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摘要：针对有些带有V形碳刷的ABS马达初始性能偏低的现象，设计并研制了一种新形结构的碳刷，采用锯齿形碳刷来配合整流子。简要介绍该新形碳刷设计的基本方案和尺寸，完成碳刷结构设计，通过试验最终采用直径20mm的锯齿形碳刷，马达在工作点的转速提高了约10%，ABS系统流量性能提高了约13%。该形状的碳刷设计在ABS马达中具有稳定的接触点和工作可靠性，具有良好的应用价值。
关键词：马达；碳刷，锯齿形；转速
前言
随着人们生活水平的日益提高以及汽车工业不断发展壮大，在我国汽车普及率逐年提高，汽车工业已经成为国民经济的支柱产业[1]。2010年我国已经取代美国成为世界最大的新车市场[2]，据全球知名咨询公司麦肯锡发布报告预测，到2020年我国的汽车普及率将有望达到15%。但是随着汽车普及率的日益提高，随之而来的交通事故也与日俱增，据相关统计资料显示，1999年我国死于交通事故的人数约为60000人，而2010年的人数约为180000人。因此随着道路上汽车越来越多，汽车安全性已经成为一个迫在眉睫的问题，而汽车ABS系统就是为了提高汽车安全性应运而生的一套主动安全系统。
本文针对有些带有V形碳刷的ABS马达在初始状态下性能偏低的现象，设计了一种新形的锯齿状结构碳刷，其可以有效地解决马达在初始状态下性能偏低的现象，从而提高整个ABS系统的工作性能，使得系统工作更加安全可靠，能使ABS系统更好地保护汽车和人们的安全。
1.防抱死系统
ABS（Anti-lock Braking System）[3]防抱死制动系统是一项在上世纪80年代末才兴起应用的新技术，现在已经成为一般轿车的标准配置。ABS可在汽车制动时根据车轮的运动养成自动调节车轮的制动压力，防止车轮抱死，其实质就是使传统的制动过程变为瞬间的控制过程，即在制动时使车轮与地面达到“抱而不死，死而不抱”的状态，其目的是使车轮与地面的摩擦力达到最大，同时又可以避免后轮侧滑和前轮丧失转向能力，以使汽车取得最佳的制动效能[4]，如图1所示。
ABS系统具有以下优点：①缩短制动距离，ABS能保证汽车在雨后、冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能，防止汽车侧滑甩尾（松散的沙土和积雪很深的路面除外）；②保持汽车制动时的方向稳定性；③保持汽车制动时的转向稳定性；④减少汽车制动时轮胎的磨损。ABS能防止轮胎在制动过程中产生剧烈的拖痕，提高轮胎使用寿命[5]。在欧洲，从2004年起所有新上市的汽车都必须配有ABS系统。在我国目前已有80%新上市的汽车配有ABS系统，这一比例仍在不断提高。配备ABS系统的汽车能有效地降低交通事故，因此ABS系统的工作性能显得尤为重要。ABS系统主要由马达，液压单元和ECU组成，其中马达是其中的驱动部件，起到至关重要的作用。如果马达工作性能不理想，会导致ABS整个系统性能不良，在紧急情况下如果ABS系统无法正常工作，会造成极大的危害。
2.V形碳刷
随机选取5件带V形碳刷的马达测试马达性能，5件马达在工作点的平均转速为2239rpm，并且装成ABS系统测试系统流量，平均流量为1.12cm3/s，标准为>1.0cm3/s，可以看出，装有这5件马达的ABS系统流量测试刚刚达到要求。相同的马达ABS系统做完耐久试验后，系统平均流量为1.3 cm3/s，提高了13.8%。做完耐久试验后拆开马达分析，经过耐久试验后，V形碳刷头部变成圆弧状，与整流子接触较好，因此马达和ABS系统性能提高了。
V形碳刷的端部初始状态如图2所示。
3.锯齿状碳刷
相比于V形碳刷，锯齿状碳刷加工需要多一道工序，需要在V形碳刷的基础上，加一个相对应设计尺寸的锯齿形砂轮磨头，在碳刷头部磨出锯齿形状。相比于V形碳刷，锯齿状碳刷和整流子表面接触稳定，马达工作性能较稳定，但制造相对复杂。
一般按照电机设计手册，碳刷头部的直径有两种选择，①比整流子直径大1mm；②比整流子直径大1.5倍。因此选择直径20mm和28mm两种尺寸的锯齿形碳刷进行研究，两种碳刷的端部结构图如图3和4所示。
从图5可以看出，直径20mm的锯齿状碳刷马达性能优于直径28mm的锯齿状碳刷，在工作点直径20mm的锯齿状碳刷转速比直径28mm的锯齿状碳刷转速高大约10%。基于测试数据，选取直径20mm的锯齿状碳刷做进一步测试研究。
取相同的5pcs马达，先用V形碳刷，测试马达性能，再用直径20mm的锯齿状碳刷替换V形碳刷，其余零部件保持不变，测试马达性能，并进行比较。马达性能测试曲线如图6所示。
从图6可以看出，直径20mm的锯齿状碳刷马达性能明显优于V形碳刷，在工作点直径20mm的锯齿状碳刷转速比V形碳刷转速高大约10%。5件带有锯齿状碳刷的马达装成ABS 系统，检测ABS系统流量，测试结果显示，装有直径20mm的锯齿状碳刷在其余马达零部件和系统零部件不变的基础上，ABS系统流量为1.28 cm3/s， 相比于V形碳刷的ABS系统流量，提高了约13%，并且ABS系统流量稳定，初始系统流量和做完耐久试验的系统流量变化不大，不会出现带有V形碳刷马达的初始状态和做完耐久试验后明显性能变化的现象。
4.小结
4.1本文针对有些带有V形碳刷的马达初始性能偏低的现象，设计了一种新形的直径为20mm的锯齿状碳刷，马达带有直径20mm的锯齿状碳刷在初始状态下碳刷与整流子接触稳定，马达工作性能良好，相比于V形碳刷，马达在工作点的转速提高了约10% 。
4.2带有直径20mm的锯齿形碳刷马达在工作点转速提高了，ABS整个系统的流量提高了约13% ，在初始状态下ABS系统工作稳定，对汽车和乘客的人生安全能起到更好地保护作用。
4.3今后在此基础上，通过试验，理论分析和仿真优化，以便得出更优化的锯齿状碳刷结构设计，进一步提高马达和ABS系统的工作性能，使得ABS系统能更好地起到安全保护作用。
参考文献：
[1]国务院发展研究中心产业经济研究部等.中国汽车产业发展报告（2010年）[M].北京：社会科学文献出版社，2010
[2]闫峰，王今.中国汽车产业发展趋势预测[J].汽车工业研究，2011， （2）： 1.
[3]李强.汽车ABS系统的重要性及工作原理[J].拖拉机与农用运输车，2007， 34（1）： 10-11.
[4]肖永清，杨思敏.汽车制动系统的使用与维修[M].北京：中国电力出版社，2003： 110-111.
[5]郑利苗.轿车ABS和TC[M]. 广州：广东科技出版社，1997： 27-29.
[6]辜成林，陈乔夫，熊永前.电机学[M]. 湖北：华中科技大学出版社，2001：35-76.
作者简介：羊晓晟（1986-），男，硕士研究生，专业方向为机械设计及理论。
关键词：马达；碳刷，锯齿形；转速
前言
随着人们生活水平的日益提高以及汽车工业不断发展壮大，在我国汽车普及率逐年提高，汽车工业已经成为国民经济的支柱产业[1]。2010年我国已经取代美国成为世界最大的新车市场[2]，据全球知名咨询公司麦肯锡发布报告预测，到2020年我国的汽车普及率将有望达到15%。但是随着汽车普及率的日益提高，随之而来的交通事故也与日俱增，据相关统计资料显示，1999年我国死于交通事故的人数约为60000人，而2010年的人数约为180000人。因此随着道路上汽车越来越多，汽车安全性已经成为一个迫在眉睫的问题，而汽车ABS系统就是为了提高汽车安全性应运而生的一套主动安全系统。
本文针对有些带有V形碳刷的ABS马达在初始状态下性能偏低的现象，设计了一种新形的锯齿状结构碳刷，其可以有效地解决马达在初始状态下性能偏低的现象，从而提高整个ABS系统的工作性能，使得系统工作更加安全可靠，能使ABS系统更好地保护汽车和人们的安全。
1.防抱死系统
ABS（Anti-lock Braking System）[3]防抱死制动系统是一项在上世纪80年代末才兴起应用的新技术，现在已经成为一般轿车的标准配置。ABS可在汽车制动时根据车轮的运动养成自动调节车轮的制动压力，防止车轮抱死，其实质就是使传统的制动过程变为瞬间的控制过程，即在制动时使车轮与地面达到“抱而不死，死而不抱”的状态，其目的是使车轮与地面的摩擦力达到最大，同时又可以避免后轮侧滑和前轮丧失转向能力，以使汽车取得最佳的制动效能[4]，如图1所示。
ABS系统具有以下优点：①缩短制动距离，ABS能保证汽车在雨后、冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能，防止汽车侧滑甩尾（松散的沙土和积雪很深的路面除外）；②保持汽车制动时的方向稳定性；③保持汽车制动时的转向稳定性；④减少汽车制动时轮胎的磨损。ABS能防止轮胎在制动过程中产生剧烈的拖痕，提高轮胎使用寿命[5]。在欧洲，从2004年起所有新上市的汽车都必须配有ABS系统。在我国目前已有80%新上市的汽车配有ABS系统，这一比例仍在不断提高。配备ABS系统的汽车能有效地降低交通事故，因此ABS系统的工作性能显得尤为重要。ABS系统主要由马达，液压单元和ECU组成，其中马达是其中的驱动部件，起到至关重要的作用。如果马达工作性能不理想，会导致ABS整个系统性能不良，在紧急情况下如果ABS系统无法正常工作，会造成极大的危害。
2.V形碳刷
随机选取5件带V形碳刷的马达测试马达性能，5件马达在工作点的平均转速为2239rpm，并且装成ABS系统测试系统流量，平均流量为1.12cm3/s，标准为>1.0cm3/s，可以看出，装有这5件马达的ABS系统流量测试刚刚达到要求。相同的马达ABS系统做完耐久试验后，系统平均流量为1.3 cm3/s，提高了13.8%。做完耐久试验后拆开马达分析，经过耐久试验后，V形碳刷头部变成圆弧状，与整流子接触较好，因此马达和ABS系统性能提高了。
V形碳刷的端部初始状态如图2所示。
3.锯齿状碳刷
相比于V形碳刷，锯齿状碳刷加工需要多一道工序，需要在V形碳刷的基础上，加一个相对应设计尺寸的锯齿形砂轮磨头，在碳刷头部磨出锯齿形状。相比于V形碳刷，锯齿状碳刷和整流子表面接触稳定，马达工作性能较稳定，但制造相对复杂。
一般按照电机设计手册，碳刷头部的直径有两种选择，①比整流子直径大1mm；②比整流子直径大1.5倍。因此选择直径20mm和28mm两种尺寸的锯齿形碳刷进行研究，两种碳刷的端部结构图如图3和4所示。
从图5可以看出，直径20mm的锯齿状碳刷马达性能优于直径28mm的锯齿状碳刷，在工作点直径20mm的锯齿状碳刷转速比直径28mm的锯齿状碳刷转速高大约10%。基于测试数据，选取直径20mm的锯齿状碳刷做进一步测试研究。
取相同的5pcs马达，先用V形碳刷，测试马达性能，再用直径20mm的锯齿状碳刷替换V形碳刷，其余零部件保持不变，测试马达性能，并进行比较。马达性能测试曲线如图6所示。
从图6可以看出，直径20mm的锯齿状碳刷马达性能明显优于V形碳刷，在工作点直径20mm的锯齿状碳刷转速比V形碳刷转速高大约10%。5件带有锯齿状碳刷的马达装成ABS 系统，检测ABS系统流量，测试结果显示，装有直径20mm的锯齿状碳刷在其余马达零部件和系统零部件不变的基础上，ABS系统流量为1.28 cm3/s， 相比于V形碳刷的ABS系统流量，提高了约13%，并且ABS系统流量稳定，初始系统流量和做完耐久试验的系统流量变化不大，不会出现带有V形碳刷马达的初始状态和做完耐久试验后明显性能变化的现象。
4.小结
4.1本文针对有些带有V形碳刷的马达初始性能偏低的现象，设计了一种新形的直径为20mm的锯齿状碳刷，马达带有直径20mm的锯齿状碳刷在初始状态下碳刷与整流子接触稳定，马达工作性能良好，相比于V形碳刷，马达在工作点的转速提高了约10% 。
4.2带有直径20mm的锯齿形碳刷马达在工作点转速提高了，ABS整个系统的流量提高了约13% ，在初始状态下ABS系统工作稳定，对汽车和乘客的人生安全能起到更好地保护作用。
4.3今后在此基础上，通过试验，理论分析和仿真优化，以便得出更优化的锯齿状碳刷结构设计，进一步提高马达和ABS系统的工作性能，使得ABS系统能更好地起到安全保护作用。
参考文献：
[1]国务院发展研究中心产业经济研究部等.中国汽车产业发展报告（2010年）[M].北京：社会科学文献出版社，2010
[2]闫峰，王今.中国汽车产业发展趋势预测[J].汽车工业研究，2011， （2）： 1.
[3]李强.汽车ABS系统的重要性及工作原理[J].拖拉机与农用运输车，2007， 34（1）： 10-11.
[4]肖永清，杨思敏.汽车制动系统的使用与维修[M].北京：中国电力出版社，2003： 110-111.
[5]郑利苗.轿车ABS和TC[M]. 广州：广东科技出版社，1997： 27-29.
[6]辜成林，陈乔夫，熊永前.电机学[M]. 湖北：华中科技大学出版社，2001：35-76.
作者简介：羊晓晟（1986-），男，硕士研究生，专业方向为机械设计及理论。