林京娜， 王 芳

(威海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 山東 威海 264209)

車輛的制動性是指汽車在行駛過程中能在較短的時(shí)間內(nèi)停車且維持汽車行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡的過程中能維持一定行駛車速的能力[1].汽車的制動性能是判斷汽車性能的主要方面之一，并且隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和汽車行駛速度的不斷提高，其重要性就愈發(fā)顯得突出.為了提高汽車在復(fù)雜行駛條件下的穩(wěn)定性和主動安全性，具有良好功能的電磁制動系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注[2].

汽車電磁制動是一種通過調(diào)節(jié)電流來控制電磁制動力的控制技術(shù)，由于其具有制動反應(yīng)速度快、易于控制、維修方便等特點(diǎn)，可以極大地提高汽車的制動性能，因此受到國內(nèi)外研究者和企業(yè)的普遍關(guān)注和深入研究[3-4]，在電磁制動機(jī)構(gòu)或電磁制動輔助器方面已取得了不少研究成果[5-6].汽車電磁制動通過控制電流來實(shí)現(xiàn)對制動力的控制，所以如何保證在車載電源所能提供的最大電流的情況下使得制動力達(dá)到最大值，滿足汽車制動所需的制動力是最主要的問題.目前隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，對于車輛的研究已經(jīng)從單純的理論和實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入到模擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)?；谝陨蠁栴}，本文將在車載電源提供不同電流的情況下對設(shè)計(jì)的簡易電磁制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁學(xué)仿真.

1 簡易電磁制動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 制動計(jì)算

電磁制動機(jī)構(gòu)是一種將輸入的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文電磁制動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是采用靜態(tài)設(shè)計(jì)法確定電磁鐵的各具體參數(shù)．

1)根據(jù)初始時(shí)的電磁吸力公式

(1)

(式中Bδ為氣隙中的磁通密度(高斯))得鐵心的半徑

(2)

2)確定線圈的總磁動勢方程

(3)

式中：kct=1.2～1.55；FCT為導(dǎo)磁體中的磁動勢；Fδ為氣隙中磁動勢；FU為非工作氣隙中的磁動勢．試驗(yàn)表明，導(dǎo)磁體內(nèi)磁動勢占電磁鐵總磁動勢的10%～25%，非工作氣隙中的磁動勢占總磁動勢的5%～10%時(shí)，材料選擇最經(jīng)濟(jì)[7]．

3)確定線圈的長度和高度

(1)長度

(4)

式中：ρθ為漆包線的電阻率；F為總磁勢；τ為工作制系數(shù)；K為散熱系數(shù)；θY為溫升；fK為填充系數(shù)，在此例中取fK=0.15，散熱系數(shù)K=1.16×10-3W/cm2·℃．

(2)高度

hx=R2-R1

(5)

式中：hx為線圈的高度，R2為線圈纏繞鐵芯后的半徑.

(3)外部半徑

(6)

(4)漆包線直徑

式中，U為工作電壓．

取電磁鐵的原料為A3鋼，質(zhì)量QH為68.25kg.長時(shí)工作制下的最優(yōu)磁通密度比短時(shí)工作制情況下要高10%～15%，由此確定短時(shí)工作制電磁鐵的氣隙磁通密度Bδ=10 010和比值(線圈的長高比)L/(R2-R1)=L/h=4.6．

根據(jù)電磁吸力的公式由式(1)帶入數(shù)據(jù)可以得到R1=2.3mm，取電磁鐵中的磁勢降為氣隙磁勢的12%,非工作氣隙中的磁勢降為氣隙中磁勢的10%,則KCT=1/(1-0.12-0.1)=1.28．由式(3)可以得到F∑=Bδδ·kct/(0.4π)=51006(安·匝)．得到總動勢后，需要確定線圈長度與高度，在本例中漆包線的電阻率可以通過查表得ρθ=6.7×10-3Ωcm2/m；溫升θY=70℃；工作制系數(shù)為0.1；在此例中取填充系數(shù)fK=0.15，由式(4)可得LK=189cm；R2=40.1cm；hx=37.8cm；外部半徑為R3=55.1cm，漆包線的直徑由式(7)得：d=1.45mm，其中U為汽車電池電壓，取24V.

1.2 機(jī)構(gòu)簡易模型

本文基于傳統(tǒng)液壓回路電磁制動的思想設(shè)計(jì)一種電磁制動簡化機(jī)構(gòu)，所提出的結(jié)構(gòu)基于鼓式制動器設(shè)計(jì)．將勵磁繞組等效至電磁靜鐵中心部位，利用Auto CAD軟件繪制出結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.等效勵磁繞組；2.電磁靜鐵；3.回位彈簧；4.電磁動鐵；5.固定螺母；6.導(dǎo)向桿； 7.液壓推力桿圖1 電磁制動機(jī)構(gòu)簡化模型

利用Ansoft12軟件分析電磁場的分布以及求解電磁力的大小時(shí)，只需對兩塊電磁鐵分析即可.因此，提取兩塊電磁鐵模型，忽略導(dǎo)向桿、液壓推力.根據(jù)計(jì)算以及實(shí)際問題，初步設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的整體尺寸為300×275×60，繼而確定各部件的尺寸，其電磁動鐵尺寸為300×50×50，電磁靜鐵尺寸為300×175×50，激勵線圈為700匝，直徑為1.45mm．

在Ansoft12中建立一個三維工程文件，在理想情況下本文將電磁線圈等效至電磁靜鐵中間部位，檢測模型是否正確，簡化我們所設(shè)定的電磁機(jī)構(gòu)[8]．隱去導(dǎo)向桿、液壓推力桿后并對機(jī)構(gòu)的各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖2 各部分剖分參數(shù)

從圖2中可以觀察到各個部件劃分出來的單元數(shù)、最小的邊長度、最大的邊長度等屬性。理論上講，各部件所劃分的單元數(shù)越多，計(jì)算越準(zhǔn)確，現(xiàn)在依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)施劃分單元．

2 仿真求解

運(yùn)動部件為電磁銜鐵，而所定義的運(yùn)動求解域是Band，所以需將運(yùn)動域設(shè)置成Band屬性，再對其中的運(yùn)動部件進(jìn)行機(jī)械屬性的設(shè)置.具體參數(shù)設(shè)置如下：

運(yùn)動類型：直線運(yùn)動；參考方向：沿Y軸正方向?yàn)檎?；初始位置設(shè)置：初始位置為0mm；運(yùn)動范圍設(shè)置：因?yàn)殡姶艅予F受電磁力后會向Y軸負(fù)方向運(yùn)動，不允許電磁動鐵與靜鐵碰撞，所以運(yùn)動范圍為-49.999mm.

機(jī)械屬性設(shè)置：運(yùn)動初速度：0m/s；質(zhì)量：0.1kg；阻尼系數(shù)：設(shè)置為30*(-position)*1000，負(fù)載力為彈簧彈力，滿足F=k·X，k=30.

運(yùn)動參照系設(shè)置：本列中電磁動鐵運(yùn)動是以整體坐標(biāo)系為參照物，在參照系中選擇Global．

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的硬件條件，參考實(shí)際銜鐵達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，將仿真所需要的時(shí)間設(shè)置成0.16s，仿真步長設(shè)置成0.005s．完成模型參數(shù)設(shè)置、自檢無誤后，開始對模型求解運(yùn)算，生成瞬態(tài)時(shí)間與各參數(shù)的曲線如圖3所示.

圖3 瞬態(tài)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與各參數(shù)的關(guān)系曲線

對應(yīng)位移與時(shí)間關(guān)系曲線可以看出，位移隨時(shí)間的增加而變大.隨時(shí)間的增加、電磁銜鐵與電磁靜鐵之間的間隙減小，電磁吸力迅速增大，位移變化開始增大，隨后位移達(dá)到最大值．

對應(yīng)電磁力與時(shí)間關(guān)系曲線可知，在時(shí)間段0～0.08s內(nèi)，電磁靜鐵與電磁動鐵之間的間隙變化較小，產(chǎn)生的電磁力較小.隨著時(shí)間的增加，靜鐵與動鐵的間隙迅速減小，電磁力也隨之增加，伴隨著電磁動鐵與電磁靜鐵的吸合，彈簧的反作用力穩(wěn)定，產(chǎn)生的電磁力達(dá)到穩(wěn)定．

對應(yīng)電磁動鐵運(yùn)動速度與時(shí)間的關(guān)系曲線可知，電磁力使得電磁動鐵向電磁靜鐵方向運(yùn)動，運(yùn)動速度隨著時(shí)間的增加而迅速增大．當(dāng)電磁動鐵與電磁靜鐵之間的間隙無限小的時(shí)候，電磁動鐵的運(yùn)動速度減小為0，即達(dá)到平衡．

基于車輛實(shí)際情況的考慮，外電路所加的電流分別設(shè)定為2A、3A、3.3A時(shí)，仿真分析應(yīng)對的電磁力近似取值得到動態(tài)情況下電磁制動機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中的電磁力大小見表1.

表1 電磁制動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中產(chǎn)生的電磁力

3 結(jié)束語

在動態(tài)情況下電磁制動機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的制動力可以達(dá)到3 500N，安裝于車輛上的制動助力裝置對原始的電磁力有數(shù)倍的增幅，所以作用于制動盤上的制動力超過10 000N.在車輛為2t、制動距離為10m、車速為36km/h的情況下，經(jīng)過計(jì)算所需的制動力為10 000N，所以該實(shí)驗(yàn)仿真符合實(shí)際需要．

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 江景舫.汽車的操縱性與穩(wěn)定性[J].安全與健康:下半月, 2009 (1): 32-33.

[3] 馬濤鋒,薛念文,李仲興,等.對汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素分析及對操穩(wěn)性的研究評價(jià)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2005 (4): 122-123.

[4] Hong L, Young Z M. Optimum positon of electromagnetic brake on slab caster[J]. J.Iron & Steel Res., Int, 2003, 10(2):21-26.

[5] Miralem H, Peter V, Gorazd S,etal. Determining force characteristics of an electromagnetic brake using co-energy[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2008,320:e556-e561.

[6] 肖廣兵,閔永軍,蔡偉義,等.車輛制動性能的不確定分析[J].科技通報(bào), 2011, 27(5): 657-660.

[7] 呂應(yīng)明,寸立崗,張海明.車輛電磁制動系統(tǒng)研究[J].中國科技論文在線, 2007(3):11-13.

[8] 趙博,張洪亮. Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社， 2011.