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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区别在于：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]。
圖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 （3）摩擦片与制动盘之间的间隙
考虑弹簧片的伸缩距离、系统间隙，以及以后摩擦片的变形磨损，为使其留有一定的余地，不妨取摩擦片与制动盘之间的间隙为0.9—1.5mm。本设计中取它们的间隙为1mm。
（4）电磁制动装置总装配图
通过对制动装置的分析，其总体设计已初步确定。从左往右的顺序看，由左端盖（含电磁体）、摩擦片、制动盘、弹簧片、右端盖（法兰）组成，摩擦片上的三个孔是专为制动盘（也即衔铁）设计的，使制动盘右侧的铆钉通过弹簧片固定。另外三个孔是给右侧的法兰准备的，使法兰左侧上的铆钉穿过弹簧片紧固。达到在电磁体吸合过程中，由弹簧的拉伸力配合达成完整的制动效果[3]。
总装配图由图4.1、图4.2所示。
4.1电磁制动器总装配 4.2总装配图的分解
（5）电磁制动装置的检查与调整
在同样的转速下，电磁制动器的制动力的大小取决于制动盘对摩擦片压力的大小，即取决于摩擦片和制动盘之间的气隙大小。经长期使用后，摩擦片和制动盘均会受到磨损，弹簧也将被拉长，引起气隙减小，会造成制动后失灵，不能及时分离。因此必须检查制动器的工作气隙，并及时加以调整。
根据气隙增大值的程度，如果是摩擦片磨损，则需要更换摩擦片。间隙不能太大，否则将使制动力矩不够而使锚链或绞缆钢丝松脱。间隙也不能太小，太小容易造成刹车脱不开，使电机堵转或造成制动器温度急剧上升，一般调整后的气隙在1mm左右为宜。
5、可行性分析
电磁制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注，针对目前对电制动系统研究的加强趋势。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得到越来越广泛的应用，电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装置。制动时，通过电磁铁的作用，使它紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧又把摩擦盘收回，车轮又可以自由转动。
从实际应用上来讲，传统的自行车刹车装置存在较多的不足之处，如长时间的使用刹车，造成刹车块焦糊因其刹车失灵；雨天泥地中因车圈沾有泥沙和水造成刹车失灵，结构复杂较难维护，怕油污，同时刹车片的形状易变形等。而本次设计的自行车电磁制动装置，能够使自行车在很短时间内停止运转，并达到安全制动的效果。本次设计的装置结构合理、外形美观、制动灵敏可靠，有广阔的发展空间。综上所述，以电磁作为自行车的制动装置在制动技术上是可行的。
结论
本次设计是对自行车制动系装置的设计，以制动灵敏可靠，延长制动装置使用寿命为目的。本次首先进行收集资料，然后分析问题与数值计算相结合，从而得出设计的构思与可行性假设。
本次設计的自行车电磁制动装置与以往的自行车刹车装置方式相比，无论是下雨天还是崎岖地面等外界环境不好的情况都能做到制动灵敏，安全可靠，避免交通事故的发生。但是在微型化和完全自动化等方向的发展依然存在许多不足，这就对结构性、综合性能提出了更高的要求。因此，未来自行车制动装置发展改进上应与程序设计相结合，并向智能化方向发展，以此来弥补其在性能方面的不足之处。
参考文献
[1] 胡友秋.电磁学与电动力学学[M].科学出版社，2008.
[2] 张冠生，陆俭国.电磁铁与自动电磁元件[M].北京：机械工业出版社，1982.
[3] 邱龙辉，史俊友，叶琳.pro/e三维机械设计[M].北京：化学工业出版社，2007.
[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区别在于：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]。
圖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 （3）摩擦片与制动盘之间的间隙
考虑弹簧片的伸缩距离、系统间隙，以及以后摩擦片的变形磨损，为使其留有一定的余地，不妨取摩擦片与制动盘之间的间隙为0.9—1.5mm。本设计中取它们的间隙为1mm。
（4）电磁制动装置总装配图
通过对制动装置的分析，其总体设计已初步确定。从左往右的顺序看，由左端盖（含电磁体）、摩擦片、制动盘、弹簧片、右端盖（法兰）组成，摩擦片上的三个孔是专为制动盘（也即衔铁）设计的，使制动盘右侧的铆钉通过弹簧片固定。另外三个孔是给右侧的法兰准备的，使法兰左侧上的铆钉穿过弹簧片紧固。达到在电磁体吸合过程中，由弹簧的拉伸力配合达成完整的制动效果[3]。
总装配图由图4.1、图4.2所示。
4.1电磁制动器总装配 4.2总装配图的分解
（5）电磁制动装置的检查与调整
在同样的转速下，电磁制动器的制动力的大小取决于制动盘对摩擦片压力的大小，即取决于摩擦片和制动盘之间的气隙大小。经长期使用后，摩擦片和制动盘均会受到磨损，弹簧也将被拉长，引起气隙减小，会造成制动后失灵，不能及时分离。因此必须检查制动器的工作气隙，并及时加以调整。
根据气隙增大值的程度，如果是摩擦片磨损，则需要更换摩擦片。间隙不能太大，否则将使制动力矩不够而使锚链或绞缆钢丝松脱。间隙也不能太小，太小容易造成刹车脱不开，使电机堵转或造成制动器温度急剧上升，一般调整后的气隙在1mm左右为宜。
5、可行性分析
电磁制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注，针对目前对电制动系统研究的加强趋势。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得到越来越广泛的应用，电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装置。制动时，通过电磁铁的作用，使它紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧又把摩擦盘收回，车轮又可以自由转动。
从实际应用上来讲，传统的自行车刹车装置存在较多的不足之处，如长时间的使用刹车，造成刹车块焦糊因其刹车失灵；雨天泥地中因车圈沾有泥沙和水造成刹车失灵，结构复杂较难维护，怕油污，同时刹车片的形状易变形等。而本次设计的自行车电磁制动装置，能够使自行车在很短时间内停止运转，并达到安全制动的效果。本次设计的装置结构合理、外形美观、制动灵敏可靠，有广阔的发展空间。综上所述，以电磁作为自行车的制动装置在制动技术上是可行的。
结论
本次设计是对自行车制动系装置的设计，以制动灵敏可靠，延长制动装置使用寿命为目的。本次首先进行收集资料，然后分析问题与数值计算相结合，从而得出设计的构思与可行性假设。
本次設计的自行车电磁制动装置与以往的自行车刹车装置方式相比，无论是下雨天还是崎岖地面等外界环境不好的情况都能做到制动灵敏，安全可靠，避免交通事故的发生。但是在微型化和完全自动化等方向的发展依然存在许多不足，这就对结构性、综合性能提出了更高的要求。因此，未来自行车制动装置发展改进上应与程序设计相结合，并向智能化方向发展，以此来弥补其在性能方面的不足之处。
参考文献
[1] 胡友秋.电磁学与电动力学学[M].科学出版社，2008.
[2] 张冠生，陆俭国.电磁铁与自动电磁元件[M].北京：机械工业出版社，1982.
[3] 邱龙辉，史俊友，叶琳.pro/e三维机械设计[M].北京：化学工业出版社，2007.