摘要：為了實(shí)現(xiàn)電磁體摩擦表面均勻磨損和抗旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，從電磁制動(dòng)器制動(dòng)機(jī)理出發(fā)，分析了電磁體制動(dòng)時(shí)的工作姿態(tài)及其表面磨損情況，提出內(nèi)側(cè)磁路開(kāi)槽的非對(duì)稱設(shè)計(jì)方法；并利用Ⅱ3D有限元軟件仿真優(yōu)化得到****的電磁體非對(duì)稱結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后給出對(duì)稱結(jié)構(gòu)和自主優(yōu)化設(shè)計(jì)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)電磁體磨損對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性和設(shè)計(jì)方法優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：制動(dòng)器；電磁體；非對(duì)稱；磨損；優(yōu)化設(shè)計(jì)引 言傳統(tǒng)的車輛制動(dòng)器主要采用液壓制動(dòng)和氣壓制動(dòng)，由于封閉性不強(qiáng)導(dǎo)致泄漏使車輛制動(dòng)器制動(dòng)效能不良。電磁制動(dòng)器是一種由電磁吸力產(chǎn)生制動(dòng)力的新型鼓式制動(dòng)器，采用電流方式控制制動(dòng)力大小。其核心部件是電磁體。電磁體性能好壞直接關(guān)系到電磁制動(dòng)器制動(dòng)性能和可靠性。國(guó)內(nèi)外在針對(duì)電磁體結(jié)構(gòu)與性能方面作了許多研究工作，如電磁體形狀改變，電磁體前后非對(duì)稱設(shè)計(jì)，以有效克服傾覆。這些研究使得電磁制動(dòng)器取得長(zhǎng)足發(fā)展并很快進(jìn)入實(shí)用階段，但其也存在諸多不足，尤其關(guān)鍵部件電磁體的旋轉(zhuǎn)傾向和不均勻磨損使得電磁體壽命大大縮短。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，提出內(nèi)側(cè)磁路開(kāi)槽的非對(duì)稱設(shè)計(jì)方法，利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件得出非對(duì)稱結(jié)構(gòu)電磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明該方法可以實(shí)現(xiàn)電磁體摩擦表面的均勻磨損和抗旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。
電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理鼓式電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)由電磁體l、制動(dòng)蹄片、制動(dòng)杠桿3、銷軸4以及回位彈簧5等組成，如圖1所示。車輛制動(dòng)時(shí)，電磁體由控制器輸入電信號(hào)產(chǎn)生電磁吸力，電磁吸力使之與制動(dòng)鼓端面外側(cè)吸合，形成閉合磁路，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電磁體隨動(dòng)，與電磁體十字聯(lián)接的制動(dòng)杠桿長(zhǎng)臂繞支點(diǎn)帶動(dòng)短臂產(chǎn)生位移，短臂頂開(kāi)制動(dòng)蹄片，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；制動(dòng)結(jié)束后，電磁體斷電，回位彈簧使之回到初始狀態(tài)，制動(dòng)蹄片松開(kāi)。在制動(dòng)過(guò)程中．制動(dòng)蹄片移動(dòng)到位后，車輪仍在(減速)旋轉(zhuǎn)。醫(yī)此制動(dòng)鼓端面外側(cè)與電磁體有相對(duì)摩擦，電磁吸力轉(zhuǎn)換成的摩擦力決定了制動(dòng)力的大小。
2.電磁制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)
由電磁制動(dòng)器運(yùn)行機(jī)理可知，制動(dòng)時(shí)電磁體以制動(dòng)鼓端面中心為圓心作圓周相對(duì)滑動(dòng)摩擦。
如圖2所示，0為制動(dòng)鼓端面的旋轉(zhuǎn)圓心，R1、分別為電磁體內(nèi)、外側(cè)到圓心0的等效距離。如果磁路關(guān)于長(zhǎng)軸對(duì)稱，則電磁體內(nèi)、外側(cè)相同的等效摩擦力將導(dǎo)致以下一些問(wèn)題：
首先，電磁體內(nèi)、外側(cè)因離圓心0的等效距離不同而導(dǎo)致線速度不同，如果摩擦面內(nèi)、外側(cè)吸力相同，則磨損速度因外側(cè)線速度大而比內(nèi)側(cè)快，影響電磁體壽命。
其次，從電磁體摩擦面上各面積元來(lái)看，其受力方向與制動(dòng)鼓端面在該處運(yùn)動(dòng)的切線方向相同，因此電磁體受到使之與制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的旋轉(zhuǎn)力矩。warnnel電磁制動(dòng)器公司采用活動(dòng)十字聯(lián)結(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以防止電磁體本身的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但過(guò)大的旋轉(zhuǎn)力矩在制動(dòng)過(guò)程中容易卡住聯(lián)結(jié)處，從而影響制動(dòng)的可靠性。
采用內(nèi)側(cè)磁路開(kāi)槽的非對(duì)稱設(shè)計(jì)方法，使制動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦力內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，不僅可以達(dá)到均勻磨損目的，而且產(chǎn)生一個(gè)與因制動(dòng)鼓旋轉(zhuǎn)使電磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的反向力矩，從而減小了電磁體的旋轉(zhuǎn)傾向，防止了聯(lián)結(jié)處卡死而引起抖動(dòng)及噪聲，使制動(dòng)器工作更平穩(wěn)，制動(dòng)更安全。
3.基于Ansft/Maxwell 3D的電磁體優(yōu)化計(jì)算
在理論分析中采取內(nèi)側(cè)磁路開(kāi)槽的方法，使電磁體工作時(shí)內(nèi)側(cè)電磁吸力大于外側(cè)電磁吸力。
槽深在理論上開(kāi)得越淺越好，但電磁體磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在要求制動(dòng)的5萬(wàn)公里條件下，電磁體****處磨損量為1．：382 mm�？紤]一定的安全系數(shù)和制造工藝，把槽深定為2 mm。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)電磁場(chǎng)分析軟件Ansoff／MaxweII 3D得到電磁體的開(kāi)槽面積、開(kāi)槽數(shù)兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3．1開(kāi)槽面積百分比的仿真優(yōu)化面積大小對(duì)電磁體的吸力大小影響很大。首先分析開(kāi)槽面積對(duì)電磁體工作的影響。對(duì)電磁體不同的內(nèi)外側(cè)面積比進(jìn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
開(kāi)槽面積比與電磁吸力的關(guān)系曲線(圖3)和開(kāi)槽面積比為16．7％的電磁體的B矢量云圖見(jiàn)圖3和圖4。
開(kāi)槽面積比由O逐漸增加，電磁吸力也逐漸增加，但是當(dāng)開(kāi)槽面積比達(dá)到16．7％左右時(shí)電磁吸 力達(dá)到峰值，隨后電磁吸力隨著開(kāi)槽面積的增加而逐漸減小。這是因?yàn)�，在磁通φ一定的條件下，根據(jù)均勻磨損條件F2／F1=SI／s2=R1/R2可知，當(dāng)內(nèi)側(cè)磁路面積減少，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B也同比例增加，根據(jù)電磁場(chǎng)理論得出電磁吸力也是增加的；當(dāng)開(kāi)槽面積過(guò)大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加到磁化益線的膝拐點(diǎn)后將不再明顯增加，而開(kāi)槽面積繼續(xù)增加，即B增加的幅度低于開(kāi)槽面積比的幅度時(shí)，電磁吸力將會(huì)減少，這說(shuō)明再多開(kāi)槽效果已不明顯，因此開(kāi)槽面積比例為16．7％左右為****。
3．2槽寬(即開(kāi)槽數(shù))仿真計(jì)算
以上述槽深(2 mm)和磁路內(nèi)外側(cè)開(kāi)槽面積比為16．7％，仿真計(jì)算槽寬(即開(kāi)槽面積／開(kāi)槽數(shù))對(duì)電磁體吸力大小和分布的影響(考慮到磁路結(jié)構(gòu)特性和摩擦均勻性，采取均勻開(kāi)禧的方式)。槽寬與電磁吸力的關(guān)系曲線如圖5所示�？芍�，槽寬對(duì)電磁吸力的影響很小，但對(duì)電磁體吸力的分布有較大影響。通過(guò)Anson／Maxwell 3D有限元軟件，得到內(nèi)外側(cè)磁路產(chǎn)生的電磁吸力計(jì)算數(shù)據(jù)。為滿足均勻磨損條件均勻磨損條件F2／F1：s1／s2=R1／，從表1可以看出，當(dāng)槽寬為2 mm、開(kāi)槽數(shù)為7時(shí)能****限度滿足電磁體兩側(cè)均勻磨損之目的。
圖6為在Ans0ftMaxwell 3D軟件中得到的三維模型。圖7為該模型磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布云圖。從該圖可知磁感應(yīng)強(qiáng)度成非對(duì)稱分布，通過(guò)進(jìn)一步仿真計(jì)算得到電磁體內(nèi)外側(cè)電磁吸力的合力分別為273．1 N和240．3 N，計(jì)算內(nèi)外側(cè)磁路電磁吸力合力的位置分別為一17．5，14．2和17．6，15．5，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩很小，從而減小了電磁體的旋轉(zhuǎn)傾向。符合安全可靠運(yùn)行的非對(duì)稱設(shè)計(jì)要求。
4. 試驗(yàn)驗(yàn)證
基于lablive的虛擬測(cè)控裝置如圖8所示 。該裝置時(shí)自行研制的生產(chǎn)線用電磁體性能測(cè)試臺(tái)。
以調(diào)速機(jī)帶動(dòng)鐵盤旋轉(zhuǎn)，電磁體吸合在轉(zhuǎn)盤上，產(chǎn)生相對(duì)摩擦力．模擬不同車速時(shí)的制動(dòng)鼓端面吸合和電磁制動(dòng)器實(shí)際制動(dòng)過(guò)程。各種傳感器可測(cè)定電磁體的電壓、電流、溫度、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電磁吸力及不同車速下的制動(dòng)力(等效成動(dòng)態(tài)摩擦力)，還可以設(shè)置電磁體通電間隔，模擬多次重復(fù)制動(dòng)工況，作電磁體工作姿態(tài)穩(wěn)定性、磨損性及壽命試驗(yàn)。
 
在自制的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上作磨損試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)設(shè)置電磁體加額定電壓為12 V，與摩擦盤吸合模擬一次制動(dòng)試驗(yàn)，自動(dòng)重復(fù)該動(dòng)作，歷時(shí)4天，對(duì)非開(kāi)槽和開(kāi)槽的電磁體分別進(jìn)行7 000次的制動(dòng)試驗(yàn)。非開(kāi)槽電磁體內(nèi)外側(cè)磨損差異為0．07 mm， 而自主優(yōu)化設(shè)計(jì)的非對(duì)稱內(nèi)側(cè)開(kāi)槽電磁體內(nèi)外側(cè)磨損差異為O．02 mm，而且克服了制動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象，噪聲更小，工作更平穩(wěn)�？梢�(jiàn)，自主優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)側(cè)開(kāi)槽的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)電磁體，不但提高了制動(dòng)安全性，而且減小了磨損，延長(zhǎng)了電磁體的使用壽命。
5.結(jié)論
本文提出一種新的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)電磁體設(shè)計(jì)方法，用在電磁體內(nèi)側(cè)磁路開(kāi)槽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)非軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，改善了電磁體內(nèi)外側(cè)磨損均勻性，從而避免了電磁體由于夕}側(cè)磨損快使線圈外露而報(bào)廢的問(wèn)題，延長(zhǎng)了制動(dòng)器的工作壽命，并提高了可靠性，同時(shí)擴(kuò)大了線圈的可置繞線空間，克服了重心偏移于十字聯(lián)結(jié)處的缺點(diǎn)，減小了電磁體的旋轉(zhuǎn)傾向，防止聯(lián)結(jié)處卡死而引起的抖動(dòng)及噪聲，使制動(dòng)器工作更平穩(wěn)，制動(dòng)更安全。研究成果已用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和項(xiàng)目鑒定中，并獲得了發(fā)明專利受理，為研制不同系列電磁體打下了基礎(chǔ)。
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