【推荐文章】电动汽车磁流变液制动器优化及制动特性研究

《机械传动》2018年 第42卷 第10期

DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2018.10.006

引用格式：倪晋尚. 电动汽车磁流变液制动器优化及制动特性研究[J]. 机械传动, 2018, 42(10):29-34.

NI Jinshang.Research of optimization and braking characteristic of magneto-rheological fluid brake for electric vehicle[J].Journal of Mechanical Transmission, 2018, 42(10):29-34.

电动汽车磁流变液制动器优化及制动特性研究

倪晋尚

(常州工程职业技术学院 机电与汽车工程学院，江苏 常州 213164)

摘要以电动汽车磁流变液制动器为研究对象，分析磁流变液内部结构，对其结构进行优化，建立其优化前后的理论模型；运用Matlab编程求解得到磁流变液制动器制动力矩与线圈电流及制动器速度与制动时间之间的关系，运用实验的方法对其进行验证。理论计算及实验结果表明，磁流变液内部结构存在较大的优化空间；通过优化制动器内部结构可以提高电动汽车磁流变液制动系统的制动效能；实验结果与理论计算结果基本相近，验证了理论计算准确性；研究为电动汽车制动系统精确控制提供了重要基础，为电动汽车制动效能提升、制动器精确控制等提供了理论依据及有益的借鉴。

关键词 电动汽车 磁流变液制动器 优化 制动特性

0 引言

随着全世界对环境的极大关注，环保理念及行动在各国大力开展，我国对环保尤为关注。为了响应国家节能环保的大政策，我国众多科研院所、高校及企业对环境友好的产品(如新能源汽车、风力发电机等)进行了大力地研究和广泛地关注 [1]。电动汽车作为新能源汽车中的重要组成部分，其发展及产业化对废气排放的减少从而改善环境质量起着至关重要的作用，得到我国政府的大力扶持，也得到了众多科研院所、高校及企业的大力支持，因此，电动汽车在近几年飞速发展。

随着汽车运行速度及制动安全要求越来越高，汽车制动器逐渐向高精度、智能化等方向发展。由于传统汽车多为机械制动器，要实现高精度及智能化控制难度较大，因此磁流变液制动器应运而生。由于该制动器中的磁流变液是一种新型的、可以通过外加磁场进行较为精确控制的智能材料，其能在外加磁场的情况下实现从液体到固体的瞬时转变，因此磁流变液制动器具有高精度和快速响应的特点，得到国内外众多学者的关注和研究。其中，张红涛 [2]、王志伟 [3]对A0级小型纯电动汽车磁流变液制动器结构进行设计，研制和建立A0级轿车磁流变液制动器试验台，对其制动性能进行研究；马良旭 [4]、刘旭辉 [5]对电动汽车磁流变液制动系统进行研究与开发，同时对车用自增力式磁流变液制动器进行了研究；沙鑫 [6]以间隙可调式磁流变制动器为研究对象，对其结构进行设计，对其制动性能进行试验测试与验证；李培 [7]以圆盘式磁流变液制动器为研究对象，对其结构进行设计，同时对其制动性能进行研究；宋宇 [8]对磁流变液ABS制动器结构进行研究，对其性能进行仿真分析；华文林 [9]对磁流变液制动器进行设计与研究；张贺 [10]进行了磁流变制动器的结构设计与性能研究；国外学者Chiranjit Sarkar等 [11]对磁流变制动器进行试验研究；J.Thanikachalam等 [12]运用数值仿真软件对磁流变液制动器进行结构和流体场仿真和分析。

为了提高新能源电动汽车磁流变液制动器制动特性及控制精度，本文以某电动汽车磁流变液制动器为研究对象，对其结构及磁路进行优化，并对优化前后的制动特性进行研究，为电动汽车磁流变液制动器制动效率提升、控制特性的优化及其在工程和新能源汽车上的推广及应用提供重要的参考。

1 电动汽车传动及制动简易组成

电动汽车是以电池组为动力源，电池组中的电源提供给电动汽车的主电机，主电机产生的运动和动力通过离合器传递给变速器，变速器经过传动轴和差速器将运动和动力传递给车轮，从而驱动车轮进行运动，实现汽车的运动。当行驶的电动汽车需要进行减速时，通过电动汽车的磁流变液制动器进行制动，实现对行驶汽车的减速直至停止。

本研究中电动汽车组成简图如图1所示。

图1 电动汽车传动及制动组成简图

研究选取图1中电动汽车中的磁流变液制动器为研究对象，其制动原理如图2所示。

图2 电动汽车磁流变液制动器制动原理

由图2可知，磁流变液制动器主要由制动器外壳、励磁线圈、制动盘及磁流变液等四大部件组成。电机产生的动力通过离合器、变速器传动轴传递至差速器，差速器中的动力经过车轴传递给车轮从而实现汽车运动。电磁离合器制动盘与车轴输入端刚性连接，与输入车轴运动特性一致，制动器外壳则固定在电动汽车车架上，制动器外壳与制动盘之间所形成的封闭空间中除了励磁线圈占据的部分空间外，其余空间都由低黏度、易流动的液态磁流变液填充。当行驶汽车需要制动减速时，磁流变液制动器中的励磁线圈通电产生磁场，制动器中的磁流变液在磁场作用下发生流变效应，产生较大的剪切阻力矩，剪切阻力矩作用于制动盘再作用于车轴从而实现车辆的制动。在磁流变液制动器中，磁流变液发生流变效应产生的剪切阻力矩与磁场强度呈现线性关系，即与励磁线圈电流也呈现线性关系，因此可以通过控制磁流变液制动器励磁线圈电流大小来改变和控制制动器制动力矩，从而实现对磁流变液制动器的智能控制。

2 磁流变液制动器组成、优化及理论建模 2. 1磁流变液制动器组成及优化

制动器作为汽车减速系统中的重要部件之一，其制动性能及制动安全性直接决定汽车的制动性能及安全性。现有制动器有电子机械式制动器、电子机械液压制动器、电子液压制动器及磁流变液制动器等。磁流变液制动器是利用磁流变液的流变及快速响应特性与机械制动器部件相结合设计的新型制动器。磁流变液制动器与传统机械摩擦制动器相比，其所有动作及运动可以实现全电对其磁路及其他电控元件的控制，能够按照车辆实际需求的制动力矩进行制动，使其具有控制性能优良、响应迅速及能耗较低等优点，是未来汽车及其他行业制动系统研究和发展的方向。

本研究对象为某型圆盘式磁流变液制动器，该制动器是文献[13]所述常规磁流变液制动器结构的改进形式，应用于江苏某企业与我校合作开发的新能源电动汽车上，其主要结构如图3所示。

图3 磁流变液制动器主要结构

图3为该磁流变液制动器主要结构。由图3可知，磁流变液制动器主要由制动器外壳、制动旋转盘转子(主制动旋转盘转子、辅助制动旋转盘转子)、密封端盖、车轴、车轴支撑轴承、励磁线圈、密封圈、轴套及绝缘磁环等部件组成。该磁流变液制动器是在常规磁流变液制动器的基础上将转子内置多个制动旋转盘，且在内置多个制动器旋转盘转子与制动器外壳定子之间密封的区域中充满磁流变液，磁流变液在磁场作用下发生流变效应，在制动旋转盘与制动器外壳之间产生剪切阻力矩，从而实现对车辆的制动减速。

在该新型磁流变液制动器结构中，由于其设计多个制动旋转盘结构，在体积不增加的情况下，磁流变液剪切面积增大数倍，从而增加其制动所需剪切阻力矩；同时该结构在制动器输出力不变的情况下，可以让制动器体积减小数倍，从而减小制动器结构非有益综合阻尼力，增加制动器输出稳定性。

现有车辆圆盘式磁流变液制动器磁路结构如图4所示。由图4可知，圆盘式磁流变液制动器磁路结构中主要由车轴、单旋转盘转子即单个制动旋转盘、磁流变液(主磁流变液、辅助磁流变液)、定子(制动器外壳)、绝缘磁环及励磁线圈等部件组成。当励磁线圈通入电流时产生磁场，主磁流变液在磁场的作用下产生流变效应，产生剪切阻力矩作用于转子，制动旋转盘转子与车轴是刚性固接的，因此剪切阻力矩作用于车轴，阻止车轴旋转，从而实现汽车的减速。

为了获得更好的制动特性，减小制动盘体积，减小制动器结构非有益综合阻尼力，增加制动器输出稳定性，研究中对上述的磁路结构进行优化，将单制动旋转盘转子修改为多制动旋转盘转子；为了适应转子多制动盘结构，定子内部结构也为多盘式结构，优化后的磁路结构如图5所示。

图4 优化前单制动盘磁流变液制动器磁路结构

图5 优化后多制动盘磁路结构磁流变液制动器磁路结构

根据图5中优化后的磁路结构，在体积不增加的情况下，作用的主磁流变液的量大大增加，在同样的磁场作用下的流变剪切阻力矩也随着增加，从而增加了制动器制动力矩，提高制动器制动特性及制动稳定性。

2. 2磁流变液制动器理论建模

该磁流变液制动器为盘式制动器，磁流变液制动器制动盘结构尺寸如图6所示。

图6 磁流变液制动器制动盘结构尺寸

根据图6中制动盘结构及其对应的尺寸，可以推导出磁流变液制动力矩在圆柱坐标系下的表达式为

d T=2π r2( τzθd r+ τrθd z)

(1)

式中， T为制动盘制动力矩； r为制动盘半径； τzϑ 、 τrθ分别为磁流变液轴向剪切应力、磁流变液径向剪切应力； z为制动盘轴向长度坐标。

由于磁流变液制动器的厚度相对于制动盘半径而言极小，长度方向上的磁流变液空间比半径方向上的磁流变液空间小很多，因此式(1)中的第2项基本可以忽略，因此对式(1)将第2项去掉简化处理，得到实际磁流变液力矩表达为

T=4π

r2τzθd r+4π

r2τzθd r

(2)

式中， r0、 r1、 r2分别为车轴半径、主磁流变液半径、辅助磁流变液半径。

磁流变液轴向剪切应力 τzθ与磁流变液磁感应强度 B与磁流变液剪切应变率 有关，其表达式为

(3)

式中， K为磁流变液常参数； n为磁流变液流变参数。

磁流变液剪切应变率 与车轴角速度

制动盘半径 r、磁流变液工作间隙 g有关，其中 ω为车轮角速度。其表达式为

(4)

磁流变液磁感应强度 B表达式为

B= Bbh+( B0- Bbh)(2 e- ρλH- e-2 ρλH)

(5)

式中， Bbh、 B0分别为磁流变液最大磁感应强度、最小磁感应强度； ρ为磁流变液密度； λH为磁感应强度力矩参数。

磁流变液常参数 K和磁流变液流变参数 n表达式为

(6)

式中， Kbh、 K0分别为磁流变液常参数最大值、最小值； λK为常参数对应参数下的力矩； nbh、 n0分别为磁流变液流变参数最大值、最小值； λn为流变参数。

根据式(2)～式(6)推导，可以得到磁流变液制动器制动力矩表达式为

(7)

磁流变液磁场强度 H与线圈电流及内部磁路结构有关。根据安培定律可得

(8)

式中， m为制动旋转盘数量； Hi、 li分别为第 i个磁感强度、磁场电路有效长度； Ni、 Ii分别为第 i个线圈匝数、线圈电流。

根据式(8)可得磁流变液磁通量 Φ表达式为

Φ= HA= NiIi

(9)

式中， A为磁场作用有效面积。

在通电情况下，磁流变液磁感应强度 H为

(10)

磁场作用有效面积 A与制动器内部结构有关，其表达式为

A=

(11)

式中， r3、 r4、 r5分别为绝缘磁环内圈厚度、绝缘磁环深度、定子外侧宽度； h0、 h2分别为内侧定子高度、绝缘磁环高度。

假设电动汽车在制动过程中车轮无滑移，则在该条件下电动汽车在磁流变液制动器作用下的车速随时间之间的关系式为

(12)

式中， Vz、 V0分别为电动汽车制动车速、制动前初始速度； rcl为车轮半径； mzb为电动汽车整备质量； t为制动时间； CD为空气阻力系数； Ay为电动汽车迎风面积。

根据上文建立的理论模型，运用数值计算软件Matlab进行编程，可求解得到磁流变液制动盘的制动力矩及其制动速度与制动时间之间的关系式。由上文理论模型可知，研究的电动汽车磁流变液制动器的制动力矩主要与线圈电流大小、制动盘层数、制动盘内部磁路结构、磁流变液特性等因数有关。制动速度主要与磁流变液制动力矩、电动汽车整车参数如整备质量、迎风面积、车轮半径等因数有关。基于此，对磁流变液制动器内部结构进行优化，运用数值计算和实验的方法进行研究和分析，为电动汽车制动效率提升及制动器结构优化提供重要的参考及依据。

3 数值仿真分析及实验验证

研究的电动汽车整车及磁流变液制动器主要参数如表1所示。

表1 电动汽车整车及磁流变液制动器主要参数表

表1中MRF-132LD磁流变液磁化特性参数如图7所示。

图7 磁流变液的磁化特性曲线

根据表1相关参数及理论模型进行数值计算得到仿真结果；为了对理论计算进行验证，对与理论计算仿真同样工况下的磁流变液制动器进行实验，实验装置如图8所示。

图8 磁流变液制动器实验装置

由图8可知，磁流变液制动器实验装置主要由主支撑机架、驱动电机、高精度联轴器、轴承支架、飞轮、磁流变液制动器、传动轴及力矩速度采集仪等组成。通过驱动电机提供动力源，在高精度联轴器及传动轴作用下将动力和运动传递给磁流变液制动器及飞轮；实验装置中的飞轮简易替代电动汽车，模拟电动汽车制动过程，在电动汽车制动过程中，磁流变液制动器内部线圈通电，制动器在磁力作用下产生制动力矩进行制动，在力矩速度采集仪作用下采集磁流变液制动器制动力矩及制动器速度数据，通过数据处理软件进行处理，然后与仿真数据共同绘制成相关对比曲线图如图9、图10所示。

图9 磁流变液制动器制动力矩随线圈电流变化关系

图9为磁流变液制动器制动力矩随线圈电流变化关系。由图9可知，随着磁流变液线圈电流的增加，制动器制动力矩呈现逐渐增加的趋势，且增加趋势先增加后减小。优化后磁流变液制动器制动力矩大于优化前，优化前后制动力矩理论计算值与实验值基本相近，验证了理论计算的准确性。因理论模型中忽略了制动器实际工况下的部分因素，如车轮打滑、制动器摩擦、制动器制动效能、制动器衰减特性、制动器温度对其的影响，因此导致理论计算结果值大于实验结果值。

图10 磁流变液制动器速度随制动时间变化关系

图10为磁流变液制动器速度随制动时间变化关系。由图10可知，随着磁流变液制动时间的增加，制动器速度呈现逐渐减小的趋势。优化后磁流变液制动器制动时间小于优化前，优化前后制动速度理论计算值与实验值基本相近，验证了理论计算的准确性。因理论模型中忽略了制动器实际工况下的部分因素，如车轮打滑、制动器摩擦、制动器制动效能、制动器衰减特性、制动器温度对其的影响，因此导致理论计算结果值大于实验结果值。

综上研究可知，磁流变液制动器内部结构对其制动特性(制动力矩、现制动器速度)影响较大，且制动器内部结构存在较大的优化空间。为了提高新能源电动汽车制动效率、提高其制动安全性，有必要对其内部结构及其控制系统进行优化设计，获得一定范围内的最优参数及控制特性。

4 结论及展望

对电动汽车磁流变液制动器内部结构进行分析，并对其内部结构进行优化，建立制动力矩及制动器速度理论模型，运用数值软件Matlab进行编程和计算求解，并运用实验的方法对其进行验证；根据理论研究及实验验证，得到磁流变液制动器制动力矩与线圈电流及制动器速度与制动时间之间的关系，为新能源电动汽车高精度、高效率、响应快的制动系统开发和设计提供重要的参考。

限于当前新能源电动汽车工业状况，行业内对于磁流变液制动器在传统汽车及新能源电动汽车中的应用及研究还处于初级阶段，因此相关研究存在巨大的潜在价值。

由于该项目研究与新能源汽车相关企业在合作开展中，因此文中有部分参数不便详细表述，后续还需对新能源电动汽车磁流变液制动系统控制、制动效能提升、制动温度控制等方面展开研究。

参考文献

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ResearchofOptimizationandBrakingCharacteristicofMagneto- rheologicalFluidBrakeforElectricVehicle

Ni Jinshang

AbstractThe magneto-rheological fluid brake of electric vehicle is regarded as the research object, the internal structure of the magneto-rheological fluid is analyzed and its structure is optimized, and the theoretical model before and after optimization are established, the relationship between the braking torque and coil current and brake speed and braking time are calculated by Matlab, the experimental method is used to verify the calculation results. The theoretical calculation and experimental results show that there is a large optimization space for the internal structure of magneto-rheological fluid brake, the braking performance of the magneto-rheological fluid braking system can be improved by optimizing the internal structure of the brake, at the same time, it provides an important foundation for the precise control of the electric vehicle brake system, the experimental results and the theoretical calculation results are basically similar to verify the accuracy of theoretical calculation. This research can provide the theoretical basis and important reference for the braking efficiency improvement of electric vehicle and precise brake control.

KeywordsElectric vehicle Magneto-rheological fluid brake Optimization Braking characteristic

收稿日期：2018-01-31

作者简介：倪晋尚(1979— )，男，安徽桐城人，硕士，讲师，主要从事汽车及汽车材料研究。

专家点评：

文章有创新，应用价值较大。目前尚没有关于新能源汽车使用磁流变液制动器的情况，该文对此进行了较为系统的研究，对相关研究和应用有较好的参考价值。

END