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制动力矩是什么?

发布时间:2013-07-02

制动力矩

气压盘式制动器,我们在日常生活、工作中都经常用到,但不知道大家对“制动力矩”是否知道呢?本文收集整理了一些资料,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。
制动力矩
制动力矩
简介

气压盘式制动器ADB(air disc brake)最早出现于20世纪90年代中期,能广泛应用于中重型车辆。它具有整体构造简单、重量轻、制动噪声小、散热快、制动间隙小以及维护简单等众多优于鼓式制动器的特点。目前ADB在欧洲发展迅速,拖车安装率超过50%,部分国家已经制定法规在公交车上安装使用。

制动力矩分析


构造

要改进制动力矩,先分析制动力矩的构成(图1)。ADB制动由气室顶杆1推动压力臂2(即增力机构),压力臂通过回位座3推动内摩擦片6,内摩擦片顶在制动盘5后,通过卡钳体7的滑动,接触外摩擦片4,从而抱死制动盘,形成制动。

原理

按图1所示结构,制动器制动力矩大小: M=Fi2μηr① 式中,F-气室推力;i-压力臂增力比;μ-摩擦系数;η-效率;r-制动器制动半径。 从图上可以看出,ADB整体传递机构简单,制动力传递效率高。影响制动力矩的因素主要有以下几点:
(1)气室推力F;

(2)增力比i;

(3)制动器制动半径r;

(4)摩擦系数μ。 其中气室推力和增力比两项的影响性质相同,即增加制动输入力,制动器制动半径是设计尺寸,受轮辋尺寸和制动器外形尺寸的约束,摩擦系数与选择的摩擦材料的特性有关。

影响因素分析

(一)制动输入力的影响 从公式

(1)分析可知,增大制动输入力就可以直接增加制动力矩,但要根据情况具体分析。

1.摩擦力分析 两个粗糙表面在干摩擦状态下,摩擦力主要由三部分组成:

(1)在摩擦副相对运动时,双方微凸体顶峰的相互切削阻力;

(2)在一定的压应力和局部高温条件下,摩擦副微凸体接触点瞬时冷焊为一体,由于相对运动,使这些局部高温粘结点分离,克服结点粘结的阻力便形成了摩擦力的一部分;

(3)存在于摩擦面的磨损物在随同摩擦运动过程中,一方面有可能重新压入摩擦面而形成新的微凸峰而产生切削阻力;另一方面这些磨粒在摩擦面上以滑动和滚动形式运动过程中,不断对摩擦副表面产生切削也构成了摩擦力的一部份。 其中摩擦界面粘结的形成和断裂对摩擦力影响较大。

可以断定,制动输入力达到一定值,摩擦力F≠N×μ(N制动盘上制动压力,μ制动摩擦副摩擦系数),制动力矩与制动输入力不再是线性关系。增大制动力超过摩擦材料所承受的压应力值,过量的输入力将产生滑磨功: E1=△Fμ2rn② 式中,△F-过大的制动输入力;μ-高温时摩擦材料摩擦系数;r-制动半径;n-转动圈数。 从能量转换角度分析,整个制动过程由动能转化为热能:

式中,m-整车质量;E-制动消耗能量;V1-制动初速度;V2-制动结束时车速。 对于载重车辆,特别是满载高速时,E值非常大。由于制动时间短,产生的热量与外界可视为无热交换。而热量在摩擦副上扩散速度有限,大量的热量集中在摩擦副接触表面,摩擦副表面瞬间功率可达到10MW/m2。制动功率图见图2。所以盲目增大制动输入力,会加速摩擦片磨损,减少制动器寿命。同时过大的推力增加了卡钳体的变形,容易造成疲劳失效。

制动半径的影响


制动半径r是转动中心到摩擦片受力中心的距离。增加制动半径是增加制动力矩最有效的办法,能够在不增加输入力的情况下直接增大制动力矩,对制动器寿命影响最小。但是,制动半径不能无限增加,它受到轮辋直径的限制(图3)。从图3上可以知道,卡钳体首先要避免与轮辋和气门芯发生干涉,需要留有一定间隙。考虑卡钳体的强度,卡钳需要一定的壁厚。

所以R盘=R轮辋-h-d(R盘-制动盘半径;R轮辋-轮辋半径;h-轮辋与卡钳间隙;s-气门芯与卡钳的间隙;d-卡钳体壁厚),制动盘半径又限制了制动半径。为了增加制动半径,国外制动器厂家对卡钳体进行有限元分析,针对应力分布对卡钳体结构进行改善,设计变截面壁厚,减少干涉部分壁厚,从而增加制动半径。 除了结构干涉的影响,制动半径还受到摩擦片偏磨的制约。图4是一摩擦片受力分析示意图,两推杆中心处于同一圆弧上,圆弧半径是摩擦片内外半径算术平均值。假设摩擦片与制动盘完全接触,根据摩擦片实际受力情况建立有限元模型,进行受力分析。

压应力明显大于其他部位。从载荷加载图上看到,摩擦片上部的载荷线密度明显大于下部。 根据滑磨功计算公式②可知,即使摩擦片表面受力均匀,r值越大,滑磨位移越大,摩擦片上部磨损越快。如果按照图4所示的推杆处于摩擦片中心,只会加速摩擦片偏磨,导致摩擦片厚薄不均,减少摩擦片寿命,增大制动噪声,造成制动跑偏。因此需要平衡滑磨位移和制动压力两者的关系,将推杆加力中心向转动中心移动,减少制动半径。

摩擦系数的影响


由公式①可知,摩擦系数μ也可以直接增加制动力矩。但是摩擦材料μ值在高温、高压下并不恒定,变化很大。正常情况下,摩擦系数越高,耐磨性越差,所以不宜单纯地追求摩擦材料的高摩擦系数。相对而言,摩擦系数的稳定性和偏离正常值的敏感性对制动器更可靠。目前摩擦系数比较普遍的稳定值约为0.3~0.5。 为了提高摩擦系数,除了改进摩擦片材料,目前主要有以下3种方式:

1.增加摩擦片面积 增加摩擦片面积,减少了制动时摩擦片上压应力,减少因制动压力过大而产生的热能。目前双推杆式ADB基本上应用这种方式增加制动力矩。

2.增加摩擦片的柔韧性 增加摩擦片柔韧性,可以增加摩擦片与制动盘的接触面积,从而增加制动力矩。这种方式对摩擦材料要求比较高,目前在国外已经开始应用,取得不错的效果。

3.增加制动盘厚度 制动瞬间,制动盘吸收99%左右制动产生热能,如果能够降低制动盘的温度,则有利于摩擦系数的稳定。目前多孔隙的加厚制动盘已在国内外开始使用。 三、增加制动力矩的新技术 增加制动力矩就是增加汽车的安全系数,增加制动力矩的研究已不限于常规影响制动力矩的几个主要因素。目前国外已经出现了滑动双盘式制动器(图5)。

图中内外盘都可以在转轴上沿花键槽轴向自由滑动,制动时内摩擦片推动内盘→中摩擦片→外盘→外摩擦片,从而形成制动。这种形式制动器保证制动压力和制动半径不变的情况下,直接增加摩擦副数量,从制动器效能因素分析:

BF=2nf 式中BF为制动效能因素;n为制动盘数量;f为摩擦系数。 增加一个制动盘,制动效能增加2倍。实际试验数据表明,新系统的制动力可提高到原来的1.7倍,同时热负荷也可以大大降低。这种新制动器将在明年上市,主要对象为液压盘式制动器。在ADB上应用还需要通过验证。 四、实际产品改进 应用于城市公交车和中卡车。结构为单推杆,制动半径168mm,设计制动力矩2.2万N·m(图6)。为了满足制动力矩的要求,压力臂增力比超过20,实际试验数据表明,制动力远小于设计值。分析原因可能有以下几点:

(1)制动半径偏小;

(2)单推杆不能保证摩擦副之间均匀的压应力,局部变形较大。
制动力矩
制动力矩
产品改进

考虑到国内铸造工艺和材料水平,结合国外先进产品结构进行改进。通过单推杆改双推杆,增大加力面积,改善压应力不均匀性,同时增加制动半径(图7),实际设计产品制动半径达到173mm。重新设计压力臂和压力比,控制制动输入力。根据理论计算输入力,协调摩擦片厂家,设计合理的摩擦片成分。
改进后的制动器摩擦片面积适当增加,压力臂压力比小于20,制动半径增加了5mm。

初步设计制动力矩为2.2万N·m,实际试验表明制动力矩达到2.1万N·m以上,增加制动力矩效果明显。 五、结束语 通过对影响制动力矩大小的关键因素进行具体的分析,科学地提出增加制动力矩的方法,实际运用于国内制动器厂家产品的改进,具有重要意义。

综上所述,本文已为讲解制动力矩,相信大家对制动力矩的认识越来越深入,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。

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