張偉，于宵，劉紅梅，楊杰

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于三維建模的貨車鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

張偉，于宵，劉紅梅，楊杰

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

制動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)車輛底盤(pán)系統(tǒng)中一個(gè)很重要的系統(tǒng)，它既要使行駛中的汽車減速，又要保證車輛能夠在各種道路條件下穩(wěn)定駐車，同時(shí)使下坡行駛的汽車車速保持穩(wěn)定。因此，汽車的制動(dòng)系對(duì)汽車的安全行駛起著十分重要的作用，本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)已有的HFC3030車輛的數(shù)據(jù)對(duì)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)制動(dòng)器的組成、制動(dòng)器的方案確定、鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)、制動(dòng)器相關(guān)部件的校核等方面進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)分析，從而給出建立三維模型的有關(guān)數(shù)據(jù)。

鼓式制動(dòng)器；制動(dòng)蹄；制動(dòng)鼓

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.035

CLC NO.: U463.51+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-104-03

引言

制動(dòng)系統(tǒng)是車輛底盤(pán)系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，制動(dòng)系統(tǒng)的效能高低直接關(guān)系到車輛的行駛及駐車安全性，因此對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核，是整車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不可缺少的重要部分。制動(dòng)系統(tǒng)主要由供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器四大部分組成。制動(dòng)器目前主要可分為兩類，一種是盤(pán)式制動(dòng)器，另一種則是鼓式制動(dòng)器，對(duì)于貨車而言，主要采用鼓式制動(dòng)器，其突出優(yōu)點(diǎn)為具有可利用制動(dòng)蹄的增勢(shì)效應(yīng)而達(dá)到很高的制動(dòng)效能因數(shù)，并具有多種不同性能的可選結(jié)構(gòu)型式，以及其制動(dòng)性能的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、制動(dòng)效能因數(shù)的選擇范圍很寬、對(duì)各種汽車的制動(dòng)性能要求的適應(yīng)面廣等。

領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)作為鼓式制動(dòng)器的一種，其制動(dòng)效能效能和制動(dòng)效能穩(wěn)定性，在鼓式制動(dòng)器中居中游；前進(jìn)、倒退行駛的制動(dòng)效果不變；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本底；便于附裝駐車制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；調(diào)整蹄片與制動(dòng)鼓之間的間隙工作容易，因而領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器得以在貨車上得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有制動(dòng)鼓內(nèi)徑D，摩擦襯片寬度b和包角β，摩擦襯片起始角β0，制動(dòng)器中心到張開(kāi)力P作用線的距離a，制動(dòng)蹄支承點(diǎn)位置坐標(biāo)k和c和襯片摩擦系數(shù)f，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的理論設(shè)計(jì)，可以給出三維建模的有關(guān)參數(shù)，從而可以進(jìn)行后期的仿真分析研究。

1、鼓式制動(dòng)器的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 HFC3030型貨車的主要參數(shù)

本次鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)中將以HFC3030型貨車作為設(shè)計(jì)對(duì)象，實(shí)際測(cè)得具體HFC3030車輛有關(guān)數(shù)據(jù)如下：汽車軸距L=2600mm；汽車空載及滿載時(shí)的總質(zhì)量ma=3000kg，ma=4000kg；空、滿載時(shí)的質(zhì)心位置，質(zhì)心高度=950mm，hg=810mm；質(zhì)心距前軸距離=1300mm，L1=1768mm；質(zhì)心距后軸距離=1300mm，L2=832mm；車輪滾動(dòng)半徑rr=330mm；輪胎型號(hào)：6.50R16。

1.2 制動(dòng)鼓內(nèi)徑D

輸入力P一定時(shí)，制動(dòng)鼓內(nèi)徑越大，制動(dòng)力矩越大，且散熱能力也越強(qiáng)。但增大D受輪輞內(nèi)徑限制。制動(dòng)鼓與輪輞之間應(yīng)保持足夠的間隙，通常要求該間隙不小于20mm，否則不僅制動(dòng)鼓散熱條件太差，而且輪輞受熱后可能粘住內(nèi)胎或烤壞氣門(mén)嘴。制動(dòng)鼓應(yīng)有足夠的壁厚，用來(lái)保證有較大的剛度和熱容量，以減小制動(dòng)時(shí)的溫升。

由選取的輪胎型號(hào)6.5-16，得

故 D=0.75×406.4=304.8mm

由QC/T309—1999《制動(dòng)鼓工作直徑及制動(dòng)蹄片寬度尺寸系列的規(guī)定》，從表1。

表1

取得制動(dòng)鼓內(nèi)徑=320mm

輪輞直徑Dr=406.4mm,制動(dòng)鼓的直徑D與輪輞直徑Dr之比的范圍：D/Dr=0.70～0.83；經(jīng)過(guò)計(jì)算，初選數(shù)值約為0.74，屬于0.70～0.83范圍內(nèi)。因此符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 鼓式制動(dòng)器的主要幾何參數(shù)

1.3 摩擦襯片寬度b和包角β

摩擦襯片寬度尺寸的選取對(duì)摩擦襯片的使用壽命有影響。襯片寬度尺寸取窄些，則磨損速度快，襯片壽命短；若襯片寬度尺寸取寬些，則質(zhì)量大，不易加工，并且增加了成本。

制動(dòng)鼓半徑R確定后，襯片的摩擦面積為A=Rβb。制動(dòng)器各蹄襯片總的摩擦面積越大，制動(dòng)時(shí)所受單位面積的正壓力和能量負(fù)荷越小，從而磨損特性越好。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，單個(gè)車輪鼓式制動(dòng)器的襯片面積隨汽車總質(zhì)量增大而增大，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)表明，摩擦襯片包角為：90o～100o時(shí)，磨損最小，制動(dòng)鼓溫度最低，且制動(dòng)效能最高。β角減小雖然有利于散熱，但單位壓力過(guò)高將加速磨損。實(shí)際上包角兩端處單位壓力最小，因此過(guò)分延伸襯片的兩端以加大包角，對(duì)減小單位壓力的作用不大，而且將使制動(dòng)不平順，容易使制動(dòng)器發(fā)生自鎖。因此，包角一般不宜大角于120o。襯片寬度b較大可以減少磨損，但過(guò)大將不易保證與制動(dòng)鼓全面接觸。初選襯片包角β=110 o。

通常根據(jù)在緊急制動(dòng)時(shí)使其單位壓力不超過(guò)2.5MPa，以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T309—1999選取摩擦襯片寬度b=65mm。

根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料可知，單個(gè)鼓式車輪制動(dòng)器總的襯片摩擦面積隨汽車總質(zhì)量的增大而增大，并且制動(dòng)器各蹄片摩擦襯片總摩擦面積愈大，則制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的單位面積正壓力愈小，從而磨損亦愈小。

而單個(gè)摩擦襯片的摩擦面積A又決定于制動(dòng)鼓半徑R、襯片寬度b及包角β，即A=Rbβ。

故摩擦襯片的摩擦面積：

單個(gè)制動(dòng)器的摩擦襯片的摩擦面積=2A=399.13 cm2，如表2所示，摩擦襯片寬度b的選取合理。

表2 制動(dòng)器襯片摩擦面積

1.4 摩擦襯片起始角β0

一般將襯片布置在制動(dòng)蹄的中央，即令β0=90o-β /2=350。

1.5 制動(dòng)器中心到張開(kāi)力P作用線的距離a

在保證輪缸能夠布置于制動(dòng)鼓內(nèi)的條件下，應(yīng)使距離a盡可能大，以提高制動(dòng)效能。初取a=0.8R左右，則取a=120mm。

1.6 制動(dòng)蹄支承點(diǎn)位置坐標(biāo)k和c

應(yīng)在保證兩蹄支承端毛面不致互相干涉的條件下，使k盡可能小而c盡可能大(圖1)。初取k=0.2R左右，暫取24mm，c=120mm。

1.7 襯片摩擦系數(shù)f

選擇摩擦片時(shí)不僅希望其摩擦系數(shù)高，更要求其熱穩(wěn)定性要好，受溫度和壓力的影響要小。但不能單純地追求摩擦材料的高摩擦系數(shù)，對(duì)領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器而言，提高對(duì)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和降低制動(dòng)器對(duì)摩擦系數(shù)偏離正常值的敏感性是非常重要的。另外，在選擇摩擦材料時(shí)應(yīng)盡量采用減少污染和對(duì)人體無(wú)害的材料。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)的制動(dòng)摩擦片材料在溫度低于250℃時(shí)，保持摩擦系數(shù)f =0.35～0.40已無(wú)大問(wèn)題。因此，在假設(shè)的理想條件下進(jìn)行制動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)，取f =0.38可使計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際。

2、制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)鼓

制動(dòng)鼓應(yīng)具有高的剛性和大的熱容量，制動(dòng)時(shí)其溫升不應(yīng)超過(guò)極限值。制動(dòng)鼓的材料與摩擦襯片的材料相匹配，應(yīng)能保證具有高的摩擦系數(shù)并使工作表面磨損均勻。

制動(dòng)鼓在工作載荷作用下會(huì)變形，致使蹄鼓間單位壓力不均勻，且會(huì)損失少許踏板行程。鼓筒變形后的不圓柱度過(guò)大容易引起自鎖或踏板振動(dòng)，為防止這些現(xiàn)象需提高制動(dòng)鼓的剛度。為此，沿鼓口的外緣鑄有整圈的加強(qiáng)肋條，也有的加鑄若干軸向肋條以提高其散熱性能。

制動(dòng)鼓壁厚的選取主要是從剛度和強(qiáng)度方面考慮。壁厚取大些也有助于增大熱容量，但試驗(yàn)表明，壁厚從11mm增至20mm，摩擦表面平均最高溫度變化并不大。一般鑄造制動(dòng)鼓的壁厚：轎車為 7～12mm，中、重型貨車為13～18mm。制動(dòng)鼓在閉口一側(cè)可開(kāi)小孔，用于檢查制動(dòng)器間隙。

HFC3030屬于輕型載貨貨車，因此本設(shè)計(jì)制動(dòng)鼓采用Y200灰鑄鐵鑄造，制動(dòng)鼓壁的厚度選取15mm。

2.2 制動(dòng)蹄

轎車和輕型、微型貨車的制動(dòng)蹄廣泛采用T形型鋼輾壓或鋼板沖壓—焊接制成。制動(dòng)蹄的斷面形狀和尺寸應(yīng)保證其剛度好，重型汽車制動(dòng)蹄的斷面有山字形、工字型幾種。制動(dòng)蹄腹板和翼緣的厚度，轎車的約為3～5mm，貨車的約為5～ 8mm。摩擦襯片的厚度，轎車多用 4.5～5mm，貨車多在8mm以上。襯片可以鉚接或粘接在制動(dòng)蹄上，粘接的允許其磨損厚度較大，但不易更換襯片；鉚接的噪聲較小。因此，本設(shè)計(jì)制動(dòng)蹄采用熱壓鋼板沖壓焊接制成，翼緣的厚底取6mm。

2.3 制動(dòng)底板

制動(dòng)底板是除制動(dòng)鼓外制動(dòng)器各零件的安裝基體，應(yīng)保證各安裝零件相互間的正確位置。制動(dòng)底板承受著制動(dòng)器工作時(shí)的制動(dòng)反力矩，故應(yīng)有足夠的剛度。為此，由鋼板沖壓成形的制動(dòng)底板都具有凹凸起伏的形狀。重型汽車采用可鍛鑄鐵KTH 370-12的制動(dòng)板座以代替鋼板沖壓的制動(dòng)底板。剛度不足會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力矩減小，踏板行程加大，襯片磨損也不均勻。制動(dòng)底板的厚度一般為2.6～5.8mm。因此，本設(shè)計(jì)制動(dòng)底板采用熱壓鋼板沖壓成型，制動(dòng)底板的厚度取5mm。

2.4 制動(dòng)蹄的支承

二自由度制動(dòng)蹄的支承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能使制動(dòng)蹄相對(duì)制動(dòng)鼓自行定位。為了使具有支承銷的一個(gè)自由度的制動(dòng)蹄的工作表面與制動(dòng)鼓的工作表面同軸心應(yīng)使支承位置可調(diào)。本設(shè)計(jì)為了達(dá)到此目的，采用偏心支撐銷。

3、總結(jié)

本文根據(jù)HFC3030車型實(shí)際車輛數(shù)據(jù)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，得到了鼓式制動(dòng)器的各項(xiàng)具體參數(shù)，可用于后期的三維造型及仿真設(shè)計(jì)研究，從而科學(xué)設(shè)計(jì)了貨車鼓式制動(dòng)器，此種設(shè)計(jì)方法適用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)要求，具有廣闊的適用范圍和參考價(jià)值。

[1] 張炳力主編.汽車設(shè)計(jì).合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 清華大學(xué)余志生主編.汽車?yán)碚摰谖灏?北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3] 劉惟信編著.汽車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.9.

[4] [美]L.魯?shù)婪蚓?汽車制動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].張蔚林,陳名智譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[5] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下冊(cè)）[M].北京:人名交通出版社,2008.

[6] RodolfLimpert. BrakeDesignandSafety(SecondEdition). Warrendale, PA,USA:SAE,Inc.,1998.

Truck Drum Brake Design Based on 3D modeling

Zhang Wei, Yu Xiao, Liu Hongmei, Yang Jie
(Chang’an University, Shaanxi Xi'an 710064)

The braking system is a very important system in the whole vehicle chassis system. The system is not only to slow down the running of the vehicle, but also to ensure that the vehicle can be stable in a variety of road conditions in the car, while the downhill speed of the car to maintain stability.Therefore the brake system plays an important part in security steer. In the design, which based on the data of drum brake used in HFC3030. Focus on brake, brake scheme and design of the structural parameters of the drum brake, brake parts for the checking of design theory analysis，and the relevant data of the 3D model is given.

drum brake; brake; brake drum

U463.51+1

A

1671-7988 (2016)12-104-03

張偉，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。