磁流變與液壓復合盤式制動器的設計與分析＊

路國平，劉玉璽，張振珠

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磁流變與液壓復合盤式制動器的設計與分析＊

路國平，劉玉璽，張振珠

（重慶工程職業技術學院機械工程學院，重慶 402260）

得益于磁流變效應響應迅速、能耗低、易控制等優點，在傳統液壓制動系統基礎上增加了磁流變制動器，以彌補傳統制動器液壓滯后的缺點，并利用其制動力矩迅速可調的特點，實現與ABS防抱死制動系統的配合使用。闡明了復合盤式制動器的工作方式，進行了結構設計和磁路設計，用ANSYS軟件進行了磁路仿真分析。結果表明，磁路設計合理可行，制動力矩實時可控，且滿足車輛制動力矩調節的需求。

磁流變制動器；復合式制動器；制動調節；磁路仿真

傳統的汽車液壓制動系統由液壓制動系統、ABS液壓控制單元、盤式或鼓式制動器等部件組成，其制動器技術成熟、安全、可靠，但也存在管路復雜、液壓滯后等問題，會出現制動壓力傳遞慢和制動滯后等現象。磁流變液是一種新型的智能材料，有著液相固相連續可調且響應速度極快的優點，是近些年研究的熱門材料。用磁流變液做成的制動器有結構簡單、反應靈敏、制動延遲時間短、易于控制、能耗低等優點，但局限于結構尺寸，其產生的制動力矩相對較小，還不能單獨滿足汽車制動的需求。本文在傳統鉗盤式液壓制動器的基礎上增加了磁流變制動結構，可以起到輔助制動和調節制動效能的作用。

1 磁流變與液壓復合盤式制動器的結構與原理

磁流變與液壓復合盤式制動器的結構如圖1所示，它是在傳統鉗盤式液壓制動器的基礎上增加了磁流變制動器。其中，制動盤與輪轂（圖中未示出）聯接，隨車輪旋轉。磁流變制動器部分由勵磁線圈、磁流變液、固定盤和制動盤組成，其中，固定盤通過平鍵固定在轉向節上，通過磁流變效應，在制動盤內緣產生阻礙達到制動的目的。

汽車制動時，制動盤外緣是由制動踏板產生的液壓力驅動起到制動作用，內緣由電控磁流變制動器借助磁流變效應達到制動作用，兩者是串聯的關系，前者提供主制動力矩，后者起到輔助制動和調節制動效能的作用。

一旦前者制動效能下降，后者可以彌補制動力矩的缺失，而后者發生故障，也不影響制動作用和防抱死功能。磁流變制動的作用原理主要體現在行車制動時，它與ABS系統配合使用。

圖1 磁流變與液壓復合制動器的機械結構簡圖

ABS未起作用時，起到增大制動力矩的作用。分3種情況：①下長坡制動時，液壓盤式制動器的制動效能穩定性會減弱，電控單元依據制動踏板位置和車速信號判斷后，通過電流控制磁流變制動器起輔助制動的作用；②緊急制動時，當電控單元依據制動踏板踩踏速度判斷是緊急制動時，會立即控制磁流變制動器工作，迅速提升制動力矩，減小制動距離和制動時間；③在低附著路面起步或單側驅動輪打滑的時候，可以不踩制動踏板，電控單元控制磁流變制動器，對驅動輪提供適度的制動力，以提高發動機驅動力的利用率。ABS起作用時，即車輪趨于抱死，制動系統首先處于保壓狀態，磁流變制動器保持控制電流大小不變。當車輛繼續趨向抱死，則勵磁電流減小，迅速降低制動力，以彌補液壓制動力降低的滯后性。當后續抱死傾向減弱，持續調節磁流變控制電流，使輪胎滑移始終在最佳滑移率（10%）左右波動。

2 相關結構參數設計

2.1 制動盤尺寸參數的確定

按微型轎車的適用標準范圍，選取規格為165/60R14的輪胎，其輪輞直徑約為355 mm，為保證其與盤式制動器有充裕的裝配間隙，盤式制動器制動盤直徑應為輪輞直徑的70%～79%，如圖2所示，制動盤1的直徑取為270 mm。為保證制動質量和避免溫升對制動效能的影響，選擇通風式實心雙盤制動盤，單面厚度即圖2中的制動盤1，厚度5為10 mm。

由相關文獻計算可知，微型車后橋單輪制動器的總制動力最大達到800 Nm就可以滿足制動要求，選取的傳統制動器產生的制動力矩就可以達到，磁流變產生的最大制動力矩占到總制動力矩的10%～20%即可滿足制動調節的裕度要求，即磁流變制動產生的制動力矩最大能達到約160 Nm就可以滿足。

根據參考文獻[2]，可得到復合制動器中磁流變部分產生的制動力矩為：

在式（1）中，前一項為磁流變效應產生的剪切力矩，后一項為流體黏性阻力矩，后一項相對于前一項較小，在此忽略不計。根據圖3，選用的磁流變液在磁場強度為200 kAmp/m時達到飽和，此時剪切屈服應力達到45 kPa。根據轉向節與制動器的裝配尺寸要求，可確定圖2中7為30 mm，根據式（1）則可算出6為86 mm。另外，為滿足制動鉗盤的尺寸安裝要求以及其他要求，可分別確定圖2中的各個尺寸參數，見表1.

圖2 磁流變與液壓復合制動器部分尺寸參數

表1 尺寸參數表（單位：mm）

R1R2R3R4R5R6R7R8L1L2L3L4L5 1351051009088863027582610

2.2 磁流變液和主體結構材料的選取

磁流變液是實現調節制動力矩大小的關鍵材料，選取lord公司常用的MRF-132DG型號，其屈服特性和導磁特性分別見圖3和圖4.

制動器的主體結構如圖2中的制動盤1、制動盤2和固定盤，要充分考慮其結構強度以及導磁性能，因此選用45鋼，其結構強度在此不做分析，其導磁特性見圖5.

2.3 磁路設計

由于磁流變液的工作區域需要磁通量進入，而磁通量與勵磁線圈和磁流變液區域結構尺寸有關系，因此需要對其磁路進行計算以確定是否合理。基于安培環路定律和磁路歐姆定律，需要首先計算磁阻。如圖2所示，可將其分成5段 磁路，磁阻分別如下：

本文設計的最大輸入電流為3 A，則可得線圈匝數是561.7匝，取為560匝。線圈的有效截面積=80 mm2，則可得最大電流對應的電流密度為：

根據計算結果，它符合短時工作制13～30 A/mm2的電流密度范圍值要求。

3 磁路仿真分析

磁路設計完成后，需要進行仿真驗證。本文采用二維靜態仿真方法，根據磁路設計和磁導率確定來定義材料屬性，建立幾何模型并劃分網格，網格模型如圖6所示。

圖3 MRF-132DG屈服應力特性曲線圖

圖4 MRF-132DG磁流變液的B-H曲線圖

圖5 45#鋼B-H圖

圖6 復合制動器1/2模型網格

圖7 磁回路磁力線分布圖

網格模型建立之后，對勵磁線圈施加21.1 A/mm2的電流密度并施加磁力線平行條件，使用磁矢量位分析法進行磁路計算，利用ANSYS后處理項General Postproc查看計算結果。圖7為磁力線分布圖。可以看出，磁力線穿過制動盤1、制動盤2、磁流變液區域、固定盤，形成了一個封閉的磁回路，且磁力線大部分都通過了磁流變液的工作區域，說明勵磁線圈的位置合理，磁路設計符合要求。

圖8 磁場強度分布云圖

圖9 磁場強度矢量分布圖

圖8和圖9分別為磁場強度分布云圖和矢量分布圖，可以看出，磁場強度矢量垂直分布于磁流變液受剪方向，且在磁流變液工作區域的磁場強度大小在162～250 kAmp/m范圍內，能滿足MRF-132DG型號的磁流變液的工作需要。

4 結論

提出了一種在傳統盤式制動器基礎上增加了制動力矩調節快速的單盤式磁流變制動器的復合式制動器，進行了結構和磁路設計，并進行了磁路仿真，結果表明磁流變液工作區域的磁場強度滿足工作要求，磁路設計可行。但本文的設計和分析是首次進行，未經過試驗驗證，后續的研究將圍繞著相關試驗和結構優化展開，并將磁流變制動器與鼓式制動器結合，進行結構、磁路和試驗研究。

［1］徐斐.淺談磁流變和液壓聯合制動控制策略［J］.科技與創新，2017（5）：81-85.

［2］張玉魯，李兆松，梁彬.圓盤式磁流變液制動器的設計與磁場仿真［J］.汽車工程學報，2018（1）：54-60.

［3］沙樹靜，張賀，張和權.雙盤式磁流變制動器的結構設計和性能研究［J］.機械設計與制造，2015（11）：100-107.

［4］徐斐.磁流變-液壓復合制動系統設計與研究［D］.合肥：合肥工業大學，2011.

2095－6835（2018）20－0015－03

U463.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.015

路國平（1986—），男，主要研究方向為汽車底盤技術。

重慶工程職業技術學院院級科研項目“汽車用磁流變液制動器的研究”（項目編號：KJB201522）；重慶工程職業技術學院院級科研項目“基于牛角多級結構的耐撞性汽車保險杠仿生研究”（項目編號：KJA201807）

〔編輯：嚴麗琴〕