汽车全封闭湿式多盘制动器的设计与计算

温开元，岳鹏

（1.浙江瑞立集团 技术中心，浙江 瑞安 325200；2.江铃汽车进出口有限公司 汽车三部，南昌 330200)

0 引言

随着我国经济建设的突飞猛进，矿用车的需求激增，特别是大型矿山用自卸装载车越来越受欢迎，矿山道路泥泞崎岖且高低不平，为适应恶劣的工作环境，保证矿用车的安全行驶，矿用车的制动器就显得尤为关键和重要。为此，本文将对一款矿用车全封闭湿式多盘制动器进行详细分析与计算，并设计其结构及参数。

1 盘式制动器的特点

根据固定元件结构形式的不同，盘式制动器分为钳盘式制动器和全盘式制动器，全盘式制动器又分为封闭干式和封闭湿式两种。盘式制动器以静止的刹车碟片夹住随轮胎转动的刹车碟盘，以产生摩擦力，使车轮转动速度降低。当踩下刹车踏板时，刹车总泵内的活塞在刹车油路中建立压力，压力经由刹车油传送到刹车卡钳上的刹车分泵活塞，刹车分泵的活塞在受到压力后，会向外移动并推动制动块去夹紧刹车盘，使得制动块与刹车盘发生摩擦，以降低车轮转速。通风盘式制动器是在两块刹车盘之间预留出一个空隙，使气流在空隙中穿过，通风盘式刹车利用风流作用，其制动效果要比普通盘式刹车更好。

2 全封闭湿式多盘制动器的工作原理和特点

全封闭湿式多盘制动器采用液压制动，摩擦片浸在润滑油的环境中，同时摩擦片上开有许多沟槽，车辆制动时摩擦片摩擦产生的大部分热量将通过润滑油循环及壳体散发出去，使制动器不会因为内部温度过高而损坏元部件。动摩擦片内缘通过花键与动壳连接，可随动壳一起转动，并可沿轴向左右移动。静摩擦片外缘通过花键与静壳连接，不可转动但可沿轴向左右移动。当车辆开始行驶时，驻车制动系统的高压油进入制动器的驻车活塞腔中，在油压作用下，驻车弹簧组被压缩，活塞移动将动摩擦片和静摩擦片分开，从而解除驻车状态，车辆可正常行驶。当车辆需要制动时，踩下制动踏板，制动系统的高压油进入制动器的行车活塞腔中，在油压作用下，复位弹簧被压缩，活塞移动将动摩擦片和静摩擦片压紧，从而实施制动。当松开制动踏板后，活塞腔内的液压油回到液压油箱，活塞在复位弹簧的作用下回位，动摩擦片和静摩擦片分离，制动解除。

全封闭湿式多盘制动器的优点主要有：1）摩擦片环形工作面积较大，采用多片结构，可以在较小衬片压力下获得较大的制动力矩，摩擦片单位比压大，随着摩擦材料的发展，现在已开发了纸基摩擦材料，湿式摩擦因数大幅度提高，其动摩擦因数为0.10～0.14，抗压强度随之提高；2）完全密封，免受外界湿度及粉尘影响，工作性能稳定，磨损小，能自动补偿片间的间隙，使用期间一般免调整、免维护，使整机的维护成本大大降低；3）摩擦片浸在油中进行循环冷却，散热条件好，可显著降低工作温度，使得其使用寿命显著提高；4）改变摩擦副数目即可调节制动力矩，可实现系列的互换及通用性，使得设计更加简单，便于规模标准化生产；5）制动性能平稳、安全可靠、结构紧凑，输出转矩大，特别是高负载耐高温性能好，而且不怕泥沙侵袭，即便在冬季和恶劣路况下也能正常行驶。

全封闭湿式多盘制动器结构如图1所示。

图1 全封闭湿式多盘制动器结构图

3 某矿用车制动系统分析

3.1 矿用车基本参数及受力

某矿用车基本参数及要求如表1所示。

表1 一种矿用车基本参数表

该矿用车满载轮系重心位置及受力如图2所示。

图2中：L为轴距；a为质心距前轴距离；b为质心距后轴距离；H为质心高；re为轮胎半径；V0为制动初速度；G为车辆满载重力；Fb1为前轮地面制动力；Fb2为后轮地面制动力；F1为地面对前轮作用力；F2为地面对后轮作用力；M1为前轮制动力矩；M2为后轮制动力矩。

图2 车辆满载轮系重心位置及受力图

3.2 后轴制动器的受力分析

本文主要讨论后轴制动器的受力 分 析[3]，当车辆在行驶中，后轮分别受到地面F2的作用力，同时受到地面阻力Fb2。当车辆被制动时，此时车轮受到地面阻力变为地面制动力和地面附着力Ff及制动器的制动力Fz，车轮制动是由纯滚动到滚滑的渐变过程中。附着力Ff是地面对轮胎切向的反作用力，即地面对轮胎的最大静摩擦力，对于后制动轮有：Ff=μF2。当制动轮力矩小于轮胎与地面的附着力时，此时车轮附着力矩产生，车轮处于制动滚动状态，则有：Fb2=Fu。当制动轮被抱死拖滑时，则有：Fb2=Ff。

3.3 制动车辆制动效能

3.4 后轴制动力矩计算

考虑前后轮同时抱死制动状态，由图2可知，后轴负载受力计算如下。

根据公式有:F2=G/L×(a-μ×H)；后轴制动力矩M2=F2×μ×re。则M2=G/L×(a-μ×H)×μ×re=784000/4×(3-0.65×2.5)×0.65×0.83=145395.25 N·m，则单个制动器所需设计力矩145395.25/2=72697.625 N·m,考虑安全系数为k=1.2，则后轴制动力矩为Mmax=72697.625×1.2=87237.15 N·m。

3.5 制动器摩擦片尺寸及所受压力

摩擦片采用纸基摩擦材料，动摩擦因数f1=0.124，摩擦片大径D1=450 mm，小径D2=330 mm，动片有11片，摩擦副数量n=22。摩擦片有效半径RP=(450+330)÷4=195 mm；摩擦片有效面积SP=3.14÷4×（4502-3302）=73476 mm2。

摩擦片产生的力矩等于后轴制动力矩Mmax=摩擦片所受压力×动摩擦因数×摩擦片有效半径×摩擦副数=Fm×（0.124×0.195×22），则摩擦片所受压力Fm=Mmax/（0.124×0.195×22）=87237.15÷（0.124×0.195×22）=163991.93 N。

3.6 行车活塞制动压力及摩擦片实际制动力矩

行车活塞设计压力FX=摩擦片所受最大压力+行车弹簧压力=163991.93+2760=166752 N，行车活塞设计面积AX=166752÷5.2（行车活塞压强）=32067.7 mm2。

初定行车活塞外径为438 mm，内径为388 mm，实际行车活塞面积=3.14÷4×（4382-3882）=32420.5 mm2＞行车活塞设计面积32067.7 mm2，满足设计要求。

行车活塞实际制动压力=32420.5×5.2（行车活塞压强）=168585.6 N。

行车摩擦片实际制动力矩=168585.6×（0.124×0.195×22）=89680.8 N·m＞后轴制动力矩87237.15 N·m，满足设计要求，制动器行车制动力矩安全系数为k=89680.8/74000=1.21。

3.7 后轴驻车力矩计算

驻车时，车辆在坡度15%（对应8.53°）时应保持静止不动。则后轴驻车力矩MZ=G×sin 8.53°×re=784000×0.148×0.83=96306.56 N·m, 考虑安全系数为k=1.2，则每个制动器驻车设计力矩MZ=96306.56×1.2/2=57783.93 N·m，后轴驻车最大设计压力Fy=57783.93÷（0.124×0.195×22）=108624.59 N。

3.8 制动器驻车弹簧组件参数计算

制动器驻车力矩是由驻车弹簧提供的，所以驻车最大设计压力FZ=驻车弹簧压力Ft，驻车弹簧每组由两个大小不同高度相等的同心弹簧组成，初定弹簧如下：弹簧剪切弹性模量为7000 kg/mm2,大弹簧弹性系数k=156.8 N/mm,外径为55 mm，内径为35 mm，高为135 mm，总圈数为8圈。小弹簧弹性系数k=61.8 N/mm,外径为31 mm，内径为19 mm，高为135 mm，总圈数为13圈。工作压缩高度为41 mm，共16组，分别安装在驻车活塞弹簧座盖内。驻车实际弹簧压力Ft=16×(156.8+61.8)×41=143401.6 N＞后轴驻车最大设计压力108624.59 N，满足设计要求。

3.9 制动器驻车活塞压力及面积

驻车弹簧储能压力是通过驻车活塞压力提供的，当驻车解除时，驻车活塞失去压力，驻车弹簧释放压力将摩擦片压紧，从而实现驻车。初定驻车活塞外径为476 mm，内径为448 mm，实际活塞面积AZ=3.14÷4×（4762-4482）=20309.52 mm2。驻车活塞实际压力FZ=20309.52×8.3(驻车活塞压强)=168569 N＞驻车实际弹簧压力143401.6 N，满足设计要求。

3.10 制动器驻车实际制动力矩

制动器驻车实际力矩=Ft×f1×RP×n=143401.6×0.124×0.195×22=76283.9 N·m＞制动器驻车设计力矩57783.93 N·m，满足设计要求。制动器驻车制动力矩安全系数为k=76283.9÷63000=1.21。

3.11 制动器设计参数

通过以上计算，制动器设计参数如表2所示。

表2 制动器设计参数表

4 结语

全封闭湿式多盘制动器主要由行车制动活塞、驻车制动活塞、行车回位弹组件、驻车弹簧组件、摩擦片组件、制动壳体、驱动轮浮动油封、驱动轮法兰等组成。制动器采用全封闭方式，摩擦片被浸在油中，可在复杂环境下工作，通过选择合适的磨擦片可使制动器小型化。由于全封闭湿式多盘制动器有诸多优点，它将是未来汽车制动系统发展的方向。