FSAE賽車制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)

葉洋　鄭強(qiáng)強(qiáng)　王業(yè)碩　劉凱華

摘 要：Formula SAE比賽由美國(guó)車輛工程師學(xué)會(huì)（SAE）于1979年創(chuàng)立，每年在世界各地有600余支大學(xué)車隊(duì)參加各個(gè)分站賽，2010年在中國(guó)舉辦了第一屆中國(guó)大學(xué)生方程式賽車，本設(shè)計(jì)將針對(duì)中國(guó)賽程的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文主要介紹了賽車制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)，首先介紹了制動(dòng)盤對(duì)于車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要意義、制動(dòng)盤的常見(jiàn)分類。然后結(jié)合賽車自身的特點(diǎn)，提出了賽車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)的特殊要求，主要包括重量、散熱性等。之后根據(jù)賽車制動(dòng)盤的特點(diǎn)，結(jié)合我們的制動(dòng)系統(tǒng)，給出了賽車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)的實(shí)例，以使讀者更好的理解賽車制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)。最后，作者在本文中提出了賽車制動(dòng)盤還可以在哪些方面做出改進(jìn)，供讀者自主地進(jìn)行進(jìn)一步摸索。希望本文能為參加FSAE電動(dòng)方程式大賽的同學(xué)以及所有對(duì)汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計(jì)感興趣的朋友提供幫助。

關(guān)鍵字：制動(dòng)；制動(dòng)盤；FSAE賽車；重量；散熱

制動(dòng)盤又稱剎車盤、剎車碟、制動(dòng)碟，是汽車上直接承受制動(dòng)力的重要部件，其性能的好壞直接影響著汽車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。制動(dòng)盤上的制動(dòng)力來(lái)源于制動(dòng)鉗，通常來(lái)說(shuō)一般的制動(dòng)鉗都是固定內(nèi)側(cè)制動(dòng)活塞泵所在部分，外側(cè)是一個(gè)卡鉗式的結(jié)構(gòu)。內(nèi)側(cè)制動(dòng)片固定在活塞泵上，外側(cè)制動(dòng)片固定在卡鉗外部?；钊ㄟ^(guò)制動(dòng)油管過(guò)來(lái)的壓力推動(dòng)內(nèi)側(cè)制動(dòng)片，同時(shí)通過(guò)反作用力拉動(dòng)卡鉗，使外側(cè)制動(dòng)片向里.兩者同時(shí)壓向制動(dòng)盤，通過(guò)制動(dòng)盤和內(nèi)外制動(dòng)片的摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力。因?yàn)橹苿?dòng)盤上承擔(dān)著巨大的制動(dòng)力，所以其設(shè)計(jì)和選用就必須非常謹(jǐn)慎。好的制動(dòng)盤制動(dòng)穩(wěn)定，沒(méi)有噪音，不抖動(dòng)；反之，如果制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)或選用不合理，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，很容易因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的高溫而變形，降低剎車效果，最終影響行車安全性。

1 制動(dòng)盤的一般形式

制動(dòng)盤按結(jié)構(gòu)劃分，可以分為實(shí)心盤（單片盤）和風(fēng)道盤（空心盤，雙片盤）。實(shí)心盤對(duì)于我們來(lái)說(shuō)很好理解，就是整個(gè)制動(dòng)盤都是實(shí)心的。風(fēng)道盤（Vented Disc），顧名思義具有透風(fēng)功效。從外表看，它在圓周上有許多通向圓心的洞空，稱為風(fēng)道。汽車在行使中通過(guò)風(fēng)道處空氣對(duì)流，達(dá)到散熱的目的的，比實(shí)心式散熱效果要好許多。大部分轎車都是前驅(qū)，前盤使用頻率計(jì)磨損較大，故采用前風(fēng)道盤，后實(shí)心盤（單片盤）。當(dāng)然也有前后都是風(fēng)道盤的，但制造成本并不會(huì)差的離譜。

制動(dòng)盤按材質(zhì)上的不同，又可以分為碳纖維陶瓷制動(dòng)盤與金屬制動(dòng)盤兩種。碳纖維陶瓷制動(dòng)盤由于其制造成本過(guò)于昂貴以及低溫下制動(dòng)力非常糟糕，所以雖然其有著優(yōu)異的抗熱衰減特性，依然不被大多數(shù)車輛所選用。金屬制動(dòng)盤，主要成分為鋼或灰鑄鐵，為了增加抗熱衰減能力，也有廠商將金屬材質(zhì)制動(dòng)盤進(jìn)行碳纖維處理，使其這方面能力精進(jìn)，同時(shí)避免碳纖維陶瓷材質(zhì)的低溫性能不佳的問(wèn)題。

2 FSAE制動(dòng)盤的特殊要求

與一般的車輛相比，賽車要求具有更輕的質(zhì)量，更快的加速度。所以賽車制動(dòng)盤也必然與一般家用車的制動(dòng)盤存在差別。下面便是FSAE賽車與一般家用車制動(dòng)盤的差異之處：

1.質(zhì)量更輕：

在賽車領(lǐng)域有句俗語(yǔ)，叫“簧下一公斤簧上十公斤”，意思就是賽車簧下質(zhì)量每減少一公斤對(duì)于賽車性能的影響，相當(dāng)于賽車簧上的質(zhì)量減少了十公斤，由此可見(jiàn)減輕賽車簧下質(zhì)量的重要意義。也正因此，F(xiàn)SAE賽車制動(dòng)盤質(zhì)量遠(yuǎn)小于普通家用車的。這主要體現(xiàn)在制動(dòng)盤厚度更薄，打的孔的數(shù)量更多（也就是減重更多）。一般家用車制動(dòng)盤的厚度都在10毫米以上，而FSAE賽車制動(dòng)盤厚度常在4毫米左右。

2.散熱效果更好：

賽車的急加速、急減速性能，決定了賽車制動(dòng)盤處發(fā)熱嚴(yán)重，這也就要求賽車制動(dòng)盤相對(duì)于家用車需要有更好的散熱能力及抗熱衰減性。一般而言，增強(qiáng)散熱性有兩種途徑，一是采用風(fēng)道盤（空心盤），利用其良好的通風(fēng)性來(lái)增強(qiáng)散熱能力。二是在實(shí)心盤上打更多數(shù)量的通風(fēng)孔，以增加制動(dòng)盤的散熱面積。但要注意更多的通風(fēng)孔一定會(huì)減低制動(dòng)盤的強(qiáng)度，所以在打孔之前一定要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行仔細(xì)的校核。FSAE賽車考慮到制動(dòng)性能、經(jīng)濟(jì)型等因素，通常是選用實(shí)心盤，通過(guò)打孔來(lái)改善其散熱性能。

3.抗熱衰減性更強(qiáng)：

賽車的急加速、急減速性能，一方面要求賽車制動(dòng)盤具有更好的散熱能力，一方面也對(duì)制動(dòng)盤的材料提出了更高的要求，即相對(duì)于家用車制動(dòng)盤，F(xiàn)SAE賽車制動(dòng)盤的材料應(yīng)該有更高的抗熱衰減性，在高溫下其強(qiáng)度和抗熱變形能力都應(yīng)該達(dá)到一定的要求。

3 FSAE賽車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)實(shí)例

我們的制動(dòng)盤設(shè)計(jì)，是建立在我們車隊(duì)所做的制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，相關(guān)的參數(shù)也全部使用本車隊(duì)實(shí)際選用參數(shù)，具有真實(shí)性和可靠性。

1.相關(guān)參數(shù)：

我們賽車帶人總質(zhì)量為350kg，前后制動(dòng)力分配7：3，前后輪輞皆為13inch。所選卡鉗型號(hào)為frando 9GA。

賽車制動(dòng)盤包括兩個(gè)前輪制動(dòng)盤和兩個(gè)后輪制動(dòng)盤。剎車時(shí)，由于存在慣性加速度，賽車的重心前移，前輪制動(dòng)盤承受更大的制動(dòng)力矩。根據(jù)我們賽車的實(shí)際情況，前輪制動(dòng)盤所取制動(dòng)力矩為417.5N*m，后輪制動(dòng)盤所需承受的制動(dòng)力矩為185N*m。

2.制動(dòng)盤參數(shù)的確定

由于輪輞大小為13inch，所選卡鉗為frando 9GA，根據(jù)卡鉗匹配的制動(dòng)盤直徑要求，選前制動(dòng)盤外徑為220mm，內(nèi)徑110mm；后制動(dòng)盤外徑為220mm，內(nèi)徑110mm?？紤]到制動(dòng)盤的減重性，取制動(dòng)盤厚度為4mm，同時(shí)厚度減小會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤強(qiáng)度降低，為了保證制動(dòng)盤有足夠的強(qiáng)度，取其材料為2cr13馬氏體不銹鋼。該種鋼材除了具有較高的強(qiáng)度和韌性，還具有良好的抗腐蝕抗銹能力，能夠保證制動(dòng)盤在惡劣的環(huán)境中可靠的工作。同時(shí)2cr13馬氏體不銹鋼具有較好的耐高溫性能和良好的散熱能力，在700攝氏度時(shí)，還能保持較高的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和良好的減震性。

為了適應(yīng)賽車快速制動(dòng)的要求，制動(dòng)盤選用浮動(dòng)盤。浮動(dòng)盤相對(duì)于一體式制動(dòng)盤能夠更加快速的進(jìn)行制動(dòng)。浮動(dòng)盤與輪轂之間通過(guò)鉚釘相連接，鉚釘材料為Q235鋼。FSAE賽車制動(dòng)盤鉚釘套件由IMK公司提供贊助，根據(jù)其提供的鉚釘參數(shù)，所選鉚釘為空心，外徑13.8mm，內(nèi)徑10.5mm。制動(dòng)盤上所開(kāi)鉚釘孔的直徑為14mm，以保證易于裝配，沿制動(dòng)盤內(nèi)徑均勻開(kāi)六個(gè)這樣的半圓孔。

為了保證散熱性，需要在制動(dòng)盤上打一些散熱孔，所以我們選擇在半徑為74mm、87mm和100mm的圓上各打12個(gè)直徑為8mm的孔用來(lái)散熱。

3.制動(dòng)盤強(qiáng)度校核

鉚釘強(qiáng)度的校核：查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，Q235鋼鉆孔所允許使用的切應(yīng)力為145Mpa，沖孔所允許使用的切應(yīng)力為115Mpa。這里安全起見(jiàn)，我們?nèi)?15Mpa。由于一個(gè)前輪制動(dòng)盤所需承受的制動(dòng)力矩為417.5N*m，鉚釘距輪芯軸線距離為L(zhǎng)1=55mm，所以一個(gè)鉚釘所承受切應(yīng)力為t=4*M1/（Z*л*（d12-d22）*L1）=4*417.5/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=19.75Mpa<<115Mpa. 后制動(dòng)盤所需承受制動(dòng)力矩為185N*m，鉚釘距輪芯軸線距離為L(zhǎng)2=55mm，所以一個(gè)鉚釘所承受切應(yīng)力為t=4*M2/（Z*л*（d12-d22）*L2）=4*185/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=9.4Mpa<<115Mpa.所以鉚釘強(qiáng)度足夠。

制動(dòng)盤材料的強(qiáng)度校核：制動(dòng)盤材料為2cr13不銹鋼，600攝氏度時(shí)彈性模量為172000Mpa，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得到其屈服極限和抗拉極限。得到這些參數(shù)后，利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，從ANSYS應(yīng)力分布圖可得，其強(qiáng)度足夠。

所以該制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)符合要求。

4 現(xiàn)有制動(dòng)盤還存在的可以改進(jìn)的地方

首先是材料方面，鋼材的密度較大，如果換用鈦合金或者耐高溫的碳纖維材料，制動(dòng)盤的重量將大幅降低，可以改善制動(dòng)盤以至于整車的性能。第二個(gè)方面是打孔方面。本設(shè)計(jì)所打的散熱孔都是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)打孔，再用ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度校核。如果利用ANSYS進(jìn)行拓?fù)浞治?，直接用拓?fù)涔δ苓M(jìn)行打孔，將得到更加合理的打孔方式。這兩點(diǎn)于此提出供讀者進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

FSAE充滿了魅力，吸引了眾多汽車愛(ài)好者的參與。希望能有更多的朋友走進(jìn)FSAE，關(guān)注FSAE，為FSAE在中國(guó)的發(fā)展提供更多的支持。