轿车辅助制动系统设计(电涡流缓速器)【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要在汽车控制系统中,制动部分是非常重要的组成部分。汽车行驶过程中为了保持适当的车辆间隔和驾乘舒适度,精确控制刹车力矩显得尤为重要。对于紧急刹车情况,除了精确控制刹车力矩外,还要避免车轮抱死的情况发生。电涡流缓速器正是这样一种工具。本文对电涡流缓速器的结构、工作原理、安装方式、使用性能等方面进行了阐述。从分析转子盘的涡流耗损入手,推导出了电涡流缓速器制动功率和制动力矩的计算公式,反映了电涡流缓速器各设计参数之间的关系,首先根据汽车的最高车速和后轴最大附着力来确定其所能达到的最大制动功率;其次选取和确定其应具有的气隙;然后再以此为基础完成对转子盘的各结构参数的设计计算。再次,分析了气隙、转子盘大小等因素对制动力矩的影响,找到结构设计的改进方向。最后,根据机械设计的知识设计电涡流缓速器的零件图。关键词:电涡流缓速器,辅助刹车,结构设计ABSTRACTThe braking part is very important in the control system of automobileIn order to keep the proper distance between the cars and the driving comfortable,the precisely control of braking torque is the most importantAt the emergency,besides the accurately control of torque the instance of brake completely is need to be avoidThe eddy current retarder is such a tool. The article introduces its the working primary, installing way and usability. From the analysis of the rotor discs loss,Deduced the calculation formula of the eddy current retarder braking power and braking torque ,Reflects the relationship between the various design parameters of the eddy current retarder. Firstly the maximum brake power of ECR is concluded by the maximum velocity of automobile and the maximum adhesion of rear axle. Then the air gap, magnetic induction of ferromagnetic and the area of magnetic yoke are given. Then the parameters of rotating disc and exciting winding are concluded. Next, analysis brake moment affected by the parameter of field coils, air gap and rotor disc. At last, According to mechanical design knowledge design for eddy current retarder the detail drawings.Keywords: The eddy current retarder, Auxiliary Braking;Structural design.II压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录前 言1摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1电涡流缓速器简介11.1.1 电涡流缓速器工作原理11.1.2 电涡流缓速的结构基本组成21.1.3 电涡流缓速器的分类51.2 电涡流缓速器产品的优越性61.2.1 选用电涡流缓速器的理由61.2.2 电涡流缓速器的优越性61.3 电涡流缓速器的发展概况71.3.1国外电涡流缓速器的发展81.3.2 国内电涡流缓速器的发展9第 2 章 电涡流缓速器主要结构设计102.1电涡流缓速器的选型102.2电涡流缓速器的设计112.2.1重型货车参数112.2.2电涡流缓速器最大功率确定122.2.3 气隙的确定122.2.4 气隙的作用面积132.2.5 转子盘的结构参数132.2.6制动力矩的理论推导172.2.7涡流分布的深度202.2.8制动力矩21第3章 缓速器转子轴的设计233.1确定材料。233.2计算轴的基本直径的确定233.3 轴的结构设计233.4各轴段的尺寸(直径和长度)的确定243.4 校核轴的强度243.5 校核该轴轴承的寿命。25第4章 结论及展望264.1 结论264.2 展望26致 谢28参考文献29压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985前 言汽车行驶时能在短时间内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力,称为汽车的制动性。汽车的制动性也是汽车的主要性能之一。自从汽车诞生之日起,汽车的制动性就显得至关重要;并且随着汽车技术的发展和汽车行驶车速的提高,其重要性也显得越来越明显。制动性直接关系到交通安全,重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关。所以,汽车的制动性是汽车行驶的重要保障。只有在保证行车安全的前提下才能充分的发挥汽车的其他使用性能,诸如提高汽车车速、汽车的机动性能等。汽车的制动性不仅取决于制动系的性能,还与汽车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的附着条件以及制动操作有关的人体特征有密切关系。一般情况下,汽车是将摩擦制动作为汽车的主要制动方式。摩擦制动是依靠于车轮上的制动蹄块对车轮的摩擦力矩来实现制动的,它是应用最广泛的一种制动方式。这种制动方式结构比较简单,制动时比较灵敏,但是使用一段时间后,其可靠性降低较大,尤其不适合车辆在特殊路况下和下长坡道路上的长时间行驶。因为此时制动摩擦产生的能量很大,又不能得到及时的散发,在这种情况下,产生的大量热量将使车轮的制动蹄块和制动轮毂温度升高、甚至烧坏,从而导致制动蹄块摩擦因数降低或使制动失效。这对行驶中的汽车是十分有害和危险的,并可能酿成重大事故。因此,在大中型车辆上采用辅助制动系统已是不可缺少,并成为一种技术发展趋势。汽车刹车系统工作过程中,一般都存在机械能转化为热能的现象。如果要保证刹车片(盘)和刹车鼓的性能,就要令其工作在合适的工作温度。由于存在较高的能量转化,就要求刹车片(盘)与刹车鼓所用材料有合适的比热,并且在装配时也要考虑散热问题。对于摩擦制动器往往由于在设计、装配时没有考虑到散热问题,而导致制动器的失效。就电磁涡流刹车而言,由于采用了一套新的工作机制,它工作在相对凉爽的工况下。电磁涡流刹车有良好的散热能力,其工作相对独立,不会增加原有摩擦制动器的发热量。用电磁涡流刹车作为现有摩擦制动器的辅助刹车系统,原有的刹车系统就可以较少的利用,从而不会达到较高的温度,可以避免刹车失效的问题产生,大大提高刹车系统的使用寿命,所以可以说电磁涡流刹车是现有刹车系统的一个重要补充。因此有必要研究电磁涡流刹车系统。汽车在山区路段行驶时,制动器过热会导致制动蹄片加速磨损,制动器热衰退甚至使汽车完全丧失制动力,严重危及人身安全,尤其是大型车辆,由于质量大,车轮制动器要消耗掉更大的运动能量,以上问题尤其严重。经常可以见到一些汽车因制动鼓过热下不了山的情况,司机喜欢采用喷水法给制动鼓降温。喷水法虽然是一种解决汽车下山制动问题的简洁手段,但是,却避免不了较长时间持续制动引起的制动蹄片快速磨损问题,更避免不了冷却不均匀使局部热应力过大引起的制动鼓损坏,冬季冷却水流到地面还会造成后续车辆的安全事故。配合传统的摩擦式车轮制动器制动,人们利用发动机制动以及排气制动提高车辆的持续制动性能。但是,在超过6%或7%的坡道上,用发动机制动和排气制动形成不成安全的稳定车速。而缓速器制动却能很好的满足大坡度持续制动的要求。电涡流缓速器,俗称电刹,又称缓行器,是利用电磁感应理论和楞次定律,使安装在传动轴上的转子产生电涡流,给传动轴的转动施加一个制动阻力矩而实现车辆平稳减速,提高车辆行驶安全性、舒适性的装置,缓速器的控制方式包括手柄、踏板、混合控制以及其他控制方式。最早出现的缓速器只是应用在火车上,后来西欧地区有些多山的国家开始将缓速器应用于汽车列车上,发现了其具有良好的辅助制动效果,并将缓速器的使用推广到了山区行驶的重型货车和大中型客车及高速公路上。现在,缓速器在欧、美、日等国家的大中型客车和载重货车上已随处可见。 并且,电涡流缓速器已成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚等世界知名汽车的标准配备,广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车辆上。在我国,有一些客车厂家(例如郑州宇通、江苏亚星、厦门金龙、苏州金龙等)也已经在一些新产品上开始安装。随着缓速器在各国的推广使用,专业生产缓速器的公司也发展起来。目前外国知名的缓速器制造公司有:法国的TELMA公司、日本的TBK公司、德国FRENELSA公司、日本三菱公司和住友公司等等。这几家公司从年代就开始研制,目前他们的技术比较成熟,且形成了系列产品,适用车型也很广泛。近几年来,我国有许多企业正在开发研制电涡流缓速器技术,他们吸收国外先进技术,并根据中国车辆特点加以改进,在我国多种客车上已成功地安装和使用,解决了国内需求中低端产品的问题,同时也替代了一些进口产品,具有独立知识产权。本论文首先简单介绍了电涡流缓速器的工作原理、主要结构、分类及优越性。然后,根据给定的重型货车的质量参数及尺寸参数和技术参数,进行缓速器主要结构的设计,包括转子盘与定子间气隙大小、转子盘结构参数、缓速器最大功率确定及制动力矩的确定等等。最后,根据给定数据,进行缓速器零件的设计,包括缓速器定子轴的设计等。第1章 绪 论1.1电涡流缓速器简介随着客车、卡车制造业的快速发展,在车辆动力性能在迅速增加,行驶速度也越来越快的同时,车辆的制动负荷也随之加大,尤其对运营在城市内的公交,长期跑山路的长途客车、卡车等中重型车辆来说,制动负荷的问题更是突出。如果这些制动负荷全部由车辆自身的制动系统承担,不但可能会造成制动性能下降,更可能因为频繁制动导致的制动毂和刹车片过热,从而引发汽车跑偏、侧滑失稳和爆胎等一系列事故,后果不堪设想。电涡流缓速器作为一种辅助制动系统的重要方式,正越来越多的被应用在大型客车、中、重型卡车上。它利用电磁感应原理,产生强大的非接触式制动效能,并且不需要使用行车制动器就能减缓车辆的行驶速度,增强车辆的可靠性和安全性,也使制动鼓和摩擦片的使用寿命大大延长,从而减少汽车的运行成本,提高用户的经济效益。是目前较为理想的缓速“安全制动”方式。1.1.1 电涡流缓速器工作原理电涡流缓速器是安装在汽车变速箱、传动轴或驱动桥上,靠电涡流的作用力来减速的装置。实质上,它就相当于一台直流大功率力矩电机,基于“电磁感应”的原理而工作的。由于装置中转子这个电磁导体很大,且转子上产生的感生电流是以围绕磁力线旋转的涡流的形式存在的,所以这种形式的缓速器就被称为电涡流缓速器。当驾驶员推动缓速器的手档开关,或踩下制动踏板给缓速器的定子线圈通入直流电的时候,电涡流缓速器固定在传动轴上的转盘受轴的带动而旋转,由于转盘工作面与磁极之间存在着一定的间隙,由电磁感应原理可知,在由相邻铁心、磁极板、气隙、转子之间形成的磁回路中,当转子和定子之间有存在相对运动的时候,这种运动就相当于导体在切割磁力线,这时候在导体内部会产生感生电流,同时感生电流会激发出电磁力。这个力的方向正好与转子的旋转方向相反,由于作用力的方向永远是阻碍导体运动的方向,故导致转子减速,这就是缓速器制动力矩的来源。图1.1 电涡流缓速器工作原理从能量守衡的角度上来说,当缓速器起制动作用的时候,是把汽车运动的动能转化为涡电流的电能并以热量的形式被消耗掉。因此,电涡流缓速器在工作时会产生巨大的热量,而提高转子的散热能力和控制转子热变形的方向成为转子结构设计的关键,也是电涡流缓速器的核心技术之一,而保持转子风叶等散热表面的清洁也成为缓速器保养的重要项目。1.1.2 电涡流缓速的结构基本组成电涡流缓速器由机械部分和电气控制系统两部分组成。机械部分由支架总成、转子总成和定子总成三部分组成;电气系统部分由控制器总成、电源开关、工作状态指示灯、气压传感器和速度信号传感器等组成。电涡流缓速器的机械结构如图1.2所示,主要有转子盘、定子、固定架等装置组成,励磁线圈缠绕在八个铁芯上构成定子呈圆周分布,圆周上相对两个励磁线圈串联或并联成一组磁极,并且相邻两个磁极均为N、s相间布置,形成相互独立的4组磁极。转子由转子盘和转子轴构成,因为转子盘是产生电涡流的装置,工作时在此产生热量,为了及时把热量散发掉,通常在转子盘上铸有散热叶片和通风气道。定子通过固定架安装在车架上,转子则通过万向节与传动轴联接,并随传动轴一起转动。图1.2 电涡流缓速器结构电涡流缓速器电气控制部分由气压开关、手拨开关、电源总开关、控制单元、控制电源开关、工作指示灯及线束等组成;控制原理图如图1.3所示。控制电源开关是控制部分的核心,采用大功率晶体管控制缓速器主机电流的通断。气压开关安装在车架上,与车辆制动系统的气路相连,是采用制动踏板控制缓速器工作的开关。手拨开关安装在驾驶室内,驾驶员可通过拨动手拨开关选择合适的档位单独使用缓速器对车辆减速。工作指示灯安装于仪表板上,用以显示缓速器的工作状态。电源总开关一般装于电瓶仓内,在检修缓速器或缓速器出现故障时可临时关闭缓速器。控制单元接受车速、ABS等车辆状态信号,判断缓速器是否符合工作条件;当车速达到一定值(一般为310Km/h)且ABS未工作时,缓速器即处于待命状态,此时拨动手动开关或踩制动踏板即可使缓速器工作。 图1.3 电涡流缓速器电控组成电涡流缓速器有三种安装方式:A类:安装在变速箱输出端或后桥输入端,结构为两转子夹一个定子,典型代表为法国TELMA的F型缓速器,这也是目前使用最多的一类缓速器(尤其是客车)。其优点是制动力矩范围广,800Nm3300Nm,安装、维修方便,旋转的螺旋式散热风道非常有利于散热等,缺点是突缘串动时易使转子与定子擦伤,如图1。B类:安装在变速箱输出端或后桥输入端,结构为一个“叵”字型,即圆桶型的转子包住圆形的定子,气隙为径向分布,典型代表为日本的泽腾缓速器,国产的如特尔佳R型、纽曼的T型等为同类缓速器。其优点是:机构紧凑、重量轻,尺寸小,拆装方便,磁场呈径向分布,从而转子间隙不受轴向窜动的影响,轴向长度小,转子重量轻,对原车的传动系统影响小,所须安装空间小,尤其实用于后悬短、传动轴无法缩短的中型车辆和公交车等。缺点是散热性能不如A类,不适合作大扭矩的缓速器。C类:安装在传动轴中间(如发动机前置的卡车和客车),结构类似A类,只是转子和定子用一根花键轴串联为一个整体,出厂时气隙已经调试好,装车时整体吊装即可。典型代表是: TELMA的A系列和KLOFT的等,国产的如锐立已在解放上选装。其优点是结构紧凑,出厂时就已经装配为一个整体,汽车厂装车手续简单,另外由于独立支承在大梁上,对后桥和变速箱基本没有影响。缺点是质量大,制造成本高,只能安装在前置车的传动轴中间,且要定期加黄油,否则会烧毁里面的锥轴承。 图1.4 电涡流缓速器安装方式1.1.3 电涡流缓速器的分类电涡流缓速器根据安装位置的不同、机械结构部分的不同以及使用用途来看,可大致分为三类,即安装在变速箱上、安装在后桥上和在安装传动轴之间。以TELMA电涡流缓速器为例:A系列缓速器是TELMA最早推出的一种缓速器,其制动力矩范围涵盖350Nm3300Nm,适用于各种类型的底盘,无论车辆大小都安装在变速箱和驱动桥之间的传动轴上,由于此系列缓速器的转子和定子用一根花键轴串联为一个整体,出厂时气隙已经调试好,装车时整体吊装即可,安装方便,且结构紧凑、对后桥和变速箱基本没有影响,适合各种货车和客车,既可以标配和也便于后装。F系列缓速器制动力矩范围涵盖850Nm3300Nm,适应于城市公交车、大中型旅行车和各种货车,其FC系列是专门为后置发动机的客车及短轴距牵引车设计的产品,可直接安装在变速箱上或后桥上,此类缓速器是目前使用最多的一类缓速器,其优点是制动力矩范围广,安装方便且成本低,旋转的螺旋式散热风道不仅散热性能好,而且风阻低,节约附加油耗等。1.2 电涡流缓速器产品的优越性1.2.1 选用电涡流缓速器的理由交通安全一直是社会各界最为关注的问题,据公安部对2005年全国道路交通安全情况的通报显示。2005年,全国共发生道路交通事故450254起,造成98738人死亡,造成469911人受伤,直接财产损失18.8亿元,万车死亡率为7.6。如今,卡车、客车等大型汽车的排量、马力日益增加,而面对这些动力强劲的“猛兽”,仅以普通的形式进行制动,其巨大的制动负荷是制动片所不能承受的。因此,选用以电涡流缓速器为代表的辅助制动系统来缓解制动系统的压力,已成为汽车工业发展的必然趋势。电涡流缓速器优点是显而易见的。因而在国际一直得到着普遍的认可。电涡流缓速器虽然在我国应用较晚,但得到国家有关部门的高度重视。交通部也以加强安全考虑制订了相应的法规,规定所有在高速公路上行驶的大、中型车辆必须安装制动辅助装置。1.2.2 电涡流缓速器的优越性电涡流缓速器具有安全、经济和环保的特点,使用时能有效提高行车安全稳定性。安全上,能够承担汽车运行中绝大部分制动时的负荷,使车轮制动器的温度大大降低,确保车轮制动器处于良好的技术状态,以使在紧急情况时,应对自如。 采用电流直接驱动,没有中间环节,其操纵响应时间非常短,仅有40毫秒,比液力缓速器的响应时间快20倍。具体来说,电涡流缓速器在安全上的优点有以下五点:1、当一辆普通的15吨重车辆,在长7公里,坡度为15%的路面向下匀速行驶时,为保持速度,制动系统将释放出与车辆自身动能和势能相等的能量,根据能量守衡原理,这些能量也将通过转化,以热能的形式散发出去。据测算,这些散发出去的热能足以熔化210KG的铸铁(铸铁的熔点为1360C)。可想而知,通过热传递,车轮制动器的温度也将迅速升高,这必然将加大汽车制动时的负荷,为车辆制动带来巨大的安全隐患。而使用电涡流缓速器,能分担车辆减速时所需的30%至80%的制动力矩,确保车轮制动器处于良好的技术状态,以使在紧急情况时,应对自如,杜绝了由于制动频繁引起的爆胎现象。2、由于电涡流缓速器采用的是电磁感应原理,这一物理学优势使其能够在一个相当宽的转速范围内提供强劲的制动力矩,而且低速性能良好。车速在10公里/小时的时候,缓速器就能提供缓速制动;车速达到30公里/小时,缓速器就能达到最大的制动力矩。3、在紧急刹车时,使用电涡流缓速器的车辆能有效避免仓促、摇摆、甩尾等现象的发生,使车辆能以平稳、渐进、直行的方式停稳,不但有效地缩短了刹车距离,提高行驶得安全性,更增加了轮胎的使用寿命。4、由于电涡流缓速器采用电流直接驱动,没有中间环节,其操纵响应时间非常短,反映灵敏。以TELMA缓速器为例,其最短响应时间为0.02秒,比液力缓速器和发动机缓速器的响应时间快50倍。5、控制灵活,手动控制和脚动控制均可,并且不用改变驾驶习惯,使用舒适。经济上,由于电涡流缓速器的定子和转子之间没有接触,不存在磨损,因而故障率极低,平时除了做好例行检查,保持清洁以外,其他工作很少,所以维修费用极低。 由于电涡流缓速器能够承担车辆大部份制动力矩,因而能够延长轮制动器的使用寿命,降低用于车辆制动系统的维修费用,提高经济效益。据统计,安装了电涡流缓速器的车辆。其车轮制动器使用寿命至少可以延长4-7倍,从而节省了维修材料和人工费用以及轮胎消耗。 环保上,由于制动片在摩擦过程中会产生很多粉尘,粉尘中含有因高温作用而发生变异的有害物质,甚至含有致癌物质;再者,制动器的频繁维修,会产生较多的维修废弃物,以及制动过程中的噪音,这些都对环境造成污染。电涡流缓速器能够承担车轮制动器大部分的负荷,因而也就能大大减少车轮制动器对环境带来的影响。1.3 电涡流缓速器的发展概况从TELMA公司1936年投放市场第一台电涡流缓速器以来,至今70年过去了,其发展和应用大体经过了四代产品。这年代划分是以结构形式和市场应用为依据,原理上具有先进性。1.第一代电涡流缓速器(1936年)图1.5 第一代电涡流缓速器从图上可以看出,第一代电涡流缓速器是中置单转子,外置双定子,中心有传动轴和过渡法兰,其特点是便于匹配和安装,其不足是散热效率差。2. 第二代电涡流缓速器 (1950年)第二代电涡流缓速器是中置定子,外置双转子,中心有传动轴和过渡法兰,其特点是散热效率高。AC系列还在世界电涡流缓速器发展史上第一次采用了低风阻转子的专利设计。3. 第三代电涡流缓速器 (1965年)TELMA自1965年就推出了 F系列缓速器,采用中置定子,外置双转子,但省去了中心传动轴,其功能由一过渡法兰取代。F系列推出后,由于其结构简单、配置方便和综合成本低等特点成了其它缓速器厂家仿制和抄袭的对象。4. 第四代电涡流缓速器(2003年)TELMA近年推出的第四代电涡流缓速器是一概念全新的缓速器,它具有自发电功能,扭矩无级输出,体积小,重量轻。但这一产品由于各种原因,还没有在国内推出。1.3.1国外电涡流缓速器的发展 国外开始对电磁涡流刹车的研究早在40年代,在80年代有相应的产品问世。世界上第一台车用电磁涡流刹车是由法国人Raoul Sarazin发明制造的。这项发明是Raoul Sarazin与法国Telma公司进行合作创造的,后来生产制造并销售了几代基于同样原理的电磁涡流刹车装置。现在国外对电磁涡流的应用主要用于重型卡车和高速列车以及军用汽车,对于应用于轿车的电磁涡流刹车装置也在研究之中,位于美国维吉尼亚的车辆研究中心早在l0年前就已经开始研究普通汽车专用电磁涡流刹车装置。在加拿大及欧洲一些国家也正在对电磁涡流刹车的进行研究,韩国、日本及台湾丰要对电磁涡流刹车在高速列车上的应用进行研究,我国浙江大学及同济大学及其他高校也有对电磁涡流刹车在磁悬浮列车上应用的研究。电磁涡流刹车装置的原珲是一样的,但是用于不同车辆的装置是不一样的。目前丰要的研究工作是对其机理及控制模型进行研究,因为电磁涡流刹车系统是个非线性系统,它的刹车力矩的大小受很多因素的影响,如电流及车轮转速的大小,装配尺寸参数,道路和轮胎的附着系数,以及不同速度下滑移率大小都对电磁涡流刹车的刹车力矩有影响。现在随着计算机技术和电子产品的发展,开始研究设计新的装置和控制器,并借助于计算机进行仿真实验。对于高速列车用的电磁涡流刹车系统,目前除了对控制模型进行研究外,还借助于计算机进行磁场分析,以便设计出效率更高的刹车装置。也有把电磁涡流刹车用于滑板车和摩托车的研究报道。但国内目前没有任何资料表明我国对电磁涡流刹车在汽车上的应用进行研究,由于技术保密,也很难查到国外的研究资料,只有很少的论文就某个方面进行了简单的阐述。既然电磁涡流刹车有很多优点,还是有必要对其进行研究。80年代后期,随着电子技术的发展,世界汽车技术领域最大最显著的成就就是防抱死制动系统(ABS)的使用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体,是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的丰动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分:传感器、控制器与压力调节器。传感器接受运动参数,如车轮角速度、角加速度、车速等,然后送给控制装置,控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后,给压力调节器发出指令,使制动力矩增大或减小,防止车轮抱死。世界汽车ABS的装用率已超过20。一些国家和地区(如欧洲、日本、美国等)己制定法规,使ABS成为汽车的标准设备。1.3.2 国内电涡流缓速器的发展我国从事制动防抱装置的研究始于80年代初期。目前ABS已成为国内汽车界的热门话题,一些大公司、研究所以及大专院校都开始进行积极的研究工作。主要有:交通部重庆公路科学研究所、清华大学、西安公路交通大学、济南重型汽车技术研究中心、东风汽车公司、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂等。他们做了大量的试验与理论研究,研究水平与开发手段开始接近国外的发展水平,有的已开始产品试制和在车辆上试装。ABS的关键技术是电子控制器即ECU,特别是软件算法是国外厂家的高度商业机密。另外,开发手段和开发工具也是很关键的技术。与国外相比,我们的差距主要表现在国内的研究资金投入比较少,试验条件及设施比较差。随着现在汽车的驱动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大,加之人们对汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性重视,电涡流缓速器的作用在国内汽车界开始受到重视。2002年6月1日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标准JT/T325-2002营运客车类型划分及等级评定。该标准规定中型客车中高二级,大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装置缓速器。第 2 章 电涡流缓速器主要结构设计2.1电涡流缓速器的选型重型货车的电涡流缓速器的选型主要考虑两个因素,一是缓速器的安装位置,二是电涡流缓速器所产生的制动力矩是否能满足汽车制动与减速的要求。针对重型货车的结构,本文将缓速器安装在传动轴中间。电涡流缓速器所能产生的最大制动力矩不应大于地面最大附着力: 式(2.1)即 式(2.2)而 式(2.3)整理可得: 式(2.4)式中电涡流缓速器的最大制动力矩,N/m;地面对后车轮法向反作用力,N;汽车重力,G=mg,N;路面附着系数,计算时取汽车常行使的路面附着系数;轮胎滚动半径,m;汽车的主减速器传动比;汽车轴距,m;汽车质心至前轴中心线的距离,m;汽车质心高度,m;汽车的减速度,m/s2;重力加速度,9.8m/ s2。考虑使用电涡流缓速器的最佳效果时,一般计算时取=0.91.0 m/ s2。2.2电涡流缓速器的设计2.2.1重型货车参数一、质量参数:表2.1质量参数1汽车整车质量8.36吨2汽车最大总质量16.445吨3汽车牵引总质量37.445吨二、尺寸参数: 表2.2尺寸参数1汽车长7200mm2汽车宽2495mm3汽车高3600mm4轮距5前轮距2050mm6后轮距7前悬1470mm8后悬1100mm9最小转弯直径14.2m10接近角22度 三、主要技术参数:表2.3主要技术参数1最高车速105 km/h2车轮滚动半径500mm3车速为50km/h时的制动距离(满载)25m4. 主减速比5.04重力加速度g9.81m2.2.2电涡流缓速器最大功率确定缓速器所能达到的最大功率应根据汽车所能达到的最高车速和其后轴最大附着条件来确定。当汽车达到最大车速时,传动轴转速即为缓速器的最大转速的关系式为: 式(2.5)式中汽车最高车速,kmh;主减速器传动比;车轮半径,m。此外设计的电涡流缓速器制动功率P应满足: 式(2.6)式中缓速器的最大功率,KW。2.2.3 气隙的确定气隙是转盘与定子之间的间隙,它是电涡流缓速器一个非常重要的结构参数。气隙的确定主要考虑磁阻角度,气隙越小,这样在励磁绕组上所需的励磁磁动势、励磁功率均可小些,而且励磁绕组的耗铜量也可较少。除此之外,气隙减小还可使得“临界转速减小”,从而使电涡流缓速器的最制动力矩向低速方向移动,而且最大制动力矩也随之增大。但气隙的确定还必须考虑机加工、装配公差和高速下机械可靠性,以及转子、定子受热后的热膨胀的影响,从这些角度讲气隙大些为好。故需要考虑各因素综合而定,不同结构型式电涡流缓速器气隙一般在0.1-1.7mm之间。一般是缓速器结构体积越大,气隙也越大。参考同类资料,气隙大小取为=1.5mm。2.2.4 气隙的作用面积 在已知转速n,气隙,转子盘的磁场感应强度B后,可求得气隙的作用面积(即磁轭的面积)。 式(2.10)2.2.5 转子盘的结构参数一、转子盘的内半径与外半径 电涡流缓速器磁轭一般是一个面积为(即气隙的作用面积)的扇形块(如图中阴影部分),通常转子盘的内外半径与磁轭的扇形内外半径是相当的。 由几何关系有: 式(2.11)式中:转子盘(磁轭)的内半径,m; 转子盘(磁轭)的外半径,m; 扇形磁轭的圆心角,一般取。图2.2 转子盘的内外半径由图中几何关系可得: 式(2.12)式中 转子盘的中心半径。内半径和外半径分别为: 式(2.13) 式(2.14)代入相关参数计算后可得:=185mm,=123mm,=246mm二、转子盘的厚度转子盘的厚度可根据转子盘实心体部分的热容量来求。假设在制动过程中,转子盘处于绝热状态,则2个转子盘所具有热容量应满足 式(2.15)一个转子盘实心体部分的质量,kg; 转子盘的比热容,铸铁(钢)为482J(kgK),熔点,居里点770(在此温度时,失去导磁性);转子盘的许用温升,设计计算时可取,即=273+400=673K。而单个转子盘实心体部分的质量可近似计算为 式(2.16)式中 转子盘的密度,铁取kgm3;h转子盘的厚度,m。由上式可得转子盘厚度为 代入参数后可得: 式(2.17)但 参考同类产品取=5mm,结合散热装置厚度总厚度=10mm。三、励磁绕组的磁动势四、励磁绕组参数的确定 要计算励磁绕组导线的截面积,就必须知道励磁绕组的平均直径。及励磁绕组的轴向截面积。为此,必须先给定励磁绕组的电流密度。励磁绕组的电流密度,由电涡流缓速器的冷却方式、工作状态、励磁绕组的尺寸和结构、散热条件、绝缘等级等因素决定。随着励磁绕组尺寸的增大,其散热条件也将变差,因此在其它条件相同时,大励磁绕组的电流密度应比小励磁绕组低些。 励磁绕组的轴向截面积为 式(2.18)励磁绕组的轴向截面积,;励磁绕组的径向宽度,mm;励磁绕组的轴向长度,mm;磁绕组的电流密度,对于风冷的电涡流缓速器通常取38A/;磁绕组的填充系数,对于圆截导线可取0.250.65,矩形截面导线取0.40.8.图2.3 励磁绕组的结构参数求出后,可参考缓速器的轴向总体尺寸和前面求得的定出绕组内径、和,从而也确定了绕组的平均直径。为了能够强励磁,给定的计算励磁电压应比预计的电源电压小些。这样预选的导线截面积为 式(2.19)式中 预选的导线截面积,; 励磁绕组对20的平均温升,;绕组的平均直径,mm;预选的励磁电压,=(0.80.9),V。实际计算中,通常可以取式中 绕组中心处的温升(通常由绕组的绝缘等级确定),; 绕组表面温升(通常由绕组散热条件确定),。选的导线截面积选取标准导线后,即可查出其截面积。校准额定励磁电压根据选用的电流密度,计算额定励磁电流 式(2.20)励磁绕组所需的励磁功率 式(2.21)可得励磁绕组的匝数 式(2.22)励磁绕组导线长 励磁绕组铜重量 式中 磁绕组铜重,kg;铜的密度,。2.2.6制动力矩的理论推导为了明确电涡流缓速器的制动功率(或制动力矩)与各设计参数的关系,使设计计算具有一定的精度,本文采用了先解析分析作理论推导,再通过试验验证的方法。制动功率的理论推导:从能量角度讲,电涡流缓速器的工作过程是在电磁铁励磁的作用下,通过在转子盘上产生涡流进而引起涡流耗损,将制动或减速时的机械能转化为热能,再散发到空气中。因此,从分析转子盘的涡流耗损,可以得到缓速器制动时的功率。在分析电涡流缓速器制动功率的过程中,作如下简化和假定:电磁绕组产生的磁通只分布在直径为d的磁轭圆形面积内,不考虑其漏磁情况:前后转子盘简化为两块环状的金属盘;各导磁材料的相对磁导率以为常数,且不考虑磁路的磁饱和磁滞耗损的影响。图2.4 流缓速器的磁场示图在转子盘上与磁极相对应的圆形区域,其磁通量为,式中为磁极的磁轭面积,也就是气隙的作用面积;励磁电磁铁和转子盘问气隙磁场的磁感应强度B应是电磁铁励磁和涡流去磁的共同作用的结果。这个圆形区域在转子盘旋转过程中,其磁通量是不断变化的,从图示位置()来看,其变化过程是,可以认为其是按变化的。图2.5 计算模型示意图将上述圆形区域视为若干个半径大小不同的,宽度为,厚度为的金属圆环构成的,那么通过此环的磁通为式中 磁通量,Wb;气隙磁场的磁感应强度,T;磁场变化角速度,rad/s。磁场变化角速度 式中 磁极对数,如图所示情况是=4;转子盘的转速,rmin。由法拉第电磁感应定律,可知当磁通变化时环上产生的感生电动势为 式(2.23)此圆环的电阻 式(2.24)式中转子盘的电阻率。圆环上的电流(即转子盘上的涡流)为 式(2.25)其瞬时功率为 式(2.26)那么在整个直径为d的圆盘上的瞬时功率 式(2.27)其中: 有效功率为 式(2.28)在前后两个转子盘上这样圆形区域为2x8=16个,忽略磁极间的相互影响,则申涡流缙谏器的制动功率即等于涡流耗损的功率 式(2.29)式中 P制动功率,W。2.2.7涡流分布的深度通过电磁学中研究分析知:涡流的电流密度在z轴的分布并不均匀,而是按指数规律衰减。即由于涡流的集肤效应,涡流电流主要分布在转子盘靠近磁极侧的表层中,如图所示。在工程计算中常采用等效透入深度来计算。其物理意义是:在转子盘上等效透入深度处,涡流电流密度的振幅值,比在转子盘靠近定子磁极的表面处电流密度振幅值减少e=2718倍。即=,可得 式(2.30)代入参数可得:式中 转子盘的电导率,转子盘的磁导率,H/m。 式(2.31)式中 转子盘的相对磁导率:空磁导率,。2.2.8制动力矩根据,由式可得 式 (2.39) 式中 T制动力矩,。 其中 式中 转子盘的旋转角速度,rad/s。由和式,可以推导出制动力矩最大时的临界转速为 式(2.40)最大制动力矩为 式(2.41)参考同类产品的设计参数,将临界转速设定为=1200r/min,此时对应的最大制动力矩为。3.2.12电涡流缓速器主要设计结构参数=395KW, =1200r/min, =1.5mm , B=1.5mm , =12000=0.012, =185mm, =123mm , =246mm, 由以上参数,通过CATIA软件设计出的三维图形如下所示:(图2.7 电涡流缓速器三维图)第3章 缓速器定子轴的设计轴的设计程序是:先根据扭转强度条件,初步确定轴的最小直径;然后根据轴上零件的相互关系和定位尺寸,以及轴的加工、装配工艺性等,合理地拟定轴的结构形状和尺寸;在此基础上,再对较为重要的轴进行强度校核3.1确定材料。 根据电涡流缓速器的设计要求要求,转子轴选用45号钢,正火处理。3.2计算轴的基本直径的确定由机械设计表15-3得:45号钢的由于有键槽,应该增大轴径7%,故3.3 轴的结构设计绘制转子轴的简图如下:3.4各轴段的尺寸(直径和长度)的确定1、轴段1尺寸的设计:输入轴的的最小直径显然是轴的基本的直径,为了向转盘传递扭矩,轴段1需要进行平键的设计。根据前面的计算得到的轴的基本直径,取,由机械设计P106表6-1得:平键的截面,并根据键的直径系列,选取键的长度为。校核平键的强度:由机械设计表6-2可知,,安全。同时为了方便联轴器的转入,查表机械设计表15-2可得,左端倒角.左端为了减少应力集中系数,由机械设计表15-2圆角2、轴段2尺寸的设计:轴段2是用以安装滚动轴承的。初步选定滚动轴承。因为轴承同时只受到径向力的作用,故许用深沟球轴承6210,其尺寸为:,所以。右端为了减少应力集中系数,由机械设计表16-2圆角3、轴段3尺寸的设计:根据轴承的定位要求得,取。初步选定4、轴段4、5尺寸的设计:由于轴段4、5是对称的,所以轴段4、5的尺寸与前面相同。3.4 校核轴的强度进行校核时,通常只校核该轴上最大弯矩和扭矩的截面的强度。由于轴单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取,轴的计算应力:根据机械设计表15-1查得.因此,安全。3.5 校核该轴轴承的寿命。(1)计算径向载荷轴承的受力简图如下:2轴承1轴承算得轴向载荷(2)计算轴承的当量载荷由于采用相同的一对轴承,2轴承受力较大,故只需要校核2轴承的寿命。(3)计算轴承的寿命以小时算的轴的寿命公式为:查标准的该轴承的当量载荷为轴承的工作温度小于120,由机械设计表13-4得由于1轴承的当量载荷较大,只需要校核1轴承的寿命即可,故:小时设计寿命为8年,总的工作时间为:小时故轴承的寿命满足要求。第4章 结论及展望4.1 结论对于传统的摩擦刹车系统电磁涡流刹车可以作为重要的辅助刹车装置。在国外电磁涡流刹车己被应用在一些象卡车、大客车及重型载重汽车上,一般用于高速公路和主干道上车辆的减速,或者在下坡的路段用于长时间刹车。另外利用相同的原理电磁涡流刹车也被应用到高速列车上。目前在国外电磁涡流刹车也被研究应用于象轿车等轻型汽车。传统的摩擦制动装置如果能保持在凉爽的工作条件下,其刹车效果还是比较好的,摩擦刹车装置是重要的刹车装置,但电磁涡流刹车作为辅助刹车系统,由于其完全不同的刹车原理,可以使整个刹车系统在所有的工作条件下保持良好的制动性能,提高行车的安全性和舒适性。本论文结合重型货车的参数,再参考以往相关论文,对电涡流缓速器的设计方法及其性能作了研究。本论文主要进行了如下工作:(1)、详细地介绍了车用电涡流缓速器的工作原理和基本结构组成,以及车用电涡流缓速器的分类和用途,另外还简单介绍了国内外电涡流缓速器研究的发展动态。(2)、理论分析推导出了电涡流缓速器的制动功率和制动力矩的计算公式。该公式反映了电涡流缓速器各设计参数之间的关系,以此公式计算出的制动功率和制动力矩曲线。(3)、总结提出了电涡流缓速器设计方法:首先根据汽车的最高车速和后轴最大附着力来确定其所能达到的最大制动功率;其次选取和确定其应具有的气隙;然后再以此为基础完成对转子盘和励磁绕组的各结构参数的设计计算。工程实践证明,此设计方法能有效地指导电涡流缓速器的开发工作。(4)、根据机械设计等有关知识,设计车用电涡流缓速器的零件,包括电涡流缓速器的轴和转盘等。4.2 展望国内对车用电涡流缓速器的研究和开发总体还处于起步阶段,希望此论文所做的工作能在国内电涡流缓速器的研究开发中起到一定的作用。由于作者本人的精力以及才智有限,不可能在短时间对电涡流缓速器的方方面面都能进行深入研究。作者感到要开发出性能优良的电涡流缓速器还有许多问题值得深入探讨,如:(1)、电涡流缓速器结构各个主要参数如励磁电流、气隙、转子盘厚度等对磁场综合影响,并且通过此分析来指导电涡流缓速器的结构设计。(2)、电涡流缓速器的温度场和流场研究。电涡流缓速器是通过涡流耗损将汽车的机械能转变成热能而实现对汽车的缓速作用的,它的散热能力对其持续工作能力的影响至关重要。因此,为充分了解电涡流缓速器的性能,需要深入研究其温度场和流场,掌握其内在规律,才能为下一步开发出散热能力强的电涡流缓速器奠定理论基础。(3)、电涡流缓速器所用的材质研究。电涡流缓速器的磁路中大都是采用软磁材料,而各种材料的磁性能差异很大,因此合理选用磁路磁体的材料直接关系到缓速器的体积和质量,也对其制动性能有决定性的影响。如果磁体的材料选择和加工工艺不当,会造成电涡流缓速器初期时制动效果很好,但随着使用时间的增长磁体反复被励磁绕组的磁场磁化后,在绕组断电后也会存在剩磁,引起不需要的磁阻力,从而降低汽车行驶时传动系的传动效率。(4)、电涡流缓速器的无级控制技术的研究。现有控制方式大都采用继电器分档位有级控制,这会造成缓速器制动力矩不是连续变化的,难以实现恒力矩和恒转速控制功能。而采用无级控制技术可实现励磁电流的无级调节,配合温度、速度检测,可实现对电涡流缓速器的恒力矩和恒速控制。参考文献1 王连明. 宋宝玉. 机械设计课程设计. 哈尔滨工业大学出版社 2008年2 纪名刚. 机械设计.高等教育出版社.2006年3 朱辉等.画法几何及工程制图.上海科学技术出版社.2007年4 王新荣 陈永波.有限元法基础及ANSYS应用.科学出版社.2008年5 付百学汽车电子控制技术(下册)机械工业出版社,2000年6 潘旭峰现代汽车电子技术M北京理工大学出版社,1998年 7 Omega technologies . Technical literature of electromagnetic brakesM1992年8 Ming singModeling and Control of Electromagnetic Brakes for Enhanced Braking Capabilities for Automated Highway SystemsJIEEE Proceedings,19989 庄继德汽车电子控制系统工程M北京:北京理工大学出版社,1998年10李东江. 宋良玉现代汽车用传感器及其故障检测技术M北京:机械工业出版社,p391-396 1999年29
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