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(dòng)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(dòng)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(dòng)安全性，具有良好功能的電磁制動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注[2].

汽車電磁制動(dòng)是一種通過調(diào)節(jié)電流來控制電磁制動(dòng)力的控制技術(shù)，由于其具有制動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)或電磁制動(dòng)輔助器方面已取得了不少研究成果[5-6].汽車電磁制動(dòng)通過控制電流來實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)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(dòng)力達(dá)到最大值，滿足汽車制動(dòng)所需的制動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁學(xué)仿真.

1 簡易電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 制動(dòng)計(jì)算

電磁制動(dòng)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(dòng)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(dòng)勢方程

(3)

式中：kct=1.2～1.55；FCT為導(dǎo)磁體中的磁動(dòng)勢；Fδ為氣隙中磁動(dòng)勢；FU為非工作氣隙中的磁動(dòng)勢．試驗(yàn)表明，導(dǎo)磁體內(nèi)磁動(dòng)勢占電磁鐵總磁動(dòng)勢的10%～25%，非工作氣隙中的磁動(dòng)勢占總磁動(dòng)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(dòng)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(dòng)的思想設(shè)計(jì)一種電磁制動(dòng)簡化機(jī)構(gòu)，所提出的結(jié)構(gòu)基于鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)．將勵(lì)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(lì)磁繞組；2.電磁靜鐵；3.回位彈簧；4.電磁動(dòng)鐵；5.固定螺母；6.導(dǎo)向桿； 7.液壓推力桿圖1 電磁制動(dòng)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(dòng)鐵尺寸為300×50×50，電磁靜鐵尺寸為300×175×50，激勵(lì)線圈為700匝，直徑為1.45mm．

在Ansoft12中建立一個(gè)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(gè)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(dòng)部件為電磁銜鐵，而所定義的運(yùn)動(dòng)求解域是Band，所以需將運(yùn)動(dòng)域設(shè)置成Band屬性，再對其中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)類型：直線運(yùn)動(dòng)；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(dòng)范圍設(shè)置：因?yàn)殡姶艅?dòng)鐵受電磁力后會(huì)向Y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，不允許電磁動(dòng)鐵與靜鐵碰撞，所以運(yùn)動(dòng)范圍為-49.999mm.

機(jī)械屬性設(shè)置：運(yùn)動(dòng)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(dòng)參照系設(shè)置：本列中電磁動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)鐵的間隙迅速減小，電磁力也隨之增加，伴隨著電磁動(dòng)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(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系曲線可知，電磁力使得電磁動(dòng)鐵向電磁靜鐵方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度隨著時(shí)間的增加而迅速增大．當(dāng)電磁動(dòng)鐵與電磁靜鐵之間的間隙無限小的時(shí)候，電磁動(dòng)鐵的運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)情況下電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的電磁力大小見表1.

表1 電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的電磁力

3 結(jié)束語

在動(dòng)態(tài)情況下電磁制動(dòng)機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的制動(dòng)力可以達(dá)到3 500N，安裝于車輛上的制動(dòng)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(dòng)盤上的制動(dòng)力超過10 000N.在車輛為2t、制動(dòng)距離為10m、車速為36km/h的情況下，經(jīng)過計(jì)算所需的制動(dòng)力為10 000N，所以該實(shí)驗(yàn)仿真符合實(shí)際需要．

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