《关于自行车电磁制动装置的设计》
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[摘 要]在我初中和高中上学的过程中,基本都是自己骑自行车上学.在这个过程中,随着车辆的折旧,有些零部件不同程度的磨损,尤其是刹车系统,经常会出现抱死等刹车失灵现象,造成一定的安全隐患.结合自己所学物理相关知识,我将自行车制动装置进行一定的改装,设计自行车电磁制动刹车装置,它是针对传统自行车在制动过程中,由于刹车片与轮毂摩擦导致刹车失灵和刹车拉线接头开断的现象,而设计的无相对滑动摩擦便可以安全制动的装置.本次设计的自行车电磁制动刹车装置是由发电机、电池组和电磁制动器共同组合而成.本文通过分析电磁制动刹车装置的功能结构,从其相对制动距离、相对速度及实用性等方面进行了详细的分析研究,通过查阅有关电磁及电动力学等方面的资料,从而设计出符合要求的自行车电磁制动刹车装置,同时进行设计产品的性能测试,进而确保本次自行车电磁制动刹车装置设计的可行性.
[关键词]电磁制动 刹车装置 滑动摩擦
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0084-01
前言
电磁制动装置并不是一个新兴事物,它虽然是现代工业中一种理想的自动化执行元件,并且早已在其他领域广泛应用,例如：起重机绞盘制动、电梯制动等.但是电磁制动装置在自行车应用方面还处于初期试用阶段,其在应用技术方面还不够成熟.而刹车装置是自行车最重要的部件之一,现有的刹车方式有脚踩式作用车胎刹车、有吊煞、V刹式、平推V刹、碟刹式及罗拉抱式刹车等,这样的刹车方式均存有制动缺陷,尤其在紧急刹车时,出于驾驶员的紧张用力紧握制动把手,往往造成刹车片抱死车轮轴,不利于掌握刹车力度,造成安全事故的发生.同时这种直接接触式制动方式造成刹车片与车轮轮轴材料磨损严重,直接造成制动装置使用寿命的大幅度缩减.此次设计的制动装置是一种非接触式的,智能的制动装置 ,它不仅可以减少因摩擦造成的材料耗损,而且能大大减少安全事故的发生.
1.本次设计的基本思路
本此设计的电磁制动装置,采用多种软件工具辅助设计,并做出一个较为合理的电制动器结构设计,使之能满足制动要求.遵循这一设计方案,要研究的内容主要包括三部分：
（1）制动器机械结构设计研究,包括机构整体构造,关键零件的设计.
（2）电磁铁组件的设计和理论分析.
（3）制动性能的分析与研究,对设计好的制动器研究其制动能力、维修等问题.
2.电磁制动装置的结构及制动原理
（1）结构组成
本次设计的是自行车电磁制动装置,它与普通自行车的制动相比最大的區别在于：该种自行车的制动装置采用的是电磁制动装置,该种制动装置属于自行车部件技术创新领域,目的是提供一种结构合理、外形美观、制动灵敏可靠的自行车电磁制动装置.含有电磁制动装置的自行车除了制动功能与普通自行车不同以外,其它结构均相同,此种自行车电磁制动装置的结构组成在于：它由发电机、电池组、电磁制动器等主要部件组成,发电机安装在自行车前轮轮轴处,电池组安装在车架或车把上,电磁制动器安装在自行车后轮轮轴处（见图2-1）,发电机通过导线与电池组相连接,电池组与电磁制动器相连接,在车把上安装电磁制动开关,电磁制动开关连接在电池组与电磁制动器的连接导线中,各个部件的相互作用,从而使此次设计实现安全可靠制动的目的[1][2].
图2-1制动器安装位置图
（2）制动原理
本次设计的制动装置采用发电机、电池组和电磁制动器共同组合而成.自行车在正常运行过程中,制动线圈处于断路状态, 自行车以正常速度前进,当自行车在紧急制动时,驾驶员启动制动开关,制动线圈即刻闭合,此时发电机与前轮花鼓连接,前轮转动发电,向电池组提供电力,电池组向电磁制动器供电,电磁制动器与后轮花鼓连接,电磁制动器得电后在制动线圈的作用下开始在轴向磁场中产生安培阻力, 进而向自行车提供减速度,使自行车能够以最佳状态停下.
3.电磁制动系统的力学性能分析
（1）制动力的计算
车轮滚动周长： （3—1）
在制动距离内车轮转过的圈数： （3—2）
则转过总的角度为： （3—3）
车子的总动能为： （3—4）
制动力分配系数： （3—5）
式中： —前轴车轮的制动器制动力；
—后轴车轮的制动器制动力；
—自行车总制动器制动力.
通常,自行车的β值取0.75—0.9,本设计取为0.8.
前轮要分担的动能为： （3—6）
后轮要分担的动能为： （3—7）
（2）装置安倍力的分析
磁场中带电线圈在将受到安培力作用,设带电线圈中的电流值为 I ,L是导线垂直于磁感线的长度,磁场强度大小为 B,则单匝带电线圈在磁场中所受的安培力F大小为：
（3—8）
若带电线圈共有 N 匝,则其所受的总安培力大小计算式为：
（3—9）
4.制动装置的总体设计
（1）制动盘直径的确定
制动盘直径越大则所需制动力越小,有利于减小电磁铁的尺寸,故尽量取较大的盘径.但根据此次设计所处用途,本文取制动盘直径为80mm.
（2）制动盘厚度的确定
在本设计中,制动盘又称衔铁,通过电磁体的通断电过程使衔铁吸合.在衔铁对着摩擦片的一侧,涂有特殊的摩擦材料,使之在通电之后与摩擦片进行接触,最后达到制动效果.
制动盘厚度直接影响着制动盘质量和工作时的温升,为使质量不致太大,制动盘厚度应取的适当小些,为了降低工作时的温升,制动盘厚度不宜过小.通常实心制动盘可取为10—20mm,在这里取14mm
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