王文輝

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 汽車電磁緩速器機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理

隨著我國道路條件的不斷改善和車輛動(dòng)力性能的不斷提高，車輛的行駛速度也越來越快。而對于需要頻繁制動(dòng)的車輛尤其對城市內(nèi)的公交車，長期跑山路的長途客車、卡車等中重型車輛來說，如果制動(dòng)負(fù)荷全部由車輛自身的制動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)，由于制動(dòng)裝置的摩擦系數(shù)減少，磨損增加，不但可能會(huì)造成制動(dòng)性能下降，更可能因?yàn)轭l繁制動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)失效引發(fā)安全事故。電磁緩速制動(dòng)器作為一種輔助制動(dòng)系統(tǒng)的重要方式，正被廣泛應(yīng)用在大型車輛上。它利用電磁感應(yīng)原理，將汽車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦電流的電能并以熱量的形式散發(fā)掉，從而減緩車輛的行駛速度，增強(qiáng)車輛的可靠性和安全性[1－2]。

汽車電磁緩速器機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子及固定支架等部件組成(如圖1所示)。

圖1 汽車電磁緩速制動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子通常由前、后轉(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成。前、后轉(zhuǎn)子盤均為圓環(huán)狀，用導(dǎo)磁性能高且剩磁率低的鐵磁材料制成，常選用電工純鐵或低碳鋼等材料。定子一般通過固定支架安裝在汽車車架(汽車底盤或驅(qū)動(dòng)橋的主減速器外殼)上，兩者呈剛性聯(lián)接，相對于車架，定子是固定不動(dòng)的。工作原理為:根據(jù)電磁場原理，電磁緩速制動(dòng)器的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生磁場，磁場的磁力線在定子磁極、氣隙和前后轉(zhuǎn)子盤之間構(gòu)成回路。根據(jù)楞次定律，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部無數(shù)個(gè)閉合導(dǎo)線所包圍的面積內(nèi)的磁通量會(huì)發(fā)生周期性變化，從而在轉(zhuǎn)子盤內(nèi)部產(chǎn)生渦電流(簡稱渦流)。渦流產(chǎn)生后，轉(zhuǎn)子內(nèi)部渦電流所產(chǎn)生的磁場就會(huì)對帶電的轉(zhuǎn)子盤產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩，使轉(zhuǎn)動(dòng)軸減速(如圖2所示)。渦電流有兩方面作用:一是在電磁緩速器減速過程中，渦電流在具有一定電阻的轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)而使制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過轉(zhuǎn)子盤上的葉片產(chǎn)生的風(fēng)力將熱量迅速散發(fā)到大氣中;二是根據(jù)楞次定律，渦電流產(chǎn)生新磁場在閉合導(dǎo)線回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流總是阻止、反抗轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就形成了迫使車輛降低速度的制動(dòng)力矩[3－4]。

2 滑移率的計(jì)算模型

汽車滑移率(S)反映了汽車輪速與車輪中心的線速度之間的相對滑移，是車輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例[5]。汽車在整個(gè)制動(dòng)過程中主要分為3個(gè)階段:第一階段由于制動(dòng)力比較小還沒有起到制動(dòng)作用，車輪處于純滾動(dòng)階段;第二階段隨著制動(dòng)力的不斷增大，車輪處于邊滾動(dòng)邊滑動(dòng)階段;第三階段為制動(dòng)力達(dá)到最大，車輪抱死的純滑動(dòng)階段。因此滑移率也體現(xiàn)了汽車在制動(dòng)過程中，滑移多少的物理量。當(dāng)S=0時(shí)，車輛為純滾動(dòng)階段;當(dāng)0＜S＜100%時(shí)，車輛處于邊滾動(dòng)邊滑動(dòng)階段;當(dāng)S=100%時(shí)，車輛處于純滑動(dòng)階段。

圖2 電磁緩速制動(dòng)器的制動(dòng)力矩和渦電流

滑移率的計(jì)算公式如下[6]:

式中:vi為第i個(gè)車輪中心的線速度，近似等于車速v;vr為車輪的切向速度vr=rω;r為車輪滾動(dòng)半徑;ω為車輪角速度。

采用電磁緩速制動(dòng)器的汽車車輪受力情況，如圖3所示。圖3中，Td為汽車驅(qū)動(dòng)力作用于車輪上的扭矩;Tb為制動(dòng)扭矩;Te為電磁緩速制動(dòng)器作用在輪上的扭矩;r為車輪滾動(dòng)半徑;J為車輪繞回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;FX2為地面摩擦力。在忽略空氣阻力和輪胎滾動(dòng)阻力的情況下，假定汽車在平坦的地面上行駛，則由牛頓第二定律可知，車輪運(yùn)動(dòng)方程為[7]:

圖3 汽車后輪受力圖

因此可得車輪制動(dòng)時(shí)滑移率動(dòng)態(tài)方程[8]:

由式(2)和式(3)，可得:

即:

根據(jù)式(1)和式(5)用Matlab中的Simulink模塊建立滑移率仿真模型如圖4所示。

圖4 滑移率仿真模型

模型中R模塊功能為求一階導(dǎo)數(shù)，Add3和Divide模塊分別完成加減和乘除運(yùn)算。以某型號(hào)汽車為例，分別對其使用電磁緩速制動(dòng)器和不使用該緩速制動(dòng)器的制動(dòng)過程進(jìn)行仿真(不帶ABS)，其仿真的參數(shù)如表1所示。

表1 某汽車的仿真數(shù)據(jù)

在不帶ABS的情況下，用Simulink計(jì)算模塊進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 滑移率變化曲線

從圖5中可以看出，在汽車制動(dòng)過程中使用電磁緩速制動(dòng)器會(huì)使汽車車輪提前抱死，滑移率提前達(dá)到100%，汽車純滑動(dòng)時(shí)間增長，其結(jié)果容易導(dǎo)致汽車制動(dòng)過程不穩(wěn)定，危險(xiǎn)系數(shù)增加[9－10]。

式(6)反映了制動(dòng)臨界情況下滑移率與地面附著系數(shù)的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 滑移率與地面附著系數(shù)的關(guān)系

從圖6中可以看出，當(dāng)15% ＜S＜20%時(shí)，附著系數(shù)出現(xiàn)峰值，此時(shí)制動(dòng)中的汽車處于邊滾動(dòng)邊滑動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)S=100%時(shí)，汽車處于滑動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的附著系數(shù)小于邊滾邊滑時(shí)的附著系數(shù)，這種差別在干燥路面上不是很明顯，在濕滑路面上差別較大。因此汽車在制動(dòng)時(shí)滑移率保持在15%＜S＜20%的范圍，可達(dá)到最佳的制動(dòng)效果。

3 結(jié)論

在汽車制動(dòng)滑移率計(jì)算公式的基礎(chǔ)上得出了當(dāng)電磁緩速制動(dòng)器工作時(shí)的車輪制動(dòng)滑移率動(dòng)態(tài)方程，并與不使用緩速制動(dòng)器車輪的滑移率進(jìn)行比較。在對臨界狀態(tài)下的滑移率和地面附著系數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，找到了制動(dòng)效果最佳時(shí)滑移率的范圍，為汽車制動(dòng)的最佳控制奠定了基礎(chǔ)。

[1] 吳迎峰.汽車電磁緩速制動(dòng)器的基礎(chǔ)理論研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)圖書館，2007.

[2] 劉增剛.電渦流緩速器的發(fā)展及應(yīng)用[J].交通世界，2004(5):64－67.

[3] 趙長利.汽車制動(dòng)性能及其統(tǒng)計(jì)特征研究[D].濟(jì)南:山東科技大學(xué)圖書館，2005.

[4] 趙迎生，何仁，王永濤，等.利用電渦流緩速器調(diào)節(jié)車輛制動(dòng)穩(wěn)定性[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(4):309 －911.

[5] DANIEL D E，PENG H.Vehicle dynamics control with rollover prevention for articulated heavy trucks[C]∥5th Int'l Symposlum on Advanced Vehicle Control.[S.l.]:[s.n.]，2000:224 －241.

[6] 何仁，王永濤，趙迎生.汽車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的性能仿真分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2007(28):1153－1158.

[7] TANKUT A.Nonlinear optimal integrated vehicle control using individual braking torque and steering angle with on－line control allocation by using state－dependent riccati equation technique[J].Vehicle System Dynamics，2009，47(2):155 －177.

[8] 于翔鵬.混合電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)圖書館，2009.

[9] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)研究所.渦流測功機(jī)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1993:41－55.

[10] 黃榕清，李剛營，胡宏.液力緩速器和電渦流緩速器[J].機(jī)電工程技術(shù)，2005，34(10):75－78.