某轿车盘式制动器设计

孙 帅

某轿车盘式制动器设计

孙 帅

（福建信息职业技术学院 智能制造学院，福建 福州 350408）

基于某轿车制动系统整车匹配进行优化设计，旨在满足相关法规下，简化制动器设计过程。通过将整车性能参数与盘式制动器设计有机结合，制定盘式制动器设计策略。通过计算在制动过程中汽车制动系统各个车轮的最大制动力矩和选定该轿车同步附着系数，确定了盘式制动器的主要部件关键设计参数和材料，并经计算验证了制动器各项性能均符合相关法规要求。最后，应用计算机辅助设计（CAD）软件和UG软件完成主要零件图的绘制和三维建模。从而在满足相关法规要求下，优化了汽车制动器设计流程，同时为后续制动噪声等问题研究奠定基础。

盘式制动器；设计策略；制动力矩；UG；CAD

制动器作为制动系统关键部件，其性能对于汽车行驶安全性的影响至关重要。盘式制动器具有遇冷遇热性能稳定、维修方便等优点，在轿车中得到普遍应用，故对其进一步优化设计非常有必要[1-2]。

郑尧刚等[3]建立多目标优化函数，通过Isight对所设计的制动器制动过程中温度场分布校核并进行结构强度分析。结果表明，在满足制动性能的情况下，该优化设计缩小了制动器外形结构。周俊波[4]针对盘式制动器制动过程中，温度、磨损不均等问题，引入变异系数，对其制动块进行参数耦合，建立模型仿真分析解决上述问题。季景方等[5]综合利用CATIA和VB工具，建立了盘式制动器可视化界面，并对其零部件进行参数化设计。彭龙等[6]建立了盘式制动器区间概率混合不确定研究模型，并以系统稳定性函数最大为设计目标，从而提高了制动器系统稳定性。王教友[7]依据整车参数及性能要求对其前后车轮制动器进行设计，但其设计未对主要零部件进行校核且未实现零部件参数化管理，不同车型需重新设计一次制动器，增加设计工作量。STERGIOS等[8]提出在保证制动盘热容量前提下，减小制动盘质量和改善散热特性，同时校核其抗扭强度仍满足相关法规要求。

针对上述，本文基于某轿车制动系统整车匹配进行优化设计，旨在满足相关法规下，简化制动器设计过程。

1 盘式制动器设计流程

盘式制动器设计流程如图1所示。

图1 盘式制动器设计流程

首先，依据整车总体布置参数和已有的同等级汽车制动器，初步选定制动器主要参数进行设计；其次，初步对制动性能、磨损性能等进行校核以确保满足相关法规要求；然后，进行演算、比较、迭代，直到制动器以较小尺寸和质量满足性能使用要求；最后，进行三维制图与性能分析。

1.1 整车参数

整车参数如表1所示，其中额定载客量为5人（每人按65 kg计算）。

表1 整车参数

1.2 制动力与制动力分配系数

忽略滚动阻力矩和惯性力矩的干扰，则转速为的车辆，其制动过程力矩平衡方程为

式中，f为制动器对车轮的作用力矩，N·m；B为地面对车轮的制动力，N；ε为车轮有效滚动半径，m。

汽车制动过程中，制动器制动力为

当制动踏板力加大，f与B均变大，但B受到地面附着力φ约束，则：

式中，为地面对车轮法向支持力，N；为轮胎与地面附着系数。

由于汽车制动时前、后车轴载荷发生转移，则：

式中，12分别为前、后车轴实时载荷；为汽车重力；为轴距，mm；12分别为质心至前、后轴距离，mm；g为汽车质心高度，mm，为重力加速度，m/s2；dd为汽车制动减加速度，m/s2。

汽车总的地面制动力为

式中，为制动强度；B1、B2分别为前后轴车轮地面制动力，N。

综合式（4）－式（6）可得前、后车轮附着力为

从式（7）、式（8）可以看出在附着系数为定值的路面上制动，其各轴附着力与制动强度、汽车总制动力成函数关系。

在汽车制动过程中，前、后车轮同时抱死时路面附着条件利用率达到最高，则：

联立式（9）、式（10）可得

则汽车制动器动力分配系数为

1.3 同步附着系数计算

图2为制动力分配曲线，通过坐标原点斜率为(1-)/，直线为线（即制动力分配线），另两条曲线分别为汽车满载、空载曲线。

图2 制动力分配曲线

与线交点处的路面附着系数0为同步附着系数，它是由汽车结构参数决定，其计算式为

对于前、后制动器制动力固定比值的汽车，只有当路面附着系数=0时，其前、后制动器才同时抱死。

依据设计经验，轿车满载的同步附着系数取值范围在0.65～0.8之间，同时由于所设计的某车型汽车大多在良好路面行驶，故其同步附着系数选取为0.72。

将式（13）改写为

将同步附着系数代入得制动力分配系数为0.68。

1.4 最大制动力、最大制动力矩计算

当=0时，且汽车处于满载时，结合理论力学知识可知，此时制动力为最大制动力，其值为

车轮有效ε=311 mm，其前、后车轴最大制动力矩为

所以，前、后轮制动器应有最大制动力矩分别为1.19 kN·m、0.56 kN·m。

2 主要参数的确定及材料选择

2.1 制动器因素

制动器因素表示制动盘/制动鼓有效作用半径上产生摩擦力与输入力比值，可表示为

式中，为制动器因素；f为制动器摩擦力矩；为制动盘作用半径；为输入力。

假设盘式制动器两侧制动块对制动盘的压紧力均为，则制动盘两侧工作面摩擦力为。

综上，盘式制动器制动因素为

2.2 制动盘主要参数确定

2.2.1制动盘直径

汽车轮胎规格为195/60R16，表示其轮辋直径为16英寸（即轮辋直径为406.4 mm），综合考虑成本、制动压力、工作温度等因素，前、后制动盘直径1、2分别选取

1=0.78 mm,r=316.9 mm （20）

2=0.72 mm,r=292.6 mm （21）

2.2.2制动盘厚度

综合考虑到空间、工作温度以及制动过程制动盘所承担的力矩大小等问题，前轮制动盘设计为通风制动盘，后轮制动盘设计为实心制动盘。前通风制动盘厚度1=25 mm；后实心制动盘厚度2=16 mm。

2.3 摩擦衬块主要参数确定

2.3.1摩擦衬块内、外半径及厚度确定

摩擦衬块外径f2与内径f1比值一般不超过1.5，若比值超过1.5，会造成制动衬块摩擦不均匀，故选取制动器摩擦衬块外、内半径比值为1.4，前制动盘半径为158.5 mm，由于摩擦衬块外径略小于制动盘半径，故f2取150 mm，则f1=f2/1.4= 107 mm。

同理计算得后轮摩擦衬块内、外半径分别为103.6 mm、145 mm。

参考其他类似车型，摩擦衬块厚度取=14 mm。

2.3.2摩擦衬块有效半径及工作面积

假设摩擦衬块和制动盘接触良好，且制动盘压力分布均匀，其制动力矩可表示为

式中，为摩擦系数；为单侧制动块对制动盘压紧力，N；为作用半径，mm。

单侧制动衬块对于制动盘的制动力矩和对制动盘总摩擦力分别为

式中，摩擦系数=0.4，摩擦衬块弧度角=π/6。

根据式（25）求得前、后制动衬块有效半径分别为129.7 mm、125.7 mm。

制动衬块面积计算公式为

代入数值分别求得前、后制动衬块面积为0.58 cm2、0.54 cm2。

2.3.3摩擦衬块磨损特性计算

比能量消耗率是制动器能量负荷评价指标，表示摩擦面积在单位时间内消耗的能量，W/mm2。

式中，为汽车回转质量换算系数，取值为1.3；a为汽车总质量；1、2分别为汽车初始速度和末速度；1、2分别为前、后制动衬块摩擦面积；为制动减速度；为制动力分配系数。

在紧急制动过程中可认为2=0，且，代入式（27）、式（28）得1=1.47 W/mm2，2=0.8 W/mm2，均小于6.0 W/mm2，符合相关法规要求。

2.3.4比滑磨功

比滑磨功f是汽车制动时，由最高车速制动到停车过程单位衬块面积的滑磨功，可表示为

式中，a max为汽车制动前最高车速，m/s；Σ为车轮制动衬块总摩擦面积，cm2；[f]为许用比滑磨功，取值为小于等于1 500 J/cm2，取制动前车速为120 km/h，则求得实际比滑磨功为994 J/cm2，满足要求。

2.3.5制动器热容量和温升核算

制动器制动过程中其比热容量、温升应满足以下条件：

式中，d为制动盘总质量，取值4 kg；h为与制动盘相连的金属总质量，取值5 kg；d为制动盘材料比热容，其中铸铁为482 J/(kg.℃)，铝合金为880 J/(kg.℃)；h为与制动盘相连受热金属件比热容；t为制动盘温升。

代入数据解得：

故满足条件。

2.4 驻车制动计算

由汽车理论知识可知，汽车上、下坡路极限倾角可表示为

代入数据求得其极限上、下坡倾角分别为22.88°、16.57°，满足要求。

2.5 主要零部件材料选取

2.5.1制动盘

制动盘由合金铸铁制成，其形状为礼帽形，前、后制动盘分别为通风盘、实心盘。加工工艺需满足制动盘两侧表面不平度＜0.008 mm，且表面粗糙度＜0.006 mm。

2.5.2制动钳

制动钳采用可锻铸铁材料，且经镀铬处理，同时考虑制动过程中前轴轮毂轴承受力较大，后车轮可能伴随有较多泥土甩出，故前制动钳位于车轴后，后制动钳位于车轴前。

2.5.3制动块

制动块由背板和摩擦衬块构成。衬块为扇形。活塞压住制动块面积尽量较大，防止衬块因卷角而引起尖叫。制动块背板由钢板制成。为减小制动噪声，在摩擦衬块与背板之间加一层隔热减震垫。由于单位压力大和工作温度高等原因，摩擦衬块的磨损较快，因此需适当增加其厚度至15 mm。盘式制动器装有衬块磨损达极限时的警报装置，以便及时更换摩擦衬片。

2.5.4摩擦材料

制动器的摩擦材料应具有摩擦系数高且稳定，抗热、冷衰退性能好，耐挤压及耐冲击能力等特点，并且在汽车制动过程中不产生不良噪声以及不良气味。综上考虑半金属模压材料具有环保、耐磨等优势，故采用半金属模压材料。

3 图纸设计

浮嵌式盘式制动器的主要参数确定后，如表2所示，绘制浮嵌式盘式制动器主要零部件计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）图，以及UG三维建模，以便生产。盘式制动器的前、后制动盘如图3所示，前、后制动器UG总成图如图4所示。

表2 前、后制动器的关键设计参数

类型制动盘直径/mm制动盘厚度/mm摩擦衬块内径/mm摩擦衬块外径/mm摩擦衬块厚度/mm摩擦衬块有效半径/mm摩擦衬块工作面积/cm2 前制动器316.925107.015014129.70.58 后制动器292.616103.614514125.70.54

图3 前、后制动盘

图4 前、后制动器总成UG图

4 结论

以整车安全性能为目标，从整车参数出发，确定盘式制动器设计方案，同时根据设计方案得出其制动器参数，最后进行图纸设计，在满足相关法规要求下，简化了汽车制动器设计流程，同时为后续学者进一步研究制动设计、制动噪声等问题奠定基础。

[1] 顾大炜.基于CFD的通风制动盘散热性能研究与结构优化[D].杭州:浙江大学,2018.

[2] 陈睿.制动盘结构参数对其温度场和应力场影响研究[D].重庆:西南大学,2016.

[3] 郑尧刚,熊新.基于多目标优化车辆盘式制动器优化设计分析[J].机械设计与制造,2019(11):107-110.

[4] 周俊波.基于变异系数的盘式制动器结构优化设计[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[5] 季景方,邵子君,顾鹏.盘式制动器参数化设计及模态分析[J].汽车实用技术,2019,44(22):101-102.

[6] 彭龙,于德介,吕辉,等.汽车盘式制动器的制动结构优化设计[J].计算机仿真,2016,33(8):146-152.

[7] 王教友.基于整车匹配的盘式制动器优化设计及验证[D].济南:山东大学,2019.

[8] STERGIOS T,MARKO T.Design Synthesis and Struc- tural Optimization of a Lightweight,Monobloc Cast Iron Brake Disc with Fingered Hub[J].Taylor & Francis, 2019,51(10):1710-1726.

The Design of a Certain Sedan's Disc Brake

SUN Shuai

( Intelligent Manufacturing College, Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350408, China )

The optimization design of a certain car's braking system based on the vehicle matching aims to simplify the brake design process while meeting relevant regulations. By integrating the vehicle performance parameters with the design of disc brakes, a design strategy for disc brakes is formulated. Through calculations of the maximum braking torque on each wheel during the braking process and selecting the synchronous adhesion coefficient for the car, the key design parameters and materials for the main components of the disc brakes are determined and verified to comply with the requirements of relevant regulations. Finally, computer aided design(CAD) and UG software are utilized to complete the drawing of main parts and three-dimensional modeling. This optimized the design process of automotive brakes while meeting the requirements of relevant regulations, and lays the foundation for subsequent research on brake noise and other issues.

Disc brake; Design strategy; Braking torque; UG;CAD

U462

A

1671-7988(2023)20-59-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.012

孙帅（1990－），男，硕士，助教，研究方向为汽车安全、自动驾驶运动控制算法等，E-mail:sunshuai16@163.com。