張中國 石 彬 楊芝金

（山東越成制動(dòng)系統(tǒng)股份有限公司，棗莊 277400）

隨著我國交通運(yùn)輸條件的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國重要的產(chǎn)業(yè)之一，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大效益[1]。高質(zhì)量、高性能的汽車在市場銷售中占據(jù)了主導(dǎo)地位，同時(shí)安全、快捷與舒適的乘車環(huán)境越來越受到人們的青睞，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠諿2]。安全性是汽車生產(chǎn)中的重中之重，而制動(dòng)系統(tǒng)是保證汽車行駛安全的重中之重。制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一[3]，其中盤式制動(dòng)器的應(yīng)用已相當(dāng)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(dòng)器與鼓式制動(dòng)器相比，安全性更高，且具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，污染噪聲較小，維修簡便，在汽車上上應(yīng)用廣泛[3-6]。

本文介紹了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展過程，氣壓盤式制動(dòng)器的工作原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)以及重型卡車氣壓盤式制動(dòng)器的選擇，闡述了氣壓盤式制動(dòng)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)和零件，可為氣壓盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)，同時(shí)展望了其未來的市場發(fā)展。

1 相關(guān)概述

1.1 制動(dòng)總成系統(tǒng)發(fā)展概況

自汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來，汽車的制動(dòng)系統(tǒng)就是車輛行駛安全的核心系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟完善[7]。制動(dòng)總成系統(tǒng)的主要發(fā)展過程如表1所示。

表1 制動(dòng)總成系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.2 氣壓盤式制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)、工作原理及結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器在制動(dòng)系統(tǒng)中扮演著重要角色，其對汽車的制動(dòng)性能有著重要影響?，F(xiàn)階段汽車最常用的制動(dòng)器為鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器[8]，且安裝時(shí)基本采用前盤后鼓的安裝方法[9]。氣壓盤式制動(dòng)器因具有制動(dòng)響應(yīng)速度、制動(dòng)力矩大、制動(dòng)性能穩(wěn)定、重量輕、使用壽命長以及優(yōu)異的制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整功能等優(yōu)點(diǎn)，在重型卡車上應(yīng)用廣泛[10-11]。

氣壓盤式制動(dòng)器有諸多零件組成，包括制動(dòng)盤、氣室、制動(dòng)鉗以及氣管等，且以氣壓為動(dòng)力源來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工作。其中，制動(dòng)盤連接在輪轂上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，氣室裝夾在制動(dòng)器底板上，制動(dòng)鉗的摩擦片分別裝在制動(dòng)盤兩側(cè)，三者相互配合實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工作。工作時(shí)，氣室的活塞受氣管輸送來的氣壓作用于壓力臂，進(jìn)而調(diào)整機(jī)構(gòu)傳遞扭矩使推動(dòng)摩擦片壓向制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[12-14]。圖1為氣壓盤式制動(dòng)器實(shí)物圖。表2為氣壓盤式制動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及作用表。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 氣壓盤式制動(dòng)器零件主要作用

1.3 重型卡車氣壓盤式制動(dòng)器的選擇

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

表3 不同氣壓盤式制動(dòng)器類別及其優(yōu)勢表

重型卡車由于載重噸位大，行駛車速高，制動(dòng)力分配問題成為制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。齒輪離合制動(dòng)器因聯(lián)動(dòng)有效、能確保穩(wěn)定的強(qiáng)度和間隙配合等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決上述問題，使重型卡車的制動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)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(dòng)器對重型卡車的制動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義。表4、表5和表6是一種TGT225K型盤式齒輪制動(dòng)器制動(dòng)總成制動(dòng)力矩的相關(guān)參數(shù)、制動(dòng)器氣室的相關(guān)參數(shù)以及匹配盤式制動(dòng)車輛的主要技術(shù)參數(shù)，其三維建模圖如圖3所示。

表4 制動(dòng)總成制動(dòng)力矩的相關(guān)參數(shù)表

表5 制動(dòng)器氣室的相關(guān)參數(shù)表

表6 盤式制動(dòng)汽車的主要技術(shù)參數(shù)

2 氣壓盤式制動(dòng)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 制動(dòng)力矩

制動(dòng)力矩是制動(dòng)器工作時(shí)讓汽車車輪轉(zhuǎn)速下降、減速或停車的一種動(dòng)力矩。汽車附著質(zhì)量被全部占用時(shí)的力矩為最大制動(dòng)力矩，此時(shí)地面作用于車輪垂直方向的力與制動(dòng)力正相關(guān)[16]，計(jì)算公式為[17]：

式中：AZ為制動(dòng)氣室的有效面積，cm2；Pmax為最大制動(dòng)壓力，N；i為制動(dòng)杠桿系數(shù)；ηm為內(nèi)部制動(dòng)機(jī)械效率；C*為制動(dòng)片和制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)，要求不低于0.35；reff為有效摩擦半徑。

制動(dòng)力矩的計(jì)算公式為[17]：

式中：f為摩擦系數(shù)，取值0.4；N為單側(cè)制動(dòng)塊對制動(dòng)盤的壓緊力，N；R為制動(dòng)器的作用半徑，mm。

2.2 比能量耗散率

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

制動(dòng)時(shí)間t可通過式（5）計(jì)算[17]：

式中，δ為汽車的回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；v1和v2為汽車制動(dòng)時(shí)的開始速度與結(jié)束速度，m·s-1；ma為汽車總質(zhì)量，kg；j為汽車制動(dòng)時(shí)的減速度，這里取值0.69 m·s-2；A1和A2為前后制動(dòng)器襯塊摩擦的有效面積，cm2；β為制動(dòng)力的分配系數(shù)。

2.3 同步附著系數(shù)

汽車同步附著系數(shù)φ是代表汽車制動(dòng)性能好壞的重要參數(shù)。它的取值代表著汽車不同的制動(dòng)狀態(tài)[18]。圖4為汽車的制動(dòng)力分配曲線?？梢姡寒?dāng)φ＜φ0時(shí)，β線上的數(shù)值要比I曲線上的數(shù)值小，代表著汽車制動(dòng)時(shí)前輪先抱死，汽車工況雖然良好，但已無法完成轉(zhuǎn)向；當(dāng)φ＞φ0時(shí)，β線上的數(shù)值要比I曲線上的數(shù)值大，代表著汽車制動(dòng)時(shí)后輪先抱死，且后輪很容易發(fā)生側(cè)滑，汽車運(yùn)行不穩(wěn)；當(dāng)φ=φ0時(shí)，汽車制動(dòng)時(shí)前、后輪在一塊抱死，此時(shí)工況良好，但同φ＜φ0時(shí)一樣無法轉(zhuǎn)向。

通常認(rèn)為，汽車在無抱死或即將發(fā)生抱死時(shí)的制動(dòng)減速度是該汽車可能產(chǎn)生的最高減速度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)φ=φ0時(shí)，汽車制動(dòng)減速度為du/dt=qg=φ0g，即q=φ0，q為制動(dòng)強(qiáng)度。此時(shí)，ε=1制動(dòng)器的功效發(fā)揮到最大。當(dāng)φ＜φ0或φ＞φ0時(shí)，q＜φ0，汽車制動(dòng)減速度公式不再適用。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，汽車在滿載時(shí)，轎車的φ0≥0.6、貨車的φ0＞0.5為宜[19]。

2.4 前后軸制動(dòng)力矩

前后軸制動(dòng)力矩是保證汽車制動(dòng)和穩(wěn)定性良好的一個(gè)重要參數(shù)。因此，前、后輪的制動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。制動(dòng)力與最大制動(dòng)力關(guān)系密切。汽車總質(zhì)量被全部占用時(shí)，得到的力為最大制動(dòng)力，此時(shí)它與地面作用于車輪的垂直力Z1、Z2正相關(guān)，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(shù)和同步附著系數(shù)；hg為汽車的質(zhì)心高度，m；Ff1和Ff2為分別為前、后軸制動(dòng)器的制動(dòng)力，N，計(jì)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(dòng)力的值一般取1.3～1.6，貨車一般取0.5～0.7。

根據(jù)前、后軸制動(dòng)力的值可以計(jì)算出前、后軸車輪的制動(dòng)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(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向能力和穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，φ0值較小的車輛前、后軸的車輪最大制動(dòng)力矩分別為[20-21]：

式中：G為汽車滿載質(zhì)量，kg；L為汽車軸距，m。

φ0值較大的汽車應(yīng)先考慮其穩(wěn)定性，然后確定前后軸的最大制動(dòng)力矩。

前后軸的最大制動(dòng)力矩為[20-21]：

式中：q為牽動(dòng)強(qiáng)度，kN。

若已選定的同步附著系數(shù)φ0，根據(jù)公式，制動(dòng)力分配系數(shù)β為[20-21]：

2.5 制動(dòng)因數(shù)

制動(dòng)因數(shù)是制動(dòng)器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，是制動(dòng)盤作用半徑上摩擦力和輸入力的比值。若設(shè)定盤式制動(dòng)器兩側(cè)的制動(dòng)塊的壓緊力均為P，那么制動(dòng)盤工作面作用半徑摩擦力則可以表示為2fP，其中f是制動(dòng)盤與制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)（f為0.3～0.5）。盤式制動(dòng)器的制動(dòng)器因數(shù)BF則可以表示為[20-21]：

3 氣壓盤式制動(dòng)器主要零件

3.1 制動(dòng)盤簡介

制動(dòng)盤大多數(shù)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(shí)的尺寸大小影響其圓柱部分的長度。由于制動(dòng)盤制動(dòng)時(shí)有多個(gè)力和載荷的作用，因此會(huì)產(chǎn)生大量熱量。為了提高制動(dòng)器的散熱效率，制動(dòng)器中間一般設(shè)計(jì)為有徑向通風(fēng)槽的雙層盤。這種設(shè)計(jì)雖然可使散溫效率提高20%～30%，但會(huì)顯著增大制動(dòng)器尺寸。通常制動(dòng)盤有通風(fēng)槽的車輛，厚度為20.0～22.5 mm，反之厚度為10～13 mm。同時(shí)，制動(dòng)盤在制造時(shí)應(yīng)保證嚴(yán)格的表面參數(shù)，如合適的表面跳動(dòng)量、兩側(cè)表面的厚度差和不平衡量等。

3.2 制動(dòng)鉗簡介

制動(dòng)鉗是制動(dòng)系統(tǒng)中重要的零件之一，應(yīng)具備較好的力學(xué)性能和機(jī)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(dòng)鉗形狀可為一個(gè)整體狀或由螺栓聯(lián)接而成的半塊狀，且在制動(dòng)鉗的邊緣有高低不等的凹槽，以方便制動(dòng)塊的更換和檢修。制動(dòng)鉗一般裝在汽車的前后橋發(fā)揮作用，如在車軸前橋可以防止泥水進(jìn)入制動(dòng)鉗，減少制動(dòng)鉗的卡滯對制動(dòng)的影響。車輛后橋在制動(dòng)時(shí)會(huì)受到軸承合成載荷的影響，因此若制動(dòng)器在車輛后橋則能有效減少這種影響[20-21]。

3.3 制動(dòng)塊簡介

制動(dòng)塊是由背板和摩擦襯塊通過壓嵌或鉚接聯(lián)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(yīng)力集中而產(chǎn)生的尖叫現(xiàn)象，通常使活塞覆蓋較多的制動(dòng)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(shí)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(fā)展，現(xiàn)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(shí)間提醒車主及時(shí)更換，減少安全隱患[23]。

3.4 摩擦材料簡介

制動(dòng)摩擦材料的摩擦系數(shù)應(yīng)具備抗拉、抗壓和耐磨等好的機(jī)械性能，以及高疏水（油、制動(dòng)液）性和低熱傳導(dǎo)性等穩(wěn)定特點(diǎn)，在制動(dòng)時(shí)應(yīng)無味、噪聲小，具有環(huán)境友好性等特點(diǎn)。摩擦系數(shù)越大，材料的耐磨性越小。它的穩(wěn)定范圍一般在0.3～0.5，最大值可達(dá)0.7。計(jì)算制動(dòng)器力矩時(shí)，一般取0.30～0.35。

現(xiàn)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(jié)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(jī)、無機(jī)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(yīng)用于國外轎車的盤式制動(dòng)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(wěn)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(dòng)器載荷負(fù)重較大的汽車[24]。

4 結(jié)語

隨著國家對汽車行業(yè)的大力支持，汽車零部件產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，促使家庭轎車由適用型、經(jīng)濟(jì)型向豪華型、運(yùn)動(dòng)型過渡。氣壓盤式制動(dòng)器作為轎車、卡車、掛車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，以其優(yōu)異的性能在汽車行業(yè)得到了廣泛認(rèn)可。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的大部分安裝盤式制動(dòng)器的車型大部分從國外進(jìn)口，導(dǎo)致汽車制造成本較高。高質(zhì)量、低成本的氣壓盤式制動(dòng)器已經(jīng)成為當(dāng)前制動(dòng)器市場的發(fā)展主流，且應(yīng)用前景廣闊。