淺析汽車盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

張雪文

（益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000）

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是指對(duì)汽車某些部分（主要是車輪）施加一定的力，從而對(duì)其進(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動(dòng)的一系列專門裝置。制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件。

1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

主要由制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗總成、制動(dòng)鉗支架、摩擦塊等組成。盤式制動(dòng)器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件是以端面工作的金屬圓盤，被稱為制動(dòng)盤。其固定元件則有著多種結(jié)構(gòu)型式，大體上可分為兩類。一類是工作面積不大的摩擦塊與其金屬背板組成的制動(dòng)塊，每個(gè)制動(dòng)器中有2～4個(gè)。這些制動(dòng)塊及其促動(dòng)裝置都裝在橫跨制動(dòng)盤兩側(cè)的夾鉗形支架中，總稱為制動(dòng)鉗。這種由制動(dòng)盤和制動(dòng)鉗組成的制動(dòng)器稱為鉗盤式制動(dòng)器。另一類固定元件的金屬背板和摩擦片也呈圓盤形，制動(dòng)盤的全部工作面可同時(shí)與摩擦片接觸，這種制動(dòng)器稱為全盤式制動(dòng)器。

2 盤式制動(dòng)器的特點(diǎn)

相較于鼓式制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器有其優(yōu)點(diǎn)：

（1）熱效能較穩(wěn)定。一般無(wú)摩擦阻力作用，因而制動(dòng)器效能受摩擦系數(shù)的影響較小；接觸表面的面積僅為制動(dòng)盤面積的6%～12%；制動(dòng)盤外露，故散熱性較好。

（2）水穩(wěn)定性較好。制動(dòng)襯塊對(duì)盤的單位壓力高，易將水?dāng)D出，同時(shí)在離心力的作用下沾水后也易于甩掉，再加上襯塊對(duì)盤的擦拭作用，因而，出水后只需經(jīng)一、二次制動(dòng)即能恢復(fù)正常。

（3）制動(dòng)穩(wěn)定性好。因制動(dòng)力矩與制動(dòng)油缸的活塞推力及摩擦系數(shù)成線性關(guān)系，再加上無(wú)自行增勢(shì)作用，因此在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力矩增長(zhǎng)較平緩。

（4）保養(yǎng)修理簡(jiǎn)便。制動(dòng)盤的熱膨脹不會(huì)引起制動(dòng)踏板行程損失，可以簡(jiǎn)化間隙自動(dòng)調(diào)整裝置，簡(jiǎn)化其他保養(yǎng)修理作業(yè)。

（5）提高抗制動(dòng)跑偏能力。整個(gè)制動(dòng)器靠近車輪輪輻布置，使轉(zhuǎn)向主銷的小端點(diǎn)外移，實(shí)現(xiàn)負(fù)的偏移距，提高了汽車抗制動(dòng)跑偏能力。

盤式制動(dòng)器的不足之處：

（1）效能較低。因用于液壓制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)所需制動(dòng)促動(dòng)管路壓力較高，一般要用伺服裝置、電磁裝置和作動(dòng)裝置。

（2）兼作駐車制動(dòng)器時(shí)，需要加裝的駐車制動(dòng)傳動(dòng)裝置較鼓式復(fù)雜，在后輪使用受限。

（3）因制動(dòng)器外露，難以完全防止塵污和銹蝕。

3 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)思路

（1）摩擦襯塊和盤為浮動(dòng)，以便消除盤上的彎曲應(yīng)力；

（2）制動(dòng)塊摩擦襯片為圓形，其尺寸不必等于加載液壓缸的直徑；

（3）所吸收的熱量均勻分布在整個(gè)制動(dòng)器上。

每個(gè)制動(dòng)卡鉗包括兩個(gè)制動(dòng)摩擦片組件。制動(dòng)卡鉗活塞推壓制動(dòng)摩擦材料壓緊制動(dòng)盤的制動(dòng)表面使車輛停車。摩擦塊裝在卡鉗內(nèi)，位于制動(dòng)盤兩側(cè)。制動(dòng)摩擦塊由兩部分組成。鍛壓成形的金屬底板和鉚接的摩擦襯片。摩擦材料有四種常用類型：石棉、非金屬有機(jī)物、半金屬和金屬。制動(dòng)卡鉗由一個(gè)或幾個(gè)裝在活塞缸筒的大液壓活塞。

制動(dòng)器松開時(shí)，制動(dòng)盤的制動(dòng)表面與摩擦塊之間的間隙很小。制動(dòng)時(shí)，液壓壓力進(jìn)入活塞右面的制動(dòng)鉗殼體?？ㄣQ活塞以很大的力移向制動(dòng)盤，迫使緊靠著活塞的摩擦塊壓緊制動(dòng)盤。制動(dòng)卡鉗還運(yùn)動(dòng)并迫使另一摩擦塊壓緊制動(dòng)盤的另一側(cè)。制動(dòng)期間，活塞右面的液壓力增加，作用活塞底部和缸筒底部的壓力是相等的。施加到活塞的壓力傳遞到內(nèi)制動(dòng)摩擦塊，迫使襯片壓緊制動(dòng)盤內(nèi)表面。施加到缸筒底部的壓力迫使制動(dòng)卡鉗在安裝螺栓上向內(nèi)（車的縱軸線）滑動(dòng)。由于制動(dòng)卡鉗是整體的，這個(gè)運(yùn)動(dòng)造成制動(dòng)卡鉗的外側(cè)部分施加到外側(cè)摩擦塊的背部，迫使襯片壓緊制動(dòng)盤的外表面。當(dāng)管路壓力提高，摩擦塊與襯片被增加的力壓緊制動(dòng)盤表面，使車輛停車。制動(dòng)與不制動(dòng)，實(shí)際壓力引起的制動(dòng)卡鉗和活塞的運(yùn)動(dòng)非常小。制動(dòng)力解除時(shí)，活塞和制動(dòng)卡鉗只不過(guò)松弛到松開位置，在此位置，摩擦塊與制動(dòng)盤表面距離很小。使摩擦塊不接觸到制動(dòng)盤并沒有采用回位彈簧，這由制動(dòng)卡鉗活塞的密封圈來(lái)完成。制動(dòng)時(shí)，活塞密封圈變形，或受液壓彎曲。壓力解除時(shí)，密封圈變形復(fù)原，拉回活塞和襯片，盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

制動(dòng)鉗體通過(guò)導(dǎo)向銷與車橋相連，可以相對(duì)于制動(dòng)盤軸向移動(dòng)。制動(dòng)鉗體在制動(dòng)盤的內(nèi)側(cè)設(shè)置油缸，而外側(cè)的制動(dòng)塊則附裝在鉗體上。制動(dòng)時(shí)，來(lái)自制動(dòng)總泵的液壓油通過(guò)進(jìn)油口進(jìn)入制動(dòng)油缸，推進(jìn)活塞及其上的制動(dòng)塊向右移動(dòng)，并壓到制動(dòng)盤上，于是制動(dòng)盤給活塞一個(gè)向左的反作用力，直到制動(dòng)盤右側(cè)的制動(dòng)塊也壓到制動(dòng)盤上，此時(shí)，兩側(cè)的制動(dòng)塊都?jí)涸谥苿?dòng)盤上，夾住制動(dòng)盤使其制動(dòng)。

圖1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

假設(shè)將制動(dòng)塊摩擦襯片的圓形摩擦面劃分成無(wú)數(shù)多個(gè)與盤心同心的圓弧形小區(qū)域?yàn)橐粏卧?，則在該單元處摩擦表面的磨損與該處的壓力P及滑轉(zhuǎn)速度v的乘積成正比。雖然摩擦襯片上的壓力在開始時(shí)是均勻的，但隨著單元所在半徑r的加大其滑轉(zhuǎn)速度亦將加大而導(dǎo)致該單元磨損加重，經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)不均勻磨損的過(guò)程以后，會(huì)使離盤心越遠(yuǎn)的單元的壓力P越小，而使pv值在整個(gè)摩擦表面上都趨于相等，因此假設(shè)等于常數(shù)，由此得

而整個(gè)襯片對(duì)盤的作用力

式中：l為單元的弧長(zhǎng)，即l=AC；R為圓形摩擦面中心的至制動(dòng)盤中心O的距離；（d為圓形摩擦面直徑）。

由幾何關(guān)系得

由式（3）得常數(shù)C為

由此可求得

根據(jù)車輛理論，F(xiàn)等于液壓油缸的推力，其值為

式中：Dp為活塞直徑；p0為液壓缸內(nèi)的油壓。

從有限元分析可知，結(jié)構(gòu)摩擦襯片壓力外徑處高于內(nèi)徑處，基本上是線性變化，且內(nèi)徑處趨近于零，表明受壓使得局部分離。

制動(dòng)時(shí)的摩擦力矩Mf為

制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤沒轉(zhuǎn)一圈摩擦力矩Mf所消耗的功為

若ns為開始制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤或車輪的轉(zhuǎn)速，r/min；t為從開始制動(dòng)時(shí)到完全停車所需要的時(shí)間，即制動(dòng)時(shí)間，min。

在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤或車輪旋轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)為（假設(shè)勻速下降）

因此，在制動(dòng)過(guò)程中襯片與制動(dòng)盤之間的摩擦力矩所消耗死的總功為

而摩擦力矩消耗的是車輛的動(dòng)能，故又有

式中：Wt為車輛總重量（N）；V為車輛制動(dòng)時(shí)的初速度（m/s）；m為車輛車輪或制動(dòng)器數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

由上兩式，可求的制動(dòng)時(shí)間為

4 盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)要求

（1）襯片安裝位置不應(yīng)超過(guò)制動(dòng)盤之外；

（2）襯片與輪轂不發(fā)生干涉；

（3）油缸與輪轂不應(yīng)發(fā)生干涉；

（4）制動(dòng)盤直徑D，油缸油壓，襯片壓力，制動(dòng)后盤溫應(yīng)在其規(guī)定范圍內(nèi)；

（5）制動(dòng)摩擦力矩不大于車輪與地面的附著力矩。

根據(jù)熱功當(dāng)量可求出制動(dòng)后制動(dòng)盤的溫升為

變式可知，制動(dòng)后制動(dòng)盤的溫度為

式中：Th為制動(dòng)后的溫度（℃）；T0為制動(dòng)盤的初始溫度（℃）；c為制動(dòng)盤的比熱容，對(duì)金屬材料c=0.113kcal/kg；ρ為制動(dòng)盤的密度（kg/mm3），J=4180N·m/kcal；J為熱功當(dāng)量；D為制動(dòng)盤的直徑（mm）；h為制動(dòng)盤的厚度（mm）。

5 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建汽車盤式制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高行駛安全性。