基于力學(xué)性能下的鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)

丁介然

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，漢中 723000）

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

若以氣壓為能源促動(dòng)剎車片工作，并且執(zhí)行器為凸輪機(jī)構(gòu)，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(yīng)用于市場(chǎng)的類型也不盡相同，比如，領(lǐng)從式它采用的原理和自行車前后輪的運(yùn)轉(zhuǎn)道理幾乎一樣，一輪接受外來(lái)動(dòng)力進(jìn)而帶動(dòng)另一輪完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，人們將此類似與車輪的裝置形象地稱為領(lǐng)蹄，依據(jù)這一稱呼，可將其分為四個(gè)基本類型，即領(lǐng)從式、雙領(lǐng)式、雙從式及自增力式（組合式）。

1 鼓式制動(dòng)器的力學(xué)性能分析

1.1 壓力分布規(guī)律分析

分析力的特性時(shí)，首先要計(jì)算并通過(guò)圖解的形式考量出其分布規(guī)律，并標(biāo)注相關(guān)的理論要求。在這些要求都達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還需作出相應(yīng)的假設(shè)以確保制動(dòng)器摩擦面的抗磨損性較為良好。具體要求包括：制動(dòng)蹄、鼓為絕對(duì)剛性；忽略內(nèi)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(dòng)器制動(dòng)力矩的計(jì)算

1.2.1 效能因數(shù)

效能系數(shù)用于評(píng)定不同類型的剎車片的性能、反應(yīng)靈敏度及使用輕巧性。總的來(lái)說(shuō)，其實(shí)制動(dòng)效能因數(shù)就是指單位內(nèi)輸入的載荷及所能輸出的力矩，特在此強(qiáng)調(diào)剎車的好壞與力的選擇有關(guān)。

領(lǐng)蹄：

則總的效能因數(shù)為：

1.2.2 同一制動(dòng)器各蹄產(chǎn)生的制動(dòng)力矩

同一制動(dòng)器各蹄產(chǎn)生的制動(dòng)力矩公式如下。

領(lǐng)蹄：

式中，β=α″-α，Pmax為壓力分布不均勻時(shí)蹄片上的最大壓力。

2 制動(dòng)器執(zhí)行部件的設(shè)計(jì)與選型

2.1 制動(dòng)鼓的設(shè)計(jì)

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(gè)參數(shù)的關(guān)系可以看成一條完整的直線，而且關(guān)系的變化程度會(huì)對(duì)散熱性能產(chǎn)生影響，間隙的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)的恒久工作起到了關(guān)鍵的作用。這個(gè)間隙控制在20～30，這個(gè)范圍還可以保證部件具有良好的散熱。同時(shí)，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(guò)程中會(huì)有強(qiáng)度的上升，脆性度相對(duì)有所下降，承受高溫的能力也有所增強(qiáng)，但在此之后磨損性的校驗(yàn)就顯得至關(guān)重要，初步需對(duì)摩擦的因素加以修訂，以保證相應(yīng)的因素均有一個(gè)良好的特性。

對(duì)于失效變形的研究，可以運(yùn)用一些工藝流程來(lái)加強(qiáng)表面強(qiáng)度，建議采用鑄造工藝，此工藝成本較低且程序較為簡(jiǎn)單，而且可以在外側(cè)安裝散熱裝置，可以減少熱量集聚過(guò)多而造成的材料變形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，對(duì)乘用車，制動(dòng)鼓壁厚取為7～12mm[2]。

2.2 制動(dòng)蹄的選型

為了避免剎車時(shí)制動(dòng)蹄發(fā)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，從而引起摩擦金屬表面的響動(dòng)，對(duì)于小噸位的轎車來(lái)說(shuō)，往往在制動(dòng)蹄的鋼化表面上開(kāi)槽，一般情況下一條就可以滿足要求，如果是材料較堅(jiān)硬的話可以開(kāi)兩到三條。其距離也會(huì)隨之發(fā)生變化，查詢手冊(cè)并進(jìn)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(shù)，已應(yīng)用在汽車的各個(gè)零部件上，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，鉚接的噪聲小且工藝簡(jiǎn)單，更換零件容易，一般設(shè)計(jì)中常采用鉚接襯片。

在選取材料時(shí)可以參考以下原則，同時(shí)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(nèi)，否則會(huì)發(fā)生熱脹冷縮從而導(dǎo)致材料極度變形，影響剎車片的正常運(yùn)作；四是剎車過(guò)程中不會(huì)有過(guò)大的聲音，相關(guān)零件摩擦?xí)r產(chǎn)生的碎渣不會(huì)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(guò)熱導(dǎo)致磨損這種惡劣現(xiàn)象出現(xiàn)[3]。

3 制動(dòng)器支撐部件的設(shè)計(jì)與選型

3.1 制動(dòng)底板的制造工藝選擇

零件的布置及安裝對(duì)于部件整體的性能和發(fā)揮的功效來(lái)說(shuō)是十分重要的，正如樓房的結(jié)構(gòu)一樣，需要一個(gè)實(shí)實(shí)在在的參照物來(lái)為它們指明方向，而制動(dòng)底板就可以發(fā)揮充當(dāng)安裝基體的作用。與此同時(shí)，其材料的強(qiáng)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(jìn)行沖壓處理，其中的凹凸便是沖壓過(guò)程中形成的形狀。

3.2 支承的設(shè)計(jì)

制動(dòng)蹄在支承銷的約束下，其工作表面可運(yùn)動(dòng)的自由度為1，為了使其與制動(dòng)鼓的工作表面在同一軸下正常運(yùn)作，可以選取支承位置可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)加以輔助矯正，發(fā)揮出應(yīng)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(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行加工，生產(chǎn)出滿足相應(yīng)強(qiáng)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(dòng)蹄如果沒(méi)有按照原軌跡擺動(dòng)，而偏離較大的角度，這會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生失效甚至產(chǎn)生破裂等現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，特在制動(dòng)蹄的安裝位置處采用長(zhǎng)支撐銷或者在制動(dòng)底板上加持強(qiáng)度較高的壓緊機(jī)構(gòu)，用來(lái)確保制動(dòng)蹄的正常運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于汽車安全出行來(lái)說(shuō)，制動(dòng)器性能的優(yōu)良決定了行車人員在駕駛過(guò)程中安全系數(shù)的高低，而決定制動(dòng)器性能優(yōu)良的又是相應(yīng)的傳動(dòng)部件和支撐部件具有足夠的強(qiáng)度和剛度。基于力學(xué)性能設(shè)計(jì)出的鼓式制動(dòng)器，能夠完全適應(yīng)變載荷、強(qiáng)功率的工作環(huán)境，并且鼓式制動(dòng)器較盤式制動(dòng)器制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，適合于大眾車輛使用。