某轎車盤式制動器設計

孫 帥

某轎車盤式制動器設計

孫 帥

（福建信息職業(yè)技術學院 智能制造學院，福建 福州 350408）

基于某轎車制動系統(tǒng)整車匹配進行優(yōu)化設計，旨在滿足相關法規(guī)下，簡化制動器設計過程。通過將整車性能參數與盤式制動器設計有機結合，制定盤式制動器設計策略。通過計算在制動過程中汽車制動系統(tǒng)各個車輪的最大制動力矩和選定該轎車同步附著系數，確定了盤式制動器的主要部件關鍵設計參數和材料，并經計算驗證了制動器各項性能均符合相關法規(guī)要求。最后，應用計算機輔助設計（CAD）軟件和UG軟件完成主要零件圖的繪制和三維建模。從而在滿足相關法規(guī)要求下，優(yōu)化了汽車制動器設計流程，同時為后續(xù)制動噪聲等問題研究奠定基礎。

盤式制動器；設計策略；制動力矩；UG；CAD

制動器作為制動系統(tǒng)關鍵部件，其性能對于汽車行駛安全性的影響至關重要。盤式制動器具有遇冷遇熱性能穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點，在轎車中得到普遍應用，故對其進一步優(yōu)化設計非常有必要[1-2]。

鄭堯剛等[3]建立多目標優(yōu)化函數，通過Isight對所設計的制動器制動過程中溫度場分布校核并進行結構強度分析。結果表明，在滿足制動性能的情況下，該優(yōu)化設計縮小了制動器外形結構。周俊波[4]針對盤式制動器制動過程中，溫度、磨損不均等問題，引入變異系數，對其制動塊進行參數耦合，建立模型仿真分析解決上述問題。季景方等[5]綜合利用CATIA和VB工具，建立了盤式制動器可視化界面，并對其零部件進行參數化設計。彭龍等[6]建立了盤式制動器區(qū)間概率混合不確定研究模型，并以系統(tǒng)穩(wěn)定性函數最大為設計目標，從而提高了制動器系統(tǒng)穩(wěn)定性。王教友[7]依據整車參數及性能要求對其前后車輪制動器進行設計，但其設計未對主要零部件進行校核且未實現零部件參數化管理，不同車型需重新設計一次制動器，增加設計工作量。STERGIOS等[8]提出在保證制動盤熱容量前提下，減小制動盤質量和改善散熱特性，同時校核其抗扭強度仍滿足相關法規(guī)要求。

針對上述，本文基于某轎車制動系統(tǒng)整車匹配進行優(yōu)化設計，旨在滿足相關法規(guī)下，簡化制動器設計過程。

1 盤式制動器設計流程

盤式制動器設計流程如圖1所示。

圖1 盤式制動器設計流程

首先，依據整車總體布置參數和已有的同等級汽車制動器，初步選定制動器主要參數進行設計；其次，初步對制動性能、磨損性能等進行校核以確保滿足相關法規(guī)要求；然后，進行演算、比較、迭代，直到制動器以較小尺寸和質量滿足性能使用要求；最后，進行三維制圖與性能分析。

1.1 整車參數

整車參數如表1所示，其中額定載客量為5人（每人按65 kg計算）。

表1 整車參數

1.2 制動力與制動力分配系數

忽略滾動阻力矩和慣性力矩的干擾，則轉速為的車輛，其制動過程力矩平衡方程為

式中，f為制動器對車輪的作用力矩，N·m；B為地面對車輪的制動力，N；ε為車輪有效滾動半徑，m。

汽車制動過程中，制動器制動力為

當制動踏板力加大，f與B均變大，但B受到地面附著力φ約束，則：

式中，為地面對車輪法向支持力，N；為輪胎與地面附著系數。

由于汽車制動時前、后車軸載荷發(fā)生轉移，則：

式中，12分別為前、后車軸實時載荷；為汽車重力；為軸距，mm；12分別為質心至前、后軸距離，mm；g為汽車質心高度，mm，為重力加速度，m/s2；dd為汽車制動減加速度，m/s2。

汽車總的地面制動力為

式中，為制動強度；B1、B2分別為前后軸車輪地面制動力，N。

綜合式（4）－式（6）可得前、后車輪附著力為

從式（7）、式（8）可以看出在附著系數為定值的路面上制動，其各軸附著力與制動強度、汽車總制動力成函數關系。

在汽車制動過程中，前、后車輪同時抱死時路面附著條件利用率達到最高，則：

聯立式（9）、式（10）可得

則汽車制動器動力分配系數為

1.3 同步附著系數計算

圖2為制動力分配曲線，通過坐標原點斜率為(1-)/，直線為線（即制動力分配線），另兩條曲線分別為汽車滿載、空載曲線。

圖2 制動力分配曲線

與線交點處的路面附著系數0為同步附著系數，它是由汽車結構參數決定，其計算式為

對于前、后制動器制動力固定比值的汽車，只有當路面附著系數=0時，其前、后制動器才同時抱死。

依據設計經驗，轎車滿載的同步附著系數取值范圍在0.65～0.8之間，同時由于所設計的某車型汽車大多在良好路面行駛，故其同步附著系數選取為0.72。

將式（13）改寫為

將同步附著系數代入得制動力分配系數為0.68。

1.4 最大制動力、最大制動力矩計算

當=0時，且汽車處于滿載時，結合理論力學知識可知，此時制動力為最大制動力，其值為

車輪有效ε=311 mm，其前、后車軸最大制動力矩為

所以，前、后輪制動器應有最大制動力矩分別為1.19 kN·m、0.56 kN·m。

2 主要參數的確定及材料選擇

2.1 制動器因素

制動器因素表示制動盤/制動鼓有效作用半徑上產生摩擦力與輸入力比值，可表示為

式中，為制動器因素；f為制動器摩擦力矩；為制動盤作用半徑；為輸入力。

假設盤式制動器兩側制動塊對制動盤的壓緊力均為，則制動盤兩側工作面摩擦力為。

綜上，盤式制動器制動因素為

2.2 制動盤主要參數確定

2.2.1制動盤直徑

汽車輪胎規(guī)格為195/60R16，表示其輪輞直徑為16英寸（即輪輞直徑為406.4 mm），綜合考慮成本、制動壓力、工作溫度等因素，前、后制動盤直徑1、2分別選取

1=0.78 mm,r=316.9 mm （20）

2=0.72 mm,r=292.6 mm （21）

2.2.2制動盤厚度

綜合考慮到空間、工作溫度以及制動過程制動盤所承擔的力矩大小等問題，前輪制動盤設計為通風制動盤，后輪制動盤設計為實心制動盤。前通風制動盤厚度1=25 mm；后實心制動盤厚度2=16 mm。

2.3 摩擦襯塊主要參數確定

2.3.1摩擦襯塊內、外半徑及厚度確定

摩擦襯塊外徑f2與內徑f1比值一般不超過1.5，若比值超過1.5，會造成制動襯塊摩擦不均勻，故選取制動器摩擦襯塊外、內半徑比值為1.4，前制動盤半徑為158.5 mm，由于摩擦襯塊外徑略小于制動盤半徑，故f2取150 mm，則f1=f2/1.4= 107 mm。

同理計算得后輪摩擦襯塊內、外半徑分別為103.6 mm、145 mm。

參考其他類似車型，摩擦襯塊厚度取=14 mm。

2.3.2摩擦襯塊有效半徑及工作面積

假設摩擦襯塊和制動盤接觸良好，且制動盤壓力分布均勻，其制動力矩可表示為

式中，為摩擦系數；為單側制動塊對制動盤壓緊力，N；為作用半徑，mm。

單側制動襯塊對于制動盤的制動力矩和對制動盤總摩擦力分別為

式中，摩擦系數=0.4，摩擦襯塊弧度角=π/6。

根據式（25）求得前、后制動襯塊有效半徑分別為129.7 mm、125.7 mm。

制動襯塊面積計算公式為

代入數值分別求得前、后制動襯塊面積為0.58 cm2、0.54 cm2。

2.3.3摩擦襯塊磨損特性計算

比能量消耗率是制動器能量負荷評價指標，表示摩擦面積在單位時間內消耗的能量，W/mm2。

式中，為汽車回轉質量換算系數，取值為1.3；a為汽車總質量；1、2分別為汽車初始速度和末速度；1、2分別為前、后制動襯塊摩擦面積；為制動減速度；為制動力分配系數。

在緊急制動過程中可認為2=0，且，代入式（27）、式（28）得1=1.47 W/mm2，2=0.8 W/mm2，均小于6.0 W/mm2，符合相關法規(guī)要求。

2.3.4比滑磨功

比滑磨功f是汽車制動時，由最高車速制動到停車過程單位襯塊面積的滑磨功，可表示為

式中，a max為汽車制動前最高車速，m/s；Σ為車輪制動襯塊總摩擦面積，cm2；[f]為許用比滑磨功，取值為小于等于1 500 J/cm2，取制動前車速為120 km/h，則求得實際比滑磨功為994 J/cm2，滿足要求。

2.3.5制動器熱容量和溫升核算

制動器制動過程中其比熱容量、溫升應滿足以下條件：

式中，d為制動盤總質量，取值4 kg；h為與制動盤相連的金屬總質量，取值5 kg；d為制動盤材料比熱容，其中鑄鐵為482 J/(kg.℃)，鋁合金為880 J/(kg.℃)；h為與制動盤相連受熱金屬件比熱容；t為制動盤溫升。

代入數據解得：

故滿足條件。

2.4 駐車制動計算

由汽車理論知識可知，汽車上、下坡路極限傾角可表示為

代入數據求得其極限上、下坡傾角分別為22.88°、16.57°，滿足要求。

2.5 主要零部件材料選取

2.5.1制動盤

制動盤由合金鑄鐵制成，其形狀為禮帽形，前、后制動盤分別為通風盤、實心盤。加工工藝需滿足制動盤兩側表面不平度＜0.008 mm，且表面粗糙度＜0.006 mm。

2.5.2制動鉗

制動鉗采用可鍛鑄鐵材料，且經鍍鉻處理，同時考慮制動過程中前軸輪轂軸承受力較大，后車輪可能伴隨有較多泥土甩出，故前制動鉗位于車軸后，后制動鉗位于車軸前。

2.5.3制動塊

制動塊由背板和摩擦襯塊構成。襯塊為扇形?；钊麎鹤≈苿訅K面積盡量較大，防止襯塊因卷角而引起尖叫。制動塊背板由鋼板制成。為減小制動噪聲，在摩擦襯塊與背板之間加一層隔熱減震墊。由于單位壓力大和工作溫度高等原因，摩擦襯塊的磨損較快，因此需適當增加其厚度至15 mm。盤式制動器裝有襯塊磨損達極限時的警報裝置，以便及時更換摩擦襯片。

2.5.4摩擦材料

制動器的摩擦材料應具有摩擦系數高且穩(wěn)定，抗熱、冷衰退性能好，耐擠壓及耐沖擊能力等特點，并且在汽車制動過程中不產生不良噪聲以及不良氣味。綜上考慮半金屬模壓材料具有環(huán)保、耐磨等優(yōu)勢，故采用半金屬模壓材料。

3 圖紙設計

浮嵌式盤式制動器的主要參數確定后，如表2所示，繪制浮嵌式盤式制動器主要零部件計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）圖，以及UG三維建模，以便生產。盤式制動器的前、后制動盤如圖3所示，前、后制動器UG總成圖如圖4所示。

表2 前、后制動器的關鍵設計參數

類型制動盤直徑/mm制動盤厚度/mm摩擦襯塊內徑/mm摩擦襯塊外徑/mm摩擦襯塊厚度/mm摩擦襯塊有效半徑/mm摩擦襯塊工作面積/cm2 前制動器316.925107.015014129.70.58 后制動器292.616103.614514125.70.54

圖3 前、后制動盤

圖4 前、后制動器總成UG圖

4 結論

以整車安全性能為目標，從整車參數出發(fā)，確定盤式制動器設計方案，同時根據設計方案得出其制動器參數，最后進行圖紙設計，在滿足相關法規(guī)要求下，簡化了汽車制動器設計流程，同時為后續(xù)學者進一步研究制動設計、制動噪聲等問題奠定基礎。

[1] 顧大煒.基于CFD的通風制動盤散熱性能研究與結構優(yōu)化[D].杭州:浙江大學,2018.

[2] 陳睿.制動盤結構參數對其溫度場和應力場影響研究[D].重慶:西南大學,2016.

[3] 鄭堯剛,熊新.基于多目標優(yōu)化車輛盤式制動器優(yōu)化設計分析[J].機械設計與制造,2019(11):107-110.

[4] 周俊波.基于變異系數的盤式制動器結構優(yōu)化設計[D].武漢:武漢理工大學,2009.

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[6] 彭龍,于德介,呂輝,等.汽車盤式制動器的制動結構優(yōu)化設計[J].計算機仿真,2016,33(8):146-152.

[7] 王教友.基于整車匹配的盤式制動器優(yōu)化設計及驗證[D].濟南:山東大學,2019.

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The Design of a Certain Sedan's Disc Brake

SUN Shuai

( Intelligent Manufacturing College, Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350408, China )

The optimization design of a certain car's braking system based on the vehicle matching aims to simplify the brake design process while meeting relevant regulations. By integrating the vehicle performance parameters with the design of disc brakes, a design strategy for disc brakes is formulated. Through calculations of the maximum braking torque on each wheel during the braking process and selecting the synchronous adhesion coefficient for the car, the key design parameters and materials for the main components of the disc brakes are determined and verified to comply with the requirements of relevant regulations. Finally, computer aided design(CAD) and UG software are utilized to complete the drawing of main parts and three-dimensional modeling. This optimized the design process of automotive brakes while meeting the requirements of relevant regulations, and lays the foundation for subsequent research on brake noise and other issues.

Disc brake; Design strategy; Braking torque; UG;CAD

U462

A

1671-7988(2023)20-59-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.012

孫帥（1990－），男，碩士，助教，研究方向為汽車安全、自動駕駛運動控制算法等，E-mail:sunshuai16@163.com。