受到限制，產(chǎn)生的電磁力也會(huì)受到影響，而盤式制動(dòng)器的空間相對寬松，電磁鐵尺寸可適當(dāng)增大以提高電磁力；③盤式制動(dòng)器的增力效果好。

汽車盤式電磁制動(dòng)器作為新的前沿制動(dòng)技術(shù)，具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，沒有傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的液壓油燃燒和油路泄漏的危險(xiǎn)，提高了制動(dòng)安全性[2]。由于它采用電磁機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)，減輕了車輛自身的重量。盤式電磁制動(dòng)系統(tǒng)采用了反饋控制系統(tǒng)，縮短了制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)距離，改善了制動(dòng)力矩和防滑性能，提高了行駛安全性?；谝陨蟽?yōu)勢，盤式電磁制動(dòng)器將廣泛用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)中[3]。

本研究開展盤式電磁制動(dòng)器增力機(jī)構(gòu)建模和應(yīng)力仿真分析，提出一種以電磁鐵作為動(dòng)力源，通過增力機(jī)構(gòu)把電磁力放大到預(yù)期制動(dòng)力推動(dòng)摩擦片工作而實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)的方法。

1 盤式電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

盤式電磁制動(dòng)器樣機(jī)如圖1所示。

圖1 電磁制動(dòng)器樣機(jī)

該盤式電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)適用于小型車（發(fā)動(dòng)機(jī)排量不大于1.5 L），以威志1.5 L三廂標(biāo)準(zhǔn)型版2009款作為設(shè)計(jì)依據(jù)，制動(dòng)器安裝在原來液壓制動(dòng)器的位置。電磁制動(dòng)器主要由制動(dòng)鉗、活塞、增力機(jī)構(gòu)、電磁鐵內(nèi)外鐵芯、銜鐵和勵(lì)磁線圈等組成。電磁線圈采用12 V直流車載電源供電，以電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力為動(dòng)力源，通過增力機(jī)構(gòu)把電磁力放大后，再推動(dòng)摩擦片工作以實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)。本研究根據(jù)使用需求和空間限制，采用短行程盤式電磁鐵，其特點(diǎn)是鐵芯柱特別大，可以在非常短的行程內(nèi)獲得極大的電磁吸力，而且充分利用了空間，具有節(jié)能、噪音小等特點(diǎn)。短行程盤式直流電磁鐵內(nèi)外鐵芯與銜鐵均采用20#鋼加工，保證最大磁導(dǎo)率并最大限度減小電磁鐵體積，電磁線圈采用線徑為1.16 mm的漆包線繞制1 290匝，其余工藝均按照標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵制造工藝[4]。

電磁鐵的銜鐵與增力機(jī)構(gòu)相連，增力機(jī)構(gòu)為杠桿增力機(jī)構(gòu)（如圖2所示），增力比為1∶4，增力前、后杠桿變化角度為2°，傳動(dòng)效率較高。銜鐵頂端與增力機(jī)構(gòu)相連，通過活塞推動(dòng)內(nèi)側(cè)摩擦塊，銜鐵的導(dǎo)向部分嵌入導(dǎo)向槽，制動(dòng)時(shí)銜鐵向里運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鉗體向內(nèi)拉，使增力機(jī)構(gòu)向外頂出。同時(shí)，外摩擦片的鉗體與銜鐵外側(cè)固連同時(shí)向里運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)外摩擦片幾乎同時(shí)壓到制動(dòng)盤上，并且兩側(cè)制動(dòng)力相等。

圖2 增力機(jī)構(gòu)

摩擦襯塊與制動(dòng)盤之間的間隙在0.05 mm～0.15 mm之間[5]。為彌補(bǔ)摩擦襯塊使用以后的磨損，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)間隙補(bǔ)償裝置。

2 盤式電磁制動(dòng)器的控制原理

當(dāng)汽車需要制動(dòng)的時(shí)候，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，踏板與電位器聯(lián)動(dòng)，通過改變踏板行程來改變電位器的電阻，從而改變通過電磁線圈電流的大小。電磁鐵的吸力與通過電磁線圈電流的平方成正比關(guān)系，通過控制電磁線圈的電流從而可控制制動(dòng)力的大小。在制動(dòng)的過程中，為防止車輪抱死，系統(tǒng)還設(shè)置了防抱死控制電路。電磁制動(dòng)控制單元監(jiān)測輪速傳感器傳來的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)并對其進(jìn)行分析對比，當(dāng)監(jiān)測到車輪將被抱死的時(shí)候，電磁制動(dòng)系統(tǒng)將以脈沖電流的方式控制制動(dòng)力的大小，防止車輪抱死，保證行駛安全[6]，其控制電路如圖3所示。

間隙補(bǔ)償裝置的工作原理：當(dāng)摩擦片磨損后導(dǎo)致制動(dòng)工作時(shí)銜鐵與電磁鐵外鐵芯的距離不斷減少直至相碰，為了保證外鐵芯和銜鐵不相碰并且工作可靠，應(yīng)使其最小距離S0.03mm，當(dāng)S=0.03mm時(shí)控制外鐵芯后移。為實(shí)現(xiàn)摩擦片的磨損間隙補(bǔ)充，本研究將在外鐵芯和銜鐵之間安裝導(dǎo)電金屬塊（觸點(diǎn)），當(dāng)外鐵芯和銜鐵之間的距離為S=0.03mm時(shí)，兩導(dǎo)電金屬接觸并接通間隙補(bǔ)償控制電路，使伺服電機(jī)帶動(dòng)螺栓齒輪固連體轉(zhuǎn)動(dòng)，最終轉(zhuǎn)化為與螺栓齒輪固連體螺紋連接的外鐵芯的水平移動(dòng)。當(dāng)外鐵芯與銜鐵的距離增加到0.08 mm時(shí)兩金屬塊再次分開，這樣使電磁鐵和銜鐵的距離總保持在0.03 mm～0.08 mm范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)摩擦片間隙補(bǔ)償。

圖3 電磁制動(dòng)控制電路

間隙補(bǔ)償控制電路示意圖如圖4所示。

圖4 間隙補(bǔ)償控制電路示意圖

3 盤式電磁制動(dòng)的特點(diǎn)

由于該盤式電磁制動(dòng)器采用特殊的動(dòng)力源，具有許多傳統(tǒng)液壓氣壓制動(dòng)器沒有的新優(yōu)點(diǎn)：

（1）盤式電磁制動(dòng)器具有響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，省掉了大量液壓管路及液壓元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)只需要克服機(jī)構(gòu)阻力和線圈電感即可動(dòng)作。吸合過程主要分兩個(gè)階段，從線圈得到電壓起到電流按指數(shù)曲線增至吸合電流為止的過程。在此過程中銜鐵尚未運(yùn)動(dòng)，其經(jīng)歷時(shí)間稱為吸合觸動(dòng)時(shí)間，記為tx c；進(jìn)入第2階段后，吸力大于反力，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)。

本研究將從銜鐵開始運(yùn)動(dòng)到銜鐵止動(dòng)所需要的時(shí)間定義為吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間，記為tx y。兩個(gè)過程的計(jì)算公式為[7]：

式中：L—電感，H；Fz—釋放阻力，N；Iw—穩(wěn)態(tài)電流值，A。

吸合過程所用總的時(shí)間tx h=tx c+tx y=0.0157+0.0039=0.0196s。理論分析結(jié)果表明，吸合時(shí)間符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[8]中的規(guī)定，且制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間對于液壓制動(dòng)的汽車不應(yīng)大于0.35 s[9]。而電磁制動(dòng)的制動(dòng)響應(yīng)協(xié)調(diào)時(shí)間遠(yuǎn)小于液壓制動(dòng)時(shí)間，具有明顯的優(yōu)勢。

（2）電磁制動(dòng)的汽車易于實(shí)現(xiàn)集成化管理，制動(dòng)力大小控制方便、可靠。電磁制動(dòng)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能就是根據(jù)制動(dòng)踏板位移傳感器的信號(hào)，控制制動(dòng)器電磁線圈的電流，從而控制制動(dòng)力的大小。制動(dòng)器控制電路還應(yīng)該根據(jù)輪速傳感器的信號(hào)判別車輪制動(dòng)時(shí)是否抱死，從而啟動(dòng)脈沖防抱死系統(tǒng)控制車輪在峰值附著系數(shù)下制動(dòng)。該設(shè)計(jì)采用制動(dòng)踏板位置傳感器（電位計(jì)）、單片機(jī)、場效應(yīng)管、555時(shí)基集成電路等實(shí)現(xiàn)上述功能。

電磁制動(dòng)由于具備響應(yīng)迅速和易于集成化控制的優(yōu)勢，可用于遠(yuǎn)距離控制制動(dòng)，同時(shí)也易于各種輔助系統(tǒng)的集成。電磁制動(dòng)器易于集成控制的特點(diǎn)也符合汽車電子化的發(fā)展方向。

（3）電磁制動(dòng)系統(tǒng)成本比液壓制動(dòng)系統(tǒng)低廉，省去了大量的液壓管路及液壓元件，減少了管路故障的風(fēng)險(xiǎn)，便于維護(hù)；同時(shí)也大大減輕了汽車的重量，提高了安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 盤式電磁制動(dòng)器的性能分析

（1）電磁制動(dòng)器所產(chǎn)生的制動(dòng)力大小是否滿足制動(dòng)要求是衡量制動(dòng)器性能的重要指標(biāo)。要達(dá)到預(yù)期制動(dòng)效果，施加在摩擦片上的壓緊力應(yīng)達(dá)到2 400 N，通過增力機(jī)構(gòu)參數(shù)推算出電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力應(yīng)達(dá)到780 N。實(shí)驗(yàn)證明在增力機(jī)構(gòu)正常工作情況下，只要保證電磁鐵吸力足夠（即達(dá)到780 N），便可以保證最后的制動(dòng)力。本研究使用電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對電磁鐵的吸力進(jìn)行測試試驗(yàn)，測試時(shí)電磁鐵的電源為直流12 V，與車載電源一致。在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者動(dòng)態(tài)改變銜鐵與鐵芯的距離從而測出一系列的電磁力數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 電磁力隨銜鐵與鐵芯之間距離的變化關(guān)系

如圖5所示，力與位移的關(guān)系基本符合盤式電磁鐵吸力特性隨間隙變化的規(guī)律，中間的突變點(diǎn)是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)銜鐵的支力點(diǎn)不平衡，在改變距離時(shí)沒有達(dá)到平穩(wěn)變化所致。

此外，還要分析其電流、踏板位移和制動(dòng)力之間的關(guān)系：

式中：I—電磁鐵線圈電流，A；W—電磁鐵線圈有效匝數(shù)；μ0—真空磁導(dǎo)率，；Sz—鐵芯正對面積，m2；δz—總氣隙，m 。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出它們的關(guān)系如圖6所示[10]。

圖6 電磁線圈通電電流與踏板行程之間的關(guān)系

由于電磁線圈纏繞工藝等原因，試驗(yàn)電磁鐵在一定點(diǎn)的電磁力數(shù)值均小于理論值，變化趨勢符合電磁鐵的特性曲線。當(dāng)通入12 V的電壓時(shí)，再在増力機(jī)構(gòu)放大4倍的情況下，最大作用力在制動(dòng)盤上達(dá)到3 206 N，平均值約為2 990 N，最大試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該設(shè)計(jì)要求在額定氣隙寬度下電磁鐵能得到與制動(dòng)踏板行程基本成線性關(guān)系的電磁吸力：

式中：K—比例系數(shù)；I—線圈電流，A。

而在銜鐵初始位置則只要能產(chǎn)生足以克服阻力（主要是復(fù)位彈簧彈力及系統(tǒng)摩擦力，忽略摩擦力得k x0/2）的電磁力即可，初始力為：

進(jìn)入制動(dòng)持續(xù)期，電磁力大小與踏板相對初始行程的增加值Δλ成正比（F=K1Δλ），由下式得：

式中：F0—電磁吸力，N；m—銜鐵和增力機(jī)構(gòu)歸算質(zhì)量；tx h—總時(shí)間，s；tx c—觸動(dòng)時(shí)間，s；K1—比例系數(shù)。

電流大小Y和踏板行程相對于初值的增量X所呈現(xiàn)的關(guān)系為的近似線性關(guān)系（如圖6所示）。

（2）電磁制動(dòng)器要滿足基本的零件強(qiáng)度要求。本研究通過軟件分析，整個(gè)制動(dòng)過程中機(jī)械增力機(jī)構(gòu)中零件所承受的最大剪應(yīng)力為3 180 N，筆者使用Solidworks的COSMOSXpress插件對銷、撬桿、中心架、撬桿支架進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)各零件指定設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，零件材料采用45號(hào)鋼可以滿足要求，得到最低安全系數(shù)分別為：6.592 36、1.327 68、28.113 4、1.543 92（安全系數(shù)大于1.3，則零件強(qiáng)度合格），以上零件設(shè)計(jì)符合安全要求。

（3）電磁制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)性能的熱效應(yīng)（熱穩(wěn)定性）的評(píng)定。電磁鐵在工作過程中，因電流流過線圈會(huì)產(chǎn)生損耗，轉(zhuǎn)化為熱能，一部分散失到周圍介質(zhì)中去，另一部分使線圈本身溫度升高。當(dāng)電磁鐵線圈的溫度上升到一定程度時(shí)，會(huì)加速絕緣老化，直接影響其使用壽命和相關(guān)設(shè)備的安全，因此預(yù)測電磁鐵的溫升具有重要意義。通過溫升預(yù)測也可以驗(yàn)證電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否設(shè)計(jì)合理。實(shí)驗(yàn)證明制動(dòng)器連續(xù)工作0.5 h，制動(dòng)器散熱良好，線圈溫升在允許范圍內(nèi)。在行車過程中的工況也不是連續(xù)制動(dòng)，所以實(shí)際溫升應(yīng)該比實(shí)驗(yàn)溫升低。

測試基本條件為：環(huán)境溫度22℃，通過持續(xù)電流為最大電流I=6.26A（達(dá)到最大電磁力的理論電流為6.5 A），線圈常溫電阻為3.24 Ω，總散熱面積為340.08c m2。

牛頓溫升公式為：

式中：P—輸入線圈的發(fā)熱功率，W；KT—綜合散熱系數(shù)，W/c m2·℃ ；S—線圈有效散熱面積，cm2；θ—線圈的溫升，℃；Δθ/Δt—線圈溫度的變化率；θn—線圈穩(wěn)定狀態(tài)下的溫升，℃。

另外，根據(jù)牛頓溫升公式算得最終的理論溫升為149.3℃。

制動(dòng)器連續(xù)工作0.5 h，實(shí)驗(yàn)測試電磁鐵溫升情況如表1所示。

表1 電磁鐵溫度隨通電時(shí)間的變化

5 結(jié)束語

本研究所設(shè)計(jì)電磁鐵的電磁力在設(shè)計(jì)點(diǎn)均小于理論電磁力，當(dāng)通入13 V左右的電壓（發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電源電壓）時(shí)，在氣隙小于2 mm的情況下能獲得較為平穩(wěn)的制動(dòng)力，作用在制動(dòng)盤上的最大夾緊力為3 206 N，平均值約2 990 N。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銜鐵及增力機(jī)構(gòu)能夠完成預(yù)定運(yùn)動(dòng)要求，能迅速制動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。在555無穩(wěn)態(tài)工作模式下能完成防抱死制動(dòng)功能，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間明顯優(yōu)于液壓制動(dòng)。

線圈在進(jìn)行了0.5 h的連續(xù)試驗(yàn)后溫度為85℃左右，小于所用的聚酯漆包線的溫升要求，電磁體散熱狀況良好。

經(jīng)過對樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電磁制動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)方案可行，電磁力及增力機(jī)構(gòu)能夠完成預(yù)定制動(dòng)要求，滿足節(jié)能減排的環(huán)保要求。但是，在制動(dòng)器防水方面還沒有考慮周全，此外，其尺寸還是偏大，制動(dòng)力的大小還只能適應(yīng)小型汽車制動(dòng)。將該電磁制動(dòng)器實(shí)際應(yīng)用到車上還有一定距離，有待于進(jìn)一步完善研究。

致 謝

本文在撰寫過程中得到同事的幫助、部門領(lǐng)導(dǎo)的悉心指導(dǎo)并提出許多寶貴的意見和建議，同時(shí)也得到《機(jī)電工程》專家們的大力支持和幫助，提出有建設(shè)性的修改意見。在此，全體作者向以上幫助過我們的所有人員表示衷心地感謝。

（References）：

[1] 沈向明.汽車電磁制動(dòng)器：中國，94106023.3[P].1995-04-14.

[2] 全 力，陳照章，楊澤斌，等.車用鼓式電磁制動(dòng)器電磁體磁路[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（12）：205-210.

[3] 黃國興，侯永濤，王國林，等.汽車電磁制動(dòng)器CAD平臺(tái)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（12）：232-238.

[4] 常 潤.電工手冊[M].2版.北京：北京出版社，1997.

[5] 劉惟信.汽車制動(dòng)系的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 楊 欣，王玉鳳，劉湘黔，等.電子設(shè)計(jì)從零開始[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[7] 楊儒貴.電磁場與電磁波[M].2版.北京：高等教育出版社，2007.

[8] 國家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì).GB 7258—2004機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[9] 余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[10] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2003.