電磁制動(dòng)器的原理與設(shè)計(jì)

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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 系： 機(jī) 械 工 程 系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： (用外文寫) 外文出處：Journal of Bionic Engineering 3 (2006) 115-125 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語： 譯文語句通順，術(shù)語表達(dá)正確，錯(cuò)誤較少。但譯文的版面應(yīng)該進(jìn)行仔細(xì)編輯。 簽名： 2010 年 3 月 25 日 注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。 附件1：外文資料翻譯譯文 一種基于壁虎的仿生攀爬機(jī)器人 摘要 壁虎攀登的優(yōu)良性能激發(fā)了工程師和設(shè)計(jì)人員對(duì)在垂直表面上移動(dòng)進(jìn)行仿造系統(tǒng)設(shè)計(jì), 登山機(jī)器人可以執(zhí)行諸如偵察、檢查、修理、清洗和探索等許多有益的工作, 本文介紹并討論了設(shè)計(jì)、制造及對(duì)兩個(gè)攀爬機(jī)器人模仿壁虎步態(tài)的評(píng)價(jià)。第一個(gè)被設(shè)計(jì)的機(jī)器人考慮的是在地球上和太空中的宏觀操作；第二個(gè)機(jī)器人，之所以能夠控制其運(yùn)動(dòng)是利用形狀記憶合金作為制動(dòng)器，目的是能夠簡單的為微觀應(yīng)用擴(kuò)大規(guī)模，擬采用的仿生系統(tǒng)是能夠以20mm/s的速度爬上65°的斜坡。 關(guān)鍵詞：壁虎，機(jī)器人，仿生，攀爬，太空記憶合金 alloy 引言 那些動(dòng)物身上的運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航和適應(yīng)能力很早就激發(fā)人類通過機(jī)器人來學(xué)習(xí)他們，本研究的目的就是確定攀爬機(jī)器人是否能夠?qū)崿F(xiàn)地球和外星探索的可能性。機(jī)器人與和它差不多的生物同行一樣需要?jiǎng)恿Α⑦\(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模系統(tǒng)，具有計(jì)算、傳感和自主性。發(fā)展仿生機(jī)器人的可能性能夠從動(dòng)物研究和目前技術(shù)方面進(jìn)行分析，蜥蜴的運(yùn)動(dòng)能力和仿生道具為垂直表面上的攀爬提供有利條件。 攀爬機(jī)器人的發(fā)展，主要受制于人類對(duì)其能夠自動(dòng)執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)的愿望。人們主要是用這種機(jī)器人來清洗高層建筑物以及檢驗(yàn)在危險(xiǎn)環(huán)境中的像用于石油工業(yè)和核能發(fā)電站的儲(chǔ)油罐等。最近，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)利用機(jī)器人使其在失重環(huán)境下工作感興趣，以用來檢驗(yàn)和修理太空交通工具，幫助宇航員解決他們的冒險(xiǎn)性操作。用作表面攀爬和用于步行的機(jī)器人已經(jīng)變得至關(guān)重要了，它們可以用來進(jìn)行檢查和對(duì)航天飛機(jī)、衛(wèi)星、核能工廠和建筑物的維護(hù)，搜尋和拯救國土安全，到行星或是危險(xiǎn)地區(qū)的探索，標(biāo)識(shí)油箱容量規(guī)模，攜帶有效載荷高，也可以用來清洗、噴砂、噴漆和在微觀制造業(yè)等的應(yīng)用。那些自主的機(jī)器人通常遭遇的是非組織的環(huán)境，它們通過腿的步行和攀爬運(yùn)動(dòng)能夠很容易的克服那些障礙。 攀爬動(dòng)物了激發(fā)人類發(fā)展機(jī)器人的可能，使其能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下訪問和運(yùn)行。許多動(dòng)物，比如蟑螂、甲蟲、螞蟻和蟋蟀，能夠攀爬并使用它們主毛細(xì)血管的力量粘附在表面上，當(dāng)甲蟲牢牢的粘附在表層的時(shí)候，它們能夠承受比自己身體重20倍的負(fù)載；壁虎的能力是在表面攀爬，卻也引起了幾十年的注意了，人們通過微觀上的長寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的方法制定在機(jī)器人腳上，它們便能夠用一個(gè)約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。 本文提出并討論一種新型的由壁虎啟發(fā)的機(jī)器人，所用的戰(zhàn)略方案是通過調(diào)查和分析壁虎的攀爬性能，并進(jìn)一步介紹了創(chuàng)造者制造出的兩個(gè)機(jī)器人模型時(shí)，需要經(jīng)歷的設(shè)計(jì)、裝配和測(cè)試階段。第一個(gè)機(jī)器人叫剛性壁虎機(jī)器人（簡稱RGR），創(chuàng)造者構(gòu)想把它放到太空中進(jìn)行活動(dòng)，所以可靠性和健全性對(duì)RGR來說是最重要的因素。第二個(gè)機(jī)器人叫做兼容壁虎機(jī)器人（簡稱CGR），它被構(gòu)思設(shè)計(jì)為小型化，由于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和腳關(guān)節(jié)均很小，把它像常規(guī)機(jī)器人一樣的剛性連接在本質(zhì)上是很困難的，因此一種新型的由壁虎啟發(fā)的骨干結(jié)構(gòu)被研制了，它是由形狀記憶合金（SMA）微型導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)。 1.問題的定義 攀爬機(jī)器人的新穎獨(dú)特的特征是： ?能夠在任何環(huán)境下的任何粗糙表面和材料上攀爬（比如在建筑物、巖石和樹木上，在沙漠和太空中，在海底等等） ?更長的運(yùn)行時(shí)間和范圍：目前，由于自動(dòng)的微型機(jī)器人本身小，因而受限于它們?cè)诖系碾娫磥碓础Ｒ坏┦褂玫凸β实母郊箼C(jī)器人移動(dòng)，并利用干燥的合成膠對(duì)其進(jìn)行拆卸，機(jī)器人的運(yùn)行范圍也將被擴(kuò)大。此外，干膠黏合劑具有自我干燥的性能，它還結(jié)合了在纖維所允許的非降解性能下的高抗拉強(qiáng)度，使用壽命較長。 ?由于在任何方向上都能快速連接和拆卸，因此具有高的可操作性、速度和靈活性。 ?可攜帶的有效載荷較高（一般一只壁虎在爬壁的時(shí)候可攜帶的有效載荷和它本身的體重相等） ?由于它們本身的小型化設(shè)計(jì)，可訪問小面積區(qū)域。 ?當(dāng)機(jī)器人為維護(hù)工作執(zhí)行重要任務(wù)時(shí)，能夠在明確的機(jī)械工作中產(chǎn)生很高的約束粘附力。 ?通過綜合遙感和操縱工具，能自主在線監(jiān)測(cè)、檢查和表面維護(hù)。 為了開發(fā)一種具有高性能的垂直攀爬機(jī)器人，創(chuàng)造者對(duì)最敏捷的攀爬動(dòng)物——壁虎進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究和分析，分析了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并模擬了兩個(gè)三維壁虎模型。那些模擬結(jié)果表明了攀爬機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： （1） 質(zhì)量中心接近垂直的表面； （2） 輕型結(jié)構(gòu)； （3） 可靠的系統(tǒng)； （4） 穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)。 盡管采取了來自大自然的逆向工程思維，但要從工程可能性角度來看，為了設(shè)計(jì)出一個(gè)比較可取的系統(tǒng)，仿生抽象的級(jí)別必須要明確規(guī)定，為此，創(chuàng)造者的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)出能夠在斜面攀爬的機(jī)器人模型，并且決定先只考慮壁虎的能吸附于墻壁的功能特征。商用上和經(jīng)濟(jì)上都合適的黏合劑已經(jīng)被測(cè)試過，具有良好的吸附性能和可重復(fù)性行為，這些黏合劑和壁虎的毛發(fā)有相同的吸附功效，也適合擴(kuò)大測(cè)試范圍，能夠促進(jìn)新型攀爬機(jī)器人的發(fā)展。 我們希望開發(fā)出一種機(jī)器人，它只有必要的自由度和只使用攀爬所需的基本部件，因此，被制造出來的機(jī)器人不需要笨重的輔助馬達(dá)和傳感器來阻礙它的攀爬行動(dòng)。在這里，被提議的設(shè)計(jì)假設(shè)了攀爬時(shí)是在沒有任何障礙的相對(duì)平坦表面上。 2.機(jī)器人設(shè)計(jì) 壁虎主要在三個(gè)方面上不同于其它爬行動(dòng)物：干燥的黏性肉墊、幾何特征的腳和步態(tài)。為此，要設(shè)計(jì)出一種模擬壁虎的機(jī)器人，這三個(gè)方面顯然被研究過了，在本節(jié)中，就對(duì)此介紹并討論開發(fā)攀爬機(jī)器人模型的方案。 3.1 黏性肉墊 許多工作主要是為攀爬機(jī)器人開發(fā)黏合機(jī)械裝置，抽吸黏合就需要機(jī)器人攜帶一個(gè)隨身泵，這樣就能創(chuàng)造出一個(gè)能貼在墻上或天花板上的內(nèi)部真空杯，許多小組主要都是使用真空吸引器開發(fā)出了爬壁機(jī)器人。然而，一個(gè)抽吸機(jī)械裝置會(huì)消耗很高的功率，并且在拆卸時(shí)相對(duì)比較慢，除此之外，在密封條件下出現(xiàn)任何隙縫都可能導(dǎo)致機(jī)器人墜落。最后，抽吸黏合的機(jī)械裝置需要周圍的大氣壓使其緊貼于墻壁，所以，由于在太空中是零壓力的環(huán)境，這個(gè)裝置不能應(yīng)用到太空中去。另外一種常見類型的黏附裝置就是帶有磁性的，磁性黏合已經(jīng)被投入到爬壁機(jī)器人中去用來執(zhí)行一些特殊的任務(wù)，例如核設(shè)施的檢測(cè)。盡管如此，磁性裝置僅僅在表面上有鐵磁的特別環(huán)境中產(chǎn)生利用價(jià)值，因此把它投入到大部分應(yīng)用中的方案也是不可取的。 另外一個(gè)方案是研究被動(dòng)吸附的機(jī)械裝置，和那些經(jīng)常被攀爬動(dòng)物使用的相似。舉個(gè)例子說，當(dāng)蛤蚧壁虎承受300g的重量并移動(dòng)35cm的距離時(shí)，它仍然能夠緊抓光滑的墻壁逆向跑，獨(dú)特的黏性肉墊給壁虎帶來難以置信的移動(dòng)和攀爬性能。最近，納米技術(shù)已經(jīng)為模擬壁虎進(jìn)行設(shè)計(jì)的干燥黏合劑成立了新的制造技術(shù)，壁虎有了微觀上納米級(jí)的長寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的腳掌，它便能夠用一個(gè)受壓力約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。這種黏附主要是由諸如范德瓦爾斯作用力的分子作用力產(chǎn)生，腳毛有一個(gè)從微米級(jí)（花柄）到納米級(jí)（刮鏟花柄）的分支結(jié)構(gòu)，毛發(fā)還能夠彎曲以便能容納各種各樣的表面粗糙度，一旦干燥的黏合劑是基于范德瓦爾斯作用力，表面化學(xué)對(duì)它就沒有多少影響了，用這種方法能使干燥黏合劑在幾乎所有表面都會(huì)起作用，使用合成膠模擬壁虎的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被采用，預(yù)計(jì)它將會(huì)有一個(gè)理想的結(jié)果。如今，直徑為4nm，采用的是微成型技術(shù)的聚合物微纖維已經(jīng)上市，說它具有高精確性也是可能的，然而開發(fā)攀爬機(jī)器人的原型需要可靠的商用黏合劑，這樣才能應(yīng)用于大量的測(cè)試中。介于這個(gè)原因，有兩種商用黏合劑已經(jīng)投入試驗(yàn)：橡皮泥?和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。我們分別選了這兩種材料作為它們工作的壁虎黏合劑（當(dāng)然前提是相同實(shí)用原則下），通過對(duì)靠在表面上的材料預(yù)加負(fù)載，使接觸面積最大化，進(jìn)而建立分子間的相互作用。 圖.1顯示了使用自定義測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)果，黏合劑有95 mm 2的大小，它們被75mN的負(fù)載裝在玻璃表面上，一個(gè)接近0.08mm/s的速度和0.4mm/s的撤銷速度，接觸時(shí)間為1s。圖.1同時(shí)也說明，在這1s的接觸階段，由于黏合材料的可塑性，附加載荷慢慢減小。在這一階段，黏合劑屈從了表面粗糙程度并且填滿微觀間隙，此外，圖.1還顯示了橡皮泥? exerts the highest normal adhesive force and 施加的最高正常的附著力。因此，這種材料被我們選定應(yīng)用到機(jī)器人中去。 附件2：外文原文（復(fù)印件） 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 選題情況 課題名稱 電磁制動(dòng)器原理與設(shè)計(jì) 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書 有 √ 無 開題報(bào)告 有 √ 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 √ 一般 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢 中期工作匯報(bào)及解答問題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績?cè)u(píng)定：良 所在專業(yè)意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)(論文)題目： 電磁制動(dòng)器的原理與設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2010年2月24日 ~ 6月5日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 張 龍 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 發(fā)任務(wù)書日期: 2010年2月 23 日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： （1）提高調(diào)查研究、中外文獻(xiàn)檢索與閱讀的能力 （2）提高綜合運(yùn)用專業(yè)理論、知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力。 （3）提高獨(dú)立研究與論證的能力。 （4）提高設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖的能力及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。 （5）提高撰寫設(shè)計(jì)說明書的能力。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 一．課題內(nèi)容： （1）查閱相關(guān)資料，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。 （2）應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和繪制有限元云圖。 （3）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及相關(guān)文檔。 （4）主要技術(shù)參數(shù)：額定制動(dòng)扭矩500 Nm。 二．課題要求： 認(rèn)真查閱電磁制動(dòng)器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，確定其結(jié)構(gòu)和改進(jìn)方案。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)電磁制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變等分析，根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)方案。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： （1） 三維軟件設(shè)計(jì)電磁制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)。 （2） 有限元分析云圖。 （3） 改進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 沈世德等.實(shí)用機(jī)構(gòu)學(xué).1997 [2] 張毅，羅元，鄭太雄等.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2007 [3] 曹惟慶、徐曾蔭.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社1998 [4] 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5月26日--6月5日 完成英文翻譯和開題報(bào)告。 基本完成設(shè)計(jì)計(jì)算和理論分析。 完成規(guī)定的設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算。 完成論文初稿 整理和完成論文并準(zhǔn)備答辯。 論文評(píng)閱與答辯 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 2010 年 2 月22 日 系意見： 系領(lǐng)導(dǎo)： 2010 年 2 月23 日 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào)： 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目: 電磁制動(dòng)器原理及設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師: 副教授 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 材 料 目 錄 序號(hào) 名 稱 數(shù)量 備 注 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 1 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕 1 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 1 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 1 2010年 3 月 注：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查工作結(jié)束后，請(qǐng)將該封面與目錄中各材料合訂成冊(cè)，并統(tǒng)一存放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中（打印件一律用A4紙型）。 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 作 者: 學(xué) 號(hào)： 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目: 電磁制動(dòng)器原理與設(shè)計(jì) 副教授 指導(dǎo)者： (姓 名） (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評(píng)閱者： (姓 名） (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2010 年 5 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 本文提出一種新型汽車電制動(dòng)器方案，通過分析論證，該制動(dòng)系統(tǒng)將比液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制信號(hào)傳遞迅速、硬件簡單以及更易于集成化，在國內(nèi)發(fā)展前景較好。主要工作是首先確定總體方案為:以電磁鐵作為動(dòng)力源，由制動(dòng)盤與摩擦片的吸合產(chǎn)生制動(dòng)，通過理論分析并借助Pro/E、ANSYS等機(jī)械建模、有限元分析軟件輔助軟件，完成初步設(shè)計(jì)。再簡單闡述電磁體的制造工藝和它的動(dòng)態(tài)特性，分析吸合過程。最后把建好的模做有限元云圖，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到可行要求。 關(guān)鍵詞 電磁制動(dòng)器 電磁鐵 有限元 吸合 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要 Title Principle and design of electromagnetic brake Abstract This paper presents a new type of vehicle power brake program that the braking system control signal transfer more quickly than the hydraulic brake system by analyzing the argument.And its hardware is simple.Besides,it's easier to integrate than the hydraulic brake system. So it will have better prospects in the country.Now our major work is to determine the overall program . The electromagnet Play an important role of power source.It will achieve to brake by the brake discs and brake friction plate of the pull. We can complete the preliminary design through theoretical analysis and using Pro/E, ANSYS to establish model.Last we should use finite element analysis software supporting software.Then we can describe the manufacturing process and its dynamic characteristics.We build the final finite element cloud in the mold. And we make it get optimization of parameters to achieve practical requirements. Keywords Electromagnetic brake Electromagnet FEM Pull 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 電磁制動(dòng)器的原理與設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 2010年 3 月 19 日  開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 一 本課題的目的及研究意義 自上世紀(jì)九十年代，尤其是加入WTO后，我國汽車工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們生活水平隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量的要求也在不斷提高。2002年底我國小型客車的保有量在1000萬輛以上，而且在今后若干年內(nèi)還會(huì)以較高的增長速度增加，人們利用節(jié)假日出門旅游休閑正在成為時(shí)尚，如同目前發(fā)達(dá)國家的旅游業(yè)一樣，不少旅游休閑人員要享受大自然（海邊或山嶺區(qū)域）的樂趣，出門自己駕車。今后我國的汽車將會(huì)得到更大的發(fā)展，而解決汽車的制動(dòng)問題正是本課題研究成果的用武之地之一；其次，現(xiàn)在汽車工業(yè)是全球采購的模式，只要我們生產(chǎn)的電磁制動(dòng)器性能優(yōu)越、可靠、成本低，在國際市場(chǎng)上是很有競(jìng)爭力的；再次，利用本課題的研究成果，提高制動(dòng)器的制動(dòng)效能，便于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，市場(chǎng)前景極為廣闊。 電磁制動(dòng)器的研制，可以促進(jìn)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的發(fā)展、完善制動(dòng)器評(píng)價(jià)體系和制動(dòng)器性能的檢測(cè)方法，可以提高企業(yè)的自主開放能力、創(chuàng)新能力和競(jìng)爭能力，同時(shí)也推動(dòng)汽車行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。電磁制動(dòng)器用于汽車或汽車列車的行車制動(dòng)，可以顯著的縮短制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離，從而可以避免許多交通事故。另外，隨著車輛線控操作和汽車電子化的發(fā)展，電磁制動(dòng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的行車制動(dòng)也是一種必然。 因此，研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁制動(dòng)器，對(duì)趕超國際先進(jìn)水平，提高我國汽車制動(dòng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 二 制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 目前，液壓操縱仍然是最可靠最經(jīng)濟(jì)，即使增加了防抱制動(dòng)（ABS）功能后，傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍然占有優(yōu)勢(shì)地位。傳統(tǒng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)只做一件事情，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。因此結(jié)構(gòu)更簡捷，功能更可靠的系統(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)（BBW）是未來制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)。因?yàn)槠鋫鬟f的是電，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。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)和點(diǎn)制動(dòng)兩種系統(tǒng)，但這種混合制動(dòng)系統(tǒng)也只是一個(gè)過渡方案，因?yàn)楫?dāng)兩套制動(dòng)系統(tǒng)共存，是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高。而線控制動(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)。 2010年40%的歐洲汽車將全部采用x-by-wire(即線控目標(biāo))，通用公司的Autonomy上已使用brake-by-wire,steer-by-wire。目前，研制新型制動(dòng)器——電磁制動(dòng)器時(shí)機(jī)正合適。雖然近幾年國內(nèi)也有部分汽車配件企業(yè)和一些中外合資企業(yè)涉及到了拖車電磁制動(dòng)器及其配件的制造，如桂林市汽車配件總廠生產(chǎn)10英寸和12英寸兩種規(guī)格的電磁制動(dòng)器，但基本上采用國外的商業(yè)成品技術(shù)，產(chǎn)品絕大數(shù)銷往美國。該廠在我國申請(qǐng)了實(shí)用新型專利，其保護(hù)內(nèi)容基本與國外50年前的一樣，與目前國際同類產(chǎn)品相比還有很大的差距，國內(nèi)電磁制動(dòng)系統(tǒng)的研究工作才剛剛起步。 三 電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和原理 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)軸端的花鍵作軸向移動(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)部的彈簧壓縮，圓盤和端蓋與摩擦片脫開，動(dòng)片在空腔中可以自由旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)器處于松閘位置，電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。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頂回，于是動(dòng)片被卡在端蓋與圓盤之間，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)。 四 可行性分析 電制動(dòng)以其潛在的優(yōu)勢(shì)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(shì),并綜合研究了電制動(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)。由此可見，用電磁鐵做制動(dòng)器的執(zhí)行部分前人也曾做過，而且早于當(dāng)前占據(jù)統(tǒng)治地位的液壓制動(dòng)器。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。 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。 參考文獻(xiàn) [1] 郭孔輝，王會(huì)義.模糊控制方法在汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2000，10(3)：7-10. 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2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： 電磁制動(dòng)器涉及的設(shè)計(jì)理論具有一定的技術(shù)難度；課題研究的目的在于通過電磁制動(dòng)器較完整的設(shè)計(jì)和理論研究過程實(shí)踐，提高機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力；該課題研究適合機(jī)械專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。課題涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)和有限元分析計(jì)算，而且對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧方面的要求較高，課題研究能很好地鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)學(xué)生能完成理論分析和基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等任務(wù)。 指導(dǎo)教師： 2010年 3 月 25 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 2010 年 3 月 27日 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(shì)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(cè)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(chǎng)，磁粉在磁場(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)，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(shì)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(shì)，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： 每個(gè)后輪所需總制動(dòng)力矩為： 相應(yīng)每側(cè)摩擦片應(yīng)提供的制動(dòng)力矩為 后輪制動(dòng)器制動(dòng)負(fù)荷較小，相應(yīng)每側(cè)摩擦片應(yīng)提供的制動(dòng)力矩為： 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?。軟磁材料磁性能的主要特點(diǎn)是:磁導(dǎo)率高，矯頑力低，易于飽和。當(dāng)外磁場(chǎng)去掉后，磁性基本消失。而硬磁材料在所加的磁化磁場(chǎng)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(chǎng)和熱力場(chǎng)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(chǎng)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?；炝瞎に囆杼厥饪紤]，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(cè)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(shì)，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(shì)i。這個(gè)反電勢(shì)和線圈自感電勢(shì)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(shì)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(chǎng)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(chǎng)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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