基于三維建模的貨車鼓式制動器設計

張偉，于宵，劉紅梅，楊杰

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

基于三維建模的貨車鼓式制動器設計

張偉，于宵，劉紅梅，楊杰

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

制動系統是整個車輛底盤系統中一個很重要的系統，它既要使行駛中的汽車減速，又要保證車輛能夠在各種道路條件下穩定駐車，同時使下坡行駛的汽車車速保持穩定。因此，汽車的制動系對汽車的安全行駛起著十分重要的作用，本次設計中，根據已有的HFC3030車輛的數據對鼓式制動器進行設計，重點對制動器的組成、制動器的方案確定、鼓式制動器的結構參數的設計、制動器相關部件的校核等方面進行了理論設計分析，從而給出建立三維模型的有關數據。

鼓式制動器；制動蹄；制動鼓

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.035

CLC NO.: U463.51+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-104-03

引言

制動系統是車輛底盤系統中最為重要的組成部分之一，制動系統的效能高低直接關系到車輛的行駛及駐車安全性，因此對于制動系統的設計及校核，是整車開發設計環節中不可缺少的重要部分。制動系統主要由供能裝置、控制裝置、傳動裝置和制動器四大部分組成。制動器目前主要可分為兩類，一種是盤式制動器，另一種則是鼓式制動器，對于貨車而言，主要采用鼓式制動器，其突出優點為具有可利用制動蹄的增勢效應而達到很高的制動效能因數，并具有多種不同性能的可選結構型式，以及其制動性能的可設計性強、制動效能因數的選擇范圍很寬、對各種汽車的制動性能要求的適應面廣等。

領從蹄式鼓式制動作為鼓式制動器的一種，其制動效能效能和制動效能穩定性，在鼓式制動器中居中游；前進、倒退行駛的制動效果不變；結構簡單，成本底；便于附裝駐車制動驅動機構；調整蹄片與制動鼓之間的間隙工作容易，因而領從蹄式制動器得以在貨車上得到廣泛應用。

當前鼓式制動器的設計參數主要有制動鼓內徑D，摩擦襯片寬度b和包角β，摩擦襯片起始角β0，制動器中心到張開力P作用線的距離a，制動蹄支承點位置坐標k和c和襯片摩擦系數f，通過對這些參數的理論設計，可以給出三維建模的有關參數，從而可以進行后期的仿真分析研究。

1、鼓式制動器的參數設計

1.1 HFC3030型貨車的主要參數

本次鼓式制動器設計中將以HFC3030型貨車作為設計對象，實際測得具體HFC3030車輛有關數據如下：汽車軸距L=2600mm；汽車空載及滿載時的總質量ma=3000kg，ma=4000kg；空、滿載時的質心位置，質心高度=950mm，hg=810mm；質心距前軸距離=1300mm，L1=1768mm；質心距后軸距離=1300mm，L2=832mm；車輪滾動半徑rr=330mm；輪胎型號：6.50R16。

1.2 制動鼓內徑D

輸入力P一定時，制動鼓內徑越大，制動力矩越大，且散熱能力也越強。但增大D受輪輞內徑限制。制動鼓與輪輞之間應保持足夠的間隙，通常要求該間隙不小于20mm，否則不僅制動鼓散熱條件太差，而且輪輞受熱后可能粘住內胎或烤壞氣門嘴。制動鼓應有足夠的壁厚，用來保證有較大的剛度和熱容量，以減小制動時的溫升。

由選取的輪胎型號6.5-16，得

故 D=0.75×406.4=304.8mm

由QC/T309—1999《制動鼓工作直徑及制動蹄片寬度尺寸系列的規定》，從表1。

表1

取得制動鼓內徑=320mm

輪輞直徑Dr=406.4mm,制動鼓的直徑D與輪輞直徑Dr之比的范圍：D/Dr=0.70～0.83；經過計算，初選數值約為0.74，屬于0.70～0.83范圍內。因此符合設計要求。

圖1 鼓式制動器的主要幾何參數

1.3 摩擦襯片寬度b和包角β

摩擦襯片寬度尺寸的選取對摩擦襯片的使用壽命有影響。襯片寬度尺寸取窄些，則磨損速度快，襯片壽命短；若襯片寬度尺寸取寬些，則質量大，不易加工，并且增加了成本。

制動鼓半徑R確定后，襯片的摩擦面積為A=Rβb。制動器各蹄襯片總的摩擦面積越大，制動時所受單位面積的正壓力和能量負荷越小，從而磨損特性越好。

根據統計資料分析，單個車輪鼓式制動器的襯片面積隨汽車總質量增大而增大，具體數據見表2。

試驗表明，摩擦襯片包角為：90o～100o時，磨損最小，制動鼓溫度最低，且制動效能最高。β角減小雖然有利于散熱，但單位壓力過高將加速磨損。實際上包角兩端處單位壓力最小，因此過分延伸襯片的兩端以加大包角，對減小單位壓力的作用不大，而且將使制動不平順，容易使制動器發生自鎖。因此，包角一般不宜大角于120o。襯片寬度b較大可以減少磨損，但過大將不易保證與制動鼓全面接觸。初選襯片包角β=110 o。

通常根據在緊急制動時使其單位壓力不超過2.5MPa，以及國家標準QC/T309—1999選取摩擦襯片寬度b=65mm。

根據國外統計資料可知，單個鼓式車輪制動器總的襯片摩擦面積隨汽車總質量的增大而增大，并且制動器各蹄片摩擦襯片總摩擦面積愈大，則制動時產生的單位面積正壓力愈小，從而磨損亦愈小。

而單個摩擦襯片的摩擦面積A又決定于制動鼓半徑R、襯片寬度b及包角β，即A=Rbβ。

故摩擦襯片的摩擦面積：

單個制動器的摩擦襯片的摩擦面積=2A=399.13 cm2，如表2所示，摩擦襯片寬度b的選取合理。

表2 制動器襯片摩擦面積

1.4 摩擦襯片起始角β0

一般將襯片布置在制動蹄的中央，即令β0=90o-β /2=350。

1.5 制動器中心到張開力P作用線的距離a

在保證輪缸能夠布置于制動鼓內的條件下，應使距離a盡可能大，以提高制動效能。初取a=0.8R左右，則取a=120mm。

1.6 制動蹄支承點位置坐標k和c

應在保證兩蹄支承端毛面不致互相干涉的條件下，使k盡可能小而c盡可能大(圖1)。初取k=0.2R左右，暫取24mm，c=120mm。

1.7 襯片摩擦系數f

選擇摩擦片時不僅希望其摩擦系數高，更要求其熱穩定性要好，受溫度和壓力的影響要小。但不能單純地追求摩擦材料的高摩擦系數，對領從蹄式制動器而言，提高對摩擦系數的穩定性和降低制動器對摩擦系數偏離正常值的敏感性是非常重要的。另外，在選擇摩擦材料時應盡量采用減少污染和對人體無害的材料。當前國產的制動摩擦片材料在溫度低于250℃時，保持摩擦系數f =0.35～0.40已無大問題。因此，在假設的理想條件下進行制動器設計時，取f =0.38可使計算結果接近實際。

2、制動器主要零件的結構設計

2.1 制動鼓

制動鼓應具有高的剛性和大的熱容量，制動時其溫升不應超過極限值。制動鼓的材料與摩擦襯片的材料相匹配，應能保證具有高的摩擦系數并使工作表面磨損均勻。

制動鼓在工作載荷作用下會變形，致使蹄鼓間單位壓力不均勻，且會損失少許踏板行程。鼓筒變形后的不圓柱度過大容易引起自鎖或踏板振動，為防止這些現象需提高制動鼓的剛度。為此，沿鼓口的外緣鑄有整圈的加強肋條，也有的加鑄若干軸向肋條以提高其散熱性能。

制動鼓壁厚的選取主要是從剛度和強度方面考慮。壁厚取大些也有助于增大熱容量，但試驗表明，壁厚從11mm增至20mm，摩擦表面平均最高溫度變化并不大。一般鑄造制動鼓的壁厚：轎車為 7～12mm，中、重型貨車為13～18mm。制動鼓在閉口一側可開小孔，用于檢查制動器間隙。

HFC3030屬于輕型載貨貨車，因此本設計制動鼓采用Y200灰鑄鐵鑄造，制動鼓壁的厚度選取15mm。

2.2 制動蹄

轎車和輕型、微型貨車的制動蹄廣泛采用T形型鋼輾壓或鋼板沖壓—焊接制成。制動蹄的斷面形狀和尺寸應保證其剛度好，重型汽車制動蹄的斷面有山字形、工字型幾種。制動蹄腹板和翼緣的厚度，轎車的約為3～5mm，貨車的約為5～ 8mm。摩擦襯片的厚度，轎車多用 4.5～5mm，貨車多在8mm以上。襯片可以鉚接或粘接在制動蹄上，粘接的允許其磨損厚度較大，但不易更換襯片；鉚接的噪聲較小。因此，本設計制動蹄采用熱壓鋼板沖壓焊接制成，翼緣的厚底取6mm。

2.3 制動底板

制動底板是除制動鼓外制動器各零件的安裝基體，應保證各安裝零件相互間的正確位置。制動底板承受著制動器工作時的制動反力矩，故應有足夠的剛度。為此，由鋼板沖壓成形的制動底板都具有凹凸起伏的形狀。重型汽車采用可鍛鑄鐵KTH 370-12的制動板座以代替鋼板沖壓的制動底板。剛度不足會導致制動力矩減小，踏板行程加大，襯片磨損也不均勻。制動底板的厚度一般為2.6～5.8mm。因此，本設計制動底板采用熱壓鋼板沖壓成型，制動底板的厚度取5mm。

2.4 制動蹄的支承

二自由度制動蹄的支承，結構簡單，并能使制動蹄相對制動鼓自行定位。為了使具有支承銷的一個自由度的制動蹄的工作表面與制動鼓的工作表面同軸心應使支承位置可調。本設計為了達到此目的，采用偏心支撐銷。

3、總結

本文根據HFC3030車型實際車輛數據，通過合理的設計，得到了鼓式制動器的各項具體參數，可用于后期的三維造型及仿真設計研究，從而科學設計了貨車鼓式制動器，此種設計方法適用于實際的工業生產要求，具有廣闊的適用范圍和參考價值。

[1] 張炳力主編.汽車設計.合肥:合肥工業大學,2011.

[2] 清華大學余志生主編.汽車理論第五版.北京:機械工業出版社,2009.

[3] 劉惟信編著.汽車制動系統的結構分析與設計計算[M].北京:清華大學出版社,2004.9.

[4] [美]L.魯道夫編.汽車制動系統的分析與設計[M].張蔚林,陳名智譯.北京:機械工業出版社,1985.

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[6] RodolfLimpert. BrakeDesignandSafety(SecondEdition). Warrendale, PA,USA:SAE,Inc.,1998.

Truck Drum Brake Design Based on 3D modeling

Zhang Wei, Yu Xiao, Liu Hongmei, Yang Jie
(Chang’an University, Shaanxi Xi'an 710064)

The braking system is a very important system in the whole vehicle chassis system. The system is not only to slow down the running of the vehicle, but also to ensure that the vehicle can be stable in a variety of road conditions in the car, while the downhill speed of the car to maintain stability.Therefore the brake system plays an important part in security steer. In the design, which based on the data of drum brake used in HFC3030. Focus on brake, brake scheme and design of the structural parameters of the drum brake, brake parts for the checking of design theory analysis，and the relevant data of the 3D model is given.

drum brake; brake; brake drum

U463.51+1

A

1671-7988 (2016)12-104-03

張偉，就讀于長安大學。