【導(dǎo)讀】摘要:FormulaSAE學(xué)生賽車比賽是由美國(guó)車輛工程師學(xué)會(huì)于1979年創(chuàng)立，本說(shuō)明書介紹了大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)的設(shè)計(jì)，首先簡(jiǎn)述了FSAE賽事，汽車制動(dòng)系的設(shè)計(jì)意義、國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)FSAE制動(dòng)的研究現(xiàn)狀以及本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)。然后對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行方案選擇，主要包括制動(dòng)器油路的布置，制動(dòng)方式的選擇，比賽要的制動(dòng)系統(tǒng)。

　　

【正文】 Db ≥ mm 其中， D 為制動(dòng)卡鉗活塞直徑 P 為制動(dòng) 軟 路所承受的壓力，通常不能超過(guò) 10MPa～ 12MPa，這里取 5 MPa 通過(guò)以上計(jì)算， 可得出所選擇的制動(dòng)卡鉗活塞直 ,即前制動(dòng)卡鉗活塞直徑要大于，后制動(dòng)卡鉗直徑要大于 mm。 制動(dòng)卡鉗的選擇 根據(jù) 以上 計(jì)算，選購(gòu)了圖 42 的制動(dòng)卡鉗，其活塞直徑為 34 mm，內(nèi)部直徑為 28mm 圖 42 制動(dòng)卡鉗 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 圖 43 卡鉗摩擦片 制動(dòng)主缸的確定 已知條件： （ 1）制動(dòng)卡鉗為雙活塞，活塞 內(nèi)部 直徑為 28mm （ 2）制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)盤間隙 ? 一般 取 ～ ，這里取 (3) 制動(dòng)主缸的行程 s通常取 5mm～ 10mm，這里取 5mm 制動(dòng)時(shí)，卡鉗所需要的制動(dòng)液體積 V(D)，如式（ 44） V(D)= 44D2 ??? ?? = 910? m3 （ 44） 制動(dòng)主缸一個(gè)行程所需要的體積 V（ d） ，式（ 45） V（ d） = s4d2??? （ 45） 由于 V（ d ≥ V(D) 計(jì)算得 d≥ mm 結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算，我們選擇了 圖 44 所示的制動(dòng)主缸， 其內(nèi)徑為 18mm 這種單缸制動(dòng)主缸在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足賽車制動(dòng)性能的要求 FSAE 大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 圖 44 制動(dòng)主缸 其它 制動(dòng)部件的選擇 制動(dòng)盤 由于，賽車輪輞不同于汽車輪輞的尺寸，所以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)找不到符合我們要求的制動(dòng)盤 ，而向國(guó)外購(gòu)買費(fèi)用又較高，制動(dòng)盤可以自行設(shè)計(jì)，結(jié)合輪輞直徑以及制動(dòng)卡鉗的布置位置，最后定制動(dòng)盤的直徑為 220mm，厚度為 4mm，對(duì)于制動(dòng)盤來(lái)講，散熱問(wèn)題 是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題， 雖然 盤式制動(dòng)器由于本身散熱性能比較好， 但為提高制動(dòng)性，我們?cè)谥苿?dòng)盤上設(shè)計(jì)了散熱孔，如 圖 45 所示 圖 44 制動(dòng)盤 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 制動(dòng)管路 制動(dòng)系統(tǒng)的管路主要分三類，制動(dòng)軟管，制動(dòng)銅管，以及連接儲(chǔ)液罐和制動(dòng)主缸的橡膠軟管，這里主要對(duì)，制動(dòng)銅管和制動(dòng) 軟管的要求比較高，制動(dòng)銅管要能夠承受至少 10MPa 的液壓，制動(dòng)軟管連接制動(dòng)卡鉗和 分流裝置，如圖45,46,47 所示 圖 45 橡膠軟管 圖 46 制動(dòng)銅管 FSAE 大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 圖 47 制動(dòng)軟管 制動(dòng)儲(chǔ)液罐 對(duì)于制動(dòng)儲(chǔ)液罐，起初的設(shè)計(jì)選取的是如圖 48的相對(duì)較大的儲(chǔ)液罐， 考慮要 排空氣來(lái)測(cè)試制動(dòng) 系統(tǒng)安全性，但實(shí)際使用過(guò)程中，較大的制動(dòng)液罐比較 笨拙，也沒(méi)有必要裝很多的制動(dòng)液，在賽車高速行駛時(shí)，其慣性較大，若固定不牢，則 存在安全隱患，所以采用了圖 49 較小的儲(chǔ)液罐，但需要經(jīng)常檢查儲(chǔ)液情況 ，防止制動(dòng)系統(tǒng)出問(wèn)題。 圖 48 制動(dòng)儲(chǔ)液罐 圖 49 制動(dòng)儲(chǔ)液罐 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)和超行程開(kāi)關(guān) 根據(jù)賽規(guī)要求賽車在制動(dòng)系統(tǒng)中必須具備兩大開(kāi)關(guān)。首先，在賽車制動(dòng)時(shí)必須讓后方車手清楚的看到前方制動(dòng)的信號(hào)， 一次，這個(gè)開(kāi)關(guān)必須在車手一才下制動(dòng)踏板就被觸發(fā)，而在而在平時(shí)則一直處于閉合狀態(tài)，由此在經(jīng)過(guò)研究后，選用了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在功能上完全符合我們的要求。對(duì)于超行程開(kāi)關(guān)，組委會(huì)的要求是， 該開(kāi)關(guān)必須為模擬電路元器件，不能通過(guò)可編程邏輯控制器、 ECU，或有相似功能的數(shù)字控制器來(lái)替代，并且重復(fù)的作用該開(kāi)關(guān)不能恢復(fù)上述系 統(tǒng)的 電源，并且該開(kāi)關(guān)不 能被車手重置。 圖 410 微動(dòng)開(kāi)關(guān) 圖 411 超行程開(kāi)關(guān) 制動(dòng)踏板的設(shè)計(jì) 由于 FSAE 賽車的特殊性，制動(dòng)踏板必須自行設(shè)計(jì)，在結(jié)合賽 車手坐姿，以及其踩踏的尺寸后，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件，初步設(shè)計(jì)了踏板，其杠桿放大比為 6,為了減輕重量踏板材料為鋁合金，如圖 412所示。 FSAE 大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 圖 412 制動(dòng)踏板 制動(dòng)總體布置圖 在結(jié)合以上的初步計(jì)算和選取材料后，在 PROE 中設(shè)計(jì)了制動(dòng)的總體布置 ，如圖 413 圖 413 制動(dòng)布置總圖 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 5 制動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化 制動(dòng)力分配比優(yōu)化 合適的制動(dòng)力分配比對(duì)制動(dòng)效果的影響是極其重要的。通常，車輛只有在四 輪同時(shí)達(dá)到最大摩擦極限時(shí)才能達(dá)到最大制動(dòng)減加速度；相反，不合適的制動(dòng)力 分配比將導(dǎo)致車輛因前（后）輪提前抱死而發(fā)生車輛側(cè)滑、轉(zhuǎn)向失效。制動(dòng)力分 配比同時(shí)受到車輛的重量分布和減加速度的制約。 存在兩種調(diào)節(jié)制動(dòng) 力分配比的方式：第一種是適合于串聯(lián)雙活塞的主缸使用 的比例閥，另一種是適合于兩個(gè)獨(dú)立主缸使用的平衡桿機(jī)構(gòu)。由于我們使用的兩 個(gè)獨(dú)立主缸，所以我們制作了平衡桿機(jī)構(gòu)，以用于制動(dòng)分配比的調(diào)節(jié)。 然而，無(wú)論采取哪種方式，制動(dòng)分配比的調(diào)節(jié)應(yīng)先從偏向于前輪先抱死的比 例開(kāi)始。在駕駛員適應(yīng)前輪先抱死這種比例后，逐漸調(diào)節(jié)比例直到后輪抱死，記 錄下這個(gè)比例，這個(gè)比例是最接近最佳制動(dòng)分配比的值。 已知數(shù)據(jù)： （ 1）車輛滿載總重 W = 320 kg （ 2）車輛有效滾動(dòng)半徑 R = 240mm （ 3）制動(dòng)盤有效半 徑 r = 110mm （ 4）主缸活塞直徑 d = 18mm （ 5）制動(dòng)卡鉗活塞直徑 D = 34mm （ 6）軸距 l = 1600mm （ 7） 整車質(zhì)心高 h = 260mm, 距前軸的距離 lf =848 mm，據(jù)后軸的距離 lb = 752 mm 最佳制動(dòng)分配通過(guò)以下步驟計(jì)算得出 首先，需要估計(jì)出一個(gè)最大減加速度值以計(jì)算制動(dòng)時(shí)車重在前后軸上的分配。對(duì)于既要在干路面又要在濕路面行走的車輛，這樣的計(jì)算要進(jìn)行兩次以找到最佳制動(dòng)力分配比的調(diào)節(jié)范圍。下面是相關(guān)計(jì)算公式： 前軸質(zhì)量分配計(jì)算公式 ： fW = jfW ? ?? ?lhg //aW? （ 51） FSAE 大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33 其中， fbW ：以一定的減加速度（ a/g）制動(dòng)時(shí)分配在前軸上的重量 fjW ：以一定速度行駛無(wú)制動(dòng)但考慮空氣動(dòng)力效應(yīng)時(shí)分配 在前軸上的重量 W ：車輛總重 （ a/g）：減加速度，以 g為單位值，其大小可從處于高速病具有空氣下壓作用是的 3g 到在冰面上行駛時(shí)的 h：車輛相對(duì)于地面的質(zhì)心高 l：軸距 后軸重量分配計(jì)算公式 ? ?? ?lh /a /gWWW bjb ? （ 52） 其中 bW ：以一定的減速度（ a/g）制動(dòng)時(shí)分配在前軸上的重量 jbW：以一定的速度行駛無(wú)制動(dòng)但考慮空氣動(dòng)力效應(yīng)時(shí)分配在后軸上的重量 從 上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)減加速度（當(dāng) (a / g)較小時(shí)）較低時(shí)，前后軸重 量分配幾乎與靜止時(shí)的分配比相同。對(duì)于較高的減加速度，式中第二項(xiàng)成為決定 因素，較低的質(zhì)心和較長(zhǎng)的軸距可以直到減小這一項(xiàng)影響的作用。 其次，輪胎參數(shù)對(duì)制動(dòng) 摩擦因數(shù)有很大的影響。輪胎制動(dòng)摩擦因數(shù)隨著 μ 載荷的增加而減小，正是由于這個(gè)原因，最大的 μ 更傾向于出現(xiàn)在后軸上（載荷較?。?。即使前后輪的設(shè)計(jì)都是相同的，這種現(xiàn)象發(fā)生的存在的可能性也較大 一旦得到了正常行駛制動(dòng)時(shí)的 μ值，制動(dòng)力 F = Wbrake的 μ effective可以計(jì)算得到。直線行駛制動(dòng)時(shí)左右輪的制動(dòng)力分配應(yīng)該保證相等，以使每個(gè)輪子的制動(dòng)力時(shí)整個(gè)軸上制動(dòng)力的一半， ，要得到輪子上的制動(dòng)力，用 式 (53)計(jì)算： ? ?padcAr???? /RFP x (53) 其中， P 制動(dòng)管路壓力 Fx 單個(gè)輪子水平方向的制動(dòng)力 R/r 輪胎有效滾動(dòng)半徑與制動(dòng)盤有效作用半徑之比 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 Ac 制動(dòng)卡鉗活塞總作用面積 μ pad 制動(dòng)塊摩擦因素 要產(chǎn)生這壓力，要以一定的比例放大踏板力后作用在主缸的活塞上。假設(shè)系 統(tǒng)是非助力的，主缸活塞面積已知，踏板力已知，用 式 （ 54） 可用于計(jì)算單個(gè)主缸所需的放大比例。對(duì)于雙主缸系統(tǒng)，平衡桿的比例也應(yīng)加以考慮。 foo tm asterpe da l FApR ?? (54) 其中， pedalR 踏板放大比例，其值為 6 、masterA 主缸活塞內(nèi)部面積 fotF 踏板力，根據(jù)國(guó)家規(guī)定的要求不能大于 500N 結(jié)合第三章制動(dòng)力理想分配條件： bfWBBWBFWBBBF?????????? （ 55） 代入計(jì)算， 最后確定制動(dòng)力分配比為 ???? ??，即前軸分配 60%制動(dòng)力，后軸分配 40%的制動(dòng)力 制動(dòng)設(shè)計(jì)檢驗(yàn) 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得 bf ??? ??? ?? 假設(shè)踏板的踩踏力為最大的 500N，則可計(jì)算出前后卡鉗的夾緊力 fkF ， bkF 為前后卡鉗夾緊力 主缸卡鉗SS535006F fk ???? = N （ 56） bkF = N FSAE 大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35 取卡鉗與制動(dòng)盤的摩擦因素的較小值 ，顯然卡鉗與制動(dòng)盤的摩擦力大于地面的摩擦了，因而完全符合比賽要求的抱死條件 ，故制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。 優(yōu)化函數(shù)圖分析 通過(guò)以上公式，通過(guò)變化踏板力，改變制動(dòng)主缸的推進(jìn)行程，以及制動(dòng)減速度，可得到一系列函數(shù)圖象，從而得出平衡桿的制動(dòng)力分配 。以上計(jì)算中，忽略了液壓系統(tǒng)的損失，事實(shí)上，這個(gè)損失所占比例很小，是可以忽略不計(jì)的 圖 51 前后軸載荷分析圖 制動(dòng)時(shí)減加速度增加，將導(dǎo)致前軸承載增加，大于后軸所承載的重量，這也是制動(dòng)點(diǎn)頭的原因 ，如圖 52 圖 52 前后輪制動(dòng)力隨制動(dòng)強(qiáng)度變化的趨勢(shì) 鹽城工學(xué)院 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 圖 53 前后輪制動(dòng)力對(duì)比圖 結(jié)合圖 力在開(kāi)始階段大小接近，隨著減加速度的逐漸增加，前輪制動(dòng)力加速增大且大于后輪制動(dòng)力許多；并且可以看到在圖 的現(xiàn)象，后輪制動(dòng)力會(huì)達(dá)到一個(gè)極值點(diǎn)后開(kāi)始緩慢減小。 圖 54 制動(dòng)力與制動(dòng)強(qiáng) 度變化關(guān)系 要產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力，需要設(shè)計(jì)合適放