基于力學性能下的鼓式制動器設計

丁介然

（陜西理工大學 機械工程學院，漢中 723000）

鼓式制動器的工作原理即為利用力的相互作用將摩擦片與制動鼓壓在一起，使其發(fā)生充分摩擦，進而使車輪的減速度降到最小或在最短的剎車距離內將汽車平穩(wěn)地停靠下來，不發(fā)生不必要的滑移、側翻、漂移等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

若以氣壓為能源促動剎車片工作，并且執(zhí)行器為凸輪機構，則這種形式稱為凸輪剎車片。同理，能源為液壓，執(zhí)行器為液壓輪缸，人們將其稱為輪缸剎車片。輪缸剎車片應用于市場的類型也不盡相同，比如，領從式它采用的原理和自行車前后輪的運轉道理幾乎一樣，一輪接受外來動力進而帶動另一輪完成旋轉運動，人們將此類似與車輪的裝置形象地稱為領蹄，依據(jù)這一稱呼，可將其分為四個基本類型，即領從式、雙領式、雙從式及自增力式（組合式）。

1 鼓式制動器的力學性能分析

1.1 壓力分布規(guī)律分析

分析力的特性時，首先要計算并通過圖解的形式考量出其分布規(guī)律，并標注相關的理論要求。在這些要求都達到最低標準時，還需作出相應的假設以確保制動器摩擦面的抗磨損性較為良好。具體要求包括：制動蹄、鼓為絕對剛性；忽略內部的摩擦、相互作用的情況，僅有外力作用在摩擦襯片上；壓力與變形符合胡克定律[1]。

1.2 制動器制動力矩的計算

1.2.1 效能因數(shù)

效能系數(shù)用于評定不同類型的剎車片的性能、反應靈敏度及使用輕巧性?？偟膩碚f，其實制動效能因數(shù)就是指單位內輸入的載荷及所能輸出的力矩，特在此強調剎車的好壞與力的選擇有關。

領蹄：

則總的效能因數(shù)為：

1.2.2 同一制動器各蹄產生的制動力矩

同一制動器各蹄產生的制動力矩公式如下。

領蹄：

式中，β=α″-α，Pmax為壓力分布不均勻時蹄片上的最大壓力。

2 制動器執(zhí)行部件的設計與選型

2.1 制動鼓的設計

繪制直徑與力矩的曲線后，人們驚奇發(fā)現(xiàn)，在理想的條件下，這兩個參數(shù)的關系可以看成一條完整的直線，而且關系的變化程度會對散熱性能產生影響，間隙的設置對系統(tǒng)的恒久工作起到了關鍵的作用。這個間隙控制在20～30，這個范圍還可以保證部件具有良好的散熱。同時，依據(jù)D/Dr＝0.70～0.83取值。

同理，依據(jù)其組成形式及材料選用方法，可分為鑄造類和加入其他工藝的組合式兩種。在工藝的滲透過程中會有強度的上升，脆性度相對有所下降，承受高溫的能力也有所增強，但在此之后磨損性的校驗就顯得至關重要，初步需對摩擦的因素加以修訂，以保證相應的因素均有一個良好的特性。

對于失效變形的研究，可以運用一些工藝流程來加強表面強度，建議采用鑄造工藝，此工藝成本較低且程序較為簡單，而且可以在外側安裝散熱裝置，可以減少熱量集聚過多而造成的材料變形。根據(jù)經驗選取，對乘用車，制動鼓壁厚取為7～12mm[2]。

2.2 制動蹄的選型

為了避免剎車時制動蹄發(fā)生強烈的震動，從而引起摩擦金屬表面的響動，對于小噸位的轎車來說，往往在制動蹄的鋼化表面上開槽，一般情況下一條就可以滿足要求，如果是材料較堅硬的話可以開兩到三條。其距離也會隨之發(fā)生變化，查詢手冊并進行誤差考核，轎車允許的厚度范圍為3～5mm。鉚接與粘接作為連接鍵的兩大主流技術，已應用在汽車的各個零部件上，經比較發(fā)現(xiàn)，鉚接的噪聲小且工藝簡單，更換零件容易，一般設計中常采用鉚接襯片。

在選取材料時可以參考以下原則，同時參考相應的數(shù)據(jù)庫最終將摩擦襯片的屬性定位最優(yōu)。具體原則包括：一是摩擦因數(shù)值的選取要優(yōu)先考慮其對于可靠性的要求；二是具有良好的耐磨性；三是壓縮率和膨脹率控制在一定范圍內，否則會發(fā)生熱脹冷縮從而導致材料極度變形，影響剎車片的正常運作；四是剎車過程中不會有過大的聲音，相關零件摩擦時產生的碎渣不會濺滲到環(huán)境中污染破壞良好的生態(tài)系統(tǒng)；五是在考慮散熱效果后，要盡量選取耐熱性較好的材料，以避免過熱導致磨損這種惡劣現(xiàn)象出現(xiàn)[3]。

3 制動器支撐部件的設計與選型

3.1 制動底板的制造工藝選擇

零件的布置及安裝對于部件整體的性能和發(fā)揮的功效來說是十分重要的，正如樓房的結構一樣，需要一個實實在在的參照物來為它們指明方向，而制動底板就可以發(fā)揮充當安裝基體的作用。與此同時，其材料的強度要求較高，一般的鍛造工藝已滿足不了要求，這就需要將此底板進行沖壓處理，其中的凹凸便是沖壓過程中形成的形狀。

3.2 支承的設計

制動蹄在支承銷的約束下，其工作表面可運動的自由度為1，為了使其與制動鼓的工作表面在同一軸下正常運作，可以選取支承位置可調節(jié)的機構加以輔助矯正，發(fā)揮出應有的性能。例如，采用偏心支承銷或偏心輪。利用淬火的方式在極高溫度下對45號鋼進行加工，生產出滿足相應強度要求的支撐銷。其支座為可鍛鑄鐵（KTH370-12）或球墨鑄鐵（QT400-18）件。制動蹄如果沒有按照原軌跡擺動，而偏離較大的角度，這會導致其發(fā)生失效甚至產生破裂等現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，特在制動蹄的安裝位置處采用長支撐銷或者在制動底板上加持強度較高的壓緊機構，用來確保制動蹄的正常運動。

4 結語

對于汽車安全出行來說，制動器性能的優(yōu)良決定了行車人員在駕駛過程中安全系數(shù)的高低，而決定制動器性能優(yōu)良的又是相應的傳動部件和支撐部件具有足夠的強度和剛度?；诹W性能設計出的鼓式制動器，能夠完全適應變載荷、強功率的工作環(huán)境，并且鼓式制動器較盤式制動器制造結構簡單，制造成本低，適合于大眾車輛使用。