唐 倫

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，株洲 412001）

巴哈大賽起源于美國，它以前的名稱是大學(xué)生方程式汽車大賽，是一種微型越野車的設(shè)計(jì)與制作賽事，主要面向本科高等院校和高職院校開展。巴哈比賽的要求是在限定時(shí)間范圍內(nèi)，利用統(tǒng)一規(guī)格的發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)只有單個(gè)座位、動(dòng)力源中置、后輪驅(qū)動(dòng)的微型越野車，并按要求進(jìn)行多種測試，如靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目測試。其中，靜態(tài)測試項(xiàng)目包含技術(shù)檢驗(yàn)、車輛設(shè)計(jì)與制作、成本控制和商業(yè)運(yùn)作等；動(dòng)態(tài)測試項(xiàng)目包含發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的拖動(dòng)力測驗(yàn)、坡道爬行能力測驗(yàn)、車輛直線加速能力測驗(yàn)、持久力測驗(yàn)等。本文以學(xué)生參加巴哈大賽制作的賽車為例，對(duì)其制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。

1 巴哈大賽對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求

良好的車輛制動(dòng)系統(tǒng)，通常由兩個(gè)控制器完成剎車動(dòng)作，并且制動(dòng)力是直接作用于四個(gè)車輪上的。此外，巴哈大賽對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)還有如下要求。

為防備油管漏油或者失去效用時(shí)，至少還有2個(gè)車輪保證有效的剎車效果，比賽車輛必須具備2個(gè)相互獨(dú)立的液壓回路，并且每一個(gè)液壓支路都有獨(dú)立的儲(chǔ)液罐。當(dāng)單個(gè)車輪制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)一定的滑移差是可以允許的。

制動(dòng)系統(tǒng)在各個(gè)測試項(xiàng)目中，必須能抱死4個(gè)車輪。不允許采用線控制動(dòng)和無保護(hù)的塑料材質(zhì)制動(dòng)管路。另外，為防止傳動(dòng)失效或碰撞，導(dǎo)致剎車失效，制動(dòng)裝置必須安裝保護(hù)罩。

從比賽車輛側(cè)邊看，裝備在車輛簧載質(zhì)量上的剎車系統(tǒng)的任何零件都不容許伸展到車架與車身下面。為避免毀壞剎車系統(tǒng)或剎車踏板，剎車踏板在設(shè)計(jì)時(shí)要確保能經(jīng)受住2000N的力。在正確坐姿下，通過賽方任何裁判作用在制動(dòng)踏板上的最大壓力來進(jìn)行測試。制作賽車制動(dòng)踏板的材料不允許采用除鋁合金，鋼和鈦之外的材料加工。

2 剎車系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

2.1 車輛基本參數(shù)

根據(jù)比賽要求，所設(shè)計(jì)制作的車輛基本參數(shù)如下：車輛裝滿時(shí)的總重量W為3136N；賽車的有效滾動(dòng)半徑R為0.24m；賽車前后軸的軸距L為1.6m；賽車質(zhì)心距離前軸的長度Lf為0.848m，質(zhì)心距離后軸的長度Lb為0.752m，質(zhì)心的高度H=0.26m。

2.2 賽車前后軸的法向反力

當(dāng)車輛減速到8m/s2時(shí)，大地對(duì)車輛前軸和后軸的法向反作用力如式（1）、式（2）所示。

式中，Wf表示在沒有踩剎車的情況下以恰當(dāng)?shù)乃俣刃旭偅诓慌懦諝鈩?dòng)力效應(yīng)時(shí)地面對(duì)前軸的法向作用力；Wb表示在沒有踩剎車的情況下以恰當(dāng)?shù)乃俣刃旭偅诓慌懦諝鈩?dòng)力效應(yīng)時(shí)地面對(duì)后軸的法向作用力；（a/g）表示制動(dòng)強(qiáng)度，其單位值為“g”，在這里取0.8，即車輛剎車到減速度為8m/s2時(shí)的數(shù)值。假定車輛制動(dòng)力分配系數(shù)為β，具體如式（3）所示。

圖l 制動(dòng)強(qiáng)度和前后軸載荷的變化規(guī)律

根據(jù)圖1和計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)車輛制動(dòng)減速度為8m/s2時(shí)，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%。

2.3 車輪制動(dòng)力矩的計(jì)算

同步附著系數(shù)φ0的大小由車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，用公式計(jì)算為：

對(duì)于選擇較大同步附著系數(shù)φ0的車輛，應(yīng)從確保最好的制動(dòng)穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，來決定前軸和后軸的最大制動(dòng)力矩，它們的計(jì)算如式（5）、式（6）所示

式中，Tfmax表示前軸的最大制動(dòng)力矩；Tbmax表示后軸的最大制動(dòng)力矩；q表示制動(dòng)強(qiáng)度，即a/g，其值取0.8；R表示輪胎的有效滾動(dòng)半徑；φ0表示同步附著系數(shù)。

2.4 制動(dòng)鉗活塞直徑的計(jì)算

首先根據(jù)公式計(jì)算出前軸和后軸每個(gè)制動(dòng)鉗對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，計(jì)算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，Nf、Nb表示每個(gè)制動(dòng)鉗在前軸和后軸制動(dòng)盤上的壓緊力；μpad表示剎車片與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)，通常取0.35～0.40，在這里取0.4；r表示制動(dòng)盤的半徑。根據(jù)輪輞的尺寸，制動(dòng)盤的直徑設(shè)計(jì)為220mm。根據(jù)制動(dòng)盤上各側(cè)摩擦片的壓緊力計(jì)算出前后制動(dòng)鉗的活塞直徑，如式（9）、式（10）所示。

式中，Df、Db表示前后軸制動(dòng)鉗的活塞直徑；P表示制動(dòng)管路所能承受的壓力。其值一般不大于12MPa，在這里取其值為5MPa。

3 關(guān)鍵部件的選擇和設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)鉗的選擇

根據(jù)上述制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，選擇活塞直徑為34mm，內(nèi)部直徑為28mm的制動(dòng)鉗，如圖2所示，與之配套的摩擦片如圖3所示。

圖2 賽車所選用的制動(dòng)鉗

圖3 與制動(dòng)鉗配套的摩擦片

3.2 制動(dòng)主缸的選擇

己知條件：雙活塞制動(dòng)鉗，活塞內(nèi)部直徑D為28mm；制動(dòng)盤與制動(dòng)鉗之間的間隔通常為0.1～0.3mm，在這里取0.2mm；制動(dòng)主缸的行程S一般在5～10mm，在這里取5mm。

車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鉗所需制動(dòng)液體積VD，具體計(jì)算公式如式（11）所示。

每個(gè)行程中制動(dòng)主缸所需制動(dòng)液體積Vd如式（12）所示。

由于Vd≥VD，經(jīng)計(jì)算得知制動(dòng)主缸的內(nèi)徑d≥11.2mm。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，選擇內(nèi)徑為18mm的單缸制動(dòng)主缸，它的性能足夠符合車輛制動(dòng)性能的需要，所選擇的制動(dòng)主缸如圖4所示。

3.3 制動(dòng)盤的選擇與設(shè)計(jì)

因?yàn)檗I車的輪輞大小與巴哈賽車的輪輞尺寸不同，在國內(nèi)汽車零配件市場很難找到與我們要求相符合的制動(dòng)盤，而向境外購買所需的資金又很高，因此，只能自行對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。根據(jù)制動(dòng)鉗的安裝位置和輪輞直徑，最終確定制動(dòng)盤的厚度為4mm，直徑為220mm。制動(dòng)盤的冷卻問題是一個(gè)必須考慮的問題，雖然盤式制動(dòng)器由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)導(dǎo)致它的散熱性相對(duì)比較優(yōu)良，但為進(jìn)一步提升賽車的制動(dòng)性，設(shè)計(jì)了散熱孔均勻分布在制動(dòng)器的圓周上，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 賽車所選擇的制動(dòng)主缸

圖5 賽車所用制動(dòng)盤

3.4 制動(dòng)管路的選擇

剎車系統(tǒng)所用的管路主要有3種，如制動(dòng)銅管、制動(dòng)軟管和連接制動(dòng)主缸與制動(dòng)液儲(chǔ)液罐之間的橡膠軟管。通常這3種管路中工作要求比較高的是制動(dòng)軟管與制動(dòng)銅管，如制動(dòng)銅管必須能夠經(jīng)受住最少10MPa的壓力。分流裝置與制動(dòng)鉗之間通過制動(dòng)軟管連接，在設(shè)計(jì)和選擇時(shí)要求它有較好的活動(dòng)性和柔韌性，本賽車所選擇的制動(dòng)軟管如圖6所示。

圖6 賽車所用制動(dòng)軟管

3.5 制動(dòng)液儲(chǔ)液罐的選擇

對(duì)于制動(dòng)液儲(chǔ)液罐的選擇，由于在真實(shí)比賽過程中，如果選取偏大的制動(dòng)液儲(chǔ)液罐就會(huì)顯得較為笨拙，并且制動(dòng)液也沒必要裝很多，否則在車輛高速行駛過程中，因?yàn)閼T性較大，假如儲(chǔ)液罐安裝不牢固，則可能存在某些安全隱患。另外，比賽時(shí)為測驗(yàn)剎車系統(tǒng)的安全性會(huì)進(jìn)行排空氣，經(jīng)綜合考慮最終選取了較小的儲(chǔ)液罐，如圖7所示。但是，由于儲(chǔ)液罐較小，所以為防備剎車系統(tǒng)出故障，所以要時(shí)常對(duì)制動(dòng)液的液位進(jìn)行檢查。

3.6 制動(dòng)踏板的設(shè)計(jì)

因?yàn)榘凸﨎AJA賽車的特殊性，導(dǎo)致只能自己設(shè)計(jì)車輛的剎車踏板。在綜合考慮比賽選手的坐姿和踩踏的位置與大小后，利用Proe設(shè)計(jì)了杠桿放大比為6的剎車踏板?？紤]盡量降低車身重量，最終選取材料為7075的高強(qiáng)度鋁合金制作制動(dòng)踏板，如圖8所示。

圖7 賽車所用的制動(dòng)液儲(chǔ)液罐

圖8 賽車所使用的制動(dòng)踏板

4 結(jié)論

通過對(duì)剎車系統(tǒng)一些關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，得出當(dāng)車輛制動(dòng)減速度為8m/s2時(shí)，前軸和后軸的軸荷分布比例分別為60%和40%，前軸和后軸的最大制動(dòng)力矩分別為361.27N?m和240.8N?m。根據(jù)車輪每側(cè)摩擦片對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，分別計(jì)算前后軸制動(dòng)鉗的活塞直徑需分別大于等于28.9mm和26.4mm。

最后，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇活塞直徑為34mm、內(nèi)徑為28mm的制動(dòng)卡鉗和內(nèi)徑為18mm的單缸制動(dòng)主缸等，由于巴哈賽車的特殊性自行設(shè)計(jì)了制動(dòng)盤和制動(dòng)踏板。