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一种新型的大扭矩滑片制动器的设计
安德鲁斯密斯和西蒙M.哈德森
德尔福公司
摘要：本文介绍了一种替代制动器，该制动器使用两个制动盘，带有四个摩擦表面，以提供比现有产品更高的性能以及相应的改进。 本文详细介绍了该产品的发展情况，重点介绍了测试数据，该数据证明了扭矩，流体消耗和冷却速率的显著改善。 该设计保留了传统材料和现有工艺并且符合当前的封装限制。 补偿磨损的滑动盘可以将卡钳简化为固定设计并允许与转向节结合。 性能，改进和耐久性测试结果表明了此制动器当前在小型轿车和SUV上实施设计的状态，并显示了它与现有车辆制动控制系统的兼容性。 还描述了在当前和未来的车辆系统中实施该技术的设计方案。
介绍
现代盘式制动器已从30多年前首次推出的概念发展而来。 前桥出现了一种常见的方法，使用带固定底座，铸铁，固体或通风转子的液压卡钳。 摩擦材料选择，卡钳接口设计和制造方法的细微差别中可以找到制造商产品之间的差异。
在早期传统盘式制动器的开发阶段，人们还对一些替代方案进行了评估，以尝试并从盘式制动器概念中产生一些额外的优点。其中一种观点是使用多个制动盘以此来增加转矩输出。这些早期的设计并没有充分满足盘式制动器的市场要求，因此人们仍然相信这些方案是不可行的。
本文提出了一种替代制动器，该制动器使用两个带四个摩擦表面的滑动圆盘，以在现有产品上提供性能（比转矩）的阶跃变化。制动器已经在作者组织内进行了六年多的广泛开发。涵盖大约20台测试车辆，2台专用测力计和全台架测试能力的资源已经与各种有限元分析（FEA）技术和专用制造资源结合使用，以开发本文中介绍的设计。
正如所有的开发活动都是在项目的早期阶段学到的，包括在初始设计中做出的好的和不好的选择。本文描述了目前的状况，而不是完整的发展历史。首先，将讨论设计，其中包括关键特性，工作原理，如何使用其优点以及设计的成熟度。然后，本文将总结关于刹车所经受的关键测试，以及与现有固定盘式制动器相比较的主要刹车要求。最后，将给出一些示例，其中在全制动系统内利用高转矩制动器的优点高扭矩制动器的说明下面的图1显示了高扭矩制动器的布局原理图。
图1:双盘高扭矩制动器的侧视图
从图中可以看出，制动器的设计由两个制动盘组成，它们在轮毂上滑动，车轮也固定在轮毂上。这个轮毂是从今天在道路车辆上使用的标准轮毂发展而来的。 它向转向节内延伸，为盘齿和轮毂槽的制动力矩反应提供盘驱动机构。弹簧用于抑制盘片的运动，消除制动停止时的噪声。 制动器的液压部分被集成到转向节中，通过使用现有的材料作为活塞外壳，可以节省大量的重量。 这是可能的，因为如今制动钳被简化成为了销滑式制动钳。在这种制动器上制动盘随着每一次的制动在轮毂内滑动，在制动器的整个工作寿命期间向外移动以补偿磨损量。
在一个固定的盘式制动器，制动器的设计使用相同水平的运行间隙。 为了驱动制动器，活塞向推动活塞垫的盘移动，活塞垫依次加载滑块的内盘，加载中心盘，中心垫片依次与外盘接触，然后在外盘接触端垫时产生扭矩，所有间隙都关闭。液压施加的压力会在四个摩擦面产生摩擦力，从而产生制动力矩，产生的制动力矩是单个固定盘式制动器的两倍。以下简化方程表明，制动器产生的制动力矩(TB)是制动钳效率(eta;c)、液压管路压力(Ph)、活塞直径(phi;p)、活塞作用的有效半径(Reff)、制动盘与制动盘之间产生的接触摩擦(RPAR)和摩擦表面数(Nf)的函数。
在带有一个盘的固定盘式制动器中，摩擦面数为2，在本设计中，有2个盘片，有4个摩擦面。这是产生双倍扭矩输出的传统固定盘式制动器的关键。
随着线路压力的下降，制动装置被松开，由活塞后退，将活塞从打开垫片和盘片间隙的盘中拉开。扭矩降低与常规制动器相同，在车轮的3转内，2盘和中心垫对齐到它们的中立位置。然后，刹车以较低的剩余扭矩运行。
图2示出了用于固定盘和双盘式制动器的类似的扭矩水平制动应用的比较。在这两种情况下，压力和扭矩的上升和下降都是非常类似于制动器的预期。 此外，可以看出，双盘显示出轻微上升的趋势，这是这个制动器的一个特点。 对于固定式盘式制动器和双盘式制动器，扭矩水平是相当的，但在双盘式制动器(18 Bar)中产生扭矩所需的压力比固定盘式制动器所需的30 bar大大降低。
图2:典型的固定盘和双盘制动应用的比较
图3显示了双盘式制动器和固定盘式制动器最大残余阻力的比较，在制动器分别释放50和100 bar的制动压力后的第1、第5和第10次循环中。两个制动器的水平都很低，其中包括轴承阻力。双盘式制动器的一个典型特点是，第一轮的阻力最大，第5次循环达到平衡水平，第10次循环时没有进一步的下降。
图3:固定盘和双盘式制动器的最大残余阻力比较
当使用2个制动盘时，会在4个表面上产生热流，使制动块得到更有效的加热。相较于类似大小的固定排气制动盘，这将降低在一次制动过程中制动盘温度的增加量。 此外，较大的比表面积还会导致冷却系数的增加，从而使多次停止衰减试验中的平衡温度低于等效的排气盘系统。
图4显示了从Vmax(最大车速)到停止的制动应用过程中，在类似大小的332 mm制动器中所观察到的制动盘温升的比较。 这些测量是使用摩擦进行的摩擦路径中间的热电偶。结果表明，在相同的初始温度下，固定盘的最高温升大于双盘，最高温度发生在停止的不同部位。在停止持续时间约70％时，通向固定通风盘上的通风区域和顶帽的传导与热量输入保持平衡，并且朝向停止的末端温度降低。
图4:对比最高车速到停止的刹车片的温度
双盘制动器在整个制动过程中温度持续上升，在制动时间达到一定值时温度保持不变。这表明，在4个摩擦表面的热量输入会在整个制动盘产生一个一致的温度。制动时间达到一定值时，双盘和单盘的表面温度是非常相似，但单盘制动时达到的最高温度比双盘式制动器低70℃。
图5:对比冷却曲线从400°C的固定盘和双盘式制动器
图5显示了获得冷却方式改进的双盘制动器与同样大小的固定通风盘在同一辆车上冷却温度曲线的比较。 这种冷却方式具有一个更大的表面积，和一个主动的摩擦表面。这一特性已在双盘制动器的所有安装中反复观察到了。
浮动盘的使用是将车轮安装面，车轮紧固件和车轮与碟片分离，并因此消除了固定盘式制动器上的碟片跳动对活塞推回和DTV产生的影响。 它还去除了制动盘的高顶帽子部分，这一直是很多工作的主题，以确保在施加制动期间固定盘径向膨胀而不会产生高水平的光盘锥形。 滑动盘的另一个好处是，由于车轮螺栓拧紧引起的轮毂变形不会使制动盘变形。
制动盘，轮毂和中心垫的设计从根本上改变了现有设计，而制动器设计的所有方面都经过了作者团队的发展，但这三个部分在过去的3年中已经付出了最多的努力。 出于商业机密的原因，这些组件的细节将不会在本文中进一步讨论。
迄今为止，制动器已经开发了3种配置：
bull;13英寸车轮 - 福特嘉年华225mm外径盘式制动器
bull;14英寸车轮 - 福特嘉年华258mm外径盘式制动器
bull;17英寸车轮 - 宝马X5的332毫米外径盘式制动器
每种配置都使用传统材料制造所有部件，包括用于制动盘的灰铸铁，用于关节的SG铸铁和用于轮毂的卡钳和钢锻件。 作为一个例子，在不使用轻合金的情况下，258毫米盘式制动器的重量节省超过2公斤
系统设计中的灵活性
制动器设计必须产生以下所需的输出：
bull;特定扭矩的正确水平和稳定性（T B / P h）
bull;高度细化
bull;足够的热容量
bull;低刹车残余阻力
bull;高服务时间间隔
它必须做到这一点，同时满足以下限制：
bull;成本
bull;包装空间
bull;流体消耗量低且一致
bull;最大可用流体储备
bull;最大可用系统压力
bull;摩擦副产生的摩擦等级和范围
为了更好地满足这些要求，新设计可以用图6中所述的多种选项来代替
在这个表格中，每个选项都是极端的，因为所有特定的扭矩优势都被赋予一个设计参数; 活塞直径，有效半径或摩擦。 实际上，组合通常会用于产生系统设计优点的最佳平衡。 这些选项进一步描述：
符号意义
=，没有变化
lt;，产出或收益的小幅降低
gt;，产出或收益大幅下降
gt;gt;，产量或收益大幅增加
图6：高扭矩制动的实施选项表以及与具有相同制动设计参数的固定盘式制动器相比的潜在优点
选项1：最大化特定扭矩
在这种情况下，特定扭矩的加倍被完全用于降低操作制动系统所需的管路压力。 通过降低管路压力，从而降低实现特定减速所需的活塞力，可以观察到一些流体消耗量的减少。 在系统级别，这些扭矩和消耗优势可以通过减小制动的大小（伺服和主缸）或通过减少踏板力和系统中的行程来利用。 为了平衡系统，需要修改后制动比转矩。 使用较小的伺服系统可以提高改进的失效状态停止性能（FMVSS135），减少发动机舱内的伺服组件并降低真空要求。
选项2：最小化流体消耗
这种情况旨在减小活塞直径，使特定的扭矩与固定盘选项相同。 在这样做的时候，固定盘系统的主要优势是液体消耗的显着减少。 以相同的液压压力运行制动系统可以使用标准的后制动器，而无需修改特定的扭矩。 流体消耗量的减少使得更小的主缸能够与更小的伺服系统配合使用。 这条路线实现了最大的减小操作尺寸，或者提供了最大的灵活性来修改四个选项中的任何一个的踏板感觉。 事实上，在许多车辆上可以实现替换串联助力器，本文后面会举例说明。 缩小伺服的一般优点适用于此选项以及选项1。
选项3：最小化摩擦水平
虽然制动器中使用的摩擦水平并不完全是造成尖叫，蠕动呻吟，呻吟等细化问题的原因，但制动NVH（噪音，振动和粗糙度）领域的大多数工作人员都认同增加摩擦水平 实现更高的比转矩会导致更多细化问题的解决。 该选项假设该制动器的所有特定转矩优势都是为了降低摩擦水平。 例如，摩擦等级超过0.45的固定盘式制动器可以用摩擦等级为0.30的双滑动盘系统代替，同时保持固定盘系统的相同的特定转矩和流体消耗。 这种摩擦力的降低应该引起较少细化的问题。
选项4：最小化制动盘直径
该选项可以增加摩擦面的数量，并减小制动盘的直径和有效半径。 这种情况很大程度上取决于制动器的散热要求，因此通常会与其他选项中的一种结合使用。 但是，正如本文后面将要介绍的那样，在某些情况下，可以将盘直径减小到一个使轮尺寸减小1“的可行水平。 降低轮胎尺寸的好处包括降低成本和减轻重量以及提高轮胎纵横比的能力，这对越野车非常重要。
如前所述，这些选择已经呈现到了极致。 实际上为了实现最佳的系统设计，使用了所有选项的权衡。 事实上，对于为双盘式制动器开发的3种制动器配置，每种都有不同的配置和目标。 现在将225mm和332mm制动器的目标描述为示例。
225毫米盘式制动器13英寸车轮 - 福特嘉年华
该制动器的高级设计参数如图7所示。
|
活塞直径 |
盘直径（毫米） |
有效半径 |
摩擦 |
后制动器 |
后活塞 |
伺服 |
主缸 |
ABS |
脚踏比例 |
|
|
固定盘式 |
48 |
239 |
100 |
0.40 |
7' |
17.5 W/C |
OE |
OE |
OE |
OE |
|
双盘式 |
48 |
225 |
100 |
0.38 0.40 |
9' |
20.64 W/C |
OE |
OE |
OE |
OE |
图7:13英寸福特嘉年华”制动系统设计比较
可以看出，用于基线比较的固定盘式制动器和双盘式制动器的有效半径为100mm，活塞直径为48mm。 该制动器的照片如图8所示。双盘系统在固定盘式制动器上的比扭矩增加，在车辆上使用较大的后鼓式制动器进行了平衡。 没有对任何制动部件进行修改，因此系统运行时线压降低，因此踏板作用力降低。
图8:安装在福特嘉年华上的用于13 '车轮的双盘设计
直径为239mm的固定圆盘已被两个225mm圆盘所取代，这些圆盘在本文后面将显示与固定盘式制动器具有相同的热性能。 固定光盘角落的重量是13.9kg，而双光盘角落的重量是12.0kg。 为了确认这些关
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