林瑋靜，丁現(xiàn)強(qiáng)，孫 超，齊學(xué)先

（中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

引言

經(jīng)過近十年發(fā)展，國(guó)內(nèi)盤式制動(dòng)器產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用匹配已比較成熟，在重型載貨車、客車（包括公交車車）和城市專用車上的應(yīng)用逐年提高，在輕、中型載貨車和客車上的應(yīng)用也日漸增多。

浮鉗式盤式制動(dòng)器的制動(dòng)氣室固定在鉗體總成上，并直接驅(qū)動(dòng)鉗體總成內(nèi)部的杠桿，以實(shí)現(xiàn)輸入力的放大。托架固定在車橋上，用于支撐鉗體總成和制動(dòng)塊總成。鉗體總成通過滑銷和螺栓固定在托架上，可沿滑銷自由滑動(dòng)。制動(dòng)氣室通過杠桿放大作用，推動(dòng)內(nèi)側(cè)制動(dòng)塊貼緊制動(dòng)盤，在反作用力下，鉗體總成向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)，從而帶動(dòng)外側(cè)制動(dòng)塊壓緊制動(dòng)盤，形成內(nèi)外側(cè)制動(dòng)塊的夾緊力，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

制動(dòng)力矩是盤式制動(dòng)器重要性能指標(biāo)，其大小和穩(wěn)定性直接影響車輛制動(dòng)性能。盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩涉及機(jī)械、材料學(xué)、摩擦學(xué)、熱學(xué)等多方面學(xué)科，實(shí)際應(yīng)用過程中，影響因素更多。

1 制動(dòng)力矩

根據(jù)盤式制動(dòng)器的工作原理分析制動(dòng)力矩的構(gòu)成要素［1］，見圖1。氣壓盤式制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)源來(lái)自氣室推力F，經(jīng)過杠桿增力機(jī)構(gòu)放大后（放大倍數(shù)稱為杠桿比），由調(diào)整機(jī)構(gòu)傳遞到制動(dòng)塊和制動(dòng)盤的接觸面（以下簡(jiǎn)稱摩擦面），形成正壓力N（不考慮回位彈簧的反作用力），假定制動(dòng)塊與制動(dòng)盤接觸良好，且各處壓力分布均勻，制動(dòng)力矩：

式中：F—?dú)馐彝屏Γ籒—正壓力；i—杠桿比；η—機(jī)械效率；μ—摩擦系數(shù)；R—制動(dòng)半徑。

圖1 盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩

公式中的機(jī)械效率與盤式制動(dòng)器傳遞機(jī)構(gòu)有關(guān)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)精度高、可靠性高，其穩(wěn)定性與相關(guān)零部件工藝性和總成裝配精度有關(guān)，盤式制動(dòng)器的機(jī)械效率一般都在95%以上，改進(jìn)空間有限。由公式（3）可見，影響制動(dòng)力矩的主要因素是氣室推力、杠桿比、摩擦系數(shù)和制動(dòng)半徑。實(shí)際應(yīng)用過程中，制動(dòng)間隙直接影響杠桿行程，進(jìn)而間接影響制動(dòng)力矩。

2 影響因素分析

2.1 氣室推力

氣室推力直接由制動(dòng)氣室提供，不是恒定值，隨氣室推桿行程的增加而變化，其值通過制動(dòng)氣室靜特性曲線表示，見圖2。由公式（3）可知，制動(dòng)力矩與氣室推力成線性關(guān)系，由摩擦學(xué)基本理論可知，這種關(guān)系不恒定。圖3 中，當(dāng)氣室推力達(dá)到一定值時(shí)，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)傳遞到摩擦面的正壓力N 會(huì)超過摩擦材料所能承受的壓力，過量壓力（氣室推力經(jīng)過放大，傳遞到摩擦面上的力）會(huì)產(chǎn)生滑磨功:

式中：E—滑磨功；△F—過量的氣室推力；n—車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

由公式（4）可知，滑磨功隨著過量氣室推力的增大而增加，在這里滑磨功轉(zhuǎn)化為熱能，熱量的積聚將導(dǎo)致摩擦系數(shù)顯著下降，制動(dòng)力矩也隨之下降，摩擦材料也隨之加速磨損。與此同時(shí)，氣室推力的增大也會(huì)降低盤式制動(dòng)器承載件的疲勞壽命。因此，當(dāng)通過增大氣室推力提高制動(dòng)力矩時(shí)，需要考慮因過量滑磨功的影響以及盤式制動(dòng)器的壽命。

圖2 氣室的靜特性曲線（氣壓8 bar）

圖3 制動(dòng)力矩與氣室推力線性關(guān)系

實(shí)際應(yīng)用中，通過氣室與盤式制動(dòng)杠桿行程的有效匹配提高制動(dòng)力矩，也是一個(gè)有效途徑。通常制動(dòng)力矩是盤式制動(dòng)器在整個(gè)過程中制動(dòng)力矩的算術(shù)平均值。氣室推力在靜特性曲線有效行程內(nèi)的表現(xiàn)直接影響制動(dòng)力矩大小，在初始階段和末階段的表現(xiàn)直接影響制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性，間接影響制動(dòng)力矩的大小。因此，選擇匹配制動(dòng)氣室時(shí)，制動(dòng)氣室的靜特性曲線要滿足要求：（1）初始行程（0 ～15 mm）需修正到近似等于氣壓盤式制動(dòng)器工作行程的穩(wěn)定值，如偏離太高易導(dǎo)致偏離差、偏磨、過熱等問題，進(jìn)而影響制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性。（2）有效行程不低于氣壓盤式制動(dòng)器杠桿的工作行程，否則將會(huì)影響制動(dòng)力矩的大小和穩(wěn)定性。

2.2 杠桿比

杠桿比是杠桿機(jī)構(gòu)的放大比。在制動(dòng)過程中，其值隨杠桿工作行程變化：

式中：L—杠桿工作行程；d—制動(dòng)間隙。

由盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理［1］可知，在制動(dòng)過程中，氣室推桿始終驅(qū)動(dòng)杠桿球窩，杠桿的工作行程就是氣室推桿的實(shí)際工作行程。

杠桿比與杠桿工作行程的關(guān)系見圖4，整體上看杠桿比隨著杠桿工作行程的增加而增大，在50 mm 范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，超過55 mm，杠桿比驟升。氣室推力在有效行程內(nèi)比較穩(wěn)定，超過有效行程時(shí)，氣室推力急劇下降。無(wú)論是氣室推力的驟降還是杠桿比的驟升都會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力矩起伏比較大，不利于氣室盤式制動(dòng)器制動(dòng)性能的穩(wěn)定性。

為了保證制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性，杠桿比設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證杠桿的工作行程，在任何情況下不得超出所匹配氣室推桿的有效行程。此外，杠桿的工作行程還與摩擦材料的壓縮性能和承載件剛度有關(guān)，設(shè)計(jì)這些相關(guān)件時(shí)，需要兼顧這個(gè)參數(shù)，保證常溫常壓下，杠桿比不會(huì)突變。設(shè)計(jì)杠桿比時(shí)或者為提高制動(dòng)力矩增大杠桿比時(shí)，杠桿行程與氣室有效行程必須有效匹配。此外，在選擇摩擦材料和承載件剛度時(shí)，也需要考慮。

圖4 杠桿比與杠桿工作行程的關(guān)系

2.3 摩擦系數(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，摩擦材料的摩擦系數(shù)不僅直接影響制動(dòng)力矩，還與耐磨性、配偶件制動(dòng)盤的熱疲勞及其制動(dòng)器的NVH 等因素息息相關(guān)。提高制動(dòng)力矩時(shí)，提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性比提高摩擦系數(shù)本身更為可靠，以降低摩擦系數(shù)的熱衰退，避免盤式制動(dòng)器高溫時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)疲軟等問題。摩擦系數(shù)穩(wěn)定性主要與摩擦面壓力分布、摩擦面積、制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

2.3.1 摩擦面壓力分布

摩擦面壓力分布是否合理，直接影響摩擦面的溫度場(chǎng)分布［2］，進(jìn)而影響摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。摩擦面壓力的分布與活塞的施力方式有直接關(guān)系。目前盤式制動(dòng)器調(diào)整機(jī)構(gòu)一般有單活塞、雙活塞以及雙活塞和整體推盤組合等方式，相應(yīng)摩擦面的應(yīng)力分布見圖5。從單活塞到雙活塞再到雙活塞和整體推盤，摩擦面的壓力越來(lái)越均勻，摩擦系數(shù)也會(huì)隨之越來(lái)越穩(wěn)定。如果空間允許，建議浮鉗式盤式制動(dòng)器的調(diào)整機(jī)構(gòu)采用雙活塞和整體推盤組合形式。

圖5 摩擦面壓力分布與活塞施力方式的關(guān)系

2.3.2 摩擦面積

摩擦面積越大，摩擦面單位面積的壓力越小，溫度就會(huì)隨之降低，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性就會(huì)得到改善。摩擦面積除直接與制動(dòng)塊的外形尺寸有關(guān)之外，還受到浮鉗式盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和制動(dòng)盤的尺寸約束。設(shè)計(jì)相關(guān)零部件時(shí)，可以通過增加摩擦面積，有效提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。

2.3.3 制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程中瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量，99%由制動(dòng)盤吸收，剩余熱量在摩擦面場(chǎng)分布與制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)有關(guān)［3］。因此，可以通過增加制動(dòng)盤的熱容量或者改進(jìn)制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，降低摩擦面溫度，有效提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。

增加制動(dòng)盤的熱容量可以降低摩擦面溫度，但也相應(yīng)增加了制動(dòng)盤的重量，有違當(dāng)前車輛輕量化設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)。因此，優(yōu)化制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)的措施性價(jià)比更高。圖6 為帶法蘭結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤，具有通風(fēng)槽設(shè)計(jì)，能最大限度提升通風(fēng)散熱效率，降低熱點(diǎn)溫度上升速度，從而有效避免熱裂紋產(chǎn)生，提高制動(dòng)盤實(shí)際使用壽命。

圖6 帶法蘭結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤

2.4 制動(dòng)半徑

制動(dòng)塊摩擦材料的外徑，受制動(dòng)盤的外徑約束，而制動(dòng)盤的外徑受制動(dòng)器和輪輞尺寸限制，見圖7～圖8?？紤]到高負(fù)荷下零件熱變形和保護(hù)氣門嘴免受高溫，并且防止污垢附著在卡鉗和氣門嘴之間，制動(dòng)器與輪輞和氣門嘴之間需要預(yù)留足夠間隙。由此，制動(dòng)半徑與所匹配輪輞尺寸、制動(dòng)器尺寸、氣門嘴位置緊密相關(guān)。在浮鉗式盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過優(yōu)化卡鉗結(jié)構(gòu)，提高卡鉗剛度，減少壁厚來(lái)增加制動(dòng)半徑。圖8的氣門嘴外置輪輞也是不錯(cuò)的選擇。

圖7 氣門嘴內(nèi)置輪輞和制動(dòng)器

圖8 氣門嘴外置輪輞和制動(dòng)器

增加制動(dòng)半徑也可能會(huì)帶來(lái)其它問題，比如制動(dòng)塊偏磨。實(shí)際應(yīng)用過程中，摩擦面受力不均勻，活塞施力中心部位的載荷密度明顯大于其它部位，制動(dòng)塊上半部的載荷密度明顯大于下半部［4］，由公式（4）可知，滑磨功與制動(dòng)半徑成正比，制動(dòng)塊溫度上半部比下半部高,制動(dòng)塊上半部明顯比下半部磨損快，即存在偏磨問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)跑偏等制動(dòng)問題。這種現(xiàn)象由浮鉗式盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)決定的，不能從根本上解決，但可以通過相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)改善，即讓活塞施力中心低于制動(dòng)半徑。因此，設(shè)計(jì)制動(dòng)半徑時(shí)，需要平衡制動(dòng)力矩和制動(dòng)塊偏磨的關(guān)系，以保證盤式制動(dòng)器的綜合性能。

2.5 制動(dòng)間隙

由公式（5）可知，制動(dòng)間隙與杠桿行程成正比，從而間接影響摩擦面的正壓力，進(jìn)而影響制動(dòng)力矩，見圖9。實(shí)際應(yīng)用過程中，制動(dòng)間隙太小易導(dǎo)致制動(dòng)器拖磨或者過熱，制動(dòng)間隙太大會(huì)降低制動(dòng)器的正壓力，制度力矩隨之減小。整體摩擦面上的正壓力隨著制動(dòng)間隙的增加而減小，制動(dòng)間隙的最佳值為0.6 mm 左右，考慮到拖磨、零部件工藝性和裝配誤差等因素，制動(dòng)間隙的推薦值在0.6 ～1.2 mm 之間。

圖9 正壓力與制動(dòng)間隙的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

氣壓盤式制動(dòng)器實(shí)際輸出的制動(dòng)力矩的影響因素比較復(fù)雜，除與制動(dòng)氣室、制動(dòng)盤、摩擦材料等零部件的設(shè)計(jì)選型有關(guān)外，各影響因素之間還相互影響。實(shí)際應(yīng)用過程中，還會(huì)受到車型匹配、使用工況、駕駛員素質(zhì)、維護(hù)保養(yǎng)等因素影響。

總之，近幾年國(guó)內(nèi)氣壓盤式制動(dòng)器的自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化蓬勃發(fā)展，為國(guó)家制動(dòng)法規(guī)的推進(jìn)實(shí)施提供了有力支持，也間接推動(dòng)了中國(guó)汽車工業(yè)尤其是商用車板塊的技術(shù)進(jìn)步，加速了商用車的智能化進(jìn)程，為商用車的輕量化設(shè)計(jì)和安全性的進(jìn)一步提高起到了很大作用。