山東德州學院汽車工程學院　　馮衍輝

汽車盤式制動器的優(yōu)化設計

山東德州學院汽車工程學院馮衍輝

當今社會汽車已成為人們最主要的交通工具，為了保證駕車安全，現(xiàn)在汽車都普遍采用盤式制動器，而盤式制動器的工作性能是整個制動系中最復雜、最不穩(wěn)定的因素。為提高制動系統(tǒng)的性能，采用優(yōu)化設計建模、遺傳學算法以制動減速度、制動力矩為優(yōu)化目標進行優(yōu)化設計。

盤式制動器；制動力矩；優(yōu)化設計

前言

盤式制動器以其諸多優(yōu)越性廣泛應用于汽車制動系統(tǒng)中，例如：涉水后仍能保持穩(wěn)定的制動力矩和制動穩(wěn)定性、在制動過程中產(chǎn)生的制動力大并且穩(wěn)定、在各種路況下都能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩，適用范圍廣泛、盤式制動器能夠和空氣直接接觸，故盤式制動器的散熱性很好。盤式制動器也有其缺點，例如：摩擦片和盤片之間的塵土對摩擦盤的磨損嚴重、制動效能低、所需制動管壓力較高、制動結(jié)構(gòu)復雜。為了提高盤式制動器的制動性能和制動效率，我們在滿足必須的性能指標和約束條件下對制動器進行優(yōu)化設計［1］。本文采用最優(yōu)優(yōu)化設計為理論原則，對汽車盤式制動器的設計方案進行全方位的優(yōu)化設計研究和實踐，從而設計出高性能的盤式制動器。

1　盤式制動器基本特性分析

1.1盤式制動器制動力矩的分析與計算

假設摩擦片的整個摩擦表面和制動盤完全接觸，并且在接觸處所受單位壓力分布均勻，則制動器在制動過程中產(chǎn)生的制動力矩為：Mρ=2ρPR

其中ρ——摩擦系數(shù)，一般ρ=0.35，在理想條件下ρ可取0.3，使計算結(jié)果符合實際情況。

R——受力半徑

對于一些常見的摩擦片的表面，如果其具有相對較小的徑向?qū)挾龋敲慈等于有效半徑Re，在實際應用過程中是很準確的［2］。

平均半徑：Rm=R1+R2/2

其中R1和R分別為摩擦襯片的內(nèi)半徑和外半徑。

有效半徑：Re=Mρ/2ρP

1.2制動器摩擦片所受的壓力

假設摩擦片上任意一點到制動盤軸線的距離為r，在這段距

離范圍內(nèi)的摩擦片任一點所受壓力P為［3］：

由上式可知，在R1和R2處，P分別達到最大值和最小值。摩擦片的最大的單位壓力為：

2　盤式制動器優(yōu)化設計模型建立

2.1目標函數(shù)的建立

2.2約束條件

（1）在制動過程中制動減速度應大于等于國家標定的最小許用減速度a≥［amin］。制動時熱衰退率φ一般為［0.25%］。

（2）摩擦片和制動盤間的空間約束應小于等于最大空間間隙即：0≤Dzp0/2-Dmp0≤Δ。

（3）制動盤溫升ΔT≤［ΔT］，根據(jù)實際使用經(jīng)驗一般取［ΔT］=250℃。

（4）制動液壓力p應小于等于制動系統(tǒng)壓力極限值p≤［p］，［p］應在實際使用工況中取值。

3　優(yōu)化算法

采用遺傳學算法來研究追尋最優(yōu)的解決方案。遺傳學算法是模擬自然選擇的遺傳學機理計算生物進化過程，我們可以通

3.1算法設計流程圖

如圖1所示。

圖1　算法設計流程圖

3.2離散變量的處理

假設離散變量的值為 1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，5，6，8，10，······。由此我們可以看到，如果采用統(tǒng)一的編碼來表示，我們不能很準確地進行描述。因此，我們只能采用對應關(guān)系原則進行表示。

在設計的優(yōu)化問題中只有取值在1～10之間，那么可取的值共有10個，所以二進制數(shù)的位數(shù)為l=4，并且其中有5個多余碼。在處理這些多余碼的過程中，如果我們采用調(diào)整編碼精確度的方法進行處理是解決不了問題的，只能采用在多余的二進制編碼中重復填寫可取值的方法來解決這個問題。在經(jīng)過處理后，得到的編碼在解碼的過程中二進制代碼就和變量值具有了對應關(guān)系，這這種方法在無形中提高了變量值被選中的概率［5］。

3.3建立適度函數(shù)模型

遺傳學算法適用于求函數(shù)極大值（極小值）的無約束最優(yōu)化

問題，因此，需將原來的約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題，設r1為懲

建立這樣一個函數(shù)模型，我門可以將極小值問題轉(zhuǎn)化為極大值問題，設Dmax是進化過程P（x）的極大值，則建立的適度函數(shù)為：f（x）=Dmax-P（x）。

3.4確定最終的求解結(jié)果

在MATLAB的操作環(huán)境下，采用遺傳學算法編輯程序進行研究問題的優(yōu)化求解，其結(jié)果如下：

X*=［0.080，0.060，0.040，0.062，0.020，3.243×107］

f（X*）=0.00873。

結(jié)果表明，優(yōu)化后的目標函數(shù)值比原來設計的下降了80%，制動力矩顯著增加，制動時間也縮短了，同時在制動過程中由于制動盤半徑增大導致制動溫度升高，但是溫度升高值都在允許的范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

盤式制動器在汽車制動系統(tǒng)中的應用日益增多，因此對盤式制動器的優(yōu)化研究也是從未間斷過的。由于其具有廣泛性和結(jié)構(gòu)形式的多樣性，所以很多研究人員選擇的研究方向和研究方法都不盡相同。針對盤式制動系一些制動力矩不足、制動溫升不足等性能現(xiàn)狀，我們以縮短制動時間和降低制動溫升為目標進行了研究分析，在研究過程中我們采用遺傳學算法選擇合適的函數(shù)假設，最后得到了比實際值更好的優(yōu)化值。

［1］姜平，黃文娟.基于MATLAB的盤式制動器優(yōu)化設計［J］.機械工程與自動化，2007，34（6）：160～161.

［2］陳立周.機械優(yōu)化設計方法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］田福祥.盤式制動器的摩擦片壓力和制動力矩［J］.工程機械，1998，32（10）：15～17.

［4］沈榮華，鄒定平，黎桂英.汽車盤式制動器優(yōu)化設計［J］.機械研究與應用，1999，12（1）：9～21.

［5］劉惟信.汽車制動系的結(jié)構(gòu)分析與設計計算［M］.北京：清華大學出版社，2004.

馮衍輝，1993年1月出生，山東濟寧人，本科在讀。過這種模擬自然選擇的進化過程尋求最優(yōu)的方法［4］。