巴哈賽車中央盤式制動系統的設計

范柳斌 鐘濠名 梁智凱

摘要：巴哈賽車是一款馳騁于越野賽場的賽車，而賽車的操縱性與輕量化決定著賽車的性能。因此，設計一款既能滿足操縱性與通過性，又能夠滿足賽車的輕量化設計的賽車，在比賽中就起到了重要的作用。由制動系統液壓回路的設計可知，前輪所需要的制動力比后輪所需要的更多，除了通過調整平衡桿優化制動力的分配，還可適當減少整車重量，進而對賽車制動系統的設計與賽車的輕量化設計進行優化，最終獲得輕量化設計的制動系統，在保證賽車操縱性與穩定性的同時，完善賽車的輕量化設計進程。

Abstract： The Baja racing car is a racing car that gallops in the cross-country arena， and the maneuverability and light weight of the car determine the performance of the car. Therefore， designing a car that can not only meet the maneuverability and passability， but also meet the lightweight design of the car， plays an important role in the competition. From the design of the hydraulic circuit of the brake system， it can be seen that the front wheels require more braking force than the rear wheels. In addition to optimizing the distribution of braking force by adjusting the balance bar， the weight of the vehicle can also be appropriately reduced to brake the car. The design of the system is optimized with the lightweight design of the car， and finally a lightweight design braking system is obtained. While ensuring the maneuverability and stability of the car， it improves the lightweight design process of the car.

關鍵詞：巴哈;輕量化;中央盤式制動;設計

Key words： Baja;lightweight;central disc brake;design

中圖分類號：U469.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0020-03

0? 引言

根據中國汽車工程學會巴哈大賽的要求，需設計一款能滿足比賽需求的越野賽車來進行競賽，因此對于賽車輕量化設計的優化以及操縱性能的提高，就需要有更嚴格的思考與修正。因此，對于賽車的制動系統提出優化方案，改善賽車的操縱性。

1? 明確制動系統的參數

根據設計要求，明確賽車的主要參數，以表1為設計依據。

2? 中央盤式制動論證與分析

2.1 制動力的計算

根據比賽場地條件，可將同步附著系數近似取？漬0=0.7。因此，可以根據整車參數得到制動力分配系數β，進而確定制動器的分配力與分配后獲得的制動力矩。

由公式

可知，制動力分配系數β=0.64。在賽車制動時，在理想條件下前后輪同時抱死，此時結合輪胎半徑re可得前軸制動力矩：

再由式子

可知后輪制動力矩：

由此獲得前后軸摩擦力矩的大小。

取制動主缸缸徑為0.625英寸，設此時平衡桿處于平衡狀態，后軸液壓回路壓強為6MPa。

設輪邊盤式制動器的制動力矩，其中f摩擦因數;F0為單側摩擦片對制動盤的壓緊力，R為摩擦片作用半徑。

中央盤式制動器的制動力矩;

而。

因此可以根據F01與F02得出需要采取的制動輪缸缸徑。經計算可得d1=18.61m，d2=21.31mm。取后輪輪邊盤式制動卡鉗缸徑d1=32mm，中央盤式制動卡鉗缸徑d2=30mm。

接著對中央盤式制動方案可行性進行分析可知，在輪邊盤式制動能夠提供足夠制動力矩的情況下，采用中央盤式制動時，假設制動主缸缸徑無變化且踩踏踏板的力也無變化，將制動器進行選擇與替換，采用單邊的盤式制動，則制動油管中的油壓也不發生變化。

設采用輪邊制動方式時，一個后輪卡鉗與制動盤之間的總摩擦力為F1，有效摩擦半徑為R1，卡鉗缸徑為d1。

采用中央盤式制動方式時，四缸卡鉗與制動盤之間的總摩擦力為F2，有效摩擦半徑為R2，卡鉗缸徑為d2。

求兩種方式卡鉗與制動盤摩擦提供的總摩擦力矩之比λ：

假設更換制動方式引起的總車質量無變化，且前輪卡鉗與制動盤提供的摩擦力矩不發生變化，則后輪中央盤式制動卡鉗與制動盤作用提供的總摩擦力矩大于輪邊制動兩個卡鉗與制動盤作用提供的總力矩之和，達到設計要求。

再分析λ與1的大小關系：中央盤式制動制動盤直徑較輪邊制動制動盤直徑大，根據選擇或設計的制動盤尺寸可知，有效半徑R1大約為73.33mm，有效半徑R2大約為102.5mm，輪邊盤式制動卡鉗輪缸缸徑d1=32mm，中央盤式制動卡鉗缸徑d2=30mm，計算得λ≈0.814。即中央盤式制動力矩更大，更有利于賽車制動。

綜上，中央盤式制動方案可行，且摩擦力矩過剩，在減輕質量的同時，有助于制動穩定性的實現。故可以采用中央盤式制動。

2.2 輕量化設計的辨識

根據采購與設計的制動盤，如表2所示，對其進行對照。

由表知，除去中央盤式制動盤鉚釘的質量，中央盤式制動更輕一些。對于整車而言，每個微小的改動都會對整車的性能產生極大的影響，因此，制動系統質量的減輕，優化了賽車輕量化設計的進程，提高了賽車的操縱性。

同時，根據整車布置來看，中央盤式制動也比輪邊盤式制動的制動液壓回路短一些，一定程度上也能減少整車質量，少許提高了賽車的操縱性與制動靈敏度。而少去的緊固件以及優化之后的制動器，對比原方案則會更有優勢。

3? 中央制動的思路與設計方案

由上述的論證方案可知，中央盤式制動在制動力的利用率方面，以及質量的減少方面都占有優勢，因此，中央盤式制動的設計思路可取。進而需要對于賽車制動系統的布置進行思考與研究。

在傳統的巴哈賽車液壓制動系統的布置形式上，采用Ⅱ型油路制動，每個制動主缸各控制一根軸上的制動卡鉗，制動力分配由平衡桿對其進項制動力的調整與分配。中央盤式制動的液壓油路布置亦采用Ⅱ型，如圖1。由于整車電氣需要對信息進行采集，因此前軸使用三通，后軸可使用二通，通過液壓開關來進行電信號的傳遞。

對于后軸制動器的布置，則根據重心位置的左右偏移來最終確定制動器的作用對象。

根據整車安全思考，中央盤式制動不應作用在半軸上，因此，作用位置取內球籠;由于傳動系統主減速器的作用，限制一根半軸的旋轉則會影響另一根半軸的旋轉，則可知，只是作用于一根半軸也可實現后軸的制動。

因此可以取在減速器殼體上安裝轉接碼，為四缸卡鉗提供附著位點;在內球籠上設計法蘭盤，根據質心的偏移選擇左右內球籠，為制動盤提供附著位點。由二者相互作用產生的制動力矩來實現后軸的制動。

由此完成對中央系統的布置，獲得初始的中央盤式制動系統。

4? 分析過程

首先進行制動器的選擇，確定采用的制動盤。由上述部分中可知，采用規格為30mm四活塞卡鉗，根據整車位置的布置，確定制動盤的有效作用半徑，并根據空間位置布置，得出制動盤的有效半徑為102.5mm左右，最終以此為依據確定制動盤的型號，并對制動盤進行熱力耦合分析。

根據制動盤的型號以及材料，獲得制動盤本身的參數，如表3。

得到如圖2-圖3的制動盤溫度場云圖與安全系數圖。

持續減速時長為

0.55s，溫度變化由室溫22℃最高變化至680.12℃，

受到的扭矩由計算知，為153.55N·m，制動壓力為1978.4N，由此可知，散熱良好，制動效能恒定性較好。

再分析連接減速器殼體與制動卡鉗得轉接碼，如圖4、圖5，固定B、C點于減速器殼體上，設A處兩點連接卡鉗，對A處兩點附近施加1486.3N的力，其安全系數最小處為2.42，品質合格。

5? 結論

中央盤式制動優化了賽車的輪邊布置，優化了賽車布置空間，減少了賽車的質量，提高了賽車的操縱性，使賽車更有利于競賽。

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