盘式制动器设计指南更新

3行车制动系统3.1分系统—制动器总成3.3.1制动器类型：盘3.3.4制动钳的结构制动钳的分类和结构可以参照其它资料，我公司的制动钳均属于浮动钳，目前前制动钳按照缸数分有单缸和双缸（例如P11、B13）两种，后制动钳皆为单缸，B11后制动钳为综合驻车式制动钳，除了可以实现行车制动外还能够实现驻车的功能。浮动式制动钳的结构型式主要有：滑轨式导向销式：我公司目前采用的均为此种型式。有的导向销在钳体上（B14后钳），有的在支架上（B11前钳）；有的没有制动钳支架而是固定在转向节或者制动底板（T11后钳）等其它零件上。综合起来就是：下面我们来看一下制动完以后的回位原理：密封圈与钳体和活塞的细节关系如下：未工作时工作时制动钳支架和钳体一般为铸造件，材料大部分为球墨铸铁，现在有的制动钳开始使用新的材料，如B11后制动钳钳体采用铝合金材料。在浮动式制动钳中，钳体只承受轴向力；主要是作用在制动钳钩爪上外制动块给卡钳的反作用力，还有作用在卡钳缸孔底部的液压力，如下图所示。所以在实施制动过程中卡钳体在这两个力的作用下整体产生弯曲变形，如下图所示。这种变形所导致的后果是非常严重的，将产生制动块、制动盘径向偏磨，在制动过程中制动块与制动盘接触不均匀而导致局部过热，进而导致制动盘的磨损不均匀。鉴于以上的问题，抵抗这种变形是设计卡钳时首先要考虑的，即卡钳必须具有一定的轴向刚度。在卡钳材料一定的情况下，在这里起关键作用的是卡钳的缸背的厚度，缸径51mm以上的卡钳该厚度一般控制在11mm-14mm之间，如下图所示除此之外，钩爪内过度圆弧，以及观察孔的位置都对卡钳的刚度有影响。遵循的规则是：在允许的情况下尽量采用大的过渡圆角，并且将观察孔尽可能的缩小其轴向长度，但不允许越过制动盘为工作面。在卡钳的设计阶段CAE分析必不可少，由于卡钳属对称件，为了方便划分网格并缩短计算时间，通常将卡钳从对称面分割开，如下图所示。卡钳CAE分析时的材料属性及边界条件如下：1）首先要设置好模型的材料属性，目前卡钳多数采用QT500-7，可以查国家标准或通过实验获得该种材料做CAE分析所需要的参数，主要是杨氏模量、屈服强度和泊松比。2）钳钩爪内平面上过缸孔中心，且平行与两支耳孔连线的一条直线上限制其轴向运动，如下图3）称面上允许在该平面内的滑动，但不允许垂直于该面的运动，如下图4）支耳孔允许沿该圆柱面的转动与滑动，如下图5）缸孔内壁受压面承受10Mpa的压力（也有厂家设置为12-15Mpa）如下图经过计算之后就可以得到必要的应力及应变值，如下图所示应力的判断比较简单，只需要对比材料的屈服强度即可，但卡钳的刚度判断就全评各厂家的经验值，如TRW要求卡钳缸孔底部的轴向移动量在10Mpa时不超过0.27mm。制动钳支架的设计在浮动式制动钳中，制动时的切向力全部是有卡钳支架承受的，现在几大厂商所设计的制动钳支架大致可分为两类，一类是如大陆公司设计的推拉式制动钳支架，如下图这种支架在面向轮辋的一端是断开的，为了增加制动时卡钳支架的刚度，特意设计了卡钳支架与制动块的连接机构，通过一个推拉机构使的在制动时支架的两个悬臂都受力作用。另一种结构是如TRW、BOSCH、DELPHI等更多公司所采用的整体式结构，如下图这种支架在轮辋一面通过一条弯筋将支架的两悬臂连接起来，而支架与制动块的连接结构就大为简化了，在制动时刚度更好；所以使用的也更普遍。因为在浮动钳中支架承受比较大的载荷，而其有具有比较复杂的形状，因此目前支架多采用QT铸造，多数厂家采用与卡钳相同的QT500-7。支架的CAE分析较卡钳体要简单，只需要设置两固定孔固定约束，在两个受力面（制动块传递的推力）施加计算出的制动力即可，对于支架的CAE分析不要是考核其强度；判断方法也较简单，只要将计算出的最大主应力与材料的许用应力做比较即可，如下图摩擦块的设计摩擦块在制动器中非常重要，在制动器的噪音及振动问题中70%是与摩擦材弯筋料的选取有关系，另外就是与摩擦块相对偶的制动盘导致的。普通的摩擦块包括有，背板、摩擦材料、消音片（非必须件）、报警器等，如下图摩擦材料在摩擦块中起举足轻重的作用，因此摩擦材料的选择非常之重要，目前摩擦材料也大致可分为两大类，一种是主要在欧洲使用的半金属或少金属摩擦材料，这种摩擦材料有比较好的摩擦系数稳定性，但其抗振动噪音的能力却不突出；另一种则恰恰相反，要好的抗振性能，但性能却不如半金属摩擦材料，这就是在美国及日本普遍使用的复合陶瓷材料。如下图所列为不同摩擦材料摩擦材料背板消音片一般制动器厂商或整车厂商在选择摩擦材料的时候都事先定义一部分摩擦材料的物理性能，摩擦材料厂家根据这些目标值进行材料配比、样件制作。接下来就是大批量的实验，这里还有一个比较复杂的判定标准。主要是10分制判定法，下面就列举开发摩擦材料时需要定义的基本物理性能1)冷压缩性一般是测量16Mpa时的压缩量，一般在100±15um，该数值太大说明摩擦材料太软，在使用中将增大踏板行程，产生低频噪音，并且摩擦材料寿命也较短；该数值太小则摩擦材料太硬，在使用过程中容易出现高频噪音、且容易造成制动盘的磨损加剧。2）热压缩性一般是将摩擦块摩擦材料面贴在400℃热源上，保持10分钟，然后测试其压缩性，测量值一般在160±15um；该数值的大小对制动性能的影响同第一条。3）导热性测试条件同第二条，保持10分钟后在摩擦块背板上测量其温度，一般要＜180℃因为制动液的沸腾温度在220℃左右。该温度一定要小于制动液的沸腾温度。4）热膨胀测试条件同第二条，保持10分钟后测量其膨胀量，一般在100um该数值不可太大，负责将增大强制动后的拖滞力矩。5）剪切力主要是考察制动时摩擦材料抵抗剪切的能力，应该不低于计算最大制动力的1.5倍。6）AMS实验，一般设置目标值40m,具体AMS实验可参看相关标准。7）制动块的寿命要求，该要求可根据不同市场而不同。8）噪音目标，制动器厂家都设置有专门的NVH研究部门以做总成噪音的测试及评价。9）合理的摩擦面积，摩擦面积太小，摩擦材料的磨损将很严重。背板一般为低碳钢成型板材冲压而成，厚度4.5mm-6.5mm。消音片一般为符合材料，主要是通过隔断振动传递来降低噪音的，消音片往制动块背板上安装一般有，冷粘、热粘、铆接等方法。对于后制动钳越来越多的应用具有驻车功能的卡钳。以下几种卡钳可以实现驻车功能。下面是综合驻车的卡钳结构及其原理：制动盘的设计在盘式制动器中，制动盘的作用非常重要。目前制动盘从结构来区分可分为通风盘和实心盘。从材料来分，可分为灰铸铁制动盘，这也是目前最常用的制动盘，但它非常沉重，由于簧下质量很大，设计时就需要更大的弹簧及减振器。英国Lotus首次将铝合金制动盘应用到了其车型Elise上，如下图但铝合金先天的低热容性阻止了它在制动盘上更广泛的应用。保时捷公司首次将陶瓷材料的制动盘应用到了其产品996Turbo上，如下图由于陶瓷材料的耐高温性使得这种制动盘甚至可以允许温度升高到1700℃。F1赛车中首先将碳纤维材料引入制动盘的制造，这种材料可以说是目前最理想的制动盘材料；但其昂贵的制造成本目前还无法在普通车中体现。制动盘的设计主要考虑以下几个方面：1）基本尺寸，主要有制动盘的布置位置、制动半径、制动盘内外径、制动盘厚度等，布置位置主要是受整车及悬架的布置所限制，一般普通轿车都将制动器布置在轮辋内，制动时给车轮施加最直接的制动力；但这样的布置会增加悬架系统的簧下质量（制动盘加制动器一般都在6-8Kg）,所以在一些竞赛跑车一般都将制动器布置在传动轴内球笼一侧，如下图这样的布置减小了簧下质量，所以可以使用更小的减振器和弹簧；但在制动时增加了传动轴的负担，并增加的失效因素。而且大多数情况下只有在这样的竞赛车辆上，传递到传动轴上的发动机扭矩才能大于地面所能提供的最大附着力矩，所以在这样的车辆上传动轴才不需要重新的校核。效制动半径主要是在系统设计时确定的，在卡钳径向位置决定后制动半径就已经定了下来。而制动盘外径受卡钳内弧面的限制，制动盘内外径要和摩擦块相符合。制动盘的厚度受轮辋及卡钳轴向空间限制并考虑散热及热容量而定。2）制动盘性能参数，主要有热容量、冷却能力、LRO、DTV等参数。热容量越大制动时制动盘的温度升高就越慢，并且制动的最高温度也越低。目前一般车型的制动盘材料大都采用灰铸铁，所以材料的比热基本上无法再提高；在这种情况下热容量只能取决于制动盘的质量，但从整车及悬架角度考虑希望制动盘越轻越好，所以采取有效的冷却措施非常重要，因此热容量与冷却能力应该是统筹考虑。制动盘设计时一般会参考布置设定一个制动盘的质量，通过一个能量转化，看制动盘的温升，具体计算公式比较简单整车制动时动能=1/2Mv^2（V最高制动初速度）前轮分配80%的能量每个制动盘再分取一半能量平衡公式1/2Mv^2×80%/2=mp△T(m:制动盘质量，p:制动盘材料比热，△T：制动盘温升量)一般当此温升量大于500℃时就要考虑使用通风盘，结构如下图制动盘通风盘在旋转时空气从中间进入沿直径方向从外圆被甩出，带走一部分热量，如下图目前的制动盘通风筋基本都采用了如下图所示的放射状条形结构，许多国外的制动盘设计、制造机构就制动盘的通风效率作过很多的研究，也采用了很多的通风筋形状，如下两图研究发现冷却效果并没有太大的差异；关于这个现象的解释需用到流体力学的知识，具体内容非我们专业人士能描述清楚，但可以运用一个简单的比喻，在一条河流中对两岸及河床的泥土的冲刷效果并不取决于河流中间水流的速度，而是看贴近两岸及河床的一层水流速度。另一个重要的参数是通风筋的个数，都是取素数（只能被1和她本身整除的树），如37、41、47…这个主要是为了隔断振动波的传递。制动盘轴向跳动（LRO）是引起制动时振动、噪音、方向盘抖动的重要原因，如下图引起跳动超差的并不都是制动盘的原因，下面就可能引起该问题的原因一一列举A:制动盘本身跳动超差；B:轮毂端面垂直度、跳动量超差；应该说轮毂垂直度、跳动量超差因此制动盘跳动的问题更普遍，因为从轮毂到制动盘有放大效应；C:轮辋与制动盘配合面的跳动量、垂直度超差，在拧紧车轮螺栓后将一起制动盘的变形，进而引起跳动。为避免这种问题，可采用制动盘不与轮辋直接贴合的设计，如下图我公司S11车型即采用此种结构。D:轴承内部原因，可能是滚道的不均匀磨损等等都可能反映到制动盘上，表现之一就是跳动。制动盘厚度变化（DTV）是引起振动、噪音的另一个元凶，一般来讲DTV超差和其他配合件的关系不是很大，主要是制动盘材料及加工方法造成的。在制动盘毛坯的浇铸过程中如果温度、冒口等参数选择不当都将引起制动盘材料的不均匀，致密的部分磨损较慢，疏松的地方磨损较慢，这就引起了DTV；另一个就是加工方法，由于在车削或磨削制动盘工作面时，在加工力作用下，制动盘发生形变，在加工完成后恢复后就产生了DTV。所以现在较先进的加工方法是制动盘双面同时加工，如下图在这里顺便提出制动盘的螺旋效应，在车削的制动盘工作表面，由于进刀原因将产生螺纹线，在制动时该线将时制动块沿半径方向滑动。解决这种问题的措施一般是采取车削后再加磨削，或者在加工过程中间歇性停止进刀。3）制动盘受热效应，在制东过程中制动盘受热后将出现一些列问题，其中以锥形变形和热裂纹最为严重。下面就详细阐述制动盘在制动时，由于受热面集中在制动盘两工作面，如下图由于受热的不均匀性，制动盘各处的温度也不相同，相应的膨胀量也不相同，导致的一个结果就是锥形变形，如下图锥形变形的结果将导致制动块偏磨、制动盘偏磨，变形后制动盘工作表面与制动块接触压力变的不均匀，进而造成更加集中的局部升温、过度磨损。解决制动盘受热锥形变形的方法是在制动盘与过渡圆柱接触位置增加弯角，国外称其为GooseNeck如下图此结构的防锥形变形可用下面两图解释未加弯角的情况GooseNeck增加了弯角原理十分的简单，但在实施到具体的制动盘上就需要进行反复多次的CAE分析来确定弯角的具体线形及尺寸。制动盘的热裂纹是剧烈热变形的产物，在强制动过程中，制动盘升温甚至达到发红程度如下图此时的制动盘材料流动性增加，同时