電磁制動(dòng)器的原理與設(shè)計(jì).doc

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 1.1 課題研究的背景及意義 制動(dòng)器是保障汽車安全運(yùn)行、取得預(yù)期運(yùn)行效益的最基本的使用性能，因此汽車制造廠、使用者、汽車維修和管理人員都很重視車輛的制動(dòng)性。隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和汽車行駛速度的提高，這種重要性日漸突出，眾多的汽車工程師在改進(jìn)汽車制動(dòng)性能的研究中傾注了大量的心血。目前關(guān)于汽車制動(dòng)的研究主要集中在制動(dòng)控制方面，包括制動(dòng)控制的理論和方法以及采用新的技術(shù)。 最原始的制動(dòng)控制只是駕駛員操縱一組簡單的機(jī)械裝置向制動(dòng)器施加作用力，那時(shí)的車輛質(zhì)量比較小，速度比較低，機(jī)械制動(dòng)雖已滿足車輛制動(dòng)的需要，但隨著汽車自身質(zhì)量的增加，助力裝置對(duì)機(jī)械制動(dòng)器來說已顯得十分必要。這時(shí)，開始出現(xiàn)真空助力裝置。1932年生產(chǎn)的質(zhì)量生產(chǎn)的質(zhì)量為2860kg的凱迪拉克V16車四輪采用直徑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。林肯公司也于1932年推出V12轎車，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)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展，車輛制動(dòng)有了新的突破，液壓制動(dòng)（圖1.1）是繼機(jī)械制動(dòng)后的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了轎車液壓制動(dòng)器，克萊斯勒的四輪液壓制動(dòng)器于1924年問世，通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動(dòng)技術(shù)。到20世紀(jì)50年代，液壓助力制動(dòng)器才成為現(xiàn)實(shí)。 1.前輪制動(dòng)器 2.制動(dòng)輪缸 3、6、8.油管 4.制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu) 5.制動(dòng)主缸 7.后輪制動(dòng)器 圖1.1 在液壓鼓式制動(dòng)器出現(xiàn)的若干年后，人們又發(fā)明了液壓鉗盤式制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器又稱為碟式制動(dòng)器，顧名思義，是取其形狀而得名。由液壓控制，主要零部件有制動(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)盤的兩側(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)域最顯著的成就就是防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS)的實(shí)用和推廣。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。防抱裝置一般包括三部分：傳感器、控制器（電子計(jì)算機(jī)）與壓力調(diào)節(jié)器。傳感器接受運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如車輪角速度、角加速度、車速等傳送給控制裝置，控制裝置進(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。 1.2 制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 目前液壓操縱仍然是最可靠、經(jīng)濟(jì)的方法，即使增加了防抱制動(dòng)（ABS)功能后，傳統(tǒng)的油液制動(dòng)系統(tǒng)仍然占有優(yōu)勢地位。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)只做一樣事情，即均勻分配油液壓力。當(dāng)制動(dòng)踏板踏下時(shí)，主缸就將等量的油液送到通往每個(gè)制動(dòng)器的管路，并通過一個(gè)比例閥使前后制動(dòng)力平衡。而ABS或其他一種制動(dòng)干預(yù)系統(tǒng)則按照每個(gè)制動(dòng)器的需要對(duì)油液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展至今已是非常成熟的技術(shù)，隨著人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定性控制程序（ESP)、主動(dòng)避撞技術(shù)（ACC）等功能逐漸融入到制動(dòng)系統(tǒng)中，越來越多的附加機(jī)構(gòu)安裝于制動(dòng)線路上，這使得制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了液壓回路泄露的隱患以及裝配、維修的難度。因此，一種結(jié)構(gòu)更簡捷，功能更可靠的制動(dòng)系統(tǒng)呼之欲出。 隨著電子，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。線控制動(dòng)系統(tǒng)失一個(gè)全新的系統(tǒng)，給制動(dòng)系統(tǒng)帶來巨大的變革，為將來的車輛智能控制提供條件。隨著汽車電子化的發(fā)展，現(xiàn)代汽車制動(dòng)控制技術(shù)正朝著電制動(dòng)方向發(fā)展。電制動(dòng)系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)系統(tǒng)。但這種混合制動(dòng)系統(tǒng)也只是全電制動(dòng)系統(tǒng)的過渡方案，由于兩套制動(dòng)系統(tǒng)共存，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高。而線控制動(dòng)因其巨大的優(yōu)越性，必將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)。 其主要包含以下部分： (1)電制動(dòng)器—其結(jié)構(gòu)和液壓制動(dòng)器基本類似，有盤式和鼓式兩種； (2)電制動(dòng)控制單元（ECU)—接收制動(dòng)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； (3)輪速傳感器—準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地獲得車輪的速度； (4)線束—給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號(hào)； (5)電源—為整個(gè)電制動(dòng)系統(tǒng)提供能源，可與其他系統(tǒng)共用。 從結(jié)構(gòu)上可以看出這種電路制動(dòng)系統(tǒng)具有其他傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)： (1)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)油箱、制動(dòng)主缸、助力裝置，使整車質(zhì)量降低； (2)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，提高制動(dòng)性能； (3)無制動(dòng)液，維護(hù)簡單； (4)系統(tǒng)總成制造、裝配、測試簡單快捷，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)易于改進(jìn)，稍加改進(jìn)就可以增加各種電控制功能。 電制動(dòng)是一個(gè)新生事物，要想全面推廣還有不少問題需要解決： 首先是驅(qū)動(dòng)能源問題。采用全電路制動(dòng)控制系統(tǒng)，需要較多的能源，一個(gè)盤式制動(dòng)器大約需要1kW的驅(qū)動(dòng)能量。目前車輛12V的電力系統(tǒng)提供不了這么大的能量，因此，將來車輛動(dòng)力系統(tǒng)采用高壓電，加大能源供應(yīng)。 其次是控制系統(tǒng)失效處理。電制動(dòng)控制系統(tǒng)面臨的一個(gè)難題是制動(dòng)失效的處理。因?yàn)椴淮嬖讵?dú)立的主動(dòng)備用制動(dòng)系統(tǒng)，因此需要一個(gè)備用系統(tǒng)保證制動(dòng)安全，不論是ECU元件失效，傳感器失效還是制動(dòng)本身、線束失效，都能保證制動(dòng)的基本性能。 第三是抗干擾處理。車輛在運(yùn)行過程中會(huì)有各種干擾信號(hào)，如何消除這些干擾信號(hào)造成的影響，目前存在多種抗干擾控制系統(tǒng)。 相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，上述的各種問題會(huì)逐步得到解決，線控制動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)以其巨大的優(yōu)越性取代以液壓為主的傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)。 1．3 電制動(dòng)器的研究與發(fā)展概況 電制動(dòng)器并不是一個(gè)新鮮的事物，他在其他領(lǐng)域如起重機(jī)絞盤制動(dòng)、電梯制動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。關(guān)于車輛的“Brake—By—Wire”技術(shù)目前已有多種實(shí)現(xiàn)方式，本文僅列舉最有代表的類型，即電磁制動(dòng)器。 電磁制動(dòng)系統(tǒng)是指使用電子裝置的電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過控制電流等相關(guān)參數(shù)來改制動(dòng)力。由于代替了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁制動(dòng)系統(tǒng)不再使用液壓油，從而減少了液壓油燃燒的危險(xiǎn)，提高了安全性，也減輕了車輛自身的重量。電磁制動(dòng)系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)速犯規(guī)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)于液壓系統(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。 利用電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的制動(dòng)器，分為電磁粉末制動(dòng)器和電磁渦流制動(dòng)器，電磁摩擦式制動(dòng)器等多種形式。 (1)電磁粉末制動(dòng)器：激磁線圈通電時(shí)形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化,形成磁粉鏈,并在固定的導(dǎo)磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。激磁電流消失時(shí)磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動(dòng)作用解除。這種制動(dòng)器體積小，重量輕,激磁功率小,而且制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速無關(guān)，可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)制動(dòng)扭矩，但磁粉會(huì)引起零件磨損。它便于自動(dòng)控制，適用于各種機(jī)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 (2)電磁渦流制動(dòng)器：激磁線圈通電時(shí)形成磁場，制動(dòng)軸上的電樞旋轉(zhuǎn)切割磁力線而產(chǎn)生渦流。電樞內(nèi)的渦流與磁場相互作用形成制動(dòng)力矩。電磁渦流制動(dòng)器堅(jiān)固耐用、維修方便、調(diào)速范圍大；但低速時(shí)效率低、溫升高，必須采取散熱措施。這種制動(dòng)器常用于有垂直載荷的機(jī)械中。 (3)電磁摩擦式制動(dòng)器：激磁線圈通電產(chǎn)生磁場，通過磁軛吸合銜鐵，銜鐵通過聯(lián)結(jié)件實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 另外還細(xì)分為干式單片電磁制動(dòng)器、干式多片電磁制動(dòng)器、濕式多片電磁制動(dòng)器等等。 1．4 研究內(nèi)容及項(xiàng)目可行性分析 1.4.1 研究內(nèi)容 本文初步研究盤式電磁制動(dòng)器，采用多種工具軟件輔助設(shè)計(jì)，并做出一個(gè)較為合理的電制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之能滿足制動(dòng)要求。遵循這一設(shè)計(jì)方案，要研究的內(nèi)容主要包括三部分： (1)制動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，包括機(jī)構(gòu)整體構(gòu)造，關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)，并繪制有限元云圖。 (2)電磁鐵組件的設(shè)計(jì)和理論分析，研究其制造工藝。 (3)制動(dòng)性能的分析與研究，對(duì)設(shè)計(jì)好的制動(dòng)器研究其制動(dòng)能力、維修等問題。 1.4.2 可行性分析 電制動(dòng)以其潛在的優(yōu)勢引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，針對(duì)目前對(duì)電制動(dòng)系統(tǒng)研究的加強(qiáng)趨勢，綜合研究了電制動(dòng)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，提出一種思路和實(shí)施方案。 (1)方案實(shí)施的理論基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁鐵作為一種動(dòng)作元件得到越來越廣泛的應(yīng)用，電磁鐵是一種成熟的將電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的能量轉(zhuǎn)換裝置。對(duì)電磁鐵的研究，前人已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這可以作為研究的理論基礎(chǔ)。 (2)研究目標(biāo)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下的可實(shí)現(xiàn)性。從制動(dòng)器發(fā)展歷史上看，在1898年，克利夫蘭的?！ぐ病に古謇镌O(shè)計(jì)的一輛電動(dòng)汽車就采用前輪電磁盤式制動(dòng)器。斯佩里用圓盤分別與各個(gè)車輪的輪轂連成一體，另有一個(gè)鑲有摩擦片的小圓盤，制動(dòng)時(shí)，通過電磁鐵的作用，使它緊貼著轉(zhuǎn)動(dòng)盤，就能阻止車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電流中斷后，彈簧又把摩擦盤收回，車輪又可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，電磁抱閘制動(dòng)器在電梯和起重機(jī)絞盤用的電磁盤式制動(dòng)中已得到成熟應(yīng)用（如圖1.3所示）。 綜上所述，以電磁鐵作為制動(dòng)器制動(dòng)機(jī)構(gòu)在技術(shù)上可行。 1.軛鐵 2.彈簧 3.銜鐵 4、7.摩擦片 5.盤 6.橋 8.夾具 9、10.棘輪機(jī)構(gòu) 11.勵(lì)磁線圈 圖1.3 2 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究 鼓式制動(dòng)器已經(jīng)在應(yīng)用中，盤式制動(dòng)器與鼓式相比具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，使用壽命長，熱、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以本文決定采用盤式制動(dòng)器。在制動(dòng)器的設(shè)計(jì)上，用電磁鐵的電磁力直接推動(dòng)摩擦塊工作是最簡單的方法。 2．1 電磁制動(dòng)器的工作原理 圓盤式電磁制動(dòng)器主要由彈簧、摩擦片、端蓋、動(dòng)片、調(diào)節(jié)螺絲、電磁鐵圓盤、線圈、軸等組成。摩擦片鉚接在動(dòng)片上，可隨軸一起旋轉(zhuǎn)，沿著電動(dòng)機(jī)軸端上的鍵作軸向移動(dòng)。動(dòng)片外側(cè)是端蓋，內(nèi)側(cè)是電磁鐵圓盤。當(dāng)電動(dòng)機(jī)介入電源時(shí)，制動(dòng)器線圈同時(shí)通上直流電，電磁鐵圓盤立即被吸上，使電磁鐵內(nèi)部的彈簧拉伸，圓盤和端蓋與摩擦片吸合，動(dòng)片在空腔中停止旋轉(zhuǎn)，摩擦片與它們摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩，從而電機(jī)被制動(dòng)。若電機(jī)斷電，制動(dòng)器線圈同時(shí)斷電，電磁鐵圓盤失去吸力被彈簧拉回，于是動(dòng)片又能自由旋轉(zhuǎn)。此電磁制動(dòng)器是單片干板制動(dòng)器，屬常開型。 2．2 制動(dòng)系統(tǒng)的分析 2.2.1 制動(dòng)力矩的計(jì)算 車輪滾動(dòng)周長： L=2πRr 在制動(dòng)距離內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)：N= 則轉(zhuǎn)過總的角度為： α=2πN 車子的總動(dòng)能為： E=Mv2 制動(dòng)力分配系數(shù)： β== 式中 Ff1 —— 前軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力； Ff2 —— 后軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力； Ff3 —— 汽車總制動(dòng)器制動(dòng)力。 通常，轎車的β值取0.565—0.615，貨車取0.333—0.412，本文取為0.6。 每個(gè)前輪要分擔(dān)的動(dòng)能為： ×60% 每個(gè)后輪要分擔(dān)的動(dòng)能為： ×40% 每個(gè)前輪所需總制動(dòng)力矩為： 此處省略?NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計(jì)圖紙等.請(qǐng)聯(lián)系?扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過答辯 2.2.2 制動(dòng)盤直徑的確定 制動(dòng)盤直徑越大則所需制動(dòng)力越小，有利于減小電磁鐵的尺寸，故盡量取較大的盤徑。由于本課題要求的主要技術(shù)參數(shù)為額定制動(dòng)扭矩500Nm，根據(jù)《汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編》，本文取制動(dòng)盤直徑為270mm。 2.2.3 制動(dòng)盤厚度的確定 在本設(shè)計(jì)中，制動(dòng)盤又稱銜鐵，通過電磁體的通斷電過程使銜鐵吸合。在銜鐵對(duì)著摩擦片的一側(cè)，涂有特殊的摩擦材料，使之在通電之后與摩擦片進(jìn)行接觸，最后達(dá)到制動(dòng)效果。 制動(dòng)盤厚度直接影響著制動(dòng)盤質(zhì)量和工作時(shí)的溫升，為使質(zhì)量不致太大，制動(dòng)盤厚度應(yīng)取的適當(dāng)小些，為了降低工作時(shí)的溫升，制動(dòng)盤厚度不宜過小。制動(dòng)盤可以制成實(shí)心的，而有時(shí)為了通風(fēng)散熱，還可以在制動(dòng)盤的兩工作面之間鑄出通風(fēng)孔道。通常實(shí)心制動(dòng)盤可取為10—20mm，在這里取14mm。 2.2.4 摩擦片參數(shù)的確定 根據(jù)一些文獻(xiàn)資料的參考，取摩擦片的外半徑R2=240mm，由其外內(nèi)半徑比為1.5,則內(nèi)半徑R1=160mm。 2.2.5 摩擦片與制動(dòng)盤之間的間隙 考慮彈簧片的伸縮距離、系統(tǒng)間隙，以及以后摩擦片的變形磨損，為使其留有一定的余地，不妨取摩擦片與制動(dòng)盤之間的間隙為0.9—1.5mm。本文在設(shè)計(jì)中取它們的間隙為1mm。 2.2.6 彈簧片的設(shè)計(jì) 本電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)是屬常開型，為了使其在制動(dòng)結(jié)束后摩擦片與制動(dòng)盤能迅速分離，關(guān)鍵在于彈簧片的設(shè)計(jì)。本文采用由12個(gè)小彈簧及兩薄片板所組成的，各彈簧制造時(shí)焊接在兩薄片上，薄片的作用是連接左側(cè)的制動(dòng)片和右側(cè)的端蓋，通過鉚釘固定起來。小彈簧直徑為10mm，處于自由狀態(tài)時(shí)的長度為4mm。圖2.1為彈簧片的設(shè)計(jì)總圖。 圖2.1 彈簧片 2.2.7 右側(cè)法蘭的確定 法蘭壁厚14mm，外圓最大直徑270mm。往右伸出軸長度40mm，直徑105mm，其上有一個(gè)直徑60mm的通孔，內(nèi)設(shè)一個(gè)寬18mm的平鍵槽，作用是在運(yùn)動(dòng)過程中能隨著主軸一起旋轉(zhuǎn)，上面還設(shè)有一個(gè)M10的螺栓固定。 2.2.8 電磁制動(dòng)器總裝配圖 通過各零部件的設(shè)計(jì)，電磁制動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)已初步確定。從左往右的順序看，由左端蓋（含電磁體）、摩擦片、制動(dòng)盤、彈簧片、右端蓋（法蘭）組成，摩擦片上的三個(gè)孔是專為制動(dòng)盤（也即銜鐵）設(shè)計(jì)的，使制動(dòng)盤右側(cè)的鉚釘通過彈簧片固定。另外三個(gè)孔是給右側(cè)的法蘭準(zhǔn)備的，使法蘭左側(cè)上的鉚釘穿過彈簧片緊固。達(dá)到在電磁體吸合過程中，由彈簧的拉伸力配合達(dá)成完整的制動(dòng)效果。 總裝配圖由圖2.2、圖2.3所示。 圖2.2 電磁制動(dòng)器總裝配 圖2.3 總裝配圖的分解 2．3 電磁制動(dòng)器的檢查與調(diào)整 在同樣的轉(zhuǎn)速下，電磁制動(dòng)器的制動(dòng)力矩的大小取決于制動(dòng)盤對(duì)摩擦片壓力的大小，亦即彈簧向內(nèi)拉制動(dòng)盤的行程，或者說取決于摩擦片和制動(dòng)盤之間的氣隙大小。經(jīng)長期使用后，摩擦片和制動(dòng)盤均會(huì)受到磨損，彈簧也將被拉長，引起氣隙減小，會(huì)造成制動(dòng)后失靈，不能及時(shí)分離。因此必須檢查制動(dòng)器的工作氣隙，并及時(shí)加以調(diào)整。 根據(jù)氣隙增大值的程度，如果是摩擦片磨損，則需要更換摩擦片。間隙不能太大，否則將使制動(dòng)力矩不夠而使錨鏈或絞纜鋼絲松脫。間隙也不能太小，太小容易造成剎車脫不開，使電機(jī)堵轉(zhuǎn)或造成制動(dòng)器溫度急劇上升，一般調(diào)整后的氣隙在1mm左右為宜。 3 電磁體材料及制造工藝研究 電磁體是電磁制動(dòng)器的關(guān)鍵部件，電磁制動(dòng)器制動(dòng)性能很大程度上取決于電磁體的外形結(jié)構(gòu)、磁鋼材料導(dǎo)磁性能、磁鋼制造工藝、摩阻填料材料的性能、線圈導(dǎo)線直徑、線圈匝數(shù)。制造電磁體要解決以下幾個(gè)方面的技術(shù)問題: (1)電磁體的導(dǎo)磁材料(磁鋼)及加工制造工藝，直接關(guān)系到電磁體工作時(shí)的磁路，影響電磁體與摩擦盤之間的電磁吸力。電磁體所產(chǎn)生的摩擦力主要取決于:電磁體外形結(jié)構(gòu)、磁鋼材料、電磁吸力、磁鋼與摩擦盤的摩擦系數(shù)、填充材料與摩擦盤的摩擦系數(shù)、電磁體制造工藝等參數(shù)。所以必須選擇合適的導(dǎo)磁材料并制定相應(yīng)的制造工藝。 (2)電磁體的工作環(huán)境十分惡劣，要求電磁體材料具有一定的耐磨、耐熱性能。與電磁體對(duì)磨的摩擦片，其材料是鑄鐵，為了不使對(duì)摩擦片磨損過快，要求電磁體磁鋼材料在制造過程中不能有過高的強(qiáng)度和硬度。因此應(yīng)合理確定磁鋼材料的硬度、摩擦系數(shù)、耐磨性能以及填充材料的耐熱、耐磨性能等。 (3)電磁體通電后，與制動(dòng)盤吸合并產(chǎn)生摩擦力矩，會(huì)使電磁體溫度迅速上升，要求電磁體摩阻材料應(yīng)具有高溫穩(wěn)定性，即在高溫下摩阻材料仍具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和耐磨性能。另外在低溫條件下或不同的環(huán)境中(如雨天)行駛，電磁制動(dòng)器的制動(dòng)性能不能發(fā)生太大的變化。如何選用、制造摩阻基體材料以及如何把摩阻材料、線圈與磁鋼粘連到一起也將是制造過程中遇到的技術(shù)問題。 3．1 電磁體磁鋼、磁芯材料選擇 3.1.1 導(dǎo)磁材料分析 磁性材料按其特性和用途通?？煞譃檐洿挪牧虾陀泊挪牧蟽纱箢悺＼洿挪牧洗判阅艿闹饕攸c(diǎn)是:磁導(dǎo)率高，矯頑力低，易于飽和。當(dāng)外磁場去掉后，磁性基本消失。而硬磁材料在所加的磁化磁場去掉以后，仍能在較長時(shí)間內(nèi)保持強(qiáng)而穩(wěn)定的磁性。電磁體需要在斷電時(shí)的電磁吸力為零，因此磁鋼應(yīng)選用軟磁材料。 常用軟磁材料有:電工純鐵、低碳鋼、硅鋼片、鐵鎳合金、鐵基粉末冶金等，低碳鋼有較高的磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度，較小的矯頑力，加工性能也較好，適合于直流磁系統(tǒng)。表3.1所列為常用導(dǎo)磁材料性能比較。 材料 硬度 摩擦系數(shù) 對(duì)摩盤的磨損 導(dǎo)磁性能 成型設(shè)備的投入成本 20鋼 高 小 大 較好 高 10鋼 高 小 大 較好 高 純鐵 較低 較大 小 好 較低 鐵基粉末冶金 低 大 小 一般 低 表3.1 3.1.2 純鐵特性分析 電磁純鐵又稱“阿姆可鐵”，含碳量極低，一般小于0.025%，工業(yè)產(chǎn)品一般應(yīng)用無磁時(shí)效純鐵，其代號(hào)為DT3，DT4。電磁純鐵在室溫下具有相對(duì)較軟、強(qiáng)度低、塑性成形性能優(yōu)良、切削性能差等特點(diǎn)，適合用冷擠壓生產(chǎn)工藝。其理由是: (1)電磁性能好，矯頑力低，飽和磁感高，磁性穩(wěn)定又無磁時(shí)效。 (2)電磁純鐵系列鋼質(zhì)均為鎮(zhèn)靜鋼，且采用了精練，所以內(nèi)部組織均勻，優(yōu)良，氣體含量少，成品含碳量不大于0.004%。 (3)冷、熱加工性能好。 (4)表面質(zhì)量好，尺寸精度高。冷擠壓時(shí)塑性變形量大，變形抗力及材料加工硬化相對(duì)于其它鐵磁材料要低的多，因此所需壓力機(jī)的噸位低，模具壽命高。 3.1.3 粉末冶金材料分析 鐵粉是粉末冶金電磁體磁鋼的基體材料。研究發(fā)現(xiàn)，鐵粉的基本特性(流動(dòng)性、松裝密度、成分、粒度組成)會(huì)對(duì)壓坯的密度產(chǎn)生較大的影響。而不同密度的電磁體，其電磁性能、摩擦、磨損性能差異很大。因此，正確選用鐵粉品種、粒度組成十分重要。 (1)鐵粉種類的選擇 鐵粉因制造方法不同，其顆粒形狀、物理一化學(xué)性能等方面都有差異。鐵粉制造方法有許多，主要有電解沉積法、還原法、水霧化法、撥基法，其中電解法、霧化法生產(chǎn)的鐵粉顆粒細(xì)小，松裝密度高，生坯強(qiáng)度高，壓縮性大，比還原鐵粉成形性能好，制件密度高，磁性能好，但價(jià)格高。對(duì)粉末冶金電磁體磁鋼，當(dāng)要求磁鋼密度在6.5一7.0g/cm3之間時(shí)，選用還原鐵粉作為電磁體磁鋼材料；當(dāng)電磁體磁鋼密度要求達(dá)到7.1一7.5g/cm3時(shí)，選用水霧化鐵粉，這是由于水霧化鐵粉的粉末顆粒純度高、壓縮性好、易于合金化。試驗(yàn)確定，采用還原鐵粉有利于摩擦系數(shù)的提高，而采用水霧化鐵粉有利于耐磨性的提高。 (2)鐵粉粒度選擇 鐵粉粒度和形態(tài)對(duì)壓制時(shí)鐵粉的流動(dòng)性、成形性以及成形后的強(qiáng)度有很大影響，不同的粒度和形態(tài)會(huì)得出不同密度的制件。還原鐵粉呈海綿狀，能減少添加成分的偏析，具有大的表面能，大的晶格畸變，同時(shí)鐵粉粒度細(xì)，因此，燒結(jié)時(shí)活性較高，擴(kuò)散速度大和收縮大。所以，由細(xì)鐵粉制造的材料具有較高密度及強(qiáng)度和較好的摩擦性能。選用200目顆粒的海綿狀還原鐵粉作為磁鋼的基體原材料，能滿足成形性能要求。為提高松散粉末裝模密度，在200目鐵粉的基礎(chǔ)上，采用細(xì)粉與粗粉混合的工藝，即加入適當(dāng)比例的更細(xì)鐵粉與200目鐵粉混合，可提高成形密度和壓坯的強(qiáng)度。 圖3.1所示為在不同松裝密度下高純度鐵粉壓制時(shí)壓力與制件密度之間的關(guān)系，可以看出提高松裝密度不僅可以提高粉末冶金生坯密度，而且可以提高生坯強(qiáng)度，提高壓縮比，使粉末冶金制件具有較高的密度，從而可提高磁鋼的電磁性能。 圖3.1 (3)合金粉末的選擇 粉末冶金中添加合金元素的目的有三個(gè): A、提高粉末冶金的燒結(jié)密度，需通過活化燒結(jié)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于鐵基粉末冶金，鐵的純度越高，雜質(zhì)含量越少，晶粒越粗，電磁性能就越好，但為了使密度增加，在燒結(jié)鐵基粉末冶金時(shí)常加的合金元素是硫和磷。硫可以以硫粉或硫化鐵粉態(tài)混入鐵粉中，在燒結(jié)時(shí)使其合金化。添加硫的作用是提高減磨性能以及封閉材料中的孔隙。一般加入硫的含量不超過0.4%，另外添加硫可提高材料的抗彎性能。當(dāng)添加硫時(shí)，零件尺寸會(huì)隨含硫量的增加而增大。磷在953℃與鐵和碳形成共晶，1050℃與鐵形成共晶。因此，在高于1050℃的溫度下燒結(jié)時(shí)，將產(chǎn)生液相，起到活化燒結(jié)作用，從而提高材料的燒結(jié)密度。磷應(yīng)以磷鐵粉狀混入純鐵中，磷鐵應(yīng)采用含磷量為15.6%的Fe3P。磷的加入量不得高于0.8%。 B、按重量提高鐵基燒結(jié)軟磁材料的磁性，常需加入的合金元素有si、Sn、Ni 和C?？紤]到Ni、C價(jià)格高，在此僅選用合金元素si或Sn，Si或Sn的含量為2%—3%。 C、提高摩擦、磨損性能。純鐵粉末冶金材料作為摩擦材料具有以下特性: (a)耐熱高負(fù)荷條件下摩擦系數(shù)穩(wěn)定，衰減小，磨損??； (b)熱傳導(dǎo)性能好能把摩擦副表面的摩擦熱很快傳導(dǎo)出去； (c)受環(huán)境影響小在寒冷和炎熱以及大氣濕度變化條件下，摩擦性能基本不發(fā)生變化。 純鐵粉末冶金摩擦材料的嚴(yán)重缺點(diǎn)是與制動(dòng)盤具有親和力，容易產(chǎn)生粘著膠合，摩擦系數(shù)波動(dòng)大、異常磨損、噪聲等情況。為解決這些問題，需要在純鐵粉中加入一些摩擦組元和潤滑組元。摩擦組元為二氧化硅，加入二氧化硅后可促進(jìn)摩擦系數(shù)和摩擦溫度的提高。當(dāng)滑動(dòng)速度為0.26m/s時(shí)，含1%的二氧化硅摩擦系數(shù)為0.46，含10%二氧化硅時(shí)摩擦系數(shù)增加到0.66，同時(shí)摩擦溫度從125℃上升到195℃。這是由于二氧化硅在鐵中燒結(jié)溫度下被還原成硅，并溶解于鐵，降低了材料的導(dǎo)熱性。因此，根據(jù)綜合性能，二氧化硅的最佳含量為2%—4%，其平均粒度為80—180μm。 3．2 電磁體填充材料研制 電磁體摩阻填充材料是一種纖維增強(qiáng)摩阻復(fù)合材料，其組分與摩擦磨損性能之間的關(guān)系受到系統(tǒng)參數(shù)的影響，例如溫度、壓力、速度、氣氛、摩擦對(duì)偶件等，而且這些影響因素又與作用時(shí)間、作用次數(shù)等有很大的關(guān)系。 3.2.1 新型摩阻填充材料分析 電磁體摩阻填充材料通常由粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維和無機(jī)及有機(jī)填料等三部分組成，工作時(shí)主要承受反復(fù)變化的應(yīng)力場和熱力場作用。粘結(jié)劑是摩阻填充材料的重要組元，也是化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能最差的組元。研究表明，電磁體摩阻填充材料的摩擦表面瞬間工作溫度可達(dá)300℃—400℃左右；粘結(jié)劑(樹脂基體)無論是暴露在空氣中還是在與制動(dòng)盤貼合的缺氧情況下都會(huì)發(fā)生氧化分解現(xiàn)象。因此其性能直接影響電磁體摩阻填充材料的熱衰退性能、恢復(fù)性、磨損性能和機(jī)械性能。樹脂粘結(jié)劑的選擇對(duì)摩阻填充材料的許多性能有非常重要的影響。 摩阻材料傳統(tǒng)用的膠粘劑主要是酚醛樹脂，酚醛樹脂固化后交聯(lián)密度高、高溫性能卓越，并且具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、良好的機(jī)械性能和加工工藝性能。但酚醛樹脂存在硬而脆等缺點(diǎn)。為了改善其韌性，需采用改性方法，如在酚醛樹脂中引入韌性良好的長鏈型分子結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)韌性。然而長分子鏈的引入又會(huì)大大影響其耐熱性，因此，在引入長鏈型分子結(jié)構(gòu)后，還需要再引入耐熱性能良好的剛性基團(tuán)分子?；谝陨显?，以硼改性酚醛樹脂為基體樹脂，加入橡膠長分子鏈增加韌性，同時(shí)加入剛性基團(tuán)分子SiO2、SiC增韌改性，提高摩阻材料的熱穩(wěn)定性。由于SiO2、SiC屬于共價(jià)鍵化合物，具有材質(zhì)硬、強(qiáng)度大，熱導(dǎo)系數(shù)大、抗熱震性好，耐高溫、抗氧化，耐磨損和抗侵蝕等優(yōu)良的高溫?zé)岱€(wěn)定性能。作為添加劑應(yīng)用于電磁體摩阻填充材料中，還能夠起到摩擦調(diào)節(jié)劑的作用，補(bǔ)償和調(diào)節(jié)摩擦性能，改善和提高粘結(jié)劑高溫性能。 此外，MoS2、A12O3可進(jìn)一步提高摩擦系數(shù)和耐磨性能以及減磨效果，以提高其使用壽命。這是一種物理改性方法(共混)，使橡膠及其他分散相均勻分散于樹脂連續(xù)相中，然后在制品高溫、高壓成形過程中，使其微粒又從中析出，并在材料受到外力時(shí)分散、均衡應(yīng)力，并阻止裂紋延伸，從而達(dá)到增韌耐磨的目的。另一方面，還利用自制的化學(xué)改性酚醛樹脂，使樹脂的綜合性能在電磁體填充材料上優(yōu)于目前市場上其它改性樹脂。 3.2.2 樹脂基體對(duì)摩擦磨損性能的影響 樹脂基體作為電磁體摩阻填充材料中的一個(gè)重要組元，必須有合適的模量以保證在摩擦?xí)r有較大的接觸面積，從而使摩擦片在工作時(shí)穩(wěn)定而不產(chǎn)生嚴(yán)重振動(dòng)；樹脂必須有一定的耐熱性以保證次摩擦層有足夠的強(qiáng)度；樹脂分解后的殘留物必須有一定摩擦性能，以保證穩(wěn)定的摩擦系數(shù)；樹脂固化后必須有較低的硬度，以降低制動(dòng)噪聲。因而樹脂種類的選擇和配比與摩阻材料的摩擦磨損性能及力學(xué)性能密切相關(guān)。 由于酚醛樹脂具有良好的耐熱性能和力學(xué)性能，一直是生產(chǎn)摩阻材料最常用的樹脂。普通純酚醛樹脂由于制品模量過高，硬度大，常采用橡膠物理改性，使其韌性、抗沖擊性及摩擦性能有所提高。通過對(duì)比，尼龍和丁睛橡膠改性的摩阻材料在抗磨性和耐沖擊性方面效果最好，但用量過大會(huì)降低摩阻材料的耐熱性并增大磨損。 試驗(yàn)表明樹脂含量過高或過低時(shí)，材料將因粘結(jié)劑量過少或樹脂高溫分解導(dǎo)致粘結(jié)力下降，使增強(qiáng)纖維易于拔出，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，材料磨損加劇。故在摩阻材料的配方設(shè)計(jì)中，樹脂量的配比是一個(gè)關(guān)鍵因素。 3.2.3 增強(qiáng)纖維對(duì)摩擦磨損性能的影響 增強(qiáng)纖維與摩阻材料的摩擦磨損性能、強(qiáng)度等密切相關(guān)，因而纖維種類的選擇及量的控制是材料研制中的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前比較多見的有玻璃纖維、碳纖維、鋼纖維、芳綸纖維以及這些纖維相混合的混雜纖維。 玻璃纖維的特點(diǎn)是硬度高、熱穩(wěn)定性較好，與樹脂親和性好、價(jià)格低廉，磨損較大，當(dāng)溫度超過600℃時(shí)形成玻璃珠，損傷對(duì)偶材料。碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐熱、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有潤滑作用。碳纖維的長度影響摩阻材料的摩擦磨損性能和工藝性。混料工藝需特殊考慮，較難應(yīng)用于電磁體填充材料當(dāng)中。使用低碳鋼及超聲波切削法生產(chǎn)的鋼纖維含油量低、表面活性好、價(jià)格便宜，但它影響到電磁體的磁力線分布，所以難以應(yīng)用。 Kevlar纖維以其高強(qiáng)度、高模量、高韌性、低密度及較好的熱穩(wěn)定性，可開發(fā)出性能優(yōu)良的摩擦材料。但由于Kevlar纖維的制造工藝和處理工藝復(fù)雜，特別在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)纖維分散較困難，且價(jià)格昂貴，因此在國內(nèi)生產(chǎn)和推廣受到限制。 考慮多種因素，采用玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維，以提高材料的抗磨作用。 3.2.4 填料對(duì)摩擦磨損性能的影響 填料是填充摩阻材料中不可缺少的組分，主要起改善材料的物理與力學(xué)性能、調(diào)節(jié)摩擦性能及降低成本的作用。但在摩阻填充材料中，通常填料可分為有機(jī)、無機(jī)和金屬三種。有機(jī)填料的主要作用為降低模量和硬度，調(diào)整及穩(wěn)定摩擦系數(shù)，改善與對(duì)偶材料的貼合性。常用的有橡膠粉等，但用量過大會(huì)降低摩阻材料的耐熱性并增大磨損。無機(jī)填料可分為減磨填料和增摩填料。減磨填料是為了降低摩擦系數(shù)，主要有MoS2、石墨、滑石和云母等;增摩填料主要是不會(huì)分解的耐熱材料粉末，可以改善和提高材料的物理和力學(xué)性能，使摩阻材料具有較好的抗熱衰退能力和抗高溫開裂變形能力，增加材料的摩擦阻力。但加入量過大也會(huì)降低摩阻材料的力學(xué)性能，金屬填料(如銅粉、鋁粉、鋁粉)等可以提高摩阻材料的耐磨性和熱穩(wěn)定性，選擇合適的粒度有助于提高材料的摩擦系數(shù)以及降低磨損率。 3.2.5 丁睛橡膠含量的影響 為了考察丁睛橡膠對(duì)材料性能的影響，固定硼改性的樹脂(BF)含量為40%，改變丁睛橡膠的含量(從5%變到20%)。由于未添加增強(qiáng)材料玻璃纖維，所以所制材料的強(qiáng)度較低，未能測出材料磨損率。隨著丁睛橡膠含量的增加，材料的硬度明顯下降，而當(dāng)丁睛橡膠含量為10%時(shí)，材料摩擦系數(shù)最高。 事實(shí)上在研究材料配方時(shí)，丁睛橡膠含量越多，材料的耐磨性能會(huì)降低很多，所以，丁睛橡膠含量選擇在不超過10%為宜。 4 電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)特性分析 電磁鐵在操作過程中工作氣隙由大變小，使磁路各部件的磁飽和程度越來越高，因而描述該系統(tǒng)的靜、動(dòng)特性是非線性的。在銜鐵快速運(yùn)動(dòng)的過程中，將在線圈中引起反電動(dòng)勢，改變電路特性。動(dòng)特性通常包括線圈電流i、彈簧片行程x、電磁力F、線圈磁鏈ψ以及速度v隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過程即吸合或釋放過程。分析描述電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性是設(shè)計(jì)出高性能電磁鐵的重要環(huán)節(jié)。 4．1 吸合過程分析 電磁機(jī)構(gòu)的吸合過程通常分為兩個(gè)階段：第一階段是從線圈得到電壓起到電流按指數(shù)曲線增至吸合電流Ixh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txc；進(jìn)入第二階段后，吸力大于反力，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)。這個(gè)階段的電流逐漸增大，并產(chǎn)生反電勢i。這個(gè)反電勢和線圈自感電勢L一起，共同阻止線圈電流的增長，致使線圈電流在增大到一定程度后不僅不再增大，反而減小。將從銜鐵開始運(yùn)動(dòng)到銜鐵閉合所需要時(shí)間定義為吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間，記為txy?？偟奈蠒r(shí)間為txh=txc+txy。在t=txh以后，銜鐵已經(jīng)閉合，工作氣隙不再變化，反電勢為零，電流按新的指數(shù)曲線上升，直至穩(wěn)態(tài)電流Iw，如圖4.1所示。 圖4.1 電磁鐵吸合過程曲線 4.1.1 電磁鐵的吸力特性 吸力特性方程為： F=(IW)2μ0 式中： I—線圈的電流； W—線圈匝數(shù)； μ0—真空磁導(dǎo)率； Sz—總的鐵芯橫截面積； δz—總間隙長度。 4.1.2 吸合過程分析 直流電磁鐵接通電源后，在吸力達(dá)到足以克服阻力（主要是彈簧力），使彈簧片運(yùn)動(dòng)之前，流過線圈的電流逐漸增長，磁鐵中的磁通也逐漸增長，電路方程為： u=ir+ 式中： u—端電壓； i—電流； r—線圈內(nèi)阻； Φ—磁通，Φ=Li。 在彈簧片未動(dòng)時(shí)，磁通Φ與電流i成正比，電感L為常數(shù)，電路圖可簡化為圖4.2形式，線圈的內(nèi)阻和電感的串聯(lián)。 圖4.2 電磁鐵簡化電路圖 上式也可化為： u=ir+=ir+ 線圈中電流的響應(yīng)如圖4.1中所示，oa段為觸動(dòng)階段，到達(dá)a點(diǎn)之后，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)（設(shè)此時(shí)電流為Ixc,為觸動(dòng)電流；所用的時(shí)間稱為觸動(dòng)時(shí)間txc)。銜鐵開始運(yùn)動(dòng)后氣隙磁通改變，線圈的自感也改變： ==L+i 根據(jù)上面的轉(zhuǎn)化還可化為： u=ir+=ir+i+i 由上式可知，電流此時(shí)開始下降，即圖4.1中的ab段，txy為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。此后電感不再改變，電流又逐漸增大至穩(wěn)定值Iw。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后電流不再變化，則=0，可求出穩(wěn)態(tài)電流Iw： Iw= 4.1.3 吸合觸動(dòng)時(shí)間txc的計(jì)算 當(dāng)吸力F等于彈簧片收縮位置受到的阻力Fz時(shí)，電流為觸動(dòng)電流Ixc。對(duì)盤型電磁鐵相應(yīng)的吸力特性公式為： F=(IW)2μ0 得 (IW)2μ0=FZ 可求出 Ixc= 可見Ixc由阻力、間隙、線圈匝數(shù)、鐵芯截面積決定，可以根據(jù)彈簧的剛度、電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)求出。 因?yàn)闄C(jī)構(gòu)在正常使用中應(yīng)該會(huì)保持良好的潤滑，系統(tǒng)阻力主要為回位彈簧彈力。 求解變化后的微分方程得： 式中 令i=Ixc，代入上式，得觸動(dòng)時(shí)間： txc= 由上式可以看出，要減少觸動(dòng)時(shí)間，可減小電感、增大電阻，但前提是要保證一定吸力。 根據(jù)下式計(jì)算電感量 L= 式中 W—線圈匝數(shù)； μ0—真空磁導(dǎo)率； Al—磁芯中柱截面積； δ—?dú)庀堕L度。 代入計(jì)算得到txc。 4.1.4 運(yùn)動(dòng)時(shí)間txy的計(jì)算 進(jìn)入運(yùn)動(dòng)階段之后，電感L不再是常數(shù)，且變化呈非線性；運(yùn)動(dòng)過程中阻力也在不斷變化，要精確求解非常困難，本文中采用簡化計(jì)算方法。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，吸力和阻力都對(duì)銜鐵做功，由功能原理可得銜鐵的運(yùn)動(dòng)方程： （F-FZ)dx=d() 式中： F—電磁吸力； FZ—阻力； m—運(yùn)動(dòng)部分歸算到銜鐵上的質(zhì)量； x—銜鐵位移； v—銜鐵運(yùn)動(dòng)速度。 若銜彈簧片行程很小，電磁吸力與阻力之差(F-FZ)在銜鐵運(yùn)動(dòng)過程中可認(rèn)為不變，式中的（F-FZ)也取運(yùn)動(dòng)過程中的平均力，則將上式微分得到： x=t2 +C1t+C2 式中：C1,C2為積分常數(shù)，由初始條件決定。 當(dāng)t=0時(shí)，x=0，v=0，代入上述兩式，解得： C1=0，C2=0 因此，x=t2 令x=δ，即位移為銜鐵（即制動(dòng)盤）的行程時(shí)，所用時(shí)間即為運(yùn)動(dòng)時(shí)間txy 則有 txy= 將已知數(shù)據(jù)代入計(jì)算式，得到txy。則吸合過程總用時(shí)間為 txh=txc+txy 4.1.5 提高響應(yīng)速度 由上面的吸合過程分析可知如何加速銜鐵運(yùn)動(dòng)：減小電感、增大電阻、減小運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、減小間隙、增大吸力、減小阻力。在電磁鐵被設(shè)計(jì)出來后，所能改變的是電路電阻，圖4.2是一種阻容加速電路。 圖4.2 阻容加速電路 這種電路的工作原理是：電路在剛接通時(shí)，附加電阻R近似被電容C短路，因此電磁線圈中電流增加很快。當(dāng)進(jìn)入保持階段后，電阻R上可降掉一部分電壓，從而減小了電磁鐵上的壓降，使保持階段通過線圈的電流減小，從而減少發(fā)熱。二極管D的作用是在斷電時(shí)為儲(chǔ)存在電磁鐵中的電能和磁場能量提供釋放通道，在吸合運(yùn)動(dòng)過程中不起作用。這樣做可加快制動(dòng)盤的釋放速度。 5 制動(dòng)盤的有限元分析 本設(shè)計(jì)主要限制參數(shù)為額定制動(dòng)扭矩500Nm，材料又都是定義的是磁鋼的材料特性，因此彈性模量為2*10e5Mpa，泊松比為0.3。 5.1 摩擦系數(shù)的考慮 根據(jù)摩擦學(xué)理論，溫度對(duì)于摩擦系數(shù)的影響，一般隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)增加；當(dāng)達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，溫度繼續(xù)升高，摩擦系數(shù)反而下降。造成摩擦系數(shù)降低的原因主要是摩擦片的有機(jī)化合物受熱分解，產(chǎn)生的氣體和液體析出，附著在摩擦接觸副之間，起著潤滑膜的作用，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變小。 但由于本設(shè)計(jì)為盤式制動(dòng)器，制動(dòng)盤選定的是磁鋼材料，因此不考慮摩擦系數(shù)的影響，取摩擦系數(shù)為：0.3。 5.2 制動(dòng)盤附加載荷的計(jì)算 在進(jìn)行接觸分析時(shí)，將電磁吸力作為載荷施加在電磁體上，也即施加在制動(dòng)盤上的附加載荷。因?yàn)樽畲笾苿?dòng)扭矩為500Nm，在制動(dòng)盤與摩擦片最外的地方所受的扭矩最大，此處分析它的電磁吸力。 摩擦片外徑為240mm，內(nèi)徑為160mm，外徑出所受的制動(dòng)力（也即摩擦力）為：f=500/0.12=4166.67N 電磁鐵的吸力為： F=f/0.3=13888N 先在hypermesh軟件中做好有限元模型的劃分網(wǎng)格：（如圖5.1） 圖5.1 導(dǎo)入ansys中的有限元模型如下，Ansys中的圖片為： 整體圖 左端蓋 摩擦片 制動(dòng)盤 約束條件： 全約束端蓋端面 約束徑向與軸向 加載： 內(nèi)表面加力矩： 5*10e5Nmm 計(jì)算結(jié)果如下： 制動(dòng)盤位移云圖 制動(dòng)盤應(yīng)力云圖 由以上分析結(jié)果能夠看出，制動(dòng)盤的位移云圖和應(yīng)力云圖均呈收斂狀態(tài)，因此對(duì)于電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)符合理論分析。 結(jié) 論 本文提出了一種新型的汽車制動(dòng)器，主要從理論上對(duì)該型制動(dòng)器進(jìn)行了分析與研究。所作的主要工作為: (1)提出了設(shè)計(jì)方案； (2)參照現(xiàn)有的市場產(chǎn)品，對(duì)電磁制動(dòng)器的外觀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)； (3)對(duì)電磁體內(nèi)部工藝進(jìn)行介紹； (4)簡單分析電磁體的動(dòng)態(tài)特性； (5)對(duì)制動(dòng)盤有限元分析進(jìn)行優(yōu)化。 由于研究時(shí)間等條件的限制，本文的研究成果距離實(shí)際剎車制動(dòng)試驗(yàn)還有很大距離，要將本文提出的方案應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)繼續(xù)開展以下工作: (1)電磁體的優(yōu)化工作。 (2)改造制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),縮減外觀尺寸以及使用輕型材料達(dá)到輕量化。 (3)提高電磁鐵的安全可靠性，增設(shè)線圈保護(hù)裝置。 (4)潤滑、密封等細(xì)節(jié)問題。 (5) 建立制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，做出實(shí)驗(yàn)分析。  致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師張龍副教授關(guān)心和悉心指導(dǎo)下完成的。張老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，在學(xué)習(xí)與研究中嚴(yán)格要求、悉心指導(dǎo)，給了我許多指導(dǎo)、幫助，提出許多寶貴的意見和建議，讓我少走許多彎路并順利完成論文。他為人師表、謙虛博學(xué)的風(fēng)范使我受益匪淺，在此向敬愛的張老師表示衷心的感謝。 同時(shí)也感謝所有關(guān)心和幫助過我的其他老師，像我們學(xué)院的專業(yè)負(fù)責(zé)人肖猛老師、王力老師，還有其他同學(xué)和朋友們，他們?cè)谖已芯亢妥珜懻撐钠陂g，都曾給予很多幫助。 最后，感謝我的家人，是他們?cè)谏钌辖o予我無微不至的關(guān)心和精神上的支持與鼓勵(lì)，使我順利地完成了學(xué)業(yè)。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 李宏才.現(xiàn)代汽車制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].世界汽車，2001,2(2): 7-10. 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