山東德州學(xué)院汽車工程學(xué)院　　馮衍輝

汽車盤式制動器的優(yōu)化設(shè)計

山東德州學(xué)院汽車工程學(xué)院馮衍輝

當今社會汽車已成為人們最主要的交通工具，為了保證駕車安全，現(xiàn)在汽車都普遍采用盤式制動器，而盤式制動器的工作性能是整個制動系中最復(fù)雜、最不穩(wěn)定的因素。為提高制動系統(tǒng)的性能，采用優(yōu)化設(shè)計建模、遺傳學(xué)算法以制動減速度、制動力矩為優(yōu)化目標進行優(yōu)化設(shè)計。

盤式制動器；制動力矩；優(yōu)化設(shè)計

前言

盤式制動器以其諸多優(yōu)越性廣泛應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)中，例如：涉水后仍能保持穩(wěn)定的制動力矩和制動穩(wěn)定性、在制動過程中產(chǎn)生的制動力大并且穩(wěn)定、在各種路況下都能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩，適用范圍廣泛、盤式制動器能夠和空氣直接接觸，故盤式制動器的散熱性很好。盤式制動器也有其缺點，例如：摩擦片和盤片之間的塵土對摩擦盤的磨損嚴重、制動效能低、所需制動管壓力較高、制動結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了提高盤式制動器的制動性能和制動效率，我們在滿足必須的性能指標和約束條件下對制動器進行優(yōu)化設(shè)計［1］。本文采用最優(yōu)優(yōu)化設(shè)計為理論原則，對汽車盤式制動器的設(shè)計方案進行全方位的優(yōu)化設(shè)計研究和實踐，從而設(shè)計出高性能的盤式制動器。

1　盤式制動器基本特性分析

1.1盤式制動器制動力矩的分析與計算

假設(shè)摩擦片的整個摩擦表面和制動盤完全接觸，并且在接觸處所受單位壓力分布均勻，則制動器在制動過程中產(chǎn)生的制動力矩為：Mρ=2ρPR

其中ρ——摩擦系數(shù)，一般ρ=0.35，在理想條件下ρ可取0.3，使計算結(jié)果符合實際情況。

R——受力半徑

對于一些常見的摩擦片的表面，如果其具有相對較小的徑向?qū)挾?，那么取R等于有效半徑Re，在實際應(yīng)用過程中是很準確的［2］。

平均半徑：Rm=R1+R2/2

其中R1和R分別為摩擦襯片的內(nèi)半徑和外半徑。

有效半徑：Re=Mρ/2ρP

1.2制動器摩擦片所受的壓力

假設(shè)摩擦片上任意一點到制動盤軸線的距離為r，在這段距

離范圍內(nèi)的摩擦片任一點所受壓力P為［3］：

由上式可知，在R1和R2處，P分別達到最大值和最小值。摩擦片的最大的單位壓力為：

2　盤式制動器優(yōu)化設(shè)計模型建立

2.1目標函數(shù)的建立

2.2約束條件

（1）在制動過程中制動減速度應(yīng)大于等于國家標定的最小許用減速度a≥［amin］。制動時熱衰退率φ一般為［0.25%］。

（2）摩擦片和制動盤間的空間約束應(yīng)小于等于最大空間間隙即：0≤Dzp0/2-Dmp0≤Δ。

（3）制動盤溫升ΔT≤［ΔT］，根據(jù)實際使用經(jīng)驗一般?。郐］=250℃。

（4）制動液壓力p應(yīng)小于等于制動系統(tǒng)壓力極限值p≤［p］，［p］應(yīng)在實際使用工況中取值。

3　優(yōu)化算法

采用遺傳學(xué)算法來研究追尋最優(yōu)的解決方案。遺傳學(xué)算法是模擬自然選擇的遺傳學(xué)機理計算生物進化過程，我們可以通

3.1算法設(shè)計流程圖

如圖1所示。

圖1　算法設(shè)計流程圖

3.2離散變量的處理

假設(shè)離散變量的值為 1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，5，6，8，10，······。由此我們可以看到，如果采用統(tǒng)一的編碼來表示，我們不能很準確地進行描述。因此，我們只能采用對應(yīng)關(guān)系原則進行表示。

在設(shè)計的優(yōu)化問題中只有取值在1～10之間，那么可取的值共有10個，所以二進制數(shù)的位數(shù)為l=4，并且其中有5個多余碼。在處理這些多余碼的過程中，如果我們采用調(diào)整編碼精確度的方法進行處理是解決不了問題的，只能采用在多余的二進制編碼中重復(fù)填寫可取值的方法來解決這個問題。在經(jīng)過處理后，得到的編碼在解碼的過程中二進制代碼就和變量值具有了對應(yīng)關(guān)系，這這種方法在無形中提高了變量值被選中的概率［5］。

3.3建立適度函數(shù)模型

遺傳學(xué)算法適用于求函數(shù)極大值（極小值）的無約束最優(yōu)化

問題，因此，需將原來的約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題，設(shè)r1為懲

建立這樣一個函數(shù)模型，我門可以將極小值問題轉(zhuǎn)化為極大值問題，設(shè)Dmax是進化過程P（x）的極大值，則建立的適度函數(shù)為：f（x）=Dmax-P（x）。

3.4確定最終的求解結(jié)果

在MATLAB的操作環(huán)境下，采用遺傳學(xué)算法編輯程序進行研究問題的優(yōu)化求解，其結(jié)果如下：

X*=［0.080，0.060，0.040，0.062，0.020，3.243×107］

f（X*）=0.00873。

結(jié)果表明，優(yōu)化后的目標函數(shù)值比原來設(shè)計的下降了80%，制動力矩顯著增加，制動時間也縮短了，同時在制動過程中由于制動盤半徑增大導(dǎo)致制動溫度升高，但是溫度升高值都在允許的范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

盤式制動器在汽車制動系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多，因此對盤式制動器的優(yōu)化研究也是從未間斷過的。由于其具有廣泛性和結(jié)構(gòu)形式的多樣性，所以很多研究人員選擇的研究方向和研究方法都不盡相同。針對盤式制動系一些制動力矩不足、制動溫升不足等性能現(xiàn)狀，我們以縮短制動時間和降低制動溫升為目標進行了研究分析，在研究過程中我們采用遺傳學(xué)算法選擇合適的函數(shù)假設(shè)，最后得到了比實際值更好的優(yōu)化值。

［1］姜平，黃文娟.基于MATLAB的盤式制動器優(yōu)化設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2007，34（6）：160～161.

［2］陳立周.機械優(yōu)化設(shè)計方法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］田福祥.盤式制動器的摩擦片壓力和制動力矩［J］.工程機械，1998，32（10）：15～17.

［4］沈榮華，鄒定平，黎桂英.汽車盤式制動器優(yōu)化設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，1999，12（1）：9～21.

［5］劉惟信.汽車制動系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計計算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

馮衍輝，1993年1月出生，山東濟寧人，本科在讀。過這種模擬自然選擇的進化過程尋求最優(yōu)的方法［4］。