周邵云，周亞琴，上官堯，王樂

（合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

基于磁流變制動(dòng)器的自供能式汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

周邵云，周亞琴，上官堯，王樂

（合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

磁流變液是近年來研究的熱點(diǎn)，如今汽車線控技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，利用傳感器，控制元件，電子元件駕駛員動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電線傳遞指令來操縱汽車，而不再需要傳統(tǒng)的復(fù)雜的機(jī)械和液壓連接裝置。針對(duì)新型智能流體材料——磁流變液，我們將其應(yīng)用于汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)中。利用磁流變液的這一特性設(shè)計(jì)出的制動(dòng)器，再輔以合理的控制和信息反饋系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力與地面附著力的快速匹配，甚至可以完成連續(xù)精準(zhǔn)無脈動(dòng)的 ABS 制動(dòng)過程，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓機(jī)械式ABS，有利于實(shí)現(xiàn)底盤集成控制，大幅改善車輛制動(dòng)性能。

磁流變液制動(dòng)器；車用制動(dòng)器；制動(dòng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；制動(dòng)原理

1 磁流變液的研究與應(yīng)用

磁流變液(Magneto-Rheological Fluids，MRF)是磁性顆粒分散于基液中而形成的懸浮液，是一種極具發(fā)展前途和工程應(yīng)用價(jià)值的新型智能材料，性能良好的磁流變液在磁場(chǎng)作用下，可在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)，由普通牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯?、難流動(dòng)的塑性賓漢(Bingham)流體，并且其變化連續(xù)、可逆、可靠的優(yōu)良特性，非常適用于主動(dòng)控制[1-3]。利用磁流變液的這一特性設(shè)計(jì)出的制動(dòng)器，再輔以合理的控制和信息反饋系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力與地面附著力的快速匹配，甚至可以完成連續(xù)精準(zhǔn)無脈動(dòng)的ABS 制動(dòng)過程，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓機(jī)械式 ABS，有利于實(shí)現(xiàn)底盤集成控制，大幅改善車輛制動(dòng)性能。此外，利用磁流變液的磁流變效應(yīng)，磁流變液可以用于汽車阻尼器、離合器、制動(dòng)器、拋光裝置以及醫(yī)療器件等[4]。因而磁流變液及其應(yīng)用受到了國內(nèi)外研究人員和工程師們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。然而目前雖然關(guān)于磁流變液制動(dòng)器的研究成果很多，但是尚未達(dá)到生產(chǎn)使用的地步，并且所涉及的研究一般還都限于試驗(yàn)探索，工程化應(yīng)用的研究較少。

1.1 磁流變液特性

(1)在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液可以在固體和液體之間相互轉(zhuǎn)換，磁流變液表現(xiàn)的粘度和屈服強(qiáng)度的變化是連續(xù)和無極的。

(2)磁流變效應(yīng)的控制比較簡(jiǎn)單，它只需要應(yīng)用一個(gè)容易獲得的可控磁場(chǎng)即可，可通過調(diào)整勵(lì)磁線圈的電流大小來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，這種控制比較容易實(shí)現(xiàn)。

(3)磁流變液的響應(yīng)時(shí)間十分靈敏，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。

(4)良好穩(wěn)定的物理性能：靜止或離心時(shí)，磁流變液不產(chǎn)生固液分離現(xiàn)象，高溫或長久工作時(shí)，不發(fā)生變稀現(xiàn)象，且能在-40℃ 到 150 ℃度之間保持性能穩(wěn)定?；谶@些特性，將磁流變液運(yùn)用于汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)中是可行的。

1.2 車用機(jī)械摩擦制動(dòng)器

制動(dòng)作為汽車三大基本功能之一（行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向），又是行車安全的關(guān)鍵，一直是研究人員研究的重點(diǎn)。從最原始的機(jī)械裝置演變到拉索、桿件鼓式制動(dòng)器，到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的采用液壓和真空助力的制動(dòng)器以及電控的盤式或鼓式制動(dòng)器。目前國內(nèi)各類汽車所用的制動(dòng)器主要為摩擦制動(dòng)器，可分為兩種形式：鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器。鼓式制動(dòng)器的摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為制動(dòng)鼓而盤式制動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)元件則為制動(dòng)盤，工作表面分別為圓柱面和圓盤端面。

1.2.1 鼓式制動(dòng)器

鼓式制動(dòng)器是較早形式的制動(dòng)器。在輪軸上固定安裝有制動(dòng)器底板，制動(dòng)過程中底板保持不動(dòng)。制動(dòng)蹄、輪缸、回位彈簧及定位銷等都布置在其上面,承受制動(dòng)時(shí)的力矩。摩擦襯片由非金屬材料制成并嵌在制動(dòng)蹄的表面,制動(dòng)鼓則可以隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

車輛正常行駛時(shí)，制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄摩擦片之間形成一定的間隙，足以使車輪自由旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)主缸的液壓油在活塞的壓促下流入輪缸，使輪缸活塞推動(dòng)兩制動(dòng)蹄繞定位銷壓緊旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)鼓,制動(dòng)鼓因而受到一個(gè)制動(dòng)蹄施加的摩擦力矩稀,摩擦力矩方向與制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,制動(dòng)鼓減速，迫使車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鼓式制動(dòng)器是依靠制動(dòng)蹄摩擦襯片的一摩擦力矩來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，隨著摩擦襯片的磨損,制動(dòng)蹄、鼓之間的間隙會(huì)逐漸增大從而使制動(dòng)效率下降。因此,需要采用人工調(diào)整的方式或設(shè)置調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。另外，由于結(jié)構(gòu)的問題，制動(dòng)過程中鼓式制動(dòng)器的散熱及排水性能也較差,制動(dòng)效率受到制約。目前，主要用于經(jīng)濟(jì)型轎車中制動(dòng)負(fù)荷相對(duì)較小的后輪制動(dòng)及駐車制動(dòng)系統(tǒng)。

1.2.2 盤式制動(dòng)器

盤碟式制動(dòng)器主要由制動(dòng)盤、分泵、制動(dòng)鉗和液壓軟管等零部件組成。一般由液壓系統(tǒng)操縱控制。制動(dòng)盤一般用合金鋼制造并與車輪固定連接,隨車輪一體轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)鉗是由制動(dòng)塊和促動(dòng)裝置兩部分組成，其材料一般是球墨鑄鐵或是鋁合金鑄件制動(dòng)塊分置在制動(dòng)盤兩側(cè)，與其端面形成一定的間隙。制動(dòng)系不工作時(shí)，制動(dòng)盤和車輪可以自由旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)主缸的液壓油進(jìn)入制動(dòng)分泵，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動(dòng)制動(dòng)塊壓向制動(dòng)盤發(fā)生摩擦制動(dòng)。制動(dòng)液壓管路的壓力越大，制動(dòng)塊向制動(dòng)盤端面施加的正壓力也就越大，車輪受到的摩擦力矩也增大,因而減速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

為避免高強(qiáng)度或連續(xù)制動(dòng)時(shí)，劇烈摩擦產(chǎn)生的熱無法及時(shí)散失而使制動(dòng)器制動(dòng)效率下降，一般在制動(dòng)盤上開有小孔,加速通風(fēng)散熱,從而提高制動(dòng)性能。另外，與鼓式制動(dòng)器相比，盤式制動(dòng)器重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，在各類轎車上得到廣泛的應(yīng)用。

但在路況條件較差時(shí)，兩種制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的抗熱衰退性、車輛方向穩(wěn)定性和制動(dòng)效能均顯不足，尤其是在冰雪和濕滑路面上行駛時(shí)。

2 制動(dòng)性能

2.1 制動(dòng)器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

汽車的制動(dòng)性能是車輛安全行駛的保障,其性能的好壞關(guān)系到個(gè)人生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)利益。據(jù)統(tǒng)計(jì)的交通事故是由于制動(dòng)距離過長、制動(dòng)側(cè)滑或跑偏造成的,因此在設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)前,需要對(duì)制動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)性能各參數(shù)進(jìn)行綜合分析。汽車的制動(dòng)性能一般用三方面的指標(biāo)來評(píng)價(jià)：制動(dòng)效能、制動(dòng)效能的恒定性和制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。

2.2 制動(dòng)原理

如今汽車線控技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，利用傳感器，控制元件，電子元件駕駛員動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電線傳遞指令來操縱汽車，而不再需要傳統(tǒng)的復(fù)雜的機(jī)械和液壓連接裝置?；谶@一技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)大膽提出，可將新型智能流體材料——磁流變液，應(yīng)用于汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)中。制動(dòng)原理是在沒有磁場(chǎng)的作用下，表現(xiàn)為黏線性牛頓流體，在加上磁場(chǎng)之后，流體粘度隨著磁場(chǎng)的增加顯著增加，開始呈現(xiàn)半固化或固化，剪切屈服應(yīng)力顯著增加。

磁流變液制動(dòng)器的零場(chǎng)隨動(dòng)損失曾一度成為其在汽車上應(yīng)用巫待解決的難題。考慮到離合器具有切斷和傳遞動(dòng)力的功能,本文在設(shè)計(jì)車用磁流變液制動(dòng)器的整體方案中采用電磁離合器和磁流變液制動(dòng)器相結(jié)合的方法,當(dāng)切斷電磁離合器時(shí),制動(dòng)器轉(zhuǎn)子與定子處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),不產(chǎn)生制動(dòng)效能,從而避免了車輛正常行駛時(shí)制動(dòng)器的零場(chǎng)隨動(dòng)損失。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于磁流變效應(yīng)的汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，詳細(xì)闡述了將磁流變液運(yùn)用到汽車制動(dòng)系統(tǒng)，通過合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁路電流控制，能夠?qū)崿F(xiàn)磁流變液粘度快速、連續(xù)、無極的變化，輔助以車輪滾動(dòng)、滑動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)，還可以相應(yīng)路面附著系數(shù)變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩，達(dá)到相比傳統(tǒng)制動(dòng)器更加精準(zhǔn)，穩(wěn)定的效果，有利于實(shí)現(xiàn)汽車底盤的集成控制，大幅改善車輛的制動(dòng)性能。同時(shí)將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)運(yùn)用到其中作為制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力原件，可以達(dá)到降低汽車能耗，節(jié)能減排的目的。

[1]張?jiān)粕?分級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)的狀態(tài)描述和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用[J]. 2002

[1]宋宇.磁流變液ABS制動(dòng)器結(jié)構(gòu)研究與性能仿真[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué), 2011.

[2]丁柏群, 宋宇.基Matlab/Simulink的車用磁流變液制動(dòng)器設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2011 (2): 130-132.

[3]丁柏群, 宋宇.一種葉輪式MRF汽車制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真[J].汽車技術(shù),2011 (8): 34-38.

[4]陳國兵, 戴金橋.改進(jìn)型磁流變液制動(dòng)器設(shè)計(jì)與分析[J].液壓與氣動(dòng), 2012 (12): 59-61.

Design and analysis of automobile brake by wire system based on Magnetorheological brake confession

Zhou Shaoyun, Zhou Yaqin, Shangguan Yao，Wang Le
(Hefei University of Technology Xuancheng Campus, Xuancheng Anhui, 242000)

Magnetorheological fluid is a research hotspot in recent years, the development and maturation of automobile steer by wire technology using sensor, control components, electronic components, driver’s action into electrical signals through the wire transfer instructions to manipulate the vehicle, without the need for complicated traditional mechanical and hydraulic connection device. In this paper, a new type of intelligent fluid material, magnetorheological fluid (MRF), is applied to the brake system. Using this characteristic of magnetorheological fluid brake design, control and information feedback system with reasonable, fast, can realize the braking force and the ground adhesion, can even complete continuous precision process of ABS brake pulsation free, so instead of traditional mechanical and hydraulic ABS,is conducive to the realization of integrated chassis control, greatly improving the vehicle braking performance.

Magneto rheological fluid brake;Vehicle brake;Brake performance evaluation criteria;Braking principle