刘军
（农业部南京农业机械化研究所，江苏南京210014）
摘要：制动器是汽车制动系统中重要的组成部件，其优良的性能是人们的出行安全的重要保障。随着我国高速公路网的快速发展以及路况复杂程度的增加，人们对于制动系统工作可靠性的需要也日益迫切。论述了现有汽车制动器的发展现状，分析各自的特点并对汽车制动器的发展趋势进行了展望。
关键词：制动器；发展现状；展望
0 引言
近年来，我国的高速公路网迅速发展，车流密度和行车速度逐渐增加，路况也变得更加复杂，这使得我国高速交通事故频频发生。为了保障汽车行车的安全性，研制优良的行车制动系统已然成为了当今汽车设计的热点。汽车制动系统要求具有足够的制动力，良好的制动可靠性，制动器是制动系统中最重要的一个部件，其好坏决定了汽车是否具有优良的制动性能。目前用途最广泛的制动器有鼓式制动器和盘式制动器这两类。鼓式制动器又名块式制动器，是较早出现的制动器，主要依靠制动块压紧制动轮来实现刹车。盘式制动器刹车作用过程与鼓式比较相似，利用制动盘与静止摩擦片接触来产生摩擦从而使车轮减速实现刹车
的目的[1-4]。
1 国内外研究现状
1.1 鼓式制动器国内外研究现状
鼓式制动器一般由制动底板、制动蹄片、制动分泵、制动鼓以及连杆弹簧等组成，它首先通过液压装置将液压力传递到制动分泵上，然后再通过连杆弹簧将制动蹄片向外推出使其与制动鼓产生相对摩擦而阻止汽车前进。从汽车诞生至今己有百年的历史，国内外许多专家学者对制动器都做出了大量的、开拓性的研究，涉及到摩擦学、动力学、振动理论和接触力学等多个研究领域。
国内也有很多学者对汽车制动器进行了相关研究。韩文明等[5]分析单双自由度制动蹄效能因数与摩擦片上的径向合力作用点位置和摩擦系数变化间的关系，后将制动效能因数分解为摩擦自增势或自减势和杠杆增力作用两部分，进而分析每部分制动效能因数的变化特性，并得出提高制动效能稳定性的有效方法，为鼓式制动的改进提供了理论依据。宁晓斌等[6]应用多体动力学仿真软件建立了基于矿用汽车鼓式制动器的非线性刚柔结合仿真模型，得出了制动器效能因数。杨国俊等[7]利用有限元分析法建立凸轮鼓式制动器模型，分析了制动鼓和摩擦衬片间的接触应力，结果表明，两蹄的效能因数和最大接触压力随着摩擦衬片初始角的减小而增加。
1.2 盘式制动器国内外研究现状
盘式制动器是利用静止摩擦片与制动盘接触产生摩擦力来降低车轮转速，与鼓式制动器刹车过程比较相似，通过制动压力传递到制动钳活塞缸推动活塞及摩擦片制动盘产生制动摩擦力。
国外关于盘式制动器的设计仿真的文献较多，涉及到制动器热应力、振动模态、制动噪声分析、结构强度和轻量化等方面的研究。1969年，Pedro利用CAE软件对汽车盘式制动器的结构进行优化设计。
我国盘式制动器市场需求增长速度发展非常快。王良模、彭育辉等[8]建立浮钳式盘式制动器的受力的有限元模型，分析得出它在工作状态时的应力情况。结果表明，支架和钳体的设计强度完全能够满足材料的性能要求。李清、刘佐等[9]设计了一种盘式制动器结构，建立有限元模型，分析其制动稳定性。通过实验得出各部件的振频，深入研究了对其结构稳定性影响较大部件及参数。实验结果表明，改变制动盘和钳体的厚度可以改善其制动稳定性。杨龙宝等[10]通过ANSYS软件平台研究和分析影响盘式制动器制动性能的主要因素，利用有限元验证主要零部件的振动、强度和噪声以及制动热传导等问题。
2 制动器的类型及特点
目前市场上的制动器主要有两大类：鼓式制动器和盘式制动器。鼓式制动器也叫块式制动器，是靠制动块压紧制动轮来实现刹车的。鼓式制动是早期的制动系统，具有制动性能稳定可靠、成本较低并能提供足够大的制动力，现仍在一些经济型轿车上使用，如图1所示为鼓式制动器。盘式制动器是鼓式制动器的换代产品，具有良好的水热稳定性和散热性且反应敏捷，现在的车子多使用盘式制动，如图2所示为
盘式制动器。
2.1 鼓式制动器
鼓式制动器是通过制动蹄片挤压制动鼓来实现减速驻车的。制动过程中，制动蹄受力张开，与制动鼓内表面挤压产生摩擦力使汽车减速。按照制动蹄的受力情况可分为领从蹄式、双领蹄式（单向作用、双向作用）、双从蹄式、自增力式（单向作用、双向作用）等类型。
2.1.1领从蹄式制动器。领从蹄式制动器的结构如下图3所示。沿图中制动鼓旋转方向即汽车前进的方向看去，蹄1的支点3在前端，制动轮缸6施加的促动力作用在后端，因而制动蹄的旋转与制动鼓的旋转同向，我们把具有这种属性的制动蹄称作领蹄。与之相反，蹄2的支点4在后端，促动力作用在前端，制动蹄张开时与制动鼓的旋转方向相反，我们把具有这种属性的制动蹄称为从蹄。倒车时，制动蹄1变从蹄，制动蹄2变领蹄。这种在制动鼓正向和反向旋转时都存在一领一从的制动器叫做领从蹄式制动器。领从蹄式制动器的特点是结构简单可靠，效能稳定且便于安装，被广泛用在货车的前、后轮制动和轿车的后轮制动中。
2.1.2双领蹄式制动器。双领蹄式制动器的结构有单向和双向两种，图3为单向双领蹄式制动器，图4为双向双领蹄式制动器。单向双领蹄式制动器正向制动效能较高，倒车时变为从蹄式使得制动效能大大降低。中级轿车的前轮多采用单向双领蹄式制动器，这是由于中级轿车前进制动时，前轴比后轴的制动轴
荷及附着力大，倒车时相反。采用这种结构可较容易获得期望的前后制动力。当制动鼓正向旋转时，两制动蹄均为领蹄的制动器称为双向双领蹄制动器。这种类型的制动器在车辆前进和倒退时性能一样，因此被广泛地用于中、轻型载货汽车和部分轿车的前后轮。
2.1.3双从蹄式制动器。双从蹄式制动器在前进制动时，两制动蹄均为从蹄。与双领蹄式的结构相似，区别在于两者的固定元件与旋转元件的相对运动方向不同。很明显，从蹄式制动效能较低，但由于制动效能对摩擦因数变化的敏感程度较小，因此具有很好的制动效能稳定性，一般用于制动可靠性要求较高的高级轿车上。图5所示为双从蹄式制动器。
2.1.4自增力式制动器。自增力式制动器可分为单向和双向两种，区别在于制动轮缸中的活塞数目不同。单向自增力制动器使用单活塞制动轮缸，只在前进制动时起自增力作用，如下图6所示；双向自增力制动器使用双活塞制动轮缸，在前进和倒车制动时均可以起自增力作用，如下图7所示。自增力式制动器的增力器是利用可调顶杆体浮动铰接制动蹄来代替固定偏心销式制动蹄，利用前蹄推动后蹄，使摩擦力矩增大，起到自动增力作用。在外界作用相同条件下，自增力式制动器制动效能最好，但由于其制动效能对摩擦因数的依赖性大，因而降低了其稳定性。此外，自增力式制动器制动力矩的增长显得过于急速。因此，单向自增力式制动器只用于中、轻型汽车的前轮，而双向自增力式制动器由于可兼作驻车制动器而广泛用于轿车后轮。
2.2 盘式制动器
盘式制动器又叫碟式制动器，主要零部件有制动盘、制动钳、分泵、油管等，制动盘固定在车轮上随车轮转动。盘式制动器现已被广泛应用于轿车，大部分轿车全部车轮采用盘式制动，少数轿车采用前盘后鼓，保证汽车有较高的制动方向稳定性。在商用车中，盘式制动器在新车型及高端车型中逐渐被采用。盘式制动器按照固定摩擦元件的不同结构可分为两大类：全盘式制动器和钳盘式制动器。
2.2.1全盘式制动器。全盘式制动器的固定元件是圆盘型的金属背板和摩擦片，旋转元件是以端面工作的金属圆盘，即制动盘。全盘式制动器工作时制动盘和摩擦片是完全接触的。现全盘式制动器只装配在少数重型汽车，用作车轮制动器，有的还用作缓速器。如下图8为全盘式制动器。
2.2.2钳盘式制动器。钳盘式制动器按制动钳的结构型式可分为定钳盘式和浮钳盘式两种。
固定钳盘式制动器不能随车轮旋转，也不能沿着制动盘轴线方向直线移动，其钳体安装在转向节上，在制动盘两侧的钳体内分别有活塞和液压油缸，如图9是固定钳盘式制动器。固定钳盘式制动器较浮动钳式制动器早应用在汽车制动系统上，其优点是整体刚度好，缺点结构尺寸比较大，布置也困难，且由于需要两组高精密度的活塞和液压油缸，使其成本较高。其次，制动时会产生巨大热量，需经摩擦片传给制动液容易产生气泡从而影响制动效果。
浮动钳盘式制动器的钳体是浮动的，其浮动方式有两种：一种是钳体绕一支承销摆动；另一种是钳体沿着制动盘轴线方向滑动。浮动钳盘式制动器的内摩擦片是活动的，钳体安装在转向节上，其制动油缸是
单侧的。在制动过程中，活塞在推动内摩擦片沿导向销轴向移动，一定的压力压向制动盘，同时制动器钳体在油液压力的反作用下压紧制动盘，直到两侧受力均衡，图10是浮钳盘式制动器。浮动钳盘式制动器的结构简单且紧凑，造价低廉，易于布置，因而被广泛使用。
3 未来的发展趋势
汽车制动器近年来，我国汽车保有量持续不断地增加，车辆技术也在不断进步，高速行车带给我们的安全隐患越来越受到人们的重视。尽管很多汽车工程师在改进汽车制动性能上倾注了大量的心血，但是目前仍存在一些不足。通过查阅相关文献资料了解到，汽车制动系统可能会朝着以下几个方向发展：
1）轻量化。目前世界各国都在倡导环保理念，汽车的发展也不例外。有相关试验表明，汽车的质量每减少10%，油耗量下降6%～8%，排放量减少4%。汽车轻量化同时也直接提高了汽车的比功率，增加了汽车的动力性能。因此，未来汽车的制动系统也将会朝着轻量化的方向发展。
2）低噪声。汽车制动时产生的噪声是汽车的次要噪声来源之一。尤其在城市交通中，汽车需要经常制动，汽车噪声会影响到乘坐的舒适度，严重时还会危害人体健康。欧美等国家对汽车噪声有一定限制，汽车制动噪声在我国也越来越受到重视。很多研究人员从20世纪50年代就开始研究如何降低汽车制动器噪声问题，但迄今为止都没有到有效的解决办法，因此未来汽车制动器将会着力解决汽车噪声问题。
3）智能化。随着汽车整体智能化程度的提高，未来的汽车制动系统不可能独立地存在，而将会是一个综合性的系统。单个的控制模块将会集中于一个综合电控制单元，取代传统的控制系统，并推动汽车控制的智能化。
参考文献
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[8]王良模，彭育辉.浮钳盘式制动器的有限元分析[J].南京理工大学学报，2003，27（6）：756-758.
[9]李清，刘佐民，蔡萼华等.浮钳盘式制动器结构稳定性仿真分析[J].武汉理工大学学报，2008，30（5）：744-748.
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