集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器优化设计

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集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器是在传统盘式制动器的基础上，加装了辅助制动装置-轮边缓速器，补偿了主制动器-摩擦盘式制动器的抗热衰退的缺点，提高了汽车的制动性能，有效地缩短了汽车制动距离和制动时间，降低了主制动器的制动强度，延长了其使用寿命，因此集成电磁与摩擦的盘式制动器是乘用车制动系统应用的发展趋势。目前，国内尚只存在以制动力矩为目标函数进行的优化设计f1]，未考虑制动过程中温升产生的影响，实际应用在紧急制动时制动器温升过高会影响制动效果，严重时甚至出现制动器龟裂现象。以优化设计理论为指导，对集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器的设计方案进行多 目标的优化设计研究和实践 ，建立了以制动力矩最大和制动温升最低的多目标化数学模型，优化出制动性能优、抗热衰退性能好的集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器。

2集成化制动器模型的建立集成电磁与摩擦的盘式制动器由摩擦式制动器和电磁式制动器构成，摩擦式制动器主要由制动盘和制动钳体组成，电磁式制动器主要由铁芯和线圈组成，如图 1所示。摩擦式制动器制动缸中的高压油推动活塞，进而推动摩擦片与制动盘发生摩擦，将汽车动能转化为制动盘的热能，实现汽车制动。电磁式制动器工作时，线圈中通人电流，制动盘在磁场中转动作切割磁力线运动产生涡流效应，旋转产生方向相反的制动力。制动开始时，控制单元根据轮速传感器检测制动强度，若制动强度较小，则线圈无电流通过，电磁式制动器不工作 ；若为中、高等强度制动，则由控制单元动态分配摩擦式制动器和电磁式制动器的制动力矩，共同实现制动。摩擦片与磁极在制动盘上的几何模型，如图 2所示。集成电磁与摩擦的盘式制动器优化问题可描述为：设计制动盘、摩擦片、铁芯、线圈和制动缸，使得制动器质量最轻、体积最小 、成本最低，制动过程中制动力矩最大、制动盘温升最低，同时要满足摩擦片压力 、油缸油压及制动温升不超过许用值，制动力矩不超过车轮与地面间附着力矩等约束条件。由此建立集成电磁与摩擦的盘式制动器的优化数学模型。

来稿日期：2012-05-15基金项目：江苏侍育厅自然基金资助项目(11KJB580001)；江苏技术师范学院基窗应用基础研究基金项目(KYYIO018)作者简介：王奎洋，(1979-)，男，讲师，在读博士，主要研究方向：车辆电子控制技术第3期 王奎洋等：集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器优化设计 133油图 1集成电磁与摩擦制动器的结构Fig.1 Structure of Brake Integrated Electromagnetism and Friction抽动盘磁极图2摩撩片与磁极的几何模型Fig.2 Geometric Model of Friction Plate and Magnetic Pole2.1设计变量确定集成电磁与摩擦的盘式制动器的设计变量为 1O个，其表达式为：( h dP R，R2 0 Ⅳ- ； )(1)式 中： 制动盘直径(mm)； -制动盘厚度(mm)； 活塞直径(mm)；p-制动缸液压(Mpa)；尺广摩擦片内径(mm)；R厂摩擦片外径 (mm)； -摩擦片半角 (o)；矿-磁极截面宽度(mil1)；6-磁极截面长度(mm)；AL线圈匝数。

2.2目标函数确立2.2.1制动力矩确立进行优化时，主要考虑电磁式制动器与摩擦式制动器同时作用所产生的制动力矩，分析各个参数对制动力矩产生的影响。

电磁式制动器的制动力矩可描述为[21：： -16X/'2 'rrpAtoab L～(IxoN )" (2)(16"trpl，X2 abA c，)式中：p-制动盘的电阻率(n·mm)；△ -涡流在制动盘上的集肤深度'△ 、/ -制动盘角速度(m ). 动盘中心到磁极中心的距离 (mil1)；-电磁制动器的通电电流(A)；，1.-相对 S磁导率，设计中的介质为空气 ，/.tl； -真空磁导率，bt。4，tr×10H/mm；1 4动盘与磁极问的气隙间距(mm)；后 晰 算系数，通常取 ：1.5。

摩擦式制动器的制动力矩为日：扣 (3)式中 厂-摩擦片的摩擦系数。

因此，集成电磁与摩擦的盘式制动器的总力矩为：扣 p ÷：墨 (4)(167rplgX/2 abA tO)2.2.2制动温升确立集成电磁与摩擦的盘式制动器制动过程中，其温升值主要由两部分组成：-部分为摩擦式制动器的摩擦片与制动盘之间的摩擦所产生；-部分为电磁制动器涡流和电磁线圈的发热产生。

由于电磁制动器产生的热量相对于摩擦产生的热量较小，所以两者所产生的温升值之和比传统摩擦式制动器下降很多。

摩擦式制动器作用时，设制动器因车速降低需要释放的能量为 E，其表达式为[41：E等 ( 2， ：)GSsinot (5)式中：G-整车重量(N)； 。-制动前车速(m/s)； 广 制动后车速(m/s)；s-制动距离(m)； (m)-下坡道路坡度角。

制动过程中，摩擦片与制动盘相接触产生的热量引起制动器零部件温度上升，而且在行驶过程中各零部件表面均会向大气散热。在重复制动时，每次制动所产生的热量，不能及时散出，从而使得制动器表面温度逐步升高。因制动过程时间较短，热量不易快速散出，可以从理论上认为制动温升由制动器吸收，而对于非金属摩擦衬片，由于其绝热性能所吸收的热量很少，因此可以认为绝大部分热量被制动盘吸收。每制动-次后，制动盘的温升为：面4A ZEhD hpdc(6)式中： -制动过程中被制动器所吸收的热能系数；A-单个制动盘所分配的热量占全部热量的比例数； 热功当量 4.18(J/k)；c厂 制动盘比热(J·kg/k)； -制动盘密度(kg/mm )。

电磁式制动器作用时，制动盘产生的温升其-主要是由制动盘上的涡流引起热量；其二是由于电磁线圈温度升高，其所缠绕的铁心温度会相应升高，从而有部分热量辐射到制动盘上。

涡流产生的热量可表达为：： (7)32 1n线圈辐射到制动盘上的温升值为：： 堑 ! (8)b hx式中： -温度传导辐射系数； -线圈的散热系数，其值通成取为Kr(9.5-12.7)之间目，选取Krl 1.p -导线电阻率(n-mm)；.，-线圈填充系数，指的是导体材料所占空间的截面积与线圈窗口截面积比值；6 钱圈厚度(mm)；-钱圈高度(ram)，均为设计变量的函数；-流过导线的电流值(A)。

由此可以得出，紧急制动时，整个制动盘的温升为：VtV” V” V - j D hvac dl34 机械设 计 与制 造No.3Mar.201 32 ， ，oabN1)(R；-R )Ahs2Ap n2.2-3统- 目标 函数.Xp (M)。

2K 6 hr。、 ：-0.2-34 ( 1-s-)mvoa- [g ]-<0 (16) (9) - ”(6)油缸内的液压应小于油缸所能承受的最大油压p ，即：f6( )p-p 4-p -<0 (17)集成电磁与摩擦的盘式制动盘优化目标是要寻求制动力矩越大越好，制动温升越小越好 ，根据优化原则选取统-目标函数法中的乘除法的优化方法 ，其统- 目标函数可取为：minG( ) (1O)2.3约束条件确立2.3.1性能约束(1)制动力矩约束：为了避免车轮抱死产生侧滑而使汽车失去稳定性，汽车制动器的制动力矩应该小于地面的摩擦力矩，即s 旦 。 · 路面附着系数；r-车轮半径。边界条件为： p16X/ pAhw ab2L(tz oN1)2- ； 16V/2-rpA 蚍 9L(/zoXlo(16rp/g -x8 9△h tO)<- 0 (11)(2)制动盘制动过程中，不能因受热而出现裂纹，因此流入制动盘的热密度 q不得大于许用值[q]，即：，r 、- .6 1((1-s)m 0o/- /2 g---- 丢丁- ：1TI 2- l J2 2 s (12) ， 、 -L J -盯l 6 5 J(3)因为制动过程中，存在漏磁通 、磁极边缘磁通发散及感应电流回路的电阻，此处用 Simeu提出的修正系数 C进行修正[71，即：譬池(r06) ] J- 兰! I 争FoX9)式中：r。-转轴半径。

(4)电磁式制动器作用时，为了达到良好的制动效果 ，应满足较大的磁感应强度：m瑚 ： (14)16plg 5由此可见，铁心与制动盘之间的气隙长度过大，容易使得磁感应强度变小，其值应小于铁心截面最长径的 1/2t，即：f4( ) - 、/Ⅱ26 - -- 0 (22)式中：D厂 轮毂直径。

(4)摩擦片外径应小于制动盘半径，即：甑( )R2-孕 6- -<0 (23)(5)油缸不得与轮毂发生干涉 ，即：( )：手tD h--RI R-2 X3- 十1D h- s0 (24)式中.f-压力油缸的厚度。

(6)磁极投影应完全在制动盘上，即：＆( )(r06)2十(争)-( )(rox )。(争)-x2-<0(25)3设计实例与结果分析现以某款轿车为例，其整车参数及制动器相关参数如下 ：汽车的总质量为 1650kg，轮胎型号为245/45R18，线圈电流值为25A。通过调用MATLAB优化工具箱中的遗传算法对建立的数学模型进行优化求解 ，其最终优化结果，如表 1所示。

表 1集成电磁与摩擦制动器优化值与实际值Tab.1 Optimal Values and Actual Values of BrakeIntegrated Electromagnetism and Friction从表1可以看出优化后的统-目标值由原来的9.61e 下降为7.02e，最优设计改善了26.9%，制动力矩有了明显增加，增长率为26.6%，主要是由于制动盘的有效半径增大和电磁铁心的线圈匝数增多使得制动力矩增幅明显，从而使得制动器的制动性能提高。制动器温升也略有下降，但不是很明显，这是因为电磁制动No.3Mar.2O13 机械设计与制造 135器中铁心线圈匝数的增多导致温升，而制动盘直径增加降低了温升值，当车辆紧急制动时制动盘直径的增加对温升的影响因子大于线圈匝数增多的影响因子，所以温升略有下降，改善了制动器的抗热衰退性能。另外，优化后的制动器各结构参数也有所改变，制动盘 的直径和厚度的变化最终导致制动盘的体积下 降了15.26%，铁心截面尺寸的变化使得铁心的体积下降了5.65%，所以优化后的制动器整体尺寸变小，从而使得材料减轻，成本下降。

4结论通过以上对集成电磁与摩擦的车辆盘式制动器建立数学模型，分析边界条件，确定计算结果，得出以下结论：(1)所建立的集成化的制动器优化数学模型综合考虑了电磁式和摩擦式制动器设计的各项要求，设计出的制动器比实际制动器制动效果好，制动力矩得到明显提高，制动温升略有下降，制动器整体尺寸减小，成本下降。(2)所建立的优化目标函数可以适用于各种装有集成电磁与摩擦的盘式制动器乘用车型，而且具有收敛速度快，设计效率高，可靠性好等优点。应用过程中只需修改车辆参数、线圈通电电流、车辆制动初速度和减速度等约束即可得出所需车型的优化结果。