电磁制动器工作原理 2870_电磁制动器的原理与设计

电磁制动器工作原理 2870_电磁制动器的原理与设计 1 引言 1.1 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究的背景及意义 制动器是保障汽车安全运行、取得预期运行效益的最基本的使用性能，因此汽车 制造厂、使用者、汽车维修和管理人员都很重视车辆的制动性。随着车辆技术的进步 和汽车行驶速度的提高，这种重要性日渐突出，众多的汽车工程师在改进汽车制动性 能的研究中倾注了大量的心血。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面， 包括制动控制的理论和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 以及采用新的技术。 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，那 时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车 自身质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空 助力装置。1932 年生产的质量生产的质量为 1 2860kg 的凯迪拉克 V16 车四轮采用直径 419.1mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推 出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。 随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车 辆制动有了新的突破， 液压制动 (图1.1) 是继机械制动后的又一重大革新。 Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器，克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世，通 用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助 力制动器才成为现实。 1.前轮制动器 5.制动主缸 2.制动轮缸 7.后轮制动器 3、6、8.油管 4.制动踏板机构 图 1.1 在液压鼓式制动器出现的若干年后，人们又发明了液压钳盘式制动器，盘式制动 器又称为碟式制动器，顾名思义，是取其形状而得名。由液压控制，主要零部件有制 动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。 分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动卡钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两 侧。 20 世纪 80 年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技 2 术领域最显著的成就就 是防抱制动系统(ABS)的实用和推广。ABS 集微电子技术、精密加工技术、液压控制 技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和 操纵性。防抱装置一般包括三部分:传感器、控制器(电子计算机)与压力调节器。 传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置 进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。 1.2 制动系统的现状与发展 目前液压操纵仍然是最可靠、经济的方法，即使增加了防抱制动(ABS)功能后， 传统的油液制动系统仍然占有优势地位。传统的控制系统只做一样事情，即均匀分配 油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并 通过一个比例阀使前后制动力平衡。而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动 器的需要对油液压力进行调节。传统的液压制动系统发展至今已是非常成熟的技术， 随着人们对制动性能要求的不断提高， 防抱死制动系统(ABS)、 牵引力控制系统 (TCS)、 电子稳定性控制程序(ESP)、主动避撞技术(ACC)等功能逐渐融入到制动系统中， 越来越多的附加机构安装于制动线路上，这使得制动系统结构更加复杂，也增加了液 压回路泄露的隐患以及装配、维修的难度。因此，一种结构更简捷，功能 3 更可靠的制 动系统呼之欲出。 随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将 发生变化。线控制动系统失一个全新的系统，给制动系统带来巨大的变革，为将来的 车辆智能控制提供条件。随着汽车电子化的发展，现代汽车制动控制技术正朝着电制 动方向发展。电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动 两种制动系统。但这种混合制动系统也只是全电制动系统的过渡 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，由于两套制动 系统共存，使结构复杂，成本偏高。而线控制动因其巨大的优越性，必将取代传统的 以液压为主的传统制动控制系统。 其主要包含以下部分: (1)电制动器—其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种; (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; (3)轮速传感器—准确、可靠、及时地获得车轮的速度; (4)线束—给系统传递能源和电控制信号; (5)电源—为整个电制动系统提供能源，可与其他系统共用。 4 从结构上可以看出这种电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优 点: (1)整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助 力装置，使整车质量降低; (2)制动响应时间短，提高制动性能; (3)无制动液，维护简单; (4)系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构; (5)采用电线连接，系统耐久性能好; (6)易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。 电制动是一个新生事物，要想全面推广还有不少问题需要解决: 首先是驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制 动器大约需要1kW的驱动能量。目前车辆12V 的电力系统提供不了这么大的能量，因 此，将来车辆动力系统采用高压电，加大能源供应。 其次是控制系统失效处理。电制动控制系统面临的一个难题是制动失效的处理。 因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，不论是 ECU元件失效，传感器失效还是制动本身、线束失效，都能保证制动的基本性能。 第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号， 5 如何消除这些干扰信 号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统。 相信随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，线控制动系统也会以其 巨大的优越性取代以液压为主的传统制动系统。 1(3 电制动器的研究与发展概况 电制动器并不是一个新鲜的事物，他在其他领域如起重机绞盘制动、电梯制动等 方面有广泛的应用。关于车辆的“Brake—By—Wire”技术目前已有多种实现方式， 本文仅列举最有代表的类型，即电磁制动器。 电磁制动系统是指使用电子装置的电磁制动机构，通过控制电流等相关参数来改 制动力。由于代替了传统的液压制动机构，电磁制动系统不再使用液压油，从而减少 了液压油燃烧的危险，提高了安全性，也减轻了车辆自身的重量。电磁制动系统中采 用了转速犯规控制系统，显著改善了制动力矩和防滑性能，缩短了制动距离，提高了 轮胎和制动装置的使用寿命，而且电磁制动系统的制动效率优于液压系统。电磁制动 系统将是机动车制动系统发展的新方向。 利用电磁效应实现制动的制动器，分为电磁粉末制动器和电磁涡流制动器，电磁 摩擦式制动器等多种形式。 (1)电磁粉末制动器:激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化,形成磁 粉链,并在固定的导磁体与转子间聚 6 合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电 流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种制动器体积小，重量轻,激磁 功率小,而且制动力矩与转动件转速无关，可通过调节电流来调节制动扭矩，但磁粉 会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。 (2)电磁涡流制动器:激磁线圈通电时形成磁场，制动轴上的电枢旋转切割磁力 线而产生涡流。电枢内的涡流与磁场相互作用形成制动力矩。电磁涡流制动器坚固耐 用、维修方便、调速范围大;但低速时效率低、温升高，必须采取散热措施。这种制 动器常用于有垂直载荷的机械中。 (3)电磁摩擦式制动器:激磁线圈通电产生磁场，通过磁轭吸合衔铁，衔铁通过 联结件实现制动。 另外还细分为干式单片电磁制动器、干式多片电磁制动器、湿式多片电磁制动器 等等。 1(4 研究内容及项目可行性分析 1.4.1 研究内容 本文初步研究盘式电磁制动器，采用多种工具软件辅助设计，并做出一个较为合 理的电制动器结构设计，使之能满足制动要求。遵循这一设计方案，要研究的内容主 要包括三部分: (1)制动器机械结构设计研究，包括机构整体构造，关键零件的设计，并绘制有 限元云图。 7 (2)电磁铁组件的设计和理论分析，研究其制造 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 。 (3)制动性能的分析与研究，对设计好的制动器研究其制动能力、维修等问题。 1.4.2 可行性分析 电制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注，针对目前对电制动系统研究的加强 趋势，综合研究了电制动领域的相关知识，提出一种思路和实施方案。 (1)方案实施的理论基础。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得到 越来越广泛的应用，电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装 置。对电磁铁的研究，前人已经积累了丰富的经验，这可以作为研究的理论基础。 (2)研究目标在现有的技术条件下的可实现性。从制动器发展历史上看，在 1898 年，克利夫兰的埃?安?斯佩里设计的一辆电动汽车就采用前轮电磁盘式制动器。斯 佩里用圆盘分别与各个车轮的轮毂连成一体， 另有一个镶有摩擦片的小圆盘， 制动时， 通过电磁铁的作用，使它紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧 又把摩擦盘收回，车轮又可以自由转动。此外，电磁抱闸制动器在电梯和起重机绞盘 用的电磁盘式制动中已得到成熟应用(如图1.3所示)。 综上所述，以电磁铁作为制动器制动机构在技术上可行。 8 1.轭铁 6.桥 2.弹簧 8.夹具 3.衔铁 4、7.摩擦片 5.盘 9、10.棘轮机构 图 1.311.励磁线圈 2 制动器的设计研究 鼓式制动器已经在应用中，盘式制动器与鼓式相比具有结构紧凑，安装方便，使 用寿命长，热、水稳定性好等优点，所以本文决定采用盘式制动器。在制动器的设计 上，用电磁铁的电磁力直接推动摩擦块工作是最简单的方法。 2(1 电磁制动器的工作原理 圆盘式电磁制动器主要由弹簧、摩擦片、端盖、动片、调节螺丝、电磁铁圆盘、 线圈、轴等组成。摩擦片铆接在动片上，可随轴一起旋转，沿着电动机轴端上的键作 轴向移动。动片外侧是端盖，内侧是电磁铁圆盘。当电动机介入电源时，制动器线圈 同时通上直流电，电磁铁圆盘立即被吸上，使电磁铁内部的弹簧拉伸，圆盘和端盖与 摩擦片吸合，动片在空腔中停止旋转，摩擦片与它们摩擦产生制动力矩，从而电机被 制动。若电机断电，制动器线圈同时断电，电磁铁圆盘失去吸力被弹簧拉回，于是动 片又能自由旋转。此电磁制动器是单片干板制动器，属常开型。 2(2 制动系统的分析 2.2.1 制动力矩的计算 9 车轮滚动周长: L=2πRr 在制动距离内车轮转过的圈数:N=S L 则转过总的角度为: α=2πN 车子的总动能为: 1 2 E=Mv 2 制动力分配系数: β=式中 F f 1 F f =F f 1 F f 1 + F f 2 Ff1 —— 前轴车轮的制动器制动力; Ff2 —— 后轴车轮的制动器制动力; Ff3 —— 汽车总制动器制动力。 通常，轿车的β值取0.565—0.615，货车取0.333—0.412， 本文取为0.6。 E ×60% 2 E 每个后轮要分担的动能为: E f = ×40% 2 每个前轮要分 担的动能为: E f = 每个前轮所需总制动力矩为: T f = E f a E r a T f 10 2 每个后轮所需总制动力矩为: T r = 相应每侧摩擦片应提供的制动力矩为 T f „ = 后轮制动器制动负荷较小，相应每侧摩擦片应提供的制动力矩为: T r 2 2.2.2 制动盘直径的确定 T r „ = 制动盘直径越大则所需制动力越小，有利于减小电磁铁的尺寸，故尽量取较大的 盘径。 由于本课题要求的主要技术参数为额定制动扭矩500Nm， 根据 《汽车 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 汇编》， 本文取制动盘直径为270mm。 2.2.3 制动盘厚度的确定 在本设计中，制动盘又称衔铁，通过电磁体的通断电过程使衔铁吸合。在衔铁对 着摩擦片的一侧，涂有特殊的摩擦材料，使之在通电之后与摩擦片进行接触，最后达 到制动效果。 制动盘厚度直接影响着制动盘质量和工作时的温升，为使质量不致太大，制动盘 厚度应取的适当小些，为了降低工作时的温升，制动盘厚度不宜过小。制动盘可以制 成实心的，而有时为了通风散热，还可以在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道。通 常实心制动盘可取为10—20mm，在这里取14mm。 11 2.2.4 摩擦片参数的确定 根据一些文献资料的参考，取摩擦片的外半径 R2=240mm，由其外内半径比为 R 2 = 1.5,则内半径R1=160mm。 R 1 2.2.5 摩擦片与制动盘之间的间隙 考虑弹簧片的伸缩距离、系统间隙，以及以后摩擦片的变形磨损，为使其留有一 定的余地，不妨取摩擦片与制动盘之间的间隙为0.9—1.5mm。本文在设计中取它们的 间隙为1mm。 2.2.6 弹簧片的设计 本电磁制动器的设计是属常开型，为了使其在制动结束后摩擦片与制动盘能迅速 分离，关键在于弹簧片的设计。本文采用由 12 个小弹簧及两薄片板所组成的，各弹 簧制造时焊接在两薄片上，薄片的作用是连接左侧的制动片和右侧的端盖，通过铆钉 固定起来。小弹簧直径为10mm，处于自由状态时的长度为4mm。图2.1为弹簧片的设 计总图。 图 2.1 弹簧片 2.2.7 右侧法兰的确定 法兰壁厚14mm，外圆最大直径270mm。往右伸出轴长度40mm，直径105mm，其上 有一个直径60mm的通孔，内设一个宽18mm的平键槽，作用是在运动过程中能随着主 12 轴一起旋转，上面还设有一个M10的螺栓固定。 2.2.8 电磁制动器总装配图 通过各零部件的设计，电磁制动器的总体设计已初步确定。从左往右的顺序看， 由左端盖(含电磁体)、摩擦片、制动盘、弹簧片、右端盖(法兰)组成，摩擦片上 的三个孔是专为制动盘(也即衔铁)设计的，使制动盘右侧的铆钉通过弹簧片固定。 另外三个孔是给右侧的法兰准备的，使法兰左侧上的铆钉穿过弹簧片紧固。达到在电 磁体吸合过程中，由弹簧的拉伸力配合达成完整的制动效果。 总装配图由图2.2、图2.3 所示。 图 2.2 电磁制动器总装配 图 2.3 总装配图的分解 2(3 电磁制动器的检查与调整 在同样的转速下，电磁制动器的制动力矩的大小取决于制动盘对摩擦片压力的大 小，亦即弹簧向内拉制动盘的行程，或者说取决于摩擦片和制动盘之间的气隙大小。 经长期使用后，摩擦片和制动盘均会受到磨损，弹簧也将被拉长，引起气隙减小，会 造成制动后失灵，不能及时分离。因此必须检查制动器的工作气隙，并及时加以调整。 根据气隙增大值的程度，如果是摩擦片磨损，则需要更换 13 摩擦片。间隙不能太大， 否则将使制动力矩不够而使锚链或绞缆钢丝松脱。间隙也不能太小，太小容易造成刹 车脱不开，使电机堵转或造成制动器温度急剧上升，一般调整后的气隙在1mm左右为 宜。 3 电磁体材料及制造工艺研究 电磁体是电磁制动器的关键部件，电磁制动器制动性能很大程度上取决于电磁体 的外形结构、磁钢材料导磁性能、磁钢制造工艺、摩阻填料材料的性能、线圈导线直 径、线圈匝数。制造电磁体要解决以下几个方面的技术问题: (1)电磁体的导磁材料(磁钢)及加工制造工艺，直接关系到电磁体工作时的磁路， 影响电磁体与摩擦盘之间的电磁吸力。电磁体所产生的摩擦力主要取决于:电磁体外 形结构、磁钢材料、电磁吸力、磁钢与摩擦盘的摩擦系数、填充材料与摩擦盘的摩擦 系数、 电磁体制造工艺等参数。 所以必须选择合适的导磁材料并制定相应的制造工艺。 (2)电磁体的工作环境十分恶劣，要求电磁体材料具有一定的耐磨、耐热性能。 与电磁体对磨的摩擦片，其材料是铸铁，为了不使对摩擦片磨损过快，要求电磁体磁 钢材料在制造过程中不能有过高的强度和硬度。因此应合理确定磁钢材料的硬度、摩 擦系数、耐磨性能以及填充材料的耐热、耐磨性能等。 14 (3)电磁体通电后，与制动盘吸合并产生摩擦力矩，会使电磁体温度迅速上升， 要求电磁体摩阻材料应具有高温稳定性，即在高温下摩阻材料仍具有稳定的摩擦系数 和耐磨性能。另外在低温条件下或不同的环境中(如雨天)行驶，电磁制动器的制动性 能不能发生太大的变化。如何选用、制造摩阻基体材料以及如何把摩阻材料、线圈与 磁钢粘连到一起也将是制造过程中遇到的技术问题。 3(1 电磁体磁钢、磁芯材料选择 3.1.1 导磁材料分析 磁性材料按其特性和用途通常可分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料磁性 能的主要特点是:磁导率高，矫顽力低，易于饱和。当外磁场去掉后，磁性基本消失。 而硬磁材料在所加的磁化磁场去掉以后，仍能在较长时间内保持强而稳定的磁性。电 磁体需要在断电时的电磁吸力为零，因此磁钢应选用软磁材料。 常用软磁材料有:电工纯铁、低碳钢、硅钢片、铁镍合金、铁基粉末冶金等，低 碳钢有较高的磁饱和感应强度，较小的矫顽力，加工性能也较好，适合于直流磁系统。 表3.1所列为常用导磁材料性能比较。 表3.1 3.1.2 纯铁特性分析 电磁纯铁又称“阿姆可铁” ，含碳量极低，一般小于 15 0.025%，工业产品一般应用 无磁时效纯铁，其代号为DT3，DT4。电磁纯铁在室温下具有相对较软、强度低、塑性 成形性能优良、切削性能差等特点，适合用冷挤压生产工艺。其理由是: (1)电磁性能好，矫顽力低，饱和磁感高，磁性稳定又无磁时效。 (2)电磁纯铁系列钢质均为镇静钢，且采用了精练，所以内部组织均匀，优良， 气体含量少，成品含碳量不大于0.004%。 (3)冷、热加工性能好。 (4)表面质量好，尺寸精度高。冷挤压时塑性变形量大，变形抗力及材料加工硬 化相对于其它铁磁材料要低的多，因此所需压力机的吨位低，模具寿命高。 3.1.3 粉末冶金材料分析 铁粉是粉末冶金电磁体磁钢的基体材料。研究发现，铁粉的基本特性(流动性、 松装密度、成分、粒度组成)会对压坯的密度产生较大的影响。而不同密度的电磁体， 其电磁性能、摩擦、磨损性能差异很大。因此，正确选用铁粉品种、粒度组成十分重 要。 (1)铁粉种类的选择 铁粉因制造方法不同，其颗粒形状、物理一化学性能等方面都有差异。铁粉制造 方法有许多，主要有电解沉积法、 16 还原法、水雾化法、拨基法，其中电解法、雾化法 生产的铁粉颗粒细小，松装密度高，生坯强度高，压缩性大，比还原铁粉成形性能好， 制件密度高，磁性能好，但价格高。对粉末冶金电磁体磁钢，当要求磁钢密度在 6.5 一 7.0g/cm3 之间时，选用还原铁粉作为电磁体磁钢材料;当电磁体磁钢密度要求达 到 7.1 一 7.5g/cm3 时，选用水雾化铁粉，这是由于水雾化铁粉的粉末颗粒纯度高、 压缩性好、易于合金化。试验确定，采用还原铁粉有利于摩擦系数的提高，而采用水 雾化铁粉有利于耐磨性的提高。 (2)铁粉粒度选择 铁粉粒度和形态对压制时铁粉的流动性、成形性以及成形后的强度有很大影响， 不同的粒度和形态会得出不同密度的制件。还原铁粉呈海绵状，能减少添加成分的偏 析，具有大的表面能，大的晶格畸变，同时铁粉粒度细，因此，烧结时活性较高，扩 散速度大和收缩大。所以，由细铁粉制造的材料具有较高密度及强度和较好的摩擦性 能。 选用200目颗粒的海绵状还原铁粉作为磁钢的基体原材料， 能满足成形性能要求。 为提高松散粉末装模密度，在200目铁粉的基础上，采用细粉与粗粉混合的工艺，即 加入适当比例的更细铁粉与200目铁粉混合，可提高成形密度和压坯的强度。 图3.1所示为在不同松装密度下高纯度铁粉压制时压力与 17 制件密度之间的关系， 可以看出提高松装密度不仅可以提高粉末冶金生坯密度，而且可以提高生坯强度，提 高压缩比，使粉末冶金制件具有较高的密度，从而可提高磁钢的电磁性能。 图3.1 (3)合金粉末的选择 粉末冶金中添加合金元素的目的有三个: A、提高粉末冶金的烧结密度，需通过活化烧结来实现的。对于铁基粉末冶金， 铁的纯度越高，杂质含量越少，晶粒越粗，电磁性能就越好，但为了使密度增加，在 烧结铁基粉末冶金时常加的合金元素是硫和磷。硫可以以硫粉或硫化铁粉态混入铁粉 中，在烧结时使其合金化。添加硫的作用是提高减磨性能以及封闭材料中的孔隙。一 般加入硫的含量不超过0.4%，另外添加硫可提高材料的抗弯性能。当添加硫时，零件 尺寸会随含硫量的增加而增大。磷在953?与铁和碳形成共晶，1050?与铁形成共晶。 因此，在高于1050?的温度下烧结时，将产生液相，起到活化烧结作用，从而提高材 料的烧结密度。磷应以磷铁粉状混入纯铁中，磷铁应采用含磷量为 15.6%的 Fe3P。磷 的加入量不得高于0.8%。 B、按重量提高铁基烧结软磁材料的磁性，常需加入的合金元素有si、Sn、Ni 和 C。考虑到 Ni、C 价格高，在此 18 仅选用合金元素 si 或 Sn，Si 或 Sn 的含量为 2%— 3%。 C、提高摩擦、磨损性能。纯铁粉末冶金材料作为摩擦材料具有以下特性: (a)耐热高负荷条件下摩擦系数稳定，衰减小，磨损小; (b)热传导性能好能把摩擦副表面的摩擦热很快传导出去; (c)受环境影响小在寒冷和炎热以及大气湿度变化条件下，摩擦性能基本不发生 变化。 纯铁粉末冶金摩擦材料的严重缺点是与制动盘具有亲和力，容易产生粘着胶合， 摩擦系数波动大、异常磨损、噪声等情况。为解决这些问题，需要在纯铁粉中加入一 些摩擦组元和润滑组元。摩擦组元为二氧化硅，加入二氧化硅后可促进摩擦系数和摩 擦温度的提高。当滑动速度为0.26m/s时，含 1%的二氧化硅摩擦系数为0.46，含10% 二氧化硅时摩擦系数增加到 0.66，同时摩擦温度从 125?上升到 195?。这是由于二 氧化硅在铁中烧结温度下被还原成硅，并溶解于铁，降低了材料的导热性。因此，根 据综合性能，二氧化硅的最佳含量为2%—4%，其平均粒度为80—180μm。 3(2 电磁体填充材料研制 电磁体摩阻填充材料是一种纤维增强摩阻复合材料，其组分与摩擦磨损性能之间 的关系受到系统参数的影响，例如温度、压力、速度、气氛、摩擦对偶件等，而且这 些影响 19 因素又与作用时间、作用次数等有很大的关系。 3.2.1 新型摩阻填充材料分析 电磁体摩阻填充材料通常由粘结剂、增强纤维和无机及有机填料等三部分组成， 工作时主要承受反复变化的应力场和热力场作用。粘结剂是摩阻填充材料的重要组 元，也是化学性能、热稳定性能最差的组元。研究表明，电磁体摩阻填充材料的摩擦 表面瞬间工作温度可达300?—400?左右; 粘结剂(树脂基体)无论是暴露在空气中还 是在与制动盘贴合的缺氧情况下都会发生氧化分解现象。因此其性能直接影响电磁体 摩阻填充材料的热衰退性能、恢复性、磨损性能和机械性能。树脂粘结剂的选择对摩 阻填充材料的许多性能有非常重要的影响。 摩阻材料传统用的胶粘剂主要是酚醛树脂，酚醛树脂固化后交联密度高、高温性 能卓越，并且具有良好的耐化学腐蚀性、良好的机械性能和加工工艺性能。但酚醛树 脂存在硬而脆等缺点。为了改善其韧性，需采用改性方法，如在酚醛树脂中引入韧性 良好的长链型分子结构来增强韧性。然而长分子链的引入又会大大影响其耐热性，因 此，在引入长链型分子结构后，还需要再引入耐热性能良好的刚性基团分子。基于以 上原理，以硼改性酚醛树脂为基体树脂，加入橡胶长分子链增加韧性，同时加入刚性 基团分子 SiO2、SiC 增韧改性，提高摩阻材料的热稳定性。由于 SiO2、SiC 20 属于共价 键化合物，具有材质硬、强度大，热导系数大、抗热震性好，耐高温、抗氧化，耐磨 损和抗侵蚀等优良的高温热稳定性能。作为添加剂应用于电磁体摩阻填充材料中，还 能够起到摩擦调节剂的作用，补偿和调节摩擦性能，改善和提高粘结剂高温性能。 此外，MoS2、A12O3 可进一步提高摩擦系数和耐磨性能以及减磨效果，以提高其使 用寿命。这是一种物理改性方法(共混)，使橡胶及其他分散相均匀分散于树脂连续相 中，然后在制品高温、高压成形过程中，使其微粒又从中析出，并在材料受到外力时 分散、均衡应力，并阻止裂纹延伸，从而达到增韧耐磨的目的。另一方面，还利用自 制的化学改性酚醛树脂，使树脂的综合性能在电磁体填充材料上优于目前市场上其它 改性树脂。 3.2.2 树脂基体对摩擦磨损性能的影响 树脂基体作为电磁体摩阻填充材料中的一个重要组元，必须有合适的模量以保证 在摩擦时有较大的接触面积，从而使摩擦片在工作时稳定而不产生严重振动;树脂必 须有一定的耐热性以保证次摩擦层有足够的强度;树脂分解后的残留物必须有一定摩 擦性能，以保证稳定的摩擦系数;树脂固化后必须有较低的硬度，以降低制动噪声。 因而树脂种 21 类的选择和配比与摩阻材料的摩擦磨损性能及力学性能密切相关。 由于酚醛树脂具有良好的耐热性能和力学性能，一直是生产摩阻材料最常用的树 脂。普通纯酚醛树脂由于制品模量过高，硬度大，常采用橡胶物理改性，使其韧性、 抗冲击性及摩擦性能有所提高。通过对比，尼龙和丁睛橡胶改性的摩阻材料在抗磨性 和耐冲击性方面效果最好，但用量过大会降低摩阻材料的耐热性并增大磨损。 试验表明树脂含量过高或过低时，材料将因粘结剂量过少或树脂高温分解导致粘 结力下降，使增强纤维易于拔出，导致摩擦系数不稳定，材料磨损加剧。故在摩阻材 料的配方设计中，树脂量的配比是一个关键因素。 3.2.3 增强纤维对摩擦磨损性能的影响 增强纤维与摩阻材料的摩擦磨损性能、强度等密切相关，因而纤维种类的选择及 量的控制是材料研制中的一个关键问题。目前比较多见的有玻璃纤维、碳纤维、钢纤 维、芳纶纤维以及这些纤维相混合的混杂纤维。 玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好，与树脂亲和性好、价格低廉，磨损 较大，当温度超过 600?时形成玻璃珠，损伤对偶材料。碳纤维具有比强度高、比模 量高、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数小等一系列优点，同时具有润滑作用。碳纤 维的长度影响摩阻材料的摩擦磨损性能和 22 工艺性。混料工艺需特殊考虑，较难应用于 电磁体填充材料当中。使用低碳钢及超声波切削法生产的钢纤维含油量低、表面活性 好、价格便宜，但它影响到电磁体的磁力线分布，所以难以应用。 Kevlar纤维以其高强度、高模量、高韧性、低密度及较好的热稳定性，可开发出 性能优良的摩擦材料。但由于 Kevlar 纤维的制造工艺和处理工艺复杂，特别在工业 化生产时纤维分散较困难，且价格昂贵，因此在国内生产和推广受到限制。 考虑多种因素，采用玻璃纤维作为增强纤维，以提高材料的抗磨作用。 3.2.4 填料对摩擦磨损性能的影响 填料是填充摩阻材料中不可缺少的组分，主要起改善材料的物理与力学性能、调 节摩擦性能及降低成本的作用。但在摩阻填充材料中，通常填料可分为有机、无机和 金属三种。有机填料的主要作用为降低模量和硬度，调整及稳定摩擦系数，改善与对 偶材料的贴合性。常用的有橡胶粉等，但用量过大会降低摩阻材料的耐热性并增大磨 损。无机填料可分为减磨填料和增摩填料。减磨填料是为了降低摩擦系数，主要有 MoS2、石墨、滑石和云母等;增摩填料主要是不会分解的耐热材料粉末，可以改善和提 23 高材料的物理和力学性能，使摩阻材料具有较好的抗热衰退能力和抗高温开裂变形能 力，增加材料的摩擦阻力。但加入量过大也会降低摩阻材料的力学性能，金属填料(如 铜粉、铝粉、铝粉)等可以提高摩阻材料的耐磨性和热稳定性，选择合适的粒度有助 于提高材料的摩擦系数以及降低磨损率。 3.2.5 丁睛橡胶含量的影响 为了考察丁睛橡胶对材料性能的影响，固定硼改性的树脂(BF)含量为 40%，改变 丁睛橡胶的含量(从5%变到20%)。由于未添加增强材料玻璃纤维，所以所制材料的强 度较低，未能测出材料磨损率。随着丁睛橡胶含量的增加，材料的硬度明显下降，而 当丁睛橡胶含量为10%时，材料摩擦系数最高。 事实上在研究材料配方时，丁睛橡胶含量越多，材料的耐磨性能会降低很多，所 以，丁睛橡胶含量选择在不超过10%为宜。 4 电磁机构动特性分析 电磁铁在操作过程中工作气隙由大变小，使磁路各部件的磁饱和程度越来越高， 因而描述该系统的静、动特性是非线性的。在衔铁快速运动的过程中，将在线圈中引 起反电动势，改变电路特性。动特性通常包括线圈电流i、弹簧片行程x、电磁力F、 线圈磁链ψ以及速度v随时间变化的函 24 数关系。电磁机构的动态过程即吸合或释放过 程。分析描述电磁铁的动态特性是设计出高性能电磁铁的重要环节。 4(1 吸合过程分析 电磁机构的吸合过程通常分为两个阶段:第一阶段是从线圈得到电压起到电流按 指数曲线增至吸合电流 Ixh 为止的过程。在此过程中衔铁尚未运动，其经历时间称为 吸合触动时间，记为txc;进入第二阶段后，吸力大于反力，衔铁开始运动。这个阶段 的电流逐渐增大，并产生反电势 idL di 。这个反电势和线圈自感电势 L一起，共同 dt dt 阻止线圈电流的增长，致使线圈电流在增大到一定程度后不仅不再增大，反而减小。 将从衔铁开始运动到衔铁闭合所需要时间定义为吸合运动时间，记为txy。总的吸合时 间为 txh=txc+txy。在 t=txh 以后，衔铁已经闭合，工作气隙不再变化，反电势为零，电 流按新的指数曲线上升，直至稳态电流Iw，如图 4.1所示。 图 4.1 电磁铁吸合过程曲线 4.1.1 电磁铁的吸力特性 吸力特性方程为: 2 F=(IW) μ0 S z d z 式中: I—线圈的电流; W—线圈匝数; 25 μ0—真空磁导率; Sz—总的铁芯横截面积; δz—总间隙长度。 4.1.2 吸合过程分析 直流电磁铁接通电源后，在吸力达到足以克服阻力(主要是弹簧力)，使弹簧片 运动之前，流过线圈的电流逐渐增长，磁铁中的磁通也逐渐增长，电路方程为: df u=ir+dt 式中: u—端电压; i—电流; r—线圈内阻; Φ—磁通，Φ=Li。 在弹簧片未动时， 磁通Φ与电流i成正比， 电感L为常数， 电路图可简化为图 4.2 形式，线圈的内阻和电感的串联。 图 4.2 电磁铁简化电路图 上式也可化为: df di u=ir+=ir+dt dt 线圈中电流的响应如图4.1中所示，oa段为触动阶段，到达a点之后，衔铁开始 运动(设此时电流为 Ixc,为触动电流;所用的时间称为触动时间 txc)。衔铁开始运动 后气隙磁通改变，线圈的自感也改变: df d ( L i ) di dL ==L+idt dt dt dt 根据上面的转化还可化为: df di dL u=ir+=ir+i+idt dt dt 26 由上式可知，电流此时开始下降，即图 4.1 中的 ab 段，txy 为运动时间。此后电 di 感不再改变，电流又逐渐增大至稳定值Iw。进入稳态之后电流不再变化，则=0，可 dt 求出稳态电流Iw: u Iw=r 4.1.3 吸合触动时间txc 的计算 当吸力 F 等于弹簧片收缩位置受到的阻力 Fz 时，电流为触动电流 Ixc。对盘型电 磁铁相应的吸力特性公式为: 2 F=(IW) μ0 S z (2 d ) 2 得 可求出 2 (IW) μ0 S z =FZ 2 (2 d ) 2d Ixc=W F z m 0 S Z 可见 Ixc 由阻力、间隙、线圈匝数、铁芯截面积决定，可以根据弹簧的刚度、电 磁铁的结构参数求出。 因为机构在正常使用中应该会保持良好的润滑，系统阻力主要为回位弹簧弹力。 求解变化后的微分方程得: u L t i ( 1 - e ) = I ( 1 - e ) w r 式中 令i=Ixc，代入上式，得触动时间: 27 L 1 1 txc=? ln = t ln r 1 xc 1 xc I w I w t l 由上式可以看出，要减少触动时间，可减小电感、增大电阻，但前提是要保证一 定吸力。 根据下式计算电感量 式中 W—线圈匝数; μ0—真空磁导率; Al—磁芯中柱截面积; δ—气隙长度。 代入计算得到txc。 4.1.4 运动时间txy 的计算 进入运动阶段之后，电感L不再是常数，且变化呈非线性;运动过程中阻力也在 不断变化，要精确求解非常困难，本文中采用简化计算方法。根据动力学原理，吸力 和阻力都对衔铁做功，由功能原理可得衔铁的运动方程: mv 2 (F-FZ)dx=d() 2 W 2 m 0 A e L=2 d 式中: F—电磁吸力; FZ—阻力; m—运动部分归算到衔铁上的质量; x—衔铁位移; v—衔铁运动速度。 28 若衔弹簧片行程很小， 电磁吸力与阻力之差(F-FZ)在衔铁运动过程中可认为不变， 式中的(F-FZ)也取运动过程中的平均力，则将上式微分得到: F - F 2 Z x=t +C1t+C2 2 m 式中:C1,C2 为积分常数，由初始条件决定。 当t=0时，x=0，v=0，代入上述两式，解得: C1=0，C2=0 F - F 2 Z 因此，x=t 2 m 令x=δ，即位移为衔铁(即制动盘)的行程时，所用时间即为运动时间txy 则有 txy=2 m d F - F Z 将已知数据代入计算式，得到txy。则吸合过程总用时间为 txh=txc+txy 4.1.5 提高响应速度 由上面的吸合过程分析可知如何加速衔铁运动:减小电感、增大电阻、减小运 动件质量、减小间隙、增大吸力、减小阻力。在电磁铁被设计出来后，所能改变的是 电路电阻，图4.2是一种阻容加速电路。 图 4.2 阻容加速电路 这种电路的工作原理是:电路在刚接通时，附加电阻R近似被电容C短路，因此 电磁线圈中电流增加很快。当进入保持阶段后，电阻R上可降掉一部分电压，从而减 小了电 29 磁铁上的压降，使保持阶段通过线圈的电流减小，从而减少发热。二极管D的 作用是在断电时为储存在电磁铁中的电能和磁场能量提供释放通道，在吸合运动过程 中不起作用。这样做可加快制动盘的释放速度。 5 制动盘的有限元分析 本设计主要限制参数为额定制动扭矩 500Nm，材料又都是定义的是磁钢的材料特 性，因此弹性模量为2*10e5Mpa，泊松比为0.3。 5.1 摩擦系数的考虑 根据摩擦学理论，温度对于摩擦系数的影响，一般随着温度的升高，摩擦系数增 加;当达到一个最大值时，温度继续升高，摩擦系数反而下降。造成摩擦系数降低的 原因主要是摩擦片的有机化合物受热分解，产生的气体和液体析出，附着在摩擦接触 副之间，起着润滑膜的作用，导致摩擦系数变小。 但由于本设计为盘式制动器，制动盘选定的是磁钢材料，因此不考虑摩擦系数的 影响，取摩擦系数为:0.3。 5.2 制动盘附加载荷的计算 在进行接触分析时，将电磁吸力作为载荷施加在电磁体上，也即施加在制动盘上 的附加载荷。因为最大制动扭矩为 500Nm，在制动盘与摩擦片最外的地方所受的扭矩 最大，此处分析它的电磁吸力。 30 摩擦片外径为240mm，内径为160mm，外径出所受的制动力(也即摩擦力)为: f=500/0.12=4166.67N 电磁铁的吸力为: F=f/0.3=13888N 先在hypermesh软件中做好有限元模型的划分网格:(如图 5.1) 图 5.1 导入ansys中的有限元模型如下，Ansys中的图片为: 整体图 左端盖 摩擦片 制动盘 约束条件: 加载: 计算结果如下: 制动盘位移云图 制动盘应力云图 由以上分析结果能够看出，制动盘的位移云图和应力云图均呈收敛状态，因此对 于电磁制动器的设计参数符合理论分析。 结 论 本文提出了一种新型的汽车制动器，主要从理论上对该型 31 制动器进行了分析与研 究。所作的主要工作为: (1)提出了设计方案; (2)参照现有的市场产品，对电磁制动器的外观进行合理设计; (3)对电磁体内部工艺进行介绍; (4)简单分析电磁体的动态特性; (5)对制动盘有限元分析进行优化。 由于研究时间等条件的限制，本文的研究成果距离实际刹车制动试验还有很大距 离，要将本文提出的方案应用于实际，应继续开展以下工作: (1)电磁体的优化工作。 (2)改造制动器结构形式，优化设计参数,缩减外观尺寸以及使用轻型材料达到轻 量化。 (3)提高电磁铁的安全可靠性，增设线圈保护装置。 (4)润滑、密封等细节问题。 (5) 建立制动试验平台，做出实验分析。 致 谢 本次毕业设计是在我的导师张龙副教授关心和悉心指导下完成的。张老师学识渊 博、治学严谨，在学习与研究中严格要求、悉心指导，给了我许多指导、帮助，提出 许多宝贵的意见和建议，让我少走许多弯路并顺利完成论文。他为人师表、谦虚博学 的风范使我受益匪浅，在此向敬爱的张 32 老师表示衷心的感谢。 同时也感谢所有关心和帮助过我的其他老师，像我们学院的专业负责人肖猛老 师、王力老师，还有其他同学和朋友们，他们在我研究和撰写论文期间，都曾给予很 多帮助。 最后，感谢我的家人，是他们在生活上给予我无微不至的关心和精神上的支持与 鼓励，使我顺利地完成了学业。 参 考 文 献 [1] 李宏才.现代汽车制动控制系统的发展与展望[J].世界汽车，2001,2(2): 7-10. 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