汽車盤式制動器的結(jié)構(gòu)及其制動性能評價分析

李小強(qiáng)

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

引言

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展背景下，各類制動器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，鼓式制動器以及盤式制動器成為當(dāng)前汽車制動器兩種主流形式，二者各有優(yōu)劣，但是隨著汽車行駛速度不斷提升，盤式制動器在其頻繁執(zhí)行制動動作后依然具有較高的穩(wěn)定性、散熱效果較好、方便維修等優(yōu)勢影響下，逐漸得到廣泛應(yīng)用。由此，加強(qiáng)對其結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。

1 盤式制動器工作原理及構(gòu)造

1.1 工作原理

盤式制動器在實際執(zhí)行制動動作過程中，儲存在油缸之中的油液會被壓入內(nèi)輪缸之中，隨后在液壓作用下，制動器中的活塞部件擠壓制動塊，并利用此動作壓緊制動盤進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力矩，最終實現(xiàn)制動目的。在制動過程中，活塞部件運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力會導(dǎo)致設(shè)置于輪缸槽部分的矩形橡膠圈產(chǎn)生一定幅度的彈性形變，該形變屬于正常設(shè)計，在后續(xù)放松制動后，橡膠圈恢復(fù)彈性過程中可以配合彈簧彈力促使活塞以及制動塊復(fù)位。橡膠密封圈實際產(chǎn)生形變的幅度較小且恢復(fù)性較強(qiáng)，在制動器不進(jìn)行制動條件下，其與摩擦片與制動盤之間的間隙僅有0.1 mm 左右，確保其可以順利解除制動[1]。制動盤在實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受熱膨脹原理影響會導(dǎo)致厚度出現(xiàn)一定程度變化，但是變化較為微小，實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會產(chǎn)生影響制動性能的脫滯問題。矩形橡膠圈在制動器中除發(fā)揮其應(yīng)有的密封作用外，還可以有效保障活塞部件在完成制動動作后復(fù)位，同時對間隙進(jìn)行自動調(diào)整。

1.2 主要構(gòu)件組成

通常情況下，制動器主要由制動盤、制動鉗以及制動盤摩擦襯塊三部分組成。

制動盤部件在制動器設(shè)計中通常安裝于車輛輪轂之上，以確保制動盤在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與車輪之間進(jìn)行同步同向旋轉(zhuǎn)。制動盤在設(shè)計過程中被定位為旋轉(zhuǎn)部件，在實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與制動器中的摩擦襯塊之間存在可以忽略不計的微小孔隙。制動盤的有效半徑是影響其制動效果的主要指標(biāo)，測量方式為對制動盤中心點以及摩擦襯塊磨合中心距離進(jìn)行測量，所得結(jié)果即為有效半徑。依據(jù)杠桿原理，在摩擦力相同的條件下，制動力與制動盤直徑成正相關(guān)關(guān)系，即制動力會隨著制動盤半徑的提升而提升[2]。

制動鉗通常被設(shè)計為對稱的兩部分，在實際安裝過程中利用螺栓進(jìn)行連接，該元件的鉗件強(qiáng)度及剛度較大，且具備防振效果。

摩擦襯塊是制動器順利發(fā)揮制動作用的重要組成部分，該部件被設(shè)計為利用鉗夾活塞推向并擠進(jìn)制動盤的主要部件，具體構(gòu)成由摩擦襯塊與地板壓嵌而成。針對摩擦襯塊的設(shè)計中，規(guī)范要求其實際內(nèi)外半徑以及規(guī)定最佳內(nèi)外半徑之間的比值控制在1.5 以下。經(jīng)過大量實踐分析可知，此比值在高于1.5 的情況下，部件運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外緣以及內(nèi)側(cè)圓周速度之間存在較為明顯的差異性，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)磨損不均并對不見接觸面積造成較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，最終使得整個制動器的制動力矩產(chǎn)生大幅變化，影響制動性能[3]。

2 盤式制動器結(jié)構(gòu)分析及性能評價指標(biāo)

2.1 浮鉗盤式制動器分析

2.1.1 浮鉗盤式制動器制動過程

浮鉗盤式制動器結(jié)構(gòu)中，制動鉗部件通常安裝于制動盤中心軸之上。制動盤軸在制動器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主要發(fā)揮沿軸導(dǎo)向作用。該形式設(shè)備在安裝過程中為確保維修便利性，通常將制動盤內(nèi)側(cè)區(qū)域安裝液壓油缸，而外側(cè)摩擦片則與鉗體共同安裝，制動器簡圖如圖1 所示。

圖1 浮鉗盤式制動器簡圖

圖1 中，標(biāo)號1～8 分別為制動鉗體、導(dǎo)桿、制動鉗支架、制動盤、摩擦片、活動摩擦片、油缸、活塞。其中制動鉗支架通常被安裝于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)部分。制動鉗體在實際運(yùn)作過程中可以與支架共同移動，沿導(dǎo)桿執(zhí)行軸箱滑動動作。制動器在實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中油缸中存在的油液會依據(jù)液壓力P1所示作用線注入，并利用液壓作用推動活動摩擦片擠壓制動盤。在此過程中，制動鉗體之上會沿反作用力P2所示方向產(chǎn)生反作用力，并推動制動鉗部件沿導(dǎo)桿進(jìn)行右向位移，進(jìn)而促使摩擦片緊緊壓在制動盤部件上。隨后摩擦片部件會在P1、P2兩個方向作用下擠緊制動盤，并使其新形成與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反的制動力矩，最終實現(xiàn)制動目的。

2.1.2 浮鉗盤式制動器優(yōu)勢及缺陷

浮鉗盤式制動器的優(yōu)勢集中表現(xiàn)在以下幾方面：第一，制動盤工作表面采用平面設(shè)計，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生形變的概率較低，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的制動效果；第二，制動器浸水對制動性能的影響有限，只需執(zhí)行一兩次制動動作即可恢復(fù)正常性能；第三，該形式制動器油缸采取單側(cè)安裝形式，使得整體結(jié)構(gòu)較為簡潔，為安裝及布局提供了較大便利性，且此設(shè)計使得制動器占用空間尺寸較小。

浮鉗盤式制動器的短板主要為以下幾點：第一，用于液壓制動系統(tǒng)時，所需要的制動液壓管路壓力較高，要求液壓系統(tǒng)密封性要好；第二，制動溫度高，易出現(xiàn)氣阻，所以一般要釆用助力裝置；第三，制動鉗體相對中心軸的可移動性，加大了振動和噪聲產(chǎn)生的可能，易引起磨損；第四，作為駐車制動器使用時，需要加裝的駐車傳動裝置較其他制動器復(fù)雜，因而在后輪上的使用受到限制；第五，難以完全防止銹蝕[4]。

2.2 制動性能評價指標(biāo)

狹義層面的汽車制動性能是汽車在行駛過程中短距離內(nèi)即可實現(xiàn)車輛停止，同時確保行駛方向穩(wěn)定，此外，制動性能還體現(xiàn)在車輛在下長坡時可以保持一定車速。車輛制動性能是評價其整體安全性的重要指標(biāo)。通過分析大量交通事故產(chǎn)生原因可知，制動距離過長、緊急制動方向不穩(wěn)定是引發(fā)交通事故的主要原因。因此，各國在實際發(fā)展過程中均對汽車制動性能評價指標(biāo)作出明確規(guī)定，具體如表1 所示。

表1 部分國家對汽車制動系統(tǒng)性能的要求

針對汽車制動性能的評價標(biāo)準(zhǔn)主要包含以下三方面：第一，制動效能，即制動距離與制動減速度；第二，制動效能恒定性；第三，進(jìn)行制動時汽車行駛方向的穩(wěn)定性，即汽車在剎車時保證不發(fā)生方向偏移、側(cè)滑和可操控的轉(zhuǎn)向的性能。

2.2.1 汽車制動效能分析

汽車行駛過程中需要的制動減速度需要車輛接受如地面摩擦力或空氣阻力一類的外力反作用?？紤]到空氣阻力無法有效為車輛提供所需的反作用力，因此路面摩擦成為車輛制動的主要外力反作用力來源。制動動作實際執(zhí)行中，車輪會與路面產(chǎn)生相對摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生與行進(jìn)方向相反的阻力，此即為地面制動力，該作用力與車輛制動距離成負(fù)相關(guān)，即作用力提升會縮短車輛制動距離。由此可見，地面制動力直接影響車輛制動性能。

圖2 為車輛執(zhí)行制動動作過程中車輪綜合受力情況。在對車輪綜合受力情況進(jìn)行分析過程中不考慮減速過程中產(chǎn)生的慣性、慣性力偶矩因素。由圖2 中信息所示，Tμ為制動器中摩擦片及制動盤相對滑動過程中產(chǎn)生的摩擦力矩，單位為N·m；FXb為地面制動力，單位為N；W、Tp、Fz分別為車輪垂直載荷、車軸對車輪推力、地面對車輪的法向作用力，單位均為N。

圖2 車輪制動綜合受力情況

地面制動力是使汽車制動或減速行駛的外力，主要由摩擦片與制動盤之間的摩擦力，以及地面作用在輪胎上的摩擦力組成。

制動器的制動力是其執(zhí)行制動動作過程中在輪胎圓周部分生成的用以克服制動器摩擦力扭矩所需的力，通常情況下用Fμ表示。制動力等同于車輛架空狀態(tài)下，制動器運(yùn)作過程中在車輛輪胎圓周切線方向上產(chǎn)生的作用力。其與制動動作執(zhí)行過程中，推動車輪直至車輪轉(zhuǎn)動所需力大小相同。

考慮到制動器的制動力與車輛實際行駛狀況之間不存在直接關(guān)聯(lián)，因而制動力直接由制動器本身結(jié)構(gòu)所決定，即制動器設(shè)計形式、尺寸等指標(biāo)直接影響制動力大小。同時該力與踩踏板時液壓力成正相關(guān)，即制動力會隨著液壓力提升而提升。

2.2.2 制動效能恒定性

車輛在進(jìn)行高速行駛或處于下長坡條件下，車輛制動頻率相較正常行駛或平整路面行駛時的制動頻率會顯著提升，由此，會導(dǎo)致制動時間增長以及高速制動。制動器在實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受摩擦力影響，大量動能轉(zhuǎn)化為熱能，且短時間內(nèi)熱能無法得到消散，進(jìn)而使得制動器溫度激增，通常情況溫度增長范圍會處于300～600 ℃范圍內(nèi)，極值可以達(dá)到650 ℃左右。車輛前制動器每執(zhí)行一次制動動作，溫度上升幅度為11 ℃左右，而后輪制動器的溫度增長幅度為7.5 ℃左右。在制動器溫度出現(xiàn)激增情況后，摩擦片的摩擦系數(shù)必然會出現(xiàn)下降情況，進(jìn)而導(dǎo)致制動器摩擦力矩下降，研究者將其稱之為制動器熱衰退，這種情況不可避免，僅能通過設(shè)計降低熱衰退幅度。

3 結(jié)語

在當(dāng)前時代背景下，汽車已經(jīng)成為民眾出行的主要代步工具，在民眾日常生活中占據(jù)重要位置，然而汽車保有量的提升也使得交通事故發(fā)生概率大幅提升，由此，車輛安全性已經(jīng)成為社會各界關(guān)注的焦點。制動器作為決定車輛行駛安全的關(guān)鍵要素，加強(qiáng)對其研究力度具有重要現(xiàn)實意義。