FSAE賽車制動盤的設計

葉洋　鄭強強　王業(yè)碩　劉凱華

摘 要：Formula SAE比賽由美國車輛工程師學會（SAE）于1979年創(chuàng)立，每年在世界各地有600余支大學車隊參加各個分站賽，2010年在中國舉辦了第一屆中國大學生方程式賽車，本設計將針對中國賽程的相關規(guī)定進行設計。

本文主要介紹了賽車制動盤的設計，首先介紹了制動盤對于車輛制動系統(tǒng)的重要意義、制動盤的常見分類。然后結合賽車自身的特點，提出了賽車制動盤設計的特殊要求，主要包括重量、散熱性等。之后根據(jù)賽車制動盤的特點，結合我們的制動系統(tǒng)，給出了賽車制動盤設計的實例，以使讀者更好的理解賽車制動盤的設計。最后，作者在本文中提出了賽車制動盤還可以在哪些方面做出改進，供讀者自主地進行進一步摸索。希望本文能為參加FSAE電動方程式大賽的同學以及所有對汽車構造、汽車設計感興趣的朋友提供幫助。

關鍵字：制動；制動盤；FSAE賽車；重量；散熱

制動盤又稱剎車盤、剎車碟、制動碟，是汽車上直接承受制動力的重要部件，其性能的好壞直接影響著汽車制動系統(tǒng)的可靠性。制動盤上的制動力來源于制動鉗，通常來說一般的制動鉗都是固定內側制動活塞泵所在部分，外側是一個卡鉗式的結構。內側制動片固定在活塞泵上，外側制動片固定在卡鉗外部。活塞通過制動油管過來的壓力推動內側制動片，同時通過反作用力拉動卡鉗，使外側制動片向里.兩者同時壓向制動盤，通過制動盤和內外制動片的摩擦產(chǎn)生制動力。因為制動盤上承擔著巨大的制動力，所以其設計和選用就必須非常謹慎。好的制動盤制動穩(wěn)定，沒有噪音，不抖動；反之，如果制動盤的設計或選用不合理，長時間使用時，很容易因為摩擦產(chǎn)生的高溫而變形，降低剎車效果，最終影響行車安全性。

1 制動盤的一般形式

制動盤按結構劃分，可以分為實心盤（單片盤）和風道盤（空心盤，雙片盤）。實心盤對于我們來說很好理解，就是整個制動盤都是實心的。風道盤（Vented Disc），顧名思義具有透風功效。從外表看，它在圓周上有許多通向圓心的洞空，稱為風道。汽車在行使中通過風道處空氣對流，達到散熱的目的的，比實心式散熱效果要好許多。大部分轎車都是前驅，前盤使用頻率計磨損較大，故采用前風道盤，后實心盤（單片盤）。當然也有前后都是風道盤的，但制造成本并不會差的離譜。

制動盤按材質上的不同，又可以分為碳纖維陶瓷制動盤與金屬制動盤兩種。碳纖維陶瓷制動盤由于其制造成本過于昂貴以及低溫下制動力非常糟糕，所以雖然其有著優(yōu)異的抗熱衰減特性，依然不被大多數(shù)車輛所選用。金屬制動盤，主要成分為鋼或灰鑄鐵，為了增加抗熱衰減能力，也有廠商將金屬材質制動盤進行碳纖維處理，使其這方面能力精進，同時避免碳纖維陶瓷材質的低溫性能不佳的問題。

2 FSAE制動盤的特殊要求

與一般的車輛相比，賽車要求具有更輕的質量，更快的加速度。所以賽車制動盤也必然與一般家用車的制動盤存在差別。下面便是FSAE賽車與一般家用車制動盤的差異之處：

1.質量更輕：

在賽車領域有句俗語，叫“簧下一公斤簧上十公斤”，意思就是賽車簧下質量每減少一公斤對于賽車性能的影響，相當于賽車簧上的質量減少了十公斤，由此可見減輕賽車簧下質量的重要意義。也正因此，F(xiàn)SAE賽車制動盤質量遠小于普通家用車的。這主要體現(xiàn)在制動盤厚度更薄，打的孔的數(shù)量更多（也就是減重更多）。一般家用車制動盤的厚度都在10毫米以上，而FSAE賽車制動盤厚度常在4毫米左右。

2.散熱效果更好：

賽車的急加速、急減速性能，決定了賽車制動盤處發(fā)熱嚴重，這也就要求賽車制動盤相對于家用車需要有更好的散熱能力及抗熱衰減性。一般而言，增強散熱性有兩種途徑，一是采用風道盤（空心盤），利用其良好的通風性來增強散熱能力。二是在實心盤上打更多數(shù)量的通風孔，以增加制動盤的散熱面積。但要注意更多的通風孔一定會減低制動盤的強度，所以在打孔之前一定要對其強度進行仔細的校核。FSAE賽車考慮到制動性能、經(jīng)濟型等因素，通常是選用實心盤，通過打孔來改善其散熱性能。

3.抗熱衰減性更強：

賽車的急加速、急減速性能，一方面要求賽車制動盤具有更好的散熱能力，一方面也對制動盤的材料提出了更高的要求，即相對于家用車制動盤，F(xiàn)SAE賽車制動盤的材料應該有更高的抗熱衰減性，在高溫下其強度和抗熱變形能力都應該達到一定的要求。

3 FSAE賽車制動盤設計實例

我們的制動盤設計，是建立在我們車隊所做的制動系統(tǒng)的基礎上，相關的參數(shù)也全部使用本車隊實際選用參數(shù)，具有真實性和可靠性。

1.相關參數(shù)：

我們賽車帶人總質量為350kg，前后制動力分配7：3，前后輪輞皆為13inch。所選卡鉗型號為frando 9GA。

賽車制動盤包括兩個前輪制動盤和兩個后輪制動盤。剎車時，由于存在慣性加速度，賽車的重心前移，前輪制動盤承受更大的制動力矩。根據(jù)我們賽車的實際情況，前輪制動盤所取制動力矩為417.5N*m，后輪制動盤所需承受的制動力矩為185N*m。

2.制動盤參數(shù)的確定

由于輪輞大小為13inch，所選卡鉗為frando 9GA，根據(jù)卡鉗匹配的制動盤直徑要求，選前制動盤外徑為220mm，內徑110mm；后制動盤外徑為220mm，內徑110mm。考慮到制動盤的減重性，取制動盤厚度為4mm，同時厚度減小會導致制動盤強度降低，為了保證制動盤有足夠的強度，取其材料為2cr13馬氏體不銹鋼。該種鋼材除了具有較高的強度和韌性，還具有良好的抗腐蝕抗銹能力，能夠保證制動盤在惡劣的環(huán)境中可靠的工作。同時2cr13馬氏體不銹鋼具有較好的耐高溫性能和良好的散熱能力，在700攝氏度時，還能保持較高的強度、熱穩(wěn)定性和良好的減震性。

為了適應賽車快速制動的要求，制動盤選用浮動盤。浮動盤相對于一體式制動盤能夠更加快速的進行制動。浮動盤與輪轂之間通過鉚釘相連接，鉚釘材料為Q235鋼。FSAE賽車制動盤鉚釘套件由IMK公司提供贊助，根據(jù)其提供的鉚釘參數(shù)，所選鉚釘為空心，外徑13.8mm，內徑10.5mm。制動盤上所開鉚釘孔的直徑為14mm，以保證易于裝配，沿制動盤內徑均勻開六個這樣的半圓孔。

為了保證散熱性，需要在制動盤上打一些散熱孔，所以我們選擇在半徑為74mm、87mm和100mm的圓上各打12個直徑為8mm的孔用來散熱。

3.制動盤強度校核

鉚釘強度的校核：查閱機械設計手冊，Q235鋼鉆孔所允許使用的切應力為145Mpa，沖孔所允許使用的切應力為115Mpa。這里安全起見，我們取115Mpa。由于一個前輪制動盤所需承受的制動力矩為417.5N*m，鉚釘距輪芯軸線距離為L1=55mm，所以一個鉚釘所承受切應力為t=4*M1/（Z*л*（d12-d22）*L1）=4*417.5/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=19.75Mpa<<115Mpa. 后制動盤所需承受制動力矩為185N*m，鉚釘距輪芯軸線距離為L2=55mm，所以一個鉚釘所承受切應力為t=4*M2/（Z*л*（d12-d22）*L2）=4*185/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=9.4Mpa<<115Mpa.所以鉚釘強度足夠。

制動盤材料的強度校核：制動盤材料為2cr13不銹鋼，600攝氏度時彈性模量為172000Mpa，查閱機械設計手冊可得到其屈服極限和抗拉極限。得到這些參數(shù)后，利用ANSYS進行有限元分析，從ANSYS應力分布圖可得，其強度足夠。

所以該制動盤的設計符合要求。

4 現(xiàn)有制動盤還存在的可以改進的地方

首先是材料方面，鋼材的密度較大，如果換用鈦合金或者耐高溫的碳纖維材料，制動盤的重量將大幅降低，可以改善制動盤以至于整車的性能。第二個方面是打孔方面。本設計所打的散熱孔都是先根據(jù)經(jīng)驗打孔，再用ANSYS進行強度校核。如果利用ANSYS進行拓撲分析，直接用拓撲功能進行打孔，將得到更加合理的打孔方式。這兩點于此提出供讀者進行進一步的探索。

FSAE充滿了魅力，吸引了眾多汽車愛好者的參與。希望能有更多的朋友走進FSAE，關注FSAE，為FSAE在中國的發(fā)展提供更多的支持。