巴哈赛车中央盘式制动系统的设计

范柳斌 钟濠名 梁智凯

摘要：巴哈赛车是一款驰骋于越野赛场的赛车，而赛车的操纵性与轻量化决定着赛车的性能。因此，设计一款既能满足操纵性与通过性，又能够满足赛车的轻量化设计的赛车，在比赛中就起到了重要的作用。由制动系统液压回路的设计可知，前轮所需要的制动力比后轮所需要的更多，除了通过调整平衡杆优化制动力的分配，还可适当减少整车重量，进而对赛车制动系统的设计与赛车的轻量化设计进行优化，最终获得轻量化设计的制动系统，在保证赛车操纵性与稳定性的同时，完善赛车的轻量化设计进程。

Abstract： The Baja racing car is a racing car that gallops in the cross-country arena， and the maneuverability and light weight of the car determine the performance of the car. Therefore， designing a car that can not only meet the maneuverability and passability， but also meet the lightweight design of the car， plays an important role in the competition. From the design of the hydraulic circuit of the brake system， it can be seen that the front wheels require more braking force than the rear wheels. In addition to optimizing the distribution of braking force by adjusting the balance bar， the weight of the vehicle can also be appropriately reduced to brake the car. The design of the system is optimized with the lightweight design of the car， and finally a lightweight design braking system is obtained. While ensuring the maneuverability and stability of the car， it improves the lightweight design process of the car.

关键词：巴哈;轻量化;中央盘式制动;设计

Key words： Baja;lightweight;central disc brake;design

中图分类号：U469.79                                    文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2021）18-0020-03

0  引言

根据中国汽车工程学会巴哈大赛的要求，需设计一款能满足比赛需求的越野赛车来进行竞赛，因此对于赛车轻量化设计的优化以及操纵性能的提高，就需要有更严格的思考与修正。因此，对于赛车的制动系统提出优化方案，改善赛车的操纵性。

1  明确制动系统的参数

根据设计要求，明确赛车的主要参数，以表1为设计依据。

2  中央盘式制动论证与分析

2.1 制动力的计算

根据比赛场地条件，可将同步附着系数近似取？渍0=0.7。因此，可以根据整车参数得到制动力分配系数β，进而确定制动器的分配力与分配后获得的制动力矩。

由公式

可知，制动力分配系数β=0.64。在赛车制动时，在理想条件下前后轮同时抱死，此时结合轮胎半径re可得前轴制动力矩：

再由式子

可知后轮制动力矩：

由此获得前后轴摩擦力矩的大小。

取制动主缸缸径为0.625英寸，设此时平衡杆处于平衡状态，后轴液压回路压强为6MPa。

设轮边盘式制动器的制动力矩，其中f摩擦因数;F0为单侧摩擦片对制动盘的压紧力，R为摩擦片作用半径。

中央盘式制动器的制动力矩;

而。

因此可以根据F01与F02得出需要采取的制动轮缸缸径。经计算可得d1=18.61m，d2=21.31mm。取后轮轮边盘式制动卡钳缸径d1=32mm，中央盘式制动卡钳缸径d2=30mm。

接着对中央盘式制动方案可行性进行分析可知，在轮边盘式制动能够提供足够制动力矩的情况下，采用中央盘式制动时，假设制动主缸缸径无变化且踩踏踏板的力也无变化，将制动器进行选择与替换，采用单边的盘式制动，则制动油管中的油压也不发生变化。

设采用轮边制动方式时，一个后轮卡钳与制动盘之间的总摩擦力为F1，有效摩擦半径为R1，卡钳缸径为d1。

采用中央盘式制动方式时，四缸卡钳与制动盘之间的总摩擦力为F2，有效摩擦半径为R2，卡钳缸径为d2。

求两种方式卡钳与制动盘摩擦提供的总摩擦力矩之比λ：

假设更换制动方式引起的总车质量无变化，且前轮卡钳与制动盘提供的摩擦力矩不发生变化，则后轮中央盘式制动卡钳与制动盘作用提供的总摩擦力矩大于轮边制动两个卡钳与制动盘作用提供的总力矩之和，达到设计要求。

再分析λ与1的大小关系：中央盘式制动制动盘直径较轮边制动制动盘直径大，根据选择或设计的制动盘尺寸可知，有效半径R1大约为73.33mm，有效半径R2大约为102.5mm，轮边盘式制动卡钳轮缸缸径d1=32mm，中央盘式制动卡钳缸径d2=30mm，计算得λ≈0.814。即中央盘式制动力矩更大，更有利于赛车制动。

综上，中央盘式制动方案可行，且摩擦力矩过剩，在减轻质量的同时，有助于制动稳定性的实现。故可以采用中央盘式制动。

2.2 轻量化设计的辨识

根据采购与设计的制动盘，如表2所示，对其进行对照。

由表知，除去中央盘式制动盘铆钉的质量，中央盘式制动更轻一些。对于整车而言，每个微小的改动都会对整车的性能产生极大的影响，因此，制动系统质量的减轻，优化了赛车轻量化设计的进程，提高了赛车的操纵性。

同时，根据整车布置来看，中央盘式制动也比轮边盘式制动的制动液压回路短一些，一定程度上也能减少整车质量，少许提高了赛车的操纵性与制动灵敏度。而少去的紧固件以及优化之后的制动器，对比原方案则会更有优势。

3  中央制动的思路与设计方案

由上述的论证方案可知，中央盘式制动在制动力的利用率方面，以及质量的减少方面都占有优势，因此，中央盘式制动的设计思路可取。进而需要对于赛车制动系统的布置进行思考与研究。

在传统的巴哈赛车液压制动系统的布置形式上，采用Ⅱ型油路制动，每个制动主缸各控制一根轴上的制动卡钳，制动力分配由平衡杆对其进项制动力的调整与分配。中央盘式制动的液压油路布置亦采用Ⅱ型，如图1。由于整车电气需要对信息进行采集，因此前轴使用三通，后轴可使用二通，通过液压开关来进行电信号的传递。

对于后轴制动器的布置，则根据重心位置的左右偏移来最终确定制动器的作用对象。

根据整车安全思考，中央盘式制动不应作用在半轴上，因此，作用位置取内球笼;由于传动系统主减速器的作用，限制一根半轴的旋转则会影响另一根半轴的旋转，则可知，只是作用于一根半轴也可实现后轴的制动。

因此可以取在减速器壳体上安装转接码，为四缸卡钳提供附着位点;在内球笼上设计法兰盘，根据质心的偏移选择左右内球笼，为制动盘提供附着位点。由二者相互作用产生的制动力矩来实现后轴的制动。

由此完成对中央系统的布置，获得初始的中央盘式制动系统。

4  分析过程

首先进行制动器的选择，确定采用的制动盘。由上述部分中可知，采用规格为30mm四活塞卡钳，根据整车位置的布置，确定制动盘的有效作用半径，并根据空间位置布置，得出制動盘的有效半径为102.5mm左右，最终以此为依据确定制动盘的型号，并对制动盘进行热力耦合分析。

根据制动盘的型号以及材料，获得制动盘本身的参数，如表3。

得到如图2-图3的制动盘温度场云图与安全系数图。

持续减速时长为

0.55s，温度变化由室温22℃最高变化至680.12℃，

受到的扭矩由计算知，为153.55N·m，制动压力为1978.4N，由此可知，散热良好，制动效能恒定性较好。

再分析连接减速器壳体与制动卡钳得转接码，如图4、图5，固定B、C点于减速器壳体上，设A处两点连接卡钳，对A处两点附近施加1486.3N的力，其安全系数最小处为2.42，品质合格。

5  结论

中央盘式制动优化了赛车的轮边布置，优化了赛车布置空间，减少了赛车的质量，提高了赛车的操纵性，使赛车更有利于竞赛。

参考文献：

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