鄭昆明， 張榮蕓， 李浩然， 邱 天

(安徽工程大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

根據(jù)中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽賽事規(guī)則對制動系統(tǒng)的要求，賽車在鋪裝路面或非鋪裝路面以最高車速行駛時，車手急踩剎車賽車四輪同時鎖止抱死且不發(fā)生側(cè)滑方可通過制動系統(tǒng)車檢要求，以此來保證車手的安全，因此賽車制動系統(tǒng)車檢的通過每年都成為絕大數(shù)參賽高校面臨的一大難題。目前，多數(shù)高校針對這一問題對賽車制動系統(tǒng)零部件進行了優(yōu)化分析，文獻(xiàn)[1]對賽車進行了制動踏板輕量化研究，探究了制動力過剩問題，為踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考；文獻(xiàn)[2]對制動盤摩擦副結(jié)構(gòu)熱耦合進行了分析，探究了溫度場與應(yīng)力場變化規(guī)律，為制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)；文獻(xiàn)[3]對賽車制動系統(tǒng)及輕量化進行了分析，設(shè)計了一種中央盤式制動器；文獻(xiàn)[4]對賽車制動力分配系數(shù)進行研究，通過MATLAB的冗余值法和最大制動強度法，確定了賽車最佳分配系數(shù)的值，為計算提供理論依據(jù)。設(shè)計的制動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、成本低廉等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于賽車中，具有推廣價值。

1 賽車制動系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 制動系統(tǒng)的組成

賽車制動系統(tǒng)由制動踏板、支撐底座、主缸、油壺、管路、四通、卡鉗、制動盤等組成，雙主缸分別獨立控制前后輪制動，雙油壺再連接制動主缸，制動主缸再由管路分別連接至前后四個制動卡鉗，制動盤采用浮盤定鉗的模式。

1.2 賽車基本參數(shù)

Baja賽車基本參數(shù)如下表1。

表1 賽車基本參數(shù)

1.3 賽車制動力及分配系數(shù)計算

取路面附著系數(shù)為φ0=0.8，賽車水平路面行駛時，忽略一切阻力，可由公式(1)和公式(2)得前軸地面垂直法向反力及后軸地面垂直法向反力。

(1)

(2)

式中：m指整車和車手的總質(zhì)量；

可得前軸地面垂直法向反力Fn1=1805.18N，后軸地面垂直法向反力Fn2=1094.82N，若要滿足組委會四輪同時抱死且鎖止的規(guī)則，則需滿足制動力等于路面附著力，即可通過公式(3)計算地面制動力。

Fb=φ0mg

(3)

可得地面制動力Fb=2320N,再根據(jù)前后輪所求得地面垂直法向反力，即可由公式(4)和(5)得前后輪制動器制動力。

Fμ1=φ0Fn1

(4)

Fμ2=φ0Fn2

(5)

由公式(4)和(5)可得前輪所需制動力為1444.15N，后輪所需制動力為875.85N。

1.4 制動盤選擇與設(shè)計

一般家用轎車制動盤為雙層制動盤結(jié)構(gòu)，且雙層制動盤間有間隙，因此家用轎車制動盤較厚，不適合用于Baja賽車制動系統(tǒng)中，國外目前有銷售Baja賽車專用制動盤，但由于距離較遠(yuǎn)、價格昂貴、運輸成本高，因此不適合用于Baja賽車上。目前國內(nèi)各大高校所用賽車制動盤都在嘗試自制，本賽季參賽賽車制動盤材料選取為2Cr13鋼，該材料具有耐腐蝕性較好，承受沖擊載荷能力較高等優(yōu)點，制動盤直徑在滿足制動力的前提下還要兼顧輕量化，因此一般選取輪輞直徑的70%-79%作為制動盤直徑，本賽季賽車所選用的輪輞為10英寸，由此最終確定制動盤直徑D=172mm,在兼顧輕量化的前提，要防止制動盤熱衰退對制動盤產(chǎn)生的影響，因此通過Catia三維建模和Ansys分析可確定制動盤厚度為h=4mm。

1.5 卡鉗與主缸的選擇與設(shè)計

在不考慮液壓油的影響，假定賽車左右輪所受的壓力相同，制動輪缸直徑d與制動卡鉗中液壓油壓力p關(guān)系如公式(6)。

(6)

式中取摩擦襯塊與制動盤的摩擦系數(shù)μ為0.45，油壓為4MPa,制動盤有效作用半徑為R為80mm,車輪半徑r為240mm，F(xiàn)e為抱死時制動輪缸夾緊力，制動卡鉗作用在制動盤上有效摩擦力為Fc。由公式(6)可知前輪輪缸直徑d1=16.67mm,后輪輪缸直徑d2=12.94mm，為易于更換和維修，前后輪均采用同一型號卡鉗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸系列，主缸直徑可選為d=21mm,制動卡鉗直徑選擇為D0=32mm，選取的卡鉗型號為ps1對置雙活塞，制動主缸型號為tilton76-625。

1.6 制動管路及油壺的選擇

在制動管路的選擇中，應(yīng)考慮管路所能承受的最大壓力和耐磨性，在汽車設(shè)計的要求中，對制動管路的要求為所有制動管路的設(shè)計應(yīng)符合制動系統(tǒng)的預(yù)期壓力，并與所使用的制動液具有化學(xué)兼容性,制動系統(tǒng)所處的工況對制動管路的材料，制作工藝有極高要求。目前市場上銷售的制動管路可用于Baja賽車制動系統(tǒng)中，綜合考慮選用的制動管路為特氟隆油管，具有耐高壓、耐高溫和耐磨損的特點，同時也符合強度要求，制動油壺采用圓形標(biāo)準(zhǔn)油壺，價格低廉，具有防腐蝕性及耐用特點。

2 制動系統(tǒng)的分析

2.1 制動盤

制動盤采用四孔浮動式制動盤設(shè)計，要使賽車滿足組委會規(guī)則四輪抱死且鎖止的條件，需要制動卡鉗提供的制動盤摩擦力矩與地面摩擦力對輪胎的力矩平衡，制動盤采用浮動盤設(shè)計，能使制動器退矩均等，從而避免發(fā)生偏剎，干磨現(xiàn)象，具有自動補償功能，不需人工手動調(diào)節(jié)，同時制動盤采用四孔定位固定，易于拆卸更換，方便維修，制動器的散熱一直是設(shè)計不可避免要考慮的問題，盤式制動器由于自身結(jié)構(gòu)的特點使其具有優(yōu)良的散熱性，為進一步提高制動器散熱性能，在制動盤一周打上分布均勻的導(dǎo)熱孔，在裝配過程中制動盤與輪芯留有一定間隙，防止制動盤因受高溫而產(chǎn)生的徑向變形，制動盤一周加有導(dǎo)流裝置，便于賽車在跑動過程中能夠使風(fēng)更好的導(dǎo)入制動盤中。

利用Catia軟件對制動盤進行建模，建模后的模型以stp格式導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件，根據(jù)實際工況對制動盤進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，探究其最大變形量。在Ansys分析軟件中，選用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，材料定義為2Cr13鋼，具體參數(shù)如下表2，為使分析結(jié)果與實際制動過程更符合，采用四面體網(wǎng)格劃分，將單元尺寸設(shè)定為3mm,單元格質(zhì)量高，網(wǎng)格共有42378個節(jié)點和24332個單元，設(shè)定4個半圓定位孔為固定約束，在制動盤圓周面加制動盤所受最大制動力矩，由上述計算得最大制動力矩為51989.4N/mm，求解結(jié)果如下圖1制動盤變形量分布圖所示，其最大變形量為0.00059975mm,變形量較小，可忽略不計。

表2 制動盤材料參數(shù)

圖1 制動盤變形量分布圖

2.2 踏板和支撐底座

踏板和支撐底座選取的材料選取為45號鋼，具體參數(shù)如下表3，組委會規(guī)則對踏板要求是能承受最大2000N的力，本賽季踏板設(shè)計采用踏板直接推動主缸的工作方式，因此踏板背部要留有足夠的空間，使主缸的活塞桿有足夠大的行程，因此踏板采用有弧度的外形，利用兩個制動踏板臂焊接而成，相比整體結(jié)構(gòu)，該踏板符合輕量化要求，易于加工，支撐底座拆分成4個肋板，采用焊接拼裝的方式，從而節(jié)約了加工成本，踏板安裝孔與底座采用耳片形式固定，使踏板能夠繞耳片孔旋轉(zhuǎn)。

表3 踏板和底座材料參數(shù)

利用Catia軟件繪制出三維圖。再根據(jù)規(guī)則要求，利用Ansys有限元分析軟件對制動踏板及支撐底座進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，以踏板面為受力面，施加方向垂直于踏板面大小為2000N的均勻分布力，采取四面體網(wǎng)格劃分的方法，單元格質(zhì)量為3mm，得出制動踏板網(wǎng)格節(jié)點數(shù)30397和單元數(shù)15712，得出支撐底座網(wǎng)格節(jié)點數(shù)83047和單元數(shù)49359，得出的網(wǎng)格質(zhì)量較高。由圖4踏板總變形量分布圖可以看出最大變形量為0.26233mm，圖5支撐底座總變形量分布圖可以看出最大變形量為0.50581mm,支撐底座和踏板變形量均較小，再受到最大為2000N的均布載荷時，幾乎未發(fā)生形變，因此不需要再進行結(jié)構(gòu)上的改變，符合輕量化和強度要求，由已知45號鋼屈服強度為236.7MPa,圖2制動踏板應(yīng)力分布圖顯示等效應(yīng)力為136.72MPa,圖3支撐底應(yīng)力分布圖表明等效應(yīng)力為219.83MPa，均小于45號鋼的屈服極限，符合輕量化和強度要求。

圖2 制動踏板應(yīng)力分布圖

圖3 支撐底座應(yīng)力分布圖

圖4 制動踏板變形分布圖

圖5 支撐底座變形分布圖

2.3 制動踏板總成設(shè)計

制動踏板總成采用各零部件焊接拼裝設(shè)計，踏板固定孔與底座耳片相連接，單個制動主缸采用雙螺栓固定在底座支撐板上，踏板腰部孔與平衡桿連接，平衡桿連接主缸活塞，利用Catia三維建模，可得出具體結(jié)構(gòu)如下圖6制動踏板總成圖。

圖6 制動踏板總成建模圖

3 整車制動系統(tǒng)路面調(diào)試與驗證

為了保證本賽季賽車制動系統(tǒng)設(shè)計的安全性及在賽場能夠順利通過中國汽車工程學(xué)會組委會的制動安全車檢，在整車裝配結(jié)束后選擇一個全封閉路段進行制動系統(tǒng)的路面測試，測量賽車從踩下制動踏板至完全停止所行駛的距離，分析賽車的四輪抱死和制動效能情況。初始時賽車經(jīng)過對主缸平衡桿的調(diào)整和制動卡鉗的排液，使賽車能夠達(dá)到4輪抱死的效果，制動測試路面長為100m，賽車啟動發(fā)動機后，賽車從速度為0直線加速到50km/h時，急踩制動踏板，制動測試結(jié)果如下表4所示。

表4 制動試驗測試結(jié)果

通過表格中測試數(shù)據(jù)可知，第一次測試和第二次測試結(jié)果未通過，且第二次發(fā)生側(cè)滑，探究其原因為制動液中空氣未排完全，導(dǎo)致主缸通過油管傳遞給卡鉗的油壓壓力較小。重新排液后進行第二次測試，第二次測試結(jié)果表明四輪已抱死，但發(fā)生側(cè)滑，探究側(cè)滑原因為左右輪制動力不相等。經(jīng)過第二次排液后，進行第三次測試，結(jié)果表明制動距離縮短，四輪發(fā)生抱死且鎖止，測試結(jié)果合格，為避免偶然性，連續(xù)進行兩次制動測試，測試結(jié)果均通過，且制動距離與理論值相比較小，符合預(yù)期結(jié)果，符合中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽組委會規(guī)則要求，且已通過中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽組委會車檢。

4 結(jié) 語

以Baja賽車為例，制動系統(tǒng)關(guān)鍵零件的經(jīng)過一系列的設(shè)計、選型、有限元分析及路面調(diào)試與驗證，到最終順利通過組委會的制動安全檢查，最短制動距離為14.9m,四輪同時抱死且鎖止，未發(fā)生側(cè)滑及偏移。表明所設(shè)計的制動系統(tǒng)是合格的。設(shè)計的制動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、成本低廉等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于賽車中，具有推廣價值。設(shè)計的制動系統(tǒng)在賽場上順利完成了相關(guān)的測試動作，表現(xiàn)出較好的操縱性和穩(wěn)定性，最后獲得2021賽季的優(yōu)秀獎。在未來的制動系統(tǒng)設(shè)計中，可以考慮對制動盤進行熱衰退分析，計算出賽車在連續(xù)制動時制動盤溫度峰值，從而可以對制動盤結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。