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电磁制动器长坡制动温度场的分析


电磁制动器长坡制动温度场的分析 / 廖建胜,李劲松,金志扬

设 计·研 究

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2010.05.008

电磁制动器长坡制动温度场的分析
廖建胜 ,李劲松 ,金志扬
(海南大学 机电工程学院,儋州 571737 ) 摘要:电磁制动器是应用于拖车

上的一种新型制动器,保证其下长坡时制动性能的稳定性非常重要。 通过分析电磁 制动器的工作原理,确定电磁体的主要磨损部位,采用 ANSYS 对电磁体各部位的温度场进行分析,并通过试验加以 验证,得出结论:在长坡制动工况下,由于对流散热的作用,电磁 体 铁 芯 和 填 充 材 料 是 温 度 较 高 的 区 域 ,上 壳 体 温 度 相对较低。 关键词:电磁体;长坡制动;温度场;有限元法 中图分类号:U463.51 文献标志码:A 文章编号:1005-2550 (2010 )05-0031-04

Study on Braking Temperature Field of Electric Brake in Long Downhill Braking
LIAO Jian-sheng ,LI Jin-song ,JIN Zhi-yang
(School of Mechanical and Electrical Engineering , Hainan University , Danzhou 571737 ,China )

Abstract :The electric brake is a newly developed vehicle brake used in trailer. To assure braking stability is of great importance , the wears exerted on the electromagnet are obtained through analyzing the working mechanism of the brake. By adopting ANSYS software and analyzing the temperature field , then verified by experiment , can get a conclusion :In long downhill braking , as the role of convection heat , electric core and fill materials are high temperature region , the shell temperature is relatively low. Key words :electromagnet ;long downhill braking ;temperature filed ;finite element method

电磁体是电磁制动器的关键部位, 对于电磁制 动器的性能稳定性及可靠性具有很大的影响。 当汽 车下长坡连续使用制动器或高速行驶中采取紧急制 动时,制动器工作部件的温度会急剧上升。 当温度高 到一定程度时,由于机械、物理、化学三方面因素的作 用,使得制动器摩擦副的摩擦系数降低,制动器的制 动效能下降,这种现象称为制动效能的热衰退 [1-2],制 动器的抗热衰退性是评价制动器性能好坏的重要指 标之一。 以下通过采用有限元分析方法对电磁体与 摩擦环在下长坡时的各个时段温度场进行分析,并 通过试验对分析模型和方法的准确性加以验证。

蹄、底板及摩擦环等部件组成。
制动蹄总成 杠杆支点 驱动杠杆

电磁体

图1

电磁制动器结构

电磁制动器的工作原理: 摩擦环随着制动鼓一 起旋转,电磁体与驱动杠杆通过卡簧连接在一起。制 动开始时,控制器发出制动信号,电磁体通电,产生 电磁吸力,吸附在摩擦环上。由于电磁体被驱动杠杆 约束,与摩擦环产生相对滑动,作用在电磁体上的摩 擦力带动与之相连的驱动杠杆绕支点转动。 杠杆的 从动端就将制动器的两个摩擦蹄片张开并压向制动 鼓,产生制动力矩。结束制动时,电磁体断电,吸力和 摩擦力消失,在回位弹簧拉力的作用下,摩擦蹄片离 ·31·

1

电磁制动器简介
电磁制动器是整个制动系统中的执行部件。 电

磁制动器安装在挂车车轮上。其结构如图 1 所示。整 个制动器主要由电磁体、 杠杆驱动机构、 前后制动
收稿日期:2010-06-03 基金项目:海南省教育厅科研项目(Hj2010-02 )

设 计·研 究
开制动鼓,解除制动 [3]。

汽车科技第 5 期 2010 年 9 月

为了分析的方便, 将整个电磁制动器模型分为 电磁体 - 摩擦环,采用笛卡儿坐标系,原点定义在摩 擦环和制动鼓的旋转中心,如图 4 所示。
y

2

长坡制动温度场的分析
采用有限元分析方法, 利用 ANSYS 分析软件,

对电磁体在长坡制动工作过程中进行分析。

z x

2.1

对电磁体接触面摩擦副的分析 电磁体底面是由三块不同材料的底面构成,如

图 2 所示。 其中有三组接触副, 即铁芯底面—摩擦 环, 填充材料底面—摩擦环以及上壳体底面—摩擦 环,需要通过时间段来对三组接触副进行分析。
上壳体

图4

电磁体—摩擦环分析模型

分析中用到的电磁体参数如下: 线圈匝数为

120 匝,电流强度为 3A 。 填充材料和空气的相对磁
导率为 1,电磁体铁芯、上壳体和摩擦环均选用 AN-

线圈 铁芯 填充材料

SYS 中的磁钢材料 [5,6]。 2.3 瞬态温度场分析 图 5 是模拟汽车以 30 km/h 速度匀速下长坡工
况得到的电磁体温度分布图。 整个下长坡制动过程 持续 12 min 。

图2

电磁体结构

2.2

有限元分析模型和参数 制动器结构参数见表 1。 利用 ANSYS 软件的参

数化(APDL )建模功能,建立制动器的简化模型,如 图 3 所示。
表1
前制动衬片起始角 前制动衬片包角 衬片厚度 制动鼓内径

制动器结构参数
后制动衬片起始角 后制动衬片包角 衬片宽度 壁厚

(a )t=4min 时

(b )t=8 min 时

46.5° 92° 5 mm 304.8 mm

27° 123.5° 50.4 mm 10 mm

(c )t=12 min 时

(d )t=12 min 时

图5

电磁体温度分布

沿电磁体底面长轴方向定义路径 1, 如图 6 所 示。 图 7 是下长坡制动工况中 4 min 、8 min 、12 min 时刻路径 1 上的温度变化曲线。
图3 制动器简化分析模型

电磁体的结构复杂, 并且也是分析中的重要部 件。 在建模过程中, 利用 ANSYS 参数化设计语言

APDL 按序分别建 立 电 磁 体 各 部 件 的 实 体 模 型 ,然
后将各部件粘接在一起 [4]。 这样能保证整个电磁体 在电磁场分析以及以后的结构分析中都作为一个整 体,保证分析的物理量(磁场强度、温度)在电磁体内 部的连续性。 ·32·
图6 路径 1 在电磁体上的位置

1

电磁制动器长坡制动温度场的分析 / 廖建胜,李劲松,金志扬

设 计·研 究
4)随着温度的升高,对流散热量越来越大,造成
温度上升趋势越来越弱。

130 125
温度 /℃

120 115 110 105 100 0 0.02 0.04 0.06 路径 1 的位置 /m 0.08

3

试验验证
为了对电磁体—摩擦环在下长坡工况中的瞬态

温度场分布以及温度变化情况进行试验验证, 设计 了电磁体—摩擦环瞬态温度热成像试验。 具体方案 如下: 从电磁体通电吸附在摩擦环上工作开始计时, 用 DL700C 热成像仪拍摄电磁体—摩擦环温度分布 图。然后用红外热成像后处理软件,对温度分布图进 行分析,得到整个电磁体模型的温度分布情况(见图

(a )t =4 min 时

170 160
温度 /℃

150 140 130 0 0.02 0.04 0.06 路径 1 的位置 /m 0.08

8、图 9)。
(b )t=8 min 时

182.5 ℃ 150 100 50 0

192 184
温度 /℃

176 168 160 152 0 0.02 0.04 0.06 路径 1 的位置 /m 0.08
(a )t=4 min 时

-20.2 ℃

(c )t =12min 时

202 ℃

图7

路径 1 上的温度变化曲线

180 120 60 0 -42.2 ℃
(b )t=8 min 时

2.4

对有限元分析得到的结果分析 在下长坡制动工况中,从图 5 可以看出:从温度

上升趋势来看, 电磁体各部分温度上升趋势都越来 越弱。 从图 7 可以看出:从温度分布来看,电磁体铁 芯部分的温度最高,填充材料次之,上壳体部分温度 最低。 其原因主要是:

1)铁芯和上壳体底面接触应力要比填充材料底
面大得多,相应的摩擦生热率也大。

208.8 ℃ 180 120 60 0 -37.9 ℃
(c )t=12 min 时

2)上壳体和铁芯材料为钢,热传导率大,热容量
小,是热的良导体。 而填充材料热传导率小,热容量 大。对于铁—铁摩擦副,接触副吸收的热量基本上相 等,而对于铁—填充材料接触副,流入填充材料的热 量少,是填充材料温度较铁芯低的原因。

3)从结构关系来看,上壳体位于电磁体的外围,
大部分的表面与空气接触,散热条件好。而铁芯位于 电磁体中心, 绝大部分被导热性能差的填充材料包 围,散热条件差。 这是铁芯温度高的原因。
图8

电磁体—摩擦环温度分布

·33·

设 计·研 究

汽车科技第 5 期 2010 年 9 月

体铁芯之间存在热传导,将会使铁芯温度降低;试验
160
温度 /℃

台上的对流换热系数与经验公式计算出的对流换热 系数存在差别; 在接触分析中对于电磁体上表面施 加均布载荷来代替电磁吸力的作用, 也会对于温度 场分析摩擦生热率的计算造成影响, 从而影响整个 电磁体的温度场分布。
0 0.04
白线的位置 /m (a )t=4 min 时

120 80 40 0 0.08

4

结束语
由于电 磁 制 动 器 的 制 动 衬 片 - 制 动 鼓 接 触 副

200 160
温度 /℃

的温度场和其他的制动器是一样的,所以 没 有 单 独 对 它 进 行 研 究 , 通 过 ANSYS 软 件 对 电 磁 体 和 摩擦环的瞬态温度场进行分析得出:在下 长 坡 制 动工况下,从温度分布来看,铁芯和填充材料的
0.04
白线的位置 /m (b )t=8 min 时

120 80 40 0 0 0.08

温度要比上壳体温度高; 从温度变化趋势来看, 在 制 动 开 始 的 4min 内 , 电 磁 体 温 度 急 剧 升 高 , 之 后由于对流散热量逐渐增大,温度上升趋 势 越 来 越弱。 因此, 我 们 在 对 电 磁 制 动 器 的 设 计 过 程 中 要 充分考虑到抗热衰退性,不仅它作为电磁 制 动 器 的一项重要指标影响电磁制动器的工作寿命,它 还直接影响到车辆实际运行过程中的制动效率, 从而影响到人的生命安全。 它的重要性不容忽 视。 参考文献:
[1 ] 余志生 . 汽车理论 [M ]. 北京:机械工业出版社,2002. [2 ] 陈家瑞 . 汽车构造 [M ]. 北京:人民交通出版社,1998. [3 ] 钱 剑 安 ,魏 巍 . 新 型 拖 车 电 磁 制 动 器 的 研 究 [J ]. 低 压 电 器,2006 ,(03 ):11-14. [4 ] 博 弈 工 作 室 . APDL 参 数 化 有 限 元 分 析 技 术 及 其 应 用 实 例[M ]. 北京:中国水利水电出版社,2004. [5 ] 唐 兴 伦 ,范 群 波 ,张 朝 晖 . ANSYS 工 程 应 用 教 程 - 热 与 电 磁学篇[M ]. 北京:中国铁道出版社,2003. [6 ] 李 仲 兴 ,周 孔 亢 ,许 海 春 . 车 辆 电 磁 制 动 器 电 磁 体 磁 场 分 析[J ]. 机械工程学报,2005 ,(11 ):203-206.

200 160
温度 /℃

120 80 40 0 0 0.04
白线的位置 /m (c )t=12 min 时

0.08

图9

测温线上点的温度曲线

通过比图 7 与图 9, 可以发现仿真曲线和实验 曲线在趋势上一致, 均符合电磁体铁芯部分的温度 最高,填充材料次之,上壳体部分温度最低。 对比有 限元分析结果和热成像试验结果,可以发现,两者误 差最大的地方在铁芯位置, 软件分析结果要比热成 像试验结果高 20 ℃ 左右,相对误差在 10% 以内,而 在填充材料和上壳体处, 分析结果大约比试验结果 高 10 ℃。 其原因主要有:由于试验台上的电磁体通 过卡簧固定,在试验过程中,卡簧等连接部件与电磁

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