西安思源學(xué)院 楊 燕 王浩軍 李 秋

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電動(dòng)汽車磁粉制動(dòng)控制技術(shù)的研究

西安思源學(xué)院 楊 燕 王浩軍 李 秋

【摘要】隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，汽車的制動(dòng)性能的優(yōu)略顯得尤為突出。本文對磁粉制動(dòng)器的工作特性進(jìn)行了研究，提出了將磁粉制動(dòng)器來用于電動(dòng)汽車制動(dòng)的基本方案，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；磁粉；制動(dòng)

新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)也是2015年陜西省科技計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。作為反映汽車性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)——制動(dòng)性能，正是與公共交通安全息息相關(guān)的重要指標(biāo)。目前電動(dòng)汽車制動(dòng)主要由ABS控制提供相應(yīng)的機(jī)械摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)兩種形式，這兩種方式均存在機(jī)械磨損和能量損耗。本文主要研究將磁粉制動(dòng)技術(shù)用于電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，并對其可行性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 電動(dòng)汽車的常用制動(dòng)方式

1.1 普通汽車的制動(dòng)方式

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是使運(yùn)行中的汽車依據(jù)司機(jī)的要求進(jìn)行強(qiáng)行減速，直至停車；或者使已停止的汽車在各類不同的路況前提下能夠穩(wěn)定的駐車；或者使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定。汽車制動(dòng)系統(tǒng)分為行車制動(dòng)裝置和停車制動(dòng)裝置兩套。

按照制動(dòng)的動(dòng)力能源區(qū)分，制動(dòng)系還可分為人力制動(dòng)系、動(dòng)力制動(dòng)系、和伺服制動(dòng)系等三種。我們主要研究動(dòng)力制動(dòng)系部分，該部分以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力所轉(zhuǎn)化的氣壓或者液壓能源作為制動(dòng)能源，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車一般都是從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管獲取真空助力的。

制動(dòng)器是汽車制動(dòng)系中用來阻止車輛運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢的部件。目前，各種汽車所使用的制動(dòng)器均為摩擦制動(dòng)器。常用的制動(dòng)器有兩種，一種為鼓式制動(dòng)器，又稱為“鼓剎”。 鼓式剎車普遍用于后輪驅(qū)動(dòng)的卡車上。另一種制動(dòng)器為盤式制動(dòng)器，又稱為“碟剎”，碟式剎車的主要用于轎車制動(dòng)。

1.2 電動(dòng)汽車的制動(dòng)方式

電動(dòng)汽車的制動(dòng)方式與普通汽車基本相同，但也有不同于普通內(nèi)燃車的地方。

第一，電動(dòng)汽車可以在制動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回饋再生。電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，給蓄電池充電，可以延長電動(dòng)汽車的續(xù)航時(shí)間。國外有關(guān)研究表明，在某些大中型城市中，道路普遍存在擁堵現(xiàn)象，造成汽車頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)，如果能回收制動(dòng)能量，即可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長10%～30%。目前國內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級階段。

第二，電動(dòng)車因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總成部分被拆除，其制動(dòng)器無法從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管獲得真空助力，當(dāng)前采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車，會(huì)加裝電動(dòng)真空泵來產(chǎn)生真空助力，真空助力器安裝在制動(dòng)踏板和制動(dòng)主缸之間，由踏板控制推桿來進(jìn)行操縱。

有些電動(dòng)車還使用了電子制動(dòng)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)不需要液壓系統(tǒng)，制動(dòng)踏板將制動(dòng)信號傳遞給ESP控制單元，該系統(tǒng)會(huì)使卡鉗動(dòng)作進(jìn)行制動(dòng)?？ㄣQ內(nèi)集成了電機(jī)和電控系統(tǒng)、齒輪機(jī)構(gòu)、活塞以及駐車制動(dòng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是響應(yīng)速度較快，但制動(dòng)力比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)要小一些，常用作后輪制動(dòng)。

基于電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)以上的特點(diǎn)，本文對磁粉制動(dòng)器用于電動(dòng)汽車制動(dòng)進(jìn)行研究。

2 磁粉制動(dòng)器工作原理和特性分析

磁粉制動(dòng)器是一種在定子和轉(zhuǎn)子之間的工作間隙中填充磁粉，借助電磁吸力產(chǎn)生的磁粉間的結(jié)合力和磁粉與工作面之間摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，并能控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)裝置。磁粉制動(dòng)器的實(shí)物見圖1。

圖1 磁粉制動(dòng)器

圖2 磁粉制動(dòng)器的工作曲線

由于磁粉制動(dòng)器是根據(jù)電磁原理來工作的，并且是利用磁粉來傳遞扭矩的。其激磁電流和傳遞扭矩的關(guān)系基本呈線性。其工作特性曲線如圖2所示。

磁粉制動(dòng)器在同滑差無關(guān)的情況下能夠傳遞轉(zhuǎn)矩，具有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、污染小、無噪音、無沖擊振動(dòng)和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種多用途、性能優(yōu)越的自動(dòng)控制元件。

磁粉制動(dòng)器具有以下功能特性，有利于其使用在電動(dòng)汽車的制動(dòng)部件上：①轉(zhuǎn)矩的控制范圍廣，控制精度高，轉(zhuǎn)矩和激磁電流呈正比例，可實(shí)現(xiàn)高精度的控制。②適合高頻運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)答敏捷快速及特別的散熱構(gòu)造，適合高頻度運(yùn)轉(zhuǎn)使用。③重量輕、免保養(yǎng)、壽命長型式簡潔，使用耐高溫線圈及特殊油脂軸承，并針對易生磨耗的電樞施以耐磨特殊處理，可以延長使用壽命。

3 利用磁粉制動(dòng)器作為電動(dòng)汽車制動(dòng)的可行性分析

磁粉制動(dòng)器用途十分廣泛，根據(jù)磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩特性，只須調(diào)節(jié)激磁電流，即可達(dá)到控制制動(dòng)時(shí)間，或改變制動(dòng)過程曲線的目的。實(shí)際應(yīng)用包括大型傳輸設(shè)備、起重機(jī)、軋機(jī)、紡織和印刷機(jī)械等的操作。磁粉制動(dòng)器因?yàn)殪o摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)幾乎相等，所以完全連結(jié)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生震蕩，可以根據(jù)負(fù)載加減速度；磁粉制動(dòng)器可以達(dá)到連續(xù)滑動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，得到安定的扭力，無鳴叫音，且熱容量很

大。為了達(dá)到良好的散熱特性，磁粉制動(dòng)器一般采用鋁合金構(gòu)造，而且材質(zhì)的退磁性優(yōu)良，反應(yīng)速度快；運(yùn)行平穩(wěn)、而且各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，均無振動(dòng)、無沖擊、無噪聲。

基于磁粉制動(dòng)器以上的優(yōu)點(diǎn)，因此它可以適用于電動(dòng)汽車的制動(dòng)。而且由于其用直流電作激磁電源這在電動(dòng)汽車更容易實(shí)現(xiàn)。

但是磁粉制動(dòng)器在工作特性上也有以下的缺點(diǎn)：磁粉制動(dòng)器在長期停滯過程中，磁粉常常會(huì)匯聚到一處，可能會(huì)使制動(dòng)器出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，目前常用的解決措施為，將制動(dòng)器整體翻動(dòng)，使磁粉松散開來，或用杠桿撬動(dòng)。在電動(dòng)汽車上應(yīng)考慮長期不使用時(shí)，磁粉的聚集現(xiàn)象會(huì)帶來的安全隱患，應(yīng)采取可靠的措施來避免卡死現(xiàn)象。同時(shí)磁粉制動(dòng)器初次使用前，應(yīng)通以30%的額定電流，運(yùn)轉(zhuǎn)10秒鐘后斷電再通電，反復(fù)多次，保證磁粉均勻分布和流動(dòng)性。而且磁粉制動(dòng)器不支持使用徑向承受主傳動(dòng)力的安裝方式；其不能超轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速使用，否則磁粉壽命會(huì)急劇下降，或者出現(xiàn)漏粉、卡死的現(xiàn)象。

基于磁粉制動(dòng)器以上的使用限制，若用于電動(dòng)汽車制動(dòng)，還要對磁粉制動(dòng)器進(jìn)行進(jìn)一步的改造，以滿足電動(dòng)汽車制動(dòng)性能的要求。

4 總結(jié)

磁粉制動(dòng)器具有反應(yīng)速度快、無污染、無噪音、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種多用途、性能優(yōu)越的自動(dòng)控制元件。在保證安全性的前提下，電動(dòng)汽車磁粉制動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是可提高能量利用率外，還有減小機(jī)械、液壓等制動(dòng)方式的機(jī)械磨損，可實(shí)現(xiàn)更加精確的制動(dòng)控制，以及降低傳統(tǒng)汽車制動(dòng)過程中因溫度升高而產(chǎn)生的制動(dòng)熱衰退現(xiàn)象等。

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作者簡介：

楊燕（1971-），女，陜西人，碩士，高級工程師，西安思源學(xué)院工學(xué)院教學(xué)副院長。