FSAE赛车制动盘的设计

FSAE赛车制动盘的设计 摘 要：Formula SAE比赛由美国车辆工程师学会（SAE）于1979年创立，每年在世界各地有600余支大学车队参加各个分站赛，2010年在中国举办了第一届中国大学生方程式赛车，本设计将针对中国赛程的相关规定进行设计。 本文主要介绍了赛车制动盘的设计，首先介绍了制动盘对于车辆制动系统的重要意义、制动盘的常见分类。然后结合赛车自身的特点，提出了赛车制动盘设计的特殊要求，主要包括重量、散热性等。之后根据赛车制动盘的特点，结合我们的制动系统，给出了赛车制动盘设计的实例，以使读者更好的理解赛车制动盘的设计。最后，作者在本文中提出了赛车制动盘还可以在哪些方面做出改进，供读者自主地进行进一步摸索。希望本文能为参加FSAE电动方程式大赛的同学以及所有对汽车构造、汽车设计感兴趣的朋友提供帮助。关键字：制动；制动盘；FSAE赛车；重量；散热制动盘又称刹车盘、刹车碟、制动碟，是汽车上直接承受制动力的重要部件，其性能的好坏直接影响着汽车制动系统的可靠性。制动盘上的制动力来源于制动钳，通常来说一般的制动钳都是固定内侧制动活塞泵所在部分，外侧是一个卡钳式的结构。内侧制动片固定在活塞泵上，外侧制动片固定在卡钳外部。活塞通过制动油管过来的压力推动内侧制动片，同时通过反作用力拉动卡钳，使外侧制动片向里.两者同时压向制动盘，通过制动盘和内外制动片的摩擦产生制动力。因为制动盘上承担着巨大的制动力，所以其设计和选用就必须非常谨慎。好的制动盘制动稳定，没有噪音，不抖动；反之，如果制动盘的设计或选用不合理，长时间使用时，很容易因为摩擦产生的高温而变形，降低刹车效果，最终影响行车安全性。1 制动盘的一般形式制动盘按结构划分，可以分为实心盘（单片盘）和风道盘（空心盘，双片盘）。实心盘对于我们来说很好理解，就是整个制动盘都是实心的。风道盘（Vented Disc），顾名思义具有透风功效。从外表看，它在圆周上有许多通向圆心的洞空，称为风道。汽车在行使中通过风道处空气对流，达到散热的目的的，比实心式散热效果要好许多。大部分轿车都是前驱，前盘使用频率计磨损较大，故采用前风道盘，后实心盘（单片盘）。当然也有前后都是风道盘的，但制造成本并不会差的离谱。制动盘按材质上的不同，又可以分为碳纤维陶瓷制动盘与金属制动盘两种。碳纤维陶瓷制动盘由于其制造成本过于昂贵以及低温下制动力非常糟糕，所以虽然其有着优异的抗热衰减特性，依然不被大多数车辆所选用。金属制动盘，主要成分为钢或灰铸铁，为了增加抗热衰减能力，也有厂商将金属材质制动盘进行碳纤维处理，使其这方面能力精进，同时避免碳纤维陶瓷材质的低温性能不佳的问题。2 FSAE制动盘的特殊要求与一般的车辆相比，赛车要求具有更轻的质量，更快的加速度。所以赛车制动盘也必然与一般家用车的制动盘存在差别。下面便是FSAE赛车与一般家用车制动盘的差异之处：1.质量更轻：在赛车领域有句俗语，叫“簧下一公斤簧上十公斤”，意思就是赛车簧下质量每减少一公斤对于赛车性能的影响，相当于赛车簧上的质量减少了十公斤，由此可见减轻赛车簧下质量的重要意义。也正因此，FSAE赛车制动盘质量远小于普通家用车的。这主要体现在制动盘厚度更薄，打的孔的数量更多（也就是减重更多）。一般家用车制动盘的厚度都在10毫米以上，而FSAE赛车制动盘厚度常在4毫米左右。2.散热效果更好：赛车的急加速、急减速性能，决定了赛车制动盘处发热严重，这也就要求赛车制动盘相对于家用车需要有更好的散热能力及抗热衰减性。一般而言，增强散热性有两种途径，一是采用风道盘（空心盘），利用其良好的通风性来增强散热能力。二是在实心盘上打更多数量的通风孔，以增加制动盘的散热面积。但要注意更多的通风孔一定会减低制动盘的强度，所以在打孔之前一定要对其强度进行仔细的校核。FSAE赛车考虑到制动性能、经济型等因素，通常是选用实心盘，通过打孔来改善其散热性能。3.抗热衰减性更强：赛车的急加速、急减速性能，一方面要求赛车制动盘具有更好的散热能力，一方面也对制动盘的材料提出了更高的要求，即相对于家用车制动盘，FSAE赛车制动盘的材料应该有更高的抗热衰减性，在高温下其强度和抗热变形能力都应该达到一定的要求。3 FSAE赛车制动盘设计实例我们的制动盘设计，是建立在我们车队所做的制动系统的基础上，相关的参数也全部使用本车队实际选用参数，具有真实性和可靠性。1.相关参数：我们赛车带人总质量为350kg，前后制动力分配7：3，前后轮辋皆为13inch。所选卡钳型号为frando 9GA。赛车制动盘包括两个前轮制动盘和两个后轮制动盘。刹车时，由于存在惯性加速度，赛车的重心前移，前轮制动盘承受更大的制动力矩。根据我们赛车的实际情况，前轮制动盘所取制动力矩为417.5N*m，后轮制动盘所需承受的制动力矩为185N*m。2.制动盘参数的确定由于轮辋大小为13inch，所选卡钳为frando 9GA，根据卡钳匹配的制动盘直径要求，选前制动盘外径为220mm，内径110mm；后制动盘外径为220mm，内径110mm。考虑到制动盘的减重性，取制动盘厚度为4mm，同时厚度减小会导致制动盘强度降低，为了保证制动盘有足够的强度，取其材料为2cr13马氏体不锈钢。该种钢材除了具有较高的强度和韧性，还具有良好的抗腐蚀抗锈能力，能够保证制动盘在恶劣的环境中可靠的工作。同时2cr13马氏体不锈钢具有较好的耐高温性能和良好的散热能力，在700摄氏度时，还能保持较高的强度、热稳定性和良好的减震性。为了适应赛车快速制动的要求，制动盘选用浮动盘。浮动盘相对于一体式制动盘能够更加快速的进行制动。浮动盘与轮毂之间通过铆钉相连接，铆钉材料为Q235钢。FSAE赛车制动盘铆钉套件由IMK公司提供赞助，根据其提供的铆钉参数，所选铆钉为空心，外径13.8mm，内径10.5mm。制动盘上所开铆钉孔的直径为14mm，以保证易于装配，沿制动盘内径均匀开六个这样的半圆孔。为了保证散热性，需要在制动盘上打一些散热孔，所以我们选择在半径为74mm、87mm和100mm的圆上各打12个直径为8mm的孔用来散热。3.制动盘强度校核铆钉强度的校核：查阅机械设计手册，Q235钢钻孔所允许使用的切应力为145Mpa，冲孔所允许使用的切应力为115Mpa。这里安全起见，我们取115Mpa。由于一个前轮制动盘所需承受的制动力矩为417.5N*m，铆钉距轮芯轴线距离为L1=55mm，所以一个铆钉所承受切应力为t=4*M1/（Z*（d12-d22）*L1）=4*417.5/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=19.75Mpa115Mpa. 后制动盘所需承受制动力矩为185N*m，铆钉距轮芯轴线距离为L2=55mm，所以一个铆钉所承受切应力为t=4*M2/（Z*（d12-d22）*L2）=4*185/（6*3.14*（13.852-10.52）*0.055）=9.4Mpa115Mpa.所以铆钉强度足够。制动盘材料的强度校核：制动盘材料为2cr13不锈钢，600摄氏度时弹性模量为172000Mpa，查阅机械设计手册可得到其屈服极限和抗拉极限。得到这些参数后，利用ANSYS进行有限元分析，从ANSYS应力分布图可得，其强度足够。所以该制动盘的设计符合要求。4 现有制动盘还存在的可以改进的地方首先是材料方面，钢材的密度较大，如果换用钛合金或者耐高温的碳纤维材料，制动盘的重量将大幅降低，可以改善制动盘以至于整车的性能。第二个方面是打孔方面。本设计所打的散热孔都是先根据经验打孔，再用ANSYS进行强度校核。如果利用ANSYS进行拓扑分析，直接用拓扑功能进行打孔，将得到更加合理的打孔方式。这两点于此提出供读者进行进一步的探索。FSAE充满了魅力，吸引了众多汽车爱好者的参与。希望能有更多的朋友走进FSAE，关注FSAE，为FSAE在中国的发展提供更多的支持。