巴哈赛车制动系统设计

唐 伦

（湖南汽车工程职业学院，株洲 412001）

巴哈大赛起源于美国，它以前的名称是大学生方程式汽车大赛，是一种微型越野车的设计与制作赛事，主要面向本科高等院校和高职院校开展。巴哈比赛的要求是在限定时间范围内，利用统一规格的发动机，设计制作一台只有单个座位、动力源中置、后轮驱动的微型越野车，并按要求进行多种测试，如静态与动态项目测试。其中，静态测试项目包含技术检验、车辆设计与制作、成本控制和商业运作等；动态测试项目包含发动机所产生的拖动力测验、坡道爬行能力测验、车辆直线加速能力测验、持久力测验等。本文以学生参加巴哈大赛制作的赛车为例，对其制动系统进行相关的计算和设计。

1 巴哈大赛对制动系统的要求

良好的车辆制动系统，通常由两个控制器完成刹车动作，并且制动力是直接作用于四个车轮上的。此外，巴哈大赛对制动系统还有如下要求。

为防备油管漏油或者失去效用时，至少还有2个车轮保证有效的刹车效果，比赛车辆必须具备2个相互独立的液压回路，并且每一个液压支路都有独立的储液罐。当单个车轮制动时，出现一定的滑移差是可以允许的。

制动系统在各个测试项目中，必须能抱死4个车轮。不允许采用线控制动和无保护的塑料材质制动管路。另外，为防止传动失效或碰撞，导致刹车失效，制动装置必须安装保护罩。

从比赛车辆侧边看，装备在车辆簧载质量上的刹车系统的任何零件都不容许伸展到车架与车身下面。为避免毁坏刹车系统或刹车踏板，刹车踏板在设计时要确保能经受住2000N的力。在正确坐姿下，通过赛方任何裁判作用在制动踏板上的最大压力来进行测试。制作赛车制动踏板的材料不允许采用除铝合金，钢和钛之外的材料加工。

2 刹车系统关键参数的计算

2.1 车辆基本参数

根据比赛要求，所设计制作的车辆基本参数如下：车辆装满时的总重量W为3136N；赛车的有效滚动半径R为0.24m；赛车前后轴的轴距L为1.6m；赛车质心距离前轴的长度Lf为0.848m，质心距离后轴的长度Lb为0.752m，质心的高度H=0.26m。

2.2 赛车前后轴的法向反力

当车辆减速到8m/s2时，大地对车辆前轴和后轴的法向反作用力如式（1）、式（2）所示。

式中，Wf表示在没有踩刹车的情况下以恰当的速度行驶，在不排除空气动力效应时地面对前轴的法向作用力；Wb表示在没有踩刹车的情况下以恰当的速度行驶，在不排除空气动力效应时地面对后轴的法向作用力；（a/g）表示制动强度，其单位值为“g”，在这里取0.8，即车辆刹车到减速度为8m/s2时的数值。假定车辆制动力分配系数为β，具体如式（3）所示。

图l 制动强度和前后轴载荷的变化规律

根据图1和计算结果可知，当车辆制动减速度为8m/s2时，前轴和后轴的轴荷分布比例分别为60%和40%。

2.3 车轮制动力矩的计算

同步附着系数φ0的大小由车辆的结构参数确定，用公式计算为：

对于选择较大同步附着系数φ0的车辆，应从确保最好的制动稳定性为出发点，来决定前轴和后轴的最大制动力矩，它们的计算如式（5）、式（6）所示

式中，Tfmax表示前轴的最大制动力矩；Tbmax表示后轴的最大制动力矩；q表示制动强度，即a/g，其值取0.8；R表示轮胎的有效滚动半径；φ0表示同步附着系数。

2.4 制动钳活塞直径的计算

首先根据公式计算出前轴和后轴每个制动钳对制动盘的压紧力，计算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，Nf、Nb表示每个制动钳在前轴和后轴制动盘上的压紧力；μpad表示刹车片与制动盘之间的摩擦系数，通常取0.35～0.40，在这里取0.4；r表示制动盘的半径。根据轮辋的尺寸，制动盘的直径设计为220mm。根据制动盘上各侧摩擦片的压紧力计算出前后制动钳的活塞直径，如式（9）、式（10）所示。

式中，Df、Db表示前后轴制动钳的活塞直径；P表示制动管路所能承受的压力。其值一般不大于12MPa，在这里取其值为5MPa。

3 关键部件的选择和设计

3.1 制动钳的选择

根据上述制动系统的关键参数的计算，选择活塞直径为34mm，内部直径为28mm的制动钳，如图2所示，与之配套的摩擦片如图3所示。

图2 赛车所选用的制动钳

图3 与制动钳配套的摩擦片

3.2 制动主缸的选择

己知条件：双活塞制动钳，活塞内部直径D为28mm；制动盘与制动钳之间的间隔通常为0.1～0.3mm，在这里取0.2mm；制动主缸的行程S一般在5～10mm，在这里取5mm。

车辆进行制动时，制动钳所需制动液体积VD，具体计算公式如式（11）所示。

每个行程中制动主缸所需制动液体积Vd如式（12）所示。

由于Vd≥VD，经计算得知制动主缸的内径d≥11.2mm。

综合以上计算结果，选择内径为18mm的单缸制动主缸，它的性能足够符合车辆制动性能的需要，所选择的制动主缸如图4所示。

3.3 制动盘的选择与设计

因为轿车的轮辋大小与巴哈赛车的轮辋尺寸不同，在国内汽车零配件市场很难找到与我们要求相符合的制动盘，而向境外购买所需的资金又很高，因此，只能自行对制动盘进行设计和制作。根据制动钳的安装位置和轮辋直径，最终确定制动盘的厚度为4mm，直径为220mm。制动盘的冷却问题是一个必须考虑的问题，虽然盘式制动器由于结构上的特点导致它的散热性相对比较优良，但为进一步提升赛车的制动性，设计了散热孔均匀分布在制动器的圆周上，具体结构如图5所示。

图4 赛车所选择的制动主缸

图5 赛车所用制动盘

3.4 制动管路的选择

刹车系统所用的管路主要有3种，如制动铜管、制动软管和连接制动主缸与制动液储液罐之间的橡胶软管。通常这3种管路中工作要求比较高的是制动软管与制动铜管，如制动铜管必须能够经受住最少10MPa的压力。分流装置与制动钳之间通过制动软管连接，在设计和选择时要求它有较好的活动性和柔韧性，本赛车所选择的制动软管如图6所示。

图6 赛车所用制动软管

3.5 制动液储液罐的选择

对于制动液储液罐的选择，由于在真实比赛过程中，如果选取偏大的制动液储液罐就会显得较为笨拙，并且制动液也没必要装很多，否则在车辆高速行驶过程中，因为惯性较大，假如储液罐安装不牢固，则可能存在某些安全隐患。另外，比赛时为测验刹车系统的安全性会进行排空气，经综合考虑最终选取了较小的储液罐，如图7所示。但是，由于储液罐较小，所以为防备刹车系统出故障，所以要时常对制动液的液位进行检查。

3.6 制动踏板的设计

因为巴哈BAJA赛车的特殊性，导致只能自己设计车辆的刹车踏板。在综合考虑比赛选手的坐姿和踩踏的位置与大小后，利用Proe设计了杠杆放大比为6的刹车踏板。考虑尽量降低车身重量，最终选取材料为7075的高强度铝合金制作制动踏板，如图8所示。

图7 赛车所用的制动液储液罐

图8 赛车所使用的制动踏板

4 结论

通过对刹车系统一些关键参数的计算，得出当车辆制动减速度为8m/s2时，前轴和后轴的轴荷分布比例分别为60%和40%，前轴和后轴的最大制动力矩分别为361.27N•m和240.8N•m。根据车轮每侧摩擦片对制动盘的压紧力，分别计算前后轴制动钳的活塞直径需分别大于等于28.9mm和26.4mm。

最后，根据上述计算结果，选择活塞直径为34mm、内径为28mm的制动卡钳和内径为18mm的单缸制动主缸等，由于巴哈赛车的特殊性自行设计了制动盘和制动踏板。