巴哈賽車中央盤式制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

范柳斌 鐘濠名 梁智凱

摘要：巴哈賽車是一款馳騁于越野賽場(chǎng)的賽車，而賽車的操縱性與輕量化決定著賽車的性能。因此，設(shè)計(jì)一款既能滿足操縱性與通過(guò)性，又能夠滿足賽車的輕量化設(shè)計(jì)的賽車，在比賽中就起到了重要的作用。由制動(dòng)系統(tǒng)液壓回路的設(shè)計(jì)可知，前輪所需要的制動(dòng)力比后輪所需要的更多，除了通過(guò)調(diào)整平衡桿優(yōu)化制動(dòng)力的分配，還可適當(dāng)減少整車重量，進(jìn)而對(duì)賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與賽車的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得輕量化設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，在保證賽車操縱性與穩(wěn)定性的同時(shí)，完善賽車的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)程。

Abstract： The Baja racing car is a racing car that gallops in the cross-country arena， and the maneuverability and light weight of the car determine the performance of the car. Therefore， designing a car that can not only meet the maneuverability and passability， but also meet the lightweight design of the car， plays an important role in the competition. From the design of the hydraulic circuit of the brake system， it can be seen that the front wheels require more braking force than the rear wheels. In addition to optimizing the distribution of braking force by adjusting the balance bar， the weight of the vehicle can also be appropriately reduced to brake the car. The design of the system is optimized with the lightweight design of the car， and finally a lightweight design braking system is obtained. While ensuring the maneuverability and stability of the car， it improves the lightweight design process of the car.

關(guān)鍵詞：巴哈;輕量化;中央盤式制動(dòng);設(shè)計(jì)

Key words： Baja;lightweight;central disc brake;design

中圖分類號(hào)：U469.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0020-03

0? 引言

根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽的要求，需設(shè)計(jì)一款能滿足比賽需求的越野賽車來(lái)進(jìn)行競(jìng)賽，因此對(duì)于賽車輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及操縱性能的提高，就需要有更嚴(yán)格的思考與修正。因此，對(duì)于賽車的制動(dòng)系統(tǒng)提出優(yōu)化方案，改善賽車的操縱性。

1? 明確制動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，明確賽車的主要參數(shù)，以表1為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2? 中央盤式制動(dòng)論證與分析

2.1 制動(dòng)力的計(jì)算

根據(jù)比賽場(chǎng)地條件，可將同步附著系數(shù)近似?。繚n0=0.7。因此，可以根據(jù)整車參數(shù)得到制動(dòng)力分配系數(shù)β，進(jìn)而確定制動(dòng)器的分配力與分配后獲得的制動(dòng)力矩。

由公式

可知，制動(dòng)力分配系數(shù)β=0.64。在賽車制動(dòng)時(shí)，在理想條件下前后輪同時(shí)抱死，此時(shí)結(jié)合輪胎半徑re可得前軸制動(dòng)力矩：

再由式子

可知后輪制動(dòng)力矩：

由此獲得前后軸摩擦力矩的大小。

取制動(dòng)主缸缸徑為0.625英寸，設(shè)此時(shí)平衡桿處于平衡狀態(tài)，后軸液壓回路壓強(qiáng)為6MPa。

設(shè)輪邊盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，其中f摩擦因數(shù);F0為單側(cè)摩擦片對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，R為摩擦片作用半徑。

中央盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩;

而。

因此可以根據(jù)F01與F02得出需要采取的制動(dòng)輪缸缸徑。經(jīng)計(jì)算可得d1=18.61m，d2=21.31mm。取后輪輪邊盤式制動(dòng)卡鉗缸徑d1=32mm，中央盤式制動(dòng)卡鉗缸徑d2=30mm。

接著對(duì)中央盤式制動(dòng)方案可行性進(jìn)行分析可知，在輪邊盤式制動(dòng)能夠提供足夠制動(dòng)力矩的情況下，采用中央盤式制動(dòng)時(shí)，假設(shè)制動(dòng)主缸缸徑無(wú)變化且踩踏踏板的力也無(wú)變化，將制動(dòng)器進(jìn)行選擇與替換，采用單邊的盤式制動(dòng)，則制動(dòng)油管中的油壓也不發(fā)生變化。

設(shè)采用輪邊制動(dòng)方式時(shí)，一個(gè)后輪卡鉗與制動(dòng)盤之間的總摩擦力為F1，有效摩擦半徑為R1，卡鉗缸徑為d1。

采用中央盤式制動(dòng)方式時(shí)，四缸卡鉗與制動(dòng)盤之間的總摩擦力為F2，有效摩擦半徑為R2，卡鉗缸徑為d2。

求兩種方式卡鉗與制動(dòng)盤摩擦提供的總摩擦力矩之比λ：

假設(shè)更換制動(dòng)方式引起的總車質(zhì)量無(wú)變化，且前輪卡鉗與制動(dòng)盤提供的摩擦力矩不發(fā)生變化，則后輪中央盤式制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)盤作用提供的總摩擦力矩大于輪邊制動(dòng)兩個(gè)卡鉗與制動(dòng)盤作用提供的總力矩之和，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

再分析λ與1的大小關(guān)系：中央盤式制動(dòng)制動(dòng)盤直徑較輪邊制動(dòng)制動(dòng)盤直徑大，根據(jù)選擇或設(shè)計(jì)的制動(dòng)盤尺寸可知，有效半徑R1大約為73.33mm，有效半徑R2大約為102.5mm，輪邊盤式制動(dòng)卡鉗輪缸缸徑d1=32mm，中央盤式制動(dòng)卡鉗缸徑d2=30mm，計(jì)算得λ≈0.814。即中央盤式制動(dòng)力矩更大，更有利于賽車制動(dòng)。

綜上，中央盤式制動(dòng)方案可行，且摩擦力矩過(guò)剩，在減輕質(zhì)量的同時(shí)，有助于制動(dòng)穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。故可以采用中央盤式制動(dòng)。

2.2 輕量化設(shè)計(jì)的辨識(shí)

根據(jù)采購(gòu)與設(shè)計(jì)的制動(dòng)盤，如表2所示，對(duì)其進(jìn)行對(duì)照。

由表知，除去中央盤式制動(dòng)盤鉚釘?shù)馁|(zhì)量，中央盤式制動(dòng)更輕一些。對(duì)于整車而言，每個(gè)微小的改動(dòng)都會(huì)對(duì)整車的性能產(chǎn)生極大的影響，因此，制動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的減輕，優(yōu)化了賽車輕量化設(shè)計(jì)的進(jìn)程，提高了賽車的操縱性。

同時(shí)，根據(jù)整車布置來(lái)看，中央盤式制動(dòng)也比輪邊盤式制動(dòng)的制動(dòng)液壓回路短一些，一定程度上也能減少整車質(zhì)量，少許提高了賽車的操縱性與制動(dòng)靈敏度。而少去的緊固件以及優(yōu)化之后的制動(dòng)器，對(duì)比原方案則會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

3? 中央制動(dòng)的思路與設(shè)計(jì)方案

由上述的論證方案可知，中央盤式制動(dòng)在制動(dòng)力的利用率方面，以及質(zhì)量的減少方面都占有優(yōu)勢(shì)，因此，中央盤式制動(dòng)的設(shè)計(jì)思路可取。進(jìn)而需要對(duì)于賽車制動(dòng)系統(tǒng)的布置進(jìn)行思考與研究。

在傳統(tǒng)的巴哈賽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式上，采用Ⅱ型油路制動(dòng)，每個(gè)制動(dòng)主缸各控制一根軸上的制動(dòng)卡鉗，制動(dòng)力分配由平衡桿對(duì)其進(jìn)項(xiàng)制動(dòng)力的調(diào)整與分配。中央盤式制動(dòng)的液壓油路布置亦采用Ⅱ型，如圖1。由于整車電氣需要對(duì)信息進(jìn)行采集，因此前軸使用三通，后軸可使用二通，通過(guò)液壓開關(guān)來(lái)進(jìn)行電信號(hào)的傳遞。

對(duì)于后軸制動(dòng)器的布置，則根據(jù)重心位置的左右偏移來(lái)最終確定制動(dòng)器的作用對(duì)象。

根據(jù)整車安全思考，中央盤式制動(dòng)不應(yīng)作用在半軸上，因此，作用位置取內(nèi)球籠;由于傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器的作用，限制一根半軸的旋轉(zhuǎn)則會(huì)影響另一根半軸的旋轉(zhuǎn)，則可知，只是作用于一根半軸也可實(shí)現(xiàn)后軸的制動(dòng)。

因此可以取在減速器殼體上安裝轉(zhuǎn)接碼，為四缸卡鉗提供附著位點(diǎn);在內(nèi)球籠上設(shè)計(jì)法蘭盤，根據(jù)質(zhì)心的偏移選擇左右內(nèi)球籠，為制動(dòng)盤提供附著位點(diǎn)。由二者相互作用產(chǎn)生的制動(dòng)力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)后軸的制動(dòng)。

由此完成對(duì)中央系統(tǒng)的布置，獲得初始的中央盤式制動(dòng)系統(tǒng)。

4? 分析過(guò)程

首先進(jìn)行制動(dòng)器的選擇，確定采用的制動(dòng)盤。由上述部分中可知，采用規(guī)格為30mm四活塞卡鉗，根據(jù)整車位置的布置，確定制動(dòng)盤的有效作用半徑，并根據(jù)空間位置布置，得出制動(dòng)盤的有效半徑為102.5mm左右，最終以此為依據(jù)確定制動(dòng)盤的型號(hào)，并對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行熱力耦合分析。

根據(jù)制動(dòng)盤的型號(hào)以及材料，獲得制動(dòng)盤本身的參數(shù)，如表3。

得到如圖2-圖3的制動(dòng)盤溫度場(chǎng)云圖與安全系數(shù)圖。

持續(xù)減速時(shí)長(zhǎng)為

0.55s，溫度變化由室溫22℃最高變化至680.12℃，

受到的扭矩由計(jì)算知，為153.55N·m，制動(dòng)壓力為1978.4N，由此可知，散熱良好，制動(dòng)效能恒定性較好。

再分析連接減速器殼體與制動(dòng)卡鉗得轉(zhuǎn)接碼，如圖4、圖5，固定B、C點(diǎn)于減速器殼體上，設(shè)A處兩點(diǎn)連接卡鉗，對(duì)A處兩點(diǎn)附近施加1486.3N的力，其安全系數(shù)最小處為2.42，品質(zhì)合格。

5? 結(jié)論

中央盤式制動(dòng)優(yōu)化了賽車的輪邊布置，優(yōu)化了賽車布置空間，減少了賽車的質(zhì)量，提高了賽車的操縱性，使賽車更有利于競(jìng)賽。

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