文献综述-车用盘式电磁制动器的仿真分析

车用盘式电磁制动器的仿真分析叶春晖（黑龙江工程学院）摘要：本文利用Matlab软件中的Simulink模块对所设计的车用盘式电磁制动器建立了数学仿真模型，并进行仿真分析，为这种技术的设计和实现提供了理论依据。

关键词：电磁制动器；建模与仿真；Abstract:this paper use of Matlab software to design the Simulink module of automotive disc electromagnetic brakes establishes the mathematical simulation model and simulation analysis for this technology, provides the design and implementation of the theoretical basis. Keywords: electromagnetic brakes；Modeling and simulation；当今很多汽车公司在概念车的设计中都采用了线控技术，线传操控技术的核心是智能机电传动装置，这些装置将原先操控车辆的机械手段改由线传电子控制。

一切的命令都通过电子信号进行传递，最终转变为机械动作。

另一方面，车辆的反馈信息也通过电子信号反映给驾驶者，使得其可以对车辆状况了如指掌。

线控将是未来汽车的核心内容，这将要求汽车的各个组成部分发生革命性的变化，在汽车的制动系统部分就得到了充分的体现，如电磁制动器就是制动系统的一个发展方向。

本文对所设计的车用盘式电磁制动器进行仿真分析。

1电磁制动器的结构汽车电磁制动器是一种新型非接触式制动器，它利用电磁阻力的原理将汽车的动能转化为热能耗散在空气中，使汽车获得减速度。

其制动效能和工作可靠性、持久性都高于其他传统的汽车制动系统，是国际上汽车制动系统的发展方向。

汽车电磁制动器是根据电磁铁原理，利用电磁吸力将电能转化为机械能，然后使制动盘两侧的制动块夹紧制动盘，从而使车轮制动。

设计的电磁制动器如图1所示。

此汽车制动器的结构与传统液压浮动钳盘式制动器的结构基本相同：制动盘以螺栓固定在轮毂上，带有摩擦衬块的制动块装在制动钳体内，制动块只可以沿轴向滑动，但不能转动；汽车制动时，给电磁线圈供电，使其通一定量的电流，电磁铁产生电磁吸力。

电磁铁产生的电磁力比较小，不足以使汽车制动，利用增力机构将力放大，利用液压缸使制动力同时均匀地作用在两侧的摩擦衬块上，与制动盘摩擦，产生所需的制动效果。

电磁制动系统中，电磁体的电磁力与电磁体线圈中的通电电流和匝数有关，基本上与安匝数成线性关系。

当线圈的匝数一定时，改变线圈中的通电电流，电磁体的磁力随之改变。

不同于普通的摩擦制动器，电磁制动器不需要压力调节器，而直接控制电流。

由于使用电流调节器代替了压力调节器，所以减少了系统的非线性。

图1 电磁制动器2汽车系统模型的建立汽车的整车模型，可以采用牛顿力学建立各个刚体的运动学模型。

在对电磁制动器进行仿真时，采用单轮汽车模型如图2所示，为使模型简化，为使制动器制动性能的研究更容易且不受其他条件干扰。

对控对象做如下假设：（1）汽车的的质量分布均匀；（2）汽车在平坦的路面上行驶，忽略空气阻力和车轮的滚动阻力；（3）忽略侧向力；（4）不考虑制动过程的震动和由此引起的法向载荷的变化；（5）不考虑汽车由于绕直线旋转或其他车轮不均匀制动而造成的运动动力学。

图2 单轮汽车模型车轮运动方程：ωω221mR I T == （1） 式中 I ——车轮转动惯量；ω——车轮角速度；T ——制动力矩；R ——车轮滚动半径定义滑移率为： v R ωλ-=1 （2）式中 λ——滑移率v ——车身速度 3电磁体子系统仿真模块的建立电磁体中电磁线圈缠绕在电磁铁上，可以将看做电感元件。

通电时，电感元件中的电流不能发生跃变。

其电流变化公式为： )1(τte I i -= （3） 式中 τ——时间常数，RL =τ； I ——最大电流；A I 75.15=L ——电感元件参数，IN L φ= N ——线圈匝数，378=N φ——磁通，Wb 00186.0=φ 电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。

衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。

当电源断开时，电磁铁的磁性随着消失，衔铁即被释放。

电磁吸力可根据吸力近似计算公式计算：kg SIW F 82210)(4.6-⨯=δ （4）式中 S ——空气隙截面积，200186.0m S =； δ——空气隙长度；mm 8.6=δ。

代入计算数据，建立电磁体子系统仿真模块，如图3所示。

图3电磁体子系统仿真模块4增力机构子系统仿真模块的建立增力机构的增力系数与衔铁位置相关，汽车电磁制动器开始制动时，气隙长度会随之变化，变化的电磁吸力：2028δμS W F = （5） 式中 0μ——磁路中材料的磁导率，m H /102.440-⨯=μ建模时，需要注意，气隙长度不能大于0.01652m 。

增力机构的增力比在一定程度上与角度成线性关系。

增力机构的增力系数为：αtan 21=i (6) 代入计算数据，建立电磁体子系统仿真模块，如图4所示。

图4增力机构系统仿真模块5单轮汽车子系统仿真模块的建立单轮汽车自系统模型以制动器制动力矩和纵向附着系数为输入，得到车身速度和车轮角速度，并将车身速度和车轮轮速送入滑移率计算模块中，以滑移率为输出。

ωω221mR I T == 式中，车轮滚动半径m R 286.0=,建立车轮轮速计算仿真模块，如图5。

图5车轮轮速计算仿真模块根据加速度、速度、位移关系公式，可建立车速位移计算仿真模块，如图6。

g a μ= (7)dt dv a = (8) dtds v =(9)图6车速、位移计算仿真模块根据公式（2）可以建立滑移率计算仿真模块，如图7。

图7滑移率计算仿真模块联立车轮轮速计算仿真模块、车速、位移计算仿真模块和滑移率计算仿真模块，即可获得单轮汽车子系统仿真模块。

如图8。

图8单轮汽车子系统仿真模块6轮胎子系统仿真模块的建立汽车行驶路面为沥青路面。

轮胎的SIMULINK 仿真子系统是根据轮胎力学模型建立的，它以滑移率为输入，经过轮胎模型块后，输出纵向附着系数，并在汽车制动系统中作为单轮汽车模型的输入。

222SS S S c c h +=μμ （10） 式中 μ——附着系数； c S ——最佳滑移率，2.0=c S ；h μ——峰值附着系数，9.0=h μ；S——车轮滑移率。

建立轮胎子系统仿真模块，如图9。

图9轮胎子系统仿真模块7电磁制动器仿真模块的建立图10电磁制动器仿真模型（一）联立电磁体子系统仿真模块、增力机构系统仿真模块、单轮汽车子系统仿真模块和轮胎子系统仿真模块，便可建立最终的电磁制动器仿真模型。

仿真模型如图10，图11所示。

图11电磁制动器仿真模型（二）设置系统仿真时间为5s，运行仿真系统模型，得到仿真结果电流变化曲线、制动力矩变化曲线、汽车车轮轮速曲线、滑移率曲线、汽车速度变化曲线以及制动位移曲线。

仿真结果如图12~图17所示。

图12电流变化曲线图13制动力矩变化曲线图14汽车车轮轮速曲线图15滑移率变化曲线图16汽车速度变化曲线图17制动位移曲线由图12、图13可知，在汽车开始制动大约s 3.0时，电磁铁电流达到最大值，此时电磁吸力最大，得到所需制动力矩。

由图14、图15可知，在大约s 8.0时，汽车车轮线速度降为0。

此时汽车滑移率为1，会出现车轮抱死现象，可使用ABS 装置在汽车制动过程中通过控制电流大小来控制和调节汽车的制动力，使车轮轮速与车身速度一起缓慢下降，防止车轮抱死的现象发生，以获得最佳制动效能。

由图16可知，汽车从速度h km /50至停止运动，共用时s 5.3。

汽车减速过程，减速度近似恒定。

由图17可知，汽车制动位移约为m 5.20，符合GB\7258-2004《机动车运行安全技术条件》中所规定的，乘用车制动规范对制动器制动性的要求。

所得仿真数据与计算数据略有不同，分析原因在于参数的选取以及计算设计过程中所产生的误差所造成。

8结论本文基于Matlab/Simulink对所设计的电磁盘式制动器建立了仿真模型，并进行仿真分析，得到了制动器的性能仿真分析曲线。

此仿真模型具有很好的可移植性，可作为车辆系统动态仿真的子系统；并可进一步与控制系统相结合，形成完整的仿真系统，用于测试控制算法。

参考文献[1]王中鲜主编.MATLAB建模与仿真应用[M]. 北京：机械工业出版社，2010.8[2]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.8[3]李永，宋健.车辆电子电磁器件力学[M].北京：人民交通出版社，2010[4]Ming Qian.Pushkin Kachroo.Modeling and Control of Electromagnetic Brakes for Enhanced Braking Capabilities for Automated Highway Systems[J]. IEEE,1998.。