一种新型汽车制动器

周盘式制动器简介

周盘式制动器将平盘式制动器和鼓式制动器的优点相结合，采用双面制动，其既具备了盘式制动器双向夹紧制动功能，同时又保留了鼓式制动器制动面积大、制动力矩大等优点。周盘式制动器摩擦元件中的旋转元件是以两周面工作的金属圆盘，称为周制动盘。周制动盘有内外制动面，对应于周制动盘的外周面安设周向夹紧制动蹄，对应于周制动盘的内周面安设周向外撑制动蹄。周制动盘内、外制动面形成内撑外抱的夹紧制动，摩擦元件从周制动盘内外两侧同时夹紧产生制动，形成“内撑外抱”双面夹紧的制动形式。内撑和夹紧的同步制动性能通过从1～10mm的过程磨损理论分析来达到实现内外同步制动最大的制动效果。

周盘式制动器内撑外抱的夹紧制动方式能增加制动面积，加大制动力矩，缩短制动距离；内、外周向夹紧制动蹄平均分配了制动部件受力强度，延长了使用寿命，减少摩擦片磨损，避免制动发热；导风罩利用车辆行驶自然风给制动系统和轮胎降温，避免了制动高温。周盘式制动器车轴如图1所示。


图1 周盘式制动器车轴

周盘式制动器结构及制动原理

1.周盘式制动器结构

周盘式制动器主要由周制动盘、周向夹紧制动蹄、周向外撑制动蹄、双S凸轮轴、凸轮支架、蹄片轴支架、制动臂、回位拉簧等零部件组成，其结构如图2所示。


图2 周盘式制动器结构图

2.周盘式制动器制动原理

周盘式制动器制动过程：气室产生气压带动双S凸轮轴，双S凸轮轴的内外结构件分别驱动周向夹紧制动蹄和周向外撑制动蹄，在周向夹紧制动蹄和周向外撑制动蹄的作用下，内撑外抱周向夹紧装置与双面周向制动盘靠近接触并产生摩擦制力，使车辆减速或停止[2]。制动原理如图3所示。


图3 制动原理图

理论力学计算方法

1.双S凸轮轴外S及内S的推力计算

1.1 双S凸轮轴的受力分析

周盘式制动双S凸轮轴分析如图4所示。图4中，F为气室推力；L1为调整臂长；D1为双S凸轮轴外S基圆直径；d1为双S凸轮轴内S基圆直径；P2为双S凸轮轴外S对应左制动臂输入端的受力；P2′为双S凸轮轴外S对应右制动臂输入端的受力；P3为双S凸轮轴内S对应上内周制动钳活动端的受力；P3′为双S凸轮轴内S对应下内周制动钳活动端受力。


图4 周盘式制动双S凸轮轴分析图

1.2 受力计算

由杠杆比得出：

L 1×F=P 2 ×D1 +P 3 ×d1

受力计算结果为：




2.制动臂推力计算分析

2.1 左右制动臂的受力分析

制动臂受力分析如图5所示,图5中，L2为左制动臂旋转中心与P2的力臂；L2′为右制动臂旋转中心与P2′的力臂；L3为左制动臂旋转中心与P4的力臂；L3′为右制动臂旋转中心与P4′的力臂；P4为左制动臂输出端对应上外周制动钳的受力；P4′为右制动臂输出端对应下外周制动钳的受力。


图5 制动臂受力分析图

2.2 制动臂推力计算

由杠杆比得出：



受力计算结果为：

3.周制动钳总成力分析

3.1 上周制动钳总成分析

上周制动钳总成受力分析如图6所示，图6中，L4为上外周制动钳固定端对应P4的力臂；L5为上外周制动钳固定端对应周制动盘中心的力臂；L6为上内周制动钳固定端对应P3的力臂；L7为上内周制动钳固定端对应周制动盘中心的力臂；F1为上外周制动钳受力；F2为上内周制动钳受力；R为周制动盘外周半径；r为周制动盘内周半径；f为摩擦系数。


图6 上周制动钳总成受力分析图

3.2 F1、 F2计算

由杠杆比得出：


受力计算结果为：


3.3 下周制动钳总成分析

下周制动钳总成受力分析如图7所示，图7中，L4′为 下外周制动钳固定端对应P4′的 力臂；L5′为下外周制动钳固定端对应周制动盘中心的力臂；L6′为下内周制动钳固定端对应P3′的 力臂；L7′为下内周制动钳固定端对应周制动盘中心的力臂；F3为下外周制动钳受力；F4为下内周制动钳受力；R为周制动盘外周半径；r为周制动盘内周半径；f为摩擦系数。

3.4 计算F3、 F4

由杠杆比得出：



受力计算结果为：

图7 下周制动钳总成受力分析图

4.计算制动力矩Tμ

根据图1～5分析结果得出：[周制动钳受力(F1 +F2)×周制动盘半径R+周制动钳受力(F3 +F4)×周制动盘半径r]摩擦系数f
计算公式为：



5.制动力计算分析

通过对周盘式制动器制动力矩的计算和分析可以发现，在制动推力、调整臂长度和摩擦片相同的情况下，凸轮轴的尺寸结构、制动盘的尺寸结构和制动面积是影响制动力矩的关键因素，分别对这两种形式的制动器进行了力矩测试，测得周盘式制动器总制动力矩为1 5 0 4 1.2 N m，钳盘式制动器总制动力矩为13698.6Nm，周盘式制动器“内撑外抱”的独特制动形式和双S凸轮轴的特殊结构使得其制动力矩比传统钳盘式制动器高出9.8%。

周盘式制动器制动性能及效益优势分析

1.制动面积大

相比传统的钳盘式制动器，周盘式制动器采用的是“内撑外抱 ”的双面制动形式，制动刹车片几乎可以与周制动盘约 7 0%的面积进行接触，制动面积达211520mm 2，是钳盘式制动器制动面积 39052mm 2的5倍，制动性能更好。



2.双制动系统双重安全保障

周盘式制动器内外制动蹄正常情况下同时工作，如遇任意一个制动蹄失效，其他两个制动蹄仍然可以正常工作，可保证在极端情况下车辆正常减速或停止，提高了车辆制动的安全性。



3.防止制动盘受损飞溅

传统的钳盘式制动盘损坏后会直接接触到轮毂，制动盘与轮毂高速摩擦产生大量的火星，会导致出现火灾或碎片飞溅等风险。周盘式制动器不仅有导风防尘罩能隔绝周向制动盘，防范制动盘损坏后产生的火星及碎片到处飞溅，而且双面夹紧的制动方式能确保制动盘受损后不脱落，不飞出。



4.散热性强

周盘式车轴拥有独立的散热系统，周制动盘为双层结构，内、外制动面间设有散热通道，独创的导风防尘罩设计，可利用车辆行驶的自然风对制动对制动系统冷却散热，双层结构的周制动盘更利于通风散热。



5．抗衰热性能强

周盘式制动器采用了双面制动，将制动力平均分配在两个制动面上，周制动盘的发热量减少了一倍，双向夹紧制动模式也使得汽车制动响应速度更快。根据挂车制动试验表明，周盘式制动器热态制动强度为41.3%，比标准要求的36%提高14.7%，在热衰退试验后仍具有较好的热态制动效能，具有较强的抗热衰性。

表1 两种制动器制动性能对比


6.周盘式制动器经济效益分析

周盘式制动器因其独特的结构和制动模式，其制动面积是传统的钳盘式制动器的5倍，大摩擦面积实现较大的制动力，制动器的使用寿命也大大延长；钳盘式制动器的制动面积小，每行驶1～3万km就需要更换一次摩擦片，而周盘式制动器的制动面积大，正常行驶10～20万km才需要更换一次摩擦片；周盘式制动器的结构相对简单，零部件价格较低，其使用维修成本较低；周盘式制动器的摩擦片磨损极限厚，使用寿命长，传统鼓式制动器最大磨损厚度为12mm，周盘式制动器最大磨损厚度为外12mm+内10mm；周盘式制动器能降低轮胎起火、制动盘破裂及制动性能失效等事故的发生率，避免造成巨大的经济损失。



结语

相比传统的钳盘式和鼓式制动器，周盘式制动器有制动面积大、双制动系统双重安全保障、防止制动盘受损脱落飞出、散热性强、制动响应速度快、发热小等优势。对周盘式这种新型的制动器而言，有必要进行大量的理论数据、试验数据和实车数据的积累，探究其制动性能、散热性能、耐久性能、与制动控制系统的匹配性和适应性等，不断对其进行完善改进，进一步提升该制动器的综合性能。