氣壓盤式制動器總成技術

張中國 石 彬 楊芝金

（山東越成制動系統股份有限公司，棗莊 277400）

隨著我國交通運輸條件的飛速發展，汽車產業已經成為我國重要的產業之一，為我國的經濟發展帶來了巨大效益[1]。高質量、高性能的汽車在市場銷售中占據了主導地位，同時安全、快捷與舒適的乘車環境越來越受到人們的青睞，汽車已經成為人們日常生活的一部分[2]。安全性是汽車生產中的重中之重，而制動系統是保證汽車行駛安全的重中之重。制動器是制動系統的核心部件之一[3]，其中盤式制動器的應用已相當廣泛，如在轎車、客車、輕型載貨卡車以及重型載貨卡車上都很常見。盤式制動器與鼓式制動器相比，安全性更高，且具有環境友好的特點，污染噪聲較小，維修簡便，在汽車上上應用廣泛[3-6]。

本文介紹了汽車制動系統的主要發展過程，氣壓盤式制動器的工作原理、結構、優點以及重型卡車氣壓盤式制動器的選擇，闡述了氣壓盤式制動器主要設計參數和零件，可為氣壓盤式制動器的設計和應用提供理論依據，同時展望了其未來的市場發展。

1 相關概述

1.1 制動總成系統發展概況

自汽車產業發展以來，汽車的制動系統就是車輛行駛安全的核心系統。制動系統經歷了漫長的發展歷程，現在已經比較成熟完善[7]。制動總成系統的主要發展過程如表1所示。

表1 制動總成系統的發展歷程

1.2 氣壓盤式制動器的優點、工作原理及結構

制動器在制動系統中扮演著重要角色，其對汽車的制動性能有著重要影響。現階段汽車最常用的制動器為鼓式制動器和盤式制動器[8]，且安裝時基本采用前盤后鼓的安裝方法[9]。氣壓盤式制動器因具有制動響應速度、制動力矩大、制動性能穩定、重量輕、使用壽命長以及優異的制動間隙自動調整功能等優點，在重型卡車上應用廣泛[10-11]。

氣壓盤式制動器有諸多零件組成，包括制動盤、氣室、制動鉗以及氣管等，且以氣壓為動力源來實現制動工作。其中，制動盤連接在輪轂上，隨車輪轉動，氣室裝夾在制動器底板上，制動鉗的摩擦片分別裝在制動盤兩側，三者相互配合實現制動工作。工作時，氣室的活塞受氣管輸送來的氣壓作用于壓力臂，進而調整機構傳遞扭矩使推動摩擦片壓向制動盤實現制動[12-14]。圖1為氣壓盤式制動器實物圖。表2為氣壓盤式制動器機械結構組成及作用表。它的機械結構如圖2所示。

表2 氣壓盤式制動器零件主要作用

1.3 重型卡車氣壓盤式制動器的選擇

氣壓盤式制動器有很多種，常用的有齒輪式雙推桿制動器、單推桿制動器和齒輪式離合制動器。不同氣壓盤式制動器類別及其優勢如表3所示。

表3 不同氣壓盤式制動器類別及其優勢表

重型卡車由于載重噸位大，行駛車速高，制動力分配問題成為制動系統的關鍵問題。齒輪離合制動器因聯動有效、能確保穩定的強度和間隙配合等優點，可以有效解決上述問題，使重型卡車的制動系統正常運行，保證車輛安全工作。因此，選擇合適的盤式齒輪式離合制動器對重型卡車的制動系統具有重要意義。表4、表5和表6是一種TGT225K型盤式齒輪制動器制動總成制動力矩的相關參數、制動器氣室的相關參數以及匹配盤式制動車輛的主要技術參數，其三維建模圖如圖3所示。

表4 制動總成制動力矩的相關參數表

表5 制動器氣室的相關參數表

表6 盤式制動汽車的主要技術參數

2 氣壓盤式制動器主要設計參數

2.1 制動力矩

制動力矩是制動器工作時讓汽車車輪轉速下降、減速或停車的一種動力矩。汽車附著質量被全部占用時的力矩為最大制動力矩，此時地面作用于車輪垂直方向的力與制動力正相關[16]，計算公式為[17]：

式中：AZ為制動氣室的有效面積，cm2；Pmax為最大制動壓力，N；i為制動杠桿系數；ηm為內部制動機械效率；C*為制動片和制動盤之間的摩擦系數，要求不低于0.35；reff為有效摩擦半徑。

制動力矩的計算公式為[17]：

式中：f為摩擦系數，取值0.4；N為單側制動塊對制動盤的壓緊力，N；R為制動器的作用半徑，mm。

2.2 比能量耗散率

比能量耗散率是制動器能量負載的代表參數，又叫做單位功。它表示制動器的單位摩擦面積在單位時間內所消耗的能量和。兩軸汽車的前、后輪制動器的單位功e1和e2分別為：

制動時間t可通過式（5）計算[17]：

式中，δ為汽車的回轉質量換算系數；v1和v2為汽車制動時的開始速度與結束速度，m·s-1；ma為汽車總質量，kg；j為汽車制動時的減速度，這里取值0.69 m·s-2；A1和A2為前后制動器襯塊摩擦的有效面積，cm2；β為制動力的分配系數。

2.3 同步附著系數

汽車同步附著系數φ是代表汽車制動性能好壞的重要參數。它的取值代表著汽車不同的制動狀態[18]。圖4為汽車的制動力分配曲線?？梢姡寒敠眨鸡?時，β線上的數值要比I曲線上的數值小，代表著汽車制動時前輪先抱死，汽車工況雖然良好，但已無法完成轉向；當φ＞φ0時，β線上的數值要比I曲線上的數值大，代表著汽車制動時后輪先抱死，且后輪很容易發生側滑，汽車運行不穩；當φ=φ0時，汽車制動時前、后輪在一塊抱死，此時工況良好，但同φ＜φ0時一樣無法轉向。

通常認為，汽車在無抱死或即將發生抱死時的制動減速度是該汽車可能產生的最高減速度。研究發現，當φ=φ0時，汽車制動減速度為du/dt=qg=φ0g，即q=φ0，q為制動強度。此時，ε=1制動器的功效發揮到最大。當φ＜φ0或φ＞φ0時，q＜φ0，汽車制動減速度公式不再適用。相關學者認為，汽車在滿載時，轎車的φ0≥0.6、貨車的φ0＞0.5為宜[19]。

2.4 前后軸制動力矩

前后軸制動力矩是保證汽車制動和穩定性良好的一個重要參數。因此，前、后輪的制動力矩的設計至關重要。制動力與最大制動力關系密切。汽車總質量被全部占用時，得到的力為最大制動力，此時它與地面作用于車輪的垂直力Z1、Z2正相關，有[20-21]：

式中：L1和L2為汽車前后軸的距離，m；φ和φ0分別為最大附著系數和同步附著系數；hg為汽車的質心高度，m；Ff1和Ff2為分別為前、后軸制動器的制動力，N，計算公式分別為[20-21]：

式中：Z1、Z2分別為作用于汽車前、后軸車輪上的與地面垂直的反力，N。其中，轎車前、后軸制動力的值一般取1.3～1.6，貨車一般取0.5～0.7。

根據前、后軸制動力的值可以計算出前、后軸車輪的制動力矩[20-21]：

式中：re為車輪的有效半徑，cm。

為了保持車輛在制動時的轉向能力和穩定的行駛狀態，φ0值較小的車輛前、后軸的車輪最大制動力矩分別為[20-21]：

式中：G為汽車滿載質量，kg；L為汽車軸距，m。

φ0值較大的汽車應先考慮其穩定性，然后確定前后軸的最大制動力矩。

前后軸的最大制動力矩為[20-21]：

式中：q為牽動強度，kN。

若已選定的同步附著系數φ0，根據公式，制動力分配系數β為[20-21]：

2.5 制動因數

制動因數是制動器設計計算時的一個重要參數，是制動盤作用半徑上摩擦力和輸入力的比值。若設定盤式制動器兩側的制動塊的壓緊力均為P，那么制動盤工作面作用半徑摩擦力則可以表示為2fP，其中f是制動盤與制動塊的摩擦系數（f為0.3～0.5）。盤式制動器的制動器因數BF則可以表示為[20-21]：

3 氣壓盤式制動器主要零件

3.1 制動盤簡介

制動盤大多數由珠光體灰鑄鐵制造，或在其中添加Cr、Ni等合金鑄鐵制成[22]，似帽狀，布置時的尺寸大小影響其圓柱部分的長度。由于制動盤制動時有多個力和載荷的作用，因此會產生大量熱量。為了提高制動器的散熱效率，制動器中間一般設計為有徑向通風槽的雙層盤。這種設計雖然可使散溫效率提高20%～30%，但會顯著增大制動器尺寸。通常制動盤有通風槽的車輛，厚度為20.0～22.5 mm，反之厚度為10～13 mm。同時，制動盤在制造時應保證嚴格的表面參數，如合適的表面跳動量、兩側表面的厚度差和不平衡量等。

3.2 制動鉗簡介

制動鉗是制動系統中重要的零件之一，應具備較好的力學性能和機械性能。制造材料一般為可鍛鑄鐵KTH370-12、球墨鑄鐵QT400-18或輕合金，形狀也大有不同。例如，鋁合金制動鉗形狀可為一個整體狀或由螺栓聯接而成的半塊狀，且在制動鉗的邊緣有高低不等的凹槽，以方便制動塊的更換和檢修。制動鉗一般裝在汽車的前后橋發揮作用，如在車軸前橋可以防止泥水進入制動鉗，減少制動鉗的卡滯對制動的影響。車輛后橋在制動時會受到軸承合成載荷的影響，因此若制動器在車輛后橋則能有效減少這種影響[20-21]。

3.3 制動塊簡介

制動塊是由背板和摩擦襯塊通過壓嵌或鉚接聯接在一起的塊狀零件。襯塊是呈扇葉狀、矩形、或長圓性的塊狀零件。為了減少襯塊因應力集中而產生的尖叫現象，通常使活塞覆蓋較多的制動塊面積。例如，可以在摩擦襯塊與背板之間貼一層隔熱減振墊以減小摩擦和噪聲。因工作壓力和溫度較高，摩擦襯塊不宜長時間工作，故越厚越好。輕型汽車的摩擦襯塊的厚度為7.5～10.0 mm，小、重型汽車的摩擦襯塊厚度為14～22 mm。隨著科技的發展，現在大部分汽車已裝備摩擦磨損極限檢測裝置，可在必要的時間提醒車主及時更換，減少安全隱患[23]。

3.4 摩擦材料簡介

制動摩擦材料的摩擦系數應具備抗拉、抗壓和耐磨等好的機械性能，以及高疏水（油、制動液）性和低熱傳導性等穩定特點，在制動時應無味、噪聲小，具有環境友好性等特點。摩擦系數越大，材料的耐磨性越小。它的穩定范圍一般在0.3～0.5，最大值可達0.7。計算制動器力矩時，一般取0.30～0.35。

現階段，模壓材料是使用最多的摩擦材料，由石棉纖維、樹脂粘結劑和噪聲消除劑等混合后通過高溫模壓而成。模壓材料也可以采用無石棉摩擦材料，由有機、無機金屬材料的纖維或粉末代替石棉組成，制造方法與模壓材料大致相同，被廣泛應用于國外轎車的盤式制動器。此外，還有一種常用的是粉末冶金摩擦材料，主要成分（占比為60%～80%）是鐵粉和銅粉，而后添加陶瓷粉、石墨粉等非金屬粉末，通過粉末冶金的方法制作而成。它的穩定性較好但成本過高，一般用于高性能轎車、行駛條件和制動器載荷負重較大的汽車[24]。

4 結語

隨著國家對汽車行業的大力支持，汽車零部件產業不斷發展，促使家庭轎車由適用型、經濟型向豪華型、運動型過渡。氣壓盤式制動器作為轎車、卡車、掛車制動系統的關鍵，以其優異的性能在汽車行業得到了廣泛認可。目前，國內現有的大部分安裝盤式制動器的車型大部分從國外進口，導致汽車制造成本較高。高質量、低成本的氣壓盤式制動器已經成為當前制動器市場的發展主流，且應用前景廣闊。