汽车盘式制动器的结构及其制动性能评价分析
时间：2023-02-27 11:20:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李小强
（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）
在当前科学技术高速发展背景下，各类制动器设备不断涌现，鼓式制动器以及盘式制动器成为当前汽车制动器两种主流形式，二者各有优劣，但是随着汽车行驶速度不断提升，盘式制动器在其频繁执行制动动作后依然具有较高的稳定性、散热效果较好、方便维修等优势影响下，逐渐得到广泛应用。由此，加强对其结构的研究具有重要意义。
1.1 工作原理
盘式制动器在实际执行制动动作过程中，储存在油缸之中的油液会被压入内轮缸之中，随后在液压作用下，制动器中的活塞部件挤压制动块，并利用此动作压紧制动盘进而产生摩擦力矩，最终实现制动目的。在制动过程中，活塞部件运动产生的摩擦力会导致设置于轮缸槽部分的矩形橡胶圈产生一定幅度的弹性形变，该形变属于正常设计，在后续放松制动后，橡胶圈恢复弹性过程中可以配合弹簧弹力促使活塞以及制动块复位。橡胶密封圈实际产生形变的幅度较小且恢复性较强，在制动器不进行制动条件下，其与摩擦片与制动盘之间的间隙仅有0.1 mm 左右，确保其可以顺利解除制动[1]。制动盘在实际运转过程中受热膨胀原理影响会导致厚度出现一定程度变化，但是变化较为微小，实际运转过程中不会产生影响制动性能的脱滞问题。矩形橡胶圈在制动器中除发挥其应有的密封作用外，还可以有效保障活塞部件在完成制动动作后复位，同时对间隙进行自动调整。
1.2 主要构件组成
通常情况下，制动器主要由制动盘、制动钳以及制动盘摩擦衬块三部分组成。
制动盘部件在制动器设计中通常安装于车辆轮毂之上，以确保制动盘在运转过程中与车轮之间进行同步同向旋转。制动盘在设计过程中被定位为旋转部件，在实际运转过程中与制动器中的摩擦衬块之间存在可以忽略不计的微小孔隙。制动盘的有效半径是影响其制动效果的主要指标，测量方式为对制动盘中心点以及摩擦衬块磨合中心距离进行测量，所得结果即为有效半径。依据杠杆原理，在摩擦力相同的条件下，制动力与制动盘直径成正相关关系，即制动力会随着制动盘半径的提升而提升[2]。
制动钳通常被设计为对称的两部分，在实际安装过程中利用螺栓进行连接，该元件的钳件强度及刚度较大，且具备防振效果。
摩擦衬块是制动器顺利发挥制动作用的重要组成部分，该部件被设计为利用钳夹活塞推向并挤进制动盘的主要部件，具体构成由摩擦衬块与地板压嵌而成。针对摩擦衬块的设计中，规范要求其实际内外半径以及规定最佳内外半径之间的比值控制在1.5 以下。经过大量实践分析可知，此比值在高于1.5 的情况下，部件运转过程中外缘以及内侧圆周速度之间存在较为明显的差异性，进而导致内外侧磨损不均并对不见接触面积造成较为严重的负面影响，最终使得整个制动器的制动力矩产生大幅变化，影响制动性能[3]。
2.1 浮钳盘式制动器分析
2.1.1 浮钳盘式制动器制动过程
浮钳盘式制动器结构中，制动钳部件通常安装于制动盘中心轴之上。制动盘轴在制动器运转过程中主要发挥沿轴导向作用。该形式设备在安装过程中为确保维修便利性，通常将制动盘内侧区域安装液压油缸，而外侧摩擦片则与钳体共同安装，制动器简图如图1 所示。
图1 浮钳盘式制动器简图
图1 中，标号1～8 分别为制动钳体、导杆、制动钳支架、制动盘、摩擦片、活动摩擦片、油缸、活塞。其中制动钳支架通常被安装于汽车转向节部分。制动钳体在实际运作过程中可以与支架共同移动，沿导杆执行轴箱滑动动作。制动器在实际运转过程中油缸中存在的油液会依据液压力P1所示作用线注入，并利用液压作用推动活动摩擦片挤压制动盘。在此过程中，制动钳体之上会沿反作用力P2所示方向产生反作用力，并推动制动钳部件沿导杆进行右向位移，进而促使摩擦片紧紧压在制动盘部件上。随后摩擦片部件会在P1、P2两个方向作用下挤紧制动盘，并使其新形成与车轮旋转方向相反的制动力矩，最终实现制动目的。
2.1.2 浮钳盘式制动器优势及缺陷
浮钳盘式制动器的优势集中表现在以下几方面：第一，制动盘工作表面采用平面设计，在运转过程中产生形变的概率较低，进而获得稳定的制动效果；
第二，制动器浸水对制动性能的影响有限，只需执行一两次制动动作即可恢复正常性能；
第三，该形式制动器油缸采取单侧安装形式，使得整体结构较为简洁，为安装及布局提供了较大便利性，且此设计使得制动器占用空间尺寸较小。
浮钳盘式制动器的短板主要为以下几点：第一，用于液压制动系统时，所需要的制动液压管路压力较高，要求液压系统密封性要好；
第二，制动温度高，易出现气阻，所以一般要釆用助力装置；
第三，制动钳体相对中心轴的可移动性，加大了振动和噪声产生的可能，易引起磨损；
第四，作为驻车制动器使用时，需要加装的驻车传动装置较其他制动器复杂，因而在后轮上的使用受到限制；
第五，难以完全防止锈蚀[4]。
2.2 制动性能评价指标
狭义层面的汽车制动性能是汽车在行驶过程中短距离内即可实现车辆停止，同时确保行驶方向稳定，此外，制动性能还体现在车辆在下长坡时可以保持一定车速。车辆制动性能是评价其整体安全性的重要指标。通过分析大量交通事故产生原因可知，制动距离过长、紧急制动方向不稳定是引发交通事故的主要原因。因此，各国在实际发展过程中均对汽车制动性能评价指标作出明确规定，具体如表1 所示。
表1 部分国家对汽车制动系统性能的要求
针对汽车制动性能的评价标准主要包含以下三方面：第一，制动效能，即制动距离与制动减速度；
第二，制动效能恒定性；
第三，进行制动时汽车行驶方向的稳定性，即汽车在刹车时保证不发生方向偏移、侧滑和可操控的转向的性能。
2.2.1 汽车制动效能分析
汽车行驶过程中需要的制动减速度需要车辆接受如地面摩擦力或空气阻力一类的外力反作用。考虑到空气阻力无法有效为车辆提供所需的反作用力，因此路面摩擦成为车辆制动的主要外力反作用力来源。制动动作实际执行中，车轮会与路面产生相对摩擦，进而产生与行进方向相反的阻力，此即为地面制动力，该作用力与车辆制动距离成负相关，即作用力提升会缩短车辆制动距离。由此可见，地面制动力直接影响车辆制动性能。
图2 为车辆执行制动动作过程中车轮综合受力情况。在对车轮综合受力情况进行分析过程中不考虑减速过程中产生的惯性、惯性力偶矩因素。由图2 中信息所示，Tμ为制动器中摩擦片及制动盘相对滑动过程中产生的摩擦力矩，单位为N·m；
FXb为地面制动力，单位为N；
W、Tp、Fz分别为车轮垂直载荷、车轴对车轮推力、地面对车轮的法向作用力，单位均为N。
图2 车轮制动综合受力情况
地面制动力是使汽车制动或减速行驶的外力，主要由摩擦片与制动盘之间的摩擦力，以及地面作用在轮胎上的摩擦力组成。
制动器的制动力是其执行制动动作过程中在轮胎圆周部分生成的用以克服制动器摩擦力扭矩所需的力，通常情况下用Fμ表示。制动力等同于车辆架空状态下，制动器运作过程中在车辆轮胎圆周切线方向上产生的作用力。其与制动动作执行过程中，推动车轮直至车轮转动所需力大小相同。
考虑到制动器的制动力与车辆实际行驶状况之间不存在直接关联，因而制动力直接由制动器本身结构所决定，即制动器设计形式、尺寸等指标直接影响制动力大小。同时该力与踩踏板时液压力成正相关，即制动力会随着液压力提升而提升。
2.2.2 制动效能恒定性
车辆在进行高速行驶或处于下长坡条件下，车辆制动频率相较正常行驶或平整路面行驶时的制动频率会显著提升，由此，会导致制动时间增长以及高速制动。制动器在实际运转过程中受摩擦力影响，大量动能转化为热能，且短时间内热能无法得到消散，进而使得制动器温度激增，通常情况温度增长范围会处于300～600 ℃范围内，极值可以达到650 ℃左右。车辆前制动器每执行一次制动动作，温度上升幅度为11 ℃左右，而后轮制动器的温度增长幅度为7.5 ℃左右。在制动器温度出现激增情况后，摩擦片的摩擦系数必然会出现下降情况，进而导致制动器摩擦力矩下降，研究者将其称之为制动器热衰退，这种情况不可避免，仅能通过设计降低热衰退幅度。
在当前时代背景下，汽车已经成为民众出行的主要代步工具，在民众日常生活中占据重要位置，然而汽车保有量的提升也使得交通事故发生概率大幅提升，由此，车辆安全性已经成为社会各界关注的焦点。制动器作为决定车辆行驶安全的关键要素，加强对其研究力度具有重要现实意义。
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