吳祥超，趙運(yùn)德，魯雄文

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

設(shè)計(jì)研究

FSC賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳祥超，趙運(yùn)德，魯雄文

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

本文提出了一套適用于FSC賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。選用簡單液壓盤式制動(dòng)系統(tǒng)，并且加裝平衡桿以調(diào)節(jié)制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)。計(jì)算和分析表明，該制動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足比賽時(shí)動(dòng)態(tài)測試的要求。

FSC賽車；液壓；盤式制動(dòng)；平衡桿

CLC NO.:U463.5Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-01-04

1、引言

1.1 賽事介紹

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（Formula Student China，簡稱：FSC）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制動(dòng)比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在接近一年的時(shí)間內(nèi)自行計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單座賽車、并能夠完成全部或部分競賽環(huán)節(jié)的比賽[1]。

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)的比賽規(guī)則

（1）制動(dòng)系統(tǒng)必須作用于所有四個(gè)車輪上，并且通過單一的控制機(jī)構(gòu)控制。

（2）制動(dòng)系統(tǒng)必須有兩套獨(dú)立的液壓制動(dòng)回路，當(dāng)某一條回路系統(tǒng)泄漏或失效時(shí)，另一條回路還可以至少保證有兩個(gè)車輪可以維持有效的制動(dòng)力。每個(gè)液壓制動(dòng)回路必須有其專用的儲(chǔ)液罐（可以使用獨(dú)立的儲(chǔ)液罐，也可以使用廠家生產(chǎn)的內(nèi)部被分隔開的儲(chǔ)液罐）。

（3）制動(dòng)系統(tǒng)必須在動(dòng)態(tài)測試中，能夠抱死所有四個(gè)車輪[2]。

2、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的確定

為使賽車在動(dòng)態(tài)測試中能夠抱死四個(gè)車輪，需要制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)可以調(diào)整，因此在選用分別控制前后車輪的兩套簡單液壓盤式制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[2]，添加平衡桿[3]以調(diào)整前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)。制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[4]如

圖1所示。

平衡桿結(jié)構(gòu)及工作原理。平衡桿安裝示意圖如圖2所示，圖3為平衡桿受力分析圖，AOB為平衡桿絲杠，F(xiàn)為制動(dòng)踏板輸出力，F(xiàn)1為前制動(dòng)主缸推力的反作用力，F(xiàn)2為后制動(dòng)主缸推力的反作用力，O為關(guān)節(jié)軸承在絲杠上的作用點(diǎn)，A為前制動(dòng)主缸推力作用點(diǎn)，B為后制動(dòng)主缸推力作用點(diǎn)，L為兩制動(dòng)主缸推力作用點(diǎn)的距離，X為關(guān)節(jié)軸承力作用點(diǎn)到后制動(dòng)主缸推力作用點(diǎn)的距離。

因此，通過調(diào)整關(guān)節(jié)軸承力作用點(diǎn)到兩制動(dòng)主缸推力作用點(diǎn)的距離，可以調(diào)整前后制動(dòng)主缸的推力比io，產(chǎn)生不同比例的制動(dòng)器制動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)β的調(diào)整。

3、制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 賽車相關(guān)參數(shù)

表1 賽車參數(shù)表

3.2 制動(dòng)力矩的確定

賽車制動(dòng)時(shí)的受力分析如圖4所示，圖中忽略了汽車的滾動(dòng)阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩，并且忽略了制動(dòng)時(shí)車輪邊滾邊滑的過程。

對(duì)前后輪接地點(diǎn)分別取力矩得：

式（5）可整理為：

前后地面制動(dòng)力為：

在同步附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，為了滿足四輪同時(shí)抱死的要求，需要使前后制動(dòng)器制動(dòng)力矩分別等于前后地面制動(dòng)力矩，R0為車輪滾動(dòng)半徑，即：

3.3 制動(dòng)器參數(shù)的確定

制動(dòng)器參數(shù)主要包括制動(dòng)盤的直徑、有效半徑和制動(dòng)鉗的缸徑[6]。受輪輞內(nèi)徑的限制，前后制動(dòng)盤直徑均取240mm，前制動(dòng)盤有效半徑Re1=103mm；后制動(dòng)盤有效半徑Re2= 108mm；f為襯塊與制動(dòng)盤間的摩擦系數(shù)，取f=0.4，則有單側(cè)襯塊壓緊力為：

使前后制動(dòng)回路的液壓力相等，并取液壓力P=2MPa，可得出前后制動(dòng)鉗的缸徑：

3.4 制動(dòng)主缸直徑的確定

根據(jù)液壓力P=2MPa，將Fp1和Fp2帶入式（15）可得前后制動(dòng)主缸直徑[7]。

根據(jù)以初步參數(shù)，最終確定配件的參數(shù)如表2所示。

表2 配件參數(shù)

4、制動(dòng)系統(tǒng)的校核

本賽車選用熱熔型輪胎[7]，最大路面附著系數(shù)可接近1.40，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在附著系數(shù)為1.50的路面[8]上對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行校核。經(jīng)校核，制動(dòng)回路的最大液壓力為3.43 MPa，滿足不超過10～12MPa的要求；最大制動(dòng)踏板力為362.68N，滿足不超過500N的要求[4]；前后制動(dòng)主缸的最大推力比io=1.23，在平衡桿0.50～2.00的調(diào)整范圍內(nèi)；前制動(dòng)主缸推桿行程為8.14mm，后制動(dòng)主缸推桿行程為6.29mm。因該制動(dòng)系統(tǒng)加裝有平衡桿，故對(duì)制動(dòng)踏板行程的校核進(jìn)行詳細(xì)說明。

平衡桿工作行程圖如圖5所示：AOB為平衡桿的初始工作位置，為平衡桿終止工作位置；線段為前主缸推桿的行程，線段為后主缸推桿的行程，線段為關(guān)節(jié)軸承的行程。

解得：O’E=1.02mm

所以關(guān)節(jié)軸承的行程為：

由平衡桿的工作原理知，O越靠近A，推力比io越大，β越大，即四輪達(dá)到同時(shí)抱死的路面附著系數(shù)越大。因此附著系數(shù)為1.50的路面上，制動(dòng)踏板的行程最大。最大制動(dòng)踏板行程為：

滿足最大踏板行程不大于100～150 mm的要求[4]。

5、制動(dòng)系統(tǒng)的分析

繪制該制動(dòng)系統(tǒng)的I曲線和β曲線，如圖6所示。由圖6知，同步附著系數(shù)分別為0.45、0.90和1.50時(shí)的β曲線與I曲線都有交點(diǎn)，即通過調(diào)整平衡桿的推力比io，在0.45～1.50的路面附著系數(shù)[9]范圍內(nèi)，賽車制動(dòng)時(shí)都能達(dá)到四輪同時(shí)抱死的要求，保證了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，并充分利用了路面附著條件。

6、結(jié)論

由本文所提出的FSC賽車制動(dòng)系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)方法得到的制動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)校核與分析表明，賽車在附著系數(shù)為0.45～1.50的路面上緊急制動(dòng)時(shí)，四輪可以同時(shí)抱死，能夠滿足比賽時(shí)動(dòng)態(tài)測試的要求。

[1] 中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則組委會(huì). 2013中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽事手冊[Z].北京：汽車工程學(xué)會(huì)，2013.

[2] 中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則組委會(huì). 2013中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則(正式版)[Z].北京：汽車工程學(xué)會(huì)，2013.

[3] 布羅伊爾.比爾，劉希恭（譯）.制動(dòng)技術(shù)手冊[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 喬軍奎，陶文錦，孫 博.FSAE方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2012，(2).

[5] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7] VahidMortazavi，ChuanfengWang.Stability of Frictional Sliding with the Coefficent of FrictioDependedon the Temperature[J].ASME，2012，(134).

[8] Jingliang，LiJingangYi.A Hybrid Physical-Dynamic Tire/Road Friction Model[J].ASME，2013，(135).

[9] OsamuNishihara，Kurishige Masahiko.Estimation of Road Friction Coefficient Based on the Brush Model[J].ASME，2011，(133).

FSC racing brake system design

Wu Xiangchao, Zhao Yunde, Lu Xiongwen
（Automotive Institute, Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064）

A design method of brake system that is applicable to theFormula Student China racing car is proposed in this paper. A simple hydraulic disc brake system is chosen, and adding balance bar is to regulate the distribution coefficient of braking force. Calculation and analysis show that the braking system can meet the requirements of dynamic testing during the game.

Formula Student China；Hydraulic；Disc brake；Balance bar

U463.5

A

1671-7988(2014)12-01-04

吳祥超，碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院車輛工程專業(yè)。