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盤式制動器優(yōu)點、分類及受力分析

1.1 盤式制動器優(yōu)點

鼓式制動器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2023年6月26日訊 早期汽車制動系統(tǒng)多采用鼓式制動器，隨著社會的不斷進步，汽車的車速越來越高、載重越來越大，人們對汽車制動系統(tǒng)的要求越來越高，盤式制動器憑借其整體結(jié)構(gòu)緊湊、熱穩(wěn)定性好和水穩(wěn)定性好等優(yōu)點逐步被人們所青睞。近年來越來越的汽車前后輪均采用盤式制動器，鼓式制動器漸漸退出汽車界。盤式制動器有著眾多優(yōu)點，如以下所示：

（1）整體結(jié)構(gòu)緊湊

盤式制動器的整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，力的傳動效率高。同尺寸的盤式制動器與傳統(tǒng)鼓式制動器相比較，盤式制動器達到的制動效果更好。

（2）遇熱穩(wěn)定性好

與鼓式制動器相比較，盤式制動器無自增力，因此其制動效果基本不受摩擦系數(shù)的影響。在熱膨脹方面，盤式制動器的制動盤徑向膨脹對制動效能無影響，而其軸向膨脹較小，因此盤式制動器在受熱膨脹后對制動效果影響很小。

（3）遇水穩(wěn)定性好

盤式制動器在制動時制動塊與制動盤之間單位壓力非常大，高速旋轉(zhuǎn)的制動盤存在很大的離心力，當盤式制動器涉水之后，在制動壓力和離心力的作用下，制動塊與制動盤之間的水很容易被擠出，因此涉水對其制動效果影響較小。

（4）散熱性好

盤式制動器的通常采用通風盤結(jié)構(gòu)，通風盤散熱表面積較大，同時其安裝位置較為裸露，在車輪高速旋轉(zhuǎn)的同時加快了空氣流動速度，因此盤式制動器的散熱效果較好。

（5）反應(yīng)靈敏

在盤式制動器的結(jié)構(gòu)上，制動盤與制動塊之間的間隔較小，從而大大減小了制動行程。同時與鼓式制動器相比，盤式制動器的熱膨脹較小，不會因熱膨脹帶來的行程增大問題，因此其反應(yīng)更加靈敏。

（6）易于保養(yǎng)

隨著制動次數(shù)的增加，制動盤與制動塊之間間隙會逐漸增大，而盤式制動器中的制動盤與制動塊之間的間隔可以實現(xiàn)自動調(diào)整。在維修方面，盤式制動器便于拆卸和裝配，損壞件一般為磨損量過大的制動塊，維修成本較低。

1.2 盤式制動器分類

按照制動壓力方式的不同盤式制動器可分為液壓式和氣壓式；按照固定制動塊結(jié)構(gòu)的不同盤式制動器可分為全盤式和鉗盤式。

全盤式制動器的制動背板和制動塊的形狀為圓環(huán)狀，在進行制動時制動盤的摩擦面與制動塊的摩擦面之間完全接觸。全盤式制動器的應(yīng)用范圍較小，目前主要應(yīng)用于少數(shù)重型汽車上，其可以作為制動器或緩速器。鉗盤式制動器的鉗體上有2～4 個制動塊，制動塊的摩擦面與制動盤的摩擦面之間接觸面積較小，其制動壓力較大，因此對制動塊材料的抗壓、耐磨能要求較高。以前人們將盤式制動器安裝在汽車上充當中央制動器使用，隨著盤式制動器的認可程度的提高，到現(xiàn)在已經(jīng)成為各類汽車的標配。鉗盤式制動器分為兩種：定鉗盤式和浮鉗盤式。

（1）定鉗盤式制動器

定鉗盤式制動器在汽車上的應(yīng)用要早于浮鉗盤式制動器，定鉗盤式制動器的運動副較少，整體剛度較大，但因其制動盤兩側(cè)都設(shè)有活塞，布局困難，故而導(dǎo)致其尺寸較大。同時對油缸和活塞的精密度要求較高，導(dǎo)致了制造成本的加大。

此外，因盤式制動器在制動時會使制動塊產(chǎn)生大量的熱，進而傳遞給制動液，導(dǎo)致制動液產(chǎn)生大量氣泡，最終影響制動效果。定鉗盤式制動器的鉗體是固定的，故而不作軸向移動。制動塊處于制動盤的兩側(cè)，當制動時鉗體內(nèi)的活塞在油壓的作用下將制動塊推出，制動盤在兩側(cè)制動塊的擠壓下進行制動，如圖1.1 所示。

（2）浮鉗盤式制動器

浮鉗盤式制動器顧名思義其鉗體是不固定的，鉗體運動方式有兩種：沿導(dǎo)向銷做軸向平移和繞承銷擺動。因其油缸只存在于內(nèi)側(cè)，故而使其結(jié)構(gòu)簡單、易于布局，同時縮小了整體尺寸，較少了總質(zhì)量，使得成本大大降低。浮鉗盤式制動器的內(nèi)制動塊是可以隨活塞運動的，外制動塊是固定在鉗體上的。當汽車進行制動時，氣壓或者油壓會通過活塞將內(nèi)制動塊推出，使其壓向制動盤，此時，鉗體會在反作用力下向制動盤一側(cè)移動，從而使兩側(cè)制動塊緊壓制動盤，最終達到制動的目的，如圖1.2 所示。

1.3 盤式制動器受力分析

以目前汽車上最為常見的浮鉗盤式制動器為研究對象，針對其工作時的受力狀況進行分析。首先對其工作原理進行分析：當汽車進行制動時，液壓（或氣壓）將內(nèi)側(cè)鉗體中的活塞推出，帶動內(nèi)制動塊向制動盤面接觸擠壓，鉗體橋在反作用力下會沿軸向向制動盤一側(cè)移動，從而帶動外制動塊接觸擠壓制動盤面，制動塊與制動盤相互接觸產(chǎn)生摩擦力，從而達到制動效果。當汽車停止制動時，液壓油流回油箱，制動壓力消失，同時在回位彈簧的作用使兩側(cè)制動塊恢復(fù)到原來位置，至此制動過程結(jié)束。

在汽車的制動過程中，由司機踩下剎車到汽車速度降為零時，其過程大致可以分為三時期：

第一時期為汽車的反應(yīng)滯后時期。這段時間由于制動踏板會有運動行程和制動盤與制動塊之間存在間隙，從而導(dǎo)致此階段制動器沒有起到制動的作用。

第二時期為盤汽車開始制動一直到車輪抱死時期。這段時間制動器的制動力矩不斷增大，汽車的車輪滾動與拖滑交替出現(xiàn)，最終使車輪抱死。

第三時期為車輪抱死拖滑到汽車速度降為零時期。這段時間制動器的制動力矩基本保持穩(wěn)定，最終汽車速度降為零。

本文需要以最大制動力矩為標準，進而各部件在受到最大制動力矩后性能保持不變?yōu)榍疤徇M行研究設(shè)計。其簡化圖如圖1.3 所示。

1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)狀

關(guān)于盤式制動器的仿真分析研究，國外研究文獻較多，但多數(shù)文獻局限于對盤式制動器的振動模態(tài)分析、制動噪聲分析和熱力學(xué)分析等方面，針對盤式制動器結(jié)構(gòu)輕量化方面的研究較少。在彈性力學(xué)方面，17 世紀70 年代，R.HooKe 提出了胡克定律，指出固體材料的彈性變形與其所收到的外力是成正比的。19 世紀20 年代，A.L.Cauchy、J.C.B.Saint Venant 和C.L.M.H.Navier 等人創(chuàng)立了數(shù)學(xué)彈性理論。1871年，M.Levy 把塑性應(yīng)變應(yīng)力的研究有二維增加到三維[25]。在有限元分析軟件方面，1969 年，Pedro 公司發(fā)布了非線性有限元程序軟件MARC。1972 年，Hibbitt 創(chuàng)建了HKS，從而發(fā)布了ABAQUS 軟件。1989 年，美國Altair 發(fā)布了HyperMesh 軟件，在1994 年進一步研發(fā)出了OptiStruct 模塊。國外汽車輕量化設(shè)計最早應(yīng)用在方程式賽車上，因為比賽會限制賽車的車身重量。1973 年，全球爆發(fā)石油危機，導(dǎo)致越來越大的汽車廠商開始注重節(jié)能技術(shù)，其中汽車車身輕量化設(shè)計屬于重要設(shè)計部分。

汽車輕量化設(shè)計主要包括對其車身的輕量化設(shè)計和零部的件輕量化設(shè)計，在汽

車零部件輕量化設(shè)計上的表現(xiàn)為：

（1）采用鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料和陶瓷等質(zhì)量較輕，性能較好的材料為制造原料，在根源上減輕了零部件的質(zhì)量。

（2）通過運用計算機技術(shù)對汽車的結(jié)構(gòu)進行模塊化設(shè)計，使得設(shè)計質(zhì)量不斷提高，進而實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

在1994 年，國際鋼鐵協(xié)會成立了ULSAB 項目。ULSAB 項目運用的技術(shù)包括：

（1）使用HSS 和AHSS。

（2）使用復(fù)合鋼板結(jié)構(gòu)。

（3）液壓成型工藝。

（4）使用FEM 對結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化。

另外，各國一些研究院所對汽車輕量化設(shè)計技術(shù)做了很多年的研究，并取得了豐富的成果。在歐美日國家，多數(shù)汽車生產(chǎn)商降低油耗的方法是降低汽車零部件的重量。

通過CAD/CAE 軟件可以對汽車的零部件進行結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化。現(xiàn)在，許多發(fā)達國家的汽車零部件生產(chǎn)商都擁有自己的CAD/CAE 系統(tǒng)。

1.5 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國汽車需求量的不斷提高，汽車的生產(chǎn)量也越來越大，進而帶動了盤式制動器產(chǎn)量的提高。我國盤式制動器的制造水平越來越高，較著名的生產(chǎn)廠商有重慶紅宇、亞太機電和萬向錢潮等。我國汽車起步較晚，在汽車零部件的制造方面落后更為嚴重。近幾年國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，汽車零部件輕量化材料的研發(fā)發(fā)展迅速。在汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，國內(nèi)已經(jīng)徹底擺脫了經(jīng)驗設(shè)計，運用現(xiàn)代CAD/CAE 技術(shù)對汽車結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。在我國北京航空航天大學(xué)研發(fā)出了的CAD 系統(tǒng)CAXA，此模塊主要針對的是結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化技術(shù)，通過有限元法和優(yōu)化設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進而較少了零部件的質(zhì)量。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國在2008 年汽車專用盤式制動器需求量達到了2755 萬臺，亞太機電已成為最大的盤式制動器制造商。與美、日、德、韓等汽車強國相比，我國在汽車輕量化方面的起步較晚，目前尚有許多共性關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。幾年來，國內(nèi)汽車零部件輕量化材料的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，鋁合金、鎂合金、高性能鋼板在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。如奇瑞汽車的艾瑞澤7 發(fā)動機采用了鋁合金材料；一汽和奇瑞轎車的部分車身采用高強度鋼。在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，中國已經(jīng)完全擺脫過去主要依靠經(jīng)驗設(shè)計，CAD/CAE 設(shè)計法分析靜態(tài)和動態(tài)強度的優(yōu)化使用。

在近幾年文獻中，米潔和吳欲龍采用多目標模擬退火法對盤式制動器進行優(yōu)化設(shè)計，在保證盤式制動器可靠性的前提下減小其尺寸和摩擦副的升高溫度。王良模、彭育輝等人通過對盤式制動器的受力分析情況，建立了鉗體和托架的力學(xué)模型，利用CAD/CAE 軟件求建立有限元模型后進行靜力分析得出了鉗體和托架的在工作狀態(tài)下的應(yīng)力及分布，表明了設(shè)計強度符合要求。王宏斌利用CAD/CAE 技術(shù)通過建立有限元模型對盤式制動器的結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計，經(jīng)過優(yōu)化后的盤式制動器總重量減輕了20.69%，減少了偏磨，在性能指標上均滿足盤式制動器的需求。

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