电磁式刹车机构可行性分析
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电磁式刹车机构项目报告
一、电磁铁的选定
一般液压制动系统如图1所示
图1液压制动系统简图
根据测量，制动推杆所需行程约为30mm ，制动踏板装置需有一定储备行程，GB7258和GBl2676都规定：制动器装有间隙自动调整机构时，储备行程不得小于总行程的1/5。
假定踏板总行程为12cm ，踏板力最大为230N ，结合图2将踏板力随踏板行程的变化分为三个阶段如下：
（1） 第一阶段：空行程，此时踏板只需一个较小的力即可，如图，可取此时受到的
踏板力F 的范围为[0，25]，踏板行程Y 1≈1/5*120=2.4cm ；
（2） 第二阶段：制动主缸推杆活塞产生制动压力所需的踏板行程，此时制动主缸推
杆开始工作，因此踏板力也要逐渐增大，踏板力F 的范围为[25，95]，踏板行程Y 2≈2/3*120=6.4cm ；
（3） 第三阶段：制动主缸浮动活塞产生制动压力所需的踏板行程，此时制动主缸浮
动活塞产生制动压力，因此需要迅速增大踏板力才能达到制动的行程，踏板力F 的范围为[95，230]，踏板行程Y 3≈1/3*120=3.2cm 。
图2 踏板力随踏板行程的变化关系
为实现上述踏板行程与踏板力的假定，必须从理论上来计算电磁铁的横截面积以及线圈匝数。
气隙较大的电磁吸力公式可知
F=)/d (1.52
δd L I ⨯⨯ （1）
式中，δG W L 2= （2）
从而，δδd dG IW F /)(1.52⨯⨯= （3）
气隙磁导δG 的大小是随磁级的形状和气隙的大小而改变的。
如果气隙中的磁通为均匀分布，则气隙磁导可以表示为
)/(0δμδKS G ⨯=(亨) （4）
式中：0μ—空气的磁导率，=1.25×10-8 （亨/厘米）；
S —决定磁导和电磁铁吸力的衔铁面面积（厘米2）；
δ—气隙长度，即磁极间的距离（厘米）；
K —考虑到磁通能从磁极边缘扩张通过气隙的一个系数，
它大于1，而且δ值越大，K 也就越大。
可以推导出：)/(/d 20δμδδS d G ⨯-= （5）
于是有：{}2
20
/)(1.5δμS IW F ⨯-= （6） 式中的负号表示随着气隙δ的减小，电磁吸力F 随之增大，若不考虑磁极边缘存在的扩散磁通的影响（K ≈1）。
下面根据上述踏板力随踏板行程的变化关系三个阶段来分析每个阶段需要使用的电磁铁形状。
第一阶段：踏板力F 的范围为[0，25]，踏板行程Y 1≈1/5*120=2.4cm ，将踏板行程转化为气隙长度δ（单位为cm ）的范围为[9.6，12]，带入上式（6）中，0μ=1.25×10-8
，有 {}
22012/)(1.525S IW μ⨯-=
假定电磁铁为圆柱形，直径为D ，则有
()210102.7DIW =⨯ 也即 DIW =⨯5
1068.2
第二阶段：踏板力F 的范围为[25，95]，踏板行程Y 2≈2/3*120=6.4cm ，将踏板行程转化为气隙长度δ（单位为cm ）的范围为[3.2，9.6]，带入上式（6）中，0μ=1.25×10-8，有 {}
2206.9/)(1.595S IW μ⨯-=
DIW =⨯51018.4
第二阶段：踏板力F 的范围为[95，230]，踏板行程Y 3≈1/3*120=3.2cm ，将踏板行程转化为气隙长度δ（单位为cm ）的范围为[0，3.2]，带入上式（6）中，0μ=1.25×10-8，有 {}2202.3/)(1.5230S IW μ⨯-=
DIW =⨯51016.2
综合上述三各阶段的电磁力情况，则可以通过如下公式选择电磁铁的型号
DIW =⨯51018.4
假定气隙长度δ=30mm ，所需磁力为200N ，如果使用两个的话，磁力则为100N ，利用公式{}2
20
3/)(1.5100S IW μ⨯-=。
根据公式，可以选定电磁铁的型号和外形尺寸，一般情况下，要满足电磁铁的电阻值为10欧姆以下，电压值为12V ，优选选择大电流，外形尺寸则要根据实际车型来确定。
经过对车型的观察和测量，选择了如图所示两种型号的电磁铁，外形尺寸分别为：30*38*64，φ38*72，为了便于理解，在UG 软件中建立电磁铁三维CAD 模型，如图3所示，这两种电磁铁可以选择用外壳包裹防止漏电。
A B
图3 两种型号的电磁铁
二、电磁铁安装
如图4所示，这是普通乘用车的刹车总泵，前端与踏板连接，助力器则安装在发动机舱内，为了将总泵固定在隔板上，一般情况总泵都会有四个螺杆与隔板连接。
图4 总泵
为了便于进行电磁铁安装设计分析，在UG 软件中建立总泵的三维CAD 模型，如图5所示，这是一个简易的示意图，与原总泵尺寸会有一定差距。
图5 总泵CAD模型
采用如图6所示的结构来安装电磁铁，将电磁铁固定于总泵的四个螺杆上，电磁铁用外壳包裹，具体尺寸根据实际车型而定，一般情况下将原电磁铁外形尺寸向外扩大5mm就
图6 电磁铁安装示意图
三、分级控制
根据目前选用的电磁铁初步设定两种分级刹车方案，一种是通过调节电压来控制，一种是通过控制电磁铁的个数来控制。
（1）方案一
目前，汽车上常用的为12V蓄电池，我们选用的电磁铁也是12V，为了实现分级，我们可以调节电压。
经过项目组相关实验，可以得到如图所示的拉力与行程的曲线图，同时把电压进行变换，然后求出交点位置即为我们需要控制的电压。
如图7A所示，这是电磁铁型号A的行程与拉力曲线图，7B是电磁铁型号B的行程与拉力曲线图。
从图中可以看到，当我们使用的电磁铁功率发生改变时，吸力与行程也发生改变。
为了进一步确定目前这两种电磁铁电压发生变化后的行程拉力曲线，对改电磁铁进行了测力试验。
根据试验结果和图示曲线可以选择10V和8V电压作为二级和三级控制的电压。
A
B
图7 两种电磁铁行程与拉力关系图（2）方案二
通过控制电磁铁个数实现分级，具体分级控制如下：
①三级控制：使用2个框型电磁铁
②二级控制：使用3个框型电磁铁
③一级控制：使用4个框型电磁铁。
