電磁制動器的原理與設計.doc

《電磁制動器的原理與設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《電磁制動器的原理與設計.doc（35頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 1.1 課題研究的背景及意義 制動器是保障汽車安全運行、取得預期運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性。隨著車輛技術的進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汽車制動性能的研究中傾注了大量的心血。目前關于汽車制動的研究主要集中在制動控制方面，包括制動控制的理論和方法以及采用新的技術。 最原始的制動控制只是駕駛員操縱一組簡單的機械裝置向制動器施加作用力，那時的車輛質(zhì)量比較小，速度比較低，機械制動雖已滿足車輛制動的需要，但隨著汽車自身質(zhì)量的增加，助力裝置對機械制動器來說已顯得十分必要。這時，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的鼓式制動器，并有制動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器。 隨著科學技術的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術的發(fā)展，車輛制動有了新的突破，液壓制動（圖1.1）是繼機械制動后的又一重大革新。Duesenberg Eight車率先使用了轎車液壓制動器，克萊斯勒的四輪液壓制動器于1924年問世，通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動技術。到20世紀50年代，液壓助力制動器才成為現(xiàn)實。 1.前輪制動器 2.制動輪缸 3、6、8.油管 4.制動踏板機構 5.制動主缸 7.后輪制動器 圖1.1 在液壓鼓式制動器出現(xiàn)的若干年后，人們又發(fā)明了液壓鉗盤式制動器，盤式制動器又稱為碟式制動器，顧名思義，是取其形狀而得名。由液壓控制，主要零部件有制動盤、分泵、制動鉗、油管等。制動盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動。分泵固定在制動器的底板上固定不動。制動卡鉗上的兩個摩擦片分別裝在制動盤的兩側。 20世紀80年代后期，隨著電子技術的發(fā)展，世界汽車技術領域最顯著的成就就是防抱制動系統(tǒng)（ABS)的實用和推廣。ABS集微電子技術、精密加工技術、液壓控制技術為一體，是機電一體化的高技術產(chǎn)品。它的安裝大大提高了汽車的主動安全性和操縱性。防抱裝置一般包括三部分：傳感器、控制器（電子計算機）與壓力調(diào)節(jié)器。傳感器接受運動參數(shù)，如車輪角速度、角加速度、車速等傳送給控制裝置，控制裝置進行計算并與規(guī)定的數(shù)值進行比較后，給壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出指令。 1.2 制動系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 目前液壓操縱仍然是最可靠、經(jīng)濟的方法，即使增加了防抱制動（ABS)功能后，傳統(tǒng)的油液制動系統(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。當制動踏板踏下時，主缸就將等量的油液送到通往每個制動器的管路，并通過一個比例閥使前后制動力平衡。而ABS或其他一種制動干預系統(tǒng)則按照每個制動器的需要對油液壓力進行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)發(fā)展至今已是非常成熟的技術，隨著人們對制動性能要求的不斷提高，防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定性控制程序（ESP)、主動避撞技術（ACC）等功能逐漸融入到制動系統(tǒng)中，越來越多的附加機構安裝于制動線路上，這使得制動系統(tǒng)結構更加復雜，也增加了液壓回路泄露的隱患以及裝配、維修的難度。因此，一種結構更簡捷，功能更可靠的制動系統(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，汽車制動系統(tǒng)的形式也將發(fā)生變化。線控制動系統(tǒng)失一個全新的系統(tǒng)，給制動系統(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)代汽車制動控制技術正朝著電制動方向發(fā)展。電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。但這種混合制動系統(tǒng)也只是全電制動系統(tǒng)的過渡方案，由于兩套制動系統(tǒng)共存，使結構復雜，成本偏高。而線控制動因其巨大的優(yōu)越性，必將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng)。 其主要包含以下部分： (1)電制動器—其結構和液壓制動器基本類似，有盤式和鼓式兩種； (2)電制動控制單元（ECU)—接收制動踏板發(fā)出的信號，控制制動器制動；接收駐車制動信號，控制駐車制動；接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等，控制車輪制動力，實現(xiàn)防抱死和驅(qū)動防滑； (3)輪速傳感器—準確、可靠、及時地獲得車輪的速度； (4)線束—給系統(tǒng)傳遞能源和電控制信號； (5)電源—為整個電制動系統(tǒng)提供能源，可與其他系統(tǒng)共用。 從結構上可以看出這種電路制動系統(tǒng)具有其他傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點： (1)整個制動系統(tǒng)結構簡單，省去了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的制動油箱、制動主缸、助力裝置，使整車質(zhì)量降低； (2)制動響應時間短，提高制動性能； (3)無制動液，維護簡單； (4)系統(tǒng)總成制造、裝配、測試簡單快捷，制動分總成為模塊化結構； (5)采用電線連接，系統(tǒng)耐久性能好； (6)易于改進，稍加改進就可以增加各種電控制功能。 電制動是一個新生事物，要想全面推廣還有不少問題需要解決： 首先是驅(qū)動能源問題。采用全電路制動控制系統(tǒng)，需要較多的能源，一個盤式制動器大約需要1kW的驅(qū)動能量。目前車輛12V的電力系統(tǒng)提供不了這么大的能量，因此，將來車輛動力系統(tǒng)采用高壓電，加大能源供應。 其次是控制系統(tǒng)失效處理。電制動控制系統(tǒng)面臨的一個難題是制動失效的處理。因為不存在獨立的主動備用制動系統(tǒng)，因此需要一個備用系統(tǒng)保證制動安全，不論是ECU元件失效，傳感器失效還是制動本身、線束失效，都能保證制動的基本性能。 第三是抗干擾處理。車輛在運行過程中會有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響，目前存在多種抗干擾控制系統(tǒng)。 相信隨著技術的進步，上述的各種問題會逐步得到解決，線控制動系統(tǒng)也會以其巨大的優(yōu)越性取代以液壓為主的傳統(tǒng)制動系統(tǒng)。 1．3 電制動器的研究與發(fā)展概況 電制動器并不是一個新鮮的事物，他在其他領域如起重機絞盤制動、電梯制動等方面有廣泛的應用。關于車輛的“Brake—By—Wire”技術目前已有多種實現(xiàn)方式，本文僅列舉最有代表的類型，即電磁制動器。 電磁制動系統(tǒng)是指使用電子裝置的電磁制動機構，通過控制電流等相關參數(shù)來改制動力。由于代替了傳統(tǒng)的液壓制動機構，電磁制動系統(tǒng)不再使用液壓油，從而減少了液壓油燃燒的危險，提高了安全性，也減輕了車輛自身的重量。電磁制動系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)速犯規(guī)控制系統(tǒng)，顯著改善了制動力矩和防滑性能，縮短了制動距離，提高了輪胎和制動裝置的使用壽命，而且電磁制動系統(tǒng)的制動效率優(yōu)于液壓系統(tǒng)。電磁制動系統(tǒng)將是機動車制動系統(tǒng)發(fā)展的新方向。 利用電磁效應實現(xiàn)制動的制動器，分為電磁粉末制動器和電磁渦流制動器，電磁摩擦式制動器等多種形式。 (1)電磁粉末制動器：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化,形成磁粉鏈,并在固定的導磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結合力和摩擦力實現(xiàn)制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕,激磁功率小,而且制動力矩與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關，可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)制動扭矩，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機器的驅(qū)動系統(tǒng)。 (2)電磁渦流制動器：激磁線圈通電時形成磁場，制動軸上的電樞旋轉(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力矩。電磁渦流制動器堅固耐用、維修方便、調(diào)速范圍大；但低速時效率低、溫升高，必須采取散熱措施。這種制動器常用于有垂直載荷的機械中。 (3)電磁摩擦式制動器：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)結件實現(xiàn)制動。 另外還細分為干式單片電磁制動器、干式多片電磁制動器、濕式多片電磁制動器等等。 1．4 研究內(nèi)容及項目可行性分析 1.4.1 研究內(nèi)容 本文初步研究盤式電磁制動器，采用多種工具軟件輔助設計，并做出一個較為合理的電制動器結構設計，使之能滿足制動要求。遵循這一設計方案，要研究的內(nèi)容主要包括三部分： (1)制動器機械結構設計研究，包括機構整體構造，關鍵零件的設計，并繪制有限元云圖。 (2)電磁鐵組件的設計和理論分析，研究其制造工藝。 (3)制動性能的分析與研究，對設計好的制動器研究其制動能力、維修等問題。 1.4.2 可行性分析 電制動以其潛在的優(yōu)勢引起業(yè)內(nèi)的廣泛關注，針對目前對電制動系統(tǒng)研究的加強趨勢，綜合研究了電制動領域的相關知識，提出一種思路和實施方案。 (1)方案實施的理論基礎。隨著科學技術的發(fā)展，電磁鐵作為一種動作元件得到越來越廣泛的應用，電磁鐵是一種成熟的將電磁能量轉(zhuǎn)換為機械能量的能量轉(zhuǎn)換裝置。對電磁鐵的研究，前人已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，這可以作為研究的理論基礎。 (2)研究目標在現(xiàn)有的技術條件下的可實現(xiàn)性。從制動器發(fā)展歷史上看，在1898年，克利夫蘭的?！ぐ病に古謇镌O計的一輛電動汽車就采用前輪電磁盤式制動器。斯佩里用圓盤分別與各個車輪的輪轂連成一體，另有一個鑲有摩擦片的小圓盤，制動時，通過電磁鐵的作用，使它緊貼著轉(zhuǎn)動盤，就能阻止車輪的轉(zhuǎn)動，當電流中斷后，彈簧又把摩擦盤收回，車輪又可以自由轉(zhuǎn)動。此外，電磁抱閘制動器在電梯和起重機絞盤用的電磁盤式制動中已得到成熟應用（如圖1.3所示）。 綜上所述，以電磁鐵作為制動器制動機構在技術上可行。 1.軛鐵 2.彈簧 3.銜鐵 4、7.摩擦片 5.盤 6.橋 8.夾具 9、10.棘輪機構 11.勵磁線圈 圖1.3 2 制動器的設計研究 鼓式制動器已經(jīng)在應用中，盤式制動器與鼓式相比具有結構緊湊，安裝方便，使用壽命長，熱、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點，所以本文決定采用盤式制動器。在制動器的設計上，用電磁鐵的電磁力直接推動摩擦塊工作是最簡單的方法。 2．1 電磁制動器的工作原理 圓盤式電磁制動器主要由彈簧、摩擦片、端蓋、動片、調(diào)節(jié)螺絲、電磁鐵圓盤、線圈、軸等組成。摩擦片鉚接在動片上，可隨軸一起旋轉(zhuǎn)，沿著電動機軸端上的鍵作軸向移動。動片外側是端蓋，內(nèi)側是電磁鐵圓盤。當電動機介入電源時，制動器線圈同時通上直流電，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，動片在空腔中停止旋轉(zhuǎn)，摩擦片與它們摩擦產(chǎn)生制動力矩，從而電機被制動。若電機斷電，制動器線圈同時斷電，電磁鐵圓盤失去吸力被彈簧拉回，于是動片又能自由旋轉(zhuǎn)。此電磁制動器是單片干板制動器，屬常開型。 2．2 制動系統(tǒng)的分析 2.2.1 制動力矩的計算 車輪滾動周長： L=2πRr 在制動距離內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)：N= 則轉(zhuǎn)過總的角度為： α=2πN 車子的總動能為： E=Mv2 制動力分配系數(shù)： β== 式中 Ff1 —— 前軸車輪的制動器制動力； Ff2 —— 后軸車輪的制動器制動力； Ff3 —— 汽車總制動器制動力。 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。 每個前輪要分擔的動能為： ×60% 每個后輪要分擔的動能為： ×40% 每個前輪所需總制動力矩為： 此處省略?NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯(lián)系?扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設計下載！該論文已經(jīng)通過答辯 2.2.2 制動盤直徑的確定 制動盤直徑越大則所需制動力越小，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參數(shù)為額定制動扭矩500Nm，根據(jù)《汽車標準匯編》，本文取制動盤直徑為270mm。 2.2.3 制動盤厚度的確定 在本設計中，制動盤又稱銜鐵，通過電磁體的通斷電過程使銜鐵吸合。在銜鐵對著摩擦片的一側，涂有特殊的摩擦材料，使之在通電之后與摩擦片進行接觸，最后達到制動效果。 制動盤厚度直接影響著制動盤質(zhì)量和工作時的溫升，為使質(zhì)量不致太大，制動盤厚度應取的適當小些，為了降低工作時的溫升，制動盤厚度不宜過小。制動盤可以制成實心的，而有時為了通風散熱，還可以在制動盤的兩工作面之間鑄出通風孔道。通常實心制動盤可取為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盤之間的間隙為0.9—1.5mm。本文在設計中取它們的間隙為1mm。 2.2.6 彈簧片的設計 本電磁制動器的設計是屬常開型，為了使其在制動結束后摩擦片與制動盤能迅速分離，關鍵在于彈簧片的設計。本文采用由12個小彈簧及兩薄片板所組成的，各彈簧制造時焊接在兩薄片上，薄片的作用是連接左側的制動片和右側的端蓋，通過鉚釘固定起來。小彈簧直徑為10mm，處于自由狀態(tài)時的長度為4mm。圖2.1為彈簧片的設計總圖。 圖2.1 彈簧片 2.2.7 右側法蘭的確定 法蘭壁厚14mm，外圓最大直徑270mm。往右伸出軸長度40mm，直徑105mm，其上有一個直徑60mm的通孔，內(nèi)設一個寬18mm的平鍵槽，作用是在運動過程中能隨著主軸一起旋轉(zhuǎn)，上面還設有一個M10的螺栓固定。 2.2.8 電磁制動器總裝配圖 通過各零部件的設計，電磁制動器的總體設計已初步確定。從左往右的順序看，由左端蓋（含電磁體）、摩擦片、制動盤、彈簧片、右端蓋（法蘭）組成，摩擦片上的三個孔是專為制動盤（也即銜鐵）設計的，使制動盤右側的鉚釘通過彈簧片固定。另外三個孔是給右側的法蘭準備的，使法蘭左側上的鉚釘穿過彈簧片緊固。達到在電磁體吸合過程中，由彈簧的拉伸力配合達成完整的制動效果。 總裝配圖由圖2.2、圖2.3所示。 圖2.2 電磁制動器總裝配 圖2.3 總裝配圖的分解 2．3 電磁制動器的檢查與調(diào)整 在同樣的轉(zhuǎn)速下，電磁制動器的制動力矩的大小取決于制動盤對摩擦片壓力的大小，亦即彈簧向內(nèi)拉制動盤的行程，或者說取決于摩擦片和制動盤之間的氣隙大小。經(jīng)長期使用后，摩擦片和制動盤均會受到磨損，彈簧也將被拉長，引起氣隙減小，會造成制動后失靈，不能及時分離。因此必須檢查制動器的工作氣隙，并及時加以調(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，使電機堵轉(zhuǎn)或造成制動器溫度急劇上升，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 電磁體是電磁制動器的關鍵部件，電磁制動器制動性能很大程度上取決于電磁體的外形結構、磁鋼材料導磁性能、磁鋼制造工藝、摩阻填料材料的性能、線圈導線直徑、線圈匝數(shù)。制造電磁體要解決以下幾個方面的技術問題: (1)電磁體的導磁材料(磁鋼)及加工制造工藝，直接關系到電磁體工作時的磁路，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:電磁體外形結構、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磁材料并制定相應的制造工藝。 (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。與電磁體對磨的摩擦片，其材料是鑄鐵，為了不使對摩擦片磨損過快，要求電磁體磁鋼材料在制造過程中不能有過高的強度和硬度。因此應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，與制動盤吸合并產(chǎn)生摩擦力矩，會使電磁體溫度迅速上升，要求電磁體摩阻材料應具有高溫穩(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，電磁制動器的制動性能不能發(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問題。 3．1 電磁體磁鋼、磁芯材料選擇 3.1.1 導磁材料分析 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是:磁導率高，矯頑力低，易于飽和。當外磁場去掉后，磁性基本消失。而硬磁材料在所加的磁化磁場去掉以后，仍能在較長時間內(nèi)保持強而穩(wěn)定的磁性。電磁體需要在斷電時的電磁吸力為零，因此磁鋼應選用軟磁材料。 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強度，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所列為常用導磁材料性能比較。 材料 硬度 摩擦系數(shù) 對摩盤的磨損 導磁性能 成型設備的投入成本 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)品一般應用無磁時效純鐵，其代號為DT3，DT4。電磁純鐵在室溫下具有相對較軟、強度低、塑性成形性能優(yōu)良、切削性能差等特點，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。冷擠壓時塑性變形量大，變形抗力及材料加工硬化相對于其它鐵磁材料要低的多，因此所需壓力機的噸位低，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(流動性、松裝密度、成分、粒度組成)會對壓坯的密度產(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)的鐵粉顆粒細小，松裝密度高，生坯強度高，壓縮性大，比還原鐵粉成形性能好，制件密度高，磁性能好，但價格高。對粉末冶金電磁體磁鋼，當要求磁鋼密度在6.5一7.0g/cm3之間時，選用還原鐵粉作為電磁體磁鋼材料；當電磁體磁鋼密度要求達到7.1一7.5g/cm3時，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)對壓制時鐵粉的流動性、成形性以及成形后的強度有很大影響，不同的粒度和形態(tài)會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，同時鐵粉粒度細，因此，燒結時活性較高，擴散速度大和收縮大。所以，由細鐵粉制造的材料具有較高密度及強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目鐵粉的基礎上，采用細粉與粗粉混合的工藝，即加入適當比例的更細鐵粉與200目鐵粉混合，可提高成形密度和壓坯的強度。 圖3.1所示為在不同松裝密度下高純度鐵粉壓制時壓力與制件密度之間的關系，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: A、提高粉末冶金的燒結密度，需通過活化燒結來實現(xiàn)的。對于鐵基粉末冶金，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，在燒結鐵基粉末冶金時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，在燒結時使其合金化。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。當添加硫時，零件尺寸會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℃的溫度下燒結時，將產(chǎn)生液相，起到活化燒結作用，從而提高材料的燒結密度。磷應以磷鐵粉狀混入純鐵中，磷鐵應采用含磷量為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軟磁材料的磁性，常需加入的合金元素有si、Sn、Ni 和C。考慮到Ni、C價格高，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)耐熱高負荷條件下摩擦系數(shù)穩(wěn)定，衰減小，磨損?。? (b)熱傳導性能好能把摩擦副表面的摩擦熱很快傳導出去； (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重缺點是與制動盤具有親和力，容易產(chǎn)生粘著膠合，摩擦系數(shù)波動大、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摩擦系數(shù)和摩擦溫度的提高。當滑動速度為0.26m/s時，含1%的二氧化硅摩擦系數(shù)為0.46，含10%二氧化硅時摩擦系數(shù)增加到0.66，同時摩擦溫度從125℃上升到195℃。這是由于二氧化硅在鐵中燒結溫度下被還原成硅，并溶解于鐵，降低了材料的導熱性。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摩阻復合材料，其組分與摩擦磨損性能之間的關系受到系統(tǒng)參數(shù)的影響，例如溫度、壓力、速度、氣氛、摩擦對偶件等，而且這些影響因素又與作用時間、作用次數(shù)等有很大的關系。 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劑、增強纖維和無機及有機填料等三部分組成，工作時主要承受反復變化的應力場和熱力場作用。粘結劑是摩阻填充材料的重要組元，也是化學性能、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300℃—400℃左右；粘結劑(樹脂基體)無論是暴露在空氣中還是在與制動盤貼合的缺氧情況下都會發(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、恢復性、磨損性能和機械性能。樹脂粘結劑的選擇對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腐蝕性、良好的機械性能和加工工藝性能。但酚醛樹脂存在硬而脆等缺點。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構來增強韌性。然而長分子鏈的引入又會大大影響其耐熱性，因此，在引入長鏈型分子結構后，還需要再引入耐熱性能良好的剛性基團分子?；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，同時加入剛性基團分子SiO2、SiC增韌改性，提高摩阻材料的熱穩(wěn)定性。由于SiO2、SiC屬于共價鍵化合物，具有材質(zhì)硬、強度大，熱導系數(shù)大、抗熱震性好，耐高溫、抗氧化，耐磨損和抗侵蝕等優(yōu)良的高溫熱穩(wěn)定性能。作為添加劑應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，補償和調(diào)節(jié)摩擦性能，改善和提高粘結劑高溫性能。 此外，MoS2、A12O3可進一步提高摩擦系數(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分散、均衡應力，并阻止裂紋延伸，從而達到增韌耐磨的目的。另一方面，還利用自制的化學改性酚醛樹脂，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重要組元，必須有合適的模量以保證在摩擦時有較大的接觸面積，從而使摩擦片在工作時穩(wěn)定而不產(chǎn)生嚴重振動；樹脂必須有一定的耐熱性以保證次摩擦層有足夠的強度；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性能密切相關。 由于酚醛樹脂具有良好的耐熱性能和力學性能，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，但用量過大會降低摩阻材料的耐熱性并增大磨損。 試驗表明樹脂含量過高或過低時，材料將因粘結劑量過少或樹脂高溫分解導致粘結力下降，使增強纖維易于拔出，導致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，材料磨損加劇。故在摩阻材料的配方設計中，樹脂量的配比是一個關鍵因素。 3.2.3 增強纖維對摩擦磨損性能的影響 增強纖維與摩阻材料的摩擦磨損性能、強度等密切相關，因而纖維種類的選擇及量的控制是材料研制中的一個關鍵問題。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。 玻璃纖維的特點是硬度高、熱穩(wěn)定性較好，與樹脂親和性好、價格低廉，磨損較大，當溫度超過600℃時形成玻璃珠，損傷對偶材料。碳纖維具有比強度高、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，同時具有潤滑作用。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，較難應用于電磁體填充材料當中。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、價格便宜，但它影響到電磁體的磁力線分布，所以難以應用。 Kevlar纖維以其高強度、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雜，特別在工業(yè)化生產(chǎn)時纖維分散較困難，且價格昂貴，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纖維，以提高材料的抗磨作用。 3.2.4 填料對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、無機和金屬三種。有機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)，改善與對偶材料的貼合性。常用的有橡膠粉等，但用量過大會降低摩阻材料的耐熱性并增大磨損。無機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分解的耐熱材料粉末，可以改善和提高材料的物理和力學性能，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。但加入量過大也會降低摩阻材料的力學性能，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%)。由于未添加增強材料玻璃纖維，所以所制材料的強度較低，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，而當丁睛橡膠含量為10%時，材料摩擦系數(shù)最高。 事實上在研究材料配方時，丁睛橡膠含量越多，材料的耐磨性能會降低很多，所以，丁睛橡膠含量選擇在不超過10%為宜。 4 電磁機構動特性分析 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、動特性是非線性的。在銜鐵快速運動的過程中，將在線圈中引起反電動勢，改變電路特性。動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隨時間變化的函數(shù)關系。電磁機構的動態(tài)過程即吸合或釋放過程。分析描述電磁鐵的動態(tài)特性是設計出高性能電磁鐵的重要環(huán)節(jié)。 4．1 吸合過程分析 電磁機構的吸合過程通常分為兩個階段：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動，其經(jīng)歷時間稱為吸合觸動時間，記為txc；進入第二階段后，吸力大于反力，銜鐵開始運動。這個階段的電流逐漸增大，并產(chǎn)生反電勢i。這個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。將從銜鐵開始運動到銜鐵閉合所需要時間定義為吸合運動時間，記為txy。總的吸合時間為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，在吸力達到足以克服阻力（主要是彈簧力），使彈簧片運動之前，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。 在彈簧片未動時，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+ 線圈中電流的響應如圖4.1中所示，oa段為觸動階段，到達a點之后，銜鐵開始運動（設此時電流為Ixc,為觸動電流；所用的時間稱為觸動時間txc)。銜鐵開始運動后氣隙磁通改變，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，電流此時開始下降，即圖4.1中的ab段，txy為運動時間。此后電感不再改變，電流又逐漸增大至穩(wěn)定值Iw。進入穩(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 吸合觸動時間txc的計算 當吸力F等于彈簧片收縮位置受到的阻力Fz時，電流為觸動電流Ixc。對盤型電磁鐵相應的吸力特性公式為： 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、電磁鐵的結構參數(shù)求出。 因為機構在正常使用中應該會保持良好的潤滑，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，得觸動時間： txc= 由上式可以看出，要減少觸動時間，可減小電感、增大電阻，但前提是要保證一定吸力。 根據(jù)下式計算電感量 L= 式中 W—線圈匝數(shù)； μ0—真空磁導率； Al—磁芯中柱截面積； δ—氣隙長度。 代入計算得到txc。 4.1.4 運動時間txy的計算 進入運動階段之后，電感L不再是常數(shù)，且變化呈非線性；運動過程中阻力也在不斷變化，要精確求解非常困難，本文中采用簡化計算方法。根據(jù)動力學原理，吸力和阻力都對銜鐵做功，由功能原理可得銜鐵的運動方程： （F-FZ)dx=d() 式中： F—電磁吸力； FZ—阻力； m—運動部分歸算到銜鐵上的質(zhì)量； x—銜鐵位移； v—銜鐵運動速度。 若銜彈簧片行程很小，電磁吸力與阻力之差(F-FZ)在銜鐵運動過程中可認為不變，式中的（F-FZ)也取運動過程中的平均力，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t=0時，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（即制動盤）的行程時，所用時間即為運動時間txy 則有 txy= 將已知數(shù)據(jù)代入計算式，得到txy。則吸合過程總用時間為 txh=txc+txy 4.1.5 提高響應速度 由上面的吸合過程分析可知如何加速銜鐵運動：減小電感、增大電阻、減小運動件質(zhì)量、減小間隙、增大吸力、減小阻力。在電磁鐵被設計出來后，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，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。當進入保持階段后，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的作用是在斷電時為儲存在電磁鐵中的電能和磁場能量提供釋放通道，在吸合運動過程中不起作用。這樣做可加快制動盤的釋放速度。 5 制動盤的有限元分析 本設計主要限制參數(shù)為額定制動扭矩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)摩擦學理論，溫度對于摩擦系數(shù)的影響，一般隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)增加；當達到一個最大值時，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，導致摩擦系數(shù)變小。 但由于本設計為盤式制動器，制動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 制動盤附加載荷的計算 在進行接觸分析時，將電磁吸力作為載荷施加在電磁體上，也即施加在制動盤上的附加載荷。因為最大制動扭矩為500Nm，在制動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 計算結果如下： 制動盤位移云圖 制動盤應力云圖 由以上分析結果能夠看出，制動盤的位移云圖和應力云圖均呈收斂狀態(tài)，因此對于電磁制動器的設計參數(shù)符合理論分析。 結 論 本文提出了一種新型的汽車制動器，主要從理論上對該型制動器進行了分析與研究。所作的主要工作為: (1)提出了設計方案； (2)參照現(xiàn)有的市場產(chǎn)品，對電磁制動器的外觀進行合理設計； (3)對電磁體內(nèi)部工藝進行介紹； (4)簡單分析電磁體的動態(tài)特性； (5)對制動盤有限元分析進行優(yōu)化。 由于研究時間等條件的限制，本文的研究成果距離實際剎車制動試驗還有很大距離，要將本文提出的方案應用于實際，應繼續(xù)開展以下工作: (1)電磁體的優(yōu)化工作。 (2)改造制動器結構形式，優(yōu)化設計參數(shù),縮減外觀尺寸以及使用輕型材料達到輕量化。 (3)提高電磁鐵的安全可靠性，增設線圈保護裝置。 (4)潤滑、密封等細節(jié)問題。 (5) 建立制動試驗平臺，做出實驗分析。  致 謝 本次畢業(yè)設計是在我的導師張龍副教授關心和悉心指導下完成的。張老師學識淵博、治學嚴謹，在學習與研究中嚴格要求、悉心指導，給了我許多指導、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、謙虛博學的風范使我受益匪淺，在此向敬愛的張老師表示衷心的感謝。 同時也感謝所有關心和幫助過我的其他老師，像我們學院的專業(yè)負責人肖猛老師、王力老師，還有其他同學和朋友們，他們在我研究和撰寫論文期間，都曾給予很多幫助。 最后，感謝我的家人，是他們在生活上給予我無微不至的關心和精神上的支持與鼓勵，使我順利地完成了學業(yè)。  參 考 文 獻 [1] 李宏才.現(xiàn)代汽車制動控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].世界汽車，2001,2(2): 7-10. [2] 李暉暉，林輝，謝利理.飛機全電剎車系統(tǒng)電作動機構研究[J].測控技術，2003,22(9):51-55. [3] 張猛，宋鍵.電子機械制動系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J].機械科學與技術，2005,24(2): 208-211. [4] 沈向明.汽車電磁制動器[P].中國專利：94106023.3，1995－11－2. [5] 桂健生(譯).盤式制動器[J].輕型汽車技術，2007,11(9):21-24. [6] 張冠生，陸儉國.電磁鐵與自動電磁元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982. [7] 左全璋.直流電磁鐵動特性的一種計算方法[J].機電元件，1991,11(1):1-6. [8] 葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation基礎教程[M].北京：機械工業(yè)出版 社. [9] 王紅.直流電磁制動器的分析[J].電氣開關，1996,6(2):16-19. [10] 孫蛟，黃宗益，李興華.鉗盤式和片式制動器設計計算[J].養(yǎng)護機械與施工 技術，2005,22(7):36-38. [11] 全力，楊澤斌，丁磊，黃國興.農(nóng)用車電磁制動系統(tǒng)自校正模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控 制[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2005,36(12):122-125. [12] 劉夏石．工程結構優(yōu)化設計原理、方法和應用[M]．北京：科學出版社，1984. [13] 邱龍輝，史俊友，葉琳.SolidWorks三維機械設計[M].北京：化學工業(yè)出版 社，2007. [14] 江見鯨等．有限元法及其應用[M]．北京：機械工業(yè)出版，2006. [15] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003. [16] 萬鋼.讓中國的汽車工業(yè)展翅飛翔[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002. [17] 李建輝，林德民，周毅堅.電磁式汽車制動器[P].中國專利：01269710.9， 2002-3-24. [18] 劉韶慶，周孔亢，李仲興，韋超毅，袁春元，黃國興.汽車掛車電磁制動器 的控制系統(tǒng)[J].機械工程學報，2007,43(7):174-178. [19] 李泉鳳.電磁場數(shù)值計算與電磁鐵設計[M].北京:清華大學出版社，2002. [20] 曾德麟.粉末冶金材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1989. [21] 王玉良.磁性離合器與制動器[J].磁性材料及器件.2004,35(1):28-29. [22] 格利布.數(shù)值法解摩擦學技術問題[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989. [23] 劉震云，黃伯云，蘇堤等.汽車摩擦材料增強纖維研究綜述[J].汽車技術， 1999,2(l):19-26. [24] 吳培熙.摩擦材料用樹脂性能評述[J].塑料科技，1999,11(5):27-31. [25] 陳建江.現(xiàn)代穩(wěn)健優(yōu)化設計理論及其工程應用[D].武漢：武漢理工大學， 2001. [26] 成大先.機械設計手冊(第五卷)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004. [27] 李潤方,龔劍霞.接觸問題數(shù)值方法及其在機械設計中的應用[M].重慶: 重慶大學出版社,1991. [28] 小颯工作室.最新經(jīng)典ANSYS及workbench教程[M]，北京:電子工業(yè)出版社, 2004. [29] 郭月洋，陳瑞琪.電子多臂機電磁鐵的吸合過程及其加速[J].上海紡織科 技，2001,29(5):27-29. [30] 李勁松,陳昆山,周孔亢,吳志敏.電磁制動器性能評價體系的建立及指標權 重的確定[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2005,19(5):15-18.