气压盘式制动器制动力矩的改进设计

作者：罗方 徐达 王明道 童幸源

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 气压盘式制动器ADB（air disc brake）最早出现于20世纪90年代中期，能广泛应用于中重型车辆。它具有整体构造简单、重量轻、制动噪声小、散热快、制动间隙小以及维护简单等众多优于鼓式制动器的特点。目前ADB在欧洲发展迅速，拖车安装率超过50％，部分国家已经制定法规在公交车上安装使用。 作为汽车的主动安全件，ADB需要提供足够的制动力矩。随着载重汽车载重吨位的增大，对ADB制动力矩要求也在不断增加。ADB已经开始在我国应用，国产ADB能提供的制动力矩在1.6万N·m以下，不能满足13t以上载重车辆的制动需求。目前国外适用于22.5英寸车轮较先进的产品制动力矩一般都在2.2万N·m左右，我公司受国内制动厂家委托，对ADB产品进行改进，以期增大其制动力矩。 一、制动力矩分析 要改进制动力矩，先分析制动力矩的构成（图1）。ADB制动由气室顶杆1推动压力臂2（即增力机构），压力臂通过回位座3推动内摩擦片6，内摩擦片顶在制动盘5后，通过卡钳体7的滑动，接触外摩擦片4，从而抱死制动盘，形成制动。 按图1所示结构，制动器制动力矩大小： M＝Fi2μηr① 式中，F－气室推力；i－压力臂增力比；μ－摩擦系数；η－效率；r－制动器制动半径。 从图上可以看出，ADB整体传递机构简单，制动力传递效率高。影响制动力矩的因素主要有以下几点： （1）气室推力F； （2）增力比i； （3）制动器制动半径r； （4）摩擦系数μ。 其中气室推力和增力比两项的影响性质相同，即增加制动输入力，制动器制动半径是设计尺寸，受轮辋尺寸和制动器外形尺寸的约束，摩擦系数与选择的摩擦材料的特性有关。 二、影响因素分析 （一）制动输入力的影响 从公式（1）分析可知，增大制动输入力就可以直接增加制动力矩，但要根据情况具体分析。 1．摩擦力分析 两个粗糙表面在干摩擦状态下，摩擦力主要由三部分组成: （1）在摩擦副相对运动时，双方微凸体顶峰的相互切削阻力； （2）在一定的压应力和局部高温条件下，摩擦副微凸体接触点瞬时冷焊为一体，由于相对运动，使这些局部高温粘结点分离，克服结点粘结的阻力便形成了摩擦力的一部分； （3）存在于摩擦面的磨损物在随同摩擦运动过程中，一方面有可能重新压入摩擦面而形成新的微凸峰而产生切削阻力；另一方面这些磨粒在摩擦面上以滑动和滚动形式运动过程中，不断对摩擦副表面产生切削也构成了摩擦力的一部份。 其中摩擦界面粘结的形成和断裂对摩擦力影响较大。 可以断定，制动输入力达到一定值，摩擦力F≠N×μ（N制动盘上制动压力，μ制动摩擦副摩擦系数），制动力矩与制动输入力不再是线性关系。增大制动力超过摩擦材料所承受的压应力值，过量的输入力将产生滑磨功： E1=△Fμ2rn② 式中，△F-过大的制动输入力；μ-高温时摩擦材料摩擦系数；r-制动半径；n-转动圈数。 从能量转换角度分析，整个制动过程由动能转化为热能： 式中，m－整车质量；E-制动消耗能量；V1-制动初速度；V2-制动结束时车速。 对于载重车辆，特别是满载高速时，E值非常大。由于制动时间短，产生的热量与外界可视为无热交换。而热量在摩擦副上扩散速度有限，大量的热量集中在摩擦副接触表面，摩擦副表面瞬间功率可达到10MW/m2。制动功率图见图2。所以盲目增大制动输入力，会加速摩擦片磨损，减少制动器寿命。同时过大的推力增加了卡钳体的变形，容易造成疲劳失效。 （二）制动半径的影响 制动半径r是转动中心到摩擦片受力中心的距离。增加制动半径是增加制动力矩最有效的办法，能够在不增加输入力的情况下直接增大制动力矩，对制动器寿命影响最小。但是，制动半径不能无限增加，它受到轮辋直径的限制（图3）。从图3上可以知道，卡钳体首先要避免与轮辋和气门芯发生干涉，需要留有一定间隙。考虑卡钳体的强度，卡钳需要一定的壁厚。 所以R盘＝R轮辋－h－d（R盘-制动盘半径；R轮辋-轮辋半径；h-轮辋与卡钳间隙；s-气门芯与卡钳的间隙；d-卡钳体壁厚），制动盘半径又限制了制动半径。为了增加制动半径，国外制动器厂家对卡钳体进行有限元分析，针对应力分布对卡钳体结构进行改善，设计变截面壁厚，减少干涉部分壁厚，从而增加制动半径。 除了结构干涉的影响，制动半径还受到摩擦片偏磨的制约。图4是一摩擦片受力分析示意图，两推杆中心处于同一圆弧上，圆弧半径是摩擦片内外半径算术平均值。假设摩擦片与制动盘完全接触，根据摩擦片实际受力情况建立有限元模型，进行受力分析。 压应力明显大于其他部位。从载荷加载图上看到，摩擦片上部的载荷线密度明显大于下部。 根据滑磨功计算公式②可知，即使摩擦片表面受力均匀，r值越大，滑磨位移越大，摩擦片上部磨损越快。如果按照图4所示的推杆处于摩擦片中心，只会加速摩擦片偏磨，导致摩擦片厚薄不均，减少摩擦片寿命，增大制动噪声，造成制动跑偏。因此需要平衡滑磨位移和制动压力两者的关系，将推杆加力中心向转动中心移动，减少制动半径。 （三）摩擦系数的影响 由公式①可知，摩擦系数μ也可以直接增加制动力矩。但是摩擦材料μ值在高温、高压下并不恒定，变化很大。正常情况下，摩擦系数越高，耐磨性越差，所以不宜单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数。相对而言，摩擦系数的稳定性和偏离正常值的敏感性对制动器更可靠。目前摩擦系数比较普遍的稳定值约为0.3～0.5。 为了提高摩擦系数，除了改进摩擦片材料，目前主要有以下3种方式： 1．增加摩擦片面积 增加摩擦片面积，减少了制动时摩擦片上压应力，减少因制动压力过大而产生的热能。目前双推杆式ADB基本上应用这种方式增加制动力矩。 2．增加摩擦片的柔韧性 增加摩擦片柔韧性，可以增加摩擦片与制动盘的接触面积，从而增加制动力矩。这种方式对摩擦材料要求比较高，目前在国外已经开始应用，取得不错的效果。 3．增加制动盘厚度 制动瞬间，制动盘吸收99％左右制动产生热能，如果能够降低制动盘的温度，则有利于摩擦系数的稳定。目前多孔隙的加厚制动盘已在国内外开始使用。 三、增加制动力矩的新技术 增加制动力矩就是增加汽车的安全系数，增加制动力矩的研究已不限于常规影响制动力矩的几个主要因素。目前国外已经出现了滑动双盘式制动器（图5）。 图中内外盘都可以在转轴上沿花键槽轴向自由滑动，制动时内摩擦片推动内盘→中摩擦片→外盘→外摩擦片，从而形成制动。这种形式制动器保证制动压力和制动半径不变的情况下，直接增加摩擦副数量，从制动器效能因素分析： BF=2nf 式中BF为制动效能因素；n为制动盘数量；f为摩擦系数。 增加一个制动盘，制动效能增加2倍。实际试验数据表明，新系统的制动力可提高到原来的1.7倍，同时热负荷也可以大大降低。这种新制动器将在明年上市，主要对象为液压盘式制动器。在ADB上应用还需要通过验证。 四、实际产品改进 应用于城市公交车和中卡车。结构为单推杆，制动半径168mm，设计制动力矩2.2万N·m（图6）。为了满足制动力矩的要求，压力臂增力比超过20，实际试验数据表明，制动力远小于设计值。分析原因可能有以下几点： （1）制动半径偏小； （2）单推杆不能保证摩擦副之间均匀的压应力，局部变形较大。 考虑到国内铸造工艺和材料水平，结合国外先进产品结构进行改进。通过单推杆改双推杆，增大加力面积，改善压应力不均匀性，同时增加制动半径（图7），实际设计产品制动半径达到173mm。重新设计压力臂和压力比，控制制动输入力。根据理论计算输入力，协调摩擦片厂家，设计合理的摩擦片成分。 改进后的制动器摩擦片面积适当增加，压力臂压力比小于20，制动半径增加了5mm。初步设计制动力矩为2.2万N·m，实际试验表明制动力矩达到2.1万N·m以上，增加制动力矩效果明显。 五、结束语 通过对影响制动力矩大小的关键因素进行具体的分析，科学地提出增加制动力矩的方法，实际运用于国内制动器厂家产品的改进，具有重要意义。(end)

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