基于力学性能下的鼓式制动器设计

2018-04-24丁介然

现代制造技术与装备 2018年3期

丁介然

（陕西理工大学机械工程学院，汉中 723000）

鼓式制动器的工作原理即为利用力的相互作用将摩擦片与制动鼓压在一起，使其发生充分摩擦，进而使车轮的减速度降到最小或在最短的刹车距离内将汽车平稳地停靠下来，不发生不必要的滑移、侧翻、漂移等不稳定现象。

若以气压为能源促动刹车片工作，并且执行器为凸轮机构，则这种形式称为凸轮刹车片。同理，能源为液压，执行器为液压轮缸，人们将其称为轮缸刹车片。轮缸刹车片应用于市场的类型也不尽相同，比如，领从式它采用的原理和自行车前后轮的运转道理几乎一样，一轮接受外来动力进而带动另一轮完成旋转运动，人们将此类似与车轮的装置形象地称为领蹄，依据这一称呼，可将其分为四个基本类型，即领从式、双领式、双从式及自增力式（组合式）。

1 鼓式制动器的力学性能分析

1.1 压力分布规律分析

分析力的特性时，首先要计算并通过图解的形式考量出其分布规律，并标注相关的理论要求。在这些要求都达到最低标准时，还需作出相应的假设以确保制动器摩擦面的抗磨损性较为良好。具体要求包括：制动蹄、鼓为绝对刚性；忽略内部的摩擦、相互作用的情况，仅有外力作用在摩擦衬片上；压力与变形符合胡克定律[1]。

1.2 制动器制动力矩的计算

1.2.1 效能因数

效能系数用于评定不同类型的刹车片的性能、反应灵敏度及使用轻巧性。总的来说，其实制动效能因数就是指单位内输入的载荷及所能输出的力矩，特在此强调刹车的好坏与力的选择有关。

领蹄：

则总的效能因数为：

1.2.2 同一制动器各蹄产生的制动力矩

同一制动器各蹄产生的制动力矩公式如下。

领蹄：

式中，β=α″-α，Pmax为压力分布不均匀时蹄片上的最大压力。

2 制动器执行部件的设计与选型

2.1 制动鼓的设计

绘制直径与力矩的曲线后，人们惊奇发现，在理想的条件下，这两个参数的关系可以看成一条完整的直线，而且关系的变化程度会对散热性能产生影响，间隙的设置对系统的恒久工作起到了关键的作用。这个间隙控制在20～30，这个范围还可以保证部件具有良好的散热。同时，依据D/Dr＝0.70～0.83取值。

同理，依据其组成形式及材料选用方法，可分为铸造类和加入其他工艺的组合式两种。在工艺的渗透过程中会有强度的上升，脆性度相对有所下降，承受高温的能力也有所增强，但在此之后磨损性的校验就显得至关重要，初步需对摩擦的因素加以修订，以保证相应的因素均有一个良好的特性。

对于失效变形的研究，可以运用一些工艺流程来加强表面强度，建议采用铸造工艺，此工艺成本较低且程序较为简单，而且可以在外侧安装散热装置，可以减少热量集聚过多而造成的材料变形。根据经验选取，对乘用车，制动鼓壁厚取为7～12mm[2]。

2.2 制动蹄的选型

为了避免刹车时制动蹄发生强烈的震动，从而引起摩擦金属表面的响动，对于小吨位的轿车来说，往往在制动蹄的钢化表面上开槽，一般情况下一条就可以满足要求，如果是材料较坚硬的话可以开两到三条。其距离也会随之发生变化，查询手册并进行误差考核，轿车允许的厚度范围为3～5mm。铆接与粘接作为连接键的两大主流技术，已应用在汽车的各个零部件上，经比较发现，铆接的噪声小且工艺简单，更换零件容易，一般设计中常采用铆接衬片。

在选取材料时可以参考以下原则，同时参考相应的数据库最终将摩擦衬片的属性定位最优。具体原则包括：一是摩擦因数值的选取要优先考虑其对于可靠性的要求；二是具有良好的耐磨性；三是压缩率和膨胀率控制在一定范围内，否则会发生热胀冷缩从而导致材料极度变形，影响刹车片的正常运作；四是刹车过程中不会有过大的声音，相关零件摩擦时产生的碎渣不会溅渗到环境中污染破坏良好的生态系统；五是在考虑散热效果后，要尽量选取耐热性较好的材料，以避免过热导致磨损这种恶劣现象出现[3]。

3 制动器支撑部件的设计与选型

3.1 制动底板的制造工艺选择

零件的布置及安装对于部件整体的性能和发挥的功效来说是十分重要的，正如楼房的结构一样，需要一个实实在在的参照物来为它们指明方向，而制动底板就可以发挥充当安装基体的作用。与此同时，其材料的强度要求较高，一般的锻造工艺已满足不了要求，这就需要将此底板进行冲压处理，其中的凹凸便是冲压过程中形成的形状。

3.2 支承的设计

制动蹄在支承销的约束下，其工作表面可运动的自由度为1，为了使其与制动鼓的工作表面在同一轴下正常运作，可以选取支承位置可调节的机构加以辅助矫正，发挥出应有的性能。例如，采用偏心支承销或偏心轮。利用淬火的方式在极高温度下对45号钢进行加工，生产出满足相应强度要求的支撑销。其支座为可锻铸铁（KTH370-12）或球墨铸铁（QT400-18）件。制动蹄如果没有按照原轨迹摆动，而偏离较大的角度，这会导致其发生失效甚至产生破裂等现象。为了避免这一现象的发生，特在制动蹄的安装位置处采用长支撑销或者在制动底板上加持强度较高的压紧机构，用来确保制动蹄的正常运动。