摩托車液壓盤式制動(dòng)器的計(jì)算與校核

溫開元，岳鵬，趙章岳

（1.瑞安市愛得利液壓制動(dòng)有限公司，浙江 溫州 325200；2.龍巖市海德馨汽車有限公司，福建 龍巖 364099）

0 引言

隨著我國(guó)摩托車市場(chǎng)的不斷發(fā)展，摩托車的制動(dòng)系統(tǒng)尤為重要，特別是一些高端賽道摩托車對(duì)摩托車制動(dòng)器及外觀提出了更高的要求，一些更好的材料及先進(jìn)的工藝被應(yīng)用在摩托車制動(dòng)器上。摩托車制動(dòng)器性能影響因素很多，包括摩托車制動(dòng)器本身的結(jié)構(gòu)、材料、工藝，以及摩托車的輪胎及行駛在不同道路環(huán)境下的外在因素。為此，本文將對(duì)一款典型的摩托車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)行計(jì)算與校核。

1 摩托車制動(dòng)器的分類

摩托車制動(dòng)器是保證摩托車安全行駛的重要部件，它的作用是控制行駛中的摩托車的車速，并在緊急情況下，使摩托車在最短的制動(dòng)時(shí)間和距離內(nèi)穩(wěn)定可靠地停止行駛。摩托車制動(dòng)器一般分為盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器又分為液壓盤式和機(jī)械盤式，鼓式制動(dòng)器又分為液壓鼓式和機(jī)械鼓式。

2 摩托車液壓盤式制動(dòng)器系統(tǒng)的組成和制動(dòng)原理

摩托車液壓盤式制動(dòng)器主要由制動(dòng)泵組合、制動(dòng)油管組合、制動(dòng)卡鉗組合和制動(dòng)盤等部分組成。制動(dòng)盤安裝于車輪轂上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為運(yùn)動(dòng)件，同時(shí)也是制動(dòng)力承受零件。制動(dòng)泵、制動(dòng)油管和制動(dòng)卡鉗為靜止件，當(dāng)握住前剎車手柄或踩下后剎車踏板時(shí)，剎車機(jī)構(gòu)推動(dòng)剎車總泵內(nèi)的活塞，使剎車油路中建立壓力。壓力經(jīng)由剎車油管傳送到剎車卡鉗，剎車卡鉗分泵活塞推動(dòng)制動(dòng)片夾緊剎車盤，使得制動(dòng)片與剎車盤發(fā)生摩擦，從而對(duì)摩托車進(jìn)行制動(dòng)。剎車卡鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓盤式制動(dòng)器卡鉗結(jié)構(gòu)示意圖

3 某型XX250兩輪摩托車制動(dòng)系統(tǒng)分系

3.1 摩托車基本參數(shù)及受力

某型XX250兩輪摩托車如表1所示。

表1 某型XX250兩輪摩托車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

摩托車滿載輪系重心位置前及受力如圖2所示。

圖2 摩托車前后輪剎車受力示意圖

3.2 制動(dòng)輪受力分析

當(dāng)摩托車被制動(dòng)時(shí)，前后輪分別受到前后制動(dòng)器的作用，一般剎車時(shí)先剎后輪、再剎前輪，這里以后輪受力為例進(jìn)行分析（前輪類似），當(dāng)后輪被制動(dòng)時(shí)，后輪分別受MQ2驅(qū)動(dòng)力矩的作用于地面的作用力Z2及地面阻力FL2。當(dāng)后制動(dòng)鉗夾緊后制動(dòng)盤時(shí)，由于制動(dòng)盤固定在后車輪上，這時(shí)后輪受到一個(gè)制動(dòng)力并產(chǎn)生制動(dòng)力矩，車輪制動(dòng)是由純滾動(dòng)到滾滑的漸變過程中，車輪對(duì)地面的滾動(dòng)摩擦因數(shù)漸變?yōu)檐囕唽?duì)地面的附著系數(shù)μ（變量），此時(shí)后輪受到地面阻力漸變?yōu)榈孛娓街Γ街f是地面對(duì)輪胎切向的反作用力，即地面對(duì)輪胎的最大靜摩擦力，對(duì)于后制動(dòng)輪有: Ff=μZ2。

當(dāng)制動(dòng)輪力矩小于輪胎與地面的附著力時(shí)，此時(shí)車輪附著力矩產(chǎn)生，車輪處于制動(dòng)滾動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)制動(dòng)輪剛要被抱死漸變?yōu)榛瑒?dòng)時(shí)，則有：FL2=Ff。

3.3 制動(dòng)車輛制動(dòng)效能

根據(jù)GB 7258—2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取初速度V0=30 km/h。選擇路面附著系數(shù)μ=0.7，一個(gè)駕駛員體重按75 kg計(jì)算,當(dāng)駕駛員駕駛摩托車以初速度30 km/h行駛時(shí)，駕駛員開始制動(dòng)，當(dāng)摩托車被剎停后，剎車距離必須小于7 m。前制動(dòng)力≥前軸載荷×60%；后制動(dòng)力≥后軸載荷×55%。

1）制動(dòng)減速度。考慮最大地面附著力車輪不抱死時(shí)，根據(jù)汽車?yán)碚摴剑苿?dòng)減速度極限值為jmax=μ×g=0.7×9.8=6.86 m/s2。

2）制動(dòng)距離S。根據(jù)汽車?yán)碚摴接校?/p>

式中，t2為液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，選取t2=0.23 s。則S=（1/3.6）×0.23×30+302÷（25.92×6.86）=1.916+5.062=6.978 m＜7 m。符合GB 7258—2017的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 前后輪軸載荷及地面制動(dòng)力矩計(jì)算

考慮前后輪同時(shí)抱死制動(dòng)狀態(tài)（如圖2），根據(jù)汽車?yán)磔営?jì)算公式有：

摩托車空載質(zhì)量為165 kg，駕駛員體重為75 kg，則整車質(zhì)量G=165+75=240 kg。則有前后軸負(fù)載受力：

由上式可知：Z1＞Z2。

前后輪地面制動(dòng)阻力：

前后輪地面制動(dòng)力矩：

由上式可知MZ1＞MZ2。

3.5 前后輪制動(dòng)片及剎車盤參數(shù)

前輪制動(dòng)片摩擦材料采用半金屬銅基材料，摩擦材料等級(jí)采用FF級(jí)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)摩擦因數(shù)為0.35～0.45，這里取摩擦因數(shù)μ1=0.4，摩擦片呈長(zhǎng)方形，摩擦片有效面積SP1=2136.86 mm2，前剎車盤外徑為292 mm，剎車盤有效半徑RP1=128 mm。

后輪制動(dòng)片摩擦材料采用半金屬銅基材料，摩擦因數(shù)μ1=0.4，摩擦片呈長(zhǎng)方形，摩擦片有效面積SP2=1496.85 mm2，后剎車盤外徑為220 mm，剎車盤有效半徑RP2=93 mm。

3.6 前后制動(dòng)器油缸壓力及制動(dòng)力計(jì)算

根據(jù)前后輪力矩平衡公式有：MZ1=MG1；MZ2=MG2。式中，MG1、MG2分別為前后制動(dòng)器卡鉗對(duì)剎車盤的力矩。設(shè)前制動(dòng)器有4個(gè)油缸，其中每邊兩個(gè)油缸對(duì)稱布置，工作時(shí)兩對(duì)油缸同時(shí)夾緊剎車盤，后制動(dòng)器分別有2個(gè)油缸，其中每邊1個(gè)油缸對(duì)稱布置，工作時(shí)一對(duì)油缸壓緊制動(dòng)片同時(shí)兩邊夾緊剎車盤，前后制動(dòng)器油缸直徑相等。

則有：MG1=4FM1×μ1×RP1（4油缸）；MG2=2FM2×μ1×RP2（2油缸），式中，F(xiàn)M1、FM2分別為前后制動(dòng)片對(duì)剎車盤所需施加的單邊壓力。根據(jù)上式有：

從上式可知FM1＞FM2，取較大值FM1=1680.1 N為制動(dòng)片壓力，考慮保險(xiǎn)系數(shù)為1.2。則制動(dòng)片所需壓力FM1=1680.1 N×1.2=2018.8 N。設(shè)前后制動(dòng)器油缸半徑為RY=17 mm。則油缸壓力FY=P×A。式中：P為油缸壓強(qiáng)；A為油缸面積，設(shè)油缸壓強(qiáng)為3.4 MPa（耐久試驗(yàn)壓強(qiáng)），A=πR2Y=3.14×17 mm2=907.46 mm2。則FY=P×A=3.4×907.46=3085.36 N＞制動(dòng)片所需壓力2018.8 N，F(xiàn)Y/FM1=3085.36÷2018.8=1.53，即油缸安全系數(shù)為1.53，故油缸滿足工作要求。當(dāng)FY=2018.8 N，油缸壓強(qiáng)P=FY/A=2018.8÷907.46=2.23 MPa。

前 后 制 動(dòng) 器 的 制 動(dòng) 力 分 別 為FZ1=4×FY× μ1=4×3085.36×0.4=4936.6 N；FZ2=2×FY× μ1=2×3085.36×0.4=2468.2 N。

根據(jù)GB 7258—2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。前制動(dòng)力≥前軸載荷×60%；后制動(dòng)力≥后軸載荷×55%。即FZ1≥Z1×60%；FZ2≥Z2×55%。

Z1×60%=1755.4×0.6=1053.2 N；Z2×55%=595.8×0.55=328.1 N，即滿足FZ1≥Z1×60%；FZ2≥Z2×55%。

以上是摩托車前后輪同時(shí)剎車抱死車輪的工況，參考QC/T 655—2005的相關(guān)要求，經(jīng)過校核，滿足GB 7258—2017相關(guān)技術(shù)要求。

3.7 某型XX250兩輪摩托車設(shè)計(jì)參數(shù)

通過以上計(jì)算，某型XX250兩輪摩托車設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 某型XX250兩輪摩托車設(shè)計(jì)參數(shù)

3.8 摩托車極端工況下的分析與校核

當(dāng)摩托車滿載總質(zhì)量時(shí)，即G=345 kg，則前后軸負(fù)載受力：

當(dāng)前輪沒有剎車即地面制動(dòng)力FL1=0時(shí)，根據(jù)汽車?yán)碚摴接校?/p>

此時(shí)后輪地面制動(dòng)力矩MZ2=FL2×Rt=1043.2×0.28=292.0 N。

當(dāng)后輪沒有剎車即地面制動(dòng)力FL2=0時(shí)，根據(jù)汽車?yán)碚摴接校?/p>

此時(shí)前輪地面制動(dòng)力矩MZ1=FL1×Rt=1464.5×0.28=1171.6 N。

油缸制動(dòng)力分別為：

從上式可知FM2＞FM1，取較大值FM2=3925.3 N為制動(dòng)片壓力，考慮保險(xiǎn)系數(shù)為1.2。則制動(dòng)片所需壓力FM2=3925.3×1.2=4710.4 N。當(dāng)前后制動(dòng)器油缸半徑為RY=17 mm。此時(shí)設(shè)油缸壓強(qiáng)為5.2 MPa，A=πR2Y=3.14×17=907.46 mm2，由FY=P×A=5.2×907.46=4718.8 N＞4710.4 N（制動(dòng)片所需壓力），滿足制動(dòng)所需壓力要求。

4 結(jié)語

根據(jù)汽車?yán)碚摴接校褐苿?dòng)距離S=（1/3.6）×t2×V0+（25.92×6.86）。當(dāng)V0=30 km/h，液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t2=0.23 s，制動(dòng)距離S＜7 m,滿足GB/T 5378—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是說液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t2≤0.23 s。當(dāng)設(shè)計(jì)制動(dòng)卡鉗油缸直徑時(shí)應(yīng)校核單獨(dú)前制動(dòng)或單獨(dú)后制動(dòng)時(shí)油缸所需的安全壓力，當(dāng)油缸半徑為RY=17 mm，油缸壓強(qiáng)≥5.2 MPa。