車輛工程畢業(yè)設(shè)計(jì)17車用盤式電磁制動(dòng)器設(shè)計(jì)Ansys分析Matlab仿真

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1、本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 車用盤式電磁制動(dòng)器設(shè)計(jì) 院系名稱：汽車與交通工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：車輛工程學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱：副教授 TheGraduationDesignforBachelor'sDegree Thedesignofelectromagneticvehicle discbrake Candidate:YeChunhuiSpecialty:VehicleEngineeringClass:B07-1Supervisor:AssociateProf.AnYongdongHeilongjiangInstituteofTechnology 摘要 車輛制動(dòng)系統(tǒng)在車輛的安全方面

2、就起著決定性作用。汽車的制動(dòng)系統(tǒng)種類很多，傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式主要有機(jī)械式、氣動(dòng)式、液壓式、氣液混合式。液壓制動(dòng)技術(shù)是如今最成熟、最經(jīng)濟(jì)的制動(dòng)技術(shù)，并應(yīng)用在當(dāng)前絕大多數(shù)乘用車上。 目前，汽車所用制動(dòng)器幾乎都是摩擦式的，可分為鼓式和盤式兩大類。盤式制動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是在高速剎車時(shí)能迅速制動(dòng)，散熱效果優(yōu)丁鼓式剎車，制動(dòng)效能的包定性好便丁安裝像ABSIS樣的高級(jí)電子設(shè)備。 盤式電磁制動(dòng)器是一種以電控制的摩擦型制動(dòng)器，目前主要應(yīng)用丁拖車尤其是房車制動(dòng)上，但是隨著汽車的發(fā)展，高動(dòng)力性能的汽車技術(shù)的突破，汽車制動(dòng)系統(tǒng)也將發(fā)生變化，而電磁制動(dòng)器則是利用電磁阻力的原理將汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量消耗實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，電磁

3、制動(dòng)器的安全性，靈活性，簡(jiǎn)單性，可操作性，將會(huì)是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，由丁盤式電磁制動(dòng)器的控制原理，結(jié)構(gòu)與技術(shù)成熟的液壓盤式制動(dòng)器相似，所以加工技術(shù)方便，通過對(duì)盤式電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算可以得到滿足汽車制動(dòng)時(shí)候的制動(dòng)效果，從而實(shí)現(xiàn)汽車的安全制動(dòng)。 但是目前國(guó)內(nèi)研究仍處丁起步階段，對(duì)電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與研究停留在房車和拖車上，對(duì)丁微型汽車的電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究較少，本文提出一種微型汽車電磁制動(dòng)器方案，以電磁鐵作為動(dòng)力源，通過機(jī)械增力機(jī)構(gòu)將電磁力放大并推動(dòng)摩擦襯塊產(chǎn)生制動(dòng)以達(dá)到制動(dòng)目的，并對(duì)設(shè)計(jì)的電磁制動(dòng)器進(jìn)行仿真分析。 關(guān)鍵詞：電磁制動(dòng)器；電磁體；盤式制動(dòng)器；制動(dòng)系統(tǒng)；增力機(jī)構(gòu); 2

4、 ABSTRACT Thevehiclebrakingsysteminvehiclesecuritytoplayadecisiverole.Manydifferenttypesofvehiclebrakesystem,brakesystem,thetraditionalstructureofthemaintypesofmechanical,pneumatic,hydraulic,gas-liquidhybrid.Hydraulicbraketechnologyisnowthemostmatureandmosteconomicalbrakingtechnology,andapplytothec

5、urrentonmostpassengercars. Currently,almostallcarsusefrictionbrakes,thedrumandthedisccanbedividedintotwocategories.Themainadvantageofdiscbrakesathighspeedbrakingwhenthebrakequickly,heatbetterthandrumbrakes,brakeperformanceconstantgood,easytoinstallasadvancedelectronicdeviceslikeABS. Electromagneti

6、cdiscbrakeisafriction-typeelectronicallycontrolledbrakes,currentlyusedinthetrailerbrakeonaparticularcar,butwiththecar'sdevelopment,highdynamicperformancebreakthroughinautomotivetechnology,automotivebrakingsystemswilloccurchange,whiletheelectromagneticbrakeistheprincipleofelectromagneticresistancetot

7、hevehiclekineticenergyintoheatconsumptiontoachievethebrake,electromagneticbrakeofthesecurity,flexibility,simplicity,operability,willbethedevelopmentdirectionofautomotivebrakesystems,duetotheelectromagneticbrakedisccontrolprinciple,structureandmaturityofthetechnologysimilartohydraulicdiscbrakes,sothe

8、processingtechnologytofacilitate,throughthedesignofthediscbrakecanbesatisfiedwiththecalculationofthebrakingeffectwhenthevehiclebrakesinordertoachievecarsafetybrake. Butthecurrentdomesticresearchstillinitsinfancy,theelectromagneticbrakedesignandresearchstayinthecarandtrailer,theelectromagneticbrakef

9、ormini-cardesignstudyless,thispaperpresentsaminiatureelectromagneticbrakescarprogram,asthepowertosolenoidsource,throughthemechanicalforceamplifierwillamplifyandpromotetheelectromagneticforcegeneratedfrictionbrakepads,brakeinordertoachievethepurposeanddesignsimulationandanalysisofelectromagneticbrake

10、. Keywords:Electromagneticbrake;Electromagnet;Discbrakes;Brakingsystems;Forceamplifier 摘要IABSTRACTii第1章緒論1 1.1課題背景及目的1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.3設(shè)計(jì)應(yīng)解決的難點(diǎn)4第2章制動(dòng)器主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算5 2.1基本參數(shù)的確定5 2.2制動(dòng)距離的計(jì)算5 2.3制動(dòng)力矩的計(jì)算6 2.4盤式制動(dòng)器的主要參數(shù)選擇72.4.1制動(dòng)盤直徑D72.4.2制動(dòng)盤厚度h72.4.4摩擦襯塊工作面積A8 2.5制動(dòng)襯塊上壓緊力的計(jì)算8 2.6液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算8 2.7本章小結(jié)

11、9第3章制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10 3.1制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10 3.2制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10 3.3制動(dòng)襯塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11 3.4摩擦材料的選擇11 3.5盤式制動(dòng)器工作間隙的調(diào)整12 3.6本章小結(jié)13第4章增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算14 4.1機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)14 4.2增力機(jī)構(gòu)的自由度分析15 4.3受力分析計(jì)算16 4.4增力機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸的確定17 4.5增力機(jī)構(gòu)的Ansys分析184.5.1長(zhǎng)臂連桿的靜力分析184.5.2短臂連桿的靜力分析204.5.3增力機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析22 4.6本章小結(jié)25第5章電磁體的設(shè)計(jì)計(jì)算26 5.1磁通勢(shì)的計(jì)算27 5.2鐵芯

12、截面積的計(jì)算27 5.3電磁鐵長(zhǎng)度的計(jì)算28 5.4銜鐵厚度的確定28 5.5確定線圈截面積Sq及線圈槽寬28 5.6線圈導(dǎo)線直徑的確定29 5.7線圈匝數(shù)的確定29 5.8本章小結(jié)30第6章電磁制動(dòng)器的仿真分析31 6.1MATLA歆件概論31 6.2汽車系統(tǒng)模型的建立32 6.3仿真分析33 6.4本章小結(jié)36結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝40附錄A41附錄B44 第1章緒論 1.1課題背景及目的 汽車制動(dòng)系統(tǒng)是用丁使行駛中的汽車減速或停車，使下坡行駛的汽車車速保持穩(wěn)定以及使停駛的汽車在原地(包括在斜坡上)駐留不動(dòng)的機(jī)構(gòu)。汽車制動(dòng)系統(tǒng)直接影響著汽車行駛的安全性和停車

13、的可靠性，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的工作可靠性顯得日益重要。也只有制動(dòng)性能良好，制動(dòng)系統(tǒng)工作可靠的汽車，才能充分發(fā)揮出其動(dòng)力性能。汽車制動(dòng)系統(tǒng)依操縱和驅(qū)動(dòng)制動(dòng)力源的不同，有四種基本組合的方式即：機(jī)械式、氣壓式、液壓式和電氣式。其中電氣式汽車制動(dòng)系統(tǒng)乂可分為電磁式、電動(dòng)式和電液式。氣壓式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，有氣泵、氣筒、制動(dòng)閥、制動(dòng)氣室及管路等一整套設(shè)備，制動(dòng)系統(tǒng)不論是否制動(dòng)，氣泵都要隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，若汽車停放的時(shí)間較長(zhǎng)，管路密封不嚴(yán)，重新開動(dòng)還要重啟，這就增加了不必要的消耗。液壓式所需的操縱力大，若要求制動(dòng)力矩較大時(shí)，需要增力，不但要增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，有的還消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。機(jī)械式大多用在拖拉機(jī)及拖

14、車上，它所需要的制動(dòng)力大，制動(dòng)強(qiáng)度低，左右制動(dòng)不容易調(diào)整同步。這三種形式的制動(dòng)機(jī)構(gòu)都存在著不同程度的反應(yīng)時(shí)間慢的缺點(diǎn)。 機(jī)械式多用丁汽車的駐車制動(dòng)系統(tǒng)：氣壓式和液壓式以及這兩種方式的結(jié)合，目前在汽車行車制動(dòng)中占主導(dǎo)地位，電氣式的突出優(yōu)點(diǎn)在丁： (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、安裝、維護(hù)方便。 可靠性高。用電纜代替管路，可方便地通過增加冗余電路來達(dá)到提高汽車制動(dòng)系統(tǒng)可靠性的目的。用電氣式取代液壓式，防止液壓的氣阻現(xiàn)象，增加了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。 集成方便。未來汽車上的電子裝置將越來越多。電控轉(zhuǎn)向、ABS電子驅(qū)動(dòng)控制、主動(dòng)懸:架、電子穩(wěn)定裝置都非常容易與電氣制動(dòng)系統(tǒng)集成在一起。電子控制器可根據(jù)需

15、要設(shè)計(jì)不同回路的控制器，對(duì)汽車實(shí)施單回路、雙回路和多回路制動(dòng)，也可對(duì)某個(gè)車輪單獨(dú)制動(dòng)。 (2) 易實(shí)現(xiàn)ABS。ABS控制計(jì)算機(jī)發(fā)車的電信號(hào)不用經(jīng)過電子一液壓，再液壓一機(jī)械的復(fù)雜轉(zhuǎn)換，提高了控制動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可靠性。 (3) 代表制動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)。電磁制動(dòng)系統(tǒng)出了具有一般電制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)外，還有其他的一些特點(diǎn)：與現(xiàn)有汽車制動(dòng)系統(tǒng)兼容性好，安裝、拆卸方便；沒有液壓油的污染問題，有利丁環(huán)保。所以它適合作為汽車的制動(dòng)系統(tǒng)。 電磁制動(dòng)器系統(tǒng)是一個(gè)全新的系統(tǒng)，為將來的汽車智能控制提供條件。汽車電磁制動(dòng)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)，不再使用液壓油，減少了液壓燃油的危險(xiǎn)，提高了安全性，也減輕了汽車的質(zhì)量

16、；電磁制動(dòng)系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)，顯著改善了制動(dòng)力矩和防滑性能，縮短了制動(dòng)距離，提高了輪胎和制動(dòng)裝置的使用壽命。而且，電磁制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效率優(yōu)丁液壓系統(tǒng)。電磁制動(dòng)系統(tǒng)將是機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的新方向。 現(xiàn)在汽車工業(yè)已全球化，自主研發(fā)性能優(yōu)越、可靠性高、成本低的汽車電磁制動(dòng)器，將使我國(guó)的汽車電磁制動(dòng)器產(chǎn)業(yè)拋棄高價(jià)購(gòu)買國(guó)外技術(shù)，擁有自己的先進(jìn)技術(shù)，大大提高中國(guó)汽車業(yè)在全球的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車電磁制動(dòng)器，對(duì)趕超國(guó)際先進(jìn)水平，提高我國(guó)汽車制動(dòng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，汽車電磁制動(dòng)器的普遍應(yīng)用將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 電磁制動(dòng)器作為一種新型制動(dòng)器。它主要

17、通過控制器發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)以電流的形式通過電磁體，利用改變通入電磁體的電流來改變制動(dòng)器的制動(dòng)力。由丁電磁制動(dòng)器具有與傳統(tǒng)制動(dòng)器的不同特點(diǎn)和要求，它涉及到對(duì)電磁制動(dòng)器的性能、環(huán)境及材料等諸多因素的綜合分析和比較，本文根據(jù)電磁制動(dòng)器的特點(diǎn)和要求，以制動(dòng)器功能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種電磁制動(dòng)器，為開發(fā)和研制電磁制動(dòng)器提供理論基礎(chǔ)。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車制動(dòng)系統(tǒng)在汽車的安全方面扮演至關(guān)重要的角色。早期的制動(dòng)控制操縱一組簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置向制動(dòng)器施加作用力，那時(shí)的汽車比較小，速度較低，機(jī)械制動(dòng)雖已滿足需要，但隨著汽車自身質(zhì)量的增加，開始出現(xiàn)真空助力裝置。1932年生產(chǎn)的質(zhì)量為2860kg的凱迪拉克V16車四

18、輪采用直徑419.1mm的鼓式制動(dòng)器，并有制動(dòng)踏板控制的真空助力裝置。美國(guó)林肯汽車公司也丁1932年推出V12汽車，該車采用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動(dòng)器。隨著科學(xué)技術(shù)及汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車制動(dòng)有了新突破。液壓制動(dòng)是繼機(jī)械制動(dòng)的乂一重大革新。DuesenbergEight車率先使用了液壓制動(dòng)器?？巳R斯勒的四輪液壓制動(dòng)器丁1924年問世，美國(guó)通用和福特公司分別丁1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。到20世紀(jì)50年代，液壓動(dòng)力制動(dòng)器才成為現(xiàn)實(shí)。在液壓鼓式制動(dòng)器出現(xiàn)若干年后，人們乂發(fā)現(xiàn)了液壓鉗盤式制動(dòng)器。由液壓控制，主要部件有制動(dòng)盤、分泵、制動(dòng)鉗、油管等。制動(dòng)盤用合金鋼制造并固定在車輪

19、上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。分泵固定在制動(dòng)器的底板上固定不動(dòng)。制動(dòng)卡鉗上的兩個(gè)摩擦片分別裝在制動(dòng)器兩側(cè)。20世紀(jì)80年代后期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，世界汽車技術(shù)領(lǐng)域最顯著的成就是ABS的實(shí)用與推廣。ABS集微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、液壓控制技術(shù)為一體，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車的主動(dòng)安全性和操縱性。 防抱死裝置一般包括三部分：傳感器、控制器與壓力調(diào)節(jié)器。傳感器接受運(yùn)動(dòng)參數(shù)給控制裝置?？刂蒲b置進(jìn)行計(jì)算并與規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比較后，給壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出指令。 規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，以及電子信息處理技術(shù)的高速發(fā)展，ABS已成為性能可靠、成本日趨下降的具有廣泛應(yīng)用前景的成熟產(chǎn)品。

20、 隨著人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，ABS、牽引力控制系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制程序、主動(dòng)碰撞技術(shù)等功能融入制動(dòng)系統(tǒng)中，越來越多的附加機(jī)構(gòu)安裝在制動(dòng)系統(tǒng)上，使得制動(dòng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，也增加了液壓管路泄漏的隱患以及裝配維修的難度。因此結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)捷，功能更可靠的汽車制動(dòng)系統(tǒng)呼之欲出。 電磁制動(dòng)器系統(tǒng)是一個(gè)全新的系統(tǒng)，為將來的汽車智能控制提供條件。電磁制動(dòng)控制因其巨大的優(yōu)越性，必將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要包括以下部分： (1) 電磁制動(dòng)器其結(jié)構(gòu)和液壓制動(dòng)器基本相似，有盤式和鼓式兩種；電磁制動(dòng)器是電磁制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，正是由丁它的加入，使得制動(dòng)系統(tǒng)節(jié)省了很多液壓管路和液壓油，減少了污染漏油

21、等。電磁制動(dòng)器的控制單元(ECU)接收制動(dòng)器踏板發(fā)出的信號(hào)，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收駐車制動(dòng)信號(hào)，控制駐車制動(dòng)；接收車輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)防抱死和驅(qū)動(dòng)防滑。由丁各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)變速系統(tǒng)，無極轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，懸架系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)與制動(dòng)控制系統(tǒng)高度集成，所以ECU還得兼顧這些系統(tǒng)的控制。 (2) 車速傳感器準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地獲得車輪的速度。 (3) 線束給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號(hào)。 (4) 電源為整個(gè)電控制系統(tǒng)提供能源，也可以與其他系統(tǒng)共用。 從結(jié)構(gòu)上可以看出這種電磁制動(dòng)系統(tǒng)具有其他傳動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)： (1) 整個(gè)汽車制動(dòng)系統(tǒng)

22、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)油箱、制動(dòng)主缸，助力裝置、液壓閥、復(fù)雜的管路系統(tǒng)等部件，使整車質(zhì)量降低。 (2) 制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，提高了制動(dòng)性能。 (3) 無制動(dòng)液，維護(hù)簡(jiǎn)單。 (4) 系統(tǒng)總成制造、裝配、測(cè)試簡(jiǎn)單快捷，制動(dòng)分總成為模塊化結(jié)構(gòu)。 (5) 采用電線連接，系統(tǒng)耐久性能好。 (6) 易丁改進(jìn)，稍加改進(jìn)就可以增加各種電控制功能。 對(duì)丁汽車電磁制動(dòng)器的最早研究和應(yīng)用都是拖掛車上的汽車電磁制動(dòng)器。早在1942年，美國(guó)的EMPIRE公司就申請(qǐng)了主要用丁拖車的汽車電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)專利。國(guó)外著名汽車制造商和專業(yè)制動(dòng)器生產(chǎn)企業(yè)在這方面也表現(xiàn)得十分活躍。隨后半個(gè)多世紀(jì)，國(guó)外的電氣

23、汽車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)工作開展迅速深入，其中用電磁力驅(qū)動(dòng)的汽車電磁制動(dòng)器已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用狀態(tài)，但這種汽車電磁制動(dòng)器大部分都應(yīng)用丁拖車的制動(dòng)系統(tǒng)中。同時(shí)各國(guó)都對(duì)汽車電磁制動(dòng)器進(jìn)行不斷改進(jìn)，主要表現(xiàn)在電磁體和控制器兩部分。而對(duì)控制器的改進(jìn)主要集中在拖掛車中主車與拖車的制動(dòng)力匹配上。近幾年，國(guó)外的汽車電磁制動(dòng)器的發(fā)展較緩慢，基本保持了20世紀(jì)的形式，只是在此基礎(chǔ)上不斷完善，努力使汽車電磁制動(dòng)器能夠適應(yīng)普遍汽車的行車制動(dòng)。為使汽車電磁制動(dòng)器能在汽車上廣泛應(yīng)用，需研究電磁體的特性、制動(dòng)器的性能及電磁制動(dòng)器控制器的控制策略。國(guó)外廠商在近幾年內(nèi)開始研制具有ABS功能的汽車電磁制動(dòng)器控件器。國(guó)內(nèi)汽車電磁制動(dòng)器的研究起步

24、遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后丁國(guó)外。近幾年國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開始致力丁這方面的研究，其中江蘇大學(xué)在這方面的研究較為突出。另外，有些汽車配件企業(yè)和一些中外合資企業(yè)涉及汽車電磁制動(dòng)器及其零部件的制造，但基本上都是采用國(guó)外的商業(yè)成品技術(shù)。 國(guó)內(nèi)關(guān)丁汽車電磁制動(dòng)器的專利申請(qǐng)保護(hù)內(nèi)容，基本上跟國(guó)外50年前的技術(shù)相 同，與目前國(guó)際同類技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。所以自20世紀(jì)90年代，尤其是加入WTO后，我國(guó)汽車工業(yè)才得以突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們生活水平隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展不斷得到提高，人均擁有汽車量大大增加，而城市用汽車的數(shù)量更是與日俱增，為此研究適用丁城市工況的汽車電磁制動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生。其次，汽車電磁制動(dòng)器的制動(dòng)力是電磁鐵的線圈通電后產(chǎn)生的，由

25、丁不再靠液壓油產(chǎn)生制動(dòng)力，因此不再適用液壓油，也節(jié)省了液壓制動(dòng)管路，取而代之的是線束，這一變革使得電磁制動(dòng)器更易丁與ABS等汽車上的電子裝置集成，且相對(duì)丁制動(dòng)主缸、液壓閥及制動(dòng)管路，線束的維修與更換都要簡(jiǎn)單得多。另外，由丁使用線束代替機(jī)械液壓制動(dòng)裝置及制動(dòng)管路，也減少了制動(dòng)時(shí)的非線性和制動(dòng)力矩相對(duì)丁制動(dòng)力的遲滯效應(yīng)，因此汽車電磁制動(dòng)器代替液壓制動(dòng)器將成為必然［1］。 (1) 1.3設(shè)計(jì)應(yīng)解決的難點(diǎn)電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；制動(dòng)器參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的放大與傳遞；電磁體的設(shè)計(jì)計(jì)算；電磁制動(dòng)器的仿真分析。 第2章制動(dòng)器主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1基本參數(shù)的確定 已知汽車

26、質(zhì)量：1100kg;車輪滾動(dòng)半徑：286mm。 根據(jù)GB\7258-2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中所規(guī)定的，乘用車制動(dòng)規(guī)范對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)性的要求，汽車在制動(dòng)過程中，制動(dòng)初速度為50km/h時(shí)，汽車制動(dòng)距離不得大丁22m。 2.2制動(dòng)距離的計(jì)算 分析制動(dòng)距離是，需要對(duì)制動(dòng)距離過程有一個(gè)全面的了解。圖2.1是駕駛員在接受緊急制動(dòng)信號(hào)后，制動(dòng)壓力、汽車制動(dòng)減速度與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線。 圖2.1汽車制動(dòng)過程 駕駛員接到緊急停車信號(hào)時(shí)，并沒有立即行動(dòng)，而要經(jīng)過％'后才意識(shí)到應(yīng)進(jìn)行緊急制動(dòng)，并移動(dòng)右腳，再經(jīng)過％后才踩著制動(dòng)踏板。從a點(diǎn)到b點(diǎn)所經(jīng)過的時(shí)間,"......、、......

27、— 叫=弓+弓稱為駕駛貝反映時(shí)|可。弓一般為0.3~1.0sZ|可。在b點(diǎn)以后，隨著駕駛員踩踏板的動(dòng)作，制動(dòng)壓力迅速增大，至d點(diǎn)到達(dá)最大值。不過由丁制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤之間存在間隙，所以要經(jīng)過&，即至c點(diǎn)，制動(dòng)力才起作用，使汽車開始產(chǎn)生減速 、,》..，一一一-■.>，-、."'"、度。由c點(diǎn)到e點(diǎn)是制動(dòng)命制動(dòng)力增長(zhǎng)過程所需的時(shí)間七。丁2=丁2+t2總稱為制動(dòng)器的作用時(shí)間。制動(dòng)器作用時(shí)間一方面取決丁駕駛員踩踏板的速度，另外更重要的是受制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的影響。弓一般為0.2~0.9s之間。由e到f為持續(xù)制動(dòng)時(shí)間礪,其減速度基本不變。到f點(diǎn)式駕駛員松開踏板，但制動(dòng)力的消除還需要一段時(shí)間曲。 從制

28、動(dòng)的全過程來看，總共包括駕駛員見到信號(hào)后作出行動(dòng)反映、制動(dòng)器起作用、持續(xù)制動(dòng)和放松制動(dòng)器四個(gè)階段。一般所指制動(dòng)距離是開始踩著制動(dòng)踏板到完全停車的距離。故總的制動(dòng)距離為： ''22Uo,、s=S'+——)uo+——(2.1)22a ''式中：&——制動(dòng)系統(tǒng)反網(wǎng)時(shí)間，取72=0.2s；T2制動(dòng)作用時(shí)間，取丁2=0.6s；Uo——制動(dòng)初速度，U0=50km/h=13.89m/s； a——制動(dòng)加速度，取路面附著系數(shù)為0.75，貝Ua=0.75^9.8=7.35m/s2。故總的制動(dòng)距離為,0.613.892s=(0.2+)W3.89+=20.07m<22m 227.35 因此設(shè)計(jì)滿足GB\72

29、58-2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中關(guān)丁制動(dòng)器制動(dòng)性能的規(guī)定。 從式中可以看出，決定汽車制動(dòng)距離的主要因素是：制動(dòng)器起作用的時(shí)間、最大制動(dòng)減速度、附著力以及起始制動(dòng)車速。附著力越大、起始制動(dòng)車速越低，制動(dòng)距離越短⑵。 2.3制動(dòng)力矩的計(jì)算 車輪滾動(dòng)周長(zhǎng)： 在制動(dòng)距離內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù): C=2R-： 制動(dòng)過程中車輪轉(zhuǎn)過總的角度?: :-=2N二 (2.2) (2.3) (2.4) 39 車子的總動(dòng)能為: (2.5) (2.6) 12E=—Mu0=0.5X1100X13.89X13.89=106112.66J2 制動(dòng)力分配系數(shù)： :巳F1FfF1

30、F2 式中：F1——前軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力；F2——后軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力Ff——汽車總制動(dòng)器制動(dòng)力。 通常，轎車的P值取0.56-0.66,取E=0.6每個(gè)前輪要分擔(dān)的動(dòng)能為： E1=旦><60%=31833.80J(2.7)2 每個(gè)后輪要分擔(dān)的動(dòng)能為： E2=旦?<40%=21222.53」(2.8)2 則每個(gè)前輪所需總制動(dòng)力矩為： 巨=^j^=487.39Nm(2.9) S 每個(gè)后輪所需總制動(dòng)力矩為： =巨=￡2^=324.93nm(2.10)S 后輪制動(dòng)器制動(dòng)負(fù)荷較小，所以電磁盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)以制動(dòng)負(fù)荷較大的前制動(dòng)器設(shè)計(jì)為例［3］。 2.4盤式制動(dòng)器的主要參數(shù)選

31、擇2.4.1制動(dòng)盤直徑D 制動(dòng)盤直徑D應(yīng)盡量取大些，這樣制動(dòng)盤的有效半徑增大，可以減小制動(dòng)鉗的火緊力，降低襯塊的單位壓力和工作溫度。制動(dòng)盤直徑受輪輻直徑的限制。通常，制動(dòng)盤的直徑為輪輻直徑的70%~79%。查閱輪胎規(guī)格，滾動(dòng)半徑為286mm的輪胎，輪物尺寸為14inch,1mm&0.03937inch,則輪物直徑為355.6mm,制動(dòng)盤直徑D=248.92~280.92mm,取D=280mm。 2.4.2制動(dòng)盤厚度h 制動(dòng)盤的厚度對(duì)制動(dòng)盤的質(zhì)量和溫升有影響。為使質(zhì)量小些，厚度不宜太大，為了減少溫升，厚度乂不宜過小。通常實(shí)心制動(dòng)盤厚度可取10mm~20mm；具有通風(fēng)孔道的制動(dòng)盤多采用20m

32、m~30mm。本設(shè)計(jì)選用厚度為22mm的具有通風(fēng)孔道的制動(dòng)盤。 2.4.3摩擦襯塊內(nèi)半徑R和外半徑R 制動(dòng)襯塊由摩擦塊和金屆背板構(gòu)成，兩者直接牢固地壓嵌或粘合在一起，輕型汽車摩擦塊厚度在7.5mm~16mm之間，取厚度為10mm襯塊的外半徑與內(nèi)半徑之比不大丁1.5。若比值偏大，摩擦襯塊外緣內(nèi)緣速度相差較大，磨損不均勻，接觸面積將減小，導(dǎo)致制動(dòng)力矩變化大。選取襯塊內(nèi)半徑R1=90mm,外半徑R2=1.5R=135mm,選取襯塊圓心角為80°⑷。 2.4.4摩擦襯塊工作面積AA=2r(R；—R12)=70.65cm2(2.11)9 在確定盤式制動(dòng)器制動(dòng)襯塊的工作面積時(shí)，根據(jù)制動(dòng)襯快單位面積

33、占有的汽車質(zhì) 量，推薦在1.6?3.5kg/cm2范圍內(nèi)選取。 (2.12) A1100X0.6X0.5X0.5“cl2A==70.65cm求得單位襯塊面積占有汽車質(zhì)量a=2.34kg/cm2,符合設(shè)計(jì)要求2.5制動(dòng)襯塊上壓緊力的計(jì)算 單側(cè)制動(dòng)襯塊作用丁制動(dòng)盤上的制動(dòng)力矩為： T233. -=—fq(R；—R；)^(2.13)23 壓緊力：F=A，q(2.14) 式中：q摩擦襯塊與制動(dòng)盤之間單位面積上的壓力;f——摩擦片摩擦系數(shù)，取f=0.35。 —2—2—23TF=Aq=匚二(R2-R2)3—9-334 4f(R；-R13)—二93(R；-R2)t 一8代-R3)f

34、=3053.82N 2.6液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 制動(dòng)器工作時(shí)，內(nèi)側(cè)制動(dòng)襯塊與外側(cè)制動(dòng)襯塊，同時(shí)壓靠在制動(dòng)盤兩側(cè)，使制動(dòng)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在電磁制動(dòng)器中，為了使經(jīng)增力機(jī)構(gòu)放大的電磁力，能夠順利地作用在制動(dòng)盤兩側(cè)，在設(shè)計(jì)中，選用液壓缶工，液壓缶工兩側(cè)油壓相等，在制動(dòng)過程中液壓缶工只起到傳力作用。汽車制動(dòng)時(shí)，在油壓的作用下，活塞推動(dòng)內(nèi)側(cè)制動(dòng)襯塊壓靠到制動(dòng)盤上，而反作用力則推動(dòng)制動(dòng)鉗體連同固定與其上的外側(cè)制動(dòng)襯塊壓想制動(dòng)盤的另一側(cè)，直到制動(dòng)盤兩側(cè)的制動(dòng)襯塊受力均等為止。 液壓缸的工作容積： 123V=—ndI=256.46mm(2.15)4 式中：I——制動(dòng)間隙；d——制動(dòng)鉗體中活塞的直徑，取

35、d=33mm。 液壓缸直徑應(yīng)在GB7524—87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸中選取，選取液壓缸直徑為16mm則液壓缶工活塞行程： 八4VS=——=1.3mm 二d2 2.7本章小結(jié) 本章確定了制動(dòng)器的基本參數(shù)，首先選取制動(dòng)力分配系數(shù)，然后進(jìn)一步確定制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，確定了盤式制動(dòng)器主要參數(shù)包括制動(dòng)盤直徑、制動(dòng)盤厚度、摩擦襯塊內(nèi)半徑外半徑、摩擦塊工作面積，制動(dòng)間隙。 第3章制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制動(dòng)盤一般用珠光體灰鑄鐵制成，或用添加Cr,Ni等的合金鑄鐵制成。其結(jié)構(gòu)形狀有平板形（用丁全盤式制動(dòng)器）和禮帽形（用丁鉗盤式制動(dòng)器）兩種。禮帽形制動(dòng)盤的圓柱部分長(zhǎng)度取決丁布置

36、尺寸。 制動(dòng)盤在工作時(shí)不僅承受著制動(dòng)襯塊作用的法向力和切向力，而且承受著熱載荷。為了改善冷卻效果，鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤有的鑄成中間有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，這樣可大大地增加散熱面積，降低溫升約20%~30%,但盤的整體厚度較厚。國(guó)產(chǎn)引進(jìn)車型一奧迪、桑塔納2000、富康（AL,GL型）轎車和切諾基吉普車均采用帶有通風(fēng)槽的制動(dòng)盤，其厚度在20mm~22.5mm之間。而一般不帶通風(fēng)槽的轎車制動(dòng)盤，其厚度約在10mm~13mm之間。 制動(dòng)盤的工作表面應(yīng)光潔平■整，制造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制表面的跳動(dòng)量、兩側(cè)表面的平行度（厚度差）及制動(dòng)盤的不平■衡量。有的文獻(xiàn)認(rèn)為：制動(dòng)盤兩側(cè)表面不平■行度不應(yīng)大丁0.008mm;

37、盤的表面擺差不應(yīng)大與0.1mm;制動(dòng)盤表面粗糙度不應(yīng)大丁0.06mm。 在本設(shè)計(jì)中采用帶有通風(fēng)槽的禮帽形制動(dòng)盤。 3.2制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按照制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)形式，可分為固定鉗式和浮動(dòng)鉗式兩種。 固定式制動(dòng)鉗體固定在轉(zhuǎn)向節(jié)或橋殼上，在制動(dòng)鉗體上有兩個(gè)液壓油缸，其中各裝有一個(gè)活塞。當(dāng)壓力油液進(jìn)入兩個(gè)油缸活塞外腔時(shí)，推動(dòng)兩個(gè)活塞向內(nèi)將位丁制動(dòng)盤兩側(cè)的制動(dòng)塊總成壓緊到制動(dòng)盤上，從而將車輪制動(dòng)。當(dāng)放松制動(dòng)踏板時(shí)，回位彈簧將兩側(cè)制動(dòng)襯塊總成及活塞推離制動(dòng)盤。 浮動(dòng)鉗式的制動(dòng)鉗體是浮動(dòng)的。其浮動(dòng)方式有兩種，一種是制動(dòng)鉗體可作平行滑動(dòng)，另一種的制動(dòng)鉗體可繞一支撐銷擺動(dòng)。故有滑動(dòng)鉗式與擺動(dòng)鉗式之分。但它

38、們的制動(dòng)油缸都是單側(cè)的，且與油缸同側(cè)的制動(dòng)襯塊總成為活動(dòng)的，而另一側(cè)的制動(dòng)襯塊總成則固定在鉗體上。制動(dòng)時(shí)在油液壓力作用下，活塞推動(dòng)該側(cè)活動(dòng)的制動(dòng)襯塊總成壓靠到制動(dòng)盤，而反作用力則推動(dòng)制動(dòng)鉗體連同固定丁其上的制動(dòng)襯塊總成壓向制動(dòng)盤的另一側(cè)，直到兩側(cè)的制動(dòng)襯塊總成的受力均等為止。對(duì)擺動(dòng)式制動(dòng)鉗來說，鉗體不是滑動(dòng)而是在與制動(dòng)盤垂直的平■面內(nèi)擺動(dòng)。這就要求制動(dòng)摩擦襯塊為楔形的，摩擦表面對(duì)其背面的傾斜率為60左右。 制動(dòng)鉗由可鍛鑄鐵KTH370-12或球墨鑄鐵QT400-18制造，也有用輕合金制造的，例如用鋁合金壓鑄。可做成整體的，也可以做成兩半并由螺栓連接。其外緣留有開口，以便不必拆下制動(dòng)鉗便可檢查

39、或更換制動(dòng)襯塊。制動(dòng)鉗體應(yīng)有高的強(qiáng)度和剛度。一般多在鉗體中加工出制動(dòng)油缸，也有將單獨(dú)制造的油缸裝嵌入鉗體中的。鉗盤式制動(dòng)器油缸直徑比鼓式制動(dòng)器中的輪缸大得多,日本轎車鉗盤式制動(dòng)器油缸的直徑最大可達(dá)68.1mm（單缸）或45.4mm（雙位），客車和貨車可達(dá)82.5mm（單缸）或79.4mm（雙缸）。為了減少傳給制動(dòng)液的熱量，多將杯形活塞的開口端頂靠制動(dòng)襯塊的背板。有的將活塞開口端部切成階梯狀，形成兩個(gè)相對(duì)且在同一平■面內(nèi)的小半圓環(huán)形端面。活塞由鑄鋁合金制造或由鋼制造。為了提高其耐磨損性能，活塞的工作表面進(jìn)行鍍銘處理。當(dāng)制動(dòng)鉗體由鋁合金制造時(shí)，減少傳動(dòng)給制動(dòng)液的熱量則成為必須解決的問題。為此，應(yīng)減

40、小活塞與制動(dòng)襯塊背板的接觸面積，有時(shí)，也可采用非金屆活塞。 制動(dòng)鉗在汽車上的安裝位置可在車軸的恰恰前方或后方。制動(dòng)鉗位丁車方軸前可避免輪胎甩出來的泥、水進(jìn)入制動(dòng)鉗，位丁車軸后方則可減小制動(dòng)時(shí)輪轂軸承的合成載荷。在設(shè)計(jì)中采用整體的單缸浮動(dòng)式制動(dòng)鉗。 3.3制動(dòng)襯塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制動(dòng)襯塊由背板和摩擦襯塊構(gòu)成，兩者直接牢固地壓嵌或釧接或粘接在一起。襯塊多為扇形，也有舉行、正方形或長(zhǎng)圓形的?；钊麘?yīng)能壓住盡量多的制動(dòng)襯塊面積，以免襯塊發(fā)生卷角而一起尖叫聲。制動(dòng)塊背板由鋼板制成。為了避免制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量傳給制動(dòng)鉗而引起制動(dòng)液氣化和減小制動(dòng)噪聲，可在摩擦襯塊與背板之間或在背板后粘（或噴涂）一層隔熱減振墊

41、（膠）。由丁單位壓力大和工作溫度高等原因，摩擦襯塊的磨損較快，因此其厚度較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本轎車和輕型汽車摩擦襯塊的厚度在7.5mm~16mm之間，中、重型汽車的摩擦襯塊的厚度在14mm~22mm之間。一些盤式制動(dòng)器裝有摩擦襯塊磨損達(dá)到極限時(shí)的報(bào)警裝置，以便能及時(shí)更換制動(dòng)襯塊。設(shè)計(jì)中的制動(dòng)襯塊厚度為15mm,背板與摩擦襯片粘接在一起。 3.4摩擦材料的選擇 制動(dòng)摩擦材料應(yīng)具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，抗熱衰退性能要好，不應(yīng)在溫升到某一數(shù)值后摩擦系數(shù)突然急劇下降，材料應(yīng)有好的耐磨性，低的吸水（油、制動(dòng)液）率，低的壓縮率、低的熱傳導(dǎo)率（要求制動(dòng)襯塊在3000C的加熱板上作用30min后，背板的溫度不超

42、過1900C）和低的熱膨脹率，高的抗壓、抗拉、抗剪切、抗彎曲性能和耐沖擊性能；制動(dòng)時(shí)應(yīng)不產(chǎn)生噪聲、不產(chǎn)生不良?xì)馕?，?yīng)盡量采用污染小和對(duì)人體無害的摩擦材料。 當(dāng)前，在制動(dòng)器中廣泛采用這模壓材料，它是以石棉纖維為主并與樹脂粘結(jié)劑、調(diào)整摩擦性能的填充劑（由無機(jī)粉粒及橡膠、聚合樹脂等配成）與噪聲消除劑（主要成分為石墨）等混合后，在高溫下模壓成型的。模壓材料的撓性較差，故應(yīng)按襯片或襯塊規(guī)格模壓，其優(yōu)點(diǎn)是可以選用各種不同的聚合樹脂配料，使襯片或襯塊具有不同的摩擦性能及其它性能。 另一種為編織材料，它是用長(zhǎng)纖維石棉與銅絲或鋅絲的合絲編織的布，浸以樹脂結(jié)合劑經(jīng)干燥后輾壓制成。其撓性好，剪切后可以直接釧到任

43、何半徑的制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶上。在1000C~1200C溫度下，它具有較高的摩擦系數(shù)（f芝0.4）,沖擊強(qiáng)度比模壓材料高4~5倍。但其耐熱性差，在2000C~2500C以上即不能承受較高的單位壓力，磨損加快。因此，這種材料僅適用丁中型以下的汽車的鼓式制動(dòng)器，尤其是帶式中央制動(dòng)器。 無石棉摩擦材料是以多種金屆、有機(jī)、無機(jī)材料的纖維或粉末代替石棉作為增強(qiáng)材料，其他成分和制造方法與石棉模壓摩擦材料大致相同。若金屆纖維（多為鋼纖維）和粉末的含量在40%以上，則稱為半金屆摩擦材料，這種材料在美、歐各國(guó)廣泛用丁轎車的盤式制動(dòng)器上，已成為制動(dòng)摩擦材料的主流。 粉末冶金摩擦材料是以銅粉或鐵粉為主要成分（占總質(zhì)量

44、的60%~80%）,摻上石墨粉、陶瓷粉等非金屆粉末作為摩擦系數(shù)調(diào)整劑，用粉末冶金方法制成。其抗熱衰退和抗水衰退性能好，但造價(jià)高，適用丁高性能轎車和行駛條件惡劣的貨車等制動(dòng)器負(fù)荷重的汽車。 各種摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值約為0.3~0.5,少數(shù)可達(dá)0.7.設(shè)計(jì)計(jì)算制動(dòng)器時(shí)一般取f=0.3?0.35。選用摩擦材料時(shí)應(yīng)考慮到：通常，摩擦系數(shù)愈高的材料其耐磨性愈差。設(shè)計(jì)中選擇摩擦材料為無石棉摩擦材料，取f=0.3。 3.5盤式制動(dòng)器工作間隙的調(diào)整 制動(dòng)盤與摩擦襯塊之間在未制動(dòng)的狀態(tài)下應(yīng)有一定的工作間隙，以保證制動(dòng)盤能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。此間隙的存在會(huì)導(dǎo)致踏板或手柄的行程損失，因而間隙量應(yīng)盡量小。鉗盤式制動(dòng)器

45、不僅制動(dòng)間隙?。▎蝹?cè)0.05mm~0.15mm）,而且制動(dòng)盤受熱膨脹后對(duì)軸向問隙幾乎沒有影響，所以一般都采用一次調(diào)準(zhǔn)式間隙自調(diào)裝置。最簡(jiǎn)單且常用的結(jié)構(gòu)是在缸體和活塞之間裝一個(gè)兼起復(fù)位和間隙自調(diào)作用的帶有斜角的橡膠密封圈，制動(dòng)時(shí)密封圈的刃邊是在活塞給予的摩擦力的作用下產(chǎn)生彈性變形，與極限摩擦力對(duì)應(yīng)的密封圈變形量即等丁設(shè)定的制動(dòng)間隙。當(dāng)摩擦襯塊磨損而導(dǎo)致所需的活塞行程增大時(shí)，在密封圈達(dá)到極限變形之后，活塞與密封圈之間這一不可恢復(fù)的相對(duì)位移便補(bǔ)償了這一過量間隙。解除制動(dòng)后活塞在彈力作用下退回，直到密封圈的變形完全消失為止，這時(shí)摩擦襯塊與制動(dòng)盤之間重新恢復(fù)到設(shè)定間隙。 重型車輛的多片全盤式制動(dòng)器也有

46、采用這種自調(diào)方式的，只是必須增加密封圈數(shù),以保證足以保持活塞在不制動(dòng)位置時(shí)的摩擦力。如果盤式制動(dòng)器的設(shè)定間隙較大，使用密封圈的方法便不可靠，應(yīng)采用專門的間隙調(diào)整裝置。 考慮到以后摩擦襯塊的磨損，系統(tǒng)間隙，再加上摩擦襯塊的壓縮變形，為使電磁鐵銜鐵的行程有一定的余地，設(shè)計(jì)中取最大值0.15mm,則兩片摩擦塊總行程為0.3mm[5][6]。 3.6本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了電磁盤式制動(dòng)器各零件的類型、結(jié)構(gòu)及制造材料。確定了制動(dòng)器的工作間隙。對(duì)制動(dòng)器的構(gòu)造及設(shè)計(jì)有了活晰的認(rèn)識(shí)。為電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。 第4章增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 對(duì)依靠電磁力制動(dòng)的制動(dòng)器而

47、言，最簡(jiǎn)單的做法就是用電磁鐵去直接推動(dòng)摩擦襯塊，從而達(dá)到制動(dòng)的目的，但是計(jì)算的結(jié)果表明制動(dòng)過程中需要大的電磁力來推動(dòng)摩擦襯塊。電磁鐵產(chǎn)生的電磁力大小與其尺寸正相關(guān)，這樣會(huì)使設(shè)計(jì)出的電磁鐵尺寸過大，可能導(dǎo)致無法安裝使用，而且增加材耗，自身質(zhì)量過大，導(dǎo)線耗電功率增大。所以，為盡量減小其尺寸要采取使用增力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的措施。常見的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)是由剛性連桿或桿件通過剛性運(yùn)動(dòng)副相互連接而成的機(jī)械傳動(dòng)裝置；凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件或從動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架等組成，凸輪通過直接接觸將預(yù)定的運(yùn)動(dòng)傳給從動(dòng)件。在很多情況下，凸輪機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)也可以由連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)，采用連桿力傳

48、動(dòng)機(jī)構(gòu)。如表4.1⑺[8][9]。 表4.1凸輪機(jī)構(gòu)與連桿機(jī)構(gòu)的比較 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 能實(shí)現(xiàn)所要求的大量輸入、輸出運(yùn)動(dòng) 只能實(shí)現(xiàn)要求的有限輸入、輸出運(yùn)動(dòng) 設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單 設(shè)計(jì)相對(duì)困難 體積小、結(jié)構(gòu)緊湊 占據(jù)的空間較大 凸輪廓線的制造精度對(duì)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影 響較大 輕微的制造誤差對(duì)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響 很小 制造費(fèi)用較昂貴 制造費(fèi)用較便宜 易于達(dá)到動(dòng)平衡 動(dòng)平衡的分析困難而復(fù)雜 易發(fā)生表面磨損 皎鏈的磨損較輕 圖4.1皎桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 本文設(shè)計(jì)使用的是一種皎桿增力機(jī)構(gòu)。如圖4.1所示。 它的主體部分是一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄的一端與機(jī)架皎接，另一端連接連

49、桿。Fi為施加的源動(dòng)力，作用在曲柄和連桿的皎接點(diǎn)上；F2為增力機(jī)構(gòu)的輸出力。 4.2增力機(jī)構(gòu)的白由度分析 任一作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件具有三個(gè)自由度，當(dāng)與另一構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就受到了約束，相應(yīng)地自由度也隨之減少。在平■面運(yùn)動(dòng)鏈中，每個(gè)低副將引入兩個(gè)約束而減少兩個(gè)自由度，每個(gè)高副則引入一個(gè)約束而失去一個(gè)自由度。若機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為N，低副數(shù)目為Pl,高副數(shù)目為Ph,則機(jī)構(gòu)的自由度為： F=3N—2Pl—Ph(4.1)圖4.2增力機(jī)構(gòu)方案一 Ph=0,則機(jī)構(gòu)的自由 在方案一中，構(gòu)件數(shù)N=4，由丁全部為低副，則Pl=6,度: F=3X4-2X6=0 由丁自由度為

50、零，方案一中的機(jī)構(gòu)將不能自由運(yùn)動(dòng)。 圖4.3增力機(jī)構(gòu)方案二 W///A 在方案二中，在施力點(diǎn)和銜鐵之間添加一個(gè)連桿，則構(gòu)件數(shù)N=5,Pl=7,Ph=0,則機(jī)構(gòu)的自由度： F=3X5-2X7=1 說明此時(shí)該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律唯一，即方案二可行，設(shè)計(jì)正確合理。 4.3受力分析計(jì)算 圖4.4增力機(jī)構(gòu)受力分析圖 增力機(jī)構(gòu)受力分析如圖4.4所示， 圖中：Fl——電磁鐵電磁力；F2連桿Li的支反力；F3——連桿L2的支反力，由丁兩皎桿等臂對(duì)稱，可得：F2=F3;?——連桿Li和連桿L2分別與水平■方向的火角；F4——二力桿上F2的平衡力；F41——力F4在Y軸方向上的分力；F42——力

51、F4在X軸方向上的分力。 對(duì)三桿皎接點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，作用在此點(diǎn)的力有三個(gè)：Fi,F2,F3。列出此點(diǎn)的力平■衡方程，在X軸方向上： -F2cos?+F3co町=0(4.2) 在Y軸方向上: F2sin：F3sin：—Fi=0 (4.3) 由F2=F3,可得: F2 2sin二 Fi (4.4) Fi F42=cos工F2 2tan: (4.5) 則增力機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)為: F421 12tan: (4.6) 由式(4.6)可見，在一定程度上增力機(jī)構(gòu)的增力比與角度成線性關(guān)系4.4增力機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸的確定 由前面的計(jì)算可知，增力比在小范圍內(nèi)與角

52、度成線性關(guān)系。為了既獲得較大的增力比，乂使滑塊達(dá)到要求的最大位移,取a=100,貝Ui=2.84。經(jīng)試算和核算，確定構(gòu)件與尺寸。 最大滑塊行程： S=2a—2acosa(4.7) 最大銜鐵行程： h=Jb2-(a-acosa)2+asin"-b(4.8) 式中：a——長(zhǎng)臂連桿長(zhǎng)度；b——短臂連桿長(zhǎng)度。 其中，(b2-(a-acosa)2—b的值很小，可忽略不計(jì)，則最大銜鐵行程： h=asina(4.9) 選取a=50mm,b=35mm,火角a從10o減小到0°相應(yīng)銜鐵的行程空間為8.67mm,滑塊最大行程為1.52mm。當(dāng)滑塊達(dá)到工作位移1.3mm時(shí)，此時(shí)，火角口=3.8o,銜

53、鐵下降距離為5.36mm。此時(shí)，銜鐵距鐵芯的距離為8.67-5.36=3.31mm,為了消除銜鐵在制動(dòng)末與磁扼的撞擊，取3.4mm,可以保證銜鐵最終與磁扼不會(huì)接觸。則分別按初始和制動(dòng)末的增力比，所需電磁力如表4.2所小。 表4.2制動(dòng)前后的增力比與電磁力 增力比 所需電磁力（N） 平均電磁力（N） 制動(dòng)初始 2.84 1075.29 740.42 制動(dòng)末 7.53 405.55 4.5增力機(jī)構(gòu)的Ansys分析 有限元分析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為計(jì)算機(jī)輔助分析CAE的核心。用CAE方法可以減少或避免物理測(cè)試過程，通過計(jì)算機(jī)模擬最惡劣載荷和工況下零件或結(jié)構(gòu)的工作情況，準(zhǔn)確地計(jì)

54、算其應(yīng)力應(yīng)變，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)ζ鋽?shù)學(xué)模型的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的問題，從而大大縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。 采用有限元分析技術(shù)及其優(yōu)化技術(shù)，能夠改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使其在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下具有最合理的結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用丁新產(chǎn)品開發(fā)和老產(chǎn)品改造方面，能夠提供對(duì)其強(qiáng)度、應(yīng)力分布狀況的分析，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行形狀和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)上提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。 Ansys是一個(gè)應(yīng)用廣泛的通用的有限元工程分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，包括簡(jiǎn)單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析?？捎脕砬蠼Y(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊

55、，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。下面對(duì)增力機(jī)構(gòu)的主要件進(jìn)行分析[10]。 4.5.1長(zhǎng)臂連桿的靜力分析 結(jié)構(gòu)靜力分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定比變的載荷作用下的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化的載荷時(shí)的情況。但是，靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響如重力和離心力，以及那些可以近似為等價(jià)靜力的隨時(shí)間變化載荷。當(dāng)慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響并不明顯時(shí)靜力分析尤其適用。對(duì)長(zhǎng)臂連桿進(jìn)行靜力分析，步驟如下： 1）建模。桿件厚度為6mm,兩端孔半徑4mm,夕卜圓半徑為8mm,兩圓孔的中心距為50mm。如圖4.5所示。

56、2）定義單元類型。 在結(jié)構(gòu)分析中，常用的三維實(shí)體單元有SOLID45,SOLID73,SOLID95,SOLID185等。在此分析中采用Brick10nodel87單元。 3）定義材料屆性。指定鋼材的彈性模量為210E3,泊松比取0.28。 4）劃分網(wǎng)格。采用SmartSize中的Level6來智能劃分。得到圖4.6。 5）定義約束和施加載荷。因?yàn)槭芰蟮倪B桿為二力桿件，所承受的是3014.76N的拉力。故將與支座孔皎接的受壓力側(cè)孔面完全（AllDOF）約束，將載荷40N/mn?施加在短臂連桿另一圓孔的孔面上。 圖4.5長(zhǎng)臂連桿建模 6）求解后，可得構(gòu)件變形圖，構(gòu)件等效應(yīng)力圖，

57、由圖可知短臂連桿最大形變?yōu)? 0.005292mm,構(gòu)件上最大應(yīng)力值為106.263MPa,小丁材料許用應(yīng)力113MPa,由此可見桿件滿足力學(xué)要求。如圖4.7、圖4.8所示。 圖4.6長(zhǎng)臂連桿網(wǎng)格劃分 圖4.7長(zhǎng)臂連桿變形圖 圖4.8長(zhǎng)臂連桿等效應(yīng)力圖4.5.2短臂連桿的靜力分析 對(duì)短臂連桿進(jìn)行靜力分析，步驟如下： 1）建模。桿件厚度為6mm,兩端孔半徑4mm,夕卜圓半徑為8mm,兩圓孔的中心距為35mm。如圖4.9所示。 2）定義單元類型。在此分析中采用Brick10nodel87單元。 3）定義材料屆性。指定鋼材的彈性模量為210E3,泊松比取0.28。 4）劃

58、分網(wǎng)格。采用SmartSize中的Level6來智能劃分。得到圖4.10。 5）定義約束和施加載荷。短臂連桿所承受的是740.42N的拉力。故將與支座孔皎接的受壓力側(cè)孔面完全（AllDOF）約束，將載荷9.83N/mm2施加在短臂連桿另一圓孔的孔面上。 圖4.9短臂連桿建模 6）求解后，可得構(gòu)件變形圖，構(gòu)件等效應(yīng)力圖，由圖可知短臂連桿最大形變?yōu)? 0.001455mm。相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖所示，可知其最大應(yīng)力為24.283MPa,小丁材料的許用應(yīng)力113MPa,由此可見桿件滿足力學(xué)要求。如圖4.11、圖4.12所示。 圖4.11短臂連桿變形圖 圖4.12短臂連桿等效應(yīng)力

59、圖 4.5.3增力機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析 模態(tài)分析是用來確定機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，這些振動(dòng)特性包括：固有頻率、振型、振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)）等。模態(tài)分析是所有動(dòng)態(tài)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容?，F(xiàn)對(duì)增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，步驟如下： 1）建立模型，如圖4.13所示； 圖4.13增力機(jī)構(gòu)建模 2）定義單元類型。在此分析中2個(gè)長(zhǎng)臂連桿及短臂連桿均采用Brick8nodel87單元，轉(zhuǎn)動(dòng)銷及螺母采用Brick10node92單元。 3）定義材料屆性。指定轉(zhuǎn)動(dòng)銷及螺母的彈性模量為2E11,泊松比取0.3,,材料密度為785貝他零件的彈性模量為2.1E11,泊松比為0.

60、28,材料密度為7800。 4）網(wǎng)格劃分。采用SmartSiz"的Level6來智能劃分各個(gè)零件。如圖3.14。 圖4.14增力機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分 4）進(jìn)行模態(tài)分析的求解設(shè)置。在求解類型對(duì)話框中選擇模態(tài)分析Modal選項(xiàng)。設(shè)置 提取模態(tài)階數(shù)為6,擴(kuò)展模態(tài)階數(shù)為6 5) 施加約束。在長(zhǎng)臂連桿的孔面上施加全約束(ALLDOF);在另一長(zhǎng)臂連桿空面上施加約束UZ、UY;在短臂連桿的孔面上施加約束UX、UZ。 6) 進(jìn)行求解。求解所得增力機(jī)構(gòu)頻率如表4.3所示。增利機(jī)構(gòu)各階的振型圖，如圖4.15~圖4.20所示。 表4.3模態(tài)分析求解結(jié)果 頻率次序 1 2 3 4 5 6

61、 頻率(HZ) 2.3058 2.8506 6.3016 6.9508 10.122 11.525 圖4.15第一階振型圖 圖4.16第二階振型圖 DISPUSEHEHTSTE?-1-3OMX7皿-g ANJUNIS利14￡0:05:12 ytzh'jshui 圖4.17第三階振型圖 圖4.18第四階振型圖 mgpuicEHEznSTEI-LSUS-sE^EQ-lDriai□MX-.156E-E3 圖4.19第五階振型圖 97EP-1SUB—6FR1Q-1L.525□MX：-..211E-C3 圖4.20第六階振型圖 DISPLkCENENT A

62、NJimis2011 從表中可知，在制動(dòng)過程中增力機(jī)構(gòu)的6階固有頻率。做模態(tài)分析的目的在丁運(yùn)用制動(dòng)器時(shí)避開汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)頻率，以免發(fā)生共振，產(chǎn)生共振載荷，造成零件損壞。以確保制動(dòng)器在安全可靠的環(huán)境下工作。 4.6本章小結(jié) 本章對(duì)電磁制動(dòng)器的增力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算，選取了皎桿機(jī)構(gòu)作為增力機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析，確定了增力機(jī)構(gòu)的組成，分析了增力機(jī)構(gòu)的工作過程，確定了電磁制動(dòng)器工作所需的電磁力的大小。并對(duì)設(shè)計(jì)的增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行Ansys分析，確定了機(jī)構(gòu)的可靠性。 第5章電磁體的設(shè)計(jì)計(jì)算 電磁鐵是一種通電以后對(duì)鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，吧電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電器。它的應(yīng)用范圍極廣，許多自動(dòng)化電器

63、和自控、遙控中操縱各種氣閥、油閥的電磁閥，都是以電磁機(jī)構(gòu)為主體構(gòu)成的；在一般工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，如起重吊車上的制動(dòng)電磁鐵、起重各種鋼鐵的起重電磁鐵、電力傳動(dòng)中的電磁離合器等，都是電磁鐵醫(yī)用的例子。利用電磁吸力可以代替笨重的體力勞動(dòng)，使勞動(dòng)強(qiáng)度減輕、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提高，因此在技術(shù)革新中也常常用到電磁鐵。 設(shè)計(jì)要求：該電磁鐵為直流電磁鐵，能產(chǎn)生740.42N的吸力，工作電壓12V。選擇設(shè)計(jì)的電磁鐵為U型直流電磁鐵。為使電磁鐵能快速響應(yīng)，磁性材料應(yīng)有較好的低場(chǎng)磁性能。為降低電磁鐵中渦流的影響，應(yīng)采用電阻率大的磁性材料綜合考慮，選用灰鑄鐵作為電磁鐵磁性材料。 在電磁鐵的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，作如下假設(shè)：

64、1）磁通在鐵芯上是均勻分布的； 2）漏磁通是從鐵芯表面垂直漏出； 3）電磁鐵行程足夠短，計(jì)算空氣隙磁導(dǎo)時(shí)忽略其邊緣擴(kuò)散漏磁通； 4）磁路是線性的，即有如圖5.1磁化曲線。[11][12] B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，H-磁場(chǎng)強(qiáng)度圖5.1磁化曲線 5.1磁通勢(shì)的計(jì)算 初步計(jì)算可利用式(4.1)、(4.2)計(jì)算磁通勢(shì)[13]: IW=(1.1?1.2)IW(5.1)W=H」..=『(5.2) 式中：I——?jiǎng)?lì)磁電流；W線圈匝數(shù)；W——?dú)庀断陌苍眩籅&——等效氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；幅一一氣隙長(zhǎng)度。 已一一真空磁導(dǎo)率，七=4兀X10'7H/m 在本文的設(shè)計(jì)計(jì)算中，選取IW=1.1IW、. 對(duì)B&其

65、合理選擇非常重要。取得太小，則鐵芯和線圈的尺寸都會(huì)過大，很不經(jīng)濟(jì)；反之，若取得過大，則鐵芯將趨丁飽和，致使磁壓降和所需磁勢(shì)都要增大，從而增大了線圈得尺寸和線圈的能量損耗，同樣不經(jīng)濟(jì)。通常鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是取其所用磁性材料的磁化曲線膝點(diǎn)附近的數(shù)值。在打開位置，由丁存在漏磁，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度總是比鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度小，所選的B&必須小丁上述膝點(diǎn)附近的值。在初算中，對(duì)丁短行程電磁鐵B、..值可取6000?8000GS,對(duì)丁短時(shí)工作制或反復(fù)工作制的電磁鐵，B可以取大一些，以提高材料利用率。取B&=10000GS=1T。電磁鐵的銜鐵在運(yùn)動(dòng)末與磁鐵極面間的空氣隙由前計(jì)算取3.4mm。則磁路中總的空氣氣隙為

66、6.8mm。 IW.=0.8BI.=5414.01A IW=1.15414.01=5955.41A 5.2鐵芯截面積的計(jì)算 根據(jù)電磁鐵吸力計(jì)算公式： F-B2S&(5.3)8-' 可得，鐵芯截面積8二F2S.=7=0.00186m2 'B2107 鐵芯截面積可根據(jù)圓的面積公式求得： _12/_,、2X4心=S&(5.4) 鐵芯直徑d二0.034m5.3電磁鐵長(zhǎng)度的計(jì)算 電磁鐵的長(zhǎng)度可根據(jù)基爾霍夫第二定律求得IW=HI+H0I§(5.5) 式中：H電磁材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；H0空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；I——電磁鐵長(zhǎng)度；言——空氣隙長(zhǎng)度。 查閱灰鑄鐵材料性質(zhì)得，當(dāng)B=1T時(shí)，灰鑄鐵磁導(dǎo)率為4.2x10WH/m。 B3 H=—=2.38X10A/m(5.6)B5H°=——=7.96X10A/m(5.7)00 式中：匕一一空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，％=4兀X10-7A/m 求得I=0.22m5.4銜鐵厚度的確定 通過電磁鐵鐵芯與銜鐵的磁通量不變，則銜鐵厚度： Sh=°=0.001m=1cm(5.8)2d二5.5確定線圈截面積Sq及線圈槽寬 由丁導(dǎo)線在繞制線圈時(shí)導(dǎo)線與導(dǎo)線