劉存香 何 仁

（1.江蘇大學(xué)；2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 前言

轎車電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)是一套能改善“熱衰退”及涉水失效的先進(jìn)制動(dòng)裝置，該裝置既適用于燃料汽車也適合電動(dòng)汽車使用。然而，由于目前尚未有適合于研究電磁制動(dòng)器性能的試驗(yàn)臺(tái)架，因而對(duì)電磁制動(dòng)器性能的研究均通過仿真進(jìn)行。為此，若要從本質(zhì)上揭示電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系，有必要研制一套能進(jìn)行轎車電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)性能試驗(yàn)的測(cè)試臺(tái)架。

美國(guó)的SEBASTIE N E mmA NUEL GAY曾為研究電渦流緩速器性能設(shè)計(jì)了一套以電機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)易裝置[1]，通過該裝置能分析制動(dòng)盤材料、緩速器線圈等對(duì)制動(dòng)力矩的影響；韓國(guó)學(xué)者Kapji N Lee等人將研究對(duì)象按比例縮小，制作了單輪模型對(duì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行研究[2，3]；東南大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)等曾為研究ABS設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)臺(tái)[4，5]。但國(guó)內(nèi)外目前都沒有關(guān)于轎車電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)及其測(cè)試臺(tái)架的相關(guān)報(bào)道。

本文根據(jù)電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng) （下稱制動(dòng)集成系統(tǒng)）原理，設(shè)計(jì)了制動(dòng)集成系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架，并針對(duì)某車型，分析了如何通過正交試驗(yàn)得到該車制動(dòng)集成系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)。

2 制動(dòng)集成系統(tǒng)原理及功能分析

2.1 制動(dòng)集成系統(tǒng)原理

圖1為制動(dòng)集成系統(tǒng)單輪制動(dòng)模型。制動(dòng)集成系統(tǒng)工作原理[6，7]為：當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)信號(hào)被傳送至制動(dòng)集成系統(tǒng)控制器，控制器通過判斷摩擦式制動(dòng)器施加于制動(dòng)盤上的法向壓力信號(hào)、汽車輪速信號(hào)及車速信號(hào)來控制電磁制動(dòng)器的工作。雖然摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩不受控制器控制，但是控制器可通過采集摩擦式制動(dòng)器施加于制動(dòng)盤上的法向反力來精確分配電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩與摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩之比。

由圖1可看出，為避免車輪抱死，2套制動(dòng)器所產(chǎn)生的總制動(dòng)力矩應(yīng)滿足如下邊界條件：

式中，TL為電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩；Tμ為摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩；TB為車輪抱死所需的制動(dòng)力矩。

電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩TL計(jì)算式[6，7]為：

式中，ρ為制動(dòng)盤電阻率；Δh為渦流在制動(dòng)盤上的集膚深度；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；ω為制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；a為磁極截面寬度；b為磁極截面長(zhǎng)度；μ0=4π×10-7H/m為真空磁導(dǎo)率；N為電磁制動(dòng)器線圈匝數(shù)；I為電磁制動(dòng)器線圈通電電流；L為制動(dòng)盤中心到磁極中心距離；lg為磁極與制動(dòng)盤間間隙；ke為折算系數(shù)，通常取ke=1.5。

電磁制動(dòng)器線圈通電電流可在控制器采集摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力Fp及制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω后，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算和控制[8]：

式中，m為1/4整車質(zhì)量；g為重力加速度；μp為制動(dòng)盤摩擦因數(shù)；rp為制動(dòng)鉗中心到制動(dòng)盤中心距離。

由式（2）可知，電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩TL的大小與制動(dòng)盤電阻率ρ、磁極與制動(dòng)盤間間隙lg、磁極尺寸、電磁制動(dòng)器線圈匝數(shù)N及制動(dòng)盤中心到磁極中心距離L有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)能針對(duì)不同車型的制動(dòng)集成系統(tǒng)進(jìn)行 ρ、lg、a、b、N 等參數(shù)試驗(yàn)的測(cè)試臺(tái)架，是研究制動(dòng)集成系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)[8]，lg、N及L對(duì)制動(dòng)集成系統(tǒng)的總制動(dòng)力矩有較大影響。

2.2 制動(dòng)集成系統(tǒng)功能分析

圖2為制動(dòng)集成系統(tǒng)理想制動(dòng)過程中制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)參數(shù)關(guān)系曲線。

制動(dòng)集成系統(tǒng)功能分析如下：

a.在制動(dòng)過程中，若滑移率高于理想滑移率上限，此時(shí)制動(dòng)集成系統(tǒng)的控制器將減小電磁制動(dòng)器線圈的通電電流，從而迅速而又適度地減小電磁制動(dòng)器輸出的制動(dòng)力矩，總制動(dòng)力矩隨之變小，略低于車輪與地面間的附著力，車輪滑移率將很快重新接近于理想滑移率狀態(tài)。

b.當(dāng)車輪滑移率進(jìn)一步減小時(shí)，若不提高總制動(dòng)力矩值將會(huì)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離，為此，當(dāng)滑移率低于理想滑移率下限時(shí)，控制器將增大電磁制動(dòng)器線圈通電電流。

c.若監(jiān)測(cè)到車輪滑移率處于理想滑移率范圍時(shí)，控制器將保持當(dāng)前電磁制動(dòng)器線圈通電電流大小不變，該過程類似于ABS的“保壓”階段。

制動(dòng)集成系統(tǒng)通過控制電磁制動(dòng)器線圈通電電流來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)車輪滑移率始終在橫向附著系數(shù)較大、縱向附著系數(shù)最大的滑移率區(qū)域，從而能使汽車在保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向能力的同時(shí)獲取較大的側(cè)向力及產(chǎn)生最大的縱向力。

通過對(duì)制動(dòng)集成系統(tǒng)性能的分析可知，該系統(tǒng)的作用類似于ABS，因此安裝有制動(dòng)集成系統(tǒng)的汽車不需使用ABS。

3 制動(dòng)集成系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架組成及工作原理

3.1 測(cè)試臺(tái)架組成

測(cè)試臺(tái)架由主動(dòng)輪與制動(dòng)盤、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、從動(dòng)輪與飛輪、可調(diào)路面摩擦系數(shù)機(jī)構(gòu)、摩擦式制動(dòng)系統(tǒng)（液壓制動(dòng)系統(tǒng)）、電磁制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等7個(gè)部分組成，如圖3所示。

3.2 測(cè)試臺(tái)架工作原理

測(cè)試臺(tái)架工作原理如下：

a.通過調(diào)節(jié)加載機(jī)構(gòu)手柄，可改變從動(dòng)輪施加在主動(dòng)輪上的負(fù)載。由于不同車型的整車質(zhì)量不同，因而每個(gè)車輪所承受的1/4全車質(zhì)量也不同。為真實(shí)模擬不同車輪所承受的1/4全車質(zhì)量，車輪負(fù)載應(yīng)可調(diào)。所設(shè)計(jì)的加載機(jī)構(gòu)能通過旋入或旋出螺紋桿來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪負(fù)載的變化。

b.利用無線遙控裝置啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)鉗在液壓油壓力作用下將夾緊制動(dòng)盤，在摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩作用下，主動(dòng)輪將減速制動(dòng)。

c.控制系統(tǒng)采集主動(dòng)輪制動(dòng)后的轉(zhuǎn)速、摩擦式制動(dòng)器的制動(dòng)力，并根據(jù)公式計(jì)算出摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩值，由此得到電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩值?？刂葡到y(tǒng)輸出占空比控制電磁制動(dòng)器線圈通電電流。通過電磁制動(dòng)器在制動(dòng)盤上所產(chǎn)生的電磁制動(dòng)力矩使主動(dòng)輪制動(dòng)。在整個(gè)制動(dòng)過程中，電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩呈現(xiàn) “減小→保持→增大…”的制動(dòng)狀態(tài)。

d.主動(dòng)輪在瞬間抱死時(shí)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這與實(shí)際汽車制動(dòng)過程不符。為模擬汽車在車輪抱死后因慣性仍能繼續(xù)前進(jìn)的情況，在從動(dòng)輪輸入軸一端安裝了旋轉(zhuǎn)飛輪，當(dāng)主動(dòng)輪因抱死而停止運(yùn)動(dòng)后，從動(dòng)輪因飛輪慣性仍在旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，若控制器通過減小電磁制動(dòng)器線圈通電電流使主動(dòng)輪上的總制動(dòng)力矩小于抱死力矩，則其將因從動(dòng)輪施加的摩擦力而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪均停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)制動(dòng)結(jié)束。

e.在踩下制動(dòng)踏板瞬間，控制系統(tǒng)開始工作，除采集各類傳感器信號(hào)外，同時(shí)對(duì)制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，并同步顯示制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離。

制動(dòng)距離L′計(jì)算式為：

式中，n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；t1為主動(dòng)輪未抱死總時(shí)間；r1為主動(dòng)輪半徑；n2為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；t2為主動(dòng)輪抱死總時(shí)間；r2為從動(dòng)輪半徑。

4 測(cè)試臺(tái)架主要部件設(shè)計(jì)

4.1 旋轉(zhuǎn)飛輪設(shè)計(jì)

根據(jù)轎車制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)方法（QC/T564—1999）中關(guān)于單輪試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法的規(guī)定[9]，測(cè)試臺(tái)架旋轉(zhuǎn)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iz計(jì)算式為：

式中，W為計(jì)算載荷；G1為空車時(shí)前軸負(fù)荷；φ為附著系數(shù)；hg為空車時(shí)重心高度；e為重心到后軸距離；K為修正系數(shù)，取K=0.86；r為輪胎滾動(dòng)半徑。

試驗(yàn)中選擇捷達(dá)王轎車車輪作為主動(dòng)輪，G1=7702.8 N，hg=0.92 m，e=1.95 m，r=0.26 m， 通過測(cè)試得到主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.75。在整個(gè)制動(dòng)過程中，主動(dòng)輪抖動(dòng)較小，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于旋轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，可忽略。經(jīng)計(jì)算，W=8968.43 N，Iz=30.93 kg·m2。 在飛輪兩側(cè)分別加緊定環(huán)鎖緊，以防飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生左右搖擺的現(xiàn)象。

4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是測(cè)試臺(tái)架直接動(dòng)力源，其功率過小會(huì)使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在超負(fù)荷工況下，使電機(jī)壽命大大縮短，或因無法帶動(dòng)負(fù)載而使電機(jī)堵轉(zhuǎn)甚至燒毀。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用應(yīng)根據(jù)電機(jī)的起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和起、制動(dòng)頻繁程度等要求而定，同時(shí)兼顧驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫升限制、過載能力、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及起動(dòng)電流的限制及工作環(huán)境條件等諸多因素[10]。為此，選擇單向電機(jī)，采用可控硅進(jìn)行調(diào)速控制。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，其阻力矩Tq為：

考慮到汽車行駛最高車速為45 m/s，則車輪最高轉(zhuǎn)速為1652 r/min。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速固定為1652 r/min，可求得飛輪角加速度的最大值為：

將上述值代入式（8），可計(jì)算得到Tq=66.8 N·m，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率P為：

在測(cè)試臺(tái)架運(yùn)行過程中，由于帶輪、聯(lián)軸器等部件存在摩擦，因此實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)大于計(jì)算得到的電機(jī)功率，為此選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為12 kW。

5 臺(tái)架測(cè)試與試驗(yàn)

采用圖4所示測(cè)試臺(tái)架對(duì)某型轎車的制動(dòng)集成系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)，并擬通過試驗(yàn)得到制動(dòng)集成系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)。

試驗(yàn)所用轎車的鋼制制動(dòng)盤厚為13 mm，直徑為256 mm。試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)整加載機(jī)構(gòu)手柄使主動(dòng)輪負(fù)載達(dá)到350 kg，兩輪胎間的摩擦因數(shù)經(jīng)測(cè)量為0.75，將電磁制動(dòng)器線圈磁極尺寸設(shè)定為寬41.5 mm、長(zhǎng) 118.5 mm，制動(dòng)盤電阻率為 1×10-7Ω·m。 通過溢流閥設(shè)置制動(dòng)油管油壓Pa=1.7 MPa，制動(dòng)輪缸面積A=19.6×10-4m2，制動(dòng)鉗中心距制動(dòng)盤中心距離rp=0.24 m。試驗(yàn)中為提高摩擦制動(dòng)器制動(dòng)力矩，將制動(dòng)盤表面處理為粗糙表面，經(jīng)測(cè)試得到制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤的摩擦因數(shù)μp約為0.75，則當(dāng)制動(dòng)踏板踩至最低時(shí)，摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩Tμ為：

經(jīng)計(jì)算后可得摩擦式制動(dòng)器制動(dòng)力矩為600 N·m，由于單輪抱死所需制動(dòng)力矩為740.88 N·m，因此電磁制動(dòng)器需要通過產(chǎn)生0～140.88 N·m的制動(dòng)力矩來控制車輪制動(dòng)。

對(duì)lg、N、L等3個(gè)因素分別選擇3個(gè)水平，不考慮 3 個(gè)因素間的交互作用，采用 L9（34）正交表[11，12]分析3因素不同組合使主動(dòng)輪完全停止所用時(shí)間，結(jié)果如表1所列。

表1 lg、N、L 3 因素正交表

根據(jù) 3因素的極差 R 分布 4.43、3.23、1.13，則lg、N、L 對(duì)制動(dòng)效果影響程度排序?yàn)?lg、N、L。綜合試驗(yàn)結(jié)果， 則 lg、N、L 的最佳組合應(yīng)為：lg=1 mm，N=3200匝，L=70 mm。3因素處于最佳組合時(shí)，制動(dòng)時(shí)間最小為4.6 s。此外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可知，lg越小，制動(dòng)時(shí)間越短；N越多，制動(dòng)時(shí)間越短。然而在實(shí)際應(yīng)用中，lg過小將大大增加安裝難度。

制動(dòng)時(shí)間的方差分析如表2所列。

為檢驗(yàn)各參數(shù)對(duì)制動(dòng)效果影響的顯著程度，選擇水平 α=0.05，則 F0.95（2，2）=19。從表 2 可知，lg及 N對(duì)制動(dòng)時(shí)間影響顯著，而L對(duì)制動(dòng)時(shí)間影響不顯著。

表2 制動(dòng)時(shí)間方差分析結(jié)果

在對(duì)不同車型制動(dòng)集成系統(tǒng)進(jìn)行的參數(shù)選型中，采用所設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)架均能很好地得到制動(dòng)集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)值。

6 測(cè)試臺(tái)架的參數(shù)選用原則

根據(jù)測(cè)試臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，其參數(shù)選用原則為：

a.在不改變?cè)囍苿?dòng)盤尺寸的前提下，lg和N對(duì)電磁制動(dòng)器制動(dòng)力矩影響較大，對(duì)于全車質(zhì)量超過1200 kg的車輛，lg應(yīng)盡量選擇在1～1.5 mm內(nèi)；N應(yīng)根據(jù)該車抱死所需力矩而定，若抱死力矩較大，則選擇線圈匝數(shù)較多。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[8]可精確計(jì)算出該2項(xiàng)參數(shù)值。

b.考慮到電磁制動(dòng)器線圈發(fā)熱量過大將影響電磁制動(dòng)器制動(dòng)效果，為此，可考慮將原車制動(dòng)盤尺寸增大，這將改變制動(dòng)盤中心到磁極中心距離，此距離將對(duì)電磁制動(dòng)力矩大小產(chǎn)生較大影響。此時(shí)建議增大該參數(shù)值，同時(shí)改變磁極的長(zhǎng)度和寬度，具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[8]。

7 結(jié)束語

a.根據(jù)制動(dòng)集成系統(tǒng)原理，結(jié)合汽車的多種參數(shù)特性所設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)架能真實(shí)地反映制動(dòng)集成系統(tǒng)工作過程。

b.利用所設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)架能針對(duì)不同車型進(jìn)行制動(dòng)集成系統(tǒng)制動(dòng)盤磁導(dǎo)率、磁極與制動(dòng)盤間間隙、磁極尺寸、電磁線圈匝數(shù)等參數(shù)試驗(yàn)，可獲取最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)。結(jié)合科學(xué)合理的試驗(yàn)方案，可為不同車型電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)參數(shù)選型提供參考。

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