浅析汽车盘式制动器设计

张雪文

（益阳职业技术学院，湖南 益阳 413000）

汽车制动系统是指对汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置。制动器是制动系统中的核心部件。

1 盘式制动器结构

主要由制动盘、制动钳总成、制动钳支架、摩擦块等组成。盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，被称为制动盘。其固定元件则有着多种结构型式，大体上可分为两类。一类是工作面积不大的摩擦块与其金属背板组成的制动块，每个制动器中有2～4个。这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中，总称为制动钳。这种由制动盘和制动钳组成的制动器称为钳盘式制动器。另一类固定元件的金属背板和摩擦片也呈圆盘形，制动盘的全部工作面可同时与摩擦片接触，这种制动器称为全盘式制动器。

2 盘式制动器的特点

相较于鼓式制动器，盘式制动器有其优点：

（1）热效能较稳定。一般无摩擦阻力作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小；接触表面的面积仅为制动盘面积的6%～12%；制动盘外露，故散热性较好。

（2）水稳定性较好。制动衬块对盘的单位压力高，易将水挤出，同时在离心力的作用下沾水后也易于甩掉，再加上衬块对盘的擦拭作用，因而，出水后只需经一、二次制动即能恢复正常。

（3）制动稳定性好。因制动力矩与制动油缸的活塞推力及摩擦系数成线性关系，再加上无自行增势作用，因此在制动过程中制动力矩增长较平缓。

（4）保养修理简便。制动盘的热膨胀不会引起制动踏板行程损失，可以简化间隙自动调整装置，简化其他保养修理作业。

（5）提高抗制动跑偏能力。整个制动器靠近车轮轮辐布置，使转向主销的小端点外移，实现负的偏移距，提高了汽车抗制动跑偏能力。

盘式制动器的不足之处：

（1）效能较低。因用于液压制动系统时所需制动促动管路压力较高，一般要用伺服装置、电磁装置和作动装置。

（2）兼作驻车制动器时，需要加装的驻车制动传动装置较鼓式复杂，在后轮使用受限。

（3）因制动器外露，难以完全防止尘污和锈蚀。

3 盘式制动器设计思路

（1）摩擦衬块和盘为浮动，以便消除盘上的弯曲应力；

（2）制动块摩擦衬片为圆形，其尺寸不必等于加载液压缸的直径；

（3）所吸收的热量均匀分布在整个制动器上。

每个制动卡钳包括两个制动摩擦片组件。制动卡钳活塞推压制动摩擦材料压紧制动盘的制动表面使车辆停车。摩擦块装在卡钳内，位于制动盘两侧。制动摩擦块由两部分组成。锻压成形的金属底板和铆接的摩擦衬片。摩擦材料有四种常用类型：石棉、非金属有机物、半金属和金属。制动卡钳由一个或几个装在活塞缸筒的大液压活塞。

制动器松开时，制动盘的制动表面与摩擦块之间的间隙很小。制动时，液压压力进入活塞右面的制动钳壳体。卡钳活塞以很大的力移向制动盘，迫使紧靠着活塞的摩擦块压紧制动盘。制动卡钳还运动并迫使另一摩擦块压紧制动盘的另一侧。制动期间，活塞右面的液压力增加，作用活塞底部和缸筒底部的压力是相等的。施加到活塞的压力传递到内制动摩擦块，迫使衬片压紧制动盘内表面。施加到缸筒底部的压力迫使制动卡钳在安装螺栓上向内（车的纵轴线）滑动。由于制动卡钳是整体的，这个运动造成制动卡钳的外侧部分施加到外侧摩擦块的背部，迫使衬片压紧制动盘的外表面。当管路压力提高，摩擦块与衬片被增加的力压紧制动盘表面，使车辆停车。制动与不制动，实际压力引起的制动卡钳和活塞的运动非常小。制动力解除时，活塞和制动卡钳只不过松弛到松开位置，在此位置，摩擦块与制动盘表面距离很小。使摩擦块不接触到制动盘并没有采用回位弹簧，这由制动卡钳活塞的密封圈来完成。制动时，活塞密封圈变形，或受液压弯曲。压力解除时，密封圈变形复原，拉回活塞和衬片，盘式制动器结构如图1所示。

制动钳体通过导向销与车桥相连，可以相对于制动盘轴向移动。制动钳体在制动盘的内侧设置油缸，而外侧的制动块则附装在钳体上。制动时，来自制动总泵的液压油通过进油口进入制动油缸，推进活塞及其上的制动块向右移动，并压到制动盘上，于是制动盘给活塞一个向左的反作用力，直到制动盘右侧的制动块也压到制动盘上，此时，两侧的制动块都压在制动盘上，夹住制动盘使其制动。

图1 盘式制动器结构

假设将制动块摩擦衬片的圆形摩擦面划分成无数多个与盘心同心的圆弧形小区域为一单元，则在该单元处摩擦表面的磨损与该处的压力P及滑转速度v的乘积成正比。虽然摩擦衬片上的压力在开始时是均匀的，但随着单元所在半径r的加大其滑转速度亦将加大而导致该单元磨损加重，经过这样一个不均匀磨损的过程以后，会使离盘心越远的单元的压力P越小，而使pv值在整个摩擦表面上都趋于相等，因此假设等于常数，由此得

而整个衬片对盘的作用力

式中：l为单元的弧长，即l=AC；R为圆形摩擦面中心的至制动盘中心O的距离；（d为圆形摩擦面直径）。

由几何关系得

由式（3）得常数C为

由此可求得

根据车辆理论，F等于液压油缸的推力，其值为

式中：Dp为活塞直径；p0为液压缸内的油压。

从有限元分析可知，结构摩擦衬片压力外径处高于内径处，基本上是线性变化，且内径处趋近于零，表明受压使得局部分离。

制动时的摩擦力矩Mf为

制动时，制动盘没转一圈摩擦力矩Mf所消耗的功为

若ns为开始制动时制动盘或车轮的转速，r/min；t为从开始制动时到完全停车所需要的时间，即制动时间，min。

在制动过程中制动盘或车轮旋转的总圈数为（假设匀速下降）

因此，在制动过程中衬片与制动盘之间的摩擦力矩所消耗死的总功为

而摩擦力矩消耗的是车辆的动能，故又有

式中：Wt为车辆总重量（N）；V为车辆制动时的初速度（m/s）；m为车辆车轮或制动器数；g为重力加速度（m/s2）。

由上两式，可求的制动时间为

4 盘式制动器设计要求

（1）衬片安装位置不应超过制动盘之外；

（2）衬片与轮毂不发生干涉；

（3）油缸与轮毂不应发生干涉；

（4）制动盘直径D，油缸油压，衬片压力，制动后盘温应在其规定范围内；

（5）制动摩擦力矩不大于车轮与地面的附着力矩。

根据热功当量可求出制动后制动盘的温升为

变式可知，制动后制动盘的温度为

式中：Th为制动后的温度（℃）；T0为制动盘的初始温度（℃）；c为制动盘的比热容，对金属材料c=0.113kcal/kg；ρ为制动盘的密度（kg/mm3），J=4180N·m/kcal；J为热功当量；D为制动盘的直径（mm）；h为制动盘的厚度（mm）。

5 结语

构建汽车盘式制动器优化设计，可提高行驶安全性。