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摘要：本文介绍一种新型的增压式伺服制动装置。该装置用新型电磁力代替传统的气压产生的压力从而实现增压伺服制动，不需要发动机提供能源，提高了汽车的经济性。
关键词：增压式伺服制动电磁力 随动
Abstract：This paper introduces a new booster servo braking device. This device make use of electromagnetic force instead of the traditional barometric pressure so as to realize the booster servo braking, in this process engine is not needed to provide energy to the brake system, saving automobile energy greatly .
Keywords：booster type servo brakeelectromagnetic forceservo
中图分类号：F407.471文献标识码：A 文章编号：
0 引言
制动系统是汽车最重要的系统之一，是为使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。随着道路条件的改善和汽车性能的提高，在道路通行情况好的城市，城市公交车的平均行驶速度一般都能达到原来的2倍或更高，因此为了保证行车安全停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好，制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。
本文设计了一种新型的制动系统，用电磁力代替传统的气压压力，提高汽车的制动效能，减轻驾驶员的劳动强度。
1系统原理与思路
1.1传统制动系统设计原理
传统的增压式（间接操纵式）伺服制动系统其特点是制动踏板机构控制制动主缸，主缸输出的液压传递到辅助缸，并对伺服系统进行控制，伺服系统的输出力与主缸液压共同作用于辅助缸，辅助缸输出到轮缸的液压远高于主缸液压，因而减轻了操纵力。
通常辅助缸、真空伺服气室和控制阀组合装配成一个部件，称为真空增压器。真空增压器是真空增压伺服制动系统的核心部件。其原理是不制动时，大气阀关闭，真空阀开启，控制阀上、下腔相通，上下腔及气室左右腔真空度相同。制动时，踩下踏板，制动液自主缸输入辅助缸，经活塞上孔进入各轮缸，轮缸液压与主缸液压相同，与此同时，输入液压还作用于控制阀活塞上。推使磨片上移，真空阀关闭，再开启大气阀，上下腔隔绝，从而使控制阀上腔与气室右腔真空度下降，其气压升高。而下腔与气室左腔真空度不变。在两腔压力差的作用下，推杆左移，球阀关闭。这样主缸与辅助缸左腔隔绝。此时辅助缸上有两作用力，液压与推杆作用力。气压增压伺服制动系统的组成和工作原理与真空增压伺服制动系统基本相同，所不同的是气压增压是利用高压空气产生助力作用，由辅助缸、气压伺服气室和控制阀组装而成的部件称为气压增压器。而新型的制动系统在结构设计上是不同的，正是这种结构上的不同，新型的增壓式伺服制动系统不需要像传统的制动系统那样需要发动机提供能源，因此大大地提高了汽车的经济性，并且该装置具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、运行可靠、易维护等优点。
1.2 新型制动系统总体设计思路
系统总体设计思路如图1所示，当行驶中的汽车需要制动时，驾驶人员以较小的力踏下制动踏板时，这个较小的力经过压电传感器转化为电流，经过经过放大电路的放大，变大的电流由电磁装置转化为较大的电磁力，电磁力经过传动装置与液压辅助装置相连，经液压辅助装置转化为较大的制动力，从而传向制动轮缸，实现制动。
图1 设计思路方框图
通过本装置可以实现以较小的制动踏板力，控制较大的制动力，减轻了驾驶员的操纵负担，提高了操纵稳定性和汽车制动效能，操纵方便快捷安全可靠。
2 系统设计与分析
2.1系统的整体设计方案
系统总体设计图如图2所示，本文介绍的新型增压式伺服制动装置，利用压电传感器巧妙地把电磁装置液压传动装置和制动装置结合起来，通过灵敏的压电传感器，制动缸的较大的制动力迅速跟踪较小的刹车踏板力指令的任意变化，从而实现伺服随动的制动过程。
图2 汽车电磁增压伺服制动系统示意图
1—制动轮缸 2—压电传感器 3—制动主缸 4—安全缸5—辅助缸6—活塞 7—磁感应线圈 F—制动踏板力
图2为汽车电磁增压伺服制动系统示意图。当驾驶员踩下制动踏板时，制动主缸的输出液压传入辅助缸5，作为制动促动压力传入前后制动轮缸，另外制动踏板力也作用于压电传感器2，使传感器上的陶瓷片产生压缩变形而呈现放电现象，将传感器上的微弱电压经过电压放大和功率放大两级电路后输入磁感应线圈7，磁感应线圈的输出力与主缸的液压作用力一同作用于辅助缸，因而辅助缸输送至轮缸的压力大大地高于主缸压力，从而实现以较小的制动踏板力得到较大的制动力。
2.2系统制动力计算分析
伺服系统也称为随动系统，其主要控制目标是迅速跟踪指令的任意变化，而制动过程是影响伺服系统动态响应性能的重要因素。
在制动过程中压电传感器因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，放点电荷的多少与外力成正比例关系，即
Q=d11F（1）
式中d11—压电陶瓷的压电系数； F—制动踏板力。
当压电陶瓷片受力时，在陶瓷片的两表面上聚集等量的正，负电荷，陶瓷片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器。其电容量为
Ca=εS/h=εrε0S/h（2）
式中S—极板面积（压电片面积）；
h—压电片厚度；εr—陶瓷片的相对介电常数；ε0———真空介电常数。
两极板间的开路电压为
U0=Q/Ca
即
U0=Q/Ca = d11Fh/(εrε0S)（3）
放大电路的放大倍数为K，即放大后的电压
U=KU0=Kd11Fh/(εrε0S)（4）
两个电磁铁之间斥力和吸力大小一样，方向相反，即F吸=F斥，吸力的大小与气隙的截面积A0及气隙中磁感应强度B0的平方成正比。计算吸力的基本公式为
F斥=F吸=107B02A0/(8π)（5）
根据安培环路定律可得出
Hl=NI
式中，N是线圈的匝数；l是磁路的平均长度；H是磁路铁心的磁场强度。
即
I=Hl/N（6）
又有
U=IR（7）
式中R为图1中标示的电阻。
磁感应强度
B=μH（8）
由（5）（6）（7）（8）式得
F斥=（107/8π）A0 (μNI/l)2（9）
I=U/R=Kd11Fh/(εrε0SR)（10）
由式（9）（10）式得
F斥=（107/8π）A0 (μN Kd11Fh /εrε0SRl)2
=[（107/8π）(μN Kd11h /εrε0SRl)2 A0] F2
令
[（107/8π）(μN Kd11h /εrε0SRl)2 A0]=a
即
F斥= a F2
图3 F斥与F二次函数关系图
由此可见电磁铁的磁感应力和制动踏板力符合二次函数关系，电磁铁的磁感应力能精确地跟随制动踏板力变化，当制动踏板力增加时，磁感应力非线性地增加，随着制动踏板力的持续增加，磁感应力快速地灵敏地大大增加，从而实现以较小的制动踏板力得到较大的随动的制动力，以较小的量方便快捷灵敏地控制较大的量，故本文设计的新型的增压式伺服制动装置制动性能良好，工作可靠完全符合伺服制动系统的要求。
3结束语
本文分析了传统的增压式（间接操纵式）伺服制动系统的制动原理，针对该制动系统在制动过程中需要发动机提供能量支持的缺点，针对性地进行了改进，设计了一种新型的增压式伺服制动系统，介绍了该系统的整体方案，并对系统制动力进行了计算分析，该装置用新型电磁力代替传统的气压产生的压力，从而实现增压伺服制动，不需要像传统的制动系统那样需要发动机提供能源，因此大大地提高了汽车的经济性，并且该装置具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、运行可靠、易维护等优点。
参考文献：
[1] 陈家瑞汽车构造.北京：机械工业出版社，2009
[2] 刘惟信汽车制动系的结构分析与设计计算.北京：清华大学出版社，2004
[3] 埃克霍恩，克林恩乔克汽车制动系统.北京：机械工业出版社，1998
[4] 秦曾煌，姜三勇电工学.北京：高等教育出版社，2009
[5] 王积伟，章宏甲，黄谊液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2005
[6] 余志生汽车理论.北京：机械工业出版社，2009
[7] 孙仁云，付百学汽车电子技术. 北京：机械工业出版社，2011
作者简介：李浩（1989-），男，汉族，本科，就读于沈阳航空航天大学北方科技学院汽车工程专业。
关键词：增压式伺服制动电磁力 随动
Abstract：This paper introduces a new booster servo braking device. This device make use of electromagnetic force instead of the traditional barometric pressure so as to realize the booster servo braking, in this process engine is not needed to provide energy to the brake system, saving automobile energy greatly .
Keywords：booster type servo brakeelectromagnetic forceservo
中图分类号：F407.471文献标识码：A 文章编号：
0 引言
制动系统是汽车最重要的系统之一，是为使行驶中的汽车减速或停车，使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地（包括在斜坡上）驻留不动的机构。随着道路条件的改善和汽车性能的提高，在道路通行情况好的城市，城市公交车的平均行驶速度一般都能达到原来的2倍或更高，因此为了保证行车安全停车可靠，汽车制动系的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好，制动系工作可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。
本文设计了一种新型的制动系统，用电磁力代替传统的气压压力，提高汽车的制动效能，减轻驾驶员的劳动强度。
1系统原理与思路
1.1传统制动系统设计原理
传统的增压式（间接操纵式）伺服制动系统其特点是制动踏板机构控制制动主缸，主缸输出的液压传递到辅助缸，并对伺服系统进行控制，伺服系统的输出力与主缸液压共同作用于辅助缸，辅助缸输出到轮缸的液压远高于主缸液压，因而减轻了操纵力。
通常辅助缸、真空伺服气室和控制阀组合装配成一个部件，称为真空增压器。真空增压器是真空增压伺服制动系统的核心部件。其原理是不制动时，大气阀关闭，真空阀开启，控制阀上、下腔相通，上下腔及气室左右腔真空度相同。制动时，踩下踏板，制动液自主缸输入辅助缸，经活塞上孔进入各轮缸，轮缸液压与主缸液压相同，与此同时，输入液压还作用于控制阀活塞上。推使磨片上移，真空阀关闭，再开启大气阀，上下腔隔绝，从而使控制阀上腔与气室右腔真空度下降，其气压升高。而下腔与气室左腔真空度不变。在两腔压力差的作用下，推杆左移，球阀关闭。这样主缸与辅助缸左腔隔绝。此时辅助缸上有两作用力，液压与推杆作用力。气压增压伺服制动系统的组成和工作原理与真空增压伺服制动系统基本相同，所不同的是气压增压是利用高压空气产生助力作用，由辅助缸、气压伺服气室和控制阀组装而成的部件称为气压增压器。而新型的制动系统在结构设计上是不同的，正是这种结构上的不同，新型的增壓式伺服制动系统不需要像传统的制动系统那样需要发动机提供能源，因此大大地提高了汽车的经济性，并且该装置具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、运行可靠、易维护等优点。
1.2 新型制动系统总体设计思路
系统总体设计思路如图1所示，当行驶中的汽车需要制动时，驾驶人员以较小的力踏下制动踏板时，这个较小的力经过压电传感器转化为电流，经过经过放大电路的放大，变大的电流由电磁装置转化为较大的电磁力，电磁力经过传动装置与液压辅助装置相连，经液压辅助装置转化为较大的制动力，从而传向制动轮缸，实现制动。
图1 设计思路方框图
通过本装置可以实现以较小的制动踏板力，控制较大的制动力，减轻了驾驶员的操纵负担，提高了操纵稳定性和汽车制动效能，操纵方便快捷安全可靠。
2 系统设计与分析
2.1系统的整体设计方案
系统总体设计图如图2所示，本文介绍的新型增压式伺服制动装置，利用压电传感器巧妙地把电磁装置液压传动装置和制动装置结合起来，通过灵敏的压电传感器，制动缸的较大的制动力迅速跟踪较小的刹车踏板力指令的任意变化，从而实现伺服随动的制动过程。
图2 汽车电磁增压伺服制动系统示意图
1—制动轮缸 2—压电传感器 3—制动主缸 4—安全缸5—辅助缸6—活塞 7—磁感应线圈 F—制动踏板力
图2为汽车电磁增压伺服制动系统示意图。当驾驶员踩下制动踏板时，制动主缸的输出液压传入辅助缸5，作为制动促动压力传入前后制动轮缸，另外制动踏板力也作用于压电传感器2，使传感器上的陶瓷片产生压缩变形而呈现放电现象，将传感器上的微弱电压经过电压放大和功率放大两级电路后输入磁感应线圈7，磁感应线圈的输出力与主缸的液压作用力一同作用于辅助缸，因而辅助缸输送至轮缸的压力大大地高于主缸压力，从而实现以较小的制动踏板力得到较大的制动力。
2.2系统制动力计算分析
伺服系统也称为随动系统，其主要控制目标是迅速跟踪指令的任意变化，而制动过程是影响伺服系统动态响应性能的重要因素。
在制动过程中压电传感器因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，放点电荷的多少与外力成正比例关系，即
Q=d11F（1）
式中d11—压电陶瓷的压电系数； F—制动踏板力。
当压电陶瓷片受力时，在陶瓷片的两表面上聚集等量的正，负电荷，陶瓷片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器。其电容量为
Ca=εS/h=εrε0S/h（2）
式中S—极板面积（压电片面积）；
h—压电片厚度；εr—陶瓷片的相对介电常数；ε0———真空介电常数。
两极板间的开路电压为
U0=Q/Ca
即
U0=Q/Ca = d11Fh/(εrε0S)（3）
放大电路的放大倍数为K，即放大后的电压
U=KU0=Kd11Fh/(εrε0S)（4）
两个电磁铁之间斥力和吸力大小一样，方向相反，即F吸=F斥，吸力的大小与气隙的截面积A0及气隙中磁感应强度B0的平方成正比。计算吸力的基本公式为
F斥=F吸=107B02A0/(8π)（5）
根据安培环路定律可得出
Hl=NI
式中，N是线圈的匝数；l是磁路的平均长度；H是磁路铁心的磁场强度。
即
I=Hl/N（6）
又有
U=IR（7）
式中R为图1中标示的电阻。
磁感应强度
B=μH（8）
由（5）（6）（7）（8）式得
F斥=（107/8π）A0 (μNI/l)2（9）
I=U/R=Kd11Fh/(εrε0SR)（10）
由式（9）（10）式得
F斥=（107/8π）A0 (μN Kd11Fh /εrε0SRl)2
=[（107/8π）(μN Kd11h /εrε0SRl)2 A0] F2
令
[（107/8π）(μN Kd11h /εrε0SRl)2 A0]=a
即
F斥= a F2
图3 F斥与F二次函数关系图
由此可见电磁铁的磁感应力和制动踏板力符合二次函数关系，电磁铁的磁感应力能精确地跟随制动踏板力变化，当制动踏板力增加时，磁感应力非线性地增加，随着制动踏板力的持续增加，磁感应力快速地灵敏地大大增加，从而实现以较小的制动踏板力得到较大的随动的制动力，以较小的量方便快捷灵敏地控制较大的量，故本文设计的新型的增压式伺服制动装置制动性能良好，工作可靠完全符合伺服制动系统的要求。
3结束语
本文分析了传统的增压式（间接操纵式）伺服制动系统的制动原理，针对该制动系统在制动过程中需要发动机提供能量支持的缺点，针对性地进行了改进，设计了一种新型的增压式伺服制动系统，介绍了该系统的整体方案，并对系统制动力进行了计算分析，该装置用新型电磁力代替传统的气压产生的压力，从而实现增压伺服制动，不需要像传统的制动系统那样需要发动机提供能源，因此大大地提高了汽车的经济性，并且该装置具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、运行可靠、易维护等优点。
参考文献：
[1] 陈家瑞汽车构造.北京：机械工业出版社，2009
[2] 刘惟信汽车制动系的结构分析与设计计算.北京：清华大学出版社，2004
[3] 埃克霍恩，克林恩乔克汽车制动系统.北京：机械工业出版社，1998
[4] 秦曾煌，姜三勇电工学.北京：高等教育出版社，2009
[5] 王积伟，章宏甲，黄谊液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2005
[6] 余志生汽车理论.北京：机械工业出版社，2009
[7] 孙仁云，付百学汽车电子技术. 北京：机械工业出版社，2011
作者简介：李浩（1989-），男，汉族，本科，就读于沈阳航空航天大学北方科技学院汽车工程专业。