基于磁流变制动器的自供能式汽车线控制动系统的设计与分析

周邵云，周亚琴，上官尧，王乐

（合肥工业大学宣城校区机械工程系，安徽宣城，242000）

基于磁流变制动器的自供能式汽车线控制动系统的设计与分析

周邵云，周亚琴，上官尧，王乐

（合肥工业大学宣城校区机械工程系，安徽宣城，242000）

磁流变液是近年来研究的热点，如今汽车线控技术的不断成熟和发展，利用传感器，控制元件，电子元件驾驶员动作转化为电信号，通过电线传递指令来操纵汽车，而不再需要传统的复杂的机械和液压连接装置。针对新型智能流体材料——磁流变液，我们将其应用于汽车线控制动系统中。利用磁流变液的这一特性设计出的制动器，再辅以合理的控制和信息反馈系统，可以实现制动力与地面附着力的快速匹配，甚至可以完成连续精准无脉动的 ABS 制动过程，从而代替传统液压机械式ABS，有利于实现底盘集成控制，大幅改善车辆制动性能。

磁流变液制动器；车用制动器；制动性能评价标准；制动原理

1 磁流变液的研究与应用

磁流变液(Magneto-Rheological Fluids，MRF)是磁性颗粒分散于基液中而形成的悬浮液，是一种极具发展前途和工程应用价值的新型智能材料，性能良好的磁流变液在磁场作用下，可在毫秒级的时间内，由普通牛顿流体转变为高粘度、难流动的塑性宾汉(Bingham)流体，并且其变化连续、可逆、可靠的优良特性，非常适用于主动控制[1-3]。利用磁流变液的这一特性设计出的制动器，再辅以合理的控制和信息反馈系统，可以实现制动力与地面附着力的快速匹配，甚至可以完成连续精准无脉动的ABS 制动过程，从而代替传统液压机械式 ABS，有利于实现底盘集成控制，大幅改善车辆制动性能。此外，利用磁流变液的磁流变效应，磁流变液可以用于汽车阻尼器、离合器、制动器、抛光装置以及医疗器件等[4]。因而磁流变液及其应用受到了国内外研究人员和工程师们越来越多的重视。然而目前虽然关于磁流变液制动器的研究成果很多，但是尚未达到生产使用的地步，并且所涉及的研究一般还都限于试验探索，工程化应用的研究较少。

1.1 磁流变液特性

(1)在外加磁场作用下，磁流变液可以在固体和液体之间相互转换，磁流变液表现的粘度和屈服强度的变化是连续和无极的。

(2)磁流变效应的控制比较简单，它只需要应用一个容易获得的可控磁场即可，可通过调整励磁线圈的电流大小来控制磁场强度的大小，这种控制比较容易实现。

(3)磁流变液的响应时间十分灵敏，响应时间为毫秒级。

(4)良好稳定的物理性能：静止或离心时，磁流变液不产生固液分离现象，高温或长久工作时，不发生变稀现象，且能在-40℃ 到 150 ℃度之间保持性能稳定。基于这些特性，将磁流变液运用于汽车线控制动系统中是可行的。

1.2 车用机械摩擦制动器

制动作为汽车三大基本功能之一（行驶、制动、转向），又是行车安全的关键，一直是研究人员研究的重点。从最原始的机械装置演变到拉索、杆件鼓式制动器，到现在广泛应用的采用液压和真空助力的制动器以及电控的盘式或鼓式制动器。目前国内各类汽车所用的制动器主要为摩擦制动器，可分为两种形式：鼓式制动器和盘式制动器。鼓式制动器的摩擦副中的旋转元件为制动鼓而盘式制动器的旋转元件则为制动盘，工作表面分别为圆柱面和圆盘端面。

1.2.1 鼓式制动器

鼓式制动器是较早形式的制动器。在轮轴上固定安装有制动器底板，制动过程中底板保持不动。制动蹄、轮缸、回位弹簧及定位销等都布置在其上面,承受制动时的力矩。摩擦衬片由非金属材料制成并嵌在制动蹄的表面,制动鼓则可以随车轮一起转动。

车辆正常行驶时，制动鼓与制动蹄摩擦片之间形成一定的间隙，足以使车轮自由旋转。制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动主缸的液压油在活塞的压促下流入轮缸，使轮缸活塞推动两制动蹄绕定位销压紧旋转的制动鼓,制动鼓因而受到一个制动蹄施加的摩擦力矩稀,摩擦力矩方向与制动鼓转动方向相反,制动鼓减速，迫使车轮停止转动。由于鼓式制动器是依靠制动蹄摩擦衬片的一摩擦力矩来实现制动，随着摩擦衬片的磨损,制动蹄、鼓之间的间隙会逐渐增大从而使制动效率下降。因此,需要采用人工调整的方式或设置调整机构进行自动调整。另外，由于结构的问题，制动过程中鼓式制动器的散热及排水性能也较差,制动效率受到制约。目前，主要用于经济型轿车中制动负荷相对较小的后轮制动及驻车制动系统。

1.2.2 盘式制动器

盘碟式制动器主要由制动盘、分泵、制动钳和液压软管等零部件组成。一般由液压系统操纵控制。制动盘一般用合金钢制造并与车轮固定连接,随车轮一体转动制动钳是由制动块和促动装置两部分组成，其材料一般是球墨铸铁或是铝合金铸件制动块分置在制动盘两侧，与其端面形成一定的间隙。制动系不工作时，制动盘和车轮可以自由旋转。制动时，制动主缸的液压油进入制动分泵，分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动制动块压向制动盘发生摩擦制动。制动液压管路的压力越大，制动块向制动盘端面施加的正压力也就越大，车轮受到的摩擦力矩也增大,因而减速或停止转动。

为避免高强度或连续制动时，剧烈摩擦产生的热无法及时散失而使制动器制动效率下降，一般在制动盘上开有小孔,加速通风散热,从而提高制动性能。另外，与鼓式制动器相比，盘式制动器重量轻、结构简单、性能稳定、系统响应时间短，在各类轿车上得到广泛的应用。

但在路况条件较差时，两种制动器制动时的抗热衰退性、车辆方向稳定性和制动效能均显不足，尤其是在冰雪和湿滑路面上行驶时。

2 制动性能

2.1 制动器性能的评价指标

汽车的制动性能是车辆安全行驶的保障,其性能的好坏关系到个人生命财产的安全和社会利益。据统计的交通事故是由于制动距离过长、制动侧滑或跑偏造成的,因此在设计制动系统前,需要对制动力学和制动性能各参数进行综合分析。汽车的制动性能一般用三方面的指标来评价：制动效能、制动效能的恒定性和制动时的方向稳定性。

2.2 制动原理

如今汽车线控技术的不断成熟和发展，利用传感器，控制元件，电子元件驾驶员动作转化为电信号，通过电线传递指令来操纵汽车，而不再需要传统的复杂的机械和液压连接装置。基于这一技术，本团队大胆提出，可将新型智能流体材料——磁流变液，应用于汽车线控制动系统中。制动原理是在没有磁场的作用下，表现为黏线性牛顿流体，在加上磁场之后，流体粘度随着磁场的增加显著增加，开始呈现半固化或固化，剪切屈服应力显著增加。

磁流变液制动器的零场随动损失曾一度成为其在汽车上应用巫待解决的难题。考虑到离合器具有切断和传递动力的功能,本文在设计车用磁流变液制动器的整体方案中采用电磁离合器和磁流变液制动器相结合的方法,当切断电磁离合器时,制动器转子与定子处于相对静止状态,不产生制动效能,从而避免了车辆正常行驶时制动器的零场随动损失。

3 结束语

本文提出了一种基于磁流变效应的汽车线控制动系统的设计与研究，详细阐述了将磁流变液运用到汽车制动系统，通过合理的机构设计、磁路电流控制，能够实现磁流变液粘度快速、连续、无极的变化，辅助以车轮滚动、滑动状态检测，还可以相应路面附着系数变化实时调节制动力矩，达到相比传统制动器更加精准，稳定的效果，有利于实现汽车底盘的集成控制，大幅改善车辆的制动性能。同时将制动能量回收系统运用到其中作为制动系统动力原件，可以达到降低汽车能耗，节能减排的目的。

[1]张云生.分级递阶控制结构的状态描述和实时实现.计算机工程与应用[J]. 2002

[1]宋宇.磁流变液ABS制动器结构研究与性能仿真[D].哈尔滨:东北林业大学, 2011.

[2]丁柏群, 宋宇.基Matlab/Simulink的车用磁流变液制动器设计与仿真[J].机电产品开发与创新, 2011 (2): 130-132.

[3]丁柏群, 宋宇.一种叶轮式MRF汽车制动器结构设计与性能仿真[J].汽车技术,2011 (8): 34-38.

[4]陈国兵, 戴金桥.改进型磁流变液制动器设计与分析[J].液压与气动, 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