Baja賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析①

鄭昆明， 張榮蕓， 李浩然， 邱 天

(安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽賽事規(guī)則對(duì)制動(dòng)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(shí)，車手急踩剎車賽車四輪同時(shí)鎖止抱死且不發(fā)生側(cè)滑方可通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)車檢要求，以此來(lái)保證車手的安全，因此賽車制動(dòng)系統(tǒng)車檢的通過(guò)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(duì)這一問(wèn)題對(duì)賽車制動(dòng)系統(tǒng)零部件進(jìn)行了優(yōu)化分析，文獻(xiàn)[1]對(duì)賽車進(jìn)行了制動(dòng)踏板輕量化研究，探究了制動(dòng)力過(guò)剩問(wèn)題，為踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考；文獻(xiàn)[2]對(duì)制動(dòng)盤摩擦副結(jié)構(gòu)熱耦合進(jìn)行了分析，探究了溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，為制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；文獻(xiàn)[3]對(duì)賽車制動(dòng)系統(tǒng)及輕量化進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種中央盤式制動(dòng)器；文獻(xiàn)[4]對(duì)賽車制動(dòng)力分配系數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)MATLAB的冗余值法和最大制動(dòng)強(qiáng)度法，確定了賽車最佳分配系數(shù)的值，為計(jì)算提供理論依據(jù)。設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于賽車中，具有推廣價(jià)值。

1 賽車制動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)的組成

賽車制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)踏板、支撐底座、主缸、油壺、管路、四通、卡鉗、制動(dòng)盤等組成，雙主缸分別獨(dú)立控制前后輪制動(dòng)，雙油壺再連接制動(dòng)主缸，制動(dòng)主缸再由管路分別連接至前后四個(gè)制動(dòng)卡鉗，制動(dòng)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(dòng)力及分配系數(shù)計(jì)算

取路面附著系數(shù)為φ0=0.8，賽車水平路面行駛時(shí)，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(huì)四輪同時(shí)抱死且鎖止的規(guī)則，則需滿足制動(dòng)力等于路面附著力，即可通過(guò)公式(3)計(jì)算地面制動(dòng)力。

Fb=φ0mg

(3)

可得地面制動(dòng)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(dòng)器制動(dòng)力。

Fμ1=φ0Fn1

(4)

Fμ2=φ0Fn2

(5)

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

1.4 制動(dòng)盤選擇與設(shè)計(jì)

一般家用轎車制動(dòng)盤為雙層制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，且雙層制動(dòng)盤間有間隙，因此家用轎車制動(dòng)盤較厚，不適合用于Baja賽車制動(dòng)系統(tǒng)中，國(guó)外目前有銷售Baja賽車專用制動(dòng)盤，但由于距離較遠(yuǎn)、價(jià)格昂貴、運(yùn)輸成本高，因此不適合用于Baja賽車上。目前國(guó)內(nèi)各大高校所用賽車制動(dòng)盤都在嘗試自制，本賽季參賽賽車制動(dòng)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(diǎn)，制動(dòng)盤直徑在滿足制動(dòng)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(dòng)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(dòng)盤直徑D=172mm,在兼顧輕量化的前提，要防止制動(dòng)盤熱衰退對(duì)制動(dòng)盤產(chǎn)生的影響，因此通過(guò)Catia三維建模和Ansys分析可確定制動(dòng)盤厚度為h=4mm。

1.5 卡鉗與主缸的選擇與設(shè)計(jì)

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(dòng)輪缸直徑d與制動(dòng)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(dòng)盤的摩擦系數(shù)μ為0.45，油壓為4MPa,制動(dòng)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(shí)制動(dòng)輪缸夾緊力，制動(dòng)卡鉗作用在制動(dòng)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(hào)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(dòng)卡鉗直徑選擇為D0=32mm，選取的卡鉗型號(hào)為ps1對(duì)置雙活塞，制動(dòng)主缸型號(hào)為tilton76-625。

1.6 制動(dòng)管路及油壺的選擇

在制動(dòng)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(jì)的要求中，對(duì)制動(dòng)管路的要求為所有制動(dòng)管路的設(shè)計(jì)應(yīng)符合制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)期壓力，并與所使用的制動(dòng)液具有化學(xué)兼容性,制動(dòng)系統(tǒng)所處的工況對(duì)制動(dòng)管路的材料，制作工藝有極高要求。目前市場(chǎng)上銷售的制動(dòng)管路可用于Baja賽車制動(dòng)系統(tǒng)中，綜合考慮選用的制動(dòng)管路為特氟隆油管，具有耐高壓、耐高溫和耐磨損的特點(diǎn)，同時(shí)也符合強(qiáng)度要求，制動(dòng)油壺采用圓形標(biāo)準(zhǔn)油壺，價(jià)格低廉，具有防腐蝕性及耐用特點(diǎn)。

2 制動(dòng)系統(tǒng)的分析

2.1 制動(dòng)盤

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

利用Catia軟件對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)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(shí)際工況對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)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(shí)際制動(dòng)過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)和24332個(gè)單元，設(shè)定4個(gè)半圓定位孔為固定約束，在制動(dòng)盤圓周面加制動(dòng)盤所受最大制動(dòng)力矩，由上述計(jì)算得最大制動(dòng)力矩為51989.4N/mm，求解結(jié)果如下圖1制動(dòng)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(jì)。

表2 制動(dòng)盤材料參數(shù)

圖1 制動(dòng)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(hào)鋼，具體參數(shù)如下表3，組委會(huì)規(guī)則對(duì)踏板要求是能承受最大2000N的力，本賽季踏板設(shè)計(jì)采用踏板直接推動(dòng)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(gè)制動(dòng)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(gè)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(duì)制動(dòng)踏板及支撐底座進(jìn)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(dòng)踏板網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)30397和單元數(shù)15712，得出支撐底座網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(shí)，幾乎未發(fā)生形變，因此不需要再進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變，符合輕量化和強(qiáng)度要求，由已知45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度為236.7MPa,圖2制動(dòng)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(hào)鋼的屈服極限，符合輕量化和強(qiáng)度要求。

圖2 制動(dòng)踏板應(yīng)力分布圖

圖3 支撐底座應(yīng)力分布圖

圖4 制動(dòng)踏板變形分布圖

圖5 支撐底座變形分布圖

2.3 制動(dòng)踏板總成設(shè)計(jì)

制動(dòng)踏板總成采用各零部件焊接拼裝設(shè)計(jì)，踏板固定孔與底座耳片相連接，單個(gè)制動(dòng)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(dòng)踏板總成圖。

圖6 制動(dòng)踏板總成建模圖

3 整車制動(dòng)系統(tǒng)路面調(diào)試與驗(yàn)證

為了保證本賽季賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性及在賽場(chǎng)能夠順利通過(guò)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)組委會(huì)的制動(dòng)安全車檢，在整車裝配結(jié)束后選擇一個(gè)全封閉路段進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的路面測(cè)試，測(cè)量賽車從踩下制動(dòng)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(dòng)效能情況。初始時(shí)賽車經(jīng)過(guò)對(duì)主缸平衡桿的調(diào)整和制動(dòng)卡鉗的排液，使賽車能夠達(dá)到4輪抱死的效果，制動(dòng)測(cè)試路面長(zhǎng)為100m，賽車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，賽車從速度為0直線加速到50km/h時(shí)，急踩制動(dòng)踏板，制動(dòng)測(cè)試結(jié)果如下表4所示。

表4 制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表格中測(cè)試數(shù)據(jù)可知，第一次測(cè)試和第二次測(cè)試結(jié)果未通過(guò)，且第二次發(fā)生側(cè)滑，探究其原因?yàn)橹苿?dòng)液中空氣未排完全，導(dǎo)致主缸通過(guò)油管傳遞給卡鉗的油壓壓力較小。重新排液后進(jìn)行第二次測(cè)試，第二次測(cè)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?yàn)樽笥逸喼苿?dòng)力不相等。經(jīng)過(guò)第二次排液后，進(jìn)行第三次測(cè)試，結(jié)果表明制動(dòng)距離縮短，四輪發(fā)生抱死且鎖止，測(cè)試結(jié)果合格，為避免偶然性，連續(xù)進(jìn)行兩次制動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均通過(guò)，且制動(dòng)距離與理論值相比較小，符合預(yù)期結(jié)果，符合中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽組委會(huì)規(guī)則要求，且已通過(guò)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽組委會(huì)車檢。

4 結(jié) 語(yǔ)

以Baja賽車為例，制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零件的經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)計(jì)、選型、有限元分析及路面調(diào)試與驗(yàn)證，到最終順利通過(guò)組委會(huì)的制動(dòng)安全檢查，最短制動(dòng)距離為14.9m,四輪同時(shí)抱死且鎖止，未發(fā)生側(cè)滑及偏移。表明所設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)是合格的。設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于賽車中，具有推廣價(jià)值。設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)在賽場(chǎng)上順利完成了相關(guān)的測(cè)試動(dòng)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(jiǎng)。在未來(lái)的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以考慮對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行熱衰退分析，計(jì)算出賽車在連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤溫度峰值，從而可以對(duì)制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。