重型汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器核心部件設(shè)計(jì)

伍永輝　陳博　王旭　孟擁軍

摘 要：文章涉及盤(pán)式制動(dòng)器核心部件設(shè)計(jì)方案、思路，對(duì)比了國(guó)際、國(guó)內(nèi)主推盤(pán)式制動(dòng)器產(chǎn)品，達(dá)到設(shè)計(jì)新型盤(pán)式制動(dòng)器的方案，該設(shè)計(jì)方案主要對(duì)核心部件設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案構(gòu)思和分析。關(guān)鍵詞：新型;主推;核心部件;設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：U463.51 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-77-08

Abstract：?This paper deals with the design scheme and thinking of the core components of the Disc brake， and compares the international and domestic Disc brake products to achieve the design scheme of the new Disc brake， this design scheme mainly carries on the design scheme conception and the analysis to the core component design.Keywords：?New Type;?Main thrust;?Core Unit;?DesignCLC NO.： U463.51 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-77-08

前言

氣壓盤(pán)式制動(dòng)器（ADB）憑借其散熱快，重量輕，調(diào)整方便。特別是高負(fù)載時(shí)耐高溫性能好，制動(dòng)效果穩(wěn)定，水穩(wěn)定性好、制動(dòng)噪聲小，制動(dòng)平穩(wěn)、維修方便、磨損智能報(bào)警等突出優(yōu)勢(shì)，逐步成為公共汽車(chē)和旅游客車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，隨著國(guó)家法規(guī)的出臺(tái)，重卡氣壓盤(pán)式制動(dòng)器慢慢走進(jìn)了卡車(chē)的視野，而重卡的核心除整體設(shè)計(jì)需要匹配重卡整車(chē)外，其核心機(jī)構(gòu)的部件設(shè)計(jì)也非常重要。

1 制動(dòng)器因素的計(jì)算

制動(dòng)器因數(shù)又稱(chēng)為制動(dòng)器效能因數(shù)，它表示制動(dòng)器的效能，用BF表示。其實(shí)質(zhì)是制動(dòng)器在單位輸入壓力或力的作用下所能輸出的力或力矩，用于比較不同結(jié)構(gòu)型式的制動(dòng)器的效能。制動(dòng)器因數(shù)可以定義為在制動(dòng)盤(pán)的作用半徑上所能產(chǎn)生的摩擦力與輸入力之比，即：

4 自調(diào)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 自調(diào)機(jī)構(gòu)位移的計(jì)算

（1）偏心搖臂的位移計(jì)算

通過(guò)對(duì)傳動(dòng)比K的計(jì)算已符合要求，可確定出搖臂的關(guān)鍵尺寸，借用Pro/E軟件對(duì)偏心搖臂進(jìn)行三維建模。通過(guò)模型測(cè)量出偏心搖臂最大運(yùn)動(dòng)始末的位移差s=2.39mm。

令摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙為a，當(dāng)在自調(diào)機(jī)構(gòu)的作用下，摩擦片正好與制動(dòng)盤(pán)貼合時(shí)未磨損b=0，推桿并沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償作用，則此時(shí)的自調(diào)機(jī)構(gòu)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)縱向位移為c=2a。所以當(dāng)自調(diào)機(jī)構(gòu)的偏心搖臂的縱向位移為b=2a時(shí)，此時(shí)自調(diào)機(jī)構(gòu)正好處于啟動(dòng)撥叉撥動(dòng)壓盤(pán)的臨界狀態(tài)。

若摩擦片已磨損，磨損值為b，推桿已進(jìn)行補(bǔ)償d，制動(dòng)盤(pán)磨損厚度為h，此時(shí)滿(mǎn)足：

在搖臂的初始狀態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)撥叉與Y軸夾角為9°，保證撥叉的右側(cè)與導(dǎo)槽右側(cè)接觸;

當(dāng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α=9.7°時(shí)，搖臂撥叉的左側(cè)正好與導(dǎo)槽的左內(nèi)側(cè)接觸，處于臨界狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)公式3-21和3-22計(jì)算得出搖臂的縱向位移正好為c=2a=0.7mm，滿(mǎn)足要求。

若摩擦片已磨損，搖臂需進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，偏心搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α?xí)r，其制動(dòng)總位移K為：

查閱資料得，摩擦片如果磨至只剩1.5mm時(shí)需要更換新的摩擦片，從前文得知，摩擦片未磨損之間的摩擦作用層厚度為20.88mm，則允許摩擦片的極限摩擦厚度g=19.38mm。制動(dòng)盤(pán)的最小允許使用厚度為39mm，制動(dòng)盤(pán)未磨損的厚度為45mm，則允許制動(dòng)盤(pán)最大磨損厚度f(wàn)為6mm。所以當(dāng)制動(dòng)盤(pán)和摩擦片同時(shí)到達(dá)磨損極限時(shí)，總制動(dòng)位移K=45.46?mm。因偏心搖臂的縱向位移與推桿的總補(bǔ)償位移相比很小，這里忽略不計(jì)，推桿的總補(bǔ)償位移等于總制動(dòng)位移K，即。

4.2?撥銷(xiāo)的受力分析

其中，撥銷(xiāo)臨界工作狀態(tài)時(shí)起始位置與Y軸夾角為0.7°，撥銷(xiāo)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與摩擦片的每次磨損量有關(guān);經(jīng)測(cè)量，此時(shí)氣室推桿行程H=12.18mm，由公式3-16得知，L=68.1995mm，已知R=26mm，r=14mm，e=4.3mm，d=30mm，則由公式3-18得知F銷(xiāo)=682.741N，撥銷(xiāo)的工作回轉(zhuǎn)半徑為r=11.84mm，此時(shí)撥銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M=8.084N·m。

4.3 撥叉的設(shè)計(jì)

參考設(shè)計(jì)撥銷(xiāo)直徑為5mm，為保證撥銷(xiāo)在工作時(shí)與撥叉外圈不發(fā)生碰撞（撥叉外圈直徑為16mm），設(shè)計(jì)撥銷(xiāo)中心線與撥叉中心線之間的距離為11mm，可避免工作時(shí)發(fā)生碰撞。通過(guò)下圖所示，測(cè)量撥叉上的導(dǎo)槽長(zhǎng)度為8mm，內(nèi)部?jī)蓚?cè)寬度為9.8mm時(shí)滿(mǎn)足要求，。當(dāng)搖臂回位時(shí)仍必須保證磨損后的摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙為初始間隙a。根據(jù)搖臂的外形及撥銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)的位置，確定出撥叉的外形及導(dǎo)槽位置。

4.4 離合組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單向軸承采用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，關(guān)鍵尺寸：D=24mm，C=16mm，F(xiàn)w=18mm，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為T(mén)單向軸承=24.1N·m。

撥銷(xiāo)撥動(dòng)撥叉轉(zhuǎn)動(dòng)，采用鋸齒套筒與鋸齒墊片、雙耳墊片連接，從而帶動(dòng)單向軸承，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.5 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)是一種十分重要的機(jī)械傳動(dòng)形式，廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、冶金、礦山等領(lǐng)域的各類(lèi)機(jī)器中。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：可傳動(dòng)空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，適用的功率和圓周速度范圍廣;傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，如一對(duì)加工良好的圓柱齒輪傳動(dòng)，效率可達(dá)99%;工作可靠，壽命長(zhǎng)。

參考對(duì)標(biāo)產(chǎn)品的雙推桿之間的間距為120～130mm，考慮到其外形與隆中結(jié)構(gòu)相似，初步選定兩推桿之間的間距a=128mm。自調(diào)機(jī)構(gòu)采用的是中間齒輪帶動(dòng)兩側(cè)齒輪傳動(dòng)。三齒輪采用相同的直徑d，其傳動(dòng)比為i=d2/d1=1。

則可得出齒輪的分度圓直徑d=a/2=64mm。齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)及頂隙系數(shù)是確定齒輪的尺寸的五個(gè)基本參數(shù)，參考資料《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第八章表2、表3，初步選定相關(guān)參數(shù)，確定出齒輪的幾何尺寸。

借用CAXA和Pro/E軟件對(duì)齒輪進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

齒輪的材料的選用：齒輪材料的基本要求是齒面硬、齒心韌、良好的加工性能和經(jīng)濟(jì)性。適用于制造齒輪的材料很多，其中最常用的是鍛鋼、其次是鑄鋼和鑄鐵。目前采用硬齒面的齒輪較多，其接觸強(qiáng)度比軟齒面齒輪大為提高。所以這里采用鍛鋼材料制造齒輪，對(duì)其進(jìn)行表面淬火。

4.6 主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因主動(dòng)軸上需安裝單向軸承，主動(dòng)齒輪與主動(dòng)軸采用整體加工方式。考慮到各零件的安裝位置，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如下圖所示，小軸端面采用卡圈進(jìn)行軸向定位。

4.7 推桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推桿上傳動(dòng)螺紋的設(shè)計(jì)：這里傳動(dòng)螺紋采用普通螺紋，牙型為60°等邊三角形，大徑和小徑的削平高度分別為H/8、H/4。參考對(duì)標(biāo)產(chǎn)品的推桿螺紋，選用細(xì)牙、雙線螺紋，其公稱(chēng)直徑D=30mm，螺距P=2mm，旋向?yàn)橛倚?/p>

查閱《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表5-3普通螺紋的基本尺寸，確定螺紋的中徑D2/d2=28.701mm，螺紋小徑D1/d1=?27.835mm。查閱表5-4內(nèi)、外螺紋的基本偏差，當(dāng)螺距P=2時(shí)，內(nèi)螺紋EI=+38μm，外螺紋es=-38μm。根據(jù)公式3-24和3.7.1章節(jié)內(nèi)容已知推桿最大補(bǔ)償位移=45.46mm，查表5-10螺紋的旋合長(zhǎng)度，應(yīng)確定選用長(zhǎng)旋合長(zhǎng)度L>25。綜上所述，確定螺紋標(biāo)記為：。

制動(dòng)器裝配到車(chē)橋時(shí)需要對(duì)推桿的推出長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，而且當(dāng)推桿補(bǔ)償位移最大時(shí)，要保證推桿與從動(dòng)軸之間的裝配穩(wěn)定性，綜合考慮上述因素，初步設(shè)置推桿上螺紋長(zhǎng)度X=65mm。在微調(diào)整后保證初始旋合長(zhǎng)度L=60mm。

4.8 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因考慮到后期的手工調(diào)整，從動(dòng)軸1與從動(dòng)軸2的結(jié)構(gòu)采用長(zhǎng)短軸設(shè)計(jì)，從動(dòng)軸1，2的軸向定位也采用卡圈進(jìn)行定位，如圖所示。從動(dòng)軸與推桿之間進(jìn)行螺紋傳遞，所以其螺紋和推桿上的外螺紋相同。

4.9 復(fù)位彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈簧材料的選擇：螺旋彈簧的制造工藝包括卷制、掛鉤的制作或端面圈的精加工、熱處理、工藝性試驗(yàn)和強(qiáng)壓處理等。卷制分冷卷及熱卷兩種。冷卷用于經(jīng)預(yù)先熱處理后拉成的直徑d<（8·10）mm的彈簧絲;直徑較大的彈簧絲制作的強(qiáng)力彈簧則用熱卷。熱卷時(shí)的溫度隨彈簧絲的粗細(xì)在800·1000℃的范圍內(nèi)選擇。對(duì)于重要的壓縮彈簧，為了保證兩端的承壓面與其軸線垂直，應(yīng)將端面圈在專(zhuān)用的磨床上磨平。

為了使彈簧能夠正常可靠地工作，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時(shí)應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。這里壓縮彈簧初步選擇65Mn材料，該材料強(qiáng)度高，性能好，適用于小彈簧。

測(cè)量彈簧的壓縮后的高度h=17.5mm，則彈簧的自由高度為18.7mm≤H0≤20.39mm，圓整后的彈簧自由高度為H0=20mm。

彈簧的兩個(gè)端面圈應(yīng)與領(lǐng)圈并緊（無(wú)間隙），只起支承作用，不參與變形，故稱(chēng)為死圈。當(dāng)彈簧的工作圈數(shù)n≤7時(shí)，彈簧每端的死圈約為0.75圈;n>7時(shí)，每端的死圈約為1·1.75圈。彈簧絲的直徑d≤0.5mm時(shí)，彈簧的兩支承端面可不必磨平。d>0.5mm的彈簧兩支承端面則需磨平。磨平部分應(yīng)不少于元周長(zhǎng)的3/4，端頭厚度一般不小于d/8。

通過(guò)查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表17-14 （GB/T2089-1994）圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)，現(xiàn)將該彈簧的各種參數(shù)列為表3-7所示：

4.10?推板、連接橋和底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.11 鉗體、支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉗體選用整體式、四滑銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，能有效保證盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中的支架與鉗體的穩(wěn)定性，且鉗體總成零件少，成本低，可靠性高。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)《GB7258-2004機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》和《GB24407-2012專(zhuān)用校車(chē)安全技術(shù)條件》JT1094-2016《營(yíng)運(yùn)客車(chē)安全技術(shù)條件》GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》等法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行，盤(pán)式制動(dòng)器已成為重卡制動(dòng)系統(tǒng)匹配發(fā)展的新趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高子尚.鉗盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)片強(qiáng)制回位和磨損間隙自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[J]，林業(yè)機(jī)械，1987.

[2] 葛振亮，吳永根.汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的研究進(jìn)展[J].公路與汽車(chē)，2006 （1）：9-12.

[3] Gao Chenghui， Lin Xiezhao. Transient temperature field analysis of brake in non axisymmetric three dimensional model [J].Journal of Materials Processing Techniche，2002，129（1～3）.

[4] 王軍，賴(lài)鋒.制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整臂的設(shè)計(jì)原理[J].設(shè)計(jì)研究，2005： 7-9.

[5] 中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南技術(shù)中心有限公司.重型汽車(chē)氣壓盤(pán)式制動(dòng)器間隙[P].中國(guó)：200810016210.4，2008.

[6] 武漢元豐汽車(chē)零部件有限公司.整體式卡鉗體浮鉗式氣壓制動(dòng)器[P].中國(guó)：200620099778.3，2006.

[7] 江蘇恒力制動(dòng)器制造有限公司.制動(dòng)間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)[P].中國(guó)： 200420109256.8，2004.

[8] 隆中控股集團(tuán)有限公司.一種汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器中間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)整器[P].中國(guó)：201120237502.8，2011.

[9] 浙江隆中機(jī)械制造有限公司.盤(pán)式制動(dòng)器間隙自調(diào)機(jī)構(gòu)[P].中國(guó)： 200520013040.6，2005.