-PAGE16-汽車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究摘要制動(dòng)系統(tǒng)是保障車輛安全行駛的因素之一，可以對車輛進(jìn)行減速，同時(shí)能夠保證駕駛?cè)藛T和行人的安全。輔助制動(dòng)裝置是輔助汽車減速的裝置。城市中的客車需要經(jīng)常剎車，在山區(qū)行駛的客車也需要長時(shí)間制動(dòng)，這都會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象而使制動(dòng)性能降低，甚至壽命減少，因此需要安裝輔助制動(dòng)裝置進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。電渦流緩速器是一種重要的輔助制動(dòng)裝置。本文以某客車上使用的盤式制動(dòng)器和電渦流緩速器為例，研究了聯(lián)合制動(dòng)的一系列功能。首先，論文詳細(xì)的介紹了盤式制動(dòng)器與電渦流緩速器的工作原理，并按照其實(shí)際尺寸在SolidWorks軟件中進(jìn)行了物理建模。接著，推導(dǎo)出二者產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)模型。建模完成之后，利用Matlab軟件對電渦流緩速器制動(dòng)性能的影響因素進(jìn)行了仿真分析。利用Matlab軟件的Simulink模塊建立電渦流緩速器和機(jī)械制動(dòng)器的聯(lián)合制動(dòng)模型，與機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)模型進(jìn)行仿真對比。研究結(jié)果表明，車輛在水平路面行駛時(shí)，使用電渦流緩速器進(jìn)行輔助制動(dòng)，可以控制車輛的制動(dòng)距離，降低車輛的速度，減少車輛的制動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而提高制動(dòng)效能及機(jī)械制動(dòng)器的使用壽命。由此可知對車輛加裝輔助制動(dòng)裝置，可以提高汽車的行駛安全性。關(guān)鍵詞：電渦流緩速器；盤式制動(dòng)器；建模；仿真；制動(dòng)性目錄TOC\o"1-3"\h\u32239摘要 I2296Abstract II32512第1章緒論 7283491.1研究背景和意義 7272561.1.1機(jī)械制動(dòng)器的介紹 754151.1.2輔助制動(dòng)裝置的介紹 8326171.1.3本課題的意義 9301791.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 9220481.2.1國外研究現(xiàn)狀 9291.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 984451.3論文主要研究內(nèi)容 1094781.4論文研究技術(shù)路線 1123386第2章機(jī)械制動(dòng)器的建模 12199042.1機(jī)械制動(dòng)器的三維模型 12246662.1.1機(jī)械制動(dòng)器的結(jié)構(gòu) 12116112.1.2機(jī)械制動(dòng)器的工作原理 14126342.1.3SolidWorks軟件介紹 14143442.1.4機(jī)械制動(dòng)器的整體模型 14125202.2機(jī)械制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型 1642812.3機(jī)械制動(dòng)器的分析 16323572.3.1氣室推力 1622292.3.2杠桿比 16163162.3.3摩擦系數(shù) 17268672.3.4制動(dòng)半徑 18209522.3.5制動(dòng)間隙 19151652.4本章小結(jié) 1923997第3章電渦流緩速器的建模 20146923.1電渦流緩速器的三維模型 20326203.1.1電渦流緩速器的結(jié)構(gòu) 20314973.1.2電渦流緩速器的工作原理 21217653.1.3電渦流緩速器的整體模型 22324593.2電渦流緩速器的數(shù)學(xué)模型 23163123.3電渦流緩速器的仿真分析 28209603.3.1Matlab軟件簡介 28116583.3.2仿真結(jié)果分析 29290183.4本章小結(jié) 3114840第4章聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真分析 3294694.1聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 32115294.1.1整車動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型 32233084.1.2輪胎動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型 3531324.1.3盤式制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型 37240504.1.4緩速器制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 37133604.2聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型 3776204.2.1Matlab/SIMULINK軟件簡介 37288814.2.2聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型 3826264.2.3車輪系統(tǒng)的仿真模型 39854.2.4空氣阻力的仿真模型 40103304.2.5緩速器制動(dòng)的仿真模型 41238694.2.6車輪制動(dòng)系數(shù)的仿真模型 4252934.3聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)設(shè)置 4354424.4本章小結(jié) 4425408第5章客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析 45319365.1平直路面持續(xù)制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析 45190355.2平直路面緊急制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析 46279325.3長下坡持續(xù)制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析 47176535.4試驗(yàn)驗(yàn)證 4824583結(jié)論 5015919參考文獻(xiàn) 52第1章緒論1.1研究背景和意義現(xiàn)代交通，汽車的出現(xiàn)和普及在很大程度上方便了人們的生活，汽車制造業(yè)也因其發(fā)揮著的越來越大的作用成為國民經(jīng)濟(jì)中的支柱性產(chǎn)業(yè)。但隨著車輛數(shù)量的增多，其帶來的負(fù)面影響也引起了人們的關(guān)注，其中最為嚴(yán)重的當(dāng)屬行車安全問題。從行車安全的角度看，近三年，中國交通事故發(fā)生數(shù)量在200000以上，交通事故直接財(cái)產(chǎn)損失金額為131360.6萬元。由此可見，車輛數(shù)量的持續(xù)增長帶來了更大的安全隱患，為改善道路交通安全，優(yōu)化汽車各系統(tǒng)迫在眉睫。汽車制動(dòng)是指使行駛狀態(tài)中的汽車降低車速或是停止行駛，使下坡行駛的汽車速度降低并且維持在穩(wěn)定車速，以及使已停駛的汽車保持靜止而不發(fā)生滑動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)是汽車制動(dòng)過程中發(fā)揮作用的專門裝置。制動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力裝置、控制裝置、傳動(dòng)路徑和制動(dòng)器等部分組成。為了在汽車行使過程中保證車內(nèi)外人員的安全，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下要求:(1)良好的制動(dòng)效能好。評價(jià)汽車制動(dòng)效能好壞的指標(biāo)包括：制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度、制動(dòng)所需時(shí)間；(2)操縱輕盈便捷，穩(wěn)定性良好。制動(dòng)過程中前、后車輪制動(dòng)力分配適當(dāng)，左、右車輪上的制動(dòng)力應(yīng)近似相等，以免在制動(dòng)過程中汽車發(fā)生跑偏和側(cè)滑；(3)平順性良好。制動(dòng)過程應(yīng)柔和、平穩(wěn)；制動(dòng)解除應(yīng)迅速、徹底；(4)熱穩(wěn)定性良好。鼓式制動(dòng)器制動(dòng)蹄、盤式制動(dòng)器摩擦片應(yīng)抗高溫能力較強(qiáng)，被浸濕后能夠很快恢復(fù)，磨損后間隙能夠得到及時(shí)調(diào)整。一方面，我國公路地形存在復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，很多地區(qū)都存在長下坡特點(diǎn)的路段，客車行駛在這種路段需要通過頻繁的進(jìn)行制動(dòng)來使車速維持穩(wěn)定，因而主制動(dòng)器磨損嚴(yán)重且溫度高，這就導(dǎo)致了很多剎車失靈相關(guān)的交通事故；另一個(gè)方面，車輛數(shù)量增加，城市道路規(guī)劃不合理使得城市公交司機(jī)對車輛進(jìn)行頻繁制動(dòng)，同理，會(huì)引發(fā)車輛事故。不僅如此，社會(huì)快速發(fā)展使得車速和車輛裝載量不斷增加，汽車的制動(dòng)力也隨之增加，容易導(dǎo)致制動(dòng)器過熱，從而降低了制動(dòng)器制動(dòng)效能。其上情況都可以通過采用輔助制動(dòng)裝置的方式可提高車輛制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力,

增大制動(dòng)減速度，減少制動(dòng)時(shí)間，減小制動(dòng)距離,

提高行車制動(dòng)過程中的安全性。機(jī)械制動(dòng)器的介紹按照摩擦副的結(jié)構(gòu)不同，摩擦制動(dòng)器可以分為蹄式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器和帶式制動(dòng)器，其中常用的是蹄式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器，它們的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1-1。表1-1制動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)對比制動(dòng)器種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)蹄式制動(dòng)器制動(dòng)效能好，制動(dòng)力矩大，故用于液壓制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)只需提供較低的制動(dòng)系促動(dòng)管路壓力；兼用于駐車制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要加裝的駐車制動(dòng)傳動(dòng)裝置簡單成本高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜；散熱性差；復(fù)雜路面上制動(dòng)力不穩(wěn)定；零件易變形，維修費(fèi)用高；易產(chǎn)生制動(dòng)衰退盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸、質(zhì)量小；成本低；散熱性好；抗熱衰退性能好；制動(dòng)性能可靠；摩擦副間因受到軸向加載力而產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力矩，對軸無徑向附加彎矩；制動(dòng)盤沿著其厚度方向的變化量很小，不會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)踏板行程過大；保養(yǎng)、修理方便且成本低制動(dòng)效能低，故用于液壓制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需提供較高的制動(dòng)系促動(dòng)管路壓力，一般要用伺服裝置；兼用于駐車制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要加裝較復(fù)雜的駐車制動(dòng)傳動(dòng)裝置，在后輪上的應(yīng)用不方便本文采用鄭州宇通客車為研究對象，采用盤式制動(dòng)器。但以上制動(dòng)器在制動(dòng)過程中都存在以下缺點(diǎn)：(1)時(shí)滯現(xiàn)象；(2)磨損現(xiàn)象；(3)熱衰退現(xiàn)象。因此，采用輔助制動(dòng)器與盤式制動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)，這樣可以在不同工況下發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，保證制動(dòng)效能，延緩機(jī)械制動(dòng)器磨損，延長其使用壽命。輔助制動(dòng)裝置的介紹輔助制動(dòng)裝置主要與行車制動(dòng)系統(tǒng)的裝置配合協(xié)調(diào)使用，為后者分擔(dān)制動(dòng)載荷，保證制動(dòng)效能，延緩機(jī)械制動(dòng)器磨損，延長其使用壽命。輔助制動(dòng)裝置主要有電渦流緩速器、永磁式緩速器、液力式緩速器、發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器、排氣制動(dòng)緩速器和自勵(lì)式緩速器等，它們的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1-2。REF_Ref11689\r\h[21]表1-2緩速器優(yōu)缺點(diǎn)對比緩速器種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電渦流緩速器制動(dòng)力矩大；響應(yīng)迅速；制動(dòng)力矩易于調(diào)節(jié)；低速行駛時(shí)也能產(chǎn)生較大制動(dòng)力矩；非接觸式制動(dòng)，無磨損體積和質(zhì)量較大；電能消耗大；更換定子線圈費(fèi)用高；存在斷電和起火的危險(xiǎn)永磁式緩速器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕；基本不太消耗電能；自身并不發(fā)熱；非接觸式制動(dòng)；安裝飯方便，不需要維護(hù)受結(jié)構(gòu)限制，制動(dòng)力矩較小，制動(dòng)效能不好；非制動(dòng)狀態(tài)下存在漏磁現(xiàn)象；響應(yīng)時(shí)間比較長；價(jià)格偏高液力式緩速器可長時(shí)間制動(dòng)；使用壽命較長；制動(dòng)力矩大，適用高速、大功率的車輛制動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積、質(zhì)量大；低速時(shí)制動(dòng)效能不好；響應(yīng)時(shí)長較長；成本高發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量、體積小；成本低；不額外消耗能量；有助于清除積碳制動(dòng)效能小；噪聲大；使用范圍小，需大幅度改造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)緩速器體積、質(zhì)量小；成本低；不需額外安裝散熱裝置；維護(hù)簡單制動(dòng)力矩較小；噪聲大自勵(lì)式緩速器體積、質(zhì)量小；節(jié)能環(huán)保；維護(hù)方便制動(dòng)力矩小，熱衰退現(xiàn)象顯著；成本高1.1.3本課題的意義目前,

客車輔助制動(dòng)裝置大多采用電渦流緩速器,

但其制動(dòng)效能受多種因素的影響。裝有電渦流緩速器的客車,

制動(dòng)方式為電渦流緩速器和主制動(dòng)器聯(lián)合制動(dòng)。與未裝有電渦流緩速器的客車在制動(dòng)時(shí)相比,

前者由于增加了電渦流緩速器提供的制動(dòng)力,

制動(dòng)效能更好，壽命更長，但在不同路況、情境下對制動(dòng)效能的提高也有所不同，因此針對聯(lián)合系統(tǒng)制動(dòng)效能的仿真使很有必要的。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀客車的聯(lián)合制動(dòng)是指在使用主制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)的基礎(chǔ)上，另外聯(lián)合使用一種或多種輔助制動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)的一種制動(dòng)策略。多種制動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合協(xié)調(diào)制動(dòng)需要考慮到不同制動(dòng)器它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)與制動(dòng)時(shí)的外部條件，可以發(fā)揮出每個(gè)制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，用以“揚(yáng)長避短”，提高客車的制動(dòng)效能，提高主制動(dòng)器的穩(wěn)定性的同時(shí)延長其使用壽命。目前，客車聯(lián)合制動(dòng)的方式有機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)、電液聯(lián)合制動(dòng)、氣液聯(lián)合制動(dòng)、機(jī)液聯(lián)合制動(dòng)形式、液液機(jī)聯(lián)合制動(dòng)等。國外研究現(xiàn)狀國外團(tuán)隊(duì)較早地開啟了在商用車與乘用車領(lǐng)域?qū)囕v聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究。按照時(shí)間順序，2002年，OkanoT與SakaiS研究了基于電子—液壓的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)；2006年，KimDH與KimHS基于EHB的機(jī)械—電氣聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)對油電混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)性能進(jìn)行了改良。2010年，LucaPugi與ContiR發(fā)明了用在火車機(jī)車上的電-機(jī)聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，即將電機(jī)引入傳統(tǒng)的純摩擦的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，用以分擔(dān)制動(dòng)力，并且進(jìn)行了系統(tǒng)仿真等工作。2018年，Bravo團(tuán)隊(duì)在2018年提出了一種液壓—?dú)鈩?dòng)式能量再生聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，為市區(qū)內(nèi)行駛的公共汽車設(shè)計(jì)了組合式的大功率的能量再生聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，并且分別進(jìn)行了在坡道和平直路面制動(dòng)工況下的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析。2019年，GaySE團(tuán)隊(duì)提出了一款基于機(jī)械制動(dòng)器與電渦流緩速器聯(lián)合制動(dòng)的制動(dòng)方式，但是文章以電渦流緩速器作為主要的制動(dòng)器，且缺少分析，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也不能保證，此處將不作為研究參考。REF_Ref11803\r\h[6]國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)團(tuán)隊(duì)在客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究中“站在巨人肩膀上”，借鑒了國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，也獲得了不少成果。2002年，北京理工大學(xué)的魯毅飛基于濕式多片式摩擦制動(dòng)器與液力緩速器的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)研究；2004年，北京理工大學(xué)的李吉元團(tuán)隊(duì)基于液力變矩器與機(jī)械制動(dòng)器的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析；2005年，北京理工大學(xué)的周秋君團(tuán)隊(duì)針對履帶車輛基于機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)建立電機(jī)聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型；2006年，浙江大學(xué)的劉建焜針對履帶車輛基于盤式制動(dòng)器與液力減速器的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)行了仿真分析和試驗(yàn)研究；2007年，北方車輛研究所的孟紅與北京理工大學(xué)的項(xiàng)昌樂基于一種新型的牽引—制動(dòng)型液力變矩器進(jìn)行了仿真分析和研究；2010年至2012年間，軍械工程學(xué)院的趙廣俊團(tuán)隊(duì)對靜動(dòng)液輔助制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究；2015年，同濟(jì)大學(xué)的熊璐團(tuán)隊(duì)對電動(dòng)汽車的解耦型聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析；北方車輛研究所的生輝團(tuán)隊(duì)針對高速電驅(qū)動(dòng)履帶車輛基于聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析；江蘇大學(xué)的何仁團(tuán)隊(duì)針對客車基于機(jī)械制動(dòng)器與電渦流緩速器聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)研究；中國人民解放軍陸軍裝甲兵學(xué)院的張舒陽針對高速重載履帶車基于機(jī)械—電渦流緩速器聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了制動(dòng)策略；長安大學(xué)的馬建團(tuán)隊(duì)針對客車基于電渦流緩速器在制動(dòng)過程中的控制方案進(jìn)行了研究；浙江大學(xué)的于洪波針對鉸接車輛基于機(jī)械—電渦流緩速器聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用于拖掛車的電渦流緩速器和控制系統(tǒng)的軟件及硬件；2020年，浙江大學(xué)的孫和軒針對履帶車輛進(jìn)行了聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析及試驗(yàn)研究；2021年，吉林大學(xué)的劉思遠(yuǎn)針對越野車輛進(jìn)行了電液聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析及試驗(yàn)研究。REF_Ref11803\r\h[6]1.3論文主要研究內(nèi)容（1）查閱文獻(xiàn)資料，了解聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)并掌握機(jī)械制動(dòng)器、電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和分析。（2）利用三維繪圖軟件SolidWorks對機(jī)械制動(dòng)器及電渦流緩速器進(jìn)行機(jī)械建模。（3）對機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)、電渦流緩速器及聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。對機(jī)械制動(dòng)器及電渦流緩速器的制動(dòng)效能影響因素進(jìn)行分析，對聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為仿真研究提供理論依據(jù)。（4）依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論，基于Matlab/Simulink仿真平臺，結(jié)合車輛基本參數(shù)，建立車輛縱向動(dòng)力學(xué)仿真模型。通過仿真，分析比較聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)相較于單一的主制動(dòng)器在不同路況、不同初速度條件下的制動(dòng)效果。1.4論文研究技術(shù)路線第2章機(jī)械制動(dòng)器的建模2.1機(jī)械制動(dòng)器的三維模型盤式制動(dòng)器按照摩擦副的固定元件結(jié)構(gòu)不同分為鉗盤式制動(dòng)器和全盤式制動(dòng)器。鉗盤式制動(dòng)器的摩擦副固定元件為制動(dòng)盤和制動(dòng)鉗；全盤式制動(dòng)器的摩擦副固定元件是固定盤和旋轉(zhuǎn)盤。全盤式制動(dòng)器按照固定盤數(shù)量不同分為單盤式制動(dòng)器和多盤式制動(dòng)器。鉗盤式制動(dòng)器按照制動(dòng)鉗體能否沿軸向移動(dòng)分為固定鉗盤式制動(dòng)器和浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器。固定鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤與輪轂相連接，制動(dòng)鉗與車橋相連接而固定不動(dòng)；浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)鉗可以沿著軸向運(yùn)動(dòng)。本文選用浮鉗式盤式制動(dòng)器。2.1.1機(jī)械制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)浮鉗式氣壓盤式制動(dòng)器的主要部件為：制動(dòng)鉗體、制動(dòng)塊架體、摩擦片、制動(dòng)板、制動(dòng)盤和放氣螺栓等。浮鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤由輪轂和制動(dòng)表面兩個(gè)主要部分組成。其中輪轂是輪胎內(nèi)部用來支撐輪胎中心裝在前后軸上的金屬部件，其內(nèi)裝有軸承來與車軸進(jìn)行連接，制動(dòng)表面是制動(dòng)盤兩側(cè)的工作表面，它們提供摩擦接觸面給制動(dòng)摩擦塊。制動(dòng)面磨損超過壽命極限時(shí)需及時(shí)進(jìn)行更換。為了改善冷卻效果，鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤常被鑄成中間帶有徑向通風(fēng)槽的雙層盤，這樣大大地增加了散熱面積，降低溫升，避免制動(dòng)器出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)崴ネ恕Ｖ苿?dòng)摩擦塊由制動(dòng)板和摩擦片組成。制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)2.1.2機(jī)械制動(dòng)器的工作原理在車輛行駛過程中，制動(dòng)盤通過法蘭安裝在車軸上并隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而摩擦片安裝在制動(dòng)盤兩側(cè)的制動(dòng)塊支架上，與促動(dòng)裝置組成制動(dòng)鉗。制動(dòng)支架安裝在車橋總成上。駕駛員對車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，氣室連桿推動(dòng)推力臂，推力臂在此起到杠桿的放大作用，接著推動(dòng)雙推桿作用于摩擦片上，而制動(dòng)鉗體受到反作用力的作用，制動(dòng)鉗體帶動(dòng)另一側(cè)的摩擦片作用于制動(dòng)盤上，使摩擦片與制動(dòng)盤表面相接觸而產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，降低車速。制動(dòng)器制動(dòng)過程中，將車輛行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能通過制動(dòng)盤散發(fā)到空氣中。2.1.3SolidWorks軟件介紹本文采用SolidWorks作為實(shí)體建模軟件對機(jī)械制動(dòng)器和電渦流緩速器進(jìn)行機(jī)械建模。SolidWorks有以下功能：三維繪圖設(shè)計(jì)功能、數(shù)據(jù)分析和管理功能和基于物理學(xué)的仿真分析功能等。采用SolidWorks的原因是它有以下優(yōu)勢：(1)功能強(qiáng)大，在進(jìn)行三維建模、裝配的同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上直接繪制二維的工程圖，方便標(biāo)注零件；(2)易學(xué)易會(huì)，操作界面友好，短時(shí)間內(nèi)可以熟練掌握；(3)技術(shù)創(chuàng)新，操作靈活。2.1.4機(jī)械制動(dòng)器的整體模型利用SolidWorks軟件對浮鉗式盤式制動(dòng)器進(jìn)行三維建模，模型見圖2-2。圖2-2浮盤式制動(dòng)器整體模型2.2機(jī)械制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型假定制動(dòng)器的制動(dòng)塊與制動(dòng)盤接觸良好，受力均勻，由上文中氣壓盤式制動(dòng)器的工作原理可知制動(dòng)力矩為，F(xiàn)=(2-1)M=2F(2-2)M=2(2-3)式中，F(xiàn)n為氣室推力；F為制動(dòng)力；i為杠桿比；η為機(jī)械效率；μ2.3機(jī)械制動(dòng)器的分析由氣壓盤式制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型可知，影響主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的因素有氣室推力、杠桿比、摩擦系數(shù)、制動(dòng)半徑、制動(dòng)間隙等。本節(jié)將對主要影響因素進(jìn)行分析。REF_Ref12077\r\h[5]2.3.1氣室推力從數(shù)學(xué)模型上看，氣室推力與制動(dòng)力矩成正比，但根據(jù)摩擦學(xué)的基本理論，這種關(guān)系并不恒定。一方面，如果氣室推力過大，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大后傳遞到摩擦接觸面的正壓力N會(huì)超過摩擦元件材料所能承受的最大壓力值，超過部分的壓力將會(huì)產(chǎn)生滑磨功E，并隨氣室推力的增大而增加，滑磨功會(huì)產(chǎn)生熱量，使工作環(huán)境溫度升高，制動(dòng)器會(huì)出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，即隨溫度升高，摩擦系數(shù)減小，制動(dòng)效能降低。除此之外，氣室推力的增大也會(huì)加劇制動(dòng)器元件的磨損，降低其壽命，增加成本。2.3.2杠桿比如圖2-3所示為氣室推力的靜特性曲線。杠桿比是一種設(shè)計(jì)參數(shù)，與氣壓盤式制動(dòng)器的推力桿和杠桿固定處的配合位置有關(guān)，不是固定值，隨杠桿的工作行程的增大而增大。杠桿比對制動(dòng)力矩的影響情況同氣室推力一致。因此在設(shè)計(jì)杠桿比的過程中既要保證足夠的制動(dòng)力矩，又要兼顧氣室推力的靜特性曲線。此外，還要注意選擇合適剛度的材料，保證工作正常進(jìn)行。圖2-3氣室推力的靜特性曲線2.3.3摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)是指兩個(gè)表面間的摩擦力與垂直作用力之比，與表面粗糙度、溫度等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，摩擦系數(shù)與制動(dòng)器制動(dòng)盤的耐磨性、抗熱衰退性能等因素也有關(guān)，但這些因素通常存在矛盾關(guān)系，因此需要協(xié)調(diào)均衡好。在改善制動(dòng)力矩的過程中，提高摩擦系數(shù)的同時(shí)也要保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的主要影響因素是摩擦面的分布、摩擦接觸面積和制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)形式。活塞的分布直接影響摩擦面的分布情況，而摩擦面的分布直接影響摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。如圖2-4所示，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性按以下順序依次升高：單個(gè)活塞形式、雙活塞形式、雙活塞與整體推盤組合形式。圖2-4活塞的分布與施力對應(yīng)關(guān)系摩擦面面積越大，單位摩擦面上的垂直作用力越小，摩擦力越低，溫升越小，進(jìn)而摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性越高。在主制動(dòng)器制動(dòng)過程中，熱量大多通過制動(dòng)盤散發(fā)，其散熱情況與制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)相關(guān)。2.3.4制動(dòng)半徑制動(dòng)半徑是指摩擦面的受力中心到制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的這條線段，一般情況下取制動(dòng)塊距制動(dòng)盤中心最大距離和最小距離的算術(shù)平均值。其值間接受到車輪內(nèi)部輪廓的限制，尤其是氣門。考慮到零件在高負(fù)荷下的熱變形，保護(hù)氣門不受高溫影響，防止卡鉗和氣門之間粘上臟污，剎車、輪輞和氣門之間應(yīng)留有足夠的間隙。在實(shí)際應(yīng)用中，摩擦面受力不均勻，活塞中心的載荷密度明顯高于其他部位，剎車片上半部的載荷密度明顯高于下半部。滑動(dòng)功與制動(dòng)半徑成正比，制動(dòng)塊上半部溫度高于下半部。鑒于以上兩個(gè)因素，剎車片上半部磨損明顯快于下半部，即存在偏磨問題，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致剎車跑偏等制動(dòng)問題。眾所周知，這種現(xiàn)象是由氣壓盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)決定的，無法從根本上解決，但可以通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)來改善，即使活塞的力心低于制動(dòng)半徑。因此，在設(shè)計(jì)制動(dòng)半徑時(shí)，需要平衡制動(dòng)力矩和制動(dòng)片偏磨之間的關(guān)系，以保證氣壓盤式制動(dòng)器的綜合性能。2.3.5制動(dòng)間隙制動(dòng)間隙的大小與杠桿行程的數(shù)值成正比，間接影響摩擦面的垂直作用壓力，進(jìn)而影響制動(dòng)力矩。制動(dòng)器間隙過小容易導(dǎo)致制動(dòng)器拖滯或過熱；過大的制動(dòng)間隙會(huì)降低制動(dòng)器的正壓，制動(dòng)力矩也會(huì)相應(yīng)降低。2.4本章小結(jié)本章概述了盤式制動(dòng)器的分類情況，介紹了氣壓浮盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并采用SolidWorks軟件對其進(jìn)行三維建模，建立了主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)模型，并對主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行分析：氣室推力越大，制動(dòng)力矩越大，但過大時(shí)會(huì)使制動(dòng)盤出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象并降低其使用壽命；杠桿比對制動(dòng)力矩的影響同氣室推力一樣；摩擦系數(shù)的大小和穩(wěn)定性都需要得到保證，活塞的施力方式、摩擦面垂直作用力分布、制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)等諸多因素都對其有影響；制動(dòng)半徑越大，制動(dòng)力矩越大，但過大會(huì)產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象；制動(dòng)間隙過小容易導(dǎo)致制動(dòng)器拖滯或過熱；過大的制動(dòng)間隙會(huì)降低制動(dòng)器的正壓，制動(dòng)力矩也會(huì)相應(yīng)降低。第3章電渦流緩速器的建模3.1電渦流緩速器的三維模型電渦流緩速器就是所謂的“電剎”，是一種汽車輔助制動(dòng)系統(tǒng)的裝置。2002年7月1日我國交通部開始執(zhí)行《營運(yùn)客車類型劃分及等級評定》中的相關(guān)規(guī)定，高二級以上的客車必須安裝輔助制動(dòng)裝置來減緩車速。特點(diǎn)為制動(dòng)力矩較大，無接觸式制動(dòng)。3.1.1電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)電渦流緩速器的組成部分包括連接盤、連接法蘭、固定架、定子和轉(zhuǎn)子。其中，定子由鐵心和磁線圈組成，八個(gè)鐵心均勻分布，安裝在固定架上，上面纏繞有勵(lì)磁線圈，由此，鐵心可以看作一個(gè)磁極。定子安裝在汽車的兩個(gè)縱梁之間的車架上。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸以及兩個(gè)布有冷卻葉片的轉(zhuǎn)子盤組成，轉(zhuǎn)子盤呈現(xiàn)環(huán)狀，一般是用高導(dǎo)磁、剩磁少的鐵磁材料如低碳鋼等制做而成，通過法蘭和連接法蘭與轉(zhuǎn)子軸相連接。轉(zhuǎn)子與汽車傳動(dòng)軸連接在一起，一同做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電渦流緩速器的組成結(jié)構(gòu)見圖3-1。圖3-1電渦流緩速器的組成結(jié)構(gòu)3.1.2電渦流緩速器的工作原理電渦流緩速器的工作原理可以概括為：利用電磁學(xué)的理論，把客車行駛過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁能，再轉(zhuǎn)化為熱能，最后散發(fā)掉，從而實(shí)現(xiàn)客車制動(dòng)。電渦流緩速器制動(dòng)工作時(shí)的具體過程如下：當(dāng)駕駛員進(jìn)行對車輛的制動(dòng)行為時(shí)，踩下制動(dòng)踏板的同時(shí)，按下電渦流緩速器的控制手柄上的開關(guān)，電渦流緩速器的釘子上的勵(lì)磁線圈就會(huì)通過經(jīng)調(diào)節(jié)過的直流電流而進(jìn)行勵(lì)磁，產(chǎn)生磁場，并在可以看作為磁極的定子、定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙和兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤之間形成回路。這時(shí)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子盤上，其內(nèi)部的無數(shù)個(gè)閉合的導(dǎo)線就會(huì)切割勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁力線，從而在轉(zhuǎn)子盤的內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)個(gè)渦旋狀的感應(yīng)電流，即渦流以磁極的正上方為界，在轉(zhuǎn)子盤內(nèi)就會(huì)分別產(chǎn)生磁通正在減少和磁通正在增加的兩種渦流，其方向相反。一旦渦電流產(chǎn)生后，磁場就會(huì)對帶電的轉(zhuǎn)子盤產(chǎn)生阻止其轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，即制動(dòng)力，阻力的方向可由弗萊明(Flemin)左手法則來判斷。阻力的合力沿轉(zhuǎn)子盤周向形成與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩。同時(shí)渦流在具有一定電阻的轉(zhuǎn)子盤內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。這樣，車輛行駛的動(dòng)能就通過感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為熱能，并通過轉(zhuǎn)子盤上的葉片產(chǎn)生的強(qiáng)勁風(fēng)力將熱量迅速散發(fā)出去。電渦流緩速器磁場產(chǎn)生的示意圖見圖3-2。圖3-2電渦流緩速器磁場產(chǎn)生示意圖3.1.3電渦流緩速器的整體模型本文利用SolidWorks軟件對電渦流緩速器進(jìn)行三維建模，模型見圖3-3。圖3-3電渦流緩速器的整體模型3.2電渦流緩速器的數(shù)學(xué)模型本文對電渦流緩速器的數(shù)學(xué)建模分為制動(dòng)功率數(shù)學(xué)建模、制動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)建模兩部分，建模思路見圖。圖電渦流緩速器數(shù)學(xué)建模思路流程圖1、電渦流緩速器的制動(dòng)功率數(shù)學(xué)模型由上文電渦流緩速器的工作原理可知，在對車輛進(jìn)行制動(dòng)的過程中，電渦流緩速器將車輛行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為磁場能，再轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生熱能的過程就是轉(zhuǎn)子盤切割磁感線的運(yùn)動(dòng)過程，轉(zhuǎn)子盤上由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生了無數(shù)的渦流，渦流由于電流熱效應(yīng)而產(chǎn)生了渦流損耗，熱能通過散熱片傳導(dǎo)到空氣中，通過制動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)換可以分析得出電渦流緩速器轉(zhuǎn)子盤損耗的功率即為其制動(dòng)功率。首先做出假設(shè)：(1)前后兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤為圓盤形狀，由定子上的勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場均勻分布在半徑為d的圓形內(nèi)部；(2)導(dǎo)磁材料的相對磁導(dǎo)率為統(tǒng)一的μ’。如圖所示，氣隙的磁場有效作用面積即轉(zhuǎn)子盤上的圓形區(qū)域，設(shè)面積為ApΦ=B×(3-1)圖3-4氣隙磁場示意圖式中，B為鐵心被勵(lì)磁后的磁感應(yīng)強(qiáng)度與我留磁場產(chǎn)生的點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加而成的電磁感應(yīng)強(qiáng)度。在車輛制動(dòng)過程中，電渦流緩速器的轉(zhuǎn)子盤不停轉(zhuǎn)動(dòng)，因此Φ在不停變化，可以認(rèn)為其變化規(guī)律為，Φ=B×(3-2)式中，ω為磁場變化角速度，大小為，ω(3-3)式中，Nm為電渦流緩速器定子的對數(shù)，本文中取4；ω綜合以上公式及假設(shè)，得，Φ=(3-4)則渦流電動(dòng)勢為，E(3-5)渦流得電阻值為，d(3-6)式中，ρr?(3-7)式中，μ0i(3-8)則渦流的瞬時(shí)損耗功率為，d(3-9)積分可得，P(3-10)其中有效功率為，P(3-11)則前后兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤上產(chǎn)生的全部渦流耗損功率為，P=(3-12)式中，kek(3-13)式中，Rl2、在電渦流緩速器的制動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)模型工程領(lǐng)域常常采用將磁場問題簡化為磁路問題的方法來解決，本文借鑒此方法將電渦流緩速器中的磁場簡化為磁路來建立數(shù)學(xué)模型，由工作原理可知，相鄰的兩個(gè)磁極，極性相反但磁勢相同，因此又將磁路簡化為單個(gè)磁極的磁路，而磁通的大小和方向都沒有變化，由于轉(zhuǎn)子盤、定子的鐵心等材料都是相對磁導(dǎo)率較高的材料，與氣隙產(chǎn)生的磁阻相比可以忽略，因此，簡化后的磁路中的磁阻為，R(3-14)式中，R0R(3-15)式中，l0由去磁效應(yīng)，近似求得渦流的磁動(dòng)勢為，ф(3-16)式中，Ke1為折算系數(shù)，Iф(3-17)式中，фm為定子產(chǎn)生的磁動(dòng)勢；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)；Ii(3-18)渦流有效值為，I(3-19)磁路中的磁通量為，ф=B×(3-20)由，ф=(3-21)聯(lián)立上式，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為，B=(3-22)電渦流緩速器的制動(dòng)功率與制動(dòng)力矩的關(guān)系為，T(3-23)電渦流緩速器的制動(dòng)力矩為，T(3-24)制動(dòng)力矩平衡方程為，T(3-25)3.3電渦流緩速器的仿真分析本節(jié)借助上文建立的電渦流緩速器制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用Matlab軟件針對電渦流緩速器制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行仿真分析。3.3.1Matlab軟件簡介本文采用Matlab作為數(shù)字處理軟件對電渦流緩速器所產(chǎn)生制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行仿真分析。在仿真程序編寫過程中，先對數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)進(jìn)行定義并賦值，然后寫出數(shù)學(xué)公式并運(yùn)行得出圖像。采用Matlab的原因是它有以下優(yōu)勢：(1)計(jì)算功能高效，尤其是在數(shù)值計(jì)算、符號計(jì)算領(lǐng)域，脫離了繁瑣困難的數(shù)學(xué)運(yùn)算；(2)強(qiáng)大的可視化處理功能，鏈接數(shù)學(xué)運(yùn)算與圖形顯示，使參數(shù)間的關(guān)系更加直觀；(3)功能強(qiáng)大，為使用者們提供許多實(shí)用且方便的工具包；(4)通俗易懂，操作靈活，可快速上手使用。3.3.2仿真結(jié)果分析圖3-5氣隙間距對制動(dòng)力矩的影響從仿真結(jié)果可以看出，隨著氣隙距離的減小，相同速度下對應(yīng)的制動(dòng)力矩會(huì)相應(yīng)增大。從前面的分析可以看出，這是因?yàn)闅庀毒嚯x的減小導(dǎo)致氣隙磁阻和磁路中磁通量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致氣隙磁場中磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，制動(dòng)力矩與磁感應(yīng)強(qiáng)度正相關(guān)，所以氣隙距離越小，制動(dòng)力矩越大。還可以看出，當(dāng)氣隙間距減小時(shí)，轉(zhuǎn)子盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)制動(dòng)力矩變化的范圍增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)力矩的過度削弱會(huì)影響電渦流緩速器的制動(dòng)效率，因此合理的氣隙間距是電渦流緩速器具有良好制動(dòng)效果的重要保證。圖3-6勵(lì)磁線圈匝數(shù)對制動(dòng)力矩的影響從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)勵(lì)磁線圈電流不變時(shí)，增加勵(lì)磁線圈匝數(shù)可以帶來更大的制動(dòng)力矩，而減少勵(lì)磁線圈匝數(shù)可以帶來更大的制動(dòng)力矩。雖然匝數(shù)過多可以帶來較大的制動(dòng)力矩，但在滿足制動(dòng)條件要求的情況下，線圈過多會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)沖擊過大，短時(shí)間內(nèi)溫升過高，使電渦流緩速器的熱衰退更加明顯。但太少的線圈無法滿足制動(dòng)所需的足夠扭矩，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間過長，影響緩速器的制動(dòng)效率，需要緊急制動(dòng)時(shí)還會(huì)帶來潛在的危險(xiǎn)。因此，電渦流緩速器勵(lì)磁線圈的匝數(shù)必須保持在合理的數(shù)值范圍內(nèi)。圖3-7電流大小對制動(dòng)力矩的影響從仿真結(jié)果可以看出，電渦流緩速器制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化趨勢是，轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)力矩在一個(gè)范圍內(nèi)基本穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速低于1500轉(zhuǎn)/分時(shí)，緩速器的制動(dòng)力矩開始下降，轉(zhuǎn)速降至500轉(zhuǎn)/分時(shí)，制動(dòng)力矩迅速下降。結(jié)合以上理論分析，可以知道這是由于轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子盤切割磁場的運(yùn)動(dòng)速率，以及磁場反向力使其迅速減弱。同時(shí)可以看出，在勵(lì)磁線圈匝數(shù)不變的情況下，轉(zhuǎn)子盤高速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定區(qū)間隨著勵(lì)磁線圈電流的增大而增大，勵(lì)磁電流在通電30年時(shí)最穩(wěn)定。當(dāng)電流達(dá)到120A時(shí)，制動(dòng)力矩隨著轉(zhuǎn)速的增加有一定程度的下降，比電流30A時(shí)要大得多。3.4本章小結(jié)介紹了電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)及工作原理，對其進(jìn)行三維建模，建立了電渦流緩速器制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)模型，并對電渦流緩速器制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行仿真分析：增多勵(lì)磁線圈匝數(shù)可以增大電渦流緩速器制動(dòng)力矩，但同時(shí)加重?zé)崴ネ说葐栴}；適當(dāng)增大氣隙間距可以增大電渦流緩速器制動(dòng)力矩，但是過大的氣隙間距使制動(dòng)力矩在高轉(zhuǎn)速下衰退較快，影響緩速器制動(dòng)效能；緩速器工作電流升高可明顯提高制動(dòng)效果，但會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力矩不穩(wěn)定的現(xiàn)象，造成隱患。綜上，勵(lì)磁線圈匝數(shù)、氣隙間距、電流這三個(gè)因素的值應(yīng)設(shè)計(jì)在合適的范圍內(nèi)。

第4章聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真分析分析裝有電渦流緩速器的客車制動(dòng)性能，一方面，路試耗時(shí)且花費(fèi)高，另一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，因此采用仿真試驗(yàn)的方法。本章利用Matlab/Simulink軟件建立客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，在短時(shí)間內(nèi)盡量全面地分析電渦流緩速器對客車制動(dòng)性能的影響。4.1聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括整車動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、車輛輪胎動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、盤式制動(dòng)器數(shù)學(xué)模型和電渦流緩速器數(shù)學(xué)模型等。4.1.1整車動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型整車動(dòng)力學(xué)模型按照簡化程度可以分為單輪車輛模型、雙輪車輛模型、四輪車輛模型和一般車輛模型。而主要用于車輛制動(dòng)仿真模擬的是雙輪車輛模型（將車輛簡化為前后兩輪）。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)有如下基本假設(shè)：（1）不考慮側(cè)傾角和外傾角的影響；（2）不考慮側(cè)傾駕駛；（3）不考慮某些參數(shù)的微小變化。圖4-1整車動(dòng)力學(xué)模型圖4-2車輪模型對整車進(jìn)行受力分析，得,δ(4-1)式中，δ為整車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量，單位是kg；dudt為汽車減速度，單位是m/s2；FXb1、FXb2為前、后車輪處制動(dòng)力，單位是N；Fw為空氣阻力，單位是N；Fg為汽車總重力，單位是N；α為坡道坡度；Fz1、Fz2為前、后輪地面法相反作用力，單位是N；L為汽車軸距，單位是m；Tf1、Tf2為前、后輪滾動(dòng)阻力矩，單位是N·m；Fw為空氣阻力，單位是N；?w為空氣阻力作用重心高度，單位是m；對前、后輪進(jìn)行受力分析，由動(dòng)量矩定理，得，T(4-2)式中，F(xiàn)j=δmdudt,Fw=CdAua2/21.15,FXb1=FZ1φ1,FXb2=FZ2φ2,Tf1=fFZ1r1,Tf2=fFZ2r2,Tj1=(1+δ1)J1dω1dt,T綜合式，整理得到前、后車輪地面法相反作用力，F(xiàn)(4-3)式中，T=T進(jìn)而可以求得前、后車輪地面制動(dòng)力和滾動(dòng)阻力偶矩，F(xiàn)(4-4)T(4-5)由此可得制動(dòng)時(shí)客車的減速度為，du(4-6)4.1.2輪胎動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型輪胎動(dòng)力學(xué)模型是用來表征車輛制動(dòng)過程中車輪附著力（即六分力，縱向力、側(cè)向力、法向力、側(cè)傾力矩、滾動(dòng)阻力矩及回正力矩）及影響因素參數(shù)（縱向滑移率、側(cè)偏角、徑向變形、車輪外傾角、車輪轉(zhuǎn)速及橫擺角）關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式。車輪動(dòng)力學(xué)模型按照研究對象不同可以分為輪胎縱向滑動(dòng)模型、輪胎側(cè)向偏轉(zhuǎn)模型、輪胎側(cè)向傾斜模型和輪胎豎直方向振動(dòng)模型。本節(jié)采用輪胎縱向滑動(dòng)模型來分析客車的制動(dòng)性能，采用Pacejka“魔術(shù)公式”：φ(4-7)式中，φ(s)為車輪的附著系數(shù)；s為車輪滑移率；φ滑移率，又稱滑動(dòng)率，數(shù)值大小對應(yīng)車輪運(yùn)動(dòng)過程中滑動(dòng)所占的比重，表達(dá)式為，s=(4-8)式中，uw為車輪中心速度，單位是m/s；rr為車輪的滾動(dòng)半徑，單位是m；圖4-3φ?s圖附著系數(shù)的影響因素主要有道路材質(zhì)、路況、輪胎花紋、輪胎構(gòu)造及行駛速度等。表4-1不同路況的附著系數(shù)路面材料及路況峰值附著系數(shù)滑動(dòng)附著系數(shù)瀝青或混凝土（干）0.8~0.90.75瀝青（濕）0.5~0.70.45~0.6混凝土（濕）0.80.7礫石0.60.55土路（干）0.680.65土路（濕）0.550.4~0.5雪地（壓緊）0.20.15冰面0.10.07定義制動(dòng)力系數(shù)φbφ(4-9)式中，F(xiàn)Xb為地面制動(dòng)力，單位是N；F圖4-4s—φb由圖4-4可知，曲線OA近似直線，φb隨s增加而增大；曲線過點(diǎn)A后上升緩慢，至點(diǎn)B達(dá)到最大值，稱為峰值附著系數(shù)φp，一般出現(xiàn)在滑移率為15%~20%處。滑移率如果再增加，φbφ(4-10)4.1.3盤式制動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)有文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩與制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，但比較繁雜且不便于建立模型。也有文獻(xiàn)指出，行車制動(dòng)器仿真模型的重點(diǎn)在于確定制動(dòng)力矩與時(shí)間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，在此我們假設(shè)制動(dòng)力矩是時(shí)間的一次線性函數(shù)，則得前、后車輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩，T(4-11)k(4-12)式中，k1、k4.1.4緩速器制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型目前，關(guān)于電渦流緩速器制動(dòng)力矩的計(jì)算，有如下公式，T=(4-13)式中，T為電渦流緩速器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，單位是N·m；d為鐵心直徑，單位是mm；N為勵(lì)磁線圈匝數(shù)；I為勵(lì)磁線圈所通電流大小，單位是A；r1、r2為轉(zhuǎn)子盤內(nèi)、外徑，單位是mm；δ為氣隙間距，單位是mm；n為轉(zhuǎn)速，單位是r/min；μγ4.2聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/simulink軟件建立了對應(yīng)的仿真模型。整體模型包括車輪子模塊、電渦流緩速器子模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)子模塊、空氣阻力子模塊、制動(dòng)力系數(shù)子模塊等。4.2.1Matlab/SIMULINK軟件簡介本文采用Matlab/SIMULINK作為仿真軟件對和車的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能進(jìn)行仿真分析。仿真過程基于原有的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，再輸入個(gè)參數(shù)值，通過示波器產(chǎn)生圖像。采用Matlab/SIMULINK的原因是它有以下優(yōu)勢：（1）快捷方便，整個(gè)仿真模型創(chuàng)建過程只要鼠標(biāo)單擊、拖拽就可以實(shí)現(xiàn)；（2）強(qiáng)大的可視化處理功能，鏈接數(shù)學(xué)運(yùn)算與圖形顯示，使參數(shù)間的關(guān)系更加直觀；（3）運(yùn)行快，可以立即得到仿真結(jié)果；（4）適應(yīng)力強(qiáng)，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)、流程清晰。4.2.2聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型模型的主線公式為，δ(4-14)由車輪子模塊得出地面制動(dòng)力，結(jié)合空氣阻力子模塊和整車重力分量子模塊，可得出制動(dòng)減速度，積分運(yùn)算后得出車速和制動(dòng)距離，而制動(dòng)減速度和速度也會(huì)反饋給其他子模塊，因此該系統(tǒng)屬于閉環(huán)系統(tǒng)。圖4-5客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型以路面附著系數(shù)、滾動(dòng)摩擦阻力、路面坡度、住制動(dòng)器制動(dòng)力矩為輸入?yún)?shù)，以制動(dòng)減速度、制動(dòng)距離，車輛行駛速速等為輸出參數(shù)，將制動(dòng)效能評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較。可以通過改變坡度、初始速度來模擬不同工況、路況下的制動(dòng)過程。4.2.3車輪系統(tǒng)的仿真模型圖4-6為前車輪模塊仿真模型，圖4-7為后車輪模塊仿真模型。該模型以滾動(dòng)阻力系數(shù)、前后車輪制動(dòng)力系數(shù)、坡度值、制動(dòng)減速度、空氣阻力、前后主制動(dòng)器制動(dòng)力矩、電渦流緩速器制動(dòng)力矩為輸入?yún)?shù)，以車輪滾動(dòng)阻力偶矩、地面對車輪的制動(dòng)力為輸出參數(shù)。圖4-6前車輪模塊仿真模型圖4-7后車輪模塊仿真模型4.2.4空氣阻力的仿真模型圖4-8為空氣阻力的仿真模型。該模型以車輛運(yùn)行速度為輸入?yún)?shù)，以空氣阻力為輸出參數(shù)。圖4-8空氣阻力的仿真模型4.2.5緩速器制動(dòng)的仿真模型圖4-9為電渦流緩速器仿真模型。該模型以傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為輸入?yún)?shù)，以電渦流緩速器制動(dòng)力矩為輸出參數(shù)。圖4-9電渦流緩速器仿真模型4.2.6車輪制動(dòng)系數(shù)的仿真模型圖4-10為前車輪制動(dòng)力系數(shù)仿真模型，圖4-11為后車輪制動(dòng)系數(shù)仿真模型、該模型以車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、車輛行駛速度、附著系數(shù)為輸入?yún)?shù)，以瞬時(shí)附著系數(shù)為輸出系數(shù)。圖4-10前車輪制動(dòng)力系數(shù)仿真模型圖4-11后車輪制動(dòng)力系數(shù)仿真模型4.3聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)設(shè)置表4-2聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)設(shè)置路況描述坡度開始制動(dòng)時(shí)的速度（km/h）平直路面持續(xù)制動(dòng)030平直路面緊急制動(dòng)0100下長坡持續(xù)制動(dòng)1%304.4本章小結(jié)在綜合考慮輸入因素基礎(chǔ)上，對加裝電渦流緩速器的客車進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，建立了客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括整車動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、車輛輪胎動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、盤式制動(dòng)器數(shù)學(xué)模型和電渦流緩速器數(shù)學(xué)模型等，并在此基礎(chǔ)上建立了仿真模型，對需要仿真研究的三種情況就參數(shù)輸入方面給出了參數(shù)取值。客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析5.1平直路面持續(xù)制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析圖5-1干、濕平直路面持續(xù)制動(dòng)時(shí)間-速度曲線圖5-2干、濕平直路面持續(xù)制動(dòng)時(shí)間-制動(dòng)距離曲線根據(jù)圖5-1、5-2顯示的仿真結(jié)果圖線可以得出：無論使用電渦流緩速器與否，路面的干濕狀況對瀝青路面和混凝土路面上的制動(dòng)距離影響都不大，但對土路面影響較大。對于瀝青和混凝土路面，無論干燥或潮濕，使用緩速器前、后的制動(dòng)距離相差很大，這說明在瀝青和混凝土路面上，緩速器制動(dòng)效果明顯。但在潮濕土路上使用緩速器前、后的制動(dòng)效果差別不大。如，在潮濕土路上，使用緩速器前、后效果不顯著。5.2平直路面緊急制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析圖5-3平直路面緊急制動(dòng)時(shí)間-速度曲線 圖5-4平直路面緊急制動(dòng)時(shí)間-制動(dòng)距離曲線綜合圖5-3、圖5-4可以看出，在平直路面上緊急制動(dòng)客車時(shí)，使用電渦流緩速器前后的制動(dòng)所需時(shí)間分別為4.98s和4.64s，減少了6.63%；制動(dòng)距離分別為73.34m和65.12m，減少了11.21%。使用電渦流緩速器前后的制動(dòng)所需時(shí)間雖然制動(dòng)距離和時(shí)間有所縮短，但效果不明顯。這主要有兩方面原因：一方面與整車質(zhì)量相比，電渦流緩速器的制動(dòng)力矩太小；由于原車β比較小，所以大部分制動(dòng)力分配到了后輪，同時(shí)電渦流緩速器也作用在后輪，還有質(zhì)量轉(zhuǎn)移等因素，使得后輪過早的抱死，因此電渦流緩速器實(shí)際起作用時(shí)間過短。5.3長下坡持續(xù)制動(dòng)的制動(dòng)效能仿真分析圖5-5長下坡持續(xù)制動(dòng)時(shí)間-速度曲線圖5-5為在下長坡連續(xù)制動(dòng)時(shí),在一定坡度上所穩(wěn)定的車速。可以看出汽車以50km/h在5%和6%的坡道上在電渦流緩速器單獨(dú)作用制動(dòng)時(shí),所穩(wěn)定的車速分別為54.5km/h和77.8km/h,但是下坡時(shí)一般車速為30～40km/h,車速過高是不允許的,易發(fā)生危險(xiǎn);汽車在電渦流緩速器作用下車速過高,所以采用主制動(dòng)器與電渦流緩速器進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng),在主制動(dòng)器和電渦流緩速器聯(lián)合作用下,在5%、6%坡道上所穩(wěn)定的車速分別為30km/h、35km/h,滿足汽車經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定行駛的要求。5.4試驗(yàn)驗(yàn)證圖5-6試驗(yàn)結(jié)果如圖5-6所示，根據(jù)江蘇大學(xué)何仁教授團(tuán)隊(duì)路試結(jié)果：在平直路面持續(xù)制動(dòng)條件下，客車從初始車速30km/h至停止行駛過程中，加裝電渦流緩速器前后的制動(dòng)距離分別為8.30m，6.34m。REF_Ref16026\r\h[39]本文仿真結(jié)果對應(yīng)的是8.92m，7.33m，最大誤差0.99m，誤差不大。圖5-7試驗(yàn)結(jié)果 圖5-7為裝有電磁式緩速器的客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真和實(shí)測對比圖，該圖為平直路面緊急制動(dòng)條件下車輛的車速-時(shí)間圖。REF_Ref15857\r\h[13]無緩速器制動(dòng)時(shí)車速降至50km/h所需時(shí)間的仿真和實(shí)測結(jié)果分別是2.93s、2.77s；聯(lián)合制動(dòng)時(shí)車速降至50km/h所需時(shí)間的仿真和實(shí)測結(jié)果分別是2.41s、2.27s。而本文中假裝電渦流緩速器前后客車緊急制動(dòng)過程中，從車速100km/h到50km/h所用時(shí)間分別為3.14s，2.92s，最大誤差0.65s，無論是仿真值還是實(shí)測值都相差不大，初步證實(shí)了仿真結(jié)果的合理性。5.5本章小結(jié)利用聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，從三個(gè)方面深入分析了客車加裝電渦流緩速器后的制動(dòng)效能，分別為平直路面持續(xù)制動(dòng)、平直路面緊急制動(dòng)、下長坡時(shí)持續(xù)制動(dòng)的情況。得到以下結(jié)論：在平直路面上持續(xù)制動(dòng)車輛，電渦流緩速器的運(yùn)用可以顯著提高車輛的制動(dòng)效能，在連續(xù)下長坡持續(xù)制動(dòng)時(shí)，電渦流緩速器與主制動(dòng)器聯(lián)合制動(dòng)，雖然在一定坡度范圍內(nèi)可以達(dá)到理想車速，但未能有效減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，在平直路面上緊急制動(dòng)時(shí)，緩速器雖然可以使制動(dòng)距離和時(shí)間有所縮短，但效果不明顯，適當(dāng)增大制動(dòng)力分配系數(shù)后，可以相應(yīng)改善制動(dòng)效能。結(jié)論在詳細(xì)了解了電渦流緩速器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，將理論分析與仿真試驗(yàn)兩種方法結(jié)合對基于電渦流緩速器的客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能進(jìn)行了深入、較全面的分析。具體成果如下：1、總結(jié)了電渦流緩速器的發(fā)展背景和研究現(xiàn)狀，論述了城市車輛頻繁制動(dòng)、山區(qū)運(yùn)行車輛長時(shí)間制動(dòng)的情況下車輛加裝緩速器的必要性，比較了盤式制動(dòng)器、鼓式制動(dòng)器以及多種緩速器；2、介紹了氣壓浮鉗式盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，對其進(jìn)行三維建模，建立了主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)模型，并對主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：為整車提供足夠、穩(wěn)定的制動(dòng)力矩是氣壓盤式制動(dòng)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。從設(shè)計(jì)角度來看，主制動(dòng)器制動(dòng)力矩的主要影響因素包括氣室推力、杠桿比、摩擦系數(shù)、制動(dòng)半徑和制動(dòng)間隙等，其中摩擦系數(shù)與活塞的施力方式、摩擦面垂直作用力分布、制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)。從實(shí)際應(yīng)用來看，主制動(dòng)器制動(dòng)力矩還會(huì)受車況、工況及環(huán)境等多種因素影響；3、介紹了電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)及工作原理，對其進(jìn)行三維建模，建立了電渦流緩速器制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)模型，并對電渦流緩速器制動(dòng)力矩的影響因素進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：增多勵(lì)磁線圈匝數(shù)可以增大電渦流緩速器制動(dòng)力矩，但同時(shí)加重?zé)崴ネ说葐栴}。適當(dāng)增大氣隙間距可以增大電渦流緩速器制動(dòng)力矩，但是過大的氣隙間距使制動(dòng)力矩在高轉(zhuǎn)速下衰退較快，影響緩速器制動(dòng)效能。緩速器工作電流升高可明顯提高制動(dòng)效果，但會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力矩不穩(wěn)定的現(xiàn)象，造成隱患。綜上，勵(lì)磁線圈匝數(shù)、氣隙間距、電流這三個(gè)因素的值應(yīng)設(shè)計(jì)在合適的范圍內(nèi)。4、在綜合考慮輸入因素基礎(chǔ)上，對加裝電渦流緩速器的客車進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，建立了客車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用軟件建立了仿真模型；5、利用聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，從三個(gè)方面深入分析了客車加裝電渦流緩速器后的制動(dòng)效能，分別為平直路面持續(xù)制動(dòng)、平直路面緊急制動(dòng)、下長坡時(shí)持續(xù)制動(dòng)的情況。得到以下結(jié)論：在平直路面上持續(xù)制動(dòng)車輛，電渦流緩速器的運(yùn)用可以顯著提高車輛的制動(dòng)效能，在連續(xù)下長坡持續(xù)制動(dòng)時(shí)，電渦流緩速器與主制動(dòng)器聯(lián)合制動(dòng)，雖然在一定坡度范圍內(nèi)可以達(dá)到理想車速，但未能有效減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，在平直路面上緊急制動(dòng)時(shí)，緩速器雖然可以使制動(dòng)距離和時(shí)間有所縮短，但效果不明顯，適當(dāng)增大制動(dòng)力分配系數(shù)后，可以相應(yīng)改善制動(dòng)效能。參考文獻(xiàn)趙亞燊,王露,陳彤.電渦流緩速器加載性能研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2021,48(05):13-16+28.劉思遠(yuǎn).越野車輛電液聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林大學(xué),2021.DOI:10.27162/ki.gjlin.2021.001074.蔡鵬飛.電渦流緩速器在營運(yùn)客車中的應(yīng)用分析[J].重型汽車,2021(02):34-35.孟令倫.車用電渦流緩速器設(shè)計(jì)及仿真研究[D].大連交通大學(xué),2020.DOI:10.26990/ki.gsltc.2020.000245.杜換軍,黃希賓,許曄.氣壓盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩影響因素分析[J].重型汽車,2020(02):22-24.孫和軒.某型履帶車輛聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué),2020.DOI:10.27461/ki.gzjdx.2020.003829.李超,王群京,錢喆,李雪逸.電渦流緩速器制動(dòng)力矩計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),201