汽車前輪磁流變制動器設計與分析

楊坤全

（漳州職業技術學院汽車工程系 福建漳州 363000）

磁流變液是一種新型智能材料，在磁場控制下，磁流變液體會發生磁流變效應，可實現液態和固態之間相互轉換，而且這種轉換速度非常快（一般為毫秒級）。這幾年國內外已對其進行大量的研究，尤其是利用磁流變液發生磁流變效應時，產生的剪切屈服應力，將其應用于汽車半主動懸架、緩速器、離合器等控制。利用磁流變液特性開發的動力傳動裝置，具有控制能耗低、受外部環境影響小、部件磨損小等特點，而且通過控制施加在磁流變液上的磁場強度，就可達到轉矩或速度的無級控制，其在汽車工業、液壓傳動、建筑抗震等領域具有很大應用前景[1]。目前，將磁流變液應用在汽車制動器上的研究并不多，但傳統汽車制動器在功能增加的同時，管路和結構設計等越來越復雜，也存在制動液泄露風險，隨著新能源汽車的發展，發動機逐步被取消，現行燃油車制動器上的真空助力也將消失，雖可外加電子真空泵并配合能量回收，但磁流變制動器能較好實現線性控制，除去了制動主缸和助力器等零件，降低了車重，節省了空間，在不借助外力的情況下能實現主動控制，更能滿足自動駕駛對制動系統的要求[2]。因此，磁流變制動器可通過合理的結構和磁路設計，實現制動力矩的連續、快速的控制，進而達到汽車制動要求[3]。將磁流變制動裝置應用于汽車前輪的剎車控制，主要目標是對汽車前輪制動器進行結構和磁路設計，利用MATLAB軟件對制動器的制動力矩進行仿真分析，并就結構參數對制動力矩影響做進一步分析，為磁流變制動器設計提供參考依據。

一、汽車前輪磁流變制動器結構設計

磁流變液體有多種設計結構和工作形式，諸如圓筒式和圓盤式等結構、剪切和擠壓等工作形式[4]。前輪磁流變制動器利用圓盤式結構的剪切工作原理進行設計，采取的前輪輪胎結構較普通輪胎結構有所改變，主要由制動盤、固定盤、左右輪轂、勵磁線圈等組成。左右輪轂與前輪軸之間有圓錐滾子軸承，左右輪轂通過螺栓固定；兩隔磁固定環與固定盤固定一起，外部支撐勵磁線圈，同時兩隔磁固定環分別固定于左右兩輪轂內側，之間用大O型密封圈密封；左右制動盤通過花鍵固定在前輪軸上。對于后輪驅動的汽車來說，前輪是從動輪，輪胎、左右輪轂、隔磁固定環、固定盤和勵磁線圈固定成一整體并隨著前輪軸轉動。左右輪轂內側、隔磁固定環、固定盤和左右制動盤之間形成密閉的空間，內部充滿磁流變液體，制動器產生制動力矩的磁流變液是以R1和R2所構成工作圓環對應的區域。當勵磁線圈沒通電時，工作圓環區域的磁流變液體處于零磁場作用狀態，產生的粘性力矩較??；當勵磁線圈通電時，產生的磁場將使工作圓環區域的磁流變液體發生磁流變效應，進而使磁流變液體形鏈狀結構，產生制動力矩，對制動盤起到阻力作用。磁流變制動器結構如圖1和2所示。

圖1 汽車前輪磁流變制動器結構圖

圖2 汽車前輪磁流變制動器三維剖面圖

為了簡化計算，在推導磁流變制動器的制動力矩公式時，作出如下假設：（1）假設磁流變液是不可壓縮的；（2）忽略重力影響；（3）忽略磁滯現象，認為其響應具有瞬時性；（4）忽略由于加工和工藝帶來的認為誤差等[4]。

前輪磁流變制動器采用雙盤式結構，制動器具有四個工作面，假設四個工作面相同，可推導出磁流變制動器的制動力矩計算公式為[5]：

其中，ω是工作轉速，h是磁流變液工作間隙，τy(B)是動態屈服應力，η是塑性粘度，制動器的工作面為R1到R2的圓環面。

可看出，磁流變制動器的制動力矩由剪切應力產生的力矩和粘性力矩兩部分組成。剪切應力產生的力矩除與工作環面的結構尺寸有關外，還與施加在磁流變液上的磁場強度大小有關，由磁流變液的特性決定，這部分是可控的；粘性力矩是在零磁場作用下產生的，其大小與工作環面結構尺寸、磁流變液粘度、軸旋轉速度和磁流變液的工作間隙有關，屬于不可控部分。因此，可通過控制施加在磁流變液上的磁場強度來調節制動力矩的大小，進而達到汽車制動要求。粘性力矩相比動態剪切應力產生的制動力矩小得多，一般在計算中可不做考慮。

二、磁流變液制動器磁路設計

磁流變制動器中的磁流變液體要發生磁流變效應產生制動力矩，必須在勵磁線圈通電產生磁場的作用下才可以實現，因此制動器磁路的設計就顯得非常重要，只有合理設計磁路，才可實現制動器的有效制動[6]。為了減少磁動勢的損失，必須對磁路進行合理設計，從而使勵磁線圈產生的磁場能夠有效作用在工作間隙區域的磁流變液體上。前輪磁流變制動器固定盤兩側采用兩個奧氏體不銹鋼材料隔磁環進行定位緊固，并且用以支撐和保護勵磁線圈。同時，隔磁環可以起到隔磁的作用，并能夠對勵磁線圈的磁場進行有效引導，確保磁場能形成閉環回路，且磁力線垂直作用在工作間隙區域的磁流變液體上。

為便于計算，將磁流變制動器左右殼體及兩制動盤工作區域假設成是對稱的，一般情況下，主磁路也會有一部分磁通泄露到空氣中，造成磁動勢損失，但磁力線通過的元件的導磁率遠比空氣大得多，因此泄露到空氣中的這部分磁通也可忽略不計[7]。當勵磁線圈通電時產生的磁場會沿著①至⑩形成閉環回路，如圖3所示。

圖3 磁流變制動器磁阻劃分及磁阻計算簡圖

根據磁路安培定律可推導出，磁通大小[8]：

式中，Φ為磁場磁通；B為磁感應強度；μ為鐵芯材料的磁導率；S為磁路等效截面積；l為磁路等效長度；N為線圈匝數；I為線圈中電流大小。

結合圖3所示制動器每部位尺寸，得到各段磁路的磁阻：

磁路的總磁阻為：

式中，μm為磁流變液的導磁率；μ1為固定盤與殼體的導磁率；μ2為制動盤的導磁率。

由式子（2）可推導出制動器工作間隙中磁動勢為：

式中，B0為施加在制動器中磁流變液上的磁感應強度；S0為工作間隙處的磁通面積。

三、制動器制動力矩分析

以某車型的前輪制動器為研究對象，展開前輪磁流變制動器性能仿真，該車型的相關參數如表1，制動器仿真參數如表2所示，結合公式（1）和（7），利用SIMULINK仿真工具箱建立該前輪磁流變制動器的SIMULINK仿真模型如圖4，仿真中選取的某磁流變液體的磁場強度與剪切應力關系如圖5所示，封裝完為模型中的Subsystem2模塊[9]，得到制動力矩仿真結果如圖6所示。由磁場強度和剪切應力關系圖可以看出，磁流變液體的剪切應力隨著施加的電磁場強度的增大而增大，尤其在0-0.25T幾乎是呈線性增長關系，但0.4T-0.8T剪切應力增長較平緩，相對基本穩定，最后達至最大值64.72kPa。由圖6可以看出，該磁流變制動器在不施加磁場時粘性制動力矩為23.76N·m，該部分僅與制動器結構本身參數及磁流變液體特性和輪軸轉速有關，與施加的電流大小無關；當施加勵磁電流時，制動器的制動力矩在0-1A時隨著勵磁電流的增加呈線性增長關系，且在勵磁電流為0.76A時制動力矩就達到1000N·m，隨后勵磁電流為1-2.5A時，制動力矩的增加就比較平緩，勵磁電流超過2.5A時，制動力矩基本就達到飽和，最高可達到1251N·m。

表1 汽車主要相關參數表

表2 制動器仿真參數

圖4 勵磁電流-制動力矩仿真模型

圖5 磁場強度與剪切應力關系圖

圖6 制動力矩仿真結果圖

按照GB7258-2017(機動車運行安全技術條件)標準，對乘用車在制動初始速度為50Km/h時，空載檢驗平均減速度不小于6.2m/s-2，則該假定車型前后軸的最大制動力矩要求為：

由于該磁流變制動器是假定用于該車型的前輪制動，在干燥、良好的瀝青或混泥土路面附著系數f=0.78進行緊急制動時，前輪制動器最大制動力矩要求為T前輪=T前軸/2=844.75N·m，由磁流變制動器勵磁電流與制動力矩的關系可以看出，在勵磁電流為0.6A時即可達到前輪制動器最大制動力矩的要求，況且隨著勵磁電流的增大制動力矩仍然是可以繼續增加的，因此該磁流變制動器是可以滿足該車型最大力矩的制動要求，且制動力矩還有很大增加的余量。

四、制動器結構參數影響分析

磁流變制動器的制動性能受到材料性能、工作條件、結構參數等諸多方面影響[10]，為研究不同結構尺寸下制動器的性能變化，對制動器不同的工作圓環面進行制動性能仿真，仿真結果如圖7，三種不同的工作圓環面尺寸產生的制動力矩變化趨勢基本相同，而且同樣勵磁電流下，增大工作圓環面的面積可以增大制動力矩。另一方面，R1=40mm、R2=1200mm和R1=30mm、R2=120mm兩種對比產生的制動力矩相差不大，但R1=30mm、R2=130mm和R1=30mm、R2=120mm兩種對比產生的制動力矩相差較大。同樣尺寸下，工作圓環面的內半徑R1減小10mm，制動力矩可增加11.2N·m，而工作圓環面的外半徑R2增大10mm，制動力矩則可增加106.8N·m，可以看出工作圓環面的外半徑R2對制動力矩的影響比R1大。

圖8是對工作間隙h和制動力矩建模后仿真結果，由圖可以看出：（1）工作間隙越小磁流變液產生的制動力矩越大，尤其是小于0.5mm時，制動力矩呈急增趨勢，0.5-1.5mm之間制動力矩增加較平緩，大于2mm以后制動力矩基本趨于穩定；（2）同樣工作間隙下，制動力矩隨著施加在磁流變液上的磁感應強度的增加而增大，但當磁感應強度增大至0.5T時，制動力矩增加較小，基本趨于穩定，這與制動器勵磁電流和制動力矩仿真結果相一致。另一方面，工作間隙越小，加工難度增加，且磁流變液在工作間隙中的流動性不好；工作間隙增大，磁流變液的流動性能提高，轉矩的可控系數增大，但工作間隙過大會造成間隙處磁阻增加，磁勢降低過大，傳遞的轉矩下降[11]。因此，工作間隙一般取在0.5-2mm之間。

圖7 外形尺寸影響仿真結果圖

圖8 工作間隙影響仿真結果圖

五、結論

對傳統輪胎結構進行重新設計，將磁流變制動器創新性應用于前輪剎車，仿真結果表明前輪磁流變制動器完全能滿足選定車型的最大制動力矩制動要求。同時，磁流變制動器的制動力矩隨著施加在磁流變液上的磁場強度增加，前期快速增長，后期逐步趨于穩定，單輪產生的制動力矩可達1251N·m，而且勵磁電流在0-1A區間時，制動力矩呈線性增加，這種特性使磁流變制動器特別適用于線性制動控制系統的開發，更易滿足新能源汽車及無人自動駕駛技術的發展對制動系統線性控制的要求。從結構參數影響分析可知，通過增大工作圓環面的外半徑R2增加制動力矩比減小內半徑R1增加得更快；另外，考慮到前輪制動器部件的布置，及制動間隙與磁流變液的流動性、磁阻變化、制動器加工難度等緊密相關，設計汽車前輪制動器磁流變液的工作間隙應取在0.5-2mm之間。目前磁流變制動器的研究仍處于理論的階段，離實際應用仍還有很多急需解決的問題，如磁滯、磁場分布不均勻、磁流變液的沉降、溫度影響等現象。隨著汽車智能化的發展，磁流變制動器已成為制動系統最具前景的研究方向之一。