孫 帥

某轎車盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

孫 帥

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，福建 福州 350408）

基于某轎車制動(dòng)系統(tǒng)整車匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在滿足相關(guān)法規(guī)下，簡化制動(dòng)器設(shè)計(jì)過程。通過將整車性能參數(shù)與盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，制定盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)策略。通過計(jì)算在制動(dòng)過程中汽車制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)車輪的最大制動(dòng)力矩和選定該轎車同步附著系數(shù)，確定了盤式制動(dòng)器的主要部件關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和材料，并經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證了制動(dòng)器各項(xiàng)性能均符合相關(guān)法規(guī)要求。最后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件和UG軟件完成主要零件圖的繪制和三維建模。從而在滿足相關(guān)法規(guī)要求下，優(yōu)化了汽車制動(dòng)器設(shè)計(jì)流程，同時(shí)為后續(xù)制動(dòng)噪聲等問題研究奠定基礎(chǔ)。

盤式制動(dòng)器；設(shè)計(jì)策略；制動(dòng)力矩；UG；CAD

制動(dòng)器作為制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其性能對于汽車行駛安全性的影響至關(guān)重要。盤式制動(dòng)器具有遇冷遇熱性能穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在轎車中得到普遍應(yīng)用，故對其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)非常有必要[1-2]。

鄭堯剛等[3]建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，通過Isight對所設(shè)計(jì)的制動(dòng)器制動(dòng)過程中溫度場分布校核并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，在滿足制動(dòng)性能的情況下，該優(yōu)化設(shè)計(jì)縮小了制動(dòng)器外形結(jié)構(gòu)。周俊波[4]針對盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程中，溫度、磨損不均等問題，引入變異系數(shù)，對其制動(dòng)塊進(jìn)行參數(shù)耦合，建立模型仿真分析解決上述問題。季景方等[5]綜合利用CATIA和VB工具，建立了盤式制動(dòng)器可視化界面，并對其零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。彭龍等[6]建立了盤式制動(dòng)器區(qū)間概率混合不確定研究模型，并以系統(tǒng)穩(wěn)定性函數(shù)最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而提高了制動(dòng)器系統(tǒng)穩(wěn)定性。王教友[7]依據(jù)整車參數(shù)及性能要求對其前后車輪制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其設(shè)計(jì)未對主要零部件進(jìn)行校核且未實(shí)現(xiàn)零部件參數(shù)化管理，不同車型需重新設(shè)計(jì)一次制動(dòng)器，增加設(shè)計(jì)工作量。STERGIOS等[8]提出在保證制動(dòng)盤熱容量前提下，減小制動(dòng)盤質(zhì)量和改善散熱特性，同時(shí)校核其抗扭強(qiáng)度仍滿足相關(guān)法規(guī)要求。

針對上述，本文基于某轎車制動(dòng)系統(tǒng)整車匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在滿足相關(guān)法規(guī)下，簡化制動(dòng)器設(shè)計(jì)過程。

1 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)流程

盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)流程

首先，依據(jù)整車總體布置參數(shù)和已有的同等級汽車制動(dòng)器，初步選定制動(dòng)器主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，初步對制動(dòng)性能、磨損性能等進(jìn)行校核以確保滿足相關(guān)法規(guī)要求；然后，進(jìn)行演算、比較、迭代，直到制動(dòng)器以較小尺寸和質(zhì)量滿足性能使用要求；最后，進(jìn)行三維制圖與性能分析。

1.1 整車參數(shù)

整車參數(shù)如表1所示，其中額定載客量為5人（每人按65 kg計(jì)算）。

表1 整車參數(shù)

1.2 制動(dòng)力與制動(dòng)力分配系數(shù)

忽略滾動(dòng)阻力矩和慣性力矩的干擾，則轉(zhuǎn)速為的車輛，其制動(dòng)過程力矩平衡方程為

式中，f為制動(dòng)器對車輪的作用力矩，N·m；B為地面對車輪的制動(dòng)力，N；ε為車輪有效滾動(dòng)半徑，m。

汽車制動(dòng)過程中，制動(dòng)器制動(dòng)力為

當(dāng)制動(dòng)踏板力加大，f與B均變大，但B受到地面附著力φ約束，則：

式中，為地面對車輪法向支持力，N；為輪胎與地面附著系數(shù)。

由于汽車制動(dòng)時(shí)前、后車軸載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，則：

式中，12分別為前、后車軸實(shí)時(shí)載荷；為汽車重力；為軸距，mm；12分別為質(zhì)心至前、后軸距離，mm；g為汽車質(zhì)心高度，mm，為重力加速度，m/s2；dd為汽車制動(dòng)減加速度，m/s2。

汽車總的地面制動(dòng)力為

式中，為制動(dòng)強(qiáng)度；B1、B2分別為前后軸車輪地面制動(dòng)力，N。

綜合式（4）－式（6）可得前、后車輪附著力為

從式（7）、式（8）可以看出在附著系數(shù)為定值的路面上制動(dòng)，其各軸附著力與制動(dòng)強(qiáng)度、汽車總制動(dòng)力成函數(shù)關(guān)系。

在汽車制動(dòng)過程中，前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)路面附著條件利用率達(dá)到最高，則：

聯(lián)立式（9）、式（10）可得

則汽車制動(dòng)器動(dòng)力分配系數(shù)為

1.3 同步附著系數(shù)計(jì)算

圖2為制動(dòng)力分配曲線，通過坐標(biāo)原點(diǎn)斜率為(1-)/，直線為線（即制動(dòng)力分配線），另兩條曲線分別為汽車滿載、空載曲線。

圖2 制動(dòng)力分配曲線

與線交點(diǎn)處的路面附著系數(shù)0為同步附著系數(shù)，它是由汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，其計(jì)算式為

對于前、后制動(dòng)器制動(dòng)力固定比值的汽車，只有當(dāng)路面附著系數(shù)=0時(shí)，其前、后制動(dòng)器才同時(shí)抱死。

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，轎車滿載的同步附著系數(shù)取值范圍在0.65～0.8之間，同時(shí)由于所設(shè)計(jì)的某車型汽車大多在良好路面行駛，故其同步附著系數(shù)選取為0.72。

將式（13）改寫為

將同步附著系數(shù)代入得制動(dòng)力分配系數(shù)為0.68。

1.4 最大制動(dòng)力、最大制動(dòng)力矩計(jì)算

當(dāng)=0時(shí)，且汽車處于滿載時(shí)，結(jié)合理論力學(xué)知識可知，此時(shí)制動(dòng)力為最大制動(dòng)力，其值為

車輪有效ε=311 mm，其前、后車軸最大制動(dòng)力矩為

所以，前、后輪制動(dòng)器應(yīng)有最大制動(dòng)力矩分別為1.19 kN·m、0.56 kN·m。

2 主要參數(shù)的確定及材料選擇

2.1 制動(dòng)器因素

制動(dòng)器因素表示制動(dòng)盤/制動(dòng)鼓有效作用半徑上產(chǎn)生摩擦力與輸入力比值，可表示為

式中，為制動(dòng)器因素；f為制動(dòng)器摩擦力矩；為制動(dòng)盤作用半徑；為輸入力。

假設(shè)盤式制動(dòng)器兩側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的壓緊力均為，則制動(dòng)盤兩側(cè)工作面摩擦力為。

綜上，盤式制動(dòng)器制動(dòng)因素為

2.2 制動(dòng)盤主要參數(shù)確定

2.2.1制動(dòng)盤直徑

汽車輪胎規(guī)格為195/60R16，表示其輪輞直徑為16英寸（即輪輞直徑為406.4 mm），綜合考慮成本、制動(dòng)壓力、工作溫度等因素，前、后制動(dòng)盤直徑1、2分別選取

1=0.78 mm,r=316.9 mm （20）

2=0.72 mm,r=292.6 mm （21）

2.2.2制動(dòng)盤厚度

綜合考慮到空間、工作溫度以及制動(dòng)過程制動(dòng)盤所承擔(dān)的力矩大小等問題，前輪制動(dòng)盤設(shè)計(jì)為通風(fēng)制動(dòng)盤，后輪制動(dòng)盤設(shè)計(jì)為實(shí)心制動(dòng)盤。前通風(fēng)制動(dòng)盤厚度1=25 mm；后實(shí)心制動(dòng)盤厚度2=16 mm。

2.3 摩擦襯塊主要參數(shù)確定

2.3.1摩擦襯塊內(nèi)、外半徑及厚度確定

摩擦襯塊外徑f2與內(nèi)徑f1比值一般不超過1.5，若比值超過1.5，會(huì)造成制動(dòng)襯塊摩擦不均勻，故選取制動(dòng)器摩擦襯塊外、內(nèi)半徑比值為1.4，前制動(dòng)盤半徑為158.5 mm，由于摩擦襯塊外徑略小于制動(dòng)盤半徑，故f2取150 mm，則f1=f2/1.4= 107 mm。

同理計(jì)算得后輪摩擦襯塊內(nèi)、外半徑分別為103.6 mm、145 mm。

參考其他類似車型，摩擦襯塊厚度取=14 mm。

2.3.2摩擦襯塊有效半徑及工作面積

假設(shè)摩擦襯塊和制動(dòng)盤接觸良好，且制動(dòng)盤壓力分布均勻，其制動(dòng)力矩可表示為

式中，為摩擦系數(shù)；為單側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤壓緊力，N；為作用半徑，mm。

單側(cè)制動(dòng)襯塊對于制動(dòng)盤的制動(dòng)力矩和對制動(dòng)盤總摩擦力分別為

式中，摩擦系數(shù)=0.4，摩擦襯塊弧度角=π/6。

根據(jù)式（25）求得前、后制動(dòng)襯塊有效半徑分別為129.7 mm、125.7 mm。

制動(dòng)襯塊面積計(jì)算公式為

代入數(shù)值分別求得前、后制動(dòng)襯塊面積為0.58 cm2、0.54 cm2。

2.3.3摩擦襯塊磨損特性計(jì)算

比能量消耗率是制動(dòng)器能量負(fù)荷評價(jià)指標(biāo)，表示摩擦面積在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量，W/mm2。

式中，為汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取值為1.3；a為汽車總質(zhì)量；1、2分別為汽車初始速度和末速度；1、2分別為前、后制動(dòng)襯塊摩擦面積；為制動(dòng)減速度；為制動(dòng)力分配系數(shù)。

在緊急制動(dòng)過程中可認(rèn)為2=0，且，代入式（27）、式（28）得1=1.47 W/mm2，2=0.8 W/mm2，均小于6.0 W/mm2，符合相關(guān)法規(guī)要求。

2.3.4比滑磨功

比滑磨功f是汽車制動(dòng)時(shí)，由最高車速制動(dòng)到停車過程單位襯塊面積的滑磨功，可表示為

式中，a max為汽車制動(dòng)前最高車速，m/s；Σ為車輪制動(dòng)襯塊總摩擦面積，cm2；[f]為許用比滑磨功，取值為小于等于1 500 J/cm2，取制動(dòng)前車速為120 km/h，則求得實(shí)際比滑磨功為994 J/cm2，滿足要求。

2.3.5制動(dòng)器熱容量和溫升核算

制動(dòng)器制動(dòng)過程中其比熱容量、溫升應(yīng)滿足以下條件：

式中，d為制動(dòng)盤總質(zhì)量，取值4 kg；h為與制動(dòng)盤相連的金屬總質(zhì)量，取值5 kg；d為制動(dòng)盤材料比熱容，其中鑄鐵為482 J/(kg.℃)，鋁合金為880 J/(kg.℃)；h為與制動(dòng)盤相連受熱金屬件比熱容；t為制動(dòng)盤溫升。

代入數(shù)據(jù)解得：

故滿足條件。

2.4 駐車制動(dòng)計(jì)算

由汽車?yán)碚撝R可知，汽車上、下坡路極限傾角可表示為

代入數(shù)據(jù)求得其極限上、下坡傾角分別為22.88°、16.57°，滿足要求。

2.5 主要零部件材料選取

2.5.1制動(dòng)盤

制動(dòng)盤由合金鑄鐵制成，其形狀為禮帽形，前、后制動(dòng)盤分別為通風(fēng)盤、實(shí)心盤。加工工藝需滿足制動(dòng)盤兩側(cè)表面不平度＜0.008 mm，且表面粗糙度＜0.006 mm。

2.5.2制動(dòng)鉗

制動(dòng)鉗采用可鍛鑄鐵材料，且經(jīng)鍍鉻處理，同時(shí)考慮制動(dòng)過程中前軸輪轂軸承受力較大，后車輪可能伴隨有較多泥土甩出，故前制動(dòng)鉗位于車軸后，后制動(dòng)鉗位于車軸前。

2.5.3制動(dòng)塊

制動(dòng)塊由背板和摩擦襯塊構(gòu)成。襯塊為扇形?；钊麎鹤≈苿?dòng)塊面積盡量較大，防止襯塊因卷角而引起尖叫。制動(dòng)塊背板由鋼板制成。為減小制動(dòng)噪聲，在摩擦襯塊與背板之間加一層隔熱減震墊。由于單位壓力大和工作溫度高等原因，摩擦襯塊的磨損較快，因此需適當(dāng)增加其厚度至15 mm。盤式制動(dòng)器裝有襯塊磨損達(dá)極限時(shí)的警報(bào)裝置，以便及時(shí)更換摩擦襯片。

2.5.4摩擦材料

制動(dòng)器的摩擦材料應(yīng)具有摩擦系數(shù)高且穩(wěn)定，抗熱、冷衰退性能好，耐擠壓及耐沖擊能力等特點(diǎn)，并且在汽車制動(dòng)過程中不產(chǎn)生不良噪聲以及不良?xì)馕?。綜上考慮半金屬模壓材料具有環(huán)保、耐磨等優(yōu)勢，故采用半金屬模壓材料。

3 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

浮嵌式盤式制動(dòng)器的主要參數(shù)確定后，如表2所示，繪制浮嵌式盤式制動(dòng)器主要零部件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design, CAD）圖，以及UG三維建模，以便生產(chǎn)。盤式制動(dòng)器的前、后制動(dòng)盤如圖3所示，前、后制動(dòng)器UG總成圖如圖4所示。

表2 前、后制動(dòng)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

類型制動(dòng)盤直徑/mm制動(dòng)盤厚度/mm摩擦襯塊內(nèi)徑/mm摩擦襯塊外徑/mm摩擦襯塊厚度/mm摩擦襯塊有效半徑/mm摩擦襯塊工作面積/cm2 前制動(dòng)器316.925107.015014129.70.58 后制動(dòng)器292.616103.614514125.70.54

圖3 前、后制動(dòng)盤

圖4 前、后制動(dòng)器總成UG圖

4 結(jié)論

以整車安全性能為目標(biāo)，從整車參數(shù)出發(fā)，確定盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)方案得出其制動(dòng)器參數(shù)，最后進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，在滿足相關(guān)法規(guī)要求下，簡化了汽車制動(dòng)器設(shè)計(jì)流程，同時(shí)為后續(xù)學(xué)者進(jìn)一步研究制動(dòng)設(shè)計(jì)、制動(dòng)噪聲等問題奠定基礎(chǔ)。

[1] 顧大煒.基于CFD的通風(fēng)制動(dòng)盤散熱性能研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].杭州:浙江大學(xué),2018.

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The Design of a Certain Sedan's Disc Brake

SUN Shuai

( Intelligent Manufacturing College, Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350408, China )

The optimization design of a certain car's braking system based on the vehicle matching aims to simplify the brake design process while meeting relevant regulations. By integrating the vehicle performance parameters with the design of disc brakes, a design strategy for disc brakes is formulated. Through calculations of the maximum braking torque on each wheel during the braking process and selecting the synchronous adhesion coefficient for the car, the key design parameters and materials for the main components of the disc brakes are determined and verified to comply with the requirements of relevant regulations. Finally, computer aided design(CAD) and UG software are utilized to complete the drawing of main parts and three-dimensional modeling. This optimized the design process of automotive brakes while meeting the requirements of relevant regulations, and lays the foundation for subsequent research on brake noise and other issues.

Disc brake; Design strategy; Braking torque; UG;CAD

U462

A

1671-7988(2023)20-59-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.012

孫帥（1990－），男，碩士，助教，研究方向?yàn)槠嚢踩?、自?dòng)駕駛運(yùn)動(dòng)控制算法等，E-mail:sunshuai16@163.com。