巴哈賽車制動系統(tǒng)設計

唐 倫

（湖南汽車工程職業(yè)學院，株洲 412001）

巴哈大賽起源于美國，它以前的名稱是大學生方程式汽車大賽，是一種微型越野車的設計與制作賽事，主要面向本科高等院校和高職院校開展。巴哈比賽的要求是在限定時間范圍內，利用統(tǒng)一規(guī)格的發(fā)動機，設計制作一臺只有單個座位、動力源中置、后輪驅動的微型越野車，并按要求進行多種測試，如靜態(tài)與動態(tài)項目測試。其中，靜態(tài)測試項目包含技術檢驗、車輛設計與制作、成本控制和商業(yè)運作等；動態(tài)測試項目包含發(fā)動機所產生的拖動力測驗、坡道爬行能力測驗、車輛直線加速能力測驗、持久力測驗等。本文以學生參加巴哈大賽制作的賽車為例，對其制動系統(tǒng)進行相關的計算和設計。

1 巴哈大賽對制動系統(tǒng)的要求

良好的車輛制動系統(tǒng)，通常由兩個控制器完成剎車動作，并且制動力是直接作用于四個車輪上的。此外，巴哈大賽對制動系統(tǒng)還有如下要求。

為防備油管漏油或者失去效用時，至少還有2個車輪保證有效的剎車效果，比賽車輛必須具備2個相互獨立的液壓回路，并且每一個液壓支路都有獨立的儲液罐。當單個車輪制動時，出現(xiàn)一定的滑移差是可以允許的。

制動系統(tǒng)在各個測試項目中，必須能抱死4個車輪。不允許采用線控制動和無保護的塑料材質制動管路。另外，為防止傳動失效或碰撞，導致剎車失效，制動裝置必須安裝保護罩。

從比賽車輛側邊看，裝備在車輛簧載質量上的剎車系統(tǒng)的任何零件都不容許伸展到車架與車身下面。為避免毀壞剎車系統(tǒng)或剎車踏板，剎車踏板在設計時要確保能經受住2000N的力。在正確坐姿下，通過賽方任何裁判作用在制動踏板上的最大壓力來進行測試。制作賽車制動踏板的材料不允許采用除鋁合金，鋼和鈦之外的材料加工。

2 剎車系統(tǒng)關鍵參數(shù)的計算

2.1 車輛基本參數(shù)

根據(jù)比賽要求，所設計制作的車輛基本參數(shù)如下：車輛裝滿時的總重量W為3136N；賽車的有效滾動半徑R為0.24m；賽車前后軸的軸距L為1.6m；賽車質心距離前軸的長度Lf為0.848m，質心距離后軸的長度Lb為0.752m，質心的高度H=0.26m。

2.2 賽車前后軸的法向反力

當車輛減速到8m/s2時，大地對車輛前軸和后軸的法向反作用力如式（1）、式（2）所示。

式中，Wf表示在沒有踩剎車的情況下以恰當?shù)乃俣刃旭偅诓慌懦諝鈩恿π獣r地面對前軸的法向作用力；Wb表示在沒有踩剎車的情況下以恰當?shù)乃俣刃旭?，在不排除空氣動力效應時地面對后軸的法向作用力；（a/g）表示制動強度，其單位值為“g”，在這里取0.8，即車輛剎車到減速度為8m/s2時的數(shù)值。假定車輛制動力分配系數(shù)為β，具體如式（3）所示。

圖l 制動強度和前后軸載荷的變化規(guī)律

根據(jù)圖1和計算結果可知，當車輛制動減速度為8m/s2時，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%。

2.3 車輪制動力矩的計算

同步附著系數(shù)φ0的大小由車輛的結構參數(shù)確定，用公式計算為：

對于選擇較大同步附著系數(shù)φ0的車輛，應從確保最好的制動穩(wěn)定性為出發(fā)點，來決定前軸和后軸的最大制動力矩，它們的計算如式（5）、式（6）所示

式中，Tfmax表示前軸的最大制動力矩；Tbmax表示后軸的最大制動力矩；q表示制動強度，即a/g，其值取0.8；R表示輪胎的有效滾動半徑；φ0表示同步附著系數(shù)。

2.4 制動鉗活塞直徑的計算

首先根據(jù)公式計算出前軸和后軸每個制動鉗對制動盤的壓緊力，計算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，Nf、Nb表示每個制動鉗在前軸和后軸制動盤上的壓緊力；μpad表示剎車片與制動盤之間的摩擦系數(shù)，通常取0.35～0.40，在這里取0.4；r表示制動盤的半徑。根據(jù)輪輞的尺寸，制動盤的直徑設計為220mm。根據(jù)制動盤上各側摩擦片的壓緊力計算出前后制動鉗的活塞直徑，如式（9）、式（10）所示。

式中，Df、Db表示前后軸制動鉗的活塞直徑；P表示制動管路所能承受的壓力。其值一般不大于12MPa，在這里取其值為5MPa。

3 關鍵部件的選擇和設計

3.1 制動鉗的選擇

根據(jù)上述制動系統(tǒng)的關鍵參數(shù)的計算，選擇活塞直徑為34mm，內部直徑為28mm的制動鉗，如圖2所示，與之配套的摩擦片如圖3所示。

圖2 賽車所選用的制動鉗

圖3 與制動鉗配套的摩擦片

3.2 制動主缸的選擇

己知條件：雙活塞制動鉗，活塞內部直徑D為28mm；制動盤與制動鉗之間的間隔通常為0.1～0.3mm，在這里取0.2mm；制動主缸的行程S一般在5～10mm，在這里取5mm。

車輛進行制動時，制動鉗所需制動液體積VD，具體計算公式如式（11）所示。

每個行程中制動主缸所需制動液體積Vd如式（12）所示。

由于Vd≥VD，經計算得知制動主缸的內徑d≥11.2mm。

綜合以上計算結果，選擇內徑為18mm的單缸制動主缸，它的性能足夠符合車輛制動性能的需要，所選擇的制動主缸如圖4所示。

3.3 制動盤的選擇與設計

因為轎車的輪輞大小與巴哈賽車的輪輞尺寸不同，在國內汽車零配件市場很難找到與我們要求相符合的制動盤，而向境外購買所需的資金又很高，因此，只能自行對制動盤進行設計和制作。根據(jù)制動鉗的安裝位置和輪輞直徑，最終確定制動盤的厚度為4mm，直徑為220mm。制動盤的冷卻問題是一個必須考慮的問題，雖然盤式制動器由于結構上的特點導致它的散熱性相對比較優(yōu)良，但為進一步提升賽車的制動性，設計了散熱孔均勻分布在制動器的圓周上，具體結構如圖5所示。

圖4 賽車所選擇的制動主缸

圖5 賽車所用制動盤

3.4 制動管路的選擇

剎車系統(tǒng)所用的管路主要有3種，如制動銅管、制動軟管和連接制動主缸與制動液儲液罐之間的橡膠軟管。通常這3種管路中工作要求比較高的是制動軟管與制動銅管，如制動銅管必須能夠經受住最少10MPa的壓力。分流裝置與制動鉗之間通過制動軟管連接，在設計和選擇時要求它有較好的活動性和柔韌性，本賽車所選擇的制動軟管如圖6所示。

圖6 賽車所用制動軟管

3.5 制動液儲液罐的選擇

對于制動液儲液罐的選擇，由于在真實比賽過程中，如果選取偏大的制動液儲液罐就會顯得較為笨拙，并且制動液也沒必要裝很多，否則在車輛高速行駛過程中，因為慣性較大，假如儲液罐安裝不牢固，則可能存在某些安全隱患。另外，比賽時為測驗剎車系統(tǒng)的安全性會進行排空氣，經綜合考慮最終選取了較小的儲液罐，如圖7所示。但是，由于儲液罐較小，所以為防備剎車系統(tǒng)出故障，所以要時常對制動液的液位進行檢查。

3.6 制動踏板的設計

因為巴哈BAJA賽車的特殊性，導致只能自己設計車輛的剎車踏板。在綜合考慮比賽選手的坐姿和踩踏的位置與大小后，利用Proe設計了杠桿放大比為6的剎車踏板。考慮盡量降低車身重量，最終選取材料為7075的高強度鋁合金制作制動踏板，如圖8所示。

圖7 賽車所用的制動液儲液罐

圖8 賽車所使用的制動踏板

4 結論

通過對剎車系統(tǒng)一些關鍵參數(shù)的計算，得出當車輛制動減速度為8m/s2時，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%，前軸和后軸的最大制動力矩分別為361.27N?m和240.8N?m。根據(jù)車輪每側摩擦片對制動盤的壓緊力，分別計算前后軸制動鉗的活塞直徑需分別大于等于28.9mm和26.4mm。

最后，根據(jù)上述計算結果，選擇活塞直徑為34mm、內徑為28mm的制動卡鉗和內徑為18mm的單缸制動主缸等，由于巴哈賽車的特殊性自行設計了制動盤和制動踏板。