汽車制動器與整車匹配設(shè)計(jì)方法研究

    (1)大都強(qiáng)調(diào)對制動系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和性能計(jì)算，而對制動器的設(shè)計(jì)則以選型一提而過；制動器性能評價(jià)上也只是以計(jì)算個(gè)別指標(biāo)為主，不能全面反映制動器的性能。

    (2)關(guān)于制動器與整車匹配設(shè)計(jì)方面的研究只是側(cè)重于某方面，如有的側(cè)重于制動力匹配設(shè)計(jì)，有的側(cè)重于制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而沒有對其性能進(jìn)行驗(yàn)算，有的提到了制動器性能計(jì)算但忽略了對整車性能的計(jì)算。

    該文通過對制動器與整車匹配設(shè)計(jì)影響因素的分析，從制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動器和整車性能計(jì)算等方面研究汽車制動器與整車匹配設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式、制動器尺寸和質(zhì)量、制動器摩有制動器的結(jié)構(gòu)形式、制動器尺寸和質(zhì)量、制動器摩擦材料的性能、制動器內(nèi)部零件的傳動及其機(jī)械效率、制動器間隙，在整車方面有車輪結(jié)構(gòu)尺寸、整車的載荷分配。
 
    1.1 制動器的結(jié)構(gòu)形式

    不同的制動器結(jié)構(gòu)，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(lǐng)蹄式次之，領(lǐng)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(jìn)行制動器設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)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(yīng)選擇尺寸小而效能高的制動器。車輪制動器屬于非簧載質(zhì)量，故應(yīng)盡可能減輕其質(zhì)量，以提高汽車行駛平順性。

    制動器的個(gè)別尺寸對制動器性能的影響也相當(dāng)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(lǐng)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(yán)格規(guī)定，生產(chǎn)廠家也熱性低，在高溫時(shí)極不穩(wěn)定(摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系見圖2)。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)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(guān)系

    1.4 制動器內(nèi)部零件的傳動及其機(jī)械效率

    制動器內(nèi)部零件的傳動及其機(jī)械效率直接決定整個(gè)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(jī)械效率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算對于制動器和整車制動性能的預(yù)測與改進(jìn)尤為重要。

    傳統(tǒng)凸輪式固定銷制動器計(jì)算中，機(jī)械效率只計(jì)凸輪與蹄摩擦損失，因此計(jì)算結(jié)果往往與臺架試驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)。應(yīng)該按下式計(jì)算制動器機(jī)械效率：

    根據(jù)的推薦值，制動凸輪軸與支承座機(jī)械效率為0.95～0.98，這里取0.95。制動蹄與凸輪之間的機(jī)械效率為0.7～0.9，漸開線形凸輪配滾輪的機(jī)械效率較高，而圓弧形凸輪配平臺的機(jī)械效率較低。具體計(jì)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(yīng)有工作間隙，以保證制動鼓或制動盤自由轉(zhuǎn)動。一般來說，鼓式制動器的設(shè)定間隙為0.2～0.5mm，盤式制動器為0.1～0.3mm(單側(cè)為0.05～0.15mm)。此間隙的存在會導(dǎo) 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(yīng)盡量小。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，可安裝制動器間隙調(diào)整裝置，但調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)形式和安裝位置必須保證調(diào)整操作簡便。

    1.6 車輪結(jié)構(gòu)尺寸

    車輪的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)只能以此最大直徑為前提來實(shí)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(zhuǎn)向節(jié)上，與其相關(guān)的有輪輞、輪轂等，有時(shí)由于結(jié)構(gòu)等原因無法直接安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上，尤其是在“鼓改盤”時(shí)，則需要采用安裝板等過渡連接裝置。與輪轂有配合關(guān)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制動半徑，同時(shí)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(guān)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(shí)現(xiàn)的制動性能，這是制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇的一個(gè)前提。

2 制動器與整車匹配設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)及制動器本身的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)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(jié)構(gòu)的確定

    根據(jù)整車參數(shù)及性能要求，確定制動器的結(jié)構(gòu)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(shí)通過對其力學(xué)性能(強(qiáng)度與剛度)與熱力學(xué)性能(一定工況下的制動器熱性能)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和校核，確定制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

    2.2.1 制動器結(jié)構(gòu)確定的一般原則

    制動器設(shè)計(jì)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(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)的要求。制動器的有些結(jié)構(gòu)尺寸、所用材料及加工工藝等都有相應(yīng)的法規(guī)限制，必須在法規(guī)(標(biāo)準(zhǔn))下進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇。

    (3)空間匹配良好。設(shè)計(jì)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(fèi)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(dá)到高檔的目的，制動器成本可相應(yīng)提高，使用更好的材料和加工工藝。

    2.2.2 制動器主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式的確定

    制動器主要部件的結(jié)構(gòu)形式對制動器的力學(xué)性能影響很大，如果設(shè)計(jì)合理，則在制動過程中不會產(chǎn)生剛度和強(qiáng)度方面的問題。在確定制動器主要部件的結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)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(yīng)朝上，周邊要有加強(qiáng)肋以增加剛度，加強(qiáng)肋的位置以靠近支座為宜。

    2.2.4 制動器性能計(jì)算及評價(jià)

    (1)制動器效能因數(shù)計(jì)算。

    (2)制動器制動力矩計(jì)算。

    (3)制動器所產(chǎn)生的制動力計(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行校核，直到滿足為止。

    2.3 整車制動性能的理論驗(yàn)算

    根據(jù)所給整車參數(shù)，由相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算整車制動性能指標(biāo)，最后與設(shè)計(jì)任務(wù)書指標(biāo)要求和制動法規(guī)作比較，對匹配情況作理論分析。需驗(yàn)算的項(xiàng)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(jì)算項(xiàng)目)。

    2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

    2.4.1 臺架試驗(yàn)

    對設(shè)計(jì)好的制動器進(jìn)行臺架試驗(yàn)，得到幾種預(yù)定工況下的制動器制動力情況，分析制動器能實(shí)現(xiàn)的制動力大小及其匹配是否合理。

    2.4.2 道路試驗(yàn)

    將設(shè)計(jì)好的制動器安裝于所要匹配的車型上，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行道路試驗(yàn)。根據(jù)測得的相關(guān)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)或其他國外法規(guī)(如ECE法規(guī))要求。

    2.5 小結(jié)

    若通過理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)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(jié)果不理想，則需重新進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，直到匹配成功。

3 結(jié)語

    該文在詳細(xì)分析影響制動器與整車匹配的因素的基礎(chǔ)上，提出了汽車制動器與整車匹配設(shè)計(jì)方法，該方法具有完整的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原則，彌補(bǔ)了以往方法的不足，可為汽車設(shè)計(jì)提供參考。