中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 楊蒙 黃歡

湖北中爾車軸有限公司 夏海龍 夏浩

現(xiàn)有的制動(dòng)器普遍具有發(fā)熱快、熱衰大等缺點(diǎn)，為解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了一款發(fā)熱小、熱衰小、雙重安全保障的制動(dòng)器，并對(duì)新型周盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、工作原理,以及與傳統(tǒng)制動(dòng)器相比較的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析說(shuō)明。

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是影響汽車主動(dòng)安全最重要的部分，由重型貨車制動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題引起的道路交通安全事故頻頻發(fā)生：2018年“11·3”蘭州重大道路交通安全事故的直接原因是由于下坡路段頻繁采取制動(dòng)導(dǎo)致車輛制動(dòng)失效；“11·19”大廣高速平輿段28輛貨車相撞事故，除了大霧天氣影響外，車輛制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)也是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要原之一?，F(xiàn)有的載重汽車、載客汽車普遍使用鼓式制動(dòng)或少數(shù)盤式制動(dòng)，形成內(nèi)張式制動(dòng)形式，雖經(jīng)多次改進(jìn)制動(dòng)性能已趨完善，但在負(fù)荷較重以及下長(zhǎng)坡減速或緊急制動(dòng)的情況下，其摩擦片發(fā)熱快、散熱慢，制動(dòng)器溫度過(guò)高，制動(dòng)鼓易熱衰、破裂，制動(dòng)距離長(zhǎng)等弊端日益突出，成為車輛行駛中的重大安全隱患[1]。為此，筆者研發(fā)了一種制動(dòng)性能更好的新型制動(dòng)器——周盤式制動(dòng)器來(lái)解決以上難題。

周盤式制動(dòng)器簡(jiǎn)介

周盤式制動(dòng)器將平盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，采用雙面制動(dòng)，其既具備了盤式制動(dòng)器雙向夾緊制動(dòng)功能，同時(shí)又保留了鼓式制動(dòng)器制動(dòng)面積大、制動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。周盤式制動(dòng)器摩擦元件中的旋轉(zhuǎn)元件是以兩周面工作的金屬圓盤，稱為周制動(dòng)盤。周制動(dòng)盤有內(nèi)外制動(dòng)面，對(duì)應(yīng)于周制動(dòng)盤的外周面安設(shè)周向夾緊制動(dòng)蹄，對(duì)應(yīng)于周制動(dòng)盤的內(nèi)周面安設(shè)周向外撐制動(dòng)蹄。周制動(dòng)盤內(nèi)、外制動(dòng)面形成內(nèi)撐外抱的夾緊制動(dòng)，摩擦元件從周制動(dòng)盤內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)夾緊產(chǎn)生制動(dòng)，形成“內(nèi)撐外抱”雙面夾緊的制動(dòng)形式。內(nèi)撐和夾緊的同步制動(dòng)性能通過(guò)從1～10mm的過(guò)程磨損理論分析來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)內(nèi)外同步制動(dòng)最大的制動(dòng)效果。

周盤式制動(dòng)器內(nèi)撐外抱的夾緊制動(dòng)方式能增加制動(dòng)面積，加大制動(dòng)力矩，縮短制動(dòng)距離；內(nèi)、外周向夾緊制動(dòng)蹄平均分配了制動(dòng)部件受力強(qiáng)度，延長(zhǎng)了使用壽命，減少摩擦片磨損，避免制動(dòng)發(fā)熱；導(dǎo)風(fēng)罩利用車輛行駛自然風(fēng)給制動(dòng)系統(tǒng)和輪胎降溫，避免了制動(dòng)高溫。周盤式制動(dòng)器車軸如圖1所示。

圖1 周盤式制動(dòng)器車軸

周盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及制動(dòng)原理

1.周盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

周盤式制動(dòng)器主要由周制動(dòng)盤、周向夾緊制動(dòng)蹄、周向外撐制動(dòng)蹄、雙S凸輪軸、凸輪支架、蹄片軸支架、制動(dòng)臂、回位拉簧等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 周盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2.周盤式制動(dòng)器制動(dòng)原理

周盤式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程：氣室產(chǎn)生氣壓帶動(dòng)雙S凸輪軸，雙S凸輪軸的內(nèi)外結(jié)構(gòu)件分別驅(qū)動(dòng)周向夾緊制動(dòng)蹄和周向外撐制動(dòng)蹄，在周向夾緊制動(dòng)蹄和周向外撐制動(dòng)蹄的作用下，內(nèi)撐外抱周向夾緊裝置與雙面周向制動(dòng)盤靠近接觸并產(chǎn)生摩擦制力，使車輛減速或停止[2]。制動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 制動(dòng)原理圖

理論力學(xué)計(jì)算方法

1.雙S凸輪軸外S及內(nèi)S的推力計(jì)算

1.1 雙S凸輪軸的受力分析

周盤式制動(dòng)雙S凸輪軸分析如圖4所示。圖4中，F(xiàn)為氣室推力；L1為調(diào)整臂長(zhǎng)；D1為雙S凸輪軸外S基圓直徑；d1為雙S凸輪軸內(nèi)S基圓直徑；P2為雙S凸輪軸外S對(duì)應(yīng)左制動(dòng)臂輸入端的受力；P2′為雙S凸輪軸外S對(duì)應(yīng)右制動(dòng)臂輸入端的受力；P3為雙S凸輪軸內(nèi)S對(duì)應(yīng)上內(nèi)周制動(dòng)鉗活動(dòng)端的受力；P3′為雙S凸輪軸內(nèi)S對(duì)應(yīng)下內(nèi)周制動(dòng)鉗活動(dòng)端受力。

圖4 周盤式制動(dòng)雙S凸輪軸分析圖

1.2 受力計(jì)算

由杠桿比得出：

L1×F=P2×D1+P3×d1

受力計(jì)算結(jié)果為：

2.制動(dòng)臂推力計(jì)算分析

2.1 左右制動(dòng)臂的受力分析

制動(dòng)臂受力分析如圖5所示,圖5中，L2為左制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)中心與P2的力臂；L2′為右制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)中心與P2′的力臂；L3為左制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)中心與P4的力臂；L3′為右制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)中心與P4′的力臂；P4為左制動(dòng)臂輸出端對(duì)應(yīng)上外周制動(dòng)鉗的受力；P4′為右制動(dòng)臂輸出端對(duì)應(yīng)下外周制動(dòng)鉗的受力。

圖5 制動(dòng)臂受力分析圖

2.2 制動(dòng)臂推力計(jì)算

由杠桿比得出：

受力計(jì)算結(jié)果為：

3.周制動(dòng)鉗總成力分析

3.1 上周制動(dòng)鉗總成分析

上周制動(dòng)鉗總成受力分析如圖6所示，圖6中，L4為上外周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)P4的力臂；L5為上外周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)周制動(dòng)盤中心的力臂；L6為上內(nèi)周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)P3的力臂；L7為上內(nèi)周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)周制動(dòng)盤中心的力臂；F1為上外周制動(dòng)鉗受力；F2為上內(nèi)周制動(dòng)鉗受力；R為周制動(dòng)盤外周半徑；r為周制動(dòng)盤內(nèi)周半徑；f為摩擦系數(shù)。

圖6 上周制動(dòng)鉗總成受力分析圖

3.2F1、F2計(jì)算

由杠桿比得出：

受力計(jì)算結(jié)果為：

3.3 下周制動(dòng)鉗總成分析

下周制動(dòng)鉗總成受力分析如圖7所示，圖7中，L4′為 下外周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)P4′的 力臂；L5′為下外周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)周制動(dòng)盤中心的力臂；L6′為下內(nèi)周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)P3′的 力臂；L7′為下內(nèi)周制動(dòng)鉗固定端對(duì)應(yīng)周制動(dòng)盤中心的力臂；F3為下外周制動(dòng)鉗受力；F4為下內(nèi)周制動(dòng)鉗受力；R為周制動(dòng)盤外周半徑；r為周制動(dòng)盤內(nèi)周半徑；f為摩擦系數(shù)。

3.4 計(jì)算F3、F4

由杠桿比得出：

受力計(jì)算結(jié)果為：

圖7 下周制動(dòng)鉗總成受力分析圖

4.計(jì)算制動(dòng)力矩Tμ

根據(jù)圖1～5分析結(jié)果得出：[周制動(dòng)鉗受力(F1+F2)×周制動(dòng)盤半徑R+周制動(dòng)鉗受力(F3+F4)×周制動(dòng)盤半徑r]摩擦系數(shù)f

計(jì)算公式為：

5.制動(dòng)力計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)周盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算和分析可以發(fā)現(xiàn)，在制動(dòng)推力、調(diào)整臂長(zhǎng)度和摩擦片相同的情況下，凸輪軸的尺寸結(jié)構(gòu)、制動(dòng)盤的尺寸結(jié)構(gòu)和制動(dòng)面積是影響制動(dòng)力矩的關(guān)鍵因素，分別對(duì)這兩種形式的制動(dòng)器進(jìn)行了力矩測(cè)試，測(cè)得周盤式制動(dòng)器總制動(dòng)力矩為1 5 0 4 1.2 N m，鉗盤式制動(dòng)器總制動(dòng)力矩為13698.6Nm，周盤式制動(dòng)器“內(nèi)撐外抱”的獨(dú)特制動(dòng)形式和雙S凸輪軸的特殊結(jié)構(gòu)使得其制動(dòng)力矩比傳統(tǒng)鉗盤式制動(dòng)器高出9.8%。

周盤式制動(dòng)器制動(dòng)性能及效益優(yōu)勢(shì)分析

1.制動(dòng)面積大

相比傳統(tǒng)的鉗盤式制動(dòng)器，周盤式制動(dòng)器采用的是“內(nèi)撐外抱 ”的雙面制動(dòng)形式，制動(dòng)剎車片幾乎可以與周制動(dòng)盤約 7 0%的面積進(jìn)行接觸，制動(dòng)面積達(dá)211520mm2，是鉗盤式制動(dòng)器制動(dòng)面積 39052mm2的5倍，制動(dòng)性能更好。

2.雙制動(dòng)系統(tǒng)雙重安全保障

周盤式制動(dòng)器內(nèi)外制動(dòng)蹄正常情況下同時(shí)工作，如遇任意一個(gè)制動(dòng)蹄失效，其他兩個(gè)制動(dòng)蹄仍然可以正常工作，可保證在極端情況下車輛正常減速或停止，提高了車輛制動(dòng)的安全性。

3.防止制動(dòng)盤受損飛濺

傳統(tǒng)的鉗盤式制動(dòng)盤損壞后會(huì)直接接觸到輪轂，制動(dòng)盤與輪轂高速摩擦產(chǎn)生大量的火星，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)火災(zāi)或碎片飛濺等風(fēng)險(xiǎn)。周盤式制動(dòng)器不僅有導(dǎo)風(fēng)防塵罩能隔絕周向制動(dòng)盤，防范制動(dòng)盤損壞后產(chǎn)生的火星及碎片到處飛濺，而且雙面夾緊的制動(dòng)方式能確保制動(dòng)盤受損后不脫落，不飛出。

4.散熱性強(qiáng)

周盤式車軸擁有獨(dú)立的散熱系統(tǒng)，周制動(dòng)盤為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外制動(dòng)面間設(shè)有散熱通道，獨(dú)創(chuàng)的導(dǎo)風(fēng)防塵罩設(shè)計(jì)，可利用車輛行駛的自然風(fēng)對(duì)制動(dòng)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)冷卻散熱，雙層結(jié)構(gòu)的周制動(dòng)盤更利于通風(fēng)散熱。

5．抗衰熱性能強(qiáng)

周盤式制動(dòng)器采用了雙面制動(dòng)，將制動(dòng)力平均分配在兩個(gè)制動(dòng)面上，周制動(dòng)盤的發(fā)熱量減少了一倍，雙向夾緊制動(dòng)模式也使得汽車制動(dòng)響應(yīng)速度更快。根據(jù)掛車制動(dòng)試驗(yàn)表明，周盤式制動(dòng)器熱態(tài)制動(dòng)強(qiáng)度為41.3%，比標(biāo)準(zhǔn)要求的36%提高14.7%，在熱衰退試驗(yàn)后仍具有較好的熱態(tài)制動(dòng)效能，具有較強(qiáng)的抗熱衰性。

6.周盤式制動(dòng)器經(jīng)濟(jì)效益分析

周盤式制動(dòng)器因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)模式，其制動(dòng)面積是傳統(tǒng)的鉗盤式制動(dòng)器的5倍，大摩擦面積實(shí)現(xiàn)較大的制動(dòng)力，制動(dòng)器的使用壽命也大大延長(zhǎng)；鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)面積小，每行駛1～3萬(wàn)km就需要更換一次摩擦片，而周盤式制動(dòng)器的制動(dòng)面積大，正常行駛10～20萬(wàn)km才需要更換一次摩擦片；周盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，零部件價(jià)格較低，其使用維修成本較低；周盤式制動(dòng)器的摩擦片磨損極限厚，使用壽命長(zhǎng)，傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器最大磨損厚度為12mm，周盤式制動(dòng)器最大磨損厚度為外12mm+內(nèi)10mm；周盤式制動(dòng)器能降低輪胎起火、制動(dòng)盤破裂及制動(dòng)性能失效等事故的發(fā)生率，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

序號(hào)周盤式零部件名稱內(nèi)/外制動(dòng)蹄鉗盤式零部件名稱1 2 6 0 0/套制動(dòng)盤7 6 0/套價(jià)格2卡鉗價(jià)格3 5 0/個(gè)周制動(dòng)盤摩擦片3 1 8 0/套3 2 0/個(gè)摩擦片1 6 0/套

結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的鉗盤式和鼓式制動(dòng)器，周盤式制動(dòng)器有制動(dòng)面積大、雙制動(dòng)系統(tǒng)雙重安全保障、防止制動(dòng)盤受損脫落飛出、散熱性強(qiáng)、制動(dòng)響應(yīng)速度快、發(fā)熱小等優(yōu)勢(shì)。對(duì)周盤式這種新型的制動(dòng)器而言，有必要進(jìn)行大量的理論數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)車數(shù)據(jù)的積累，探究其制動(dòng)性能、散熱性能、耐久性能、與制動(dòng)控制系統(tǒng)的匹配性和適應(yīng)性等，不斷對(duì)其進(jìn)行完善改進(jìn)，進(jìn)一步提升該制動(dòng)器的綜合性能。