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1、江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）汽车电磁制动器优化设计序 言随着社会生产力水平的提高，科学技术的不断发展，汽车的制造工艺也在不断的提升。人们在满足了日常出行便利的情况下，对汽车的安全性能越来越注重。能源危机作为当前社会的主要矛盾之一却不能阻止人们对速度的追求，因此车辆制动系统性能的好坏直接关系到人们的生命安全和财产安全。一直以来国内外汽车生产企业和科研部门都非常重视汽车新型制动系统的研发。伴随着第一辆汽车的诞生，汽车制动器的研究就已经开始，从一开始的简单的机械装置制动到气压制动、液压助力制动和如今的电子控制液压制动器先后出现在汽车上面。电磁制动器是一种新型制动器，国外己用到拖车尤其是房车
2、的制动上，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。和传统的气压式、液压式制动器相比，电磁制动器有其突出的优点，正受到越来越多的重视。首先用电缆代替管路，提高了制动器的灵敏度，冗余电路的加入也很方便，可靠性高，安装方便，尤其是主、挂车的制动系统连接更简单可靠，并永远避免了泄漏和气阻现象；其次，控制器设计方便，易于实现ABS，因此代表了制动器的发展趋势，为汽车线控操纵实现车辆自动化、智能化提供了必备部件。本说明书共分为4章，第一章课题分析与方案论证；第二章对制动系统进行历史的回顾和未来的展望；第三章对制动器的增力机构进行分析和设计；第四章对制动器的核心部件电磁铁进行分析设计。其中重点是机械增力机构和电
3、磁铁的设计。设计的最终成果是能满足轿车常规制动的性能要求。第1章 课题分析与方案论证1.1 课题任务分析 本课题的主要任务是对汽车电磁制动器进行优化设计，完成电磁制动器的书面设计使之能满足轿车常规制动的性能要求。 首先需要了解的是汽车电磁制动器的使用性能和设计要求。如今马路上的汽车越来越多，速度也越来越快，如何能在各种突发情况下对汽车进行有效的制动一直是人们关注的话题，因此本次设计的电磁制动器必须满足这一基本要求，只有立足在这一点上才能有目的地去完成这个课题。在明确了课题的目标之后，就需要熟悉汽车电磁制动器的设计方法和流程。正所谓没有规矩不成方圆，每个课题从开始到结束都有一定的步骤需要去完成，
4、只有掌握了汽车电磁制动器的设计方法和流程，才能明确每一步需要做什么、怎么做、要达到什么要求，这都是需要明确列出的。 电磁制动器在满足轿车常规制动性能要求的前提下，还必须考虑到如何充分利用汽车的有限空间。因此需要对制动器增力机构进行有效的设计计算，使其能以最小的空间占有率达到最大有效增力的效果。考虑到连杆机构具有设计简单，制造费用便宜，铰链的磨损较轻且轻微的制造误差对输出动态响应的影响很小等有点，本次设计初步决定采用连杆增力机构。 电磁制动器的核心部件是电磁铁。一般电磁铁有交流和直流两种供电方式。考虑到汽车上的用电器以直流供电为主，而且直流电磁具有节能、寿命长，生产工艺简单，具有交流电磁所不具备
5、的低噪音等特点，因而选用直流电磁铁作为设计对象。 在完成电磁制动器的理论设计后，还要用绘图软件绘制电磁制动器的模型，这样才能对设计出的电磁制动器的理论分析和计算做出直观的检验和完善。1.2 方案论证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，并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） 项目实施的理论基础。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） 研究目标在现有技术条件下的可实现性。从制动器
6、发展历史上看，在1989年，克里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2。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，使他紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧又把摩擦盘缩回，车轮又可以自由转动。由此可见，用电磁铁做制动器的执行部分前人也曾做过，而且早于当前占统治地位的液压制动器。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3。综上所述，以电磁铁作为制动器动作机构在技术上可行。汽车电磁制动器利用直流电磁铁代替气缸、油缸作为制动动力源，通过一定的机械增力机构来加以放大，用以推动摩擦衬块
7、。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。（2） 电磁铁组件的设计和理论分析，根据所需的制动力矩确定出电磁铁的相关参数（如线圈的匝数、线圈的励磁电流、铁心的尺寸等）（3） 制动性能分析与研究，对设计好的制动器研究器制动时间响应，制动能力，噪音，发热与散热等问题。1.3 设计步骤汽车电磁制动器的研究设计在国外早已经有所成果，在国内还处于探索状态。本次设计提出的总体方案（如图1.1所示），为利用直流电磁铁代替气缸、油缸作为制动动力源，通过一定的
8、机械增力机构来加以放大，用以推动摩擦衬块。采用工具软件辅助设计，并做出一个较为合理的电制动器结构，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两部分：（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。（2） 电磁铁组件的设计和理论分析，根据所需的制动力矩确定出电磁铁的相关参数（如线圈的匝数、线圈的励磁电流、铁心的尺寸等）直流电磁铁控制总成电源制动卡钳机械增力机构图1.1 设计总体方案框图第2章 制动系统的历史2.1 制动系统的历史车辆制动系统在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色，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。最原始的制动控制只是驾驶员
9、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，机械制动就能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显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。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（如图2.1所示），是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器，但到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2.1 液压助力制动器示意图在液压鼓式制动器出现的
10、若干年之后，人们又发明了液压钳盘式制动器，盘式制动器又称为蝶式制动器（如图2.2所示），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。制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。 (a) (b)图2.2 盘式制动器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死制动系统（ABS）的使用和推广。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。他的安装大大提高汽车的主动安全性和操纵性。防抱死装置一般包括三部分：传感器、控制器（电子计算机）与压力
11、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。随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，ABS已成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。1992年ABS的世界年产量已超过1000万辆份，世界汽车ABS的装有率已超过20%。一些国家和地区（如欧洲、日本、美国等）已制订法规，使ABS成为汽车的标准配置。2.2 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，即使增加了防抱死制动系统功能后，传统的油液制动系统仍然占有优势地位。传统的制动控制系统只
12、是均匀分配油液压力。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漏的隐患以及装配、维修的难度。因此结构更简捷，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
13、的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。线控制动（BBW）是未来制动控制系统的发展方向，它不同于传统的制动系统。因为其传递的是电，而不是液压油或是压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。它是用电子信息直接控制装在轮缸上的电动液压执行器或电执行器。线控制动系统是一个全新的系统，给制动系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件1。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。电制动系统首先在混合动力制动系统车上使用，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。而线控制动控制因其
14、巨大的优越性，必将取代传统的以液压为主的传动制动控制系统。线控制动系统的结构如图2.3所示。其主要包含以下部分：（1） 电制动器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） 线速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。电路制动系统具有以下优点：（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
15、 主缸、助力装置。液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；（2） 制动响应时间短，制动性能高；（3） 无制动液，维护简单；（4） 制动成为模块化结构，系统总成制造、装配、测试简单快捷；（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。图2.3 线控制动系统结构框图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电力系统提供不了这么大的能量，因为，将来车辆制动系统采用高压电，加大能源提供。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器本身、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
