基于磁流變制動器的自供能式汽車線控制動系統的設計與分析

周邵云，周亞琴，上官堯，王樂

（合肥工業大學宣城校區機械工程系，安徽宣城，242000）

基于磁流變制動器的自供能式汽車線控制動系統的設計與分析

周邵云，周亞琴，上官堯，王樂

（合肥工業大學宣城校區機械工程系，安徽宣城，242000）

磁流變液是近年來研究的熱點，如今汽車線控技術的不斷成熟和發展，利用傳感器，控制元件，電子元件駕駛員動作轉化為電信號，通過電線傳遞指令來操縱汽車，而不再需要傳統的復雜的機械和液壓連接裝置。針對新型智能流體材料——磁流變液，我們將其應用于汽車線控制動系統中。利用磁流變液的這一特性設計出的制動器，再輔以合理的控制和信息反饋系統，可以實現制動力與地面附著力的快速匹配，甚至可以完成連續精準無脈動的 ABS 制動過程，從而代替傳統液壓機械式ABS，有利于實現底盤集成控制，大幅改善車輛制動性能。

磁流變液制動器；車用制動器；制動性能評價標準；制動原理

1 磁流變液的研究與應用

磁流變液(Magneto-Rheological Fluids，MRF)是磁性顆粒分散于基液中而形成的懸浮液，是一種極具發展前途和工程應用價值的新型智能材料，性能良好的磁流變液在磁場作用下，可在毫秒級的時間內，由普通牛頓流體轉變為高粘度、難流動的塑性賓漢(Bingham)流體，并且其變化連續、可逆、可靠的優良特性，非常適用于主動控制[1-3]。利用磁流變液的這一特性設計出的制動器，再輔以合理的控制和信息反饋系統，可以實現制動力與地面附著力的快速匹配，甚至可以完成連續精準無脈動的ABS 制動過程，從而代替傳統液壓機械式 ABS，有利于實現底盤集成控制，大幅改善車輛制動性能。此外，利用磁流變液的磁流變效應，磁流變液可以用于汽車阻尼器、離合器、制動器、拋光裝置以及醫療器件等[4]。因而磁流變液及其應用受到了國內外研究人員和工程師們越來越多的重視。然而目前雖然關于磁流變液制動器的研究成果很多，但是尚未達到生產使用的地步，并且所涉及的研究一般還都限于試驗探索，工程化應用的研究較少。

1.1 磁流變液特性

(1)在外加磁場作用下，磁流變液可以在固體和液體之間相互轉換，磁流變液表現的粘度和屈服強度的變化是連續和無極的。

(2)磁流變效應的控制比較簡單，它只需要應用一個容易獲得的可控磁場即可，可通過調整勵磁線圈的電流大小來控制磁場強度的大小，這種控制比較容易實現。

(3)磁流變液的響應時間十分靈敏，響應時間為毫秒級。

(4)良好穩定的物理性能：靜止或離心時，磁流變液不產生固液分離現象，高溫或長久工作時，不發生變稀現象，且能在-40℃ 到 150 ℃度之間保持性能穩定。基于這些特性，將磁流變液運用于汽車線控制動系統中是可行的。

1.2 車用機械摩擦制動器

制動作為汽車三大基本功能之一（行駛、制動、轉向），又是行車安全的關鍵，一直是研究人員研究的重點。從最原始的機械裝置演變到拉索、桿件鼓式制動器，到現在廣泛應用的采用液壓和真空助力的制動器以及電控的盤式或鼓式制動器。目前國內各類汽車所用的制動器主要為摩擦制動器，可分為兩種形式：鼓式制動器和盤式制動器。鼓式制動器的摩擦副中的旋轉元件為制動鼓而盤式制動器的旋轉元件則為制動盤，工作表面分別為圓柱面和圓盤端面。

1.2.1 鼓式制動器

鼓式制動器是較早形式的制動器。在輪軸上固定安裝有制動器底板，制動過程中底板保持不動。制動蹄、輪缸、回位彈簧及定位銷等都布置在其上面,承受制動時的力矩。摩擦襯片由非金屬材料制成并嵌在制動蹄的表面,制動鼓則可以隨車輪一起轉動。

車輛正常行駛時，制動鼓與制動蹄摩擦片之間形成一定的間隙，足以使車輪自由旋轉。制動時，駕駛員踩下制動踏板，制動主缸的液壓油在活塞的壓促下流入輪缸，使輪缸活塞推動兩制動蹄繞定位銷壓緊旋轉的制動鼓,制動鼓因而受到一個制動蹄施加的摩擦力矩稀,摩擦力矩方向與制動鼓轉動方向相反,制動鼓減速，迫使車輪停止轉動。由于鼓式制動器是依靠制動蹄摩擦襯片的一摩擦力矩來實現制動，隨著摩擦襯片的磨損,制動蹄、鼓之間的間隙會逐漸增大從而使制動效率下降。因此,需要采用人工調整的方式或設置調整機構進行自動調整。另外，由于結構的問題，制動過程中鼓式制動器的散熱及排水性能也較差,制動效率受到制約。目前，主要用于經濟型轎車中制動負荷相對較小的后輪制動及駐車制動系統。

1.2.2 盤式制動器

盤碟式制動器主要由制動盤、分泵、制動鉗和液壓軟管等零部件組成。一般由液壓系統操縱控制。制動盤一般用合金鋼制造并與車輪固定連接,隨車輪一體轉動制動鉗是由制動塊和促動裝置兩部分組成，其材料一般是球墨鑄鐵或是鋁合金鑄件制動塊分置在制動盤兩側，與其端面形成一定的間隙。制動系不工作時，制動盤和車輪可以自由旋轉。制動時，制動主缸的液壓油進入制動分泵，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動制動塊壓向制動盤發生摩擦制動。制動液壓管路的壓力越大，制動塊向制動盤端面施加的正壓力也就越大，車輪受到的摩擦力矩也增大,因而減速或停止轉動。

為避免高強度或連續制動時，劇烈摩擦產生的熱無法及時散失而使制動器制動效率下降，一般在制動盤上開有小孔,加速通風散熱,從而提高制動性能。另外，與鼓式制動器相比，盤式制動器重量輕、結構簡單、性能穩定、系統響應時間短，在各類轎車上得到廣泛的應用。

但在路況條件較差時，兩種制動器制動時的抗熱衰退性、車輛方向穩定性和制動效能均顯不足，尤其是在冰雪和濕滑路面上行駛時。

2 制動性能

2.1 制動器性能的評價指標

汽車的制動性能是車輛安全行駛的保障,其性能的好壞關系到個人生命財產的安全和社會利益。據統計的交通事故是由于制動距離過長、制動側滑或跑偏造成的,因此在設計制動系統前,需要對制動力學和制動性能各參數進行綜合分析。汽車的制動性能一般用三方面的指標來評價：制動效能、制動效能的恒定性和制動時的方向穩定性。

2.2 制動原理

如今汽車線控技術的不斷成熟和發展，利用傳感器，控制元件，電子元件駕駛員動作轉化為電信號，通過電線傳遞指令來操縱汽車，而不再需要傳統的復雜的機械和液壓連接裝置。基于這一技術，本團隊大膽提出，可將新型智能流體材料——磁流變液，應用于汽車線控制動系統中。制動原理是在沒有磁場的作用下，表現為黏線性牛頓流體，在加上磁場之后，流體粘度隨著磁場的增加顯著增加，開始呈現半固化或固化，剪切屈服應力顯著增加。

磁流變液制動器的零場隨動損失曾一度成為其在汽車上應用巫待解決的難題。考慮到離合器具有切斷和傳遞動力的功能,本文在設計車用磁流變液制動器的整體方案中采用電磁離合器和磁流變液制動器相結合的方法,當切斷電磁離合器時,制動器轉子與定子處于相對靜止狀態,不產生制動效能,從而避免了車輛正常行駛時制動器的零場隨動損失。

3 結束語

本文提出了一種基于磁流變效應的汽車線控制動系統的設計與研究，詳細闡述了將磁流變液運用到汽車制動系統，通過合理的機構設計、磁路電流控制，能夠實現磁流變液粘度快速、連續、無極的變化，輔助以車輪滾動、滑動狀態檢測，還可以相應路面附著系數變化實時調節制動力矩，達到相比傳統制動器更加精準，穩定的效果，有利于實現汽車底盤的集成控制，大幅改善車輛的制動性能。同時將制動能量回收系統運用到其中作為制動系統動力原件，可以達到降低汽車能耗，節能減排的目的。

[1]張云生.分級遞階控制結構的狀態描述和實時實現.計算機工程與應用[J]. 2002

[1]宋宇.磁流變液ABS制動器結構研究與性能仿真[D].哈爾濱:東北林業大學, 2011.

[2]丁柏群, 宋宇.基Matlab/Simulink的車用磁流變液制動器設計與仿真[J].機電產品開發與創新, 2011 (2): 130-132.

[3]丁柏群, 宋宇.一種葉輪式MRF汽車制動器結構設計與性能仿真[J].汽車技術,2011 (8): 34-38.

[4]陳國兵, 戴金橋.改進型磁流變液制動器設計與分析[J].液壓與氣動, 2012 (12): 59-61.

Design and analysis of automobile brake by wire system based on Magnetorheological brake confession

Zhou Shaoyun, Zhou Yaqin, Shangguan Yao，Wang Le
(Hefei University of Technology Xuancheng Campus, Xuancheng Anhui, 242000)

Magnetorheological fluid is a research hotspot in recent years, the development and maturation of automobile steer by wire technology using sensor, control components, electronic components, driver’s action into electrical signals through the wire transfer instructions to manipulate the vehicle, without the need for complicated traditional mechanical and hydraulic connection device. In this paper, a new type of intelligent fluid material, magnetorheological fluid (MRF), is applied to the brake system. Using this characteristic of magnetorheological fluid brake design, control and information feedback system with reasonable, fast, can realize the braking force and the ground adhesion, can even complete continuous precision process of ABS brake pulsation free, so instead of traditional mechanical and hydraulic ABS,is conducive to the realization of integrated chassis control, greatly improving the vehicle braking performance.

Magneto rheological fluid brake;Vehicle brake;Brake performance evaluation criteria;Braking principle