汽車制動器與整車匹配設計方法研究

    (1)大都強調對制動系統(tǒng)的整體設計和性能計算，而對制動器的設計則以選型一提而過；制動器性能評價上也只是以計算個別指標為主，不能全面反映制動器的性能。

    (2)關于制動器與整車匹配設計方面的研究只是側重于某方面，如有的側重于制動力匹配設計，有的側重于制動器結構設計而沒有對其性能進行驗算，有的提到了制動器性能計算但忽略了對整車性能的計算。

    該文通過對制動器與整車匹配設計影響因素的分析，從制動器結構設計、制動器和整車性能計算等方面研究汽車制動器與整車匹配設計方法。

1 影響因素分析

    影響制動器與整車匹配的因素，在制動器方面有制動器的結構形式、制動器尺寸和質量、制動器摩有制動器的結構形式、制動器尺寸和質量、制動器摩擦材料的性能、制動器內部零件的傳動及其機械效率、制動器間隙，在整車方面有車輪結構尺寸、整車的載荷分配。
 
    1.1 制動器的結構形式

    不同的制動器結構，其制動效能因數(shù)及穩(wěn)定性不同，影響整車的制動性能。不同形式制動器的效能因素如圖1所示。

圖1 不同形式制動器的效能因數(shù) 

    由圖1可見：雙增力式制動器的效能最高，雙領蹄式次之，領從蹄式中等，盤式制動器效能因素最低。制動器制動效能穩(wěn)定性與其效能因數(shù)高低相反。在進行制動器設計時，要從整車所要求的制動性能出發(fā)，選擇合適的制動器形式。

    1.2 制動器結構尺寸和質量

    出于行駛穩(wěn)定性方面的考慮，選擇的汽車輪胎尺寸往往較小。因此，應選擇尺寸小而效能高的制動器。車輪制動器屬于非簧載質量，故應盡可能減輕其質量，以提高汽車行駛平順性。

    制動器的個別尺寸對制動器性能的影響也相當大，如鼓式制動器的制動蹄包角的影響。摩擦片的包角越大(通常為100°～130°)，則摩擦面積越大，磨損特性愈好，單位面積的制動力減小，制動效能越好。但制動包角過大會引起制動器自鎖。以固定銷式領從蹄制動器為例，減小制動蹄包角平分線與最壓力線夾角，可增大制動輸出力矩。這就是通常采用的改變制動蹄布置以增大制動力的辦法。

    1.3 制動器摩擦材料的性能

    摩擦材料的摩擦系數(shù)是影響制動器制動力矩及穩(wěn)定性的重要因素之一，要求摩擦材料具有一定摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性，這是確保制動器有足夠的效能及穩(wěn)定性的必要條件之一。盡管對摩擦材料在不同溫度下的摩擦系數(shù)波動作出了嚴格規(guī)定，生產廠家也熱性低，在高溫時極不穩(wěn)定(摩擦系數(shù)與溫度的關系見圖2)。當溫度升高時，摩擦材料的摩擦系數(shù)因酚醛樹脂的分解而迅速下降，400℃左右時降至最低值，從而使制動器力矩大大降低。

圖2 摩擦系數(shù)與溫度的關系

    1.4 制動器內部零件的傳動及其機械效率

    制動器內部零件的傳動及其機械效率直接決定整個制動器的工作效率，也就直接影響制動器和整車的制動性能。因此，對制動器的機械效率進行準確計算對于制動器和整車制動性能的預測與改進尤為重要。

    傳統(tǒng)凸輪式固定銷制動器計算中，機械效率只計凸輪與蹄摩擦損失，因此計算結果往往與臺架試驗相差甚遠。應該按下式計算制動器機械效率：

    根據(jù)的推薦值，制動凸輪軸與支承座機械效率為0.95～0.98，這里取0.95。制動蹄與凸輪之間的機械效率為0.7～0.9，漸開線形凸輪配滾輪的機械效率較高，而圓弧形凸輪配平臺的機械效率較低。具體計算如下：

    (1)對于圓弧形凸輪和平臺蹄片匹配方式，制動凸輪效率：

    式中：N為凸輪對蹄片的作用力；h為制動凸輪對制動蹄的作用力臂；f為凸輪蹄片摩擦系數(shù)；L為制動凸輪行程。

    對于漸開線形凸輪和滾輪蹄片匹配方式：

    式中：f'為凸輪與滾輪的摩擦系數(shù)；y為升角；y0為 初始升角；D為制動滾輪直徑；d為滾輪軸直徑。

 1.5 制動器間隙的影晌

    制動鼓與摩擦襯片之間或制動盤與摩擦襯塊之間在未制動的狀態(tài)下均應有工作間隙，以保證制動鼓或制動盤自由轉動。一般來說，鼓式制動器的設定間隙為0.2～0.5mm，盤式制動器為0.1～0.3mm(單側為0.05～0.15mm)。此間隙的存在會導 致踏板或手柄的行程損失，從而直接影響制動系統(tǒng)的靈敏度。因此，制動器間隙應盡量小。為了實現(xiàn)此目標，可安裝制動器間隙調整裝置，但調整裝置的結構形式和安裝位置必須保證調整操作簡便。

    1.6 車輪結構尺寸

    車輪的結構尺寸直接影響制動器安裝。對于鼓式制動器，車輪輪轂的直徑大小直接決定制動鼓的最大直徑，在設計時只能以此最大直徑為前提來實現(xiàn)整車性能方面的要求。對于盤式制動器也有同樣的情況，例如液壓盤式制動器主要是安裝在轉向節(jié)上，與其相關的有輪輞、輪轂等，有時由于結構等原因無法直接安裝在轉向節(jié)上，尤其是在“鼓改盤”時，則需要采用安裝板等過渡連接裝置。與輪轂有配合關系的主要是支架，支架安裝孔的下端面圓弧(圖3中的1處)必須保證支架的結構強度和制動半徑，同時還必須保證其與其下方的輪毅外圓端面(圖3中的2處)留有一定間隙，以免發(fā)生干涉。與制動盤的安裝關系見圖4。  

圖3 支架與輪轂配合圖

圖4 支架與制動盤配合圖

    1.7 整車的載荷分配

    整車的載荷分配直接決定制動器制動力矩要求，從而決定制動器所要實現(xiàn)的制動性能，這是制動器結構設計和材料選擇的一個前提。

2 制動器與整車匹配設計方法

    2.1 制動器形式的確定

    以雙軸汽車為例，制動器形式主要有全為盤式、全為鼓式、前盤后鼓等類型。主要根據(jù)車型、車輛所要滿足的制動性能、國家或行業(yè)標準及制動器本身的結構和性能特點等來確定制動器類型，例如重型汽車上一般采用鼓式制動器，以利用其較大的制動效能。

    2.2 制動器具體結構的確定

    根據(jù)整車參數(shù)及性能要求，確定制動器的結構參數(shù)和性能參數(shù)。在保證制動性能的前提下減小制動器的尺寸，有利于制動器的安裝和維修。同時通過對其力學性能(強度與剛度)與熱力學性能(一定工況下的制動器熱性能)進行反復計算和校核，確定制動器的結構參數(shù)。

    2.2.1 制動器結構確定的一般原則

    制動器設計中需考慮與某一確定車型的匹配問題，必須遵循如下原則：

    (1)滿足汽車性能的要求，主要是制動性能要求，如制動器的制動力矩和制動力必須滿足要求。

    (2)遵從相關法規(guī)或標準的要求。制動器的有些結構尺寸、所用材料及加工工藝等都有相應的法規(guī)限制，必須在法規(guī)(標準)下進行設計或選擇。

    (3)空間匹配良好。設計出的制動器必須能很順利地安裝到整車上，且能正常工作，不會與周圍部件發(fā)生干涉。

    (4)成本耗費較低，且盡量與所配車型相一致。在滿足性能的前提下，盡量做到低成本，主要體現(xiàn)在材料使用和加工工藝上，以降低整車的成本。但對于豪華車，為了達到高檔的目的，制動器成本可相應提高，使用更好的材料和加工工藝。

    2.2.2 制動器主要結構參數(shù)的確定

    鼓式制動器與盤式制動器主要參數(shù)的確定方法。

    2.2.3 制動器主要部件結構形式的確定

    制動器主要部件的結構形式對制動器的力學性能影響很大，如果設計合理，則在制動過程中不會產生剛度和強度方面的問題。在確定制動器主要部件的結構形式時應該選擇合理的布置形式，如制動底板形式(對鼓式制動器而言)的確定：制動底板中間 的凸臺突起方向應朝上，周邊要有加強肋以增加剛度，加強肋的位置以靠近支座為宜。

    2.2.4 制動器性能計算及評價

    (1)制動器效能因數(shù)計算。

    (2)制動器制動力矩計算。

    (3)制動器所產生的制動力計算，并與最大地“ 筒制動力作比較，判斷制動 所能提供的最大制動力是否滿足要求。如不滿足，則重新進行結構設計，然后進行校核，直到滿足為止。

    2.3 整車制動性能的理論驗算

    根據(jù)所給整車參數(shù)，由相關計算公式計算整車制動性能指標，最后與設計任務書指標要求和制動法規(guī)作比較，對匹配情況作理論分析。需驗算的項目有制動器制動力分配系數(shù) 、同步附著系數(shù) 。制動距離S、利用附著系數(shù)(備選計算項目)。

    2.4 試驗驗證

    2.4.1 臺架試驗

    對設計好的制動器進行臺架試驗，得到幾種預定工況下的制動器制動力情況，分析制動器能實現(xiàn)的制動力大小及其匹配是否合理。

    2.4.2 道路試驗

    將設計好的制動器安裝于所要匹配的車型上，按照相關標準規(guī)定的方法進行道路試驗。根據(jù)測得的相關試驗數(shù)據(jù)，分析汽車制動減速度、制動距離和制動穩(wěn)定性是否滿足國家標準或其他國外法規(guī)(如ECE法規(guī))要求。

    2.5 小結

    若通過理論計算及試驗驗證后汽車制動性能良好，則表明該制動器與整車匹配成功；若結果不理想，則需重新進行匹配設計，直到匹配成功。

3 結語

    該文在詳細分析影響制動器與整車匹配的因素的基礎上，提出了汽車制動器與整車匹配設計方法，該方法具有完整的設計思路和設計原則，彌補了以往方法的不足，可為汽車設計提供參考。