电磁制动器的原理与设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共31页1引言1.1课题研究的背景及意义制动器是保障汽车安全运行、取得预期运行效益的最基本的使用性能，因此汽车制造厂、使用者、汽车维修和管理人员都很重视车辆的制动性。随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性日渐突出，众多的汽车工程师在改进汽车制动性能的研究中倾注了大量的心血。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，包括制动控制的理论和方法以及采用新的技术。最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，那时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自身质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动（图1.1）是继机械制动后的又一重大革新。DuesenbergEight车率先使用了轿车液压制动器，克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世，通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。1.前轮制动器2.制动轮缸3、6、8.油管4.制动踏板机构5.制动主缸7.后轮制动器图1.1本科毕业设计说明书（论文）第2页共31页在液压鼓式制动器出现的若干年后，人们又发明了液压钳盘式制动器，盘式制动器又称为碟式制动器，顾名思义，是取其形状而得名。由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动卡钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统（ABS)的实用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分：传感器、控制器（电子计算机）与压力调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。1.2制动系统的现状与发展目前液压操纵仍然是最可靠、经济的方法，即使增加了防抱制动（ABS)功能后，传统的油液制动系统仍然占有优势地位。传统的控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后制动力平衡。而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要对油液压力进行调节。传统的液压制动系统发展至今已是非常成熟的技术，随着人们对制动性能要求的不断提高，防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定性控制程序（ESP)、主动避撞技术（ACC）等功能逐渐融入到制动系统中，越来越多的附加机构安装于制动线路上，这使得制动系统结构更加复杂，也增加了液压回路泄露的隐患以及装配、维修的难度。因此，一种结构更简捷，功能更可靠的制动系统呼之欲出。随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。线控制动系统失一个全新的系统，给制动系统带来巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件。随着汽车电子化的发展，现代汽车制动控制技术正朝着电制动方向发展。电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。但这种混合制动系统也只是全电制动系统的过渡方案，由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。而线控制动因其巨大的优越性，必将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。其主要包含以下部分：本科毕业设计说明书（论文）第3页共31页(1)电制动器—其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种；(2)电制动控制单元（ECU)—接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑；(3)轮速传感器—准确、可靠、及时地获得车轮的速度；(4)线束—给系统传递能源和电控制信号；(5)电源—为整个电制动系统提供能源，可与其他系统共用。从结构上可以看出这种电路制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优点：(1)整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置，使整车质量降低；(2)制动响应时间短，提高制动性能；(3)无制动液，维护简单；(4)系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；(5)采用电线连接，系统耐久性能好；(6)易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。电制动是一个新生事物，要想全面推广还有不少问题需要解决：首先是驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制动器大约需要1kW的驱动能量。目前车辆12V的电力系统提供不了这么大的能量，因此，将来车辆动力系统采用高压电，加大能源供应。其次是控制系统失效处理。电制动控制系统面临的一个难题是制动失效的处理。因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，不论是ECU元件失效，传感器失效还是制动本身、线束失效，都能保证制动的基本性能。第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统。相信随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，线控制动系统也会以其巨大的优越性取代以液压为主的传统制动系统。1．3电制动器的研究与发展概况电制动器并不是一个新鲜的事物，他在其他领域如起重机绞盘制动、电梯制动等方面有广泛的应用。关于车辆的“Brake—By—Wire”技术目前已有多种实现方式，本科毕业设计说明书（论文）第4页共31页本文仅列举最有代表的类型，即电磁制动器。电磁制动系统是指使用电子装置的电磁制动机构，通过控制电流等相关参数来改制动力。由于代替了传统的液压制动机构，电磁制动系统不再使用液压油，从而减少了液压油燃烧的危险，提高了安全性，也减轻了车辆自身的重量。电磁制动系统中采用了转速犯规控制系统，显著改善了制动力矩和防滑性能，缩短了制动距离，提高了轮胎和制动装置的使用寿命，而且电磁制动系统的制动效率优于液压系统。电磁制动系统将是机动车制动系统发展的新方向。利用电磁效应实现制动的制动器，分为电磁粉末制动器和电磁涡流制动器，电磁摩擦式制动器等多种形式。(1)电磁粉末制动器：激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化,形成磁粉链,并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种制动器体积小，重量轻,激磁功率小,而且制动力矩与转动件转速无关，可通过调节电流来调节制动扭矩，但磁粉会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。(2)电磁涡流制动器：激磁线圈通电时形成磁场，制动轴上的电枢旋转切割磁力线而产生涡流。电枢内的涡流与磁场相互作用形成制动力矩。电磁涡流制动器坚固耐用、维修方便、调速范围大；但低速时效率低、温升高，必须采取散热措施。这种制动器常用于有垂直载荷的机械中。(3)电磁摩擦式制动器：激磁线圈通电产生磁场，通过磁轭吸合衔铁，衔铁通过联结件实现制动。另外还细分为干式单片电磁制动器、干式多片电磁制动器、湿式多片电磁制动器等等。1．4研究内容及项目可行性分析1.4.1研究内容本文初步研究盘式电磁制动器，采用多种工具软件辅助设计，并做出一个较为合理的电制动器结构设计，使之能满足制动要求。遵循这一设计方案，要研究的内容主要包括三部分：(1)制动器机械结构设计研究，包括机构整体构造，关键零件的设计，并绘制有限元云图。(2)电磁铁组件的设计和理论分析，研究其制造工艺。本科毕业设计说明书（论文）第5页共31页(3)制动性能的分析与研究，对设计好的制动器研究其制动能力、维修等问题。1.4.2可行性分析电制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注，针对目前对电制动系统研究的加强趋势，综合研究了电制动领域的相关知识，提出一种思路和实施方案。(1)方案实施的理论基础。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得到越来越广泛的应用，电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装置。对电磁铁的研究，前人已经积累了丰富的经验，这可以作为研究的理论基础。(2)研究目标在现有的技术条件下的可实现性。从制动器发展历史上看，在1898年，克利夫兰的埃·安·斯佩里设计的一辆电动汽车就采用前轮电磁盘式制动器。斯佩里用圆盘分别与各个车轮的轮毂连成一体，另有一个镶有摩擦片的小圆盘，制动时，通过电磁铁的作用，使它紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧又把摩擦盘收回，车轮又可以自由转动。此外，电磁抱闸制动器在电梯和起重机绞盘用的电磁盘式制动中已得到成熟应用（如图1.3所示）。综上所述，以电磁铁作为制动器制动机构在技术上可行。1.轭铁2.弹簧3.衔铁4、7.摩擦片5.盘6.桥8.夹具9、10.棘轮机构11.励磁线圈图1.3本科毕业设计说明书（论文）第6页共31页2制动器的设计研究鼓式制动器已经在应用中，盘式制动器与鼓式相比具有结构紧凑，安装方便，使用寿命长，热、水稳定性好等优点，所以本文决定采用盘式制动器。在制动器的设计上，用电磁铁的电磁力直接推动摩擦块工作是最简单的方法。2．1电磁制动器的工作原理圆盘式电磁制动器主要由弹簧、摩擦片、端盖、动片、调节螺丝、电磁铁圆盘、线圈、轴等组成。摩擦片铆接在动片上，可随轴一起旋转，沿着电动机轴端上的键作轴向移动。动片外侧是端盖，内侧是电磁铁圆盘。当电动机介入电源时，制动器线圈同时通上直流电，电磁铁圆盘立即被吸上，使电磁铁内部的弹簧拉伸，圆盘和端盖与摩擦片吸合，动片在空腔中停止旋转，摩擦片与它们摩擦产生制动力矩，从而电机被制动。若电机断电，制动器线圈同时断电，电磁铁圆盘失去吸力被弹簧拉回，于是动片又能自由旋转。此电磁制动器是单片干板制动器，属常开型。2．2制动系统的分析2.2.1制动力矩的计算车轮滚动周长：L=2πRr在制动距离内车轮转过的圈数：N=LS则转过总的角度为：α=2πN车子的总动能为：E=21Mv2制动力分配系数：β=ffFF1=211fffFFF式中Ff1——前轴车轮的制动器制动力；Ff2——后轴车轮的制动器制动力；Ff3——汽车总制动器制动力。通常，轿车的β值取0.565—0.615，货车取0.333—0.412，本文取为0.6。本科毕业设计说明书（论文）第7页共31页每个前轮要分担的动能为：2EEf×60%每个后轮要分担的动能为：2EEf×40%每个前轮所需总制动力矩为：此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩2.2.2制动盘直径的确定制动盘直径越大则所需制动力越小，有利于减小电磁铁的尺寸，故尽量取较大的盘径。由于本课题要求的主要技术参数为额定制动扭矩500Nm，根据《汽车标准汇编》，本文取制动盘直径为270mm。2.2.3制动盘厚度的确定在本设计中，制动盘又称衔铁，通过电磁体的通断电过程使衔铁吸合。在衔铁对着摩擦片的一侧，涂有特殊的摩擦材料，使之在通电之后与摩擦片进行接触，最后达到制动效果。制动盘厚度直接影响着制动盘质量和工作时的温升，为使质量不致太大，制动盘厚度应取的适当小些，为了降低工作时的温升，制动盘厚度不宜过小。制动盘可以制成实心的，而有时为了通风散热，还可以在制动盘的两工作面之间铸出通风孔道。通常实心制动盘可取为10—20mm，在这里取14mm。2.2.4摩擦片参数的确定根据一些文献资料的参考，取摩擦片的外半径R2=240mm，由其外内半径比为12RR1.5,则内半径R1=160mm。2.2.5摩擦片