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1、基于可控硅控制的制动器设计研究摘要：制动器能用来减低机械设备的运行速度或者使其停止，是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。制动器主轴转速是一个非常重要的参数，本文在分析了大量专业书籍和文献的基础上，对主轴转速的控制进行了研究。为了达到精确控制惯性系统转速的目的，本系统将采用他励直流电机为主驱动电机，以可控硅整流装置供给其可调电压，转速、电流双闭环直流调速系统来控制系统转速，同时要保证系统输出无静差，具有快速的转速响应和良好的鲁棒性。关键词：可控硅；制动器；控制第一章 绪论1.1研究背景据统计，2005年，全国共发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911人受伤
2、，直接财产损失18.8亿元，其中道路交通事故死亡人数占总数的90；全国安全生产事故死亡人数约为12万人，道路交通事故死亡人数所占比例为78，与其他方面的安全相比，道路交通方面的安全问题最为严重。道路交通事故的引发因素是多方面的，其中的车辆制动系问题就是一个比较典型的原因。因此，制动器的性能就变得尤为重要。制动器能用来减低机械设备的运行速度或者使其停止，是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。最原始的制动控制是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，实现对汽车的制动作用，由于那时的车辆的重量比较小，速度比较低，机械制动也能满足车辆制动的需要，但随着汽车自身重量的增加，助力装置对
3、机械制动器来说已显得十分必要。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，制动技术有了新的突破。 20 世纪30 年代后期, 随着电子技术的发展，集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。1.2研究意义随着我国汽车工业和技术的快速发展，无疑给车辆制动器的性能质量和控制方式提出了更新更高的要求。该制动器性的研制为进行制动器的基础研究和性能测试提供了有力的技术手段，对确保汽车、摩托车制动系统正常可靠工作至关重要。可满足企业准确、快速、有效地对制动器各种综合性能检测的需要，具有广泛的应用前景。1.3国内外研究现状传统的制动控制系统的主要
4、特点是能均匀分配油液压力，当制动踏板踏下时，制动主缸就将等量的油液送到每个制动器的制动轮缸中，并通过一个比例阀使前后平衡。电磁制动器在其他领域早有应用，如电梯升降机的制动器。汽车上利用电磁铁的制动器也正处于积极的研制状态。通过控制电流等相关参数来改变制动力。由于代替了传统的液压制动机构，电磁制动系统不再使用液压油，从而减少了液压油燃烧的危险，提高了安全性，也减轻了车辆自身的重量。电磁制动系统中采用了转速反馈控制系统，显著改善了制动力矩和防滑性能，缩短了制动距离，提高了轮胎和制动装置的使用寿命。江苏大学也曾研究过一种新型电磁制动器，类似于上面的制动器。它是应用于挂车上的鼓式摩擦型电磁制动器，它将
5、车辆本身动能的一部分转化为制动能量，采用电路控制代替传统气路、油路控制，是国内外挂车制动的发展方向。电涡流缓速器是在十九世纪利欧博科(LionFoucault)发现的电磁感应理论的基础上发展起来的。1965年法国Telma公司设计出了首台没有中心轴，直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速器。该类型缓速器的出现，使其结构趋于紧凑、重量变轻，并且安装简便，从而使得电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。1993年出现了将电涡流缓速器与传动轴做成一体的产品。19%年，市场上出现了用发动机冷却液进行冷却的电涡流缓速器，该缓速器中还安装有一小型发电机。在国内，由于我国整个汽车工业的起步较发达国家晚了很多，导
6、致电涡流缓速器的研制、生产和应用还处于起步阶段。国内己有许多大、中型豪华客车，如上海申沃、郑州宇通、东风日产、厦门金龙、苏州金龙等客车都安装了电涡流缓速器。第二章 制动器总体分析2.1制动原理制动系一般是利用与车身和车架相连的非旋转元件和车轮或与传动轴相连的旋转元件之问的相互摩擦，来阻止车轮的转动或转动的趋势，并将运动着的汽车的能量转化为摩擦副的热能耗散到大气中。制动系不工作时，制动蹄上摩擦片的外圆面与制动鼓的内圆面之间有一定的间隙，因此车轮与制动鼓可以自由旋转。要使行驶中的汽车减速或停车，驾驶员应踩下制动踏板，通过推杆和主缸活塞，使主缸内的油液在一定的压力下流入轮缸，并通过两个轮缸活塞推动两
7、制动蹄绕支撑销转动，上端向两边分开而以其摩擦片压紧在制动鼓的内表面上。这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力，同时路面也对车轮作用着一个向后的反作用力，即制动力。当放开制动踏板时，回位弹簧即将制动蹄拉回原位，制动作用终止。制动时，车轮的运动有滚动和抱死拖滑两种状态。当制动踏板力较小时，制动器的摩擦力矩不大，路面与轮胎问的摩擦力，即地面制动力足以克服制动器的摩擦力矩使车轮转动。当车轮滚动时，地面制动力就等于制动器的制动力。但地面制动力有时小于制动器所能产生的最大制动力，
8、即口PT max使制动器的作用不能充分发挥。比如一个制动器性能良好的汽车在冰雪路面上制动时，地面制动力很小，车轮在很小的制动踏板力时就抱死拖滑，这是由于冰雪路面附着系数小的缘故。也就是说，地面制动力受到车轮与路面间附着条件的限制，其最大值不可能超过附着力。附着力是指在汽车制动时，轮胎与地面之间的摩擦力，附着力除以汽车重力的商称为附着系数。在汽车制动时，附着力限制了制动力的最大值。同一辆汽车在于燥的沥青路面E制动与在冰雪路面上制动，制动距离相差很大，就是由于附着系数不同造成的。由于冰雪路面附着系数小，不可能产生较大的地面制动力。2.2可控硅工作原理硅晶体闸流管，简称可控硅创制于1957年，由于它
9、特性类似于真空闸流管。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流
10、过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。普通可控硅最基
11、本的用途就是可控整流，为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使可控硅承受正向电压的每半个周期内，触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。在可控硅没有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，可控硅VS被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节R
12、P的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了第一个Ug发出的时刻，相应地改变了可控硅的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。双向可控硅的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。第三章 可控硅制动器设计3.1控制原理由可控硅整流装簧供给可调电压的直流调速系统与旋转变流机组、直流斩波器及其它静止可控整流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。可控硅整流器的功率放大倍数在100000以上，其门极电流可以直接用晶体三极管来控制：在控制作用的快速性方面，可控硅整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。本文研究的电惯量
13、系统将采用可控硅一电机直流调速系统，由可控硅整流装置直接给直流电机供电的系统原理图，用触发脉冲的相位来控制整流电压平均值，是可控硅整流器的主要特点。GT是触发装置，V是可控硅整流器，通过调节GT的给定电压，即可移动其输出脉冲的相位，从而很方便地改变V的输出瞬时电压ud和平均电压Ud，从而实现平滑调速。如果把整流装置内的电阻压降、元件正向压降和变压器漏抗引起的换相压降都移到整流装置的外面，当作负载电路压降的一部分，那么整流电压便可以用理想空载电压Udo来代替。整流电路的脉波数m总是有限的，其数字比直流电机每对极下的换向片数要少得多。因此，除非主电路电感L=co，否则系统的电流脉动比较严重，会产生
14、以下两个方面的问题：l、脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利；2、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增加电机发热。在应用可控硅一直流电机调速系统时，首先要考虑抑制电流脉动的问题，其 主要措施是：1、增加整流电路的相数；2、设置平波电抗器。当vM系统主电路串接的电抗器有足够大的电感量，而且电机的负载电流也足够大时，整流电流的波形便可能是连续的。当电感较小而且负载较轻时，一相导通电流上升时电感中的储能较少，在电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已衰减到零，便产生波形断续的现象。可控硅触发整流装置环节的输入量是触发电路的控制电压u。t，输出量是理想空载整流电压Ud0。如果把它
15、们之间的放大系数K。看成是常数，则可控硅触发整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由可控硅装置的失控时问Ts引起的。考虑到Ts很小，则可控硅触发整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节。3.2保护装置可控硅控制的设计保护就显得尤为重要，其包括过流保护、限流保护、过电压保护等。过流保护：用在可控硅控制电路中的过流保护方式很多，如快速熔断器保护、快速电流继电器保护、自动电量采集器保护和电子回路保护等。（1）快速熔断器保护快速熔断器是针对硅整流元件无过载能力而专门设计、制造的。当电流流过5倍快熔额定电流时，它能在0.2s内熔断，比普通熔死快10倍以上。它主要用于短路保护，切断短路电流
16、。快熔器与晶闸管串联时，快熔的额定值通常取晶闸管的额定电流值，如5OA 晶闸管取5OA 快熔。（2）过流继电器保护过电流继电器常采用高灵敏度的电磁继电器，当电流超过允许值时，电磁继电器动作、切断自动开关或电源接触器，从而起到保护作用。过电流器可装在直流侧，也可装在交流侧，装在交流侧，常经过电流互感器，再经整流后去驱动电流继电器。限流保护：限流保护是在控制电路整流装置工作在恒压状态下所加入的一种保护措施。当整流装置输出电流超过额定值时，这种保护能使整流装置输出电压降低，从而使装置输出电流降低，并使装置继续运行。当整流装置输出电流超出电流额定值时，则只有电流反馈作为PI 调节器的输入，那么整流装置
17、处于恒流工作状态。当整流装置输出电流低于电流额定值时，只有反馈作为PI 调节器的输入，则整流装置工作在恒压状态下。由此可见，整流装置只有加入限流保护后，在超负荷运行时。电流能受到有效的抑制，元件不会被损坏，装置能得到可靠的保护。过电压保护：阻容保护装置只能把操作过电压抑制在允许范围内。当发生雷击或从电网侵入更高的浪涌电压时，虽有阻容保护，过电压仍会突破允许值。因此，在采用阻容保护的同时可以设置非线性电阻保护。非线性电阻保护有硒堆和压敏电阻保护。第四章 盘式制动器概述4.1盘式制动器原理及特点图.1-1增力式盘式制动器零件图1、2压盘 3、7摩擦盘 4半轴壳 5半轴 6回位弹簧 8中间壳体 9调
18、整螺栓 10斜拉杆11调节叉 12拉杆13压盘凸肩14壳体肩台上图是运输车辆增力式盘式制动器零件图。在差速器的每一侧半轴上，用花键安装着两个粘有摩擦衬面的摩擦盘3和7，它们能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。在两摩擦盘之间有一对可锻铸铁的圆形压盘1和2，它们的表面支承在半轴壳4的三个凸肩上，并能在较小的弧度内转动。两压盘内侧面的五个卵圆形凹坑中装有五个钢球，两压盘用三根弹簧6拉紧。在中间盖8和摩擦盘4上，与摩擦盘相对着的表面经过加工。摩擦盘与压盘间，以及摩擦盘与半轴壳和中间盖间，在不制动时都有一定间隙。制动时，制动踏板通过斜拉杆使两压盘相对转动，此时凹坑中夹着的五个钢球就从坑底向坑边滚动
19、，将两压盘挤开，两压盘就将旋转着的两个摩擦盘分别推向半轴壳和中间盖，使各相对摩擦表面间产生摩擦扭矩，最终将半轴制动。如果放松制动踏板，则弹簧6又将两压盘拉紧复原，使钢球进入坑底，恢复了摩擦盘两侧的间隙。 盘式制动器在上述制动过程中有增力作用。当摩擦盘顺时针旋转时；作用在压盘上的摩擦扭矩将使它们跟随旋转，但当压盘1由于其凸起13受到半轴壳上的凸肩14的限制而不能转动时，压盘2则在摩擦扭矩的作用下将相对于压盘1作顺时针转动，协助钢球继续将两压盘挤开，使操纵省力。当摩擦盘反时针旋转时，和上述过程相似地起增力作用。因此不管运输车辆前进还是倒退，制动时盘式制动器都有增力作用。 与带式和蹄式制动器相比，盘
20、式制动器除了结构复杂外有一系列优点：如结构紧凑，操纵省力，制动效果好，衬面磨损较均匀，间隙不需调整，封闭性好不易进泥水，且散热容易，故使用寿命较长等。这些特点使它得到越来越广泛的应用。4.2 盘式制动器的主要元件4.2.1制动盘一、制动盘直径D 制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70一79。总质量大于2t的汽车应取上限。 二、制动盘厚度h 制动盘厚度对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小些，制动盘厚度不宜取得很大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可
21、以做成实心的，或者为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。一般实心制动盘厚度可取为1020，通风式制动盘厚度取为2050，采用较多的是2030。在高速运动下紧急制动, 制动盘会形成热变形, 产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能, 大多把制动盘做成中间空洞的通风式制动盘, 这样可使制动盘温度降低20 %30 %。三、制动盘的安装制动盘安装在轮毂上, 与车轮形成整体旋转。制动盘是旋转部件, 与摩擦衬块之间只有微小的间隙。从制动盘中心到摩擦衬块磨合中心称为制动盘有效半径。根据杠杆原理,如摩擦力相同,则制动盘的有效半径越大, 制动力就越大。四、制动盘的维修制动盘都是标准设计，以使在制动盘使用期限
22、内保持制动表面各项指标的允差，这些指标是平行度、平面度以及横向摆差。保持关于制动表面形状的精度的允差，有助于尽量减少制动粗暴及踏板脉动。 制动盘表面粗糙度必须保持在60m特定范围内，或者更小些。需要控制制动表面粗糙度，尽量减少踏板费力、过大的制动衰退、反常性能的问题。控制表面粗糙度同样能提高摩擦衬片的寿命。 每当维修制动摩擦块或卡钳、或者换位车轮或为了其他类型工作而拆卸车轮，总要检查盘式制动器制动盘。不要忘记，伴随盘式制动器制动盘而发生的许多问题，一般用肉眼检查一下，可能不是很明显的。制动盘厚度、平行度、摆差、平面度。以及刮痕深度等，只能用准确的测量仪和千分尺进行测量。精密的测量工具及现代的精
23、加工设备，对维修好制动盘来说，是至关重要的。4.2.2制动摩擦衬块摩擦衬块是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬块分为摩擦材料和底板,两者直接压嵌在一起。摩擦衬块外半径只与内半径及推荐摩擦衬块外半径与内半径的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。 对于盘式制动器衬块工作面积A，推荐根据制动衬块单位面积占有的汽车质量在1.63.5范围内选用。由于摩擦,摩擦衬块会产生磨损。摩擦材料使用完后, 底板和制动盘直接接触会丧失制动效果, 损坏制动盘。制动盘损坏后,修理费用十分昂贵。为避免损坏制动盘,过去,用户靠定
24、期车检来确定摩擦衬块的剩余量; 后来, 在底板上安装摩擦衬块磨损指示器, 当摩擦衬块已磨损到剩余量很少时, 指示器与制动盘接触, 当司机踏制动踏板时, 就发出异常的声响; 现在有一种更加准确提醒摩擦衬块磨损的方法, 即安装电子式磨损指示器, 当摩擦衬块磨损后, 磨损指示器中的线路断掉,警示灯亮。4.3 盘式制动器操纵机构 在一般拖拉机上，制动操纵机构几乎都是机械式的。制动踏板通过一些杆件与制动元件相连。当摩擦衬面磨损后，为了调整踏板的自由行程，有一些杆件的长度是可调的，如利用调节叉来调节长度。左右制动器的踏板可用连接板连接，以便同时制动两驱动轮。当松开制动时，制动踏板都应该有回位弹簧使其自动回
25、位。为使运输车辆能在斜坡上停车或在作固定作业时不让其随意移动位置，在操纵机构中都有停车锁定装置，它能卡住已踏下的制动踏板，使其不能回位，以使制动器能在没有驾驶员操纵的情况下长时间地处于制动状态。 带式和蹄式制动器踏板的自由行程一般为4080，盘式制动器踏板的自由行程稍大些，这是因为盘式制动器的旋转元件和制动元件间的总间隙较小，如果自由行程过小，驾驶员稍一踏下踏板就已开始了制动，这样易使摩擦衬面加速磨损。左右踏板的行程必须一致，否则拖拉机在紧急制动时会容易发生偏转而发生安全事故。 如果用作直线行驶中降速或停车，则必须注意首先分离主离合器然后再制动；如果用作协助履带拖拉机转向，则必须注意首先分离慢
26、速侧的转向离合器，然后再制动该侧驱动轮。第五章 盘式制动器设计5.1 制动器设计中的分析 在制动器的设计中，和是根据制动力矩的大小，允许的表面单位压力和制动器结构的合理布置等决定的，一般不考虑对加力效果的影响，当摩擦材料选定后，系数也是一个既定的数值。因此要使制动器满足一定的加力效果，关键在于合理的确定球槽斜角。可以看出，当球槽斜角减少时，加力系数变大，操纵省力。但是，的减少受到自刹的限制。如果较小，则只要压盘与摩擦片开始接触后，不需要驾驶员的操纵力，制动器就会自行制动，这是我们不希望的。因此，不自刹的条件为：(/) (2-1)式中 -摩擦系数 -擦力合力的作用半径；-钢球至中心的距离。加力系
27、数愈大，表示操纵力减少愈多。但必须指出，加力系数并不代表操纵力实际减少的比例。因为实际操纵力取决于主拉杆的拉力，即与的合力，而不是与的代数和。其中为斜拉杆对压盘1的拉力；为斜拉杆对压盘2的拉力。从以上分析看出，盘式制动器之所以结构紧凑，在于它在同样体积下可获得较多的摩擦面积。它的加力效果显著，使操纵力很小。并与被制动轴的转动方向无关。由于摩擦面上的压力分布比较均匀，因此磨损均匀，延长了摩擦片的寿命，减少了调整次数。压力分布均匀对于减少结构尺寸也很有利（因为摩擦片的磨损取决于最大的单位压力及单位摩滑功）。此外，在盘式制动器中各径向力相互平衡，减少了轴和轴承上的载荷。5.2 制动器的基本参数5.2
28、.1先确定制动力矩一、车辆在行驶中制动 =454.5 (2-2) 式中 车辆整机使用质量,=2100kg； 车辆驱动附着系数,=0.7； 车辆驱动轮胎动力半径,=0.625m L车辆轴距,L=1950mm； a车辆质心纵坐标, a=780mm； h车辆质心高度坐标,h=700mm； 制动器至驱动轮的传动比,=4.846。二、车辆在坡道上停车=438 (2-3)式中 坡道停车时坡度角,=； 车辆滚动阻力系数,=0.02；取大值=454.5作为制动器计算力矩。5.2.2确定摩擦盘尺寸摩擦盘的外径和内径的数值主要取决于单位压力和单位摩滑功。计算时假设单位压力是均匀的，摩擦面上的单位压力可用下式计算：
29、 =0.30.5 (2-4)在实际设计中，摩擦力的合力半径，近似地可以按内外径的平均值进行计算，即 = (2-5)若令=0.55即代入式（2-4）后，可得： = (2-6)根据上述关系，便可按下式求得： (2-7) 国内的一般运输车辆300000500000，这里=300000，系数的数值一般在0.50.6范围内选择，这里选为=0.55 所以，有= 式中： 摩擦片的干摩擦系数,=0.3； 摩擦面对数, =4。 =0.5590.6 = 49.83按上述方法求得的和还应根据结构安排情况加以修整，查阅国内运输车辆盘式制动器的有关参数，现对和做一些修整，取=50mm，=90mm2.2.3制动器的磨损验
30、算由（2-4）式可得出： 压紧力 = 5411(2-8)单位压力 =307722 N/m2 (2-9）单位滑磨功= 式中-线速度 = (2-10)式中 发动机标定转速,=2000r/min； 变速箱最高档的传动比,=； 中央传动比,=。所以，有 =0.33032284.95=0.5单位压力是制动器工作寿命的重要参数，取得过大，制动器易磨损，但值过小将增大制动器的尺寸，对于一般的国内运输车辆要求300000500000，上述中验算的=307722满足要求，故合适。在求得和后，还应验算单位滑磨功A。单位摩滑功按摩擦片外圆来计算，因为该处圆周速度最高。对于一般的国内运输车辆要求7时，每端的死圈约为11.75圈。弹簧丝的直径d0.5mm时，弹簧的两支承端面可不必磨平。d0.5mm的弹簧两支承端面则需磨平。磨平部分应不少于元周长的，端头厚度一般不小于，端面粗糙度应低于。圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。另外，为了节省轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成的弹簧，各圈相互间即具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了一定的预应力，故称为有预应力的拉伸弹簧。这种弹簧一
