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盤(pán)式制動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)、分類(lèi)及受力分析
1.1 盤(pán)式制動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)
鼓式制動(dòng)器、摩托車(chē)剎車(chē)圈、Drum brake、輪轂剎車(chē)圈專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫九環(huán)2023年6月26日訊  早期汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)多采用鼓式制動(dòng)器，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)的車(chē)速越來(lái)越高、載重越來(lái)越大，人們對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，盤(pán)式制動(dòng)器憑借其整體結(jié)構(gòu)緊湊、熱穩(wěn)定性好和水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)逐步被人們所青睞。近年來(lái)越來(lái)越的汽車(chē)前后輪均采用盤(pán)式制動(dòng)器，鼓式制動(dòng)器漸漸退出汽車(chē)界。盤(pán)式制動(dòng)器有著眾多優(yōu)點(diǎn)，如以下所示：
（1）整體結(jié)構(gòu)緊湊
盤(pán)式制動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，力的傳動(dòng)效率高。同尺寸的盤(pán)式制動(dòng)器與傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器相比較，盤(pán)式制動(dòng)器達(dá)到的制動(dòng)效果更好。
（2）遇熱穩(wěn)定性好
與鼓式制動(dòng)器相比較，盤(pán)式制動(dòng)器無(wú)自增力，因此其制動(dòng)效果基本不受摩擦系數(shù)的影響。在熱膨脹方面，盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)徑向膨脹對(duì)制動(dòng)效能無(wú)影響，而其軸向膨脹較小，因此盤(pán)式制動(dòng)器在受熱膨脹后對(duì)制動(dòng)效果影響很小。
（3）遇水穩(wěn)定性好
盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)塊與制動(dòng)盤(pán)之間單位壓力非常大，高速旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤(pán)存在很大的離心力，當(dāng)盤(pán)式制動(dòng)器涉水之后，在制動(dòng)壓力和離心力的作用下，制動(dòng)塊與制動(dòng)盤(pán)之間的水很容易被擠出，因此涉水對(duì)其制動(dòng)效果影響較小。
（4）散熱性好
盤(pán)式制動(dòng)器的通常采用通風(fēng)盤(pán)結(jié)構(gòu)，通風(fēng)盤(pán)散熱表面積較大，同時(shí)其安裝位置較為裸露，在車(chē)輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加快了空氣流動(dòng)速度，因此盤(pán)式制動(dòng)器的散熱效果較好。
（5）反應(yīng)靈敏
在盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)上，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)塊之間的間隔較小，從而大大減小了制動(dòng)行程。同時(shí)與鼓式制動(dòng)器相比，盤(pán)式制動(dòng)器的熱膨脹較小，不會(huì)因熱膨脹帶來(lái)的行程增大問(wèn)題，因此其反應(yīng)更加靈敏。
（6）易于保養(yǎng)
隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)塊之間間隙會(huì)逐漸增大，而盤(pán)式制動(dòng)器中的制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)塊之間的間隔可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。在維修方面，盤(pán)式制動(dòng)器便于拆卸和裝配，損壞件一般為磨損量過(guò)大的制動(dòng)塊，維修成本較低。
1.2 盤(pán)式制動(dòng)器分類(lèi)
按照制動(dòng)壓力方式的不同盤(pán)式制動(dòng)器可分為液壓式和氣壓式；按照固定制動(dòng)塊結(jié)構(gòu)的不同盤(pán)式制動(dòng)器可分為全盤(pán)式和鉗盤(pán)式。
全盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)背板和制動(dòng)塊的形狀為圓環(huán)狀，在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)的摩擦面與制動(dòng)塊的摩擦面之間完全接觸。全盤(pán)式制動(dòng)器的應(yīng)用范圍較小，目前主要應(yīng)用于少數(shù)重型汽車(chē)上，其可以作為制動(dòng)器或緩速器。鉗盤(pán)式制動(dòng)器的鉗體上有2～4 個(gè)制動(dòng)塊，制動(dòng)塊的摩擦面與制動(dòng)盤(pán)的摩擦面之間接觸面積較小，其制動(dòng)壓力較大，因此對(duì)制動(dòng)塊材料的抗壓、耐磨能要求較高。以前人們將盤(pán)式制動(dòng)器安裝在汽車(chē)上充當(dāng)中央制動(dòng)器使用，隨著盤(pán)式制動(dòng)器的認(rèn)可程度的提高，到現(xiàn)在已經(jīng)成為各類(lèi)汽車(chē)的標(biāo)配。鉗盤(pán)式制動(dòng)器分為兩種：定鉗盤(pán)式和浮鉗盤(pán)式。
（1）定鉗盤(pán)式制動(dòng)器
定鉗盤(pán)式制動(dòng)器在汽車(chē)上的應(yīng)用要早于浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器，定鉗盤(pán)式制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)副較少，整體剛度較大，但因其制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)都設(shè)有活塞，布局困難，故而導(dǎo)致其尺寸較大。同時(shí)對(duì)油缸和活塞的精密度要求較高，導(dǎo)致了制造成本的加大。
此外，因盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)會(huì)使制動(dòng)塊產(chǎn)生大量的熱，進(jìn)而傳遞給制動(dòng)液，導(dǎo)致制動(dòng)液產(chǎn)生大量氣泡，最終影響制動(dòng)效果。定鉗盤(pán)式制動(dòng)器的鉗體是固定的，故而不作軸向移動(dòng)。制動(dòng)塊處于制動(dòng)盤(pán)的兩側(cè)，當(dāng)制動(dòng)時(shí)鉗體內(nèi)的活塞在油壓的作用下將制動(dòng)塊推出，制動(dòng)盤(pán)在兩側(cè)制動(dòng)塊的擠壓下進(jìn)行制動(dòng)，如圖1.1 所示。
鼓式制動(dòng)器,摩托車(chē)剎車(chē)圈,輪轂剎車(chē)圈,Drum brake,摩托車(chē)制動(dòng)鐵套
（2）浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器
浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器顧名思義其鉗體是不固定的，鉗體運(yùn)動(dòng)方式有兩種：沿導(dǎo)向銷(xiāo)做軸向平移和繞承銷(xiāo)擺動(dòng)。因其油缸只存在于內(nèi)側(cè)，故而使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布局，同時(shí)縮小了整體尺寸，較少了總質(zhì)量，使得成本大大降低。浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器的內(nèi)制動(dòng)塊是可以隨活塞運(yùn)動(dòng)的，外制動(dòng)塊是固定在鉗體上的。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，氣壓或者油壓會(huì)通過(guò)活塞將內(nèi)制動(dòng)塊推出，使其壓向制動(dòng)盤(pán)，此時(shí)，鉗體會(huì)在反作用力下向制動(dòng)盤(pán)一側(cè)移動(dòng)，從而使兩側(cè)制動(dòng)塊緊壓制動(dòng)盤(pán)，最終達(dá)到制動(dòng)的目的，如圖1.2 所示。
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1.3 盤(pán)式制動(dòng)器受力分析
以目前汽車(chē)上最為常見(jiàn)的浮鉗盤(pán)式制動(dòng)器為研究對(duì)象，針對(duì)其工作時(shí)的受力狀況進(jìn)行分析。首先對(duì)其工作原理進(jìn)行分析：當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，液壓（或氣壓）將內(nèi)側(cè)鉗體中的活塞推出，帶動(dòng)內(nèi)制動(dòng)塊向制動(dòng)盤(pán)面接觸擠壓，鉗體橋在反作用力下會(huì)沿軸向向制動(dòng)盤(pán)一側(cè)移動(dòng)，從而帶動(dòng)外制動(dòng)塊接觸擠壓制動(dòng)盤(pán)面，制動(dòng)塊與制動(dòng)盤(pán)相互接觸產(chǎn)生摩擦力，從而達(dá)到制動(dòng)效果。當(dāng)汽車(chē)停止制動(dòng)時(shí)，液壓油流回油箱，制動(dòng)壓力消失，同時(shí)在回位彈簧的作用使兩側(cè)制動(dòng)塊恢復(fù)到原來(lái)位置，至此制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。
在汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程中，由司機(jī)踩下剎車(chē)到汽車(chē)速度降為零時(shí)，其過(guò)程大致可以分為三時(shí)期：
第一時(shí)期為汽車(chē)的反應(yīng)滯后時(shí)期。這段時(shí)間由于制動(dòng)踏板會(huì)有運(yùn)動(dòng)行程和制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)塊之間存在間隙，從而導(dǎo)致此階段制動(dòng)器沒(méi)有起到制動(dòng)的作用。
第二時(shí)期為盤(pán)汽車(chē)開(kāi)始制動(dòng)一直到車(chē)輪抱死時(shí)期。這段時(shí)間制動(dòng)器的制動(dòng)力矩不斷增大，汽車(chē)的車(chē)輪滾動(dòng)與拖滑交替出現(xiàn)，最終使車(chē)輪抱死。
第三時(shí)期為車(chē)輪抱死拖滑到汽車(chē)速度降為零時(shí)期。這段時(shí)間制動(dòng)器的制動(dòng)力矩基本保持穩(wěn)定，最終汽車(chē)速度降為零。
本文需要以最大制動(dòng)力矩為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而各部件在受到最大制動(dòng)力矩后性能保持不變?yōu)榍疤徇M(jìn)行研究設(shè)計(jì)。其簡(jiǎn)化圖如圖1.3 所示。
鼓式制動(dòng)器,摩托車(chē)剎車(chē)圈,輪轂剎車(chē)圈,Drum brake,摩托車(chē)制動(dòng)鐵套
1.4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外研究現(xiàn)狀
關(guān)于盤(pán)式制動(dòng)器的仿真分析研究，國(guó)外研究文獻(xiàn)較多，但多數(shù)文獻(xiàn)局限于對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的振動(dòng)模態(tài)分析、制動(dòng)噪聲分析和熱力學(xué)分析等方面，針對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)輕量化方面的研究較少。在彈性力學(xué)方面，17 世紀(jì)70 年代，R.HooKe 提出了胡克定律，指出固體材料的彈性變形與其所收到的外力是成正比的。19 世紀(jì)20 年代，A.L.Cauchy、J.C.B.Saint Venant 和C.L.M.H.Navier 等人創(chuàng)立了數(shù)學(xué)彈性理論。1871年，M.Levy 把塑性應(yīng)變應(yīng)力的研究有二維增加到三維[25]。在有限元分析軟件方面，1969 年，Pedro 公司發(fā)布了非線性有限元程序軟件MARC。1972 年，Hibbitt 創(chuàng)建了HKS，從而發(fā)布了ABAQUS 軟件。1989 年，美國(guó)Altair 發(fā)布了HyperMesh 軟件，在1994 年進(jìn)一步研發(fā)出了OptiStruct 模塊。國(guó)外汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)最早應(yīng)用在方程式賽車(chē)上，因?yàn)楸荣悤?huì)限制賽車(chē)的車(chē)身重量。1973 年，全球爆發(fā)石油危機(jī)，導(dǎo)致越來(lái)越大的汽車(chē)廠商開(kāi)始注重節(jié)能技術(shù)，其中汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)屬于重要設(shè)計(jì)部分。
汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)主要包括對(duì)其車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)和零部的件輕量化設(shè)計(jì)，在汽
車(chē)零部件輕量化設(shè)計(jì)上的表現(xiàn)為：
（1）采用鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料和陶瓷等質(zhì)量較輕，性能較好的材料為制造原料，在根源上減輕了零部件的質(zhì)量。
（2）通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)質(zhì)量不斷提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。
在1994 年，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)成立了ULSAB 項(xiàng)目。ULSAB 項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)包括：
（1）使用HSS 和AHSS。
（2）使用復(fù)合鋼板結(jié)構(gòu)。
（3）液壓成型工藝。
（4）使用FEM 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化。
另外，各國(guó)一些研究院所對(duì)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)做了很多年的研究，并取得了豐富的成果。在歐美日國(guó)家，多數(shù)汽車(chē)生產(chǎn)商降低油耗的方法是降低汽車(chē)零部件的重量。
通過(guò)CAD/CAE 軟件可以對(duì)汽車(chē)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化?，F(xiàn)在，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)零部件生產(chǎn)商都擁有自己的CAD/CAE 系統(tǒng)。
1.5 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
隨著我國(guó)汽車(chē)需求量的不斷提高，汽車(chē)的生產(chǎn)量也越來(lái)越大，進(jìn)而帶動(dòng)了盤(pán)式制動(dòng)器產(chǎn)量的提高。我國(guó)盤(pán)式制動(dòng)器的制造水平越來(lái)越高，較著名的生產(chǎn)廠商有重慶紅宇、亞太機(jī)電和萬(wàn)向錢(qián)潮等。我國(guó)汽車(chē)起步較晚，在汽車(chē)零部件的制造方面落后更為嚴(yán)重。近幾年國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，汽車(chē)零部件輕量化材料的研發(fā)發(fā)展迅速。在汽車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)徹底擺脫了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用現(xiàn)代CAD/CAE 技術(shù)對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在我國(guó)北京航空航天大學(xué)研發(fā)出了的CAD 系統(tǒng)CAXA，此模塊主要針對(duì)的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化技術(shù)，通過(guò)有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而較少了零部件的質(zhì)量。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在2008 年汽車(chē)專(zhuān)用盤(pán)式制動(dòng)器需求量達(dá)到了2755 萬(wàn)臺(tái)，亞太機(jī)電已成為最大的盤(pán)式制動(dòng)器制造商。與美、日、德、韓等汽車(chē)強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)在汽車(chē)輕量化方面的起步較晚，目前尚有許多共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決。幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件輕量化材料的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，鋁合金、鎂合金、高性能鋼板在汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。如奇瑞汽車(chē)的艾瑞澤7 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了鋁合金材料；一汽和奇瑞轎車(chē)的部分車(chē)身采用高強(qiáng)度鋼。在汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，中國(guó)已經(jīng)完全擺脫過(guò)去主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，CAD/CAE 設(shè)計(jì)法分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的優(yōu)化使用。
在近幾年文獻(xiàn)中，米潔和吳欲龍采用多目標(biāo)模擬退火法對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證盤(pán)式制動(dòng)器可靠性的前提下減小其尺寸和摩擦副的升高溫度。王良模、彭育輝等人通過(guò)對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的受力分析情況，建立了鉗體和托架的力學(xué)模型，利用CAD/CAE 軟件求建立有限元模型后進(jìn)行靜力分析得出了鉗體和托架的在工作狀態(tài)下的應(yīng)力及分布，表明了設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求。王宏斌利用CAD/CAE 技術(shù)通過(guò)建立有限元模型對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的盤(pán)式制動(dòng)器總重量減輕了20.69%，減少了偏磨，在性能指標(biāo)上均滿(mǎn)足盤(pán)式制動(dòng)器的需求。
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