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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 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07—1班
學(xué) 生 姓 名: 葉春暉
導(dǎo) 師 姓 名: 安永東
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011年2月28日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
葉春暉
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車輛工程07—1班
指導(dǎo)教師姓名
安永東
職稱
副教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
車用盤式電磁制動(dòng)器設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1、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(kāi)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)林肯汽車公司也于1932年推出V12汽車，該車采用通過(guò)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)的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了液壓制動(dòng)器?？巳R斯勒的四輪液壓制動(dòng)器于1924年問(wèn)世，美國(guó)通用和福特公司分別于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，人們又發(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。1992年ABS的世界產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn)，世界汽車ABS的裝有率超過(guò)20%。一些國(guó)家已制定法規(guī)，使ABS成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。傳統(tǒng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)只做一樣事情，即均勻分配油液壓力。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，主缸將等量的油液送到通往每個(gè)制動(dòng)器的管路，通過(guò)比例閥使前后制動(dòng)力平衡。而ABS則按照每個(gè)制動(dòng)器的需要對(duì)油液壓力進(jìn)行調(diào)解。
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(lái)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(lái)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，正是由于它的加入，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。由于各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)變速系統(tǒng)，無(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
（1）整個(gè)汽車制動(dòng)系統(tǒng)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(wú)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）易于改進(jìn)，稍加改進(jìn)就可以增加各種電控制功能。
對(duì)于汽車電磁制動(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)了主要用于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)外的電氣汽車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)工作開(kāi)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)用于拖車的制動(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(kāi)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)器的研究起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。近幾年國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開(kāi)始致力于這方面的研究，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)于汽車電磁制動(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，為此研究適用于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，由于不再靠液壓油產(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)器更易于與ABS等汽車上的電子裝置集成，且相對(duì)于制動(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，由于使用線束代替機(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)于制動(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。
2、選題目的和意義
電磁制動(dòng)器系統(tǒng)是一個(gè)全新的系統(tǒng)，為將來(lái)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；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)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。
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(lái)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。它主要通過(guò)控制器發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)以電流的形式通過(guò)電磁體，利用改變通入電磁體的電流來(lái)改變制動(dòng)器的制動(dòng)力。由于電磁制動(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(kāi)發(fā)和研制電磁制動(dòng)器提供理論基礎(chǔ)。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
1、研究的基本內(nèi)容
（1）汽車電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（2）研究電磁體的動(dòng)態(tài)工作特性。
（3）建立汽車電磁制動(dòng)器的力學(xué)模型并加以分析，建立仿真模型。
（4）使用MATLAB軟件中的SIMULINK工具箱對(duì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行仿真分析。
2、擬解決的主要問(wèn)題
（1）如何解決電磁力的準(zhǔn)確計(jì)算與控制,根據(jù)所需的制動(dòng)力矩確定出電磁鐵的相關(guān)參數(shù)。
（2）如何設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)的增力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的放大與傳遞。
（3）電磁制動(dòng)器制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)。
三、技術(shù)路線（研究方法）
制動(dòng)器性能仿真及結(jié)果分析
參數(shù)的修正
增力機(jī)構(gòu)的仿真分析
總體方案的確定
電磁鐵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
制動(dòng)器增力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
制動(dòng)器主要等參數(shù)的確定
四、進(jìn)度安排
1、進(jìn)行文獻(xiàn)檢索查，查看相關(guān)資料，對(duì)課題的基本內(nèi)容有一定的認(rèn)識(shí)和了解。完成開(kāi)題報(bào)告。第1-2周（2月28日～3月11日）
2、初步確定設(shè)計(jì)的總體方案，討論確定方案；對(duì)電磁制動(dòng)器的各組成部分進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。第3-6周（3月14日～4月8日）
3、提交設(shè)計(jì)草稿，進(jìn)行討論，修定。第7周（4月11日～4月15日）
4、詳細(xì)設(shè)計(jì)制動(dòng)器，設(shè)計(jì)非標(biāo)件，繪制制動(dòng)器裝配圖及及零件圖。第8-12周（4月18日～5月20日）
5、提交正式設(shè)計(jì)，教師審核。第13-14周（5月23日～6月3日）
6、按照審核意見(jiàn)進(jìn)行修改。第15周（6月6日～6月10日）
7、整理所有材料，裝訂成冊(cè)，準(zhǔn)備答辯。第16周（6月13日～6月17日）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
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B07-1班
學(xué)生姓名： 葉春暉
指導(dǎo)教師： 安永東
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
The design of electromagnetic vehicle disc brake
Candidate：Ye Chunhui
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B07-1
Supervisor：Associate Prof. An Yongdong
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
車輛制動(dòng)系統(tǒng)在車輛的安全方面就起著決定性作用。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)于鼓式剎車,制動(dòng)效能的恒定性好,便于安裝像ABS那樣的高級(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)用于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，由于盤式電磁制動(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(guò)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)研究仍處于起步階段，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)于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(guò)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)；
ABSTRACT
The vehicle braking system in vehicle security to play a decisive role. Many different types of vehicle brake system, brake system, the traditional structure of the main types of mechanical, pneumatic, hydraulic, gas-liquid hybrid. Hydraulic brake technology is now the most mature and most economical braking technology, and apply to the current on most passenger cars.
Currently, almost all cars use friction brakes, the drum and the disc can be divided into two categories. The main advantage of disc brakes at high speed braking when the brake quickly, heat better than drum brakes, brake performance constant good, easy to install as advanced electronic devices like ABS.
Electromagnetic disc brake is a friction-type electronically controlled brakes, currently used in the trailer brake on a particular car, but with the car's development, high dynamic performance breakthrough in automotive technology, automotive braking systems will occur change, while the electromagnetic brake is the principle of electromagnetic resistance to the vehicle kinetic energy into heat consumption to achieve the brake, electromagnetic brake of the security, flexibility, simplicity, operability, will be the development direction of automotive brake systems , due to the electromagnetic brake disc control principle, structure and maturity of the technology similar to hydraulic disc brakes, so the processing technology to facilitate, through the design of the disc brake can be satisfied with the calculation of the braking effect when the vehicle brakes in order to achieve car safety brake.
But the current domestic research still in its infancy, the electromagnetic brakedesign and research stay in the car and trailer, the electromagnetic brake for mini-cardesign study less, this paper presents a miniature electromagnetic brakes carprogram, as the power to solenoid source, through the mechanical force amplifier willamplify and promote the electromagnetic force generated friction brake pads, brake in order to achieve the purpose and design simulation and analysis of electromagneticbrake.
Key words: Electromagnetic brake;?Electromagnet;?Disc brakes; Braking?systems;?Force
amplifier
I
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
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 7
2.4.1制動(dòng)盤直徑D 7
2.4.2制動(dòng)盤厚度h 7
2.4.4摩擦襯塊工作面積A 8
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) 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 18
4.5.1長(zhǎng)臂連桿的靜力分析 18
4.5.2短臂連桿的靜力分析 20
4.5.3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
6.1MATLAB軟件概論 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
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 課題背景及目的
汽車制動(dòng)系統(tǒng)是用于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)又可分為電磁式、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(kāi)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)械式多用于汽車的駐車制動(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)在于:
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、安裝、維護(hù)方便。
（2）可靠性高。用電纜代替管路，可方便地通過(guò)增加冗余電路來(lái)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。
（3）集成方便。未來(lái)汽車上的電子裝置將越來(lái)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)。
（4）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(guò)電子—液壓，再液壓—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。
（5）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(méi)有液壓油的污染問(wèn)題，有利于環(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(lái)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；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)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。
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(lái)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。它主要通過(guò)控制器發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)以電流的形式通過(guò)電磁體，利用改變通入電磁體的電流來(lái)改變制動(dòng)器的制動(dòng)力。由于電磁制動(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(kāi)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(kāi)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)林肯汽車公司也于1932年推出V12汽車，該車采用通過(guò)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)的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了液壓制動(dòng)器?？巳R斯勒的四輪液壓制動(dòng)器于1924年問(wèn)世，美國(guó)通用和福特公司分別于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，人們又發(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。
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(lái)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(lái)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，正是由于它的加入，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。由于各種控制系統(tǒng)如衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)變速系統(tǒng)，無(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
（1）整個(gè)汽車制動(dòng)系統(tǒng)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(wú)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）易于改進(jìn)，稍加改進(jìn)就可以增加各種電控制功能。
對(duì)于汽車電磁制動(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)了主要用于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)外的電氣汽車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)工作開(kāi)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)用于拖車的制動(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(kāi)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)器的研究起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。近幾年國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開(kāi)始致力于這方面的研究，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)于汽車電磁制動(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，為此研究適用于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，由于不再靠液壓油產(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)器更易于與ABS等汽車上的電子裝置集成，且相對(duì)于制動(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，由于使用線束代替機(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)于制動(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。
1.3 設(shè)計(jì)應(yīng)解決的難點(diǎn)
（1）電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（2）制動(dòng)器參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（3）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；
（4）電磁體的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（5）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(guò)程中，制動(dòng)初速度為50km/h時(shí)，汽車制動(dòng)距離不得大于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(guò)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(guò)程
駕駛員接到緊急停車信號(hào)時(shí)，并沒(méi)有立即行動(dòng),而要經(jīng)過(guò)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(guò)后才踩著制動(dòng)踏板。從a點(diǎn)到b點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱為駕駛員反映時(shí)間。一般為0.31.0s之間。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(guò)由于制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤之間存在間隙，所以要經(jīng)過(guò)，即至c點(diǎn)，制動(dòng)力才起作用，使汽車開(kāi)始產(chǎn)生減速度。由c點(diǎn)到e點(diǎn)是制動(dòng)器制動(dòng)力增長(zhǎng)過(guò)程所需的時(shí)間?？偡Q為制動(dòng)器的作用時(shí)間。制動(dòng)器作用時(shí)間一方面取決于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。一般為0.20.9s之間。由e到f為持續(xù)制動(dòng)時(shí)間，其減速度基本不變。到f點(diǎn)式駕駛員松開(kāi)踏板，但制動(dòng)力的消除還需要一段時(shí)間。從制動(dòng)的全過(guò)程來(lái)看，總共包括駕駛員見(jiàn)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(kāi)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：
（2.1）
式中： ——制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，取；
——制動(dòng)作用時(shí)間，?。?
——制動(dòng)初速度，；
——制動(dòng)加速度，取路面附著系數(shù)為0.75，則。
故總的制動(dòng)距離為
因此設(shè)計(jì)滿足GB\7258-2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中關(guān)于制動(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。
2.3制動(dòng)力矩的計(jì)算
車輪滾動(dòng)周長(zhǎng)：
(2.2)
在制動(dòng)距離內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)：
（2.3）
制動(dòng)過(guò)程中車輪轉(zhuǎn)過(guò)總的角度：
= （2.4）
車子的總動(dòng)能為：
（2.5）
制動(dòng)力分配系數(shù)：
（2.6）
式中： ——前軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力；
——后軸車輪的制動(dòng)器制動(dòng)力
——汽車總制動(dòng)器制動(dòng)力。
通常，轎車的值取0.560.66，取每個(gè)前輪要分擔(dān)的動(dòng)能為:
（2.7）
每個(gè)后輪要分擔(dān)的動(dòng)能為:
（2.8）
則每個(gè)前輪所需總制動(dòng)力矩為:
（2.9）
每個(gè)后輪所需總制動(dòng)力矩為:
（2.10）
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。
2.4盤式制動(dòng)器的主要參數(shù)選擇
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)鉗的夾緊力，降低襯塊的單位壓力和工作溫度。制動(dòng)盤直徑受輪輞直徑的限制。通常，制動(dòng)盤的直徑為輪輞直徑的70%79%。查閱輪胎規(guī)格，滾動(dòng)半徑為286mm的輪胎，輪輞尺寸為14inch，1mm，則輪輞直徑為355.6mm，制動(dòng)盤直徑，取。
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，厚度又不宜過(guò)小。通常實(shí)心制動(dòng)盤厚度可取10mm20mm；具有通風(fēng)孔道的制動(dòng)盤多采用20mm30mm。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R1和外半徑R2
制動(dòng)襯塊由摩擦塊和金屬背板構(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7.5mm16mm之間，取厚度為10mm襯塊的外半徑與內(nèi)半徑之比不大于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,外半徑，選取襯塊圓心角為80。
2.4.4摩擦襯塊工作面積A
（2.11）
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)襯快單位面積占有的汽車質(zhì)量，推薦在1.6～3.5kg/cm范圍內(nèi)選取。
（2.12）
求得單位襯塊面積占有汽車質(zhì)量，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)襯塊作用于制動(dòng)盤上的制動(dòng)力矩為：
（2.13）
壓緊力： （2.14）
式中： ——摩擦襯塊與制動(dòng)盤之間單位面積上的壓力；
——摩擦片摩擦系數(shù)，取。
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，選用液壓缸，液壓缸兩側(cè)油壓相等，在制動(dòng)過(guò)程中液壓缸只起到傳力作用。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：
（2.15）
式中： l——制動(dòng)間隙；
d——制動(dòng)鉗體中活塞的直徑，取d=33mm。
液壓缸直徑應(yīng)在GB 7524—87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸中選取，選取液壓缸直徑為16mm則液壓缸活塞行程：
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（用于全盤式制動(dòng)器）和禮帽形（用于鉗盤式制動(dòng)器）兩種。禮帽形制動(dòng)盤的圓柱部分長(zhǎng)度取決于布置尺寸。
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—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20mm22.5mm之間。而一般不帶通風(fēng)槽的轎車制動(dòng)盤，其厚度約在10mm13mm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)大于0.008mm；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)大于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)將位于制動(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)鉗體連同固定于其上的制動(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(lái)說(shuō)，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?？勺龀烧w的，也可以做成兩半并由螺栓連接。其外緣留有開(kāi)口，以便不必拆下制動(dòng)鉗便可檢查或更換制動(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（雙缸），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(kāi)口端頂靠制動(dòng)襯塊的背板。有的將活塞開(kāi)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)行鍍鉻處理。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(wèn)題。為此，應(yīng)減小活塞與制動(dòng)襯塊背板的接觸面積，有時(shí)，也可采用非金屬活塞。
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)鉗位于車方軸前可避免輪胎甩出來(lái)的泥、水進(jìn)入制動(dòng)鉗，位于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鉚接或粘接在一起。襯塊多為扇形，也有舉行、正方形或長(zhǎng)圓形的。活塞應(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（膠）。由于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7.5mm16mm之間，中、重型汽車的摩擦襯塊的厚度在14mm22mm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)襯塊在的加熱板上作用30min后，背板的溫度不超過(guò)）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(wú)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(shù)脂粘結(jié)劑、調(diào)整摩擦性能的填充劑（由無(wú)機(jī)粉粒及橡膠、聚合樹(shù)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(shù)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(shù)脂結(jié)合劑經(jīng)干燥后輥壓制成。其撓性好，剪切后可以直接鉚到任何半徑的制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶上。在溫度下，它具有較高的摩擦系數(shù)（），沖擊強(qiáng)度比模壓材料高45倍。但其耐熱性差，在以上即不能承受較高的單位壓力，磨損加快。因此，這種材料僅適用于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(wú)石棉摩擦材料是以多種金屬、有機(jī)、無(wú)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。若金屬纖維（多為鋼纖維）和粉末的含量在40%以上，則稱為半金屬摩擦材料，這種材料在美、歐各國(guó)廣泛用于轎車的盤式制動(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)量的60%80%），摻上石墨粉、陶瓷粉等非金屬粉末作為摩擦系數(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，適用于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0.30.5，少數(shù)可達(dá)0.7.設(shè)計(jì)計(jì)算制動(dòng)器時(shí)一般取。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(wú)石棉摩擦材料，取。
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)器不僅制動(dòng)間隙小（單側(cè)0.05mm0.15mm），而且制動(dòng)盤受熱膨脹后對(duì)軸向間隙幾乎沒(méi)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于設(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(guò)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。
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)有了清晰的認(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(guò)程中需要大的電磁力來(lái)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(guò)大，可能導(dǎo)致無(wú)法安裝使用，而且增加材耗，自身質(zhì)量過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)，采用連桿力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如表4.1。
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
鉸鏈的磨損較輕
圖4.1 鉸桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
本文設(shè)計(jì)使用的是一種鉸桿增力機(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)架鉸接，另一端連接連桿。為施加的源動(dòng)力，作用在曲柄和連桿的鉸接點(diǎn)上；為增力機(jī)構(gòu)的輸出力。
4.2增力機(jī)構(gòu)的自由度分析
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，低副數(shù)目為，高副數(shù)目為，則機(jī)構(gòu)的自由度為：
（4.1）
圖4.2 增力機(jī)構(gòu)方案一
在方案一中，構(gòu)件數(shù)，由于全部為低副，則，，則機(jī)構(gòu)的自由度：
由于自由度為零，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
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)，, ，則機(jī)構(gòu)的自由度：
說(shuō)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： ——電磁鐵電磁力；
——連桿的支反力；
——連桿的支反力，由于兩鉸桿等臂對(duì)稱，可得：；
——連桿和連桿分別與水平方向的夾角；
——二力桿上的平衡力 ；
——力在Y軸方向上的分力；
——力在X軸方向上的分力。
對(duì)三桿鉸接點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，作用在此點(diǎn)的力有三個(gè): , ,。列出此點(diǎn)的力平衡方程，在X軸方向上:
（4.2）
在Y軸方向上:
（4.3）
由，可得：
(4.4)
（4.5）
則增力機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)為：
(4.6)
由式（4.6）可見(jiàn)，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)與角度成線性關(guān)系。為了既獲得較大的增力比，又使滑塊達(dá)到要求的最大位移，取，則。經(jīng)試算和核算，確定構(gòu)件與尺寸。
最大滑塊行程：
（4.7）
最大銜鐵行程：
（4.8）
式中： ——長(zhǎng)臂連桿長(zhǎng)度；
——短臂連桿長(zhǎng)度。
其中，的值很小，可忽略不計(jì)，則最大銜鐵行程：
（4.9）
選取，，夾角從10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)，夾角=3.8,銜鐵下降距離為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所示。
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(guò)程，通過(guò)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)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(wèn)題，從而大大縮短設(shè)計(jì)開(kāi)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)用于新產(chǎn)品開(kāi)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?lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)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，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(wèn)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。
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，外圓半徑為8mm，兩圓孔的中心距為50mm。如圖4.5所示。
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，SOLIDl85等。在此分析中采用Brick 10nodel87單元。
3)定義材料屬性。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(lái)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。故將與支座孔鉸接的受壓力側(cè)孔面完全(All DOF)約束，將載荷40N/mm2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，由圖可知短臂連桿最大形變?yōu)?.005292mm，構(gòu)件上最大應(yīng)力值為106.263MPa，小于材料許用應(yīng)力113MPa，由此可見(jiàn)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，外圓半徑為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Brick 10nodel87單元。
3)定義材料屬性。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(lái)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。故將與支座孔鉸接的受壓力側(cè)孔面完全(All DOF)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
圖4.10 短臂連桿網(wǎng)格劃分
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)?.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，小于材料的許用應(yīng)力113MPa，由此可見(jiàn)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)力圖
4.5.3增力機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析
模態(tài)分析是用來(lái)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。現(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Brick 8nodel87單元，轉(zhuǎn)動(dòng)銷及螺母采用Brick 10node92單元。
3)定義材料屬性。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7850其他零件的彈性模量為2.1E11，泊松比為0.28，材料密度為7800。
4）網(wǎng)格劃分。采用SmartSize中的Level6來(lái)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（ALL DOF）；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
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
圖4.17 第三階振型圖
圖4.18 第四階振型圖
圖4.19 第五階振型圖
圖4.20 第六階振型圖
從表中可知，在制動(dòng)過(guò)程中增力機(jī)構(gòu)的6階固有頻率。做模態(tài)分析的目的在于運(yùn)用制動(dòng)器時(shí)避開(kāi)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，選取了鉸桿機(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(guò)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):
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。
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)：
=(1.1～1.2) (5.1)
(5.2)
式中： ——?jiǎng)?lì)磁電流；
——線圈匝數(shù)；
——?dú)庀断陌苍眩?
——等效氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；
——?dú)庀堕L(zhǎng)度。
——真空磁導(dǎo)率，
在本文的設(shè)計(jì)計(jì)算中，選取
對(duì)其合理選擇非常重要。取得太小，則鐵芯和線圈的尺寸都會(huì)過(guò)大，很不經(jīng)濟(jì)；反之，若取得過(guò)大，則鐵芯將趨于飽和，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(kāi)位置，由于存在漏磁，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，所選的必須小于上述膝點(diǎn)附近的值。在初算中，對(duì)于短行程電磁鐵值可取6000～8000GS，對(duì)于短時(shí)工作制或反復(fù)工作制的電磁鐵，可以取大一些，以提高材料利用率。取 =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6.8mm。
5.2鐵芯截面積的計(jì)算
根據(jù)電磁鐵吸力計(jì)算公式：