巴哈賽車制動系統設計

唐 倫

（湖南汽車工程職業學院，株洲 412001）

巴哈大賽起源于美國，它以前的名稱是大學生方程式汽車大賽，是一種微型越野車的設計與制作賽事，主要面向本科高等院校和高職院校開展。巴哈比賽的要求是在限定時間范圍內，利用統一規格的發動機，設計制作一臺只有單個座位、動力源中置、后輪驅動的微型越野車，并按要求進行多種測試，如靜態與動態項目測試。其中，靜態測試項目包含技術檢驗、車輛設計與制作、成本控制和商業運作等；動態測試項目包含發動機所產生的拖動力測驗、坡道爬行能力測驗、車輛直線加速能力測驗、持久力測驗等。本文以學生參加巴哈大賽制作的賽車為例，對其制動系統進行相關的計算和設計。

1 巴哈大賽對制動系統的要求

良好的車輛制動系統，通常由兩個控制器完成剎車動作，并且制動力是直接作用于四個車輪上的。此外，巴哈大賽對制動系統還有如下要求。

為防備油管漏油或者失去效用時，至少還有2個車輪保證有效的剎車效果，比賽車輛必須具備2個相互獨立的液壓回路，并且每一個液壓支路都有獨立的儲液罐。當單個車輪制動時，出現一定的滑移差是可以允許的。

制動系統在各個測試項目中，必須能抱死4個車輪。不允許采用線控制動和無保護的塑料材質制動管路。另外，為防止傳動失效或碰撞，導致剎車失效，制動裝置必須安裝保護罩。

從比賽車輛側邊看，裝備在車輛簧載質量上的剎車系統的任何零件都不容許伸展到車架與車身下面。為避免毀壞剎車系統或剎車踏板，剎車踏板在設計時要確保能經受住2000N的力。在正確坐姿下，通過賽方任何裁判作用在制動踏板上的最大壓力來進行測試。制作賽車制動踏板的材料不允許采用除鋁合金，鋼和鈦之外的材料加工。

2 剎車系統關鍵參數的計算

2.1 車輛基本參數

根據比賽要求，所設計制作的車輛基本參數如下：車輛裝滿時的總重量W為3136N；賽車的有效滾動半徑R為0.24m；賽車前后軸的軸距L為1.6m；賽車質心距離前軸的長度Lf為0.848m，質心距離后軸的長度Lb為0.752m，質心的高度H=0.26m。

2.2 賽車前后軸的法向反力

當車輛減速到8m/s2時，大地對車輛前軸和后軸的法向反作用力如式（1）、式（2）所示。

式中，Wf表示在沒有踩剎車的情況下以恰當的速度行駛，在不排除空氣動力效應時地面對前軸的法向作用力；Wb表示在沒有踩剎車的情況下以恰當的速度行駛，在不排除空氣動力效應時地面對后軸的法向作用力；（a/g）表示制動強度，其單位值為“g”，在這里取0.8，即車輛剎車到減速度為8m/s2時的數值。假定車輛制動力分配系數為β，具體如式（3）所示。

圖l 制動強度和前后軸載荷的變化規律

根據圖1和計算結果可知，當車輛制動減速度為8m/s2時，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%。

2.3 車輪制動力矩的計算

同步附著系數φ0的大小由車輛的結構參數確定，用公式計算為：

對于選擇較大同步附著系數φ0的車輛，應從確保最好的制動穩定性為出發點，來決定前軸和后軸的最大制動力矩，它們的計算如式（5）、式（6）所示

式中，Tfmax表示前軸的最大制動力矩；Tbmax表示后軸的最大制動力矩；q表示制動強度，即a/g，其值取0.8；R表示輪胎的有效滾動半徑；φ0表示同步附著系數。

2.4 制動鉗活塞直徑的計算

首先根據公式計算出前軸和后軸每個制動鉗對制動盤的壓緊力，計算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，Nf、Nb表示每個制動鉗在前軸和后軸制動盤上的壓緊力；μpad表示剎車片與制動盤之間的摩擦系數，通常取0.35～0.40，在這里取0.4；r表示制動盤的半徑。根據輪輞的尺寸，制動盤的直徑設計為220mm。根據制動盤上各側摩擦片的壓緊力計算出前后制動鉗的活塞直徑，如式（9）、式（10）所示。

式中，Df、Db表示前后軸制動鉗的活塞直徑；P表示制動管路所能承受的壓力。其值一般不大于12MPa，在這里取其值為5MPa。

3 關鍵部件的選擇和設計

3.1 制動鉗的選擇

根據上述制動系統的關鍵參數的計算，選擇活塞直徑為34mm，內部直徑為28mm的制動鉗，如圖2所示，與之配套的摩擦片如圖3所示。

圖2 賽車所選用的制動鉗

圖3 與制動鉗配套的摩擦片

3.2 制動主缸的選擇

己知條件：雙活塞制動鉗，活塞內部直徑D為28mm；制動盤與制動鉗之間的間隔通常為0.1～0.3mm，在這里取0.2mm；制動主缸的行程S一般在5～10mm，在這里取5mm。

車輛進行制動時，制動鉗所需制動液體積VD，具體計算公式如式（11）所示。

每個行程中制動主缸所需制動液體積Vd如式（12）所示。

由于Vd≥VD，經計算得知制動主缸的內徑d≥11.2mm。

綜合以上計算結果，選擇內徑為18mm的單缸制動主缸，它的性能足夠符合車輛制動性能的需要，所選擇的制動主缸如圖4所示。

3.3 制動盤的選擇與設計

因為轎車的輪輞大小與巴哈賽車的輪輞尺寸不同，在國內汽車零配件市場很難找到與我們要求相符合的制動盤，而向境外購買所需的資金又很高，因此，只能自行對制動盤進行設計和制作。根據制動鉗的安裝位置和輪輞直徑，最終確定制動盤的厚度為4mm，直徑為220mm。制動盤的冷卻問題是一個必須考慮的問題，雖然盤式制動器由于結構上的特點導致它的散熱性相對比較優良，但為進一步提升賽車的制動性，設計了散熱孔均勻分布在制動器的圓周上，具體結構如圖5所示。

圖4 賽車所選擇的制動主缸

圖5 賽車所用制動盤

3.4 制動管路的選擇

剎車系統所用的管路主要有3種，如制動銅管、制動軟管和連接制動主缸與制動液儲液罐之間的橡膠軟管。通常這3種管路中工作要求比較高的是制動軟管與制動銅管，如制動銅管必須能夠經受住最少10MPa的壓力。分流裝置與制動鉗之間通過制動軟管連接，在設計和選擇時要求它有較好的活動性和柔韌性，本賽車所選擇的制動軟管如圖6所示。

圖6 賽車所用制動軟管

3.5 制動液儲液罐的選擇

對于制動液儲液罐的選擇，由于在真實比賽過程中，如果選取偏大的制動液儲液罐就會顯得較為笨拙，并且制動液也沒必要裝很多，否則在車輛高速行駛過程中，因為慣性較大，假如儲液罐安裝不牢固，則可能存在某些安全隱患。另外，比賽時為測驗剎車系統的安全性會進行排空氣，經綜合考慮最終選取了較小的儲液罐，如圖7所示。但是，由于儲液罐較小，所以為防備剎車系統出故障，所以要時常對制動液的液位進行檢查。

3.6 制動踏板的設計

因為巴哈BAJA賽車的特殊性，導致只能自己設計車輛的剎車踏板。在綜合考慮比賽選手的坐姿和踩踏的位置與大小后，利用Proe設計了杠桿放大比為6的剎車踏板。考慮盡量降低車身重量，最終選取材料為7075的高強度鋁合金制作制動踏板，如圖8所示。

圖7 賽車所用的制動液儲液罐

圖8 賽車所使用的制動踏板

4 結論

通過對剎車系統一些關鍵參數的計算，得出當車輛制動減速度為8m/s2時，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%，前軸和后軸的最大制動力矩分別為361.27N?m和240.8N?m。根據車輪每側摩擦片對制動盤的壓緊力，分別計算前后軸制動鉗的活塞直徑需分別大于等于28.9mm和26.4mm。

最后，根據上述計算結果，選擇活塞直徑為34mm、內徑為28mm的制動卡鉗和內徑為18mm的單缸制動主缸等，由于巴哈賽車的特殊性自行設計了制動盤和制動踏板。