一種新型汽車制動器的探究

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 楊蒙 黃歡

湖北中爾車軸有限公司 夏海龍 夏浩

現有的制動器普遍具有發熱快、熱衰大等缺點，為解決這一問題，開發出了一款發熱小、熱衰小、雙重安全保障的制動器，并對新型周盤式制動器的結構、工作原理,以及與傳統制動器相比較的優點進行了分析說明。

汽車制動系統是影響汽車主動安全最重要的部分，由重型貨車制動系統問題引起的道路交通安全事故頻頻發生：2018年“11·3”蘭州重大道路交通安全事故的直接原因是由于下坡路段頻繁采取制動導致車輛制動失效；“11·19”大廣高速平輿段28輛貨車相撞事故，除了大霧天氣影響外，車輛制動距離過長也是導致事故發生的重要原之一。現有的載重汽車、載客汽車普遍使用鼓式制動或少數盤式制動，形成內張式制動形式，雖經多次改進制動性能已趨完善，但在負荷較重以及下長坡減速或緊急制動的情況下，其摩擦片發熱快、散熱慢，制動器溫度過高，制動鼓易熱衰、破裂，制動距離長等弊端日益突出，成為車輛行駛中的重大安全隱患[1]。為此，筆者研發了一種制動性能更好的新型制動器——周盤式制動器來解決以上難題。

周盤式制動器簡介

周盤式制動器將平盤式制動器和鼓式制動器的優點相結合，采用雙面制動，其既具備了盤式制動器雙向夾緊制動功能，同時又保留了鼓式制動器制動面積大、制動力矩大等優點。周盤式制動器摩擦元件中的旋轉元件是以兩周面工作的金屬圓盤，稱為周制動盤。周制動盤有內外制動面，對應于周制動盤的外周面安設周向夾緊制動蹄，對應于周制動盤的內周面安設周向外撐制動蹄。周制動盤內、外制動面形成內撐外抱的夾緊制動，摩擦元件從周制動盤內外兩側同時夾緊產生制動，形成“內撐外抱”雙面夾緊的制動形式。內撐和夾緊的同步制動性能通過從1～10mm的過程磨損理論分析來達到實現內外同步制動最大的制動效果。

周盤式制動器內撐外抱的夾緊制動方式能增加制動面積，加大制動力矩，縮短制動距離；內、外周向夾緊制動蹄平均分配了制動部件受力強度，延長了使用壽命，減少摩擦片磨損，避免制動發熱；導風罩利用車輛行駛自然風給制動系統和輪胎降溫，避免了制動高溫。周盤式制動器車軸如圖1所示。

圖1 周盤式制動器車軸

周盤式制動器結構及制動原理

1.周盤式制動器結構

周盤式制動器主要由周制動盤、周向夾緊制動蹄、周向外撐制動蹄、雙S凸輪軸、凸輪支架、蹄片軸支架、制動臂、回位拉簧等零部件組成，其結構如圖2所示。

圖2 周盤式制動器結構圖

2.周盤式制動器制動原理

周盤式制動器制動過程：氣室產生氣壓帶動雙S凸輪軸，雙S凸輪軸的內外結構件分別驅動周向夾緊制動蹄和周向外撐制動蹄，在周向夾緊制動蹄和周向外撐制動蹄的作用下，內撐外抱周向夾緊裝置與雙面周向制動盤靠近接觸并產生摩擦制力，使車輛減速或停止[2]。制動原理如圖3所示。

圖3 制動原理圖

理論力學計算方法

1.雙S凸輪軸外S及內S的推力計算

1.1 雙S凸輪軸的受力分析

周盤式制動雙S凸輪軸分析如圖4所示。圖4中，F為氣室推力；L1為調整臂長；D1為雙S凸輪軸外S基圓直徑；d1為雙S凸輪軸內S基圓直徑；P2為雙S凸輪軸外S對應左制動臂輸入端的受力；P2′為雙S凸輪軸外S對應右制動臂輸入端的受力；P3為雙S凸輪軸內S對應上內周制動鉗活動端的受力；P3′為雙S凸輪軸內S對應下內周制動鉗活動端受力。

圖4 周盤式制動雙S凸輪軸分析圖

1.2 受力計算

由杠桿比得出：

L1×F=P2×D1+P3×d1

受力計算結果為：

2.制動臂推力計算分析

2.1 左右制動臂的受力分析

制動臂受力分析如圖5所示,圖5中，L2為左制動臂旋轉中心與P2的力臂；L2′為右制動臂旋轉中心與P2′的力臂；L3為左制動臂旋轉中心與P4的力臂；L3′為右制動臂旋轉中心與P4′的力臂；P4為左制動臂輸出端對應上外周制動鉗的受力；P4′為右制動臂輸出端對應下外周制動鉗的受力。

圖5 制動臂受力分析圖

2.2 制動臂推力計算

由杠桿比得出：

受力計算結果為：

3.周制動鉗總成力分析

3.1 上周制動鉗總成分析

上周制動鉗總成受力分析如圖6所示，圖6中，L4為上外周制動鉗固定端對應P4的力臂；L5為上外周制動鉗固定端對應周制動盤中心的力臂；L6為上內周制動鉗固定端對應P3的力臂；L7為上內周制動鉗固定端對應周制動盤中心的力臂；F1為上外周制動鉗受力；F2為上內周制動鉗受力；R為周制動盤外周半徑；r為周制動盤內周半徑；f為摩擦系數。

圖6 上周制動鉗總成受力分析圖

3.2F1、F2計算

由杠桿比得出：

受力計算結果為：

3.3 下周制動鉗總成分析

下周制動鉗總成受力分析如圖7所示，圖7中，L4′為 下外周制動鉗固定端對應P4′的 力臂；L5′為下外周制動鉗固定端對應周制動盤中心的力臂；L6′為下內周制動鉗固定端對應P3′的 力臂；L7′為下內周制動鉗固定端對應周制動盤中心的力臂；F3為下外周制動鉗受力；F4為下內周制動鉗受力；R為周制動盤外周半徑；r為周制動盤內周半徑；f為摩擦系數。

3.4 計算F3、F4

由杠桿比得出：

受力計算結果為：

圖7 下周制動鉗總成受力分析圖

4.計算制動力矩Tμ

根據圖1～5分析結果得出：[周制動鉗受力(F1+F2)×周制動盤半徑R+周制動鉗受力(F3+F4)×周制動盤半徑r]摩擦系數f

計算公式為：

5.制動力計算分析

通過對周盤式制動器制動力矩的計算和分析可以發現，在制動推力、調整臂長度和摩擦片相同的情況下，凸輪軸的尺寸結構、制動盤的尺寸結構和制動面積是影響制動力矩的關鍵因素，分別對這兩種形式的制動器進行了力矩測試，測得周盤式制動器總制動力矩為1 5 0 4 1.2 N m，鉗盤式制動器總制動力矩為13698.6Nm，周盤式制動器“內撐外抱”的獨特制動形式和雙S凸輪軸的特殊結構使得其制動力矩比傳統鉗盤式制動器高出9.8%。

周盤式制動器制動性能及效益優勢分析

1.制動面積大

相比傳統的鉗盤式制動器，周盤式制動器采用的是“內撐外抱 ”的雙面制動形式，制動剎車片幾乎可以與周制動盤約 7 0%的面積進行接觸，制動面積達211520mm2，是鉗盤式制動器制動面積 39052mm2的5倍，制動性能更好。

2.雙制動系統雙重安全保障

周盤式制動器內外制動蹄正常情況下同時工作，如遇任意一個制動蹄失效，其他兩個制動蹄仍然可以正常工作，可保證在極端情況下車輛正常減速或停止，提高了車輛制動的安全性。

3.防止制動盤受損飛濺

傳統的鉗盤式制動盤損壞后會直接接觸到輪轂，制動盤與輪轂高速摩擦產生大量的火星，會導致出現火災或碎片飛濺等風險。周盤式制動器不僅有導風防塵罩能隔絕周向制動盤，防范制動盤損壞后產生的火星及碎片到處飛濺，而且雙面夾緊的制動方式能確保制動盤受損后不脫落，不飛出。

4.散熱性強

周盤式車軸擁有獨立的散熱系統，周制動盤為雙層結構，內、外制動面間設有散熱通道，獨創的導風防塵罩設計，可利用車輛行駛的自然風對制動對制動系統冷卻散熱，雙層結構的周制動盤更利于通風散熱。

5．抗衰熱性能強

周盤式制動器采用了雙面制動，將制動力平均分配在兩個制動面上，周制動盤的發熱量減少了一倍，雙向夾緊制動模式也使得汽車制動響應速度更快。根據掛車制動試驗表明，周盤式制動器熱態制動強度為41.3%，比標準要求的36%提高14.7%，在熱衰退試驗后仍具有較好的熱態制動效能，具有較強的抗熱衰性。

6.周盤式制動器經濟效益分析

周盤式制動器因其獨特的結構和制動模式，其制動面積是傳統的鉗盤式制動器的5倍，大摩擦面積實現較大的制動力，制動器的使用壽命也大大延長；鉗盤式制動器的制動面積小，每行駛1～3萬km就需要更換一次摩擦片，而周盤式制動器的制動面積大，正常行駛10～20萬km才需要更換一次摩擦片；周盤式制動器的結構相對簡單，零部件價格較低，其使用維修成本較低；周盤式制動器的摩擦片磨損極限厚，使用壽命長，傳統鼓式制動器最大磨損厚度為12mm，周盤式制動器最大磨損厚度為外12mm+內10mm；周盤式制動器能降低輪胎起火、制動盤破裂及制動性能失效等事故的發生率，避免造成巨大的經濟損失。

序號周盤式零部件名稱內/外制動蹄鉗盤式零部件名稱1 2 6 0 0/套制動盤7 6 0/套價格2卡鉗價格3 5 0/個周制動盤摩擦片3 1 8 0/套3 2 0/個摩擦片1 6 0/套

結語

相比傳統的鉗盤式和鼓式制動器，周盤式制動器有制動面積大、雙制動系統雙重安全保障、防止制動盤受損脫落飛出、散熱性強、制動響應速度快、發熱小等優勢。對周盤式這種新型的制動器而言，有必要進行大量的理論數據、試驗數據和實車數據的積累，探究其制動性能、散熱性能、耐久性能、與制動控制系統的匹配性和適應性等，不斷對其進行完善改進，進一步提升該制動器的綜合性能。