摩托車液壓盤式制動器的計算與校核

溫開元，岳鵬，趙章岳

（1.瑞安市愛得利液壓制動有限公司，浙江 溫州 325200；2.龍巖市海德馨汽車有限公司，福建 龍巖 364099）

0 引言

隨著我國摩托車市場的不斷發(fā)展，摩托車的制動系統(tǒng)尤為重要，特別是一些高端賽道摩托車對摩托車制動器及外觀提出了更高的要求，一些更好的材料及先進的工藝被應(yīng)用在摩托車制動器上。摩托車制動器性能影響因素很多，包括摩托車制動器本身的結(jié)構(gòu)、材料、工藝，以及摩托車的輪胎及行駛在不同道路環(huán)境下的外在因素。為此，本文將對一款典型的摩托車制動系統(tǒng)進行詳細分析并進行計算與校核。

1 摩托車制動器的分類

摩托車制動器是保證摩托車安全行駛的重要部件，它的作用是控制行駛中的摩托車的車速，并在緊急情況下，使摩托車在最短的制動時間和距離內(nèi)穩(wěn)定可靠地停止行駛。摩托車制動器一般分為盤式制動器和鼓式制動器，盤式制動器又分為液壓盤式和機械盤式，鼓式制動器又分為液壓鼓式和機械鼓式。

2 摩托車液壓盤式制動器系統(tǒng)的組成和制動原理

摩托車液壓盤式制動器主要由制動泵組合、制動油管組合、制動卡鉗組合和制動盤等部分組成。制動盤安裝于車輪轂上，隨車輪轉(zhuǎn)動，為運動件，同時也是制動力承受零件。制動泵、制動油管和制動卡鉗為靜止件，當握住前剎車手柄或踩下后剎車踏板時，剎車機構(gòu)推動剎車總泵內(nèi)的活塞，使剎車油路中建立壓力。壓力經(jīng)由剎車油管傳送到剎車卡鉗，剎車卡鉗分泵活塞推動制動片夾緊剎車盤，使得制動片與剎車盤發(fā)生摩擦，從而對摩托車進行制動。剎車卡鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓盤式制動器卡鉗結(jié)構(gòu)示意圖

3 某型XX250兩輪摩托車制動系統(tǒng)分系

3.1 摩托車基本參數(shù)及受力

某型XX250兩輪摩托車如表1所示。

表1 某型XX250兩輪摩托車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

摩托車滿載輪系重心位置前及受力如圖2所示。

圖2 摩托車前后輪剎車受力示意圖

3.2 制動輪受力分析

當摩托車被制動時，前后輪分別受到前后制動器的作用，一般剎車時先剎后輪、再剎前輪，這里以后輪受力為例進行分析（前輪類似），當后輪被制動時，后輪分別受MQ2驅(qū)動力矩的作用于地面的作用力Z2及地面阻力FL2。當后制動鉗夾緊后制動盤時，由于制動盤固定在后車輪上，這時后輪受到一個制動力并產(chǎn)生制動力矩，車輪制動是由純滾動到滾滑的漸變過程中，車輪對地面的滾動摩擦因數(shù)漸變?yōu)檐囕唽Φ孛娴母街禂?shù)μ（變量），此時后輪受到地面阻力漸變?yōu)榈孛娓街?，附著力Ff是地面對輪胎切向的反作用力，即地面對輪胎的最大靜摩擦力，對于后制動輪有: Ff=μZ2。

當制動輪力矩小于輪胎與地面的附著力時，此時車輪附著力矩產(chǎn)生，車輪處于制動滾動狀態(tài)，當制動輪剛要被抱死漸變?yōu)榛瑒訒r，則有：FL2=Ff。

3.3 制動車輛制動效能

根據(jù)GB 7258—2017相關(guān)標準，選取初速度V0=30 km/h。選擇路面附著系數(shù)μ=0.7，一個駕駛員體重按75 kg計算,當駕駛員駕駛摩托車以初速度30 km/h行駛時，駕駛員開始制動，當摩托車被剎停后，剎車距離必須小于7 m。前制動力≥前軸載荷×60%；后制動力≥后軸載荷×55%。

1）制動減速度?？紤]最大地面附著力車輪不抱死時，根據(jù)汽車理論公式，制動減速度極限值為jmax=μ×g=0.7×9.8=6.86 m/s2。

2）制動距離S。根據(jù)汽車理論公式有：

式中，t2為液壓制動協(xié)調(diào)時間，選取t2=0.23 s。則S=（1/3.6）×0.23×30+302÷（25.92×6.86）=1.916+5.062=6.978 m＜7 m。符合GB 7258—2017的相關(guān)標準。

3.4 前后輪軸載荷及地面制動力矩計算

考慮前后輪同時抱死制動狀態(tài)（如圖2），根據(jù)汽車理輪計算公式有：

摩托車空載質(zhì)量為165 kg，駕駛員體重為75 kg，則整車質(zhì)量G=165+75=240 kg。則有前后軸負載受力：

由上式可知：Z1＞Z2。

前后輪地面制動阻力：

前后輪地面制動力矩：

由上式可知MZ1＞MZ2。

3.5 前后輪制動片及剎車盤參數(shù)

前輪制動片摩擦材料采用半金屬銅基材料，摩擦材料等級采用FF級，國際標準摩擦因數(shù)為0.35～0.45，這里取摩擦因數(shù)μ1=0.4，摩擦片呈長方形，摩擦片有效面積SP1=2136.86 mm2，前剎車盤外徑為292 mm，剎車盤有效半徑RP1=128 mm。

后輪制動片摩擦材料采用半金屬銅基材料，摩擦因數(shù)μ1=0.4，摩擦片呈長方形，摩擦片有效面積SP2=1496.85 mm2，后剎車盤外徑為220 mm，剎車盤有效半徑RP2=93 mm。

3.6 前后制動器油缸壓力及制動力計算

根據(jù)前后輪力矩平衡公式有：MZ1=MG1；MZ2=MG2。式中，MG1、MG2分別為前后制動器卡鉗對剎車盤的力矩。設(shè)前制動器有4個油缸，其中每邊兩個油缸對稱布置，工作時兩對油缸同時夾緊剎車盤，后制動器分別有2個油缸，其中每邊1個油缸對稱布置，工作時一對油缸壓緊制動片同時兩邊夾緊剎車盤，前后制動器油缸直徑相等。

則有：MG1=4FM1×μ1×RP1（4油缸）；MG2=2FM2×μ1×RP2（2油缸），式中，F(xiàn)M1、FM2分別為前后制動片對剎車盤所需施加的單邊壓力。根據(jù)上式有：

從上式可知FM1＞FM2，取較大值FM1=1680.1 N為制動片壓力，考慮保險系數(shù)為1.2。則制動片所需壓力FM1=1680.1 N×1.2=2018.8 N。設(shè)前后制動器油缸半徑為RY=17 mm。則油缸壓力FY=P×A。式中：P為油缸壓強；A為油缸面積，設(shè)油缸壓強為3.4 MPa（耐久試驗壓強），A=πR2Y=3.14×17 mm2=907.46 mm2。則FY=P×A=3.4×907.46=3085.36 N＞制動片所需壓力2018.8 N，F(xiàn)Y/FM1=3085.36÷2018.8=1.53，即油缸安全系數(shù)為1.53，故油缸滿足工作要求。當FY=2018.8 N，油缸壓強P=FY/A=2018.8÷907.46=2.23 MPa。

前 后 制 動 器 的 制 動 力 分 別 為FZ1=4×FY× μ1=4×3085.36×0.4=4936.6 N；FZ2=2×FY× μ1=2×3085.36×0.4=2468.2 N。

根據(jù)GB 7258—2017相關(guān)標準。前制動力≥前軸載荷×60%；后制動力≥后軸載荷×55%。即FZ1≥Z1×60%；FZ2≥Z2×55%。

Z1×60%=1755.4×0.6=1053.2 N；Z2×55%=595.8×0.55=328.1 N，即滿足FZ1≥Z1×60%；FZ2≥Z2×55%。

以上是摩托車前后輪同時剎車抱死車輪的工況，參考QC/T 655—2005的相關(guān)要求，經(jīng)過校核，滿足GB 7258—2017相關(guān)技術(shù)要求。

3.7 某型XX250兩輪摩托車設(shè)計參數(shù)

通過以上計算，某型XX250兩輪摩托車設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 某型XX250兩輪摩托車設(shè)計參數(shù)

3.8 摩托車極端工況下的分析與校核

當摩托車滿載總質(zhì)量時，即G=345 kg，則前后軸負載受力：

當前輪沒有剎車即地面制動力FL1=0時，根據(jù)汽車理論公式有：

此時后輪地面制動力矩MZ2=FL2×Rt=1043.2×0.28=292.0 N。

當后輪沒有剎車即地面制動力FL2=0時，根據(jù)汽車理論公式有：

此時前輪地面制動力矩MZ1=FL1×Rt=1464.5×0.28=1171.6 N。

油缸制動力分別為：

從上式可知FM2＞FM1，取較大值FM2=3925.3 N為制動片壓力，考慮保險系數(shù)為1.2。則制動片所需壓力FM2=3925.3×1.2=4710.4 N。當前后制動器油缸半徑為RY=17 mm。此時設(shè)油缸壓強為5.2 MPa，A=πR2Y=3.14×17=907.46 mm2，由FY=P×A=5.2×907.46=4718.8 N＞4710.4 N（制動片所需壓力），滿足制動所需壓力要求。

4 結(jié)語

根據(jù)汽車理論公式有：制動距離S=（1/3.6）×t2×V0+（25.92×6.86）。當V0=30 km/h，液壓制動協(xié)調(diào)時間t2=0.23 s，制動距離S＜7 m,滿足GB/T 5378—2008標準要求，也就是說液壓制動協(xié)調(diào)時間t2≤0.23 s。當設(shè)計制動卡鉗油缸直徑時應(yīng)校核單獨前制動或單獨后制動時油缸所需的安全壓力，當油缸半徑為RY=17 mm，油缸壓強≥5.2 MPa。