Baja赛车制动系统设计与分析①

郑昆明， 张荣芸， 李浩然， 邱 天

(安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

根据中国汽车工程学会巴哈大赛赛事规则对制动系统的要求，赛车在铺装路面或非铺装路面以最高车速行驶时，车手急踩刹车赛车四轮同时锁止抱死且不发生侧滑方可通过制动系统车检要求，以此来保证车手的安全，因此赛车制动系统车检的通过每年都成为绝大数参赛高校面临的一大难题。目前，多数高校针对这一问题对赛车制动系统零部件进行了优化分析，文献[1]对赛车进行了制动踏板轻量化研究，探究了制动力过剩问题，为踏板结构设计提供参考；文献[2]对制动盘摩擦副结构热耦合进行了分析，探究了温度场与应力场变化规律，为制动盘结构设计提供理论依据；文献[3]对赛车制动系统及轻量化进行了分析，设计了一种中央盘式制动器；文献[4]对赛车制动力分配系数进行研究，通过MATLAB的冗余值法和最大制动强度法，确定了赛车最佳分配系数的值，为计算提供理论依据。设计的制动系统具有结构简单、加工制造方便、成本低廉等优点，可广泛应用于赛车中，具有推广价值。

1 赛车制动系统总体设计

1.1 制动系统的组成

赛车制动系统由制动踏板、支撑底座、主缸、油壶、管路、四通、卡钳、制动盘等组成，双主缸分别独立控制前后轮制动，双油壶再连接制动主缸，制动主缸再由管路分别连接至前后四个制动卡钳，制动盘采用浮盘定钳的模式。

1.2 赛车基本参数

Baja赛车基本参数如下表1。

表1 赛车基本参数

1.3 赛车制动力及分配系数计算

取路面附着系数为φ0=0.8，赛车水平路面行驶时，忽略一切阻力，可由公式(1)和公式(2)得前轴地面垂直法向反力及后轴地面垂直法向反力。

(1)

(2)

式中：m指整车和车手的总质量；

可得前轴地面垂直法向反力Fn1=1805.18N，后轴地面垂直法向反力Fn2=1094.82N，若要满足组委会四轮同时抱死且锁止的规则，则需满足制动力等于路面附着力，即可通过公式(3)计算地面制动力。

Fb=φ0mg

(3)

可得地面制动力Fb=2320N,再根据前后轮所求得地面垂直法向反力，即可由公式(4)和(5)得前后轮制动器制动力。

Fμ1=φ0Fn1

(4)

Fμ2=φ0Fn2

(5)

由公式(4)和(5)可得前轮所需制动力为1444.15N，后轮所需制动力为875.85N。

1.4 制动盘选择与设计

一般家用轿车制动盘为双层制动盘结构，且双层制动盘间有间隙，因此家用轿车制动盘较厚，不适合用于Baja赛车制动系统中，国外目前有销售Baja赛车专用制动盘，但由于距离较远、价格昂贵、运输成本高，因此不适合用于Baja赛车上。目前国内各大高校所用赛车制动盘都在尝试自制，本赛季参赛赛车制动盘材料选取为2Cr13钢，该材料具有耐腐蚀性较好，承受冲击载荷能力较高等优点，制动盘直径在满足制动力的前提下还要兼顾轻量化，因此一般选取轮辋直径的70%-79%作为制动盘直径，本赛季赛车所选用的轮辋为10英寸，由此最终确定制动盘直径D=172mm,在兼顾轻量化的前提，要防止制动盘热衰退对制动盘产生的影响，因此通过Catia三维建模和Ansys分析可确定制动盘厚度为h=4mm。

1.5 卡钳与主缸的选择与设计

在不考虑液压油的影响，假定赛车左右轮所受的压力相同，制动轮缸直径d与制动卡钳中液压油压力p关系如公式(6)。

(6)

式中取摩擦衬块与制动盘的摩擦系数μ为0.45，油压为4MPa,制动盘有效作用半径为R为80mm,车轮半径r为240mm，Fe为抱死时制动轮缸夹紧力，制动卡钳作用在制动盘上有效摩擦力为Fc。由公式(6)可知前轮轮缸直径d1=16.67mm,后轮轮缸直径d2=12.94mm，为易于更换和维修，前后轮均采用同一型号卡钳，根据标准的尺寸系列，主缸直径可选为d=21mm,制动卡钳直径选择为D0=32mm，选取的卡钳型号为ps1对置双活塞，制动主缸型号为tilton76-625。

1.6 制动管路及油壶的选择

在制动管路的选择中，应考虑管路所能承受的最大压力和耐磨性，在汽车设计的要求中，对制动管路的要求为所有制动管路的设计应符合制动系统的预期压力，并与所使用的制动液具有化学兼容性,制动系统所处的工况对制动管路的材料，制作工艺有极高要求。目前市场上销售的制动管路可用于Baja赛车制动系统中，综合考虑选用的制动管路为特氟隆油管，具有耐高压、耐高温和耐磨损的特点，同时也符合强度要求，制动油壶采用圆形标准油壶，价格低廉，具有防腐蚀性及耐用特点。

2 制动系统的分析

2.1 制动盘

制动盘采用四孔浮动式制动盘设计，要使赛车满足组委会规则四轮抱死且锁止的条件，需要制动卡钳提供的制动盘摩擦力矩与地面摩擦力对轮胎的力矩平衡，制动盘采用浮动盘设计，能使制动器退矩均等，从而避免发生偏刹，干磨现象，具有自动补偿功能，不需人工手动调节，同时制动盘采用四孔定位固定，易于拆卸更换，方便维修，制动器的散热一直是设计不可避免要考虑的问题，盘式制动器由于自身结构的特点使其具有优良的散热性，为进一步提高制动器散热性能，在制动盘一周打上分布均匀的导热孔，在装配过程中制动盘与轮芯留有一定间隙，防止制动盘因受高温而产生的径向变形，制动盘一周加有导流装置，便于赛车在跑动过程中能够使风更好的导入制动盘中。

利用Catia软件对制动盘进行建模，建模后的模型以stp格式导入Ansys有限元分析软件，根据实际工况对制动盘进行结构力学分析，探究其最大变形量。在Ansys分析软件中，选用静态结构模块，材料定义为2Cr13钢，具体参数如下表2，为使分析结果与实际制动过程更符合，采用四面体网格划分，将单元尺寸设定为3mm,单元格质量高，网格共有42378个节点和24332个单元，设定4个半圆定位孔为固定约束，在制动盘圆周面加制动盘所受最大制动力矩，由上述计算得最大制动力矩为51989.4N/mm，求解结果如下图1制动盘变形量分布图所示，其最大变形量为0.00059975mm,变形量较小，可忽略不计。

表2 制动盘材料参数

图1 制动盘变形量分布图

2.2 踏板和支撑底座

踏板和支撑底座选取的材料选取为45号钢，具体参数如下表3，组委会规则对踏板要求是能承受最大2000N的力，本赛季踏板设计采用踏板直接推动主缸的工作方式，因此踏板背部要留有足够的空间，使主缸的活塞杆有足够大的行程，因此踏板采用有弧度的外形，利用两个制动踏板臂焊接而成，相比整体结构，该踏板符合轻量化要求，易于加工，支撑底座拆分成4个肋板，采用焊接拼装的方式，从而节约了加工成本，踏板安装孔与底座采用耳片形式固定，使踏板能够绕耳片孔旋转。

表3 踏板和底座材料参数

利用Catia软件绘制出三维图。再根据规则要求，利用Ansys有限元分析软件对制动踏板及支撑底座进行结构力学分析，以踏板面为受力面，施加方向垂直于踏板面大小为2000N的均匀分布力，采取四面体网格划分的方法，单元格质量为3mm，得出制动踏板网格节点数30397和单元数15712，得出支撑底座网格节点数83047和单元数49359，得出的网格质量较高。由图4踏板总变形量分布图可以看出最大变形量为0.26233mm，图5支撑底座总变形量分布图可以看出最大变形量为0.50581mm,支撑底座和踏板变形量均较小，再受到最大为2000N的均布载荷时，几乎未发生形变，因此不需要再进行结构上的改变，符合轻量化和强度要求，由已知45号钢屈服强度为236.7MPa,图2制动踏板应力分布图显示等效应力为136.72MPa,图3支撑底应力分布图表明等效应力为219.83MPa，均小于45号钢的屈服极限，符合轻量化和强度要求。

图2 制动踏板应力分布图

图3 支撑底座应力分布图

图4 制动踏板变形分布图

图5 支撑底座变形分布图

2.3 制动踏板总成设计

制动踏板总成采用各零部件焊接拼装设计，踏板固定孔与底座耳片相连接，单个制动主缸采用双螺栓固定在底座支撑板上，踏板腰部孔与平衡杆连接，平衡杆连接主缸活塞，利用Catia三维建模，可得出具体结构如下图6制动踏板总成图。

图6 制动踏板总成建模图

3 整车制动系统路面调试与验证

为了保证本赛季赛车制动系统设计的安全性及在赛场能够顺利通过中国汽车工程学会组委会的制动安全车检，在整车装配结束后选择一个全封闭路段进行制动系统的路面测试，测量赛车从踩下制动踏板至完全停止所行驶的距离，分析赛车的四轮抱死和制动效能情况。初始时赛车经过对主缸平衡杆的调整和制动卡钳的排液，使赛车能够达到4轮抱死的效果，制动测试路面长为100m，赛车启动发动机后，赛车从速度为0直线加速到50km/h时，急踩制动踏板，制动测试结果如下表4所示。

表4 制动试验测试结果

通过表格中测试数据可知，第一次测试和第二次测试结果未通过，且第二次发生侧滑，探究其原因为制动液中空气未排完全，导致主缸通过油管传递给卡钳的油压压力较小。重新排液后进行第二次测试，第二次测试结果表明四轮已抱死，但发生侧滑，探究侧滑原因为左右轮制动力不相等。经过第二次排液后，进行第三次测试，结果表明制动距离缩短，四轮发生抱死且锁止，测试结果合格，为避免偶然性，连续进行两次制动测试，测试结果均通过，且制动距离与理论值相比较小，符合预期结果，符合中国汽车工程学会巴哈大赛组委会规则要求，且已通过中国汽车工程学会巴哈大赛组委会车检。

4 结 语

以Baja赛车为例，制动系统关键零件的经过一系列的设计、选型、有限元分析及路面调试与验证，到最终顺利通过组委会的制动安全检查，最短制动距离为14.9m,四轮同时抱死且锁止，未发生侧滑及偏移。表明所设计的制动系统是合格的。设计的制动系统具有结构简单、加工制造方便、成本低廉等优点，可广泛应用于赛车中，具有推广价值。设计的制动系统在赛场上顺利完成了相关的测试动作，表现出较好的操纵性和稳定性，最后获得2021赛季的优秀奖。在未来的制动系统设计中，可以考虑对制动盘进行热衰退分析，计算出赛车在连续制动时制动盘温度峰值，从而可以对制动盘结构进行进一步优化。